Mesure du débit d’hydrogène : défis et solutions ultrasoniques

La mesure du débit d’hydrogène est plus difficile que la mesure du gaz naturel en raison de deux propriétés physiques. À 20 °C et 0,101325 MPa, l’hydrogène transporte le son à 1 304,7 m/s, soit environ 2,9 fois plus vite que le méthane. Il est également environ 8 fois moins dense que le méthane dans les mêmes conditions (NIST Chemistry WebBook, consulté en 2026 ; rapports calculés à partir des données du NIST). La première propriété réduit le temps pendant lequel une impulsion sonore se propage dans le gaz. La seconde affaiblit l’impulsion qui atteint le récepteur.

Les débitmètres ultrasoniques à temps de transit peuvent mesurer l’hydrogène lorsque les transducteurs, l’électronique de temporisation et le trajet d’écoulement sont conçus pour ces deux propriétés. La différence de temps de transit correspond à la différence entre le temps nécessaire à une impulsion sonore pour se déplacer dans le sens de l’écoulement et à contre-courant ; elle est proportionnelle à la vitesse du gaz. Cet article se concentre sur les systèmes OEM : électrolyseurs PEM et piles à combustible PEM à 1 à 20 bar, avec des gaz humides et des mélanges gazeux. La mesure dans les pipelines, le mélange et le ravitaillement constituent des problématiques différentes et ne sont évoqués qu’à titre de contexte.

Pourquoi la mesure du débit d’hydrogène est-elle plus difficile que celle du gaz naturel ?

Le passage du gaz naturel ou de l’air à l’hydrogène modifie les paramètres qu’un débitmètre ultrasonique doit résoudre, et les valeurs du NIST ci-dessous montrent dans quelle mesure.

Source : NIST Chemistry WebBook. L’impédance est calculée en multipliant la densité par la vitesse du son.

Comment la vitesse du son dans l’hydrogène réduit-elle les temps de transit ?

À 20 °C, l’hydrogène transporte le son à 1 304,7 m/s à la pression atmosphérique, à 1 391,5 m/s à 10,1 MPa et à 1 910,3 m/s à 70,1 MPa (données isothermes du NIST). Une impulsion parcourt le même trajet environ 2,9 fois plus vite que dans le méthane.

Selon le principe du temps de transit, le débitmètre déduit la vitesse du gaz de la différence entre les temps de propagation en amont et en aval. Un temps de propagation plus court signifie une différence de temps plus faible pour chaque unité de vitesse ; l’électronique de temporisation doit donc offrir une résolution plus fine et la fenêtre de réception doit s’ouvrir plus tôt pour capter l’impulsion.

Pourquoi la faible densité affaiblit-elle le signal ultrasonique dans l’hydrogène ?

À 20 °C, l’hydrogène a une densité de 0,083752 kg/m3, contre 0,66816 kg/m3 pour le méthane et 1,1648 kg/m3 pour l’azote. L’impédance acoustique est égale à la densité multipliée par la vitesse du son ; elle détermine la quantité d’énergie sonore qui passe d’un transducteur au gaz. Pour l’hydrogène, elle est d’environ 109 Rayl, contre environ 297 pour le méthane et environ 407 pour l’azote (calculs effectués à partir des données du NIST).

Les transducteurs doivent assurer la transition entre un matériau actif à haute impédance et un gaz à faible impédance, comme le décrivent Gani, O'Leary et Galbraith (IEEE Sensors Journal, 2026). Dans l’hydrogène, le désaccord d’impédance est plus important, moins d’énergie pénètre dans le gaz et le rapport signal/bruit (SNR : intensité de l’impulsion reçue comparée au bruit électrique et acoustique de fond) diminue. Le signal faible prend donc naissance à l’interface du transducteur, ce qui fait de la conception du transducteur le premier levier d’action.

La température doit être mesurée à proximité du trajet acoustique. La vitesse du son de l’hydrogène augmente d’environ 2,07 m/s par K entre 0 et 100 °C, contre environ 0,65 m/s par K pour le méthane (les deux valeurs étant calculées à partir des données du NIST). Une même erreur de température modifie la vitesse du son environ trois fois plus dans l’hydrogène, et toute valeur de débit ou de composition calculée à partir de cette vitesse du son comporte la même erreur.

