JPH04104037A - 水素濃度測定法および水素計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 口産業上の利用分野コ 本発明は、環境中に存在する水素濃度の測定方法および
水素計に係り、特に水素吸蔵合金を用いて環境中の微量
の水素を容易に検出し、測定することができる測定方法
およびその水素計に関する。

［従来の技ｔＩ］ 従来の水素計の１例を、特開昭５９−２５４５１号公報
により示す。第１３図は、高速増殖炉の蒸気発生器に設
置する目的で発明されたものである。すなわち、第１３
図において、冷却材の液体ナトリウムは、ナトリウム流
入部５に入り、ニッケル等の水素透過性拡散膜１１を経
て、流出部７へと流出する。流入部５と流出部７は、仕
切板６により仕切られている。液体ナトリウムが拡散膜
１１を通過する際に、液体ナトリウム中に含まれている
水素は、拡散膜１１を透過して拡散ポット８の真空部９
へ導かれる。水素は、真空部９から真空排気管１ｏを経
て、外部へ排出される。この際に、拡散ポット８内の圧
力は、ナトリウム中の水素濃度と真空排気管１０からの
排気速度により変化する。排気速度を一定とし、拡散ポ
ット内の圧力を測定することにより、ナトリウム中に含
有する水素の濃度を測定することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 第１３図に示したように従来例の水素計は、拡散ポット
８内の圧力変化を計測することにより、水素濃度を検知
し測定することができるようになっている。しかしなが
ら、上記従来技術では、拡散ポット８内を真空に保つた
めに、常時、真空排気管１０を通して真空ポンプで吸引
し続けねばならぬ上に、拡散ポット８側には、充分な機
械的強度を必要とするので、装置の小型化は困難であっ
た。また、適用範囲が狭く限定されていた。

本発明の目的は、水素吸蔵合金の有する物理的特性を応
用することにより、小型で製作が簡易であり、かつ、広
範囲にわたって適用が可能な水素濃度測定法および水素
計を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明に係る水素濃度測定法
の構成は、環境中に存在する水素を検出し、その水素濃
度を測定する方法において、水素吸蔵合金からなる電気
抵抗体と、この電気抵抗体が水素を吸蔵する際に生じる
電気抵抗の変化を計測することができる電気回路とその
８力装置によって環境中の水素濃度を測定するようにし
たことである。

また、上記課題を解決するための本発明に係る水素計の
構成は、環境中に存在する水素を検出し、その水素濃度
を測定するための水素計において、水素吸蔵合金からな
る電気抵抗体と、この電気抵抗体が水素を吸蔵する際に
生じる電気抵抗の変化を計測することができる電気回路
と、計濶値の８力装置とを具備するようにしたものであ
る。

［作用コ 水素吸蔵合金からなる電気抵抗体は、水素の吸蔵量に比
例してその電気抵抗を変化させるから。

この水素吸蔵合金を、ホイートストンブリッジ回路の１
センサとして、環境中の水素濃度を測定する原理につい
て第１４図を用いて説明する。

第１４図は、従来例の水素吸蔵金属Ｎｂの場合の実験デ
ータである、（深井有：金属中の水素（■）、日本金属
学会会報、第２４巻、第２号（１９８５）ｐ−１００７
）。

第１４＠において、横軸は、Ｎｂ中のＨおよびＤ（重水
素）、縦軸は、比抵抗を表わす。すなわち、Ｎｂ中の吸
蔵水素濃度と比抵抗は、比例関係にある（一定温度の場
合）。

したがって、水素吸蔵金属Ｎｂを１センサとしてホイー
トストンブリッジ回路を組み、その比抵抗値を電位差計
を用いて計測すれば、環境中に存在する極微量の水素濃
度をも測定することができる。

