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WO2022091284A1 - 劣化検知装置および方法 - Google Patents

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WO2022091284A1
WO2022091284A1 PCT/JP2020/040585 JP2020040585W WO2022091284A1 WO 2022091284 A1 WO2022091284 A1 WO 2022091284A1 JP 2020040585 W JP2020040585 W JP 2020040585W WO 2022091284 A1 WO2022091284 A1 WO 2022091284A1
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WO
WIPO (PCT)
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battery
metal structure
container
negative electrode
positive electrode
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2020/040585
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English (en)
French (fr)
Inventor
翔太 大木
真悟 峯田
守 水沼
宗一 岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Priority to PCT/JP2020/040585 priority patent/WO2022091284A1/ja
Priority to US18/246,960 priority patent/US20230375634A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a deterioration detection device and a method for detecting deterioration of a metal structure.
  • Equipment buried underground includes water and gas pipelines, power cable pipelines, underground tanks, spent nuclear fuel overpacks, steel pipe columns, branch anchors, and metal materials such as steel. It is used very often. Metallic materials buried in the ground deteriorate due to soil corrosion.
  • Soil corrosion is a phenomenon in which the thickness of the base metal decreases while rusting occurs at the interface where the metal material comes into contact with the soil. If the thickness of the base metal is reduced due to soil corrosion, for example, the stress applied to the equipment cannot be supported because it is lower than the design strength that should be secured by the base metal, and there is a concern that the equipment may collapse. To. In addition, if the thickness of the base metal used for pipelines and overpack materials decreases and some holes are created, internal gas and water, radiation from spent nuclear fuel, etc. will flow out, leading to a serious accident. It could develop. Diagnostic methods using ultrasonic waves are being studied for equipment in invisible areas that cannot be inspected, but it is difficult to apply the above-mentioned diagnostic methods to complex structures such as branch line anchors, for example. be.
  • time-based maintenance that renews from the oldest of the equipment that has passed a certain number of years of construction.
  • the corrosion rate varies greatly depending on the installation environment, even if the same elapsed years are compared, the corrosion has not progressed at all, and there are some objects that can be used for several decades, but the corrosion rate is abnormal.
  • targets that should be renewed as soon as possible as they progress In time-based maintenance, it is difficult to achieve both the economic efficiency of renewal and the safety of equipment.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to detect deterioration of a metal structure that cannot be visually inspected, such as being buried in soil. ..
  • the deterioration detection device covers and accommodates a battery having a positive electrode, a negative electrode, and a separator arranged between the positive electrode and the negative electrode, and is embedded in a metal structure to be detected in a corroded and thinned state.
  • the separator is swelled by containing water to connect the positive electrode and the negative electrode to put the battery into an electromotive state, and the container is composed of a porous body made of an insulating material, and water seeps into the inside. It is possible.
  • a deterioration detection device including a positive electrode, a negative electrode, a battery having a separator arranged between the positive electrode and the negative electrode, and a container for covering and accommodating the battery is in a corroded and thinned state.
  • the first step of embedding in the metal structure to be detected the second step of detecting the current or voltage output from the battery, and when the current or voltage output from the battery is detected, the metal structure is corroded and thinned.
  • the separator is provided with a third step of outputting what has been done, the separator swells by containing water and connects the positive electrode and the negative electrode to put the battery into an electromotive state, and the container is composed of a porous body made of an insulating material. , It is said that water can penetrate inside.
  • a container containing a battery with a positive electrode and a negative electrode arranged across a separator that swells when it contains water is embedded in a metal structure to be detected, and thus is placed in the soil. Deterioration of metal structures that cannot be visually inspected, such as being buried, can be detected.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a deterioration detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a partial configuration of a deterioration detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of another deterioration detection device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a deterioration detection method according to an embodiment of the present invention.
  • This deterioration detection device first has a battery 104 including a positive electrode 101, a negative electrode 102, and a separator 103 arranged between the positive electrode 101 and the negative electrode 102. Further, the container 105 is provided so as to cover and accommodate the battery 104 and to be embedded in the metal structure 121 to be detected in the corroded and thinned state. Further, this deterioration detection device includes a detection unit 106 that detects the current or voltage output from the battery 104 in the electromotive state and outputs that the metal structure 121 has been corroded and thinned.