Mesure du débit d’hydrogène dans les électrolyseurs et les piles à combustible PEM

Les flux d’hydrogène des systèmes OEM sont humides et leur composition varie en cours de fonctionnement. Un débitmètre étalonné avec de l’hydrogène pur et sec mesure donc un gaz différent de celui qui circule dans la boucle. La pression est généralement comprise entre 1 et 20 bar, ce qui réduit encore la densité.

Hydrogène humide à la sortie de l’électrolyseur PEM

L’eau (18,0153 g/mol) est environ 9 fois plus lourde que l’hydrogène (2,01588 g/mol), selon le NIST. Même quelques pour cent de vapeur d’eau à la sortie d’un électrolyseur modifient donc sensiblement la masse molaire et la vitesse du son du mélange : 5 % molaires d’eau augmentent la masse molaire d’environ 40 % (calcul en mélange idéal). Dans l’électrolyse alcaline, les débitmètres ultrasoniques fonctionnent également côté liquide, où ils surveillent la concentration de l’électrolyte KOH ainsi que son débit.

Mélanges H2/N2/H2O dans la recirculation de l’anode des piles à combustible

La recirculation de l’anode est la boucle d’une pile à combustible PEM qui renvoie vers l’entrée l’hydrogène non utilisé, ainsi que l’azote et la vapeur d’eau, depuis la sortie du stack. Le milieu recirculé s’enrichit en azote, plus lourd, ce qui modifie les propriétés du mélange. Dans un modèle de recirculation de l’anode, une purge démarre lorsque le rapport hydrogène/azote passe sous 80:20 en volume, et la capacité thermique massique du mélange diminue d’environ 9 000 à environ 4 000 J/(kg·K) à mesure que l’azote et la vapeur d’eau s’accumulent (Nachtigal et al., ETC 2023).

Une mesure du débit fondée sur l’hypothèse d’un hydrogène pur dérive à mesure que l’azote s’accumule. Le suivi de la composition dans la boucle au moyen d’une mesure de composition par vitesse du son (déduction de la composition gazeuse à partir de sa vitesse du son) permet de maintenir la validité des mesures de volume et de masse et d’indiquer le moment de la purge.

Faible pression, faible débit et régimes transitoires dans les systèmes OEM

Une faible pression réduit la densité et affaiblit encore le couplage. Les débitmètres clamp-on nécessitent une pression minimale du fluide environ trois fois supérieure à celle requise pour le gaz naturel (Hoheisel et Schwede, GFMW 2024) ; les boucles basse pression nécessitent donc une géométrie en ligne conçue pour l’hydrogène.

Les démarrages, les variations de charge et les purges provoquent des changements rapides du débit et de la composition ; le temps de réponse est donc important. La plage de réglage, c’est-à-dire le rapport entre le débit maximal et le débit minimal qu’un débitmètre mesure avec la précision spécifiée, détermine si un seul débitmètre peut couvrir à la fois le fonctionnement à vide et à pleine charge. L’électrolyse à l’échelle du laboratoire et les bancs d’essai exigent en outre un faible débit minimal.

Quels facteurs influencent la précision de la mesure du débit d’hydrogène ?

Au-delà de l’acoustique, quatre facteurs déterminent le budget d’erreur d’une mesure de débit d’hydrogène : la composition du gaz, la sortie en masse ou en volume, la méthode d’étalonnage et la compensation de la pression et de la température.

Certains modèles ultrasoniques nécessitent une correction du biais lié à la composition du gaz, selon une étude de TÜV SÜD NEL, VSL et DNV (Chinello et al., 2025). Lors d’essais sur des débitmètres basse pression pour hydrogène pur, une impureté de 2 % d’azote a influencé le débit volumique ultrasonique (Mussard et al., Hydrogen, 2026).

Choisissez délibérément une sortie massique ou volumique. Le débit volumique correspond au volume par unité de temps dans les conditions de la conduite ; le débit massique correspond aux kilogrammes par unité de temps et nécessite la densité, qui dépend de la pression, de la température et de la composition. Le volume normal (standard) convertit la mesure en une pression et une température de référence fixes afin de rendre les valeurs comparables.

À titre de comparaison, l’OIML R 139 définit les classes de précision 2 et 4 pour les systèmes de distribution d’hydrogène, avec une erreur maximale tolérée de 1,5 % pour un débitmètre de classe 2 ; le ravitaillement et le transfert de propriété constituent des problématiques de mesure distinctes.

