どのような圧力センサーが水素に適しているのでし ょうか？

水素分子は、すべての物質の中で最小の分子であるため、一般的な多くの鋼材やその他の材料の構造に浸透するとい う特性があります。その対策として、構造体により恒久的に 漏れを防ぐ、または構造体への浸透を考慮する、若しくは2 つの効果の組み合わせがあります。水素脆化はよく知られて おり、浸透した水素が鋼材の構造を変化させるという事態が 引き起こされます。透過、すなわち膜表面に水素の吸着（吸 収）や膜材料を介した拡散および膜背面への放散の問題 は、壁の厚さが十分に確保できる圧力タンクなどのアプリケ ーションでは問題になりません。しかし、各部材の厚さが本 質的に薄い圧力センサーの場合、測定メンブレンを介した 水素の浸透は、圧力センサーの計測機能に障害をもたらす 可能性があります。

圧力センサーの構造と物理的な動作原理に応じて、さまざ まな影響が出る可能性があります。次のセクションでは、水 素がエネルギーキャリアとして使用されるときに一般的に 用いられる圧力センサーの最も重要な影響について説明し ます。また、水素透過（の有害な影響）を防ぐためにどのよう な技術的解決策を採用しているか、そしてこのことからどの ような長所と短所が生じるかを説明します。最後に、適切な 圧力センサーの最も重要な選択基準と評価および認定時に 注意すべき点をご案内しています。

工業用水素アプリケーションでは、ピエゾ抵抗式センサーま たは金属薄膜歪式センサー（P.3 動作原理を参照）のいずれ かがほぼ独占的に使用されます。他のセンサーの原理は、技 術的に不適切であったり（たとえば、焼結材料の多孔性が高 いセラミック歪式センサーは不適切）、ニッチな製品は高価 すぎるので採用できません。

ピエゾ抵抗式圧力センサー

ピエゾ抵抗式センサーの場合、分離膜の壁の厚さが非常に 薄くなります。 分離膜の壁の厚さ70マイクロメートルは大き な課題です。分離膜自体は標準で水素対応AISI316Lででき ているため、脆化のリスクがほとんどありません。ただし、高 圧では、水素が薄い分離膜を通って封入オイル内に拡散す る可能性があります。オイルに溶解した水素はそこで気泡を 形成する可能性があり、これにより突然の信号オフセットが 起こり、気泡が再び溶解するとすぐに圧力曲線に応じて自然 にオフセット復帰することがあります。

対策として、分離膜の 水素側に吸着バリアとして機能する金コーティングを施す方 法があります。 Trafagによるテストでは、保護として機能する ためには、この金コーティングの層に特定の最小厚さが必 要であることが確認されています。薄すぎる場合、マイクロス クラッチによって損傷する、または金層の接着力が不十分で あることによるメッキプロセス時の不純物で気泡ができると 保護効果が低下します。

金属薄膜歪式センサー

一方、金属薄膜歪式センサーは、センサーカップを十分な厚 みで作れます。通常は水素に適さない材料（17-4PHまたは 1.4542）、つまりニッケル含有量がかなり少ないマルテンサ イト系高性能鋼でできています。対して、ニッケル含有量が 約13パーセント以上のオーステナイト鋼は水素適合性があ ると見なされます。したがって、代替の鋼合金を使用する必 要があります。但しセンサーカップにスパッタリングされた 抵抗ブリッジがよくストレッチし、使用可能な信号が生成さ れるように高い降伏点が必要です。残念ながら、AISI316Lな どの多くのH2互換鋼はこの要件を満たしていません。 AISI316Lメンブレンを備えた鋼製センサーを使用する場合、 通常、長期安定性に適したスパッタ抵抗ブリッジは装備され ません。また、歪による抵抗の変化を大きく出力できるコー ティングが施されていますが、信号ドリフトの影響を受けや すいことがよくあります。

我々の最大の目標は、H2に順応性があり、同時に薄膜式セン サーの構築に適した適切な合金鋼を見つけることです。スパ ッタ抵抗を備えた金属上薄膜セルの場合、ニッケル含有量 が高く十分な降伏点を持つ非常に適しているオーステナイ ト鋼合金がいくつかあります。しかし、センサーメーカーにと って、これらの鋼材の難しさは、低ドリフトセンサーを製造で きる高品質材料を品質を含め長期的に安定して鋼材メーカ ーから仕入れることが出来るかです。通常、重要なパラメー タは、構造、合金、熱処理の均一性です。さまざまな合金で作 られた既存の弊社独自のセンサーや競合他社のセンサーを Trafagで水素媒体による試験をした結果、今日提供されてい るソリューションの多くは、空気または油の従来の測定流体 よりも長期使用では大幅にドリフトがあることが分かって おります。しかしながら豊富な経験、長年の集中的な研究、 及び数え切れないほどのテストで、Trafagは、より優れた水 素適合鋼で作られた金属薄膜歪式センサーの開発に成功し ました。

性能目安（基準）となる長期安定性

水素用圧力センサーの長期安定性は、圧力トランスミッター を評価する際の主要な基準になっています。形状と寸法、電 子部品および機械的構造は、工業用圧力センサーとして長 年に渡る多くの採用実績から、ほとんどの場合、水素アプリ ケーションでの要件も満たしていると考えます。但し、センサーの長期安定性、即ち測定精度が変化しないこ とが、特に水素アプリケーションでは重要であり、使用期間 中にわずかに変化することをも避けなければなりません。長 期安定性の低さは、主にゼロ点ドリフトに反映されます。こ れは、圧力がないときに信号がゼロを示さなくなることを意 味します。 実施されたテストでは、文献で最大の問題として頻繁に言及 されている脆化は、Trafagセンサーは発生しませんでした。標準形センサー、つまり水素非適合材料で作られたセンサ ーでの破壊テストでは、出力信号はすぐに大きなドリフトを 示しましたが、水素適合材料で作られたセンサーは、水素環 境で長期間使用した後でも、破壊圧力の低下も示されませ んでした。このテスト結果から、特に3つのパラメータが水素 用圧力センサーの長期安定性に大きな影響を及ぼしている と言えます。

• 圧力：圧力が高いほど、拡散が強くなり速くなります。機構 部の動きが浸透した水素の移動を容易にするため、加減 圧を交互に繰り返すことで拡散がさらに加速します。
• 温度：温度が高いほど、水素の有害な影響が早く現れます。 脆化は約60℃から減少しますが、拡散は増加し続けます。
• 時間：水素への暴露時間は重要です。出力信号の偏差は 特定の時間の後にのみ明らかになりますが、線形偏差で はありません。