  • the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are made of a metal capable of forming a battery by a potential difference.
  • the positive electrode 101 can be made of, for example, copper, and the negative electrode 102 can be made of, for example, zinc.
  • the electromotive force of the battery 104 in the electromotive state is 1.1 V, and when the electromotive state described later is reached, a sufficient current for the detection unit 106 to operate can be obtained.
  • the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are not limited as long as they are a combination that can obtain the electromotive force formed by the battery. It is desirable that the electromotive force is about 1 V or more.
  • the separator 103 swells by containing water and connects the positive electrode 101 and the negative electrode 102 to bring the battery 104 into an electromotive state.
  • the separator 103 can be composed of, for example, a powdery polymer, and can be composed of a glued body that swells to form a gel when it contains water.
  • a glued substance is a polymer in which a polymer forms a three-dimensional network structure by a cross-linking agent and swells by subsuming a solution inside the network, and is called a gel or a polymer gel.
  • the glued body exhibits almost the same mechanical properties as a solid, but is almost liquid in composition.
  • Examples of the material of the separator 103 described above include polyacrylic acid and polyhydroxyethyl methacrylate. Gels made of these materials swell up to 103 times in volume as they transition from a dry state to a wet state. In consideration of this swelling rate, the amount of gel used for the separator 103 is designed so that the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are in an electromotive state via the separator 103 even when a small amount of water invades.
  • the positive electrode 101 and the negative electrode 102 are connected via the separator 103 containing water. It is possible to devise to ensure that the electric power is generated. For example, by dispersing a capsule containing an ionic powder such as a salt in a separator 103, the capsule dissolves when the separator 103 contains water, and the separator 103 swells with water in which an electrolyte is dissolved. In this state, electron transfer between the positive electrode 101 and the negative electrode 102, which are in contact with the separator 103, becomes easy, which helps to form a battery.
  • a hard capsule prepared for medical use which is made from gelatin, hydroxypropylmethyl cellulose or the like as a raw material, can be applied.
  • the separator 103 is preferably maintained in a dry state by using a desiccant or the like in order to prevent swelling due to humidity and disintegration of the capsule containing the salt.
  • the salt concentration of the gel when it swells with water is too high, a general gel may not swell sufficiently. If the salt concentration is adjusted to a high state, polyethylene oxide (swelling rate of a solution containing an alkali metal salt (LiCl) and an alkaline earth metal salt (MgCl 2 ), which is equal to or higher than that in pure water, is exhibited. PEO) gel can be used as the material for the separator 103.
  • the container 105 is made of an insulating material. Further, as shown in FIG. 2, the container 105 is composed of a porous body having a plurality of holes 122, and water can penetrate into the inside of the container 105 from the outside of the container 105. The surface tension of water may hinder the infiltration (invasion) of water into the container 105. Therefore, it is not preferable that the diameter of the hole 122 is too small. Further, the surface tension of water also depends on the material used for the container 105, and if a material having a large contact angle with a droplet, that is, a material that repels water is used, the surface tension makes it difficult to pass through the hole. Therefore, it is preferable that the container 105 is made of a material that does not easily repel (do not repel) water.
  • the container 105 can be made of, for example, glass or plastic.
  • the container 105 is made of metal, it is not preferable because contact corrosion with different metals may occur due to contact with the metal structure 121 and deterioration may progress from the inside of the metal structure 121. Further, if the container 105 is made of metal, it comes into contact with the positive electrode 101 or the negative electrode 102, and even if the separator 103 is not swollen, it is in an electromotive state, which is not preferable.
  • the detection unit 106 is provided with, for example, a well-known personal computer and an ammeter, measures the current generated from the battery 104, and when a current exceeding a set threshold value is measured, the metal is operated by the operation of the personal computer. It outputs that the structure 121 is corroded and thinned.