Étalonnage des débitmètres d’hydrogène avec des gaz de substitution

Le MetroHyVe 2 Good Practice Guide (2023) indique qu’aucune installation d’étalonnage de débit traçable ne fonctionne avec de l’hydrogène à des pressions réalistes (jusqu’à 700 bar) et à des températures comprises entre -40 et 50 °C. La plupart des débitmètres sont donc étalonnés avec de l’air, de l’azote, de l’eau ou de l’hélium. Dans le même guide, les étalonnages à l’air et à l’azote ont donné des incertitudes élargies de 0,67 % à 0,77 % pour les faibles débits, et l’eau de 0,16 % à 0,42 %. Les étalonnages d’hydrogène accrédités selon ISO 17025 sont rares.

L’égalité du nombre de Reynolds, rapport sans dimension entre les forces d’inertie et les forces visqueuses qui décrit le profil d’écoulement, permet de transférer un étalonnage d’un gaz à un autre. Toutefois, à nombre de Reynolds similaire, l’hydrogène s’écoule environ 7 fois plus vite que le gaz naturel (Krajcin, Chudoba et Laan, GFMW 2022). Cavuoto et al. (Int. J. Hydrogen Energy, 2025) utilisent l’hélium comme fluide de référence, car sa vitesse du son est plus proche de celle d’un gaz riche en hydrogène, et atteignent une incertitude élargie de 0,09 % (k=2).

Matériaux des débitmètres d’hydrogène, fragilisation et exigences ATEX

La fragilisation par l’hydrogène est la perte de ductilité de certains métaux lorsque des atomes d’hydrogène pénètrent dans le matériau, ce qui peut provoquer des fissures sous contrainte. Sandia National Laboratories indique que l’acier inoxydable 316 résiste mieux à la rupture assistée par l’hydrogène que la plupart des autres aciers inoxydables austénitiques. La même référence précise que la résistance augmente avec la teneur en nickel et que la fragilisation est maximale aux environs de 200 K. 

L’hydrogène est également une petite molécule qui se diffuse et fuit facilement ; les joints et les membranes des capteurs doivent donc être contrôlés au même titre que le corps du débitmètre. L’hydrogène est un gaz du groupe IIC ; les équipements électroniques installés dans des zones dangereuses doivent donc disposer d’une certification ATEX ou IECEx adaptée à ce groupe et à cette zone.

Les débitmètres ultrasoniques peuvent-ils mesurer l’hydrogène ?

Les débitmètres ultrasoniques à temps de transit mesurent l’hydrogène pur et les mélanges d’hydrogène lorsque l’impédance des transducteurs, la fréquence, l’électronique de temporisation et le trajet d’écoulement sont conçus pour la vitesse du son et la densité de l’hydrogène. Chaque modification de conception ci-dessous répond à un problème spécifique à l’hydrogène, du signal faible à la sensibilité à la température :

-        Signal faible : des transducteurs dotés de couches d’adaptation à faible impédance augmentent l’énergie qui pénètre dans le gaz (Gani et al., 2026).

-        Diaphonie : le son qui se propage dans le corps du débitmètre ou la paroi de la conduite et atteint le récepteur avant l’impulsion traversant le gaz est traité au moyen de filtres et de réglages de fréquence (Krajcin, Chudoba et Laan, GFMW 2022).

-        Temps de transit courts : une électronique de temporisation rapide et des fenêtres de réception précoces permettent de capter l’impulsion.

-        Faible pression : une géométrie du trajet d’écoulement conçue pour les faibles pressions maintient un signal exploitable.

-        Sensibilité à la température : la température est mesurée à proximité du trajet acoustique.

La méthode ne comporte aucune pièce mobile et engendre une perte de charge négligeable dans un passage rectiligne, ce qui est important dans les électrolyseurs, car il est coûteux de rétablir la pression.

Comment mesurer la concentration d’hydrogène dans un mélange gazeux ?

La vitesse du son dépend de la masse molaire selon c = √(γRT/M), où γ est le rapport des capacités thermiques, R la constante des gaz, T la température et M la masse molaire. Une vitesse du son mesurée, associée à la température, permet donc de déterminer le rapport de mélange d’un mélange connu de deux gaz ; des transducteurs ultrasoniques micromécanisés ont permis de distinguer des variations inférieures à 2 % molaires d’hydrogène dans des mélanges de gaz naturel (Monsalve et al., 2024). Pour le gaz à trois composants H2/N2/H2O d’une boucle de pile à combustible, une mesure distincte de l’humidité permet de déterminer la part d’eau, puis la vitesse du son donne le rapport H2/N2.

