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JP-2026077246-A - 電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法

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Abstract

【課題】金属板に対する電着塗装処理時の侵入水素量を、電着塗装処理の操業を行いながら、より正確に測定すること。 【解決手段】本発明は、所定の金属板を素材とする部材に対して電着塗装を施す電着塗装ラインで用いられる電気化学セルに関し、電解質溶液を収容可能な内部空間を有し、収容される電解質溶液と接触可能なように参照電極及び対極が装着され、壁面の少なくとも一部に第１の開口部が形成されているセル本体部と、第２の開口部が形成され、セル本体部の第１の開口部が形成されている壁面に装着されることでセル本体部と一体化するものであり、セル本体部への装着時には、第１の開口部を閉塞するように配置される金属板を挟み込むようにセル本体部へ装着される蓋部と、セル本体部を電着塗装ラインに取り付けるための取付部材と、を備え、セル本体部と蓋部との間に配設される金属板が、電着塗装ラインに対して電気的に接続される。 【選択図】図１

Inventors

  • 赤星 真琴
  • 山中 晋太郎

Assignees

  • 日本製鉄株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (16)

  1. 所定の金属板を素材とする部材に対して電着塗装を施す電着塗装ラインで用いられる電気化学セルであって、 電解質溶液を収容可能な内部空間を有しており、収容される前記電解質溶液と接触可能なように参照電極及び対極が装着されるものであり、壁面の少なくとも一部に第１の開口部が形成されているセル本体部と、 第２の開口部が形成されており、前記セル本体部の前記第１の開口部が形成されている前記壁面に対して装着されることで前記セル本体部と一体化するものであり、前記セル本体部への装着時には、前記第１の開口部を閉塞するように配置される前記金属板を挟み込むように、前記セル本体部に対して装着される蓋部と、 前記セル本体部を、前記電着塗装ラインに対して取り付けるための取付部材と、 を備え、 前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板が、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続される、電気化学セル。
  2. 前記取付部材には、導電性の素材が用いられており、 前記取付部材により、前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する、請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する接続部材を更に備え、 前記接続部材により、前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する、請求項１に記載の電気化学セル。
  4. 前記セル本体部の前記第１の開口部が形成されている前記壁面の近傍と、前記蓋部には、それぞれ磁石が設けられており、 前記壁面の近傍に設けられた前記磁石と、前記蓋部に設けられた前記磁石と、の間に作用する引力によって前記金属板を保持する、請求項１に記載の電気化学セル。
  5. 前記セル本体部からの前記蓋部の取り外しは、前記セル本体部に設けられた操作レバーを作動させて、前記セル本体部に設けられた前記磁石の位置を移動させることで行われる、請求項４に記載の電気化学セル。
  6. 一体化された前記セル本体部及び前記蓋部を内部に収容可能な収容ケースを更に備え、 前記収容ケースの側面には、収容された前記蓋部の第２の開口部に対応する位置に、前記第２の開口部と同じ形状を有する第３の開口部が設けられており、 前記取付部材は、前記収容ケースに設けられている、請求項１に記載の電気化学セル。
  7. 前記収容ケースの内壁面の少なくとも一部には、導電性を有する金属部材が配置されており、 前記金属部材を介して、前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する、請求項６に記載の電気化学セル。