  • a personal computer includes a CPU (Central Processing Unit), a main storage device, an external storage device, a network connection device, and the like, and the CPU operates (executes the program) by a program deployed in the storage device. As a result, each of the above-mentioned functions (methods) is realized.
  • CPU Central Processing Unit
  • the output that the metal structure 121 has been corroded and thinned can be executed, for example, by displaying an alert indicating that the metal structure 121 has reached the end of its life on the display unit provided in the personal computer.
  • This display can be freely customized so that the user can easily see it visually.
  • the state of the metal structure 121 can be set to be monitored at any time by wirelessly notifying the portable terminal device from the personal computer.
  • the metal structure 121 is a metal structure that serves as a metal facility, and is made of any metal material.
  • the container 105, the positive electrode 101, the negative electrode 102, and the separator 103 have dimensions that can be in the above-mentioned state. Further, since the container 105 is built in the metal structure 121, it is preferable to pay sufficient attention to each design so as not to fall below the set yield strength required for the metal structure 121 (metal concept).
  • the metal structure 121a is a pipe (gas pipe, water pipe) or the like and has an annular shape
  • a cylindrical container 105a extending in the circumferential direction of the tube wall is embedded in the tube wall of the annular metal structure 121a, and the annular positive electrode 101a, the negative electrode 102a, and the separator 103a are housed in the container 105a, respectively. can do.
  • a deterioration detection device including a battery 104 including a positive electrode 101, a negative electrode 102, and a separator 103 arranged between the positive electrode 101 and the negative electrode 102, and a container 105 that covers and accommodates the battery 104. Is embedded in the metal structure 121 to be detected in the corroded and thinned state.
  • the detection unit 106 detects the current or voltage output from the battery 104.
  • the detection unit 106 detects, for example, the current output from the battery 104 (yes in the second step S102)
  • the detection unit 106 outputs that the metal structure 121 has been corroded and thinned. ..
  • the container 105 when the corrosive thinning of the metal structure 121 reaches the container 105, water can enter the container 105 from the outside.
  • water seeps into the inside of the container 105 which is a porous body, and when the infiltrated water reaches the separator 103, the separator 103 swells due to containing water and becomes a positive electrode 101.
  • the negative electrode 102 is connected, and the battery 104 is put into an electromotive state.
  • the detection unit 106 detects the current output from the battery 104 in the electromotive state, and outputs that the metal structure 121 has been corroded and thinned.
  • the detection unit 106 outputs that the metal structure 121 has been corroded and thinned.
  • the time interval until the output of the corrosion thinning is the time when the water reaches the separator 103 and the battery 104 is in the electromotive state. Therefore, the time interval described above can be shortened by allowing water to reach the separator 103 more quickly.
  • the porous electrode for example, a general electrode used in a fuel cell or the like can be used.
  • the metal structure 121 deteriorates due to corrosion in a natural environment.
  • the deterioration of the metal structure 121 is based on the redox reaction, and the oxidation reaction in which the metal is ionized (cathode reaction) and the reduction reaction in which dissolved oxygen and the like receive electrons (anode reaction) proceed (References 1 and 2). ).
  • the corrosion reaction is indicated by "Fe ⁇ Fe 2+ + 2e -... (1)" and "O 2 + 2H 2 O + 4e- ⁇ 4OH -... ( 2)". Will be.
  • Deterioration of metal due to corrosion is caused by the decrease in the thickness of the iron substrate due to the ionization of iron represented by the formula (1). Therefore, how much the thickness of the base metal is reduced to reach the end of the life of the equipment depends on the metal structure. For example, in the lower branch line anchor buried to support the utility pole, the proof stress required to secure the linear stress from the utility pole decreases due to the decrease in the thickness of the base metal. For this reason, the yield strength decreases as the thickness of the lower branch line anchor decreases, and the lower branch line anchor reaches the end of its life when the corrosion deterioration progresses to a level below the yield strength required for safe use of the utility pole. In addition, equipment such as water pipes and gas pipes will reach the end of their life when the thickness of the pipe wall decreases due to corrosion and even a part of the equipment has a hole.
  • the idea of life differs depending on the equipment, but in common, it can be seen that it occurs when the thickness of a certain amount (constant depth) of the metal part decreases due to corrosion.