Ｎｂの温度によって比抵抗値は変化するが、この温度の
効果は、適切なダミー回路により補正することができる
。

なお、水素吸蔵合金とてし、実用上はＦｅＴｉなどを用
いることが好ましい。

［実施例コ 以下本発明の実施例を第１図〜第１２図を用いて説明す
る。

第１１！Ｉは、水素吸蔵合金を利用し環境中の水素の有
無を測定する本発明の第１実施例の水素計の回路構成図
である。

第１図において、１は、水素吸蔵合金からなる電気抵抗
体、２は、抵抗体（既知）、３は、電位差計、４は、直
流電源である。

第１図に示すように、ホイートストンブリッジ回路を組
み、抵抗値が既知の３個の抵抗体２と、本発明に係る水
素吸蔵合金の電気抵抗体１と、電位差計３に対して直流
型ｇ４を接続する。上記回路において、直流電源４を投
入すれば、電気抵抗体１の抵抗値を知ることができる。

一方、電気抵抗体１が水素を吸蔵した場合の抵抗値に関
しては、つぎの関係がある。第２図は、水素吸蔵合金中
の水素濃度と比抵抗関係図である。

すなわち、比抵抗（Ω／ｍ）は、ある程度の水素濃度ま
では、水素濃度の増加に比例して増加しく比例域）、そ
の後は飽和値に近づき一定値をとるようになることが示
されている。

したがって、本発明の水素濃度測定法の手順としては、
まず、第１図に示すようなホイートスインブリッジ回路
を構成し、水素濃度が零％の状態で、抵抗値を測定し、
つぎに、電気抵抗体１のセンサを、水素濃度を測定すべ
き環境中に一定時間保持した後に、その抵抗値を測定し
く第２図の比例域内）環境中の水素濃度を測定すること
ができる。

なお、電気抵抗体は、薄膜状に形成することが望ましい
。

第３図は、本発明の第２実施例の水素計の回路構成図で
ある。

第３図において、２ａは、電気抵抗（ＩＩ）、１２は、
コンデンサであり、他の符号は、第１図と同じである。

第３図の構成は、第１図の実施例に加えて、電気抵抗（
ＩＩ）とコンデンサ１２とからなる電気的微分回路を追
加して電気抵抗の時間変化を計測できるようにしたもの
である。この微分回路を追加することにより、以下の原
理に基づいて、環境中の水素濃度を計測することが可能
となる。

第４図は１合金中の水素濃度、比抵抗と時間との関係図
である。

第４図に示すように、合金中の水素濃度の時間変化と合
金の比抵抗の時間変化は比例し、スケールを適当に合わ
せると一本の直線上に乗る。それ故に、比抵抗の時間変
化を計測することは合金中の水素濃度の時間変化を計測
するのに等しい。よって、上記の関係を式で与えると次
式のように与えられる。

Δｔ　　Δし ここに、ΔＲ；電気抵抗の変化、Δし；時間幅６Ｍ７合
気中の水素濃度変化、Ｃ；比例定数式（１）のＫは単位
時間の合金の水素吸蔵量と考えてもよい。

つぎに、第５図を用いて水素が合金に吸蔵される機構を
示す。第５図に示すように、水素吸蔵合金表面には、常
に気体分子が衝突および反射を繰り返している。

単位時間当りの気体分子の衝突回数は大気の圧力および
温度が与えられると決めることができる。

大気の気体分子のうち水素分子が合金表面に衝突した場
合、ある確率αをもって合金に吸蔵され、ある確率（１
−α）をもって反射される。この吸蔵確率αは実験によ
り求められる５上記の吸蔵機構にもとづくと、単位時間
の合金の水素吸蔵量には、次式で与えられる。

に＝αＸ（単位時間の水素の衝突数）Ｘ−＜２＞二二に
、Ｒ；アボガドロ数 式（１）および（２）より１合金の水素吸蔵合金にとも
づく電気抵抗の時間変化を計算することにより、単位時
間の水素の衝突数が求められる。