Limites de la mesure ultrasonique du débit d’hydrogène

La mesure ultrasonique dans l’hydrogène présente cinq limites établies :

-        Biais de composition : certains modèles ultrasoniques nécessitent une correction du biais lié à la composition du gaz (Chinello et al., 2025).

-        Débitmètres conçus pour le gaz naturel : lors de la première comparaison interlaboratoires européenne avec jusqu’à 20 % d’hydrogène, un débitmètre ultrasonique conçu pour le gaz naturel a montré une reproductibilité limitée, avec une incertitude-type de 0,50 % (Mussard et al., 2026).

-        Transfert d’étalonnage : l’étalonnage avec de l’air, de l’azote, de l’eau ou de l’hélium ajoute une incertitude, car aucune installation d’étalonnage de débit traçable ne fonctionne avec de l’hydrogène à des pressions et températures réalistes (MetroHyVe 2, 2023).

-        Résultats sur le terrain : un débitmètre clamp-on a surestimé la mesure d’environ 1,5 % par rapport à un débitmètre ultrasonique en ligne à DN250, et a affiché un écart moyen d’environ 1 % par rapport à trois débitmètres Coriolis à DN400 (Hoheisel et Schwede, GFMW 2024).

-        Plage de composition : la vitesse du son ne donne le rapport de mélange que lorsque le gaz est un mélange connu de deux gaz.

Quel débitmètre est le mieux adapté au gaz hydrogène ?

Aucun type de débitmètre ne convient à toutes les applications à hydrogène. Les débitmètres Coriolis mesurent directement la masse et constituent la solution par défaut pour le ravitaillement, tandis que les boucles OEM basse pression nécessitent souvent d’autres conceptions. Le tableau compare les principaux types pour l’hydrogène.

Le choix approprié dépend de la pression, de la composition, de la nécessité de mesurer la masse ou le volume et du fluide d’étalonnage.

Débitmètre d’hydrogène Allengra pour les mélanges H2/N2/H2O

Le débitmètre d’hydrogène Allengra est un débitmètre ultrasonique destiné à l’hydrogène humide, à composition variable et basse pression présent dans les électrolyseurs PEM et les boucles de piles à combustible. Un seul appareil mesure le débit volumique, le débit massique, l’humidité, la température, la pression et la composition H2/N2/H2O. Les applications visées sont la recirculation de l’anode des piles à combustible PEM, les électrolyseurs, la surveillance des stacks de piles à combustible et les bancs d’essai.

Chaque spécification répond à un problème de mesure de l’hydrogène dans les systèmes OEM :

-        Humidité et composition : la mesure de l’humidité permet au débitmètre de distinguer la vapeur d’eau de la part d’azote dans le gaz H2/N2/H2O.

-        Plage de pression : la valeur basse de 0,8 bar(a) couvre les boucles basse pression où la densité est la plus faible.

-        Temps de réponse : les démarrages, les variations de charge et les purges provoquent des changements rapides que le temps de réponse inférieur à 0,5 s est conçu pour suivre.

-        Sorties et interfaces : les débits massique et volumique sont tous deux disponibles, avec CAN-Bus et Modbus pour le système de contrôle.

Les variantes, les plans et la fiche technique sont disponibles sur la page produit Allengra de ce débitmètre, qui permet également de demander un devis. Côté air de cathode, le débitmètre Allengra pour l’air d’admission des piles à combustible mesure l’air humide selon la même méthode ultrasonique.

Mesurer le débit d’hydrogène en pratique : entretien avec la R&D d’Allengra

Pour voir comment ces effets se manifestent dans les systèmes réels, nous avons posé à Cristian Berindea, ingénieur R&D chez Allengra, quatre questions sur la mesure pratique de l’hydrogène.

1. Quels défis rencontrez-vous lors de la mesure de l’hydrogène ?

Les principaux défis auxquels nous sommes confrontés concernent la manipulation du gaz lui-même. Comme l’hydrogène est stocké dans des bouteilles à haute pression (supérieure à 250 bar), celles-ci doivent être sécurisées et manipulées avec beaucoup de précaution lorsqu’elles sont raccordées au banc d’essai.