  • the thickness of the metal structure 121 from the surface of the metal structure 121 to the embedded container 105 is reduced, water can enter the container 105 from the outside.
  • the battery 104 is in the electromotive state, and the detection unit 106 outputs a notification that the metal structure 121 has been corroded and thinned.
  • the thickness of the metal structure 121 up to the container 105 indicated by x and y in FIG. 1 and the thickness of the metal structure 121a up to the container 105a indicated by x'and x "in FIG. 3 are reduced by corrosion. By doing so, it is possible to notify the user that the corrosion and wall thickness have been reduced and to inform the user of the life of the equipment.
  • x, y, x', and x' can be arbitrarily set depending on the equipment.
  • the metal structure 121 is a facility buried in the soil, the metal structure 121 The entire surface of the surface is surrounded by soil, and the entire surface is exposed to the same environment.
  • x y can be set.
  • the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the metal structure 121a are exposed to different environments.
  • the outer peripheral surface is exposed to soil or air, and the inner peripheral surface is exposed to the gas to be transported.
  • the outer peripheral surface is exposed to soil or air, and the inner peripheral surface is exposed to the water to be transported. Therefore, x'and x'can be designed to values suitable for each environment.
  • the position where the container 105 is buried in the metal structure 121 can be arbitrarily designed and determined by the user. As described above, when the thickness from the surface of the metal structure 121 to the container 105 decreases, the detection unit 106 sends a notification indicating the life of the equipment.
  • a container containing a battery with a positive electrode and a negative electrode arranged across a separator that swells when it contains water is embedded in a metal structure to be detected, so that it is in the soil. Deterioration of metal structures that cannot be visually inspected, such as those buried in, can be detected.

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Abstract

