JP2002289243A - 透過水素ガス量測定方法およびその装置 - Google Patents
透過水素ガス量測定方法およびその装置Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 取り付けられる配管や機器の形状および大き
さに制限されず、小型で且つその取り扱いが容易であ
り、比較的低温である腐食環境下の透過漏洩する微量の
水素ガス量を長期間にわたって安定的に精度良く測定す
る方法および測定装置を提供するものである。 【解決手段】 燃料電池のセル型の両電極間に電圧を印
加し、透過水素ガスを陽極側に、空気を陰極側に供給
し、その両極間の電流値に基づいて配管や機器２を透過
する水素ガス量を測定する方法において、水素測定セン
サー素子とする燃料電池のセル型は、固体高分子電解質
膜４の両面にカーボンクロス電極３，５を取り付けたも
のである透過水素ガス量測定方法およびその装置。
さに制限されず、小型で且つその取り扱いが容易であ
り、比較的低温である腐食環境下の透過漏洩する微量の
水素ガス量を長期間にわたって安定的に精度良く測定す
る方法および測定装置を提供するものである。 【解決手段】 燃料電池のセル型の両電極間に電圧を印
加し、透過水素ガスを陽極側に、空気を陰極側に供給
し、その両極間の電流値に基づいて配管や機器２を透過
する水素ガス量を測定する方法において、水素測定セン
サー素子とする燃料電池のセル型は、固体高分子電解質
膜４の両面にカーボンクロス電極３，５を取り付けたも
のである透過水素ガス量測定方法およびその装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学式の水素
量測定方法に係り、詳しくは、固体高分子電解質膜を利
用した燃料電池セルを水素センサー素子とし、鉄鋼材料
等を透過する微量の水素ガス量を測定する方法およびそ
れに用いる測定装置に関する。
量測定方法に係り、詳しくは、固体高分子電解質膜を利
用した燃料電池セルを水素センサー素子とし、鉄鋼材料
等を透過する微量の水素ガス量を測定する方法およびそ
れに用いる測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】石油精製プラントや石油化学プラント等
の配管、機器では、特に水硫化アンモニウム環境となる
部位では、その湿潤腐食で水素原子が生成し、生成した
水素原子が鉄鋼材料に侵入するが、その透過量が大きく
なると水素脆化と呼ばれる材料の脆化現象を引き起こし
極めて危険な事態を招く恐れがある。そこで、プラント
の配管や機器等を構成する鉄鋼材料の水素脆化現象を監
視して、透過する水素を監視するために水素センサーが
用いられているが、それには大きく分けて、圧力ゲージ
法と電気化学測定法の２種類がある。
の配管、機器では、特に水硫化アンモニウム環境となる
部位では、その湿潤腐食で水素原子が生成し、生成した
水素原子が鉄鋼材料に侵入するが、その透過量が大きく
なると水素脆化と呼ばれる材料の脆化現象を引き起こし
極めて危険な事態を招く恐れがある。そこで、プラント
の配管や機器等を構成する鉄鋼材料の水素脆化現象を監
視して、透過する水素を監視するために水素センサーが
用いられているが、それには大きく分けて、圧力ゲージ
法と電気化学測定法の２種類がある。
【０００３】圧力ゲージ法は、水素を圧力ゲージで測定
するものであり、取り付け方法により挿入法およびパッ
チ法の２方式に分けられる。挿入法は測定対象配管また
は機器を加工して測定流体に直接測定端子を接触させる
方法で、測定には圧力ゲージを使用するため測定精度が
低く、このため微量の透過水素ガス量の測定には適さな
いものある。また、パッチ法は、測定対象機器または配
管を加工せず、対象配管または機器の外面にチャンバー
を取り付けて、そのチャンバー内の水素量を測定するも
のであるが、測定には圧力ゲージを使うためやはり測定
精度が悪く、微量の透過水素ガス量の測定には不適当で
ある。
するものであり、取り付け方法により挿入法およびパッ
チ法の２方式に分けられる。挿入法は測定対象配管また
は機器を加工して測定流体に直接測定端子を接触させる
方法で、測定には圧力ゲージを使用するため測定精度が
低く、このため微量の透過水素ガス量の測定には適さな
いものある。また、パッチ法は、測定対象機器または配
管を加工せず、対象配管または機器の外面にチャンバー
を取り付けて、そのチャンバー内の水素量を測定するも
のであるが、測定には圧力ゲージを使うためやはり測定
精度が悪く、微量の透過水素ガス量の測定には不適当で
ある。
【０００４】一方、電気化学測定法は、測定対象の配管
または機器を透過し漏洩した水素ガスに苛性ソーダ水溶
液等の電解質内で電気化学反応を起こさせ、透過水素ガ
ス量を電流に換算して定量的に測定する方法である。こ
の方法は、電気化学反応を利用するために測定精度がよ
く、実験室試験等で良く用いられており、ＡＳＴＭＧ１