大気の気体分子全体の衝突回数は前記のように大気の圧
力、温度により既知であるから、大気中の水素濃度は次
式で与えられる。

以上のように、第３図に示した構成および上記の測定原
理にもとづけば、大気中の水素濃度を計算できる。

第６図は１本発明の第３実施例の水素計の回路構成図で
ある。

第６図において、１３は、発熱体、１４は、スイッチ、
他の符号は、第１図、第３図と同一である。

この第３実施例では、基本構成は第１＠ないし第３図と
同じ構成であるが、水素吸蔵合金からなる電気抵抗体１
に発熱体１３を追加した。この発熱体１３の追加により
、つぎのような効果が生じる。

第２図に示したように、水素吸蔵合金は限界濃度まで吸
蔵を続け、限界濃度に達した時点で計測不能となる。本
実施例のように、吸蔵限界に達した合金を発熱体１３で
熱すると逆に水素の脱蔵反応が起こる。この作用により
、水素吸蔵合金の電気抵抗体１を水素吸蔵前の状態に戻
すことができ。

再び計測を行うことが可能となる。

第７図は、本発明の第４実施例の水素計の回路構成図で
ある。

本実施例の基本構成は、第８図に示した１対の水素吸蔵
合金１と発熱体１３および論理回路１６からなる回路１
５と、第７図の抵抗２．電位差計３、および直流電源４
とからホイートストンブリッジ回路を組んだものである
。ここで、論理回路１６は第１表のようなスイッチング
機能を有するものとする。

第１表 本実施例によれば、つぎのような効果が得られる。すな
わち、第１表のような論理回路を用いれば、一方の吸蔵
合金センサは、常に吸蔵状態に、他方の吸蔵合金センサ
は、脱蔵状態に保つことができ、いま、計測中に吸蔵状
態の合金が吸蔵限界に達した場合、それまでの間、脱蔵
状態であった合金の方に瞬時に切換えられて、計測を続
ける二とが可能となる。この場合の具体的な計測フロー
チャートを第９図に示す。

第１０図は、本発明の第５実施例の電気抵抗体の部分断
面斜視図である。

第１０図において、１は、電気抵抗体、１７は。

１を被包した金属箔である。

第５実施例の電気抵抗体は、第１〜４実施例に適用する
二とができる。すなわち、水素吸蔵合金からなる電気抵
抗体１の周囲にニッケル等の水素透過性金ａＳを凝着さ
せたものである。

本実施例によれば、つぎのような効果がある。

すなわち、通常、吸蔵合金では、水素の吸蔵、脱蔵を繰
返した場合に、合金に水素脆化および粉末化が生じる。

合金の全表面に水素透過性の金属箔を凝縮させることに
より、これらの影響をなくすことができる。

つぎに、本発明における水素計の実機に体する適用例を
示す。

第１１図は、本水素計を軽水炉の格納容器に適用した場
合の断面模式図である。

軽水炉本体の苛酷事故時に、水素が発生した場合、水素
は雰囲気との密度差により上昇し、特に格納容器の上部
隅部に滞留し易い、したがって。

本発明の水素計のセンサを第１１図に示すように斜線部
の個所に、複数個設置することにより、効率的に計測を
行なうことができる。センサの設置法としては、表面積
をできる限り大きくして、第１２図に示すように千鳥型
に設置する。この方法によって、Ｒ心眼のセンサで広い
範囲をカバーして計測の精度を高めることができる。

なお１本発明の成立性を具体的な値をもとに示す。水素
吸蔵合金としてニオブを考える。ニオブはバナジウム等
の元素を１〜１０原子％添加することにより室温下で自
重の０．８％程度の水素を吸蔵できる。その際、吸蔵に
は２〜３　（分１モル）を要する。水素計として応用す
る場合には、応答性を高めるために１０−１モル（重量
で９．２’Ｘ１Ｏ−”ｇ）程度のニオブ材を用いる。こ
の程度の量のニオブ材においては０．２秒以下の時間で
吸蔵が完了しり水素計としての応答を充分に果たせる。