劣化検知装置は、正極（１０１）、負極（１０２）、および正極（１０１）と負極（１０２）との間に配置されたセパレータ（１０３）を備える電池（１０４）を有する。また、電池（１０４）を覆って収容し、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体（１２１）に埋め込まれる容器（１０５）を備える。また、劣化検知装置は、起電状態の電池（１０４）から出力される電流または電圧を検出して、金属構造体（１２１）が腐食減肉したことを出力する検知部（１０６）を備える。

Description

劣化検知装置および方法
　本発明は、金属構造体の劣化を検知する劣化検知装置および方法に関する。
　我々の生活を支えるインフラ設備は、高度経済成長期以降のおよそ２０年間に大量にかつ急速に整備されてきた。このため、２０３０年には建設後５０年を経過する設備が全体の半数以上を占めることになり、今後見込まれる老朽化設備はますます増加すると懸念されている。また、インフラ設備の維持管理を確実に遂行する上で不可欠な熟練技術者の就労人口が急速に減少しており、メンテナンスの許容量は減少の一途をたどっている。これらのことにより、インフラ設備の持続的維持が困難になることが危惧されている。この状況に対し、設備がある閾値まで劣化した時点で劣化している事実を知ることができれば、対象の設備に対して迅速な処置を施すことができるため、設備の安心・安全を長期的に担保することができる。
　金属製設備の安心・安全を維持するためには、設備の劣化状態を把握し、把握した劣化状態に応じて適切なメンテナンスを施すことが重要である。設備の劣化状態を把握するために、現在、主に目視による点検が実施されている。目視による確認は、実際の状態を正確に知ることができ、信頼に足る知見を入手することができる。ただし、コンクリートなどの構造物は、目に見えるか見えないかの微小なヒビが劣化の進行に寄与しているため、この劣化の兆候を見逃さないよう、目視による確認では、熟練技術者による点検が必須である。
　しかしながら、前述の通り、近年、熟練技術者の就労人口が減少傾向にあるため、大量の劣化設備に対する点検が、今後は困難になると考えられる。たとえ、現在の水準で目視点検が続いたとしても、全国に大量に敷設された設備一つ一つに対して点検を実施すると人件費等のコストがかさみ現実的ではない。
　加えて、目視できない領域に存在する設備については、目視では、点検自体が実施不可能である。目視点検ができない領域の代表例に地中が挙げられる。地中埋設された設備として、水道およびガスのパイプライン、電力用ケーブル管路、地下タンク、使用済核燃料のオーバーパック材、鋼管柱、支線アンカなどが挙げられ、鋼材をはじめとする金属材料が極めて多く使用されている。地中に埋設された金属材料は土壌腐食によって劣化が進行する。
　土壌腐食は、金属材料が土壌と接する界面で錆を生じながら、母材の厚みが減る現象である。土壌腐食により母材の厚みが減少すると、例えば、本来母材によって担保されるべき設計耐力を下回ることで設備に加わる応力などを支えることができず、当該設備が崩壊する事故の発生が懸念される。また、パイプラインやオーバーパック材に使用される母材の厚みが減少し、一部穴あきが生じると、内部のガスや水、使用済み核燃料からの放射線などが流出し、重大な事故へと発展しかねない。点検不可な目視不可領域の設備に対し、超音波などを用いた診断方法の検討も進められているが、例えば、支線アンカなどの複雑な構造体については、上述した診断方法の適用が困難である。
　現在、上述したような設備におけるマネジメントは、一定の建設年数を経過した設備のうちの古い対象から更改するタイムベースメンテナンスを適用している。しかしながら、設置環境によって腐食速度は大幅に異なるため、同じ経過年数を比較したとしても、まったく腐食が進んでおらず、まだ数十年使用することができる対象もあれば、腐食が異常な速度で進行し、可及的速やかに更改すべき対象も存在する。タイムベースメンテナンスにおいては、更改に係る経済性と、設備の安全性の両立を実現することが難しい現状にある。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、土中に埋設されているなどの目視で点検できない金属構造体の劣化が検知できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る劣化検知装置は、正極、負極、および正極と負極との間に配置されたセパレータを備える電池と、電池を覆って収容し、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体に埋め込まれる容器とを備え、セパレータは、水分を含むことで膨潤して正極と負極とを接続して電池を起電状態とし、容器は、絶縁材料からなる多孔体から構成され、内部に水が滲入可能とされている。
　本発明に係る劣化検知方法は、正極、負極、および正極と負極との間に配置されたセパレータを備える電池と、電池を覆って収容する容器とを備える劣化検知装置を、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体に埋め込む第１ステップと、電池から出力される電流または電圧を検出する第２ステップと、電池から出力される電流または電圧が検出されると、金属構造体が腐食減肉したことを出力する第３ステップとを備え、セパレータは、水分を含むことで膨潤して正極と負極とを接続して電池を起電状態とし、容器は、絶縁材料からなる多孔体から構成され、内部に水が滲入可能とされている。