４８（アメリカ規格）にも規格として規定されている。
しかし、透過する水素ガスのイオン化導伝物質として苛
性ソーダ水溶液等の電解質水溶液を用いるため、プラン
ト等の現場での適用には、取り付ける配管の形状や大き
さの制約を受けるため、センサー用のセルの加工に工夫
が必要である。さらに、溶液であるので、装置の小型化
が困難であり、その取扱および長期の耐久性に問題が多
い。溶液の取扱については苛性ソーダ水溶液にポリビニ
ルアルコール等のゲル化剤を混入させてゲル状にして現
場での取扱性を改善したものもあるが、溶液成分の蒸発
など、長期の耐久性には依然問題がある。長期安定性を
備えた電解質としては、安定化ジルコニアやアンチモン
酸などの固体電解質があるが、これらの固体電解質は数
百℃といった高温でしかプロトン導伝性を示さないた
め、比較的低温である湿潤腐食環境の透過水素ガス量の
測定には適用できないものである。
または機器を透過し漏洩した水素ガスに苛性ソーダ水溶
液等の電解質内で電気化学反応を起こさせ、透過水素ガ
ス量を電流に換算して定量的に測定する方法である。こ
の方法は、電気化学反応を利用するために測定精度がよ
く、実験室試験等で良く用いられており、ＡＳＴＭＧ１
４８（アメリカ規格）にも規格として規定されている。
しかし、透過する水素ガスのイオン化導伝物質として苛
性ソーダ水溶液等の電解質水溶液を用いるため、プラン
ト等の現場での適用には、取り付ける配管の形状や大き
さの制約を受けるため、センサー用のセルの加工に工夫
が必要である。さらに、溶液であるので、装置の小型化
が困難であり、その取扱および長期の耐久性に問題が多
い。溶液の取扱については苛性ソーダ水溶液にポリビニ
ルアルコール等のゲル化剤を混入させてゲル状にして現
場での取扱性を改善したものもあるが、溶液成分の蒸発
など、長期の耐久性には依然問題がある。長期安定性を
備えた電解質としては、安定化ジルコニアやアンチモン
酸などの固体電解質があるが、これらの固体電解質は数
百℃といった高温でしかプロトン導伝性を示さないた
め、比較的低温である湿潤腐食環境の透過水素ガス量の
測定には適用できないものである。
【０００５】また、特開平７−２８６９９０号公報に
は、固体高分子電解質にガス検知作用を行わせるガスセ
ンサー素子を備えた電気化学式ガスセンサーが提案され
ている。しかし、特開平７−２８６９９０号公報に示さ
れる電気化学式ガスセンサーは、ＣＯ用のもので透過水
素のガスセンサーとしては使用されず、本発明とは本質
的に異なるものである。
は、固体高分子電解質にガス検知作用を行わせるガスセ
ンサー素子を備えた電気化学式ガスセンサーが提案され
ている。しかし、特開平７−２８６９９０号公報に示さ
れる電気化学式ガスセンサーは、ＣＯ用のもので透過水
素のガスセンサーとしては使用されず、本発明とは本質
的に異なるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な事情に鑑みてなされたもので、取り付けられる機器や
配管の形状および大きさに制限されず、小型で且つその
取り扱いが容易であり、比較的低温である腐食環境下の
透過する微量の水素ガス量を長期間にわたって安定的に
精度良く測定する方法および測定装置を提供するもので
ある。そして、それにより機器や配管中を流れる流体の
腐食性およびプラント装置材料の水素損傷による危険性
を定量的にモニタリングしようとするものである。
な事情に鑑みてなされたもので、取り付けられる機器や
配管の形状および大きさに制限されず、小型で且つその
取り扱いが容易であり、比較的低温である腐食環境下の
透過する微量の水素ガス量を長期間にわたって安定的に
精度良く測定する方法および測定装置を提供するもので
ある。そして、それにより機器や配管中を流れる流体の
腐食性およびプラント装置材料の水素損傷による危険性
を定量的にモニタリングしようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、微量水素ガ
スの電気化学的測定法で、電解質として、固体高分子電
解質膜を採用し、その両側にカーボンクロス電極を取り
付けた燃料電池のセル型の水素測定センサーを構成する
ことによって上記の課題が一挙に解決できるものである
ことを見出した。すなわち、本発明は、（１）燃料電池
のセル型の両電極間に無抵抗電流計を接続し、透過水素
ガスを陽極側に供給し、空気を陰極側に供給し、その両
極間の電流値に基づいて透過水素ガス量を測定する方法
であって、水素測定センサー素子とする燃料電池のセル
型は、固体高分子電解質膜の両面にカーボンクロス電極
を取り付けたものであることを特徴とする透過水素ガス
量測定方法、（２）測定した電流値に空気中の湿度の補
正を加え水素ガス量を測定することを特徴とする（１）
記載の透過水素ガス量測定方法、（３）空気の陰極側へ
の供給は、大気中の空気を送風機および／または排風機