さらに、ニオブを薄板状に広げてやれば１表面のみに水
素が吸蔵するのがさまたげられ、さらに効果的となる。

ニオブの水素吸蔵に伴う電気抵抗の変化は、すでに記し
たように第１４図に示す通りである。ニオブの電気抵抗
率は、通常１０．８（μΩ・ａ−）程度であり、鉄と同
程度（７，６（μΩ・１））であることから抵抗の変化
は通常の電圧計にて容易に計測が可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、水素吸蔵合金からなる電気抵抗体のセ
ンサを用いて電気回路を組むことにより、簡易な方法に
より環境中の水素濃度を迅速に開定することができる。

本発明の水素計は、小型軽量化することができる。

また、センサは、水素の接触表面積を大きくするための
薄い箔状とし、これらの複数個のセンサを、水素の流路
近傍部に設置することにより広範囲にわたり高精度で迅
速な計測が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の水素計の回路構成図、
第２図は、水素吸蔵合金の合金中の水素濃度−比抵抗関
係図、第３図は、本発明の第２実施例の水素計の回路構
成図、第４図は、合金中の水素濃度および比抵抗−時間
関係図、第５図は、水素吸蔵合金の水素吸蔵機構説明図
、第６図は、本発明の第３実施例の水素計の回路構成図
、第７図は、本発明の第４実施例の水素計の回路構成図
、第８図は、第７図の電気回路の詳細図、第９図は。 第４実施例の計測フローチャート図、第１０図は、本発
明の第５実施例の電気抵抗体の部分断面斜視図、第１１
図は、軽水炉格納容器に本水素計を設置した断面模式図
、第１２図は、水素計センサの配置図、第１３図は、従
来例の水素計の部分断面図、第１４図は、ニオブ合金中
の水素濃度−比抵抗関係図である。 〈符号の説明〉 １・水素吸蔵合金からなる電気抵抗体、２・抵抗体、３
・・電位差計、４・・直流電源、５　・ナトリウム流入
部、６・仕切板、７・・−ナトリウム流出部、８　拡散
ポット、９・・・真空部、１０・真空排気管、１１・・
・拡散膜、１２・・・コンデンサ、１３・・発熱体、１
４　スイッチ、１５・　１対の電気回路、１６論理回路
、１７・・水素透過性を有する金属箔、１８・・原子炉
容器、１９・・格納容器、２０・・・水素計センサ、２
１・・格納容器壁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、環境中に存在する水素を検出し、その水素濃度を測
   定する方法において、 水素吸蔵合金からなる電気抵抗体と、この電気抵抗体が
   水素を吸蔵する際に生じる電気抵抗の変化を計測するこ
   とができる電気回路とその出力装置によって環境中の水
   素濃度を測定することを特徴とする水素濃度測定法。 ２、請求項１記載の方法において、前記電気回路に電気
   抵抗の時間変化を計測する回路を付加して水素濃度を測
   定することを特徴とする水素濃度測定法。 ３、環境中に存在する水素を検出し、その水素濃度を測
   定するための水素計において、 水素吸蔵合金からなる電気抵抗体と、この電気抵抗体が
   水素を吸蔵する際に生じる電気抵抗の変化を計測するこ
   とができる電気回路と、計測値の出力装置とを具備する
   ことを特徴とする水素計。 ４、請求項３記載の水素計において、前記電気回路に、
   電気抵抗の時間変化を計測する回路を付加したことを特
   徴とする水素計。 ５、請求項３およびまたは４記載の水素計において、前
   記電気抵抗体に発熱体を付設したことを特徴とする水素
   計。 ６、請求項３〜５記載の水素計において、前記電気抵抗
   体を、１対のセンサとし、各々に発熱体を設け、一方を
   水素吸蔵状態に、また他方を水素脱蔵状態に保持するこ
   とを特徴とする水素計。 ７、請求項３〜６記載の水素計において、前記水素吸蔵
   合金からなる電気抵抗体は、薄い箔状であることを特徴
   とする水素計。 ８、請求項３〜６記載の水素計において、前記電気抵抗
   体を、水素透過性の金属薄膜で被包したことを特徴とす
   る水素計。