Les générateurs d’hydrogène utilisent une membrane échangeuse de protons (MEP) pour produire de l’hydrogène à partir d’eau. La cellule MEP a été initialement développée par la NASA et elle est largement utilisée dans des applications industrielles et de laboratoire.

Production d’hydrogène

L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’Univers, bien qu’à l’état gazeux, il ne soit pas produit naturellement sur Terre et doive être fabriqué. Dans l’industrie, le H2(g) est produit à grande échelle par un processus appelé reformage à la vapeur, pour séparer les atomes de carbone et d’hydrogène des hydrocarbures. L’hydrogène est utilisé en laboratoire dans diverses applications, telles que la chromatographie en phase gazeuse (GC) en tant que carburant ou gaz porteur, et dans les applications ICP-MS en qualité de gaz de collision. Dans l’industrie chimique, il est utilisé afin de synthétiser l’ammoniac, le cyclohexane et le méthanol. Enfin, dans l’industrie alimentaire, il est utilisé dans l’hydrogénation des huiles afin de former des graisses.

Des travaux de recherche et développement importants ont permis de produire de l’hydrogène à la demande pour des applications de laboratoire, de fabrication et industrielles, et ce de manière plus sûre, plus écologique, plus efficace et plus rentable. La sécurité s’est tellement améliorée que le gaz d’hydrogène est maintenant utilisé dans certains véhicules de transport en tant que carburant propre « non polluant » : ce gaz étant produit à partir d’eau, le sous-produit de sa combustion reste de l’eau.

Cet article fournit des réponses à plusieurs questions en matière de santé et de sécurité au travail recensées par des laboratoires mondiaux de santé, environnementaux, industriels, d’essais, médicaux et de recherche concernant l’utilisation sûre des générateurs d’hydrogène sur le lieu de travail.

Comment fonctionne un générateur d’hydrogène ?

L’électrolyse de l’eau est la meilleure méthode pour produire de l’hydrogène avec une grande pureté à la demande. L’élément le plus important du générateur est la cellule d’électrolyse, où la réaction d’électrolyse a lieu. Cette cellule est constituée de deux électrodes (une anode et une cathode) séparées par la membrane échangeuse d’ions. Pour produire un hydrogène de la plus grande pureté possible, un catalyseur en platine est utilisé au niveau des électrodes.

Lorsqu’une tension continue est appliquée aux électrodes sur la cellule d’électrolyse, les réactions suivantes ont lieu : -

Illustration de l’électrolyse dans une cellule MEP

 

Au niveau de l’anode (l’électrode chargée positivement), les molécules d’eau perdent deux électrons, formant une molécule d’oxygène et quatre ions d’hydrogène.

Anode 2H2O - 4e = O2 + 4 H+

L’oxygène qui est produit dans cette moitié de la réaction est évacué en toute sécurité dans l’atmosphère à l’arrière du générateur. Les quatre ions d’hydrogène qui ont été produits traversent ensuite la membrane échangeuse d’ions (attirés par la cathode chargée négativement) et recueillent quatre électrons en les réduisant en deux molécules d’hydrogène.

Cathode 4H+ + 4e = 2H2

L’hydrogène produit est séparé de l’oxygène par la membrane échangeuse d’ions, qui est imperméable à l’oxygène moléculaire.

Pourquoi utiliser un générateur d’hydrogène ?

Les générateurs d’hydrogène sont une alternative sûre et pratique et constituent généralement une solution plus rentable face à l’utilisation de bouteilles de H2 sous haute pression. Un générateur d’hydrogène fournira de l’hydrogène d’une pureté constante, éliminant le risque de variation de la qualité du gaz pouvant avoir une incidence sur les résultats d’analyse.

Un générateur produit également du gaz sur demande 24 heures sur 24, ce qui signifie que vous n’avez pas à vous soucier du manque de gaz à un moment inopportun. Un générateur d’hydrogène vous fera gagner du temps, car vous n’aurez plus besoin de passer du temps à commander et à remplacer des bouteilles.

Un générateur est une alternative écologique par rapport aux bouteilles de gaz, car une fois installé, il n’aura plus besoin de quitter le laboratoire, et il fournira du gaz aux applications de laboratoire avec tout l’entretien effectué dans ce même laboratoire. Le générateur réduit également l’empreinte carbone de votre laboratoire, car il évite que des camions viennent vous livrer des bouteilles de rechange et retirer celles qui sont vides.

