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Travailler avec l'hydrogène

Propriétés physiques de l'hydrogène

La molécule d'hydrogène existe sous deux formes:
- l'ortho hydrogène (les noyaux des deux atomes sont de spin parallèle)
- le para hydrogène (les noyaux des atomes sont de spin opposé)
A température ambiante et supérieure, le gaz d'hydrogène est constitué de 75% d'ortho et 25% de para hydrogène. C'est ce que l'on nomme l'hydrogène normal.
Liquéfié à basse température, il est composé de 99,8% de para hydrogène à sa température d'ébullition ( -252,7°C).

Température d'ébullition -252,8°C
Température de fusion -259,4 °C
Température critique -240,2 °C
Pression critique 12,8 atm
Chaleur spécifique du gaz 3,5 kcal/kg/°C à Tre ambiante et supérieure
Chaleur de vaporisation 105 kcal/kg à -250°C
Viscosité gaz 0,01 cpo à température ambiante
Diffusion dans l'air0,61 cm²/s

L'hydrogène est plus léger que l'air. Il s'élève à une vitesse 2 fois supérieure à celle de l'hélium et 6 fois supérieure à celle du gaz naturel. En conséquence, à moins d'être sous un toit ou dans une zone faiblement ventilée, il y a peu de chance  de le voir s'accumuler à proximité d'une fuite.
L'hydrogène diffuse rapidement. Sa vitesse de diffusion est près de 4 fois supérieure à celle du gaz naturel, ce qui signifie qu'en cas de fuite il se diluera rapidement pour atteindre une concentration à laquelle il ne risque pas de s'enflammer.
L'hydrogène est sans odeur, sans couleur et sans goût. Une fuite est donc difficile à détecter.

Inflammabilité de l'hydrogène

PropriétéHydrogèneGaz Naturel
Limites d'inflammabilité4 - 74 %5,3 - 15 %
Limites d'explosivité18,3 - 59 %5,7 - 14 %
Energy d'ignition0,02 mJ0,29 mJ
Température de flamme dans l'air2045 °C1875 °C
Composition stoechiométrique29 %9 %

Les flammes d'hydrogène irradient faiblement. Les flammes d'hydrogène sont donc presque invisibles. La détection d'un feu est difficile.
Dans un feu d'hydrogène, l'intermédiaire principal est le radical hydroxyl OH qui réagi ensuite avec l'oxygène pour produire le produit de combustion principal qui est la vapeur d'eau. L'énergie de cette combustion est émise dans l'ultra-violet, le visible et l'infra-rouge dans des bandes spectrales spécifiques. L'eau émet principalement dans le proche infra-rouge (2,7 microns). La détection de cette radiation nécessite un détecteur spécifique.

L'hydrogène n'est pas détecté par les capteurs IR standards. Les détecteurs de gaz inflammables utilisant l'absorption Infra Rouge sont généralement conçus pour détecter des hydrocarbures (absorption de la liaison C-H dans la bande 3 à 3,4 microns) et pour être insensibles à la vapeur d'eau. Ils ne peuvent pas détecter l'hydrogène. Il faut alors utiliser des détecteurs catalytiques.

L'hydrogène s'enflamme facilement, mais seulement à forte concentration dans l'air (proche de la composition stoechiométrique). A faibles concentrations (inférieures à 10%), l'énergie nécessaire pour l'ignition est comparable à ce qu'elle est pour le gaz naturel.

L'hydrogène forme des mélanges explosifs avec l'oxygène ou l'air.  Le domaine de concentrations dans l'air pour lesquelles une explosion peut se produire est large (18 à 59%), mais assez élevée comparée à ce qu'elle est pour des vapeurs d'essence par exemple (1 à 3%). Autrement dit pour être explosif, un mélange d'hydrogène dans l'air nécessite une accumulation nettement supérieure à ce quelles doit être avec des vapeurs d'essence.

Stockage de l'hydrogène

La circulaire du 24 Mai 1976 fixe en France les conditions de stockage et d'exploitation des stockages d'hydrogène liquide. Elle fixe des règles d'implantation, de construction et d'équipement des réservoirs et les moyens de protection et de lutte contre l'incendie.
En particulier:
- le dépôt doit être implanté en plein air, au-dessus du sol et clôturé même à l'intérieur d'un établissement
- le réservoir doit être équipé d'une mesure de niveau, d'une alarme de niveau haut, d'une mise à l'atmosphère de la phase gazeuse reliée à une cheminée débouchant à au moins 7,5 m du sol- une cuvette de rétention d'un volume au moins égal à la moitié de la capacité du plus gros réservoir lui étant associé
- une zone de danger autour du dépôt à l'intérieur de laquelle des restrictions de travaux, d'installation de matériel électrique, doivent être observées

L'hydrogène liquide peut causer des bûlures sévères dues à sa température de stockage très basse (-253°C).

Fragilisation des aciers

Les aciers au carbone sont fragilisés par la présence d'hydrogène. Le mécanisme est le suivant:
L'hydrogène diffuse au coeur du métal. Il réagit avec le carbone présent pour former du méthane. La consommation du carbone déstructure le matériau et détruit ses propriétés mécaniques.
La présence de chrome dans l'alliage limite ce phénomène et permet de reculer les limites d'utilisation. Les courbes de Nelson permettent de définir ces limites d'utilisation en température et pression partielles d'hydrogène dans le gaz. Les valeurs limites sont approximativement les suivantes:

Teneur en Chrome dans l'alliage Pression partielle d'hydrogène maximum sans effet (bars) Température maximum pour des pressions d'hydrogène supérieures (°C)
0% Cr 7 250
1% Cr 90 350
2% Cr 110 400
2,25% Cr 120 450



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