L’eau hydrogénée est-elle inflammable ? Le volume de gaz

Une bouteille d’eau hydrogénée utilise l’électrolyse pour ajouter de l’hydrogène gazeux dissous à votre eau, et l’hydrogène gazeux est bel et bien inflammable : cette inquiétude n’est donc pas déraisonnable à première vue. En pratique, la question est plus précise : quelle quantité d’hydrogène gazeux une bouteille produit-elle réellement, et cette quantité, lorsque la bouteille est utilisée comme prévu, s’approche-t-elle un jour de la concentration et des conditions que la documentation sur la sécurité de l’hydrogène associe à l’inflammation ? Une fois les volumes réels calculés, la réponse relève de l’arithmétique plutôt que de l’intuition, et les chiffres sont très inférieurs au seuil qui ferait d’une bouteille fermée posée sur votre comptoir un risque d’incendie.

• L’hydrogène gazeux mélangé à l’air ne s’enflamme que dans une plage de concentrations précise, et une bouteille utilisée correctement ne s’approche jamais de sa limite basse.
• Converti à partir de la concentration dissoute mesurée en laboratoire, le volume de gaz produit par une bouteille équivaut à environ deux cuillerées à soupe, et non au contenu d’une bonbonne.
• Une explosion nécessite à la fois de l’hydrogène et un comburant tel que l’oxygène dans un espace confiné ; une bouteille ouverte et ventilée dans l’air ambiant ne crée pas un tel confinement.

Pourquoi cette question se pose

En bref, la minuscule quantité d’hydrogène gazeux produite par une bouteille, lorsqu’elle est libérée dans une pièce ouverte comme le produit est conçu pour être utilisé, ne crée pas de mélange inflammable. L’hydrogène est lui-même un élément inflammable, tout comme le gaz naturel ou les vapeurs d’essence, et il ne sert à rien de prétendre le contraire. La question la plus utile, et celle à laquelle cet article répond réellement, est de savoir quelle quantité de gaz est présente à un moment donné et quelle concentration et quel environnement seraient nécessaires pour que ce gaz puisse s’enflammer. Présentée ainsi, la physique cesse d’être une crainte à laquelle répondre par oui ou par non et devient une simple comparaison entre une petite quantité mesurée et un seuil bien plus élevé.

Ce que fait réellement la bouteille lorsqu’elle produit de l’hydrogène

À l’intérieur de la bouteille, une cellule d’électrolyse PEM/SPE sépare une partie des molécules d’eau : de l’hydrogène dissous est produit d’un côté de la membrane, et de l’oxygène, ainsi qu’une trace d’ozone, de l’autre. Le fonctionnement complet de l’électrolyse est expliqué en détail ailleurs ; cet article n’a donc besoin d’en présenter que le résultat : l’hydrogène se retrouve dissous dans l’eau, au lieu de s’accumuler sous forme de poche de gaz libre. La bande de sécurité à évent automatique du Core est conçue en tenant compte de cette distinction. Elle permet aux sous-produits que sont l’oxygène et l’ozone de s’échapper de la chambre, tandis que l’hydrogène reste dissous dans l’eau, afin que la cellule n’accumule pas d’hydrogène gazeux dans un espace fermé, comme le ferait une bonbonne sous pression.

Ce qu’implique réellement le terme « inflammable »

Les études sur la sécurité de l’hydrogène définissent l’inflammabilité comme une plage, et non comme un seuil unique. Selon les Sandia National Laboratories, la limite inférieure d’inflammabilité généralement admise pour l’hydrogène dans l’air, dans le cas d’une flamme se propageant vers le haut, est de 4 % d’hydrogène en volume ; ce seuil passe à environ 8,5-9,5 % pour les flammes se propageant vers le bas ou de manière sphérique, en raison de la faible densité de l’hydrogène (source : Limites d’inflammabilité des mélanges hydrogène/air, Sandia National Laboratories). La plage d’inflammabilité globale va d’environ 4 % à 74 % d’hydrogène dans l’air. Et si l’énergie minimale d’inflammation de l’hydrogène est très faible autour du milieu de cette plage, il faut considérablement plus d’énergie pour enflammer un mélange situé juste à la limite inférieure (source : Fiche d’information sur la sécurité de l’hydrogène, U.S. Department of Energy). Atteindre n’importe quel point de cette plage nécessite également un comburant. La même fiche d’information du Department of Energy précise qu’une explosion ne peut pas se produire dans une bonbonne ni dans aucun espace fermé contenant uniquement de l’hydrogène ; il faut aussi de l’oxygène, à raison d’environ 10 % d’oxygène pur ou de 41 % d’air, pour que le mélange puisse devenir explosif.

Hydrogène dissous dans l’eau et hydrogène gazeux libre dans l’air : pourquoi la LII ne s’applique pas à l’eau elle-même

La limite inférieure d’inflammabilité décrit de l’hydrogène gazeux mélangé à l’air, et non de l’hydrogène dissous dans de l’eau liquide. Un verre d’eau hydrogénée posé sur votre bureau n’est pas du tout un mélange gazeux d’hydrogène et d’air : la valeur de 4 % ne s’applique donc pas tant qu’une partie de l’hydrogène dissous n’a pas quitté l’eau pour se retrouver dans l’air ambiant. La flottabilité de l’hydrogène, la petite taille de ses molécules et sa forte diffusivité signifient également qu’une fois libéré de l’eau, il se disperse très rapidement vers le haut et vers l’extérieur, au lieu de rester immobile au même endroit. C’est en grande partie pour cette raison que les consignes de sécurité sur l’hydrogène traitent les pièces ouvertes et ventilées très différemment des récipients fermés ou des équipements confinés.