Gaz porteur d’hydrogène

De nombreux laboratoires se tournent maintenant vers le H2 en tant que gaz porteur comme alternative à l’hélium, dont le prix augmente d’année en année. L’utilisation du gaz porteur H2 peut réduire le temps d’analyse moyen en augmentant le débit d’échantillon, car l’hydrogène présente une viscosité environ deux fois inférieure à celle de l’hélium. De nombreux laboratoires peuvent s’attendre à réduire de moitié leur temps d’analyse s’ils passent au gaz porteur d’hydrogène.

L’utilisation de consommables (comme les colonnes) peut également être réduite en utilisant de l’hydrogène en raison de la température d’élution inférieure des produits, ce qui permet d’utiliser des températures plus basses. Dans la GC-SM, la fréquence de nettoyage des sources d’ions peut être considérablement réduite avec un gaz porteur d’hydrogène, car l’hydrogène nettoie en permanence les composants des sources d’ions, ce qui réduit les temps d’arrêt.

De nombreuses applications peuvent utiliser l’hydrogène comme alternative au gaz porteur d’hélium, comme l’analyse des EMAG dans les aliments, l’analyse détaillée des hydrocarbures et la SIMDIST dans le pétrole et le gaz, ainsi que des méthodes telles que l’EPA 8270 dans l’analyse environnementale. Les détails des étapes clés pour changer de gaz porteur sont décrits ici.

Comment puis-je passer des bouteilles de gaz à un générateur avec un temps d’arrêt limité ?

Le changement se fait habituellement sans encombre. Si vous passez de bouteilles d’hydrogène à un générateur, les tubes existants peuvent être déconnectés de la bouteille et raccordés au générateur à l’aide des raccords SwageLok. Si vous passez de l’hélium à l’hydrogène, de nouveaux tubes doivent toujours être utilisés.

Le générateur d’hydrogène est-il sans danger ?

Un générateur d’hydrogène de Peak stocke moins de 300 cc de gaz, par rapport aux bouteilles, qui stockent jusqu’à 9000 L à une pression extrêmement élevée (~2000-3000 psi). La gamme de générateurs d’hydrogène de Peak produit du gaz à la demande, ce qui signifie que seule la quantité nécessaire à la chromatographie en phase gazeuse (GC) est produite à un débit régulé (0,5 L max.) et une pression contrôlée (120 psi max.).

Quel est le niveau de sécurité du générateur ?

Un générateur de gaz H2 Precision de Peak est équipé de contrôles continus de fuite internes et externes ainsi que d’une fonction d’arrêt automatique.

• Diagnostic complet au démarrage.
• Contrôle des fuites se basant sur la pression continue pendant le fonctionnement.
• Arrêt automatique par isolation de la cellule de génération de H2
• Alarmes audio et visuelles
• Ventilation forcée dans tout le générateur
• Niveau de gaz H2 bas dans tout le système (<0,3 L max.)

En cas de fuite interne, le générateur arrêtera la production de gaz et alertera le personnel du laboratoire via l’écran tactile de l’IHM, ce qui enclenchera un avertissement ainsi qu’une alarme sonore. S’il y a une fuite externe au générateur ou si sa capacité est dépassée pendant 20 minutes, le générateur s’arrête pour empêcher l’accumulation de gaz H2 dans l’environnement du laboratoire ou l’instrument alimenté. Le système s’arrêtera également si la pression interne dépasse les 120 psi.

Les générateurs d’hydrogène éliminent les risques de sécurité liés à la manipulation des bouteilles sous haute pression. Profitez d’une analyse de GC sans soucis, sans réservoirs à changer et sans temps d’arrêt.

Nos agents de sécurité sont préoccupés par une accumulation de gaz H2 et par une possible explosion dans le laboratoire : est-ce possible avec un générateur de H2 gazeux ?

L’hydrogène est inflammable entre 4,1 % et 78 % dans l’air. À titre d’exemple, un laboratoire de 5 m x 4 m x 2,5 m présente un volume de 50 000 L. Pour atteindre la limite inférieure d’explosivité de 4,1 % d’hydrogène gazeux, il faudrait 2050 L de gaz H2 libérés dans cet espace de laboratoire en un instant.

Une bouteille moyenne de gaz H2 de taille « G » contient 9 000 L de gaz. En cas de fuite d’une bouteille, il suffirait de libérer 25 % de son volume total pour atteindre la limite inférieure d’explosivité dans ce laboratoire.

Un générateur Hydrogen Trace Precision de Peak de 500 cc produit 0,5 L par minute. Pour atteindre la limite inférieure d’explosivité avec ce générateur de gaz, il doit se trouver dans un espace complètement étanche, ne pas être connecté à la GC/application ou subir une fuite sévère et souffrir d’une défaillance complète de toutes les fonctions de sécurité. Même dans ce scénario hautement improbable, le générateur devrait fonctionner pendant 67 heures (~3 jours) pour atteindre la limite inférieure d’explosivité.