  8. 所定の金属板を用いた部材に対して電着塗装を施す電着塗装ラインで用いられる侵入水素量測定センサであって、 電解質溶液を収容可能な内部空間を有しており、収容される前記電解質溶液と接触可能なように参照電極及び対極が装着されるものであり、壁面の少なくとも一部に第１の開口部が形成されているセル本体部と、 第２の開口部が形成されており、前記セル本体部の前記第１の開口部が形成されている前記壁面に対して装着されることで前記セル本体部と一体化するものであり、前記セル本体部への装着時には、前記第１の開口部を閉塞するように配置される前記金属板を挟み込むように、前記セル本体部に対して装着される蓋部と、 前記セル本体部を、前記電着塗装ラインに対して取り付けるための取付部材と、 を有し、 前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板が、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続される、電気化学セルと、 前記電気化学セルに印加される電圧と、前記電気化学セルに設けられた電極間を流れる電流と、をそれぞれ制御する電気化学測定装置と、 前記電気化学測定装置から出力される測定データを保存するデータ保存装置と、 を備え、 前記電着塗装ラインの電着槽に収容されている電着塗料を、侵入水素量を電気化学的に測定するための電解質溶液として利用し、かつ、電着塗装中に前記金属板の表面に発生し前記電着塗料の側から前記金属板内へと侵入する水素量を測定する、侵入水素量測定センサ。
  9. 前記取付部材には、導電性の素材が用いられており、 前記取付部材により、前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する、請求項８に記載の侵入水素量測定センサ。
  10. 前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する接続部材を更に備え、 前記接続部材により、前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する、請求項８に記載の侵入水素量測定センサ。
  11. 前記セル本体部の前記第１の開口部が形成されている前記壁面の近傍と、前記蓋部には、それぞれ磁石が設けられており、 前記壁面の近傍に設けられた前記磁石と、前記蓋部に設けられた前記磁石と、の間に作用する引力によって前記金属板を保持する、請求項８に記載の侵入水素量測定センサ。
  12. 前記セル本体部からの前記蓋部の取り外しは、前記セル本体部に設けられた操作レバーを作動させて、前記セル本体部に設けられた前記磁石の位置を移動させることで行われる、請求項１１に記載の侵入水素量測定センサ。
  13. 一体化された前記セル本体部及び前記蓋部を内部に収容可能な収容ケースを更に備え、 前記収容ケースの側面には、収容された前記蓋部の第２の開口部に対応する位置に、前記第２の開口部と同じ形状を有する第３の開口部が設けられており、 前記取付部材は、前記収容ケースに設けられている、請求項８に記載の侵入水素量測定センサ。
  14. 前記収容ケースの内壁面の少なくとも一部には、導電性を有する金属部材が配置されており、 前記金属部材を介して、前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板を、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続する、請求項１３に記載の侵入水素量測定センサ。
  15. 前記収容ケースは、内部に、前記電気化学測定装置及び前記データ保存装置を更に収容する、請求項１３に記載の侵入水素量測定センサ。
  16. 所定の金属板を用いた部材に対して電着塗装を施す電着塗装ラインにおいて、前記金属板に対して侵入した水素量を測定するための侵入水素量測定方法であって、 第２の開口部が形成されており、前記セル本体部の前記第１の開口部が形成されている前記壁面に対して装着されることで前記セル本体部と一体化するものであり、前記セル本体部への装着時には、前記第１の開口部を閉塞するように配置される前記金属板を挟み込むように、前記セル本体部に対して装着される蓋部と、 前記セル本体部を、前記電着塗装ラインに対して取り付けるための取付部材と、 を有し、 前記セル本体部と前記蓋部との間に配設される前記金属板が、前記電着塗装ラインに対して電気的に接続される、電気化学セルと、 前記電気化学セルに印加される電圧と、前記電気化学セルに設けられた電極間を流れる電流と、をそれぞれ制御する電気化学測定装置と、 前記電気化学測定装置から出力される測定データを保存するデータ保存装置と、 を備え、 前記電着塗装ラインの電着槽に収容されている電着塗料を、侵入水素量を電気化学的に測定するための電解質溶液として利用し、かつ、電着塗装中に前記金属板の表面に発生し前記電着塗料の側から前記金属板内へと侵入する水素量を測定する、侵入水素量測定センサを用い、 前記侵入水素量測定センサを稼働中の前記搬送装置に対して取り付けて、電着塗装中に前記金属板に対して侵入した水素量を、その場（Ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定する、侵入水素量測定方法。

