計装・安全

膜を透過する水素の量は、電流にほとんど依存しません。水素は圧力差によって透過するため、電流を減らしてもほぼ同じ量が透過します。一方、酸素は電流に比例して発生します。電流を 40% に下げれば、酸素も 40% に減ります。同じスタックでは、電流を下げることは電流密度を下げることと同じで、データでは A/cm² で示される値です。管理するのは酸素に対する水素の比率です。透過してくる水素は変わらないまま酸素が減るため、比率が上がります。同じ量の水素が、より少ない酸素に混ざるということです。圧力は別の経路で比率を上げます。圧力が高いと膜を挟んだ水素の圧力差が広がり、そもそも透過する水素が増えます。低負荷と高圧が重なると、両方の効果が同時に現れます。実測値は、23 セルの HXS-2（0.1 M KOH、43–45 °C）で、定格負荷・大気圧で 0.39%、40% 負荷・大気圧で 0.66%、定格負荷・6 barg で 0.98%、40% 負荷・6 barg で 1.75% です。最低と最高の差は 4.5 倍で、6 barg・40% 負荷では 2% の管理限界まで 0.25 ポイントしか残りません。

「測定原理」の列は、計測器が物理的に何に反応するかを示しています。同じ酸素濃度でも、原理によって得意なレンジが異なり、消耗品や校正周期も異なります。まずこの列を読むと、ある機種が微量レベル向けで、別の機種がパーセントレベル向けである理由がわかります。濃度の測定原理は大きく二系統あります。対象ガスを消費する原理は低濃度まで測れますが、センサーに寿命があります。消費しない原理は長寿命で校正も長く保ちますが、濃度が下がるほど分解能が落ちます。流量計と圧力計はこの二系統の外にあり、ガスの組成ではなく、流れる量や圧力を測ります。圧力については、電気信号を出すもの（ピエゾ抵抗式、セラミック静電容量式）、電源なしで指針を読む機械式のもの（ブルドン管、ダイヤフラム）、接点自体が回路を開閉する電気機械式接点を掲載しています。同じ原理でも、どこまで低い値を測れるかは機種によって異なります。それを記したのが表の「レンジ」列です。漏れ検知で真っ先に思い浮かぶ赤外線式（NDIR）は、水素には使えません。水素分子は赤外線を吸収しないため、読み取る信号がないのです。他の可燃性ガス用の赤外線検知器を水素用途に転用しないでください。水素漏れは接触燃焼式または電気化学式センサーで検知します。漏れ検知は二通りに分かれます。定置式検知器は壁や支柱に取り付けてエリアの濃度を常時監視し、4-20 mA または接点を出力して警報やインターロックを作動させます。携帯式検知器は、すでに把握している漏れの発生箇所を探すために持ち歩いて使います。どちらも互いの代わりにはならないため、表もこの軸で分けています。携帯式を置きっぱなしにしても誰も持っていなければ何も検知できず、定置式では継手を一つずつたどって調べることはできません。

電気化学式（燃料電池型）

対象ガスが電極で反応する際に生じる電流を測ります。電流は濃度に比例します。セル自体が燃料電池のように電流を発生させるため、外部電源は不要です。低濃度に強く、ppm レベル、機種によってはそれ以下まで測定できます。電極と電解液は反応で消費されるため、セルは交換品です

高分子電気化学式

液体電解質の代わりに固体高分子膜を使います。乾燥や液漏れの心配がないため、補充が不要で、取付方向の制約もありません

熱伝導式

ガスによって熱の伝わりやすさが異なることを利用し、加熱した素子から奪われる熱から組成を読み取ります。水素の熱伝導率は空気の約七倍と差が大きいため、この原理は水素に特に適しています。消耗品はありませんが、二成分混合ガスにしか使えず、三つ目のガスが入ると読みが曖昧になります

熱磁気式（常磁性）

酸素は磁場に引き寄せられ、他のガスはほとんど影響を受けません。この引き寄せられる強さから酸素濃度を求めます。酸素を消費しないため長寿命で、パーセントレベルの濃度に強い方式です

光学式（ルミネセンス）

蛍光層に光を当てると発光し、そこに酸素が届くと発光が抑えられます。発光の低下量と回復にかかる時間から濃度を読み取ります。酸素を消費しないため校正が長く保たれます。定期交換品は蛍光キャップです