Des essais ont-ils été effectués pour évaluer la sécurité des générateurs d’hydrogène ?

Les générateurs d’hydrogène de Peak portent la mention CE et CSA et ont été testés en externe selon les normes CEI portant sur l’utilisation en laboratoire et les exigences de sécurité pour le risque résiduel d’explosion. L’évaluation a été réalisée dans le cas le plus pessimiste avec des tests de dilution et un ventilateur non actionné. Les essais ont démontré que le risque d’explosion est nul, car le niveau d’explosivité inférieur de 4,1 % d’hydrogène n’a pas été atteint dans les conditions les plus pessimistes à l’intérieur ou à l’extérieur du générateur.

Où dois-je installer mon générateur ?

Le générateur peut rester en toute sécurité dans le laboratoire sur la paillasse, au sol ou sous l’échantillonneur automatique de la GC. La conception empilable de la gamme Precision de Peak permet de placer les générateurs à proximité de la GC ou d’autres applications. Le générateur doit être placé sur une surface plane et horizontale pour fonctionner.

 

Générateur de gaz Precision de Peak dans le laboratoire

 

Pile de générateur de gaz de la série Precision à l’échelle

 

Puis-je installer le générateur dans un placard ?

Un débit d’air adéquat doit être maintenu autour du générateur pour permettre au système de ventilation de fonctionner efficacement. Si le générateur est stocké dans un lieu fermé, l’environnement doit être contrôlé via une climatisation ou un ventilateur d’extraction. La disposition prévue doit permettre le changement du volume d’air dans la pièce 5 fois par heure.

L’arrière du générateur devient chaud au toucher pendant le fonctionnement : un espace libre de 15 cm (6 po) minimum entre d’autres éléments est recommandé.

Les ventilateurs ne doivent pas être obstrués ou branchés sur n’importe quelle application. Une élimination sûre et forcée des gaz résiduels a été conçue dans le générateur afin de prévenir toute accumulation de gaz ou de pression interne.

Puis-je installer le générateur en dehors du laboratoire ?

Cela est possible dans la mesure où les conditions environnementales recommandées pour le fonctionnement normal sont respectées. La réduction de la longueur de la tuyauterie permettra de réduire les coûts si elle n’est pas déjà installée ainsi que le risque de fuites potentielles non détectées dans la tuyauterie, améliorant ainsi la sécurité de l’installation. Si possible, le générateur doit être placé à proximité ou près (<10 m="" de="" la="" gc="" l="" application="" p="">

Est-ce que mes GC doivent être ventilées ?

Si un client souhaite utiliser un extracteur de fumée ou raccorder des tubes entre l’échappement du générateur et une hotte, cela est possible, mais tout hydrogène évacué par la GC se diffusera rapidement dans l’air et ne présentera aucun danger pour le personnel de laboratoire ou l’environnement. Si des tubes sont raccordés aux orifices d’échappement du générateur, il est essentiel de les surveiller fréquemment, car tout pli pourrait provoquer une accumulation de gaz et entraîner des problèmes supplémentaires de santé et de sécurité. La limite inférieure d’explosivité de l’hydrogène est de 4,1 % et ne semble pas être atteinte par un générateur de gaz H2 de Peak. La majorité de l’environnement du laboratoire ne sera pas complètement étanche, la climatisation sur site permettant le mouvement de l’air. Si vous vous inquiétez à ce sujet, Peak propose des évaluations sur place des études d’installation et des démonstrations gratuites.

Aurai-je besoin de capteurs d’hydrogène dans le laboratoire ou le four de GC ?

Au laboratoire, la quantité d’hydrogène produite/épuisée dans le laboratoire n’est pas suffisante pour s’accumuler et atteindre la limite inférieure d’explosivité de l’hydrogène. Le risque d’une accumulation importante de gaz dans le four de GC est également extrêmement faible, avec à la fois la fonction d’arrêt de sécurité de fuite externe du générateur H2 et la fonction d’arrêt de sécurité d’entrée de la GC en place.

Si votre laboratoire, le gouvernement de votre État ou votre entreprise exige une réglementation, des capteurs ou une surveillance, Peak peut offrir une chambre externe ainsi que des capteurs de surveillance du four de la GC pour une tranquillité d’esprit totale.

Ça a l’air technique : Dans quelle mesure les générateurs de gaz H2 sont-ils difficiles à entretenir ?