　以上説明したように、本発明によれば、水分を含むことで膨潤するセパレータを挟んで配置された正極および負極による電池を収容した容器を、検知対象の金属構造体に埋め込むので、土中に埋設されているなどの目視で点検できない金属構造体の劣化が検知できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る劣化検知装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る劣化検知装置の一部構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る他の劣化検知装置の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る劣化検知方法を説明するフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態に係る劣化検知装置について図１を参照して説明する。なお、図１では、装置の一部は断面で示している。この劣化検知装置は、まず、正極１０１、負極１０２、および正極１０１と負極１０２との間に配置されたセパレータ１０３を備える電池１０４を有する。また、電池１０４を覆って収容し、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体１２１に埋め込まれる容器１０５を備える。また、この劣化検知装置は、起電状態の電池１０４から出力される電流または電圧を検出して、金属構造体１２１が腐食減肉したことを出力する検知部１０６を備える。
　正極１０１および負極１０２は、電位差によって電池を形成することが可能な金属から構成する。正極１０１は、例えば銅から構成し、負極１０２は、例えば亜鉛から構成することができる。この場合、電池１０４の起電状態の起電力は１．１Ｖとなり、後述する起電状態となれば、検知部１０６が動作するための十分な電流が得られる。正極１０１および負極１０２は、電池形成される起電力が得られる組み合わせであれば限定されない。起電力は１Ｖ程度かそれ以上であることが望ましい。
　また、セパレータ１０３は、水分を含むことで膨潤して正極１０１と負極１０２とを接続して電池１０４を起電状態とする。セパレータ１０３は、例えば、粉末状の高分子から構成され、水分を含むことによって膨潤してゲルとなる膠化体から構成することができる。膠化体は、高分子が架橋剤によって三次元網目構造を形成し、網目内部に溶液を包摂して膨潤したものであり、ゲルもしくは高分子ゲルと呼ばれる。膠化体は固体とほぼ同じ力学的性質を示しつつ、組成はほぼ液体である。
　上述したセパレータ１０３の材料としては、例えば、ポリアクリル酸やポリヒドロキシエチルメタクリレートが挙げられる。これら材料によるゲルは、乾燥状態から湿潤状態に移行するにあたり、体積が１０３倍まで膨らむ。この膨潤率を考慮し、少量の水の侵入においても正極１０１と負極１０２がセパレータ１０３を介して起電状態となるように、セパレータ１０３に用いるゲルの量を設計する。
　また、水分を含んだセパレータ１０３を介して正極１０１と負極１０２とが。確実に起電状態となるように工夫をすることができる。例えば、塩などのイオン性粉末を収容したカプセルを、セパレータ１０３に分散させることで、セパレータ１０３が水を含むことによりカプセルが溶けることで、電解質が溶解した水でセパレータ１０３が膨潤する。この状態であれば、各々セパレータ１０３に接触する正極１０１と負極１０２との電子授受が容易になり、電池形成の助けとなる。カプセルは、ゼラチンやヒドロキシプロピルメチルセルロースなどを原料として作製された、医療用に用いられる硬カプセル剤を適用することができる。セパレータ１０３は、湿度による膨潤や、塩を収容するカプセルの崩壊を防ぐため、乾燥材などを用いて乾燥状態を維持することが好ましい。
　また、水分を含んで膨潤した際のゲルの塩濃度が高すぎる場合、一般的なゲルでは十分に膨潤しない場合がある。塩濃度を高い状態に調整するのであれば、アルカリ金属塩（ＬｉＣｌ）およびアルカリ土類金属塩（ＭｇＣｌ2）を含む溶液で純水中と同程度あるいはそれ以上の膨潤率を示す、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）ゲルを、セパレータ１０３の材料として使用することができる。
　容器１０５は、絶縁材料から構成されている。また、容器１０５は、図２に示すように複数の孔１２２を備える多孔体から構成され、容器１０５の外部から容器１０５の内部に水が滲入可能とされている。水の表面張力によって容器１０５の内部への水の滲入（侵入）が妨げられる恐れがある。このため、孔１２２の径は小さ過ぎると好ましくない。また、水の表面張力は、容器１０５に用いる材料にも依存しており、液滴との接触角が大きい、すなわち水を弾く材料を用いると表面張力で孔を通り抜けにくくなる。このため、容器１０５は、水を弾きにくい（弾かない）材料から構成することが好ましい。容器１０５は、例えば、ガラスや、プラスチックから構成することができる。