熱式質量流量

流れるガスが加熱素子から奪う熱を測ります。補正係数がガスごとに異なるため、水素用に設定された状態で納入される必要があります

層流差圧式質量流量

層流素子を通過する際の圧力損失が流量に比例することを利用します。圧力と温度を同時に測定し、質量流量に換算します。応答が速いのが特長です

接触燃焼式（ペリスタ）

可燃性ガスが触媒を塗布したビーズ上で燃焼し、その熱で白金コイルの抵抗が上がることを測定します。爆発下限界に対するパーセント（% LEL）で読み、室内の漏れ監視に使います。燃焼が必要なため一定以上の酸素濃度が必要で、酸素の少ない雰囲気や不活性雰囲気では指示値が低く出ます。寿命は触媒被毒で決まります

半導体式

加熱した金属酸化物の表面にガスが吸着すると電気抵抗が変化し、その変化を読み取ります。素子は安価で長寿命ですが、湿度や他の可燃性ガスにも反応するため選択性は低めです。接触燃焼式と組み合わせ、互いの弱点を補う検知器もあります

拡散式とポンプ吸引式

ガスを検知素子まで届ける方法です。拡散式は何も吸い込まず、素子を大気に開放し、自然に届いたガスを読み取ります。室内を監視する定置式検知器はこの方式です。ポンプ吸引式はガスを吸い込むため、プローブ先端の空気を読み取れ、継手を一つずつたどって調べることができます

ピエゾ抵抗式

圧力でダイヤフラムがたわみ、その背後にあるシリコンチップの抵抗が変化します。測定範囲が広く低価格なため、圧力計測の標準です。接液面は金属なので、その金属の種類で媒体との適合性が決まります

静電容量式（セラミック）

セラミックダイヤフラムがたわむと、背面板との間の静電容量が変化します。接液面は金属ではなくセラミックで、封入液もありません。アルカリ性や酸性の媒体では、金属ダイヤフラムの代わりにこちらを検討すべき理由はここにあります

ブルドン管（機械式）

圧力で曲がった管が伸び、その動きで指針を動かします。電源なしで読めるため試運転や巡回点検に適していますが、信号を出さないため、記録やインターロックには使えません

ダイヤフラム（機械式）

薄いダイヤフラムが圧力でたわみ、指針を動かします。ブルドン管より低い圧力に強く、PTFE ライニングや特殊材質の受圧室を使えば腐食性媒体にも対応できます

電気機械式接点

設定圧力を超えると、ばねとレバーが物理的に接点を開閉します。経路に電子部品がないため、制御装置が停止していても作動します。そのため、停止インターロックを独立して配線する用途に使われます

計測器を危険場所に設置する場合は、その場所に適合した防爆認証が必要です。カタログにある Ex db IIB+H₂ T6 Gb のような一行は、四つの別々の項目を続けて書いたものです。先頭の db は防爆構造です。耐圧防爆（Ex d 系）は、内部で着火しても頑丈な容器で閉じ込めて外部へ広げません。本質安全防爆（Ex ia、Ex ib）は、回路のエネルギーをそもそも着火に必要な値より低く抑えます。表示部と商用電源を持つ分析計は通常耐圧防爆、表示部のない小型伝送器は通常本質安全防爆です。中央の IIB や IIC はガスグループです。後ろに行くほど着火しやすいガスで、水素は最も厳しいグループ IIC に属します。IIB のみの認証品は水素エリアでは使えません。ただし水素だけを追加して IIB+H₂ と表示するものもあるため、IIB の文字だけで除外しないでください。T6 は温度等級です。表面温度がガスの発火温度より低く保たれることを示し、T1 から T6 へ進むほど保証される表面温度が低くなります。末尾の Gb は機器保護レベルで、Ga が Zone 0、Gb が Zone 1、Gc が Zone 2 に対応します。認証制度は国によって異なり、欧州は ATEX、国際的には IECEx、韓国は KCs です。同じ機器でも韓国に設置するには別途 KCs 認証が必要な場合があるため、まず設置国をお知らせください。以下は、メーカー資料で確認できたものだけです。掲載していない機種は防爆仕様がないのではなく、当社で確認できていないだけです。また、防爆仕様は通常、同じ型番のオプションではなく別の型番になっています。発注時に品番を間違えると、一般仕様品が届きます。