により行うことを特徴とする（１）または（２）記載の
透過水素ガス量測定方法、（４）供給する空気中の水分
を固体高分子電解質膜の加湿に使用することを特徴とす
る（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の透過水素ガ
ス量測定方法、（５）前記透過水素ガスが石油プラント
または石油化学プラントの鉄鋼材料を透過したものであ
ることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか１項に
記載の透過水素ガス量測定方法、（６）固体高分子電解
質膜の両側にカーボンクロス電極を取り付けた燃料電池
のセル型の水素測定センサー素子が、一方の開口縁が測
定対象面と当接する筒状体の開口面にほぼ平行に筒状体
内部を仕切るように筒状体に設けられ、陽極および陰極
間の電流値を測定する無抵抗電流計が設けられているこ
とを特徴とする透過水素ガス量測定装置、および、
（７）陰極側空間が閉空間にされ、該空間への空気給排
出口が設けられ、送風機および／または排風機が設けら
れていることを特徴とする（６）記載の透過水素ガス量
測定装置、を提供するものである。
スの電気化学的測定法で、電解質として、固体高分子電
解質膜を採用し、その両側にカーボンクロス電極を取り
付けた燃料電池のセル型の水素測定センサーを構成する
ことによって上記の課題が一挙に解決できるものである
ことを見出した。すなわち、本発明は、（１）燃料電池
のセル型の両電極間に無抵抗電流計を接続し、透過水素
ガスを陽極側に供給し、空気を陰極側に供給し、その両
極間の電流値に基づいて透過水素ガス量を測定する方法
であって、水素測定センサー素子とする燃料電池のセル
型は、固体高分子電解質膜の両面にカーボンクロス電極
を取り付けたものであることを特徴とする透過水素ガス
量測定方法、（２）測定した電流値に空気中の湿度の補
正を加え水素ガス量を測定することを特徴とする（１）
記載の透過水素ガス量測定方法、（３）空気の陰極側へ
の供給は、大気中の空気を送風機および／または排風機
により行うことを特徴とする（１）または（２）記載の
透過水素ガス量測定方法、（４）供給する空気中の水分
を固体高分子電解質膜の加湿に使用することを特徴とす
る（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の透過水素ガ
ス量測定方法、（５）前記透過水素ガスが石油プラント
または石油化学プラントの鉄鋼材料を透過したものであ
ることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか１項に
記載の透過水素ガス量測定方法、（６）固体高分子電解
質膜の両側にカーボンクロス電極を取り付けた燃料電池
のセル型の水素測定センサー素子が、一方の開口縁が測
定対象面と当接する筒状体の開口面にほぼ平行に筒状体
内部を仕切るように筒状体に設けられ、陽極および陰極
間の電流値を測定する無抵抗電流計が設けられているこ
とを特徴とする透過水素ガス量測定装置、および、
（７）陰極側空間が閉空間にされ、該空間への空気給排
出口が設けられ、送風機および／または排風機が設けら
れていることを特徴とする（６）記載の透過水素ガス量
測定装置、を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。図１にその一例を示すように配管
(または機器)２に接して測定装置１を設置する。測定装
置１には、水素測定センサー素子となる固体高分子電解
質膜４の両側にカーボンクロス電極３，５を取り付けた
燃料電池の単セルが備えられる。両電極間には所定の電
圧を印加する電源が接続されている。配管１と陽極３と
の空間は外界雰囲気から遮断し配管から透過した水素の
みが存在するようにし、配管２を透過した水素ガスは、
配管２の表面から容易に陽極３に達する。測定装置の陰
極５側には大気中から空気が送り込まれる。陽極では、
配管２を透過してきた水素［Ｈ2］は下記（1）式にした
がってプロトン［Ｈ+］になる。 Ｈ2 −→２Ｈ+＋２ｅ- (１) 一方、陰極では、プロトン［Ｈ+］と送り込まれた空気
中の酸素[Ｏ2]とにより下記(２)式にしたがって水を生
成する。 ２Ｈ+＋1/2Ｏ2＋２ｅ- −→Ｈ2Ｏ (２) 取り付けた燃料電池のセル型の水素センサー素子で透過
した水素ガス量に応じた出力電流を市販の無抵抗（ゼロ
シャント）電流計７によって計測する。
て詳細に説明する。図１にその一例を示すように配管
(または機器)２に接して測定装置１を設置する。測定装
置１には、水素測定センサー素子となる固体高分子電解
質膜４の両側にカーボンクロス電極３，５を取り付けた
燃料電池の単セルが備えられる。両電極間には所定の電
圧を印加する電源が接続されている。配管１と陽極３と
の空間は外界雰囲気から遮断し配管から透過した水素の
みが存在するようにし、配管２を透過した水素ガスは、