L’hydrogène est également un gaz hautement inflammable ; nous devons donc prendre d’importantes précautions de sécurité afin que les essais et l’étalonnage puissent être réalisés dans des conditions appropriées et sûres.

Du point de vue de l’intégration de l’hydrogène dans un banc d’essai, un autre défi vient de sa faible densité (environ 14 fois inférieure à celle de l’air), qui rend l’étanchéification du système particulièrement difficile. Les capteurs doivent donc être soigneusement inspectés au niveau des soudures et des points de raccordement afin d’éviter la moindre fuite, qui pourrait avoir de graves conséquences.

2. Dans quels autres projets nos capteurs ont-ils été utilisés, en dehors de MiNaMi (le projet développant le premier système de pile à combustible PEM de l’Europe à l’échelle du mégawatt pour le transport maritime) ?

La grande majorité des projets auxquels nous participons, par l’intermédiaire de collaborations avec diverses entreprises, se concentrent sur le développement et l’amélioration des piles à combustible.

Un bon exemple est l’utilisation de nos capteurs dans l’industrie aérospatiale, avec des partenaires tels que ZeroAvia, MTU, H2Fly et DLR. Ces projets portent sur le développement de piles à combustible pour la propulsion des aéronefs, principalement des prototypes et des avions expérimentaux, avec pour objectif à long terme d’éliminer complètement les émissions de CO₂.

3. Les capteurs ultrasoniques sont-ils la meilleure option pour l’hydrogène ? Si oui, pourquoi ?

En général, les capteurs ultrasoniques sont considérés comme l’une des meilleures options pour mesurer le débit d’hydrogène.

Plus précisément, les capteurs ultrasoniques Allengra fournissent une solution de mesure du débit avec une perte de charge minimale dans le système, car ils ne comportent aucun composant mécanique qui obstrue l’écoulement.

Les capteurs Allengra peuvent également déterminer la composition des gaz mesurés. Ils permettent ainsi d’identifier le mélange gazeux présent dans le système ainsi que l’humidité relative du gaz.

Les capteurs ultrasoniques constituent également une solution évolutive, car ils peuvent être facilement adaptés à différents débits et diamètres de conduite.

4. Où faut-il mesurer le débit d’hydrogène ? Quelles sont les applications ?

Nos débitmètres sont généralement utilisés dans les piles à combustible et les électrolyseurs.

Dans les applications de piles à combustible, ils sont le plus souvent utilisés dans la boucle de recirculation de l’anode, où le débit d’hydrogène non utilisé est mesuré avant sa recirculation et sa réutilisation afin de maximiser l’efficacité du système.

Dans ce cas, la pureté de l’hydrogène, la composition du gaz et l’humidité peuvent également être mesurées. Ces informations permettent de déterminer l’efficacité du fonctionnement du système, notamment son efficacité à séparer et à gérer la vapeur d’eau présente dans le système.

Exemples d’applications :

●       Alimentation de secours pour les centres de données et les hôpitaux : les systèmes de piles à combustible de Ceres Power fournissent une alimentation fiable et continue sans dépendre du réseau électrique local.

●       Électrolyse de l’hydrogène : mesure du débit et de la quantité d’hydrogène produit par électrolyse de l’eau.

●       Production d’électricité à l’aide de piles à combustible : pour des applications industrielles dans des zones isolées sans accès fiable à l’électricité, généralement pour des opérations de production et d’extraction minières de petite à moyenne échelle. Dans certains cas, les piles à combustible sont également utilisées pour le chauffage comme sous-produit de la production d’électricité, ce qui augmente l’efficacité globale du système en utilisant l’énergie thermique plutôt qu’en la dissipant.

●       Industrie des transports : les systèmes de piles à combustible à hydrogène ne sont pas encore utilisés à grande échelle, mais ils sont déjà mis en œuvre dans les bus, les camions et les véhicules particuliers.

Bonnes pratiques pour mesurer le débit d’hydrogène : liste de contrôle des spécifications OEM

Utilisez cette liste de contrôle dans une demande de fiche technique ou lors d’une revue de conception.

Pour discuter d’un système spécifique, demandez un devis à Allengra en joignant la liste de contrôle complétée.