Michell XTC601

耐圧防爆 Ex db IIB+H₂ T6 Gb；ATEX、IECEx、KCs

Michell XTP601

ビルドコードは三種類：一般仕様 GP1 と GP2、防爆仕様 EX1。EX1 は耐圧防爆 Ex db IIB+H₂ T6 Gb、粉じん防爆 Ex tb IIIC T85°C Db（IP66）；ATEX、UKCA、IECEx、cQPSus、TR CU Ex

Messkonzept FTC 320

非防爆。FTC 320 EX は別機種です

Chang AI CI-PC551-2

耐圧防爆 Ex d IIB T6 Gb、IP65。メーカーのマニュアルでは同じ欄が Ex d C T6 Gb と記載されています

GASDNA DA-600S

耐圧防爆 Ex db IIC T6 Gb（IP6X）、粉じん防爆 Ex tb IIIC T85°C Db；KCs、ATEX、IECEx、JPEx、CE

Southland OMD-507

標準は非防爆。本質安全防爆のオプションはありますが、メーカーの定格は Class I Div 2 で、この欄でいう Zone 1 耐圧防爆グレードではありません

Michell Easidew

本質安全防爆品は別機種の Easidew I.S.；IECEx、ATEX、UKCA

PRIGNITZ SPT

本質安全防爆品は別品番の PMP-S122-Exi；II 1G Ex ia IIC T4 Ga；CSA、ATEX、IECEx。データシートに水素対応の記載あり

STORK DEWCom II

メーカー資料では CE マーキングのみ。防爆認証は確認できていません

Bronkhorst EL-FLOW Select

防爆仕様は別シリーズの EX-FLOW

GASFT FT-2000Ex

Ex db IIC T6 Gb、Ex tb IIIC T85°C Db（IP66）；ATEX、IECEx、KCs および KC。IIC なので水素にも十分な余裕があります。見積書では粉じん防爆を含めて Ex d IIC T6 と記載されています

New Cosmos XP-3110

本質安全防爆 Ex ib d IIC T3（センサーヘッドのみ耐圧防爆）；JIS M 7653 認証。携帯式の計測器は、定置式とは異なる制度で認証されます

その他

メーカー資料でまだ確認できていない機種

同じ測定値でも、機種によって読む場所が異なります。それを記したのが「表示」列です。計測器本体の画面が最もシンプルです。センサーと画面が一体のものはセンサー一体型、盤の扉に組み込むよう作られたものはパネル取付型です。いずれも現場で誰かが数値を読みます。画面のない機種は、値を電流として出力するだけです。これが 4-20 mA 信号で、受け側に PLC、記録計、メーカー純正の別売表示器などがあって初めて数値が見えます。ここを見落とすと、計測器は正常なのに誰も値を見られない状態になります。4-20 mA の配線もすべて同じではありません。二線式は電源と信号を同じ一対で送り、三線式は電源を別に受けます。コネクタも規格化されているため、DIN 43650 コネクタを使う機種は、対応するソケットもあわせて発注する必要があります。測定範囲の広い計測器には、濃度の変化に応じて測定レンジを自動で切り替えるオートレンジ機能が付いていることがよくあります。4-20 mA だけで接続すると、同じ 20 mA がある時は 1000 ppm、別の時は 100% を意味することになります。現在のレンジを識別する信号も必要かどうかを決めてください。

上位制御との連携で、計測まわりが最もつまずきやすいのがここです。指令が機器に届いたか、機器が受け付けたか、動作中か、完了したか、失敗したか。それぞれを別の状態として扱う必要があります。区別しないと、実際には何も起きていないのに画面上は正常と表示されることになります。

同じ量でも、計測器によって単位が異なります。この表だけでも、水素中酸素濃度がパーセントで出るものと ppm で出るものがあります。タグの単位を合わせずに 4-20 mA のスケーリングをそのまま流用すると、読みが一万倍ずれます。しかも、もっともらしい範囲に収まっていることが多く、長く気づかれません。圧力も取り込む場合は、同じ理由で barg と bara のどちらかを決めておいてください。