L’hydrogène a de nombreuses applications dans de nombreux secteurs. Cependant, son utilisation sûre et généralisée nécessite des méthodes de détection fiables, selon des chercheurs de l’Université de Chiba, au Japon. Bien que la spectroscopie d’absorption laser à diode accordable (TDLAS) soit une méthode efficace pour la détection de gaz, les chercheurs ont déclaré que la détection de l’hydrogène à l’aide du TDLAS est difficile en raison de sa faible propriété d’absorption de la lumière dans la région infrarouge. Pour résoudre ce problème, les chercheurs de l’Université de Chiba ont développé une technique sans étalonnage qui, selon eux, améliore la précision et les limites de détection de l’hydrogène à l’aide du TDLAS.
Selon les chercheurs, l’hydrogène gazeux est léger, stockable, dense en énergie et respectueux de l’environnement par rapport aux combustibles fossiles, ne produisant aucun polluant ni émission de gaz à effet de serre. En tant que tel, il a de nombreuses applications dans divers domaines, notamment les transports, l’architecture, la production d’électricité et les industries. Cependant, l’hydrogène est hautement inflammable, donc son utilisation sûre et généralisée nécessite des méthodes fiables pour détecter les fuites et garantir sa pureté, ont indiqué les chercheurs. Le besoin de méthodes de détection fiables a nécessité le développement de techniques de détection de gaz traces. Cependant, la détection de faibles concentrations d’hydrogène avec le TDLAS est difficile car l’hydrogène a une absorption plus faible dans la région infrarouge que les autres gaz.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche japonaise dirigée par le professeur agrégé Tatsuo Shiina de la Graduate School of Engineering de l’Université de Chiba a développé une méthode permettant de mesurer avec précision l’hydrogène gazeux à l’aide du TDLAS. L’équipe était composée d’Alifu Xiafukaiti et Nofel Lagrosas de la Graduate School of Engineering de l’Université de Chiba, d’Ippei Asahi de l’Institut de recherche de Shikoku et de Shigeru Yamaguchi de la School of Science de l’Université de Tokai.
La technologie TDLAS a attiré l’attention pour la détection de divers gaz. Les chercheurs ont déclaré que TDLAS offre plusieurs avantages, notamment la mesure sans contact, la détection in situ, une sélectivité élevée, une réponse rapide, un faible coût et des capacités de mesure multi-composants et multi-paramètres. Il fonctionne sur le principe selon lequel les gaz absorbent la lumière à une certaine longueur d’onde, ce qui entraîne une ligne sombre dans le spectre d’absorption, appelée raie d’absorption. En mesurant la quantité de lumière laser absorbée à cette longueur d’onde, les chercheurs ont déclaré que la concentration du gaz pouvait être déterminée.
« Dans cette étude, nous avons obtenu une détection très sensible de l’hydrogène gazeux grâce à un contrôle méticuleux des paramètres de pression et de modulation dans la configuration TDLAS. De plus, nous avons introduit une technique sans étalonnage qui garantit l’adaptabilité à une large gamme de concentrations », a déclaré le professeur Shiina.
Dans TDLAS, la lumière laser traverse une cellule à gaz sous pression appelée cellule multipasse Herriott (HMPC) qui contient le gaz cible, ont expliqué les chercheurs. La longueur d’onde du laser est modulée ou oscillée autour de la ligne d’absorption du gaz cible à une fréquence spécifique pour éliminer tout bruit ambiant. La pression dans le HMPC peut influencer de manière significative la largeur de la raie d’absorption et par conséquent les paramètres de modulation sous TDLAS.
Les chercheurs ont déclaré avoir analysé la largeur de la raie d’absorption d’hydrogène la plus forte à différentes pressions. Grâce à des simulations, les chercheurs ont identifié la pression optimale pour une largeur de raie d’absorption plus large et les paramètres de modulation les plus efficaces dans cette largeur de raie. Leur technique sans étalonnage impliquait d’utiliser la première harmonique du signal d’absorption modulé pour normaliser la deuxième harmonique en fonction de leur rapport, au lieu de s’appuyer uniquement sur le signal de la deuxième harmonique comme dans les systèmes TDLAS conventionnels. De plus, ils ont déclaré avoir utilisé une cellule à gaz à haute pression contenant de l’hydrogène pur comme référence pour affiner les paramètres de modulation du signal laser.
En utilisant cette approche, les chercheurs ont déclaré avoir obtenu des mesures précises des concentrations d’hydrogène sur une large plage de détection allant de 0,01 % à 100 %, où 0,01 % équivaut à une concentration de seulement 100 parties par million (ppm). De plus, les résultats se sont améliorés avec des temps d’intégration plus longs (la période pendant laquelle la lumière peut être absorbée). À un temps d’intégration de 0,1 seconde, la limite de détection minimale était de 0,3 % ou 30 000 ppm, qui s’est améliorée à 0,0055 % ou 55 ppm après un temps d’intégration de 30 secondes. Cependant, au-delà de 30 secondes, la limite minimale de détection augmente.
« Notre système peut améliorer considérablement les systèmes de détection d’hydrogène en termes de sécurité et de contrôle de qualité, facilitant ainsi l’adoption plus large de l’hydrogène carburant. Par exemple, ce système peut être utilisé de manière fiable pour la détection de fuites dans les voitures à pile à combustible à hydrogène », a expliqué le professeur Shiina à propos des applications potentielles de l’étude.
En résumé, les chercheurs ont déclaré que cette technique pourrait contribuer à ouvrir la voie à un avenir durable et à stimuler le déploiement de l’hydrogène en tant que carburant vert.