　なお、容器１０５を金属から構成すると、金属構造体１２１と接触することで異種金属接触腐食が発生し金属構造体１２１内部から劣化が進行する恐れがあるので好ましくない。また、容器１０５を金属から構成すると、正極１０１または負極１０２と接触し、セパレータ１０３が膨潤していなくても、起電状態となるので、好ましくない。
　検知部１０６は、例えば、よく知られたパーソナルコンピュータおよび電流計を備え、電池１０４から発生する電流を測定し、設定している閾値以上の電流が測定されると、パーソナルコンピュータの動作により、金属構造体１２１が腐食減肉したことを出力する。パーソナルコンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）と主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備え、記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した各機能（方法）が実現される。
　金属構造体１２１が腐食減肉したことの出力は、例えば、パーソナルコンピュータが備える表示部に、金属構造体１２１が寿命を迎えたことを示すアラート表示をすることで実施できる。この表示は、使用者が目視で視認しやすいように、自由にカスタマイズできる。また、パーソナルコンピュータから、携帯型の端末装置へ無線で通知することで、いつでも金属構造体１２１の状態をモニタリングできるように設定することができる。
　なお、金属構造体１２１は、金属製設備となる金属製構造物であり、任意の金属材料から構成されている。金属構造体１２１に、容器１０５を内蔵させる（埋め込む）ため、容器１０５、正極１０１、負極１０２、セパレータ１０３は、上述した状態とすることが可能な寸法とする。また、金属構造体１２１に、容器１０５を内蔵させるので、金属構造体１２１（金属製構想物）に要求される設定耐力を下回らないよう、各々の設計には十分注意することが好ましい。
　ここで、図３に示すように、金属構造体１２１ａが、配管（ガス管、水道管）などであり環状とされている場合、正極１０１ａ、負極１０２ａ、およびセパレータ１０３ａの各々を環状とした電池１０４ａとすることができる。環状の金属構造体１２１ａの、管壁内に、管壁の周方向に延在する円筒状の容器１０５ａを埋め込み、容器１０５ａに、各々環状とされた正極１０１ａ、負極１０２ａ、およびセパレータ１０３ａを収容することができる。
　次に、上述した実施の形態に係る劣化検知装置を用いた劣化検知方法について、図４を参照して説明する。
　まず、第１ステップＳ１０１で、正極１０１、負極１０２、および正極１０１と負極１０２との間に配置されたセパレータ１０３を備える電池１０４と、電池１０４を覆って収容する容器１０５とを備える劣化検知装置を、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体１２１に埋め込む。
　次に、第２ステップＳ１０２で、検知部１０６により、電池１０４から出力される電流または電圧を検出する。検知部１０６が、例えば、電池１０４から出力される電流を検出すると（第２ステップＳ１０２のｙｅｓ）、第３ステップＳ１０３で、検知部１０６が、金属構造体１２１が腐食減肉したことを出力する。
　例えば、金属構造体１２１の腐食減肉が容器１０５まで到達すると、外部から容器１０５にまで水が侵入可能となる。ここで、容器１０５に水が到達すると、多孔体である容器１０５の内部に水が滲入し、滲入した水がセパレータ１０３に到達すると、セパレータ１０３は、水分を含むことで膨潤して正極１０１と負極１０２とを接続し、電池１０４を起電状態とする。この結果、検知部１０６が、起電状態の電池１０４から出力される電流を検出して、金属構造体１２１が腐食減肉したことを出力する。
　ここで、金属構造体１２１の腐食減肉が容器１０５まで到達することで、検知部１０６から金属構造体１２１が腐食減肉したことが出力されるが、腐食減肉の容器１０５まで到達から、腐食減肉したことの出力までの時間間隔は、水がセパレータ１０３に到達して電池１０４が起電状態となる時間となる。このため、上述した時間間隔は、水が、より迅速にセパレータ１０３に到達することで、短縮することができる。例えば、正極１０１、負極１０２を、多孔体とすることで、容器１０５の内部に侵入した水は、正極１０１もしくは負極１０２の多孔質中を通り抜け、より迅速にセパレータ１０３へと到達することができる。多孔質電極は、例えば、燃料電池などに用いられている一般的な電極を用いることができる。
　以下、金属構造体１２１の劣化について説明する。金属構造体１２１は、自然環境下で腐食により劣化が進行する。金属構造体１２１の劣化は、酸化還元反応に基づいており、金属がイオン化する酸化反応（カソード反応）、および溶存酸素等が電子を受け取る還元反応（アノード反応）が進行する（文献１、文献２）。金属構造体１２１が一般的な鉄の場合、腐食反応は「Ｆｅ→Ｆｅ2+＋２ｅ-・・・（１）」および「Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-・・・（２）」で示されるものとなる。