Calcul : quelle quantité de gaz une bouteille libère-t-elle réellement ?

Pour estimer honnêtement le volume de gaz, cet exemple utilise la valeur vérifiée par un laboratoire indépendant plutôt que les caractéristiques commerciales. La page produit du Core indique un rendement « jusqu’à 5000 ppb », mais ce chiffre correspond au maximum déclaré par le vendeur, et non à une mesure. Le rapport de certification en laboratoire indépendant Hydrion Core & Pulse porte sur un essai indépendant réalisé par H2 Analytics, au moyen de la chromatographie en phase gazeuse et de gaz d’étalonnage traçables au NIST, ainsi que sur un contrôle de la sécurité de l’eau effectué par SGS Silver State Analytical Laboratory. Ce contrôle a mesuré une concentration d’hydrogène dissous de 9,00-9,14 mg/L après 20 minutes dans une bouteille de 375 mL. Il convient de noter que ce volume d’essai de 375 mL diffère à lui seul de la chambre de 300 mL indiquée sur la page produit de vente au détail ; cet exemple utilise ensemble la valeur mesurée et le volume testé, au lieu de mélanger les deux.

En prenant la valeur mesurée la plus élevée, soit 9,14 mg/L, pour l’ensemble de la bouteille de 375 mL (0,375 L), on obtient environ 3,43 mg d’hydrogène dissous au total. La masse molaire de l’hydrogène est de 2,016 g/mol ; 3,43 mg correspondent donc à environ 0,0017 mol. À température et pression standard, une mole de n’importe quel gaz occupe 22,4 litres (source : Loi d’Avogadro, Chemistry LibreTexts) : 0,0017 mol correspondent donc à environ 38 millilitres d’hydrogène gazeux, soit environ deux cuillerées à soupe et demie. Il s’agit d’un exemple de calcul dans le pire des cas : il suppose que toutes les molécules d’hydrogène dissoutes dans la bouteille quittent l’eau sous forme gazeuse au même instant, ce qui ne se produit pas en usage normal, puisque l’hydrogène reste dissous et est consommé en buvant, au lieu d’être libéré d’un seul coup.

Même dans ce pire des cas, avec 38 mL, atteindre la limite inférieure d’inflammabilité de 4 % nécessiterait de confiner tout ce gaz, sans dilution, dans un espace fermé contenant moins d’un litre d’air, puisque 38 mL divisés par 4 % donnent un volume total de mélange d’environ 950 mL. Cette comparaison est volontairement hypothétique : elle décrit un récipient fermé contenant uniquement ce gaz et une petite poche d’air, ce qui ne correspond pas à la façon dont la bouteille est ouverte, utilisée ou rangée.

Pourquoi la bouteille ne crée pas ces conditions en usage normal

Une bouteille d’eau hydrogénée est utilisée avec le bouchon ouvert entre les cycles et brièvement fermé pendant l’électrolyse, dans l’air ambiant d’une pièce ordinaire ; elle ne fonctionne pas comme un récipient sous pression fermé contenant de l’hydrogène pur. Tout hydrogène qui s’échappe de l’eau se disperse presque immédiatement vers le haut dans l’air de la pièce, au lieu de s’accumuler quelque part à proximité d’une concentration inflammable, pour les mêmes raisons de flottabilité et de diffusivité décrites plus haut. La pression que vous sentez parfois en ouvrant le bouchon, ainsi que la raison pour laquelle la bouteille possède un petit orifice d’aération à sa base, relèvent de considérations mécaniques et non de l’inflammabilité. Ces sujets sont traités séparément dans les articles sur les raisons pour lesquelles la bouteille siffle ou est difficile à ouvrir et sur l’utilité de l’orifice d’aération situé au fond.

Une utilisation ordinaire et raisonnable

Rien de tout cela ne change la manière dont vous devez utiliser ou ranger la bouteille : suivez les instructions fournies avec le Hydrion Core et considérez le petit volume de gaz mesuré ci-dessus comme un élément de contexte plutôt que comme une raison de changer vos habitudes. Il convient également de formuler précisément l’affirmation. La formulation exacte est que le volume de gaz produit par une bouteille, aux concentrations qu’elle atteint réellement, reste bien inférieur à ce qu’un récipient fermé devrait contenir pour devenir inflammable ; cela ne signifie pas que l’hydrogène dissous est incapable de brûler en toutes circonstances. Cette distinction permet de fonder les propos rassurants sur les mêmes chiffres que ceux examinés dans cet article, plutôt que sur une affirmation générale qui irait au-delà de ce que les données permettent d’établir. Pour une vue d’ensemble des effets secondaires, des idées reçues et de la sécurité générale au-delà de la seule inflammabilité, consultez l’article L’eau hydrogénée est-elle sans danger ?. Et si vous souhaitez comprendre ce que mesurent réellement les valeurs en ppb indiquées sur les produits d’eau hydrogénée, l’article Eau hydrogénée : PPB et PPM explique les unités utilisées pour les résultats de laboratoire présentés ici.