Description

本発明は、電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法に関する。 各種の鋼材をはじめとする金属材は、水素を含むと靭性が失われ、強度が著しく低下する。かかる現象は、水素脆化と呼ばれている。水素脆化の発生には、金属材中に侵入した水素が関与している。そこで、かかる水素の侵入について検証を行うために、電気化学的水素透過試験（以下、「水素透過試験」と略記することがある。）が広く用いられており、本発明者らも、以下の特許文献１に示すように、電気化学的水素透過試験方法を提案している。 ここで、水素脆化の原因となる水素は、金属材の腐食に伴って発生することが知られている。そのため、金属材の腐食に伴って発生した水素が、金属材の内部に侵入する量を特定するための方法が、各種提案されている。例えば、以下の特許文献２では、金属材の一例としての鋼材に着目し、鋼材の腐食に伴って発生して鋼材中に侵入する水素の量を、電気化学的水素透過試験により特定するための方法が開示されている。 特開２０２４－ ６５５３号公報特開２０１１－１７９８９３号公報 本発明の実施形態に係る電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法の概略を説明するための説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る電気化学セルの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る侵入水素量測定センサの概略を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る侵入水素量測定センサの概略を模式的に示した説明図である。本発明の実施例で用いた応力付加装置について説明するための説明図である。 以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 （電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法の概略） 以下では、まず、図１を参照しながら、本実施形態に係る電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法の概略について、簡単に説明する。図１は、本実施形態に係る電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法の概略を説明するための説明図である。 図１は、所定の金属板を素材とする部材に対して電着塗装を施す電着塗装ラインの一般的な構成の概略を模式的に示したものである。 図１に模式的に示したように、一般的な電着塗装ラインでは、そのラインの途中に、電着塗料を収容した電着槽が設けられている。また、電着塗装ラインには、塗装対象物である部材を電着塗装ラインに沿って搬送させるための搬送装置が設けられており、塗装対象物である部材は、かかる搬送装置に取り付けられたうえで、電着塗装ライン中を進んでいく。 ここで、電着塗装ラインにおいては、電着槽に設けられた電極（図示せず。）と、塗装対象物との間に直流電流を印加することで、塗装対象物の表面を塗装することができる。この際に、電着槽側の電極と塗装対象物のどちらを陽極とするのかについては、特に限定されるものではない。例えば図１に示したように、電着槽側の電極を陽極とし、塗装対象物を陰極とする、いわゆるカチオン型電着塗装の状態としてもよい。また、電着槽側の電極を陰極とし、塗装対象物を陽極とする、いわゆるアニオン型電着塗装の状態としてもよい。 先だって言及したように、電着塗装ラインを用いた電着塗装工程では、塗膜の析出の副反応として水素が発生するため、電着塗装の際には金属材に水素が侵入してしまう。ここで、電着塗装ラインを稼働させたまま、その場で侵入水素量を測定することができれば、電着塗装中での金属材への侵入水素量を、より正確に測定することが可能となる。そこで、本発明者らは、図１に模式的に示したような、電着塗装ラインの搬送装置に取り付け可能な構造を有する侵入水素量測定センサ１０と、かかる侵入水素量測定センサ１０に用いられる電気化学セル１００と、を完成させるに至った。 以下で詳述するような、本実施形態に係る電気化学セル１００を有する侵入水素量測定センサ１０は、図１にその概略を模式的に示したように、搬送装置に取り付けられる塗装対象物（金属材を用いた部材）の一つに替えて、搬送装置に取り付けられる。搬送装置が稼働することで、侵入水素量測定センサ１０は自動的に電着槽の中に浸漬され、その後、再び電着槽の中から、自動的に引き上げられるようになる。 本実施形態に係る侵入水素量測定センサ１０を用いた侵入水素量測定方法では、電着塗装ラインの電着槽そのものと、かかる電着槽に設けられた電極（図示せず。）と、電着槽に保持されている電着塗料と、を、電気化学的水素透過試験における一つの電気化学セル（より詳細には、電気化学的水素透過試験におけるカソード槽）として利用する。以下で詳述するように、本実施形態に係る電気化学セル１００においては、塗装対象物に用いられている金属材と同種の金属板が、電着塗料と接触可能なように設置されている。そのため、本実施形態に係る侵入水素量測定センサ１０が電着槽の中に浸漬されることで、電気化学セル１００に装着された金属板を介して、２つの電気化学セル（カソード槽として機能する電着槽そのものと、アノード槽として機能する本実施形態に係る電気化学セル１００）が存在することとなる。これにより、電気化学的水素透過試験と同様に、電着塗装ラインに印加された直流電流により金属板表面に発生し、かつ、電着槽の側から本実施形態に係る電気化学セル１００の側へと侵入した水素量を、測定することができる。