配管２の表面から容易に陽極３に達する。測定装置の陰
極５側には大気中から空気が送り込まれる。陽極では、
配管２を透過してきた水素［Ｈ2］は下記（1）式にした
がってプロトン［Ｈ+］になる。 Ｈ2 −→２Ｈ+＋２ｅ- (１) 一方、陰極では、プロトン［Ｈ+］と送り込まれた空気
中の酸素[Ｏ2]とにより下記(２)式にしたがって水を生
成する。 ２Ｈ+＋1/2Ｏ2＋２ｅ- −→Ｈ2Ｏ (２) 取り付けた燃料電池のセル型の水素センサー素子で透過
した水素ガス量に応じた出力電流を市販の無抵抗（ゼロ
シャント）電流計７によって計測する。
【０００９】使用する燃料電池のセル型の水素センサー
は、固体高分子電解質膜の両側にカーボンクロス電極を
取り付けたものである。固体高分子電解質膜は、パーフ
ルオロスルフォン酸系膜、パーフルオロカルボン酸系膜
等を適宜選択することができる。これらの固体高分子電
解質膜は、前記したように１００℃以下の低温でプロト
ン導伝性がある膜であれば市販品で十分であり、ナフィ
オン(デュポン社製商品名)、アシプレックス（旭化成
(株)製 商品名）、フレミオン（旭硝子（株）製 商品
名）等が使用できる。固体高分子電解質膜は、１００℃
以下でプロトン導伝作用を有するものであるので格別の
加温を要することなく透過水素量を計測することができ
る。電極としてのカーボンクロス膜は、炭素繊維製また
はガラス繊維にカーボンを被覆したものなど市販のも
の、例えばＭＥＡ（エレクトロケミ社製 商品名）、を
使用することができ、電極に白金などの触媒金属を担持
させる。
は、固体高分子電解質膜の両側にカーボンクロス電極を
取り付けたものである。固体高分子電解質膜は、パーフ
ルオロスルフォン酸系膜、パーフルオロカルボン酸系膜
等を適宜選択することができる。これらの固体高分子電
解質膜は、前記したように１００℃以下の低温でプロト
ン導伝性がある膜であれば市販品で十分であり、ナフィ
オン(デュポン社製商品名)、アシプレックス（旭化成
(株)製 商品名）、フレミオン（旭硝子（株）製 商品
名）等が使用できる。固体高分子電解質膜は、１００℃
以下でプロトン導伝作用を有するものであるので格別の
加温を要することなく透過水素量を計測することができ
る。電極としてのカーボンクロス膜は、炭素繊維製また
はガラス繊維にカーボンを被覆したものなど市販のも
の、例えばＭＥＡ（エレクトロケミ社製 商品名）、を
使用することができ、電極に白金などの触媒金属を担持
させる。
【００１０】この燃料電池のセル型の水素センサーは、
カーボンクロス電極と固体高分子電解質膜で構成されて
いるため柔軟性があり、公知の透過水素量測定装置の取
り付けが困難であった設備形状でも、測定する場所の形
状に合わせることができどのような個所にでも容易に取
り付けることができる。この水素量測定装置はその陽極
を測定対象となる配管等の表面から一定の距離を保ち取
り付けられ、その空間は窒素ガスでパージされ配管等の
表面の酸化が防止されると共に、配管から透過した水素
ガスのみを陽極と接触できるようにするので外乱となる
ガスが存在しないので水素量を正確に測定できるもので
ある。陰極側は、空気と接触し透過水素の燃料電池反応
（電気化学反応）に必要な酸素が供給される。空気中の
水分を陰極側の固体高分子電解質膜の加湿に使用するこ
とができ、勿論陰極反応で生成した水分によっても固体
高分子電解質膜が加湿されるので、陽極側の湿度がゼロ
でも感度良く水素透過量を測定することができる。
カーボンクロス電極と固体高分子電解質膜で構成されて
いるため柔軟性があり、公知の透過水素量測定装置の取
り付けが困難であった設備形状でも、測定する場所の形
状に合わせることができどのような個所にでも容易に取
り付けることができる。この水素量測定装置はその陽極
を測定対象となる配管等の表面から一定の距離を保ち取
り付けられ、その空間は窒素ガスでパージされ配管等の
表面の酸化が防止されると共に、配管から透過した水素
ガスのみを陽極と接触できるようにするので外乱となる
ガスが存在しないので水素量を正確に測定できるもので
ある。陰極側は、空気と接触し透過水素の燃料電池反応
（電気化学反応）に必要な酸素が供給される。空気中の
水分を陰極側の固体高分子電解質膜の加湿に使用するこ
とができ、勿論陰極反応で生成した水分によっても固体
高分子電解質膜が加湿されるので、陽極側の湿度がゼロ
でも感度良く水素透過量を測定することができる。
【００１１】本発明の透過水素ガス量測定装置は、スチ
ールやプラスチック製等の円筒体または角筒体の中間部
に前述の燃料電池のセル型の水素測定センサー素子が設
けられたもので、従来の電気化学式の測定器に比べ小型
のものである。水素測定センサー素子は、開口面にほぼ
平行に筒状体を仕切るように設けられている。そして、
陽極および陰極間に発生する電流値を測定する無抵抗電
流計が付設されている。陽極側空間は配管や機器に設置