　腐食による金属の劣化とは、式（１）に示す鉄のイオン化により鉄素地の厚みが減少することに起因する。従って、どの程度母材の厚みが減少すると設備の寿命を迎えるかは、金属構造物に依存する。例えば、電柱を支えるために埋設されている下部支線アンカは、母材の厚さが減少することで電柱からの線条応力を担保するために必要な耐力が低下する。このため、下部支線アンカの厚さの減少に伴い耐力が低下し、電柱を安全に使用するために必要な耐力を下回るまで腐食劣化が進行した時点で、下部支線アンカは寿命を迎える。また、水道管、ガス管などの設備は、管壁の厚さが腐食により減少し、ある一部分でも穴あきが生じた時点で寿命を迎える。
　これらのように、設備によって寿命の考えが異なるが、共通して、腐食により一定量（一定深さ）の金属部分の厚さが減ることで生じることが分かる。前述したように、金属構造体１２１の表面から、埋め込まれている容器１０５までの金属構造体１２１の厚さが減少すると、外部から容器１０５にまで水が侵入可能となる。この結果、電池１０４が起電状態となり、検知部１０６から、金属構造体１２１が腐食減肉したことの通知が出力される。図１中のｘ、ｙで示される容器１０５までの金属構造体１２１の厚さ、図３中のｘ’、ｘ”で示される容器１０５ａまでの金属構造体１２１ａの厚さが、腐食により減少することで、腐食減肉したことの通知がなされ、設備の寿命を使用者に知らせることができる。
　上述したｘ、ｙ、ｘ’、およびｘ”の値は、設備に応じて任意に設定することができる。例えば、金属構造体１２１が、土中に埋設される設備の場合、金属構造体１２１の表面の全域が土に囲まれ、全面が同じ環境に曝されることとなる。このような場合、ｘ＝ｙとすることができる。
　また、図３を用いて説明した金属構造体１２１ａの場合、金属構造体１２１ａの外周面と内周面とは、各々違う環境に曝されている状況が多い。例えば、ガス管の場合、外周面は土または空気に曝され、内周面は輸送するガスに曝される。また、水道管の場合、外周面は土または空気に曝され、内周面は輸送する水に曝される。このため、ｘ’およびｘ”を、各々の環境に適した値に設計することができる。
　容器１０５を金属構造体１２１内に埋める位置は、使用者が任意に設計して決めることができる。前述の通り、金属構造体１２１の表面から容器１０５までの厚さが減少すると、検知部１０６から設備の寿命を示す通知が発信される。
　以上に説明したように、本発明によれば、水分を含むことで膨潤するセパレータを挟んで配置された正極および負極による電池を収容した容器を、検知対象の金属構造体に埋め込むので、土中に埋設されているなどの目視で点検できない金属構造体の劣化が検知できるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
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　１０１…正極、１０２…負極、１０３…セパレータ、１０４…電池、１０５…容器、１０６…検知部、１２１…金属構造体。

Claims (4)

  1. 　正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータを備える電池と、
    　前記電池を覆って収容し、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体に埋め込まれる容器と
    　を備え、
    　前記セパレータは、水分を含むことで膨潤して前記正極と前記負極とを接続して前記電池を起電状態とし、
    　前記容器は、絶縁材料からなる多孔体から構成され、内部に水が滲入可能とされている
    　ことを特徴とする劣化検知装置。
  2. 　請求項１記載の劣化検知装置において、
    　前記金属構造体は、環状とされ、
    　前記正極、前記負極、および前記セパレータの各々は、環状とされている
    　ことを特徴とする劣化検知装置。
  3. 　請求項１または２記載の劣化検知装置において、
    　起電状態の前記電池から出力される電流または電圧を検出して、前記金属構造体が腐食減肉したことを出力する検知部を備えることを特徴とする劣化検知装置。
  4. 　正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータを備える電池と、前記電池を覆って収容する容器とを備える劣化検知装置を、腐食減肉状態の検知対象の金属構造体に埋め込む第１ステップと、
    　前記電池から出力される電流または電圧を検出する第２ステップと、
    　前記電池から出力される電流または電圧が検出されると、前記金属構造体が腐食減肉したことを出力する第３ステップと
    　を備え、
    　前記セパレータは、水分を含むことで膨潤して前記正極と前記負極とを接続して前記電池を起電状態とし、
    　前記容器は、絶縁材料からなる多孔体から構成され、内部に水が滲入可能とされている
    　ことを特徴とする劣化検知方法。
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