La maintenance est très simple, rentable et ne nécessite pas d’ingénieur pour une maintenance régulière. Il suffit de remplir le réservoir d’eau déionisée chaque semaine. Une maintenance préventive (MP) est requise deux fois par an, avec le remplacement de la cartouche de déionisation.

Peak propose également des formations aux utilisateurs, des didacticiels sur Skype, des PowerPoint, des guides d’utilisation détaillés, une assistance technique 24 h/24 et 7 j/7 et une assistance sur place. Cliquez ici pour nous contacter.

Combien de GC un seul générateur d’hydrogène peut-il alimenter ?

En règle générale, 100 cc alimenteront deux détecteurs de FID. Bien sûr, le générateur requis dépendra du débit, du type de gaz porteur, de la colonne, d’autres détecteurs et des méthodes uniques.

Vous trouverez un simulateur de vos besoins en gaz ici.

Ou contactez-nous pour une solution consultative.

Retour sur investissement : est-ce vraiment plus rentable ?

Avec le calcul du gaz, des frais de livraison, des frais de location des bouteilles de gaz, du temps d’arrêt du personnel, de l’administration, des mesures sur la santé et la sécurité au travail et de la formation, le retour sur investissement est généralement atteint au bout de 9 à 15 mois.

Quels sont les avantages des générateurs d’hydrogène par rapport aux bouteilles de gaz ?

• Basse pression = plus de sécurité (1-100 psi à la sortie).
• Le débit contrôlé maintient des niveaux d’hydrogène sûrs (jusqu’à 500 cc à la sortie).
• Capteurs de fuite intégrés et fonction d’arrêt automatique.
• Production à la demande = stockage minimal.
• Une fois installé, pas besoin de bouger.
• Toutes les tâches de maintenance sont effectuées dans le laboratoire.
• Fonctionnement 24/7 : pas besoin de surveiller l’alimentation.
• Réduction des coûts et de l’administration : pas de commandes répétées de gaz.
• Empreinte carbone réduite : option plus écologique pour votre laboratoire.

Est-ce difficile d’installer un générateur d’hydrogène ?

Pas du tout. Il suffit de retirer l’emballage, de le raccorder à une bouteille d’eau déionisée externe protégée contre les rayons UV (à la même hauteur ou sous le générateur), de brancher l’installation à une alimentation électrique (10 A), puis de la laisser atteindre la température ambiante. Raccordez le dispositif à votre GC en utilisant un tuyau en cuivre ou en acier inoxydable pré-nettoyé (purgé au gaz) de 1/8 po.

De quelle tuyauterie ai-je besoin ?

L’alimentation en hydrogène doit être assurée par des tuyaux en acier inoxydable ou en cuivre propres aux analyses et des raccords à compression Swagelok. Il est important de changer les tubes utilisés auparavant pour alimenter la GC en hélium, car au fil du temps, des dépôts s’accumulent à l’intérieur des tubes et l’hydrogène les transportera vers l’application, causant un bruit de fond plus élevé pendant plus longtemps.

Pour toutes les connexions, les raccords à compression Swagelok sont la solution recommandée pour raccorder des tubes en cuivre ou en acier inoxydable. N’utilisez jamais de collage chimique (tel que Loctite), de soudure ou de colle, car cela peut introduire des composés organiques volatils (COV) dans l’alimentation en gaz, ce qui peut avoir un impact sur les résultats.

Lors de l’exécution de lignes supérieures à 3 m, il peut s’avérer nécessaire d’utiliser une tuyauterie de 1/4 po réduite à 1/8 po pour alimenter chaque GC. Cela augmente considérablement le volume et peut rendre l’installation plus difficile.

Pour les lignes supérieures à 10 m entre le générateur et la GC, veuillez consulter Peak ou vos spécialistes en matière de raccordement.

Quelle eau puis-je utiliser pour mon générateur d’hydrogène ?

Peak recommande de l’eau déionisée d’une résistivité supérieure à 1 mégohm ou d’une pureté de conductivité inférieure à 1 μS ou plus. Si l’eau MilliQTM est disponible dans votre établissement, celle-ci est préférable. Peak ne recommande pas de raccorder le générateur à une alimentation en eau déionisée constante.

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À propos de l’auteur : Nicole Pendini est directrice nationale chez Peak Scientific en Australie et en Nouvelle-Zélande. Elle a travaillé chez Peak pendant plus de 3 ans après avoir travaillé chez Agilent Technologies : elle connaît donc parfaitement les défis auxquels doivent faire face les laboratoires d’Australie et de Nouvelle-Zélande, particulièrement en ce qui concerne l’alimentation en gaz et l’optimisation du processus de travail.

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