するよう開口のままであり、設置したときその開口縁は
測定対象となる配管や機器の面と蜜に当接でき開口周縁
からガスの漏洩が全くないようにされたものである。陰
極側空間は開口のままで陰極が大気と直接接触してもよ
い。しかし、陰極側空間は閉じられ、そこに空気の供給
口、排出口が設けられ、さらに送風機および／または排
風機を付設されるのが好ましい。
ールやプラスチック製等の円筒体または角筒体の中間部
に前述の燃料電池のセル型の水素測定センサー素子が設
けられたもので、従来の電気化学式の測定器に比べ小型
のものである。水素測定センサー素子は、開口面にほぼ
平行に筒状体を仕切るように設けられている。そして、
陽極および陰極間に発生する電流値を測定する無抵抗電
流計が付設されている。陽極側空間は配管や機器に設置
するよう開口のままであり、設置したときその開口縁は
測定対象となる配管や機器の面と蜜に当接でき開口周縁
からガスの漏洩が全くないようにされたものである。陰
極側空間は開口のままで陰極が大気と直接接触してもよ
い。しかし、陰極側空間は閉じられ、そこに空気の供給
口、排出口が設けられ、さらに送風機および／または排
風機を付設されるのが好ましい。
【００１２】本発明の測定対象となる透過水素ガスは、
どのような箇所での微量の透過水素ガスも含まれるが、
水素製造設備の水素が貯蔵されている機器からの透過水
素ガス、燃料電池自動車の燃料電池本体の水素使用部位
からの透過水素ガス、石油プラントや石油化学プラント
の配管・機器等の鉄鋼材料を透過したもの等であり、特
に水素化精製や水添分解の反応流体の冷却器への流出入
配管部の透過水素ガスである。
どのような箇所での微量の透過水素ガスも含まれるが、
水素製造設備の水素が貯蔵されている機器からの透過水
素ガス、燃料電池自動車の燃料電池本体の水素使用部位
からの透過水素ガス、石油プラントや石油化学プラント
の配管・機器等の鉄鋼材料を透過したもの等であり、特
に水素化精製や水添分解の反応流体の冷却器への流出入
配管部の透過水素ガスである。
【００１３】固体高分子電解質膜のプロトン導伝性は、
高分子膜の含水率に大きく依存することが知られてい
る。これは、固体高分子電解質膜のインピーダンスが、
高分子膜内の水分量に反比例するため、高分子膜が接し
ている雰囲気の湿度によって発生する電流が影響を受け
るためである。さらに、この水素測定センサー素子であ
る燃料電池のセルでは、上述したように電解質を介して
水素ガスと空気中の酸素が反応し、水が生成する。測定
対象とする透過水素ガス量は微量でｐｐｍ程度の濃度に
すぎず、発生する電流値が小さく、このため生成する水
の量が少ないことが予測されるので、出力電流が十分得
られるように陰極および陽極間の電圧を前もって測定
し、印加する電圧を決定する。測定方法は、固体高分子
電解質膜、カーボンクロス電極を使い、電極面積２５ｃ
ｍ２のセルを使用し、セル温度８０℃、水素ガス流量２
５０ｍｌ／分、陽極の湿度０％の条件下、陰極側に供給
する空気は湿度をそれぞれ４２％、６６％、１００％で
２５０ｍｌ／分とした。その得られた結果を図２に示
す。図示のグラフから陽極および陰極間の電圧が１Ｖ以
下で発生電流を確認し、０．４Ｖ以下の電極間電圧であ
れば湿度範囲０％から１００％まで出力電流の測定がで
きることことがわかり、電極間電圧が０Ｖに近い無抵抗
電流計で十分に測定可能であることがわかった。この結
果、水素ガス流量０．００１ｍｌ／分、電圧が０．４Ｖ
で発生電流が０．７５μＡであることが確認できた。
高分子膜の含水率に大きく依存することが知られてい
る。これは、固体高分子電解質膜のインピーダンスが、
高分子膜内の水分量に反比例するため、高分子膜が接し
ている雰囲気の湿度によって発生する電流が影響を受け
るためである。さらに、この水素測定センサー素子であ
る燃料電池のセルでは、上述したように電解質を介して
水素ガスと空気中の酸素が反応し、水が生成する。測定
対象とする透過水素ガス量は微量でｐｐｍ程度の濃度に
すぎず、発生する電流値が小さく、このため生成する水
の量が少ないことが予測されるので、出力電流が十分得
られるように陰極および陽極間の電圧を前もって測定
し、印加する電圧を決定する。測定方法は、固体高分子
電解質膜、カーボンクロス電極を使い、電極面積２５ｃ
ｍ２のセルを使用し、セル温度８０℃、水素ガス流量２
５０ｍｌ／分、陽極の湿度０％の条件下、陰極側に供給
する空気は湿度をそれぞれ４２％、６６％、１００％で
２５０ｍｌ／分とした。その得られた結果を図２に示
す。図示のグラフから陽極および陰極間の電圧が１Ｖ以
下で発生電流を確認し、０．４Ｖ以下の電極間電圧であ
れば湿度範囲０％から１００％まで出力電流の測定がで
きることことがわかり、電極間電圧が０Ｖに近い無抵抗
電流計で十分に測定可能であることがわかった。この結
果、水素ガス流量０．００１ｍｌ／分、電圧が０．４Ｖ
で発生電流が０．７５μＡであることが確認できた。