その結果、本実施形態に係る侵入水素量測定方法では、電着塗装中に金属板に対して侵入した水素量を、その場（Ｉｎ－ｓｉｔｕ）測定することができ、金属板に対する電着塗装処理時の侵入水素量を、電着塗装処理の操業を行いながら、より正確に測定することが可能となる。 以上、図１を参照しながら、本実施形態に係る電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法の概略について、簡単に説明した。以下では、図２Ａ～図１０を参照しながら、本実施形態に係る電気化学セル、侵入水素量測定センサ及び侵入水素量測定方法の概略について、詳細に説明する。 なお、図１では、本実施形態に係る侵入水素量測定センサ１０が、連続処理が可能な電着塗装ラインに設けられる場合を例に挙げて説明を行ったが、本実施形態に係る侵入水素量測定センサ１０は、バッチ処理が行われる電着塗装設備に対しても用いることが可能である。 （電気化学セル１００について） 次に、本実施形態に係る電気化学セル１００について、詳細に説明する。図２Ａ～図４は、本実施形態に係る電気化学セル１００の概略を模式的に示した説明図である。図２Ａは、電気化学セル１００が有するセル本体部１１０の構成を模式的に示したものであり、図２Ｂは、電気化学セル１００が有する蓋部１３０の構成を模式的に示したものであり、図３及び図４は、セル本体部１１０に蓋部１３０が装着された状態を模式的に示したものである。 本実施形態に係る電気化学セル１００は、図１を参照しながら簡単に説明したように、所定の金属板を素材とする部材に対して電着塗装を施す電着塗装ラインで用いられるものである。かかる電気化学セル１００は、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、セル本体部１１０と、蓋部１３０と、を有している。 ＜セル本体部１１０について＞ 図２Ａの左側の図は、本実施形態に係るセル本体部１１０を正面からみたときの様子を模式的に示したものであり、図２Ａの右側の図は、本実施形態に係るセル本体部１１０をＡ－Ａ切断線で切断したときの断面の様子を模式的に示したものである。 本実施形態に係るセル本体部１１０は、図２Ａに示したように、電解質溶液を収容可能な内部空間を有する箱状の部材であり、セル本体部１１０の壁面の少なくとも一部には、開口面積が既知の第１の開口部１１３が形成されている。また、セル本体部１１０には、上記の内部空間に収容される電解質溶液と接触可能なように、参照電極１４０及び対極１５０が装着される。 ここで、セル本体部１１０を構成する素材については、特に限定されるものではなく、セル本体部１１０の内部空間に収容される電解質溶液を安定して保持可能であり、かつ、電着塗装ラインの電着槽に保持されている電着塗料に影響を受けない素材であれば、公知の各種の素材を用いることが可能である。また、セル本体部１１０の大きさについても、特に限定されるものではなく、着目する金属板の大きさ等に応じて、適宜設定することが可能である。 参照電極１４０は、後述する金属板の電位を正確に制御するために、設けられるものである。かかる参照電極１４０としては、特に限定されるものではなく、公知の各種の標準電極を用いることが可能である。このような標準電極として、例えば、水素電極（Ｐｔ－Ｐｔ｜Ｈ２｜ＨＣｌ、「ＳＨＥ」と略記される。）、飽和カロメル電極（Ｈｇ｜Ｈｇ２Ｃｌ２｜飽和ＫＣｌ、「ＳＣＥ」と略記される。）、銀－塩化銀電極（Ａｇ｜ＡｇＣｌ｜飽和ＫＣｌ、「Ａｇ｜ＡｇＣｌ」と略記される。）、水銀－酸化水銀電極（Ｈｇ｜ＨｇＯ｜１Ｍ ＮａＯＨ）等を挙げることができる。その中でも、参照電極１４０として、アルカリ用参照電極である水銀－酸化水銀電極（Ｈｇ｜ＨｇＯ｜１Ｍ ＮａＯＨ）を用いることが好ましい。 対極１５０は、後述する金属板との間で、所定の電位差を印加するために用いられる電極である。より詳細には、対極１５０と金属板との間には、金属板における、セル本体部１１０の内部空間に面した側の表面へと水素を引き抜くことが可能な電位差が、印加される。これにより、金属板の内部から水素原子が水素イオンとして引き抜かれる結果、金属板と、対極１５０と、セル本体部１１０の内部空間に保持される電解質溶液と、で構成される電気的回路には、引き抜かれた水素イオンの量に応じた電流が流れることとなる。 上記のような対極１５０については、特に限定されるものではなく、意図しない電解反応が生じないものであれば、任意の電極を用いることが可能である。対極１５０として使用可能な電極としては、例えば、Ｐｔ電極等を挙げることができる。 また、対極１５０の電極面積についても、特に規定するものではなく、所望の電流密度が得られるような電極面積とすればよい。対極１５０の電極面積は、セル本体部１１０の内部空間の大きさ等といった試験環境等に応じて、試験環境に許容される範囲内で適宜設定すればよい。 なお、参照電極１４０及び対極１５０には、図２Ａに模式的に示したように各種の導線Ｃが接続されて、後述するような電気化学測定装置に電気的に接続される。この際に、セル本体部１１０の壁面等に未図示の孔部を形成した上で、かかる孔部を経由して、導線Ｃを設置することも考えられる。このような場合には、セル本体部１１０の内部空間に収容される電解質溶液が外部へと漏れ出さないように、また、測定時に電気化学セル１００の外部に存在する電着塗料が、電気化学セル１００の内部へと侵入してこないように、導線Ｃを通した後の孔部に対して、例えば各種の樹脂等を充填しておくことが好ましい。 また、図２Ａに模式的に示したように、セル本体部１１０の第１の開口部が形成されている壁面の近傍には、磁石１１５が設けられていることが好ましい。以下で説明する