【００１４】次に前記と同様の水素測定センサー素子を
用い、陽極と陰極間の電圧０．４Ｖ、セル温度５０℃、
陽極へ供給する水素ガスの流量２５０ｍｌ／分、湿度０
％、陰極へ供給するガス（空気）流量２５０ｍｌ／分の
条件で、陰極へ供給するガス（空気）の湿度（湿度３４
％〜湿度１００％）と出力電流値の関係を調べた。その
測定結果を図３に示す。この結果から、外界湿度に応じ
た補正を行えば透過水素ガス量がより正確に測定できる
ことがわかった。
用い、陽極と陰極間の電圧０．４Ｖ、セル温度５０℃、
陽極へ供給する水素ガスの流量２５０ｍｌ／分、湿度０
％、陰極へ供給するガス（空気）流量２５０ｍｌ／分の
条件で、陰極へ供給するガス（空気）の湿度（湿度３４
％〜湿度１００％）と出力電流値の関係を調べた。その
測定結果を図３に示す。この結果から、外界湿度に応じ
た補正を行えば透過水素ガス量がより正確に測定できる
ことがわかった。
【００１５】透過水素ガス量は、被測定材料の物性、大
きさ等にも拠るから Ｃｏ＝（Ｊ・１／ｆｈｕｍｉｄ）・ｌ／Ｆ・Ｄ・Ｓ・ｄ で表される。ここに使用するそれぞれの記号は以下の通
りである。 Ｃｏ：透過水素ガス量 Ｊ：透過水素ガスの電流値 ｆｈｕｍｉｄ：湿度補正の係数 ｌ：透過水素ガスの材料厚み Ｆ：ファラディー定数 Ｄ：水素原子の拡散係数 Ｓ：透過水素ガスの材料表面積 ｄ：透過水素ガスの材料密度
きさ等にも拠るから Ｃｏ＝（Ｊ・１／ｆｈｕｍｉｄ）・ｌ／Ｆ・Ｄ・Ｓ・ｄ で表される。ここに使用するそれぞれの記号は以下の通
りである。 Ｃｏ：透過水素ガス量 Ｊ：透過水素ガスの電流値 ｆｈｕｍｉｄ：湿度補正の係数 ｌ：透過水素ガスの材料厚み Ｆ：ファラディー定数 Ｄ：水素原子の拡散係数 Ｓ：透過水素ガスの材料表面積 ｄ：透過水素ガスの材料密度
【００１６】鋼管等の水素損傷度の評価試験で用いられ
るＮＡＣＥ液（５％ＮａＣｌ＋０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨ
＋Ｈ２Ｓガス飽和溶液）法では、炭素鋼中の水素含有量
は約２ｐｐｍ程度となり、その水素透過電流値は約３８
μＡで透過水素の流量は約５×１０−４ｍｌ／分とな
る。２５０ｍｌ／分の水素量における電流−電圧曲線か
ら見積もられる５×１０−４ｍｌ／分に対応した供給空
気の湿度と出力電流値から湿度による補正係数ｆ
ｈｕｍｉｄを調べた。得られた結果を図４に示す。ｆｈ
ｕｍｉｄは、湿度０〜１００％で０〜１の範囲である。
るＮＡＣＥ液（５％ＮａＣｌ＋０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨ
＋Ｈ２Ｓガス飽和溶液）法では、炭素鋼中の水素含有量
は約２ｐｐｍ程度となり、その水素透過電流値は約３８
μＡで透過水素の流量は約５×１０−４ｍｌ／分とな
る。２５０ｍｌ／分の水素量における電流−電圧曲線か
ら見積もられる５×１０−４ｍｌ／分に対応した供給空
気の湿度と出力電流値から湿度による補正係数ｆ
ｈｕｍｉｄを調べた。得られた結果を図４に示す。ｆｈ
ｕｍｉｄは、湿度０〜１００％で０〜１の範囲である。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説
明する。 実施例１ 固体高分子電解質膜としてナフィオンを用い、ＭＥＡカ
ーボンクロスを電極とし、電極面積２５ｃｍ２の燃料電
池のセル型を水素ガスセンサー素子とした。セル温度８
０℃、陽極・陰極間の電圧を０．４Ｖとし、湿度４２％
の大気中の空気を陰極に供給し、発生電流値８μＡが得
られた。この得られた電流値に対し、湿度補正(湿度の
補正係数＝０．２)を行い透過水素ガス量を求めた。求
められた透過水素ガス量は、２５０ｍｌ／分であり、予
め設定した水素量と良い一致を示した。
明する。 実施例１ 固体高分子電解質膜としてナフィオンを用い、ＭＥＡカ
ーボンクロスを電極とし、電極面積２５ｃｍ２の燃料電
池のセル型を水素ガスセンサー素子とした。セル温度８
０℃、陽極・陰極間の電圧を０．４Ｖとし、湿度４２％
の大気中の空気を陰極に供給し、発生電流値８μＡが得
られた。この得られた電流値に対し、湿度補正(湿度の
補正係数＝０．２)を行い透過水素ガス量を求めた。求
められた透過水素ガス量は、２５０ｍｌ／分であり、予
め設定した水素量と良い一致を示した。
【００１８】実施例２ 実施例１と同様の電極面積２５ｃｍ２の燃料電池のセル
を使用し、セル温度８０℃、陽極・陰極間の電圧を０．
４Ｖとし、湿度６６％の大気中の空気を陰極に供給し、
発生電流値２５μＡが得られた。この得られた電流値に
対し、湿度補正(湿度の補正係数＝０．７)を行い透過水
素ガス量を求めた。求められた透過水素ガス量は、２５
０ｍｌ／分であり、予め設定した水素量と良い一致を示
した。
を使用し、セル温度８０℃、陽極・陰極間の電圧を０．
４Ｖとし、湿度６６％の大気中の空気を陰極に供給し、
発生電流値２５μＡが得られた。この得られた電流値に
対し、湿度補正(湿度の補正係数＝０．７)を行い透過水
素ガス量を求めた。求められた透過水素ガス量は、２５
０ｍｌ／分であり、予め設定した水素量と良い一致を示
した。
【００１９】実施例３ 実施例１と同様の電極面積２５ｃｍ２の燃料電池のセル
を使用し、セル温度８０℃、陽極・陰極間の電圧を０．
４Ｖとし、湿度１００％の空気を陰極に供給し、発生電
流値３６μＡが得られた。この得られた電流値に対し、
湿度補正（湿度の補正係数＝１．０）を行い透過水素ガ
ス量を求めた。求められた透過水素ガス量は、２５０ｍ
ｌ／分であり、予め設定した水素量と良い一致を示し
た。
を使用し、セル温度８０℃、陽極・陰極間の電圧を０．
４Ｖとし、湿度１００％の空気を陰極に供給し、発生電
流値３６μＡが得られた。この得られた電流値に対し、
湿度補正（湿度の補正係数＝１．０）を行い透過水素ガ
ス量を求めた。求められた透過水素ガス量は、２５０ｍ
ｌ／分であり、予め設定した水素量と良い一致を示し
た。
【００２０】
【発明の効果】プロトン導伝性のある固体高分子電解質
膜にカーボンクロス電極を取り付けた燃料電池のセル型
のものを水素センサー素子として用いることにより、プ
ラント現場等での取扱が容易で小型であり、電解液の蒸
発等による劣化の問題がなく長期間に渡り安定して透過
水素ガス量の正確な測定ができる。また、固体高分子電
解質膜は、固体電解質と異なり、素材自体が柔らかくフ
レキシブルに変形するため、あらゆる形状およびあらゆ
る大きさの配管、機器に取り付けが可能である。そし
て、プラント設備の湿潤腐食で発生する水素による損傷
が多い石油精製設備の配管エルボ等にもセル加工無しで
取り付けることができるので、そこを流れる流体の腐食
性を定量的にモニタリングでき、長期的に配管等の腐食
状況を把握できるので、プラントを長期間安全に安定運
転することが可能となる。
膜にカーボンクロス電極を取り付けた燃料電池のセル型
のものを水素センサー素子として用いることにより、プ
ラント現場等での取扱が容易で小型であり、電解液の蒸
発等による劣化の問題がなく長期間に渡り安定して透過
水素ガス量の正確な測定ができる。また、固体高分子電
解質膜は、固体電解質と異なり、素材自体が柔らかくフ
レキシブルに変形するため、あらゆる形状およびあらゆ
る大きさの配管、機器に取り付けが可能である。そし
て、プラント設備の湿潤腐食で発生する水素による損傷
が多い石油精製設備の配管エルボ等にもセル加工無しで
取り付けることができるので、そこを流れる流体の腐食
性を定量的にモニタリングでき、長期的に配管等の腐食
状況を把握できるので、プラントを長期間安全に安定運
転することが可能となる。
【図１】本発明の測定装置を配管に設置した態様の構成
図である。
図である。
【図２】空気の湿度範囲０〜１００％で、低電圧にて出
力電流の測定ができることを示すグラフである。
力電流の測定ができることを示すグラフである。
【図３】空気中の湿度と出力電流値の関係を示すグラフ
である。
である。
【図４】空気中の湿度とその補正係数の関係を示すグラ
フである。
フである。
１ 測定装置 ２ 配管 ３ 陽極 ４ 固体高分子電解質膜 ５ 陰極 ６ 空気供給口 ７ 電流計
Claims (7)
- 【請求項１】 燃料電池のセル型の両電極間に無抵抗電
流計を接続し、透過水素ガスを陽極側に供給し、空気を
陰極側に供給し、その両極間の電流値に基づいて透過水
素ガス量を測定する方法であって、水素測定センサー素
子とする燃料電池のセル型は、固体高分子電解質膜の両
面にカーボンクロス電極を取り付けたものであることを
特徴とする透過水素ガス量測定方法。 - 【請求項２】 測定した電流値に空気中の湿度の補正を
加え水素ガス量を測定することを特徴とする請求項１記
載の透過水素ガス量測定方法。 - 【請求項３】 空気の陰極側への供給は、大気中の空気
を送風機および／または排風機により行うことを特徴と
する請求項１または２記載の透過水素ガス量測定方法。 - 【請求項４】 供給する空気中の水分を固体高分子電解
質膜の加湿に使用することを特徴とする請求項１乃至３
のいずれか１項に記載の透過水素ガス量測定方法。 - 【請求項５】 前記透過水素ガスが石油プラントまたは
石油化学プラントの鉄鋼材料を透過したものであること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の透
過水素ガス量測定方法。 - 【請求項６】 固体高分子電解質膜の両側にカーボンク
ロス電極を取り付けた燃料電池のセル型の水素測定セン
サー素子が、一方の開口縁が測定対象面と当接する筒状
体の開口面にほぼ平行に筒状体内部を仕切るように筒状
体に設けられ、陽極および陰極間の電流値を測定する無
抵抗電流計が設けられていることを特徴とする透過水素
ガス量測定装置。 - 【請求項７】 陰極側空間が閉空間にされ、該空間への
空気給排出口が設けられ、送風機および／または排風機
が設けられていることを特徴とする請求項６記載の透過
水素ガス量測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001091206A JP2002289243A (ja) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | 透過水素ガス量測定方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001091206A JP2002289243A (ja) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | 透過水素ガス量測定方法およびその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002289243A true JP2002289243A (ja) | 2002-10-04 |
Family
ID=18945872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001091206A Pending JP2002289243A (ja) | 2001-03-27 | 2001-03-27 | 透過水素ガス量測定方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002289243A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005331284A (ja) * | 2004-05-18 | 2005-12-02 | Kobe Steel Ltd | 水素ガス検知剤および水素ガス検知装置 |
| WO2007046545A1 (ja) * | 2005-10-21 | 2007-04-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム、アノードガス生成量推定装置及びアノードガス生成量の推定方法 |
| WO2008093813A1 (ja) | 2007-02-02 | 2008-08-07 | Gunze Limited | 水素ガスセンサ |
| WO2009011368A1 (ja) | 2007-07-19 | 2009-01-22 | Gunze Limited | 固体イオン伝導体、固体イオン伝導体を用いた電気化学デバイス並びにその製造方法 |
| CN100510696C (zh) * | 2006-12-01 | 2009-07-08 | 中国科学院海洋研究所 | 动载条件下研究大气中应力腐蚀敏感性的装置及方法 |
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| JP2014523069A (ja) * | 2011-06-20 | 2014-09-08 | ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション | フローバッテリシステム内での水素の放出を検出および軽減するシステムおよび方法 |
| JP2016500153A (ja) * | 2012-10-25 | 2016-01-07 | レトメック エス．アール．エル． | 浸透水素測定のためのデバイス及び方法 |
| US9720088B2 (en) | 2012-03-29 | 2017-08-01 | The Secretary Of State For Business, Innovation & Skills | Measurement device, system and method |
| US9791569B2 (en) | 2012-03-29 | 2017-10-17 | The Secretary Of State For Business, Innovation & Skills | Coordinate measurement system and method |
| CN113422090A (zh) * | 2021-05-12 | 2021-09-21 | 同济大学 | 一种pemfc氢气渗透电流与漏电电阻的检测方法与装置 |
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| CN113782786A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-12-10 | 同济大学 | 一种燃料电池电堆氢渗电流原位检测方法与装置 |
-
2001
- 2001-03-27 JP JP2001091206A patent/JP2002289243A/ja active Pending
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