In this study, we developed a three-channel system for the simultaneous measurement of hydrogen gas volume, based on a coaxial capacitor electrode and volumetric analysis. The system employs a coaxial capacitor composed of a copper rod placed at the center of a graduated cylinder and a conductive film attached to its outer surface. Hydrogen gas released from a polymer sample displaces the water inside the sealed cylinder, causing a change in water level, which is translated into a change in electrical capacitance. By establishing a calibration curve correlating capacitance and gas volume, real-time quantification of hydrogen was achieved. The ideal gas law was then applied to calculate the number of moles and mass fraction of hydrogen. Furthermore, by analyzing time-dependent volume changes with a custom-developed diffusion analysis program, the solubility and diffusion coefficient of hydrogen in the polymer sample were accurately determined. The system demonstrated high precision (within 0.2%), a wide measurement range (0.15-1500 wt·ppm), and rapid response time (less than 1 second), with strong agreement was observed when compared to webcam-based and differential pressure methods. Additionally, the proposed principle is expected to be applicable to the real-time measurement of other pure gases, such as He, N₂, O₂, and Ar.

본 연구에서는 동축형 커패시턴스 전극과 부피 분석법을 기반으로 한 세 채널 동시 수소 가스 부피 측정 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 눈금 실린더 중앙의 구리 막대와 외부 표면에 부착된 전도성 필름으로 구성된 동축형 커패시턴스 전극을 활용한다. 고분자 시료에서 방출된 수소 가스는 폐쇄된 실린더 내 물을 밀어내어 수위를 변화시키고, 이 수위 변화는 전기용량의 변화로 환산된다. 수소 부피 변화에 따른 전기용량의 상관관계를 검량선으로 구성함으로써, 수소 가스를 실시간으로 정량할 수 있으며, 이상기체 상태방정식을 통해 몰수 및 질량비도 계산 가능하다. 또한 시간에 따른 부피 변화 데이터를 자체 개발한 확산 분석 프로그램에 적용하여, 고분자 시료 내 수소의 용해도와 확산 계수를 정밀하게 산출할 수 있었다. 본 시스템은 0.2% 이내의 정밀도, 0.15-1500 wt·ppm의 넓은 측정 범위, 1초 이하의 응답 속도를 달성하였으며, 기존의 웹캠 기반 부피 측정법 및 차압법과도 높은 상관성을 보였다. 아울러, 제안된 원리는 He, N₂, O₂, Ar 등 다른 순수 기체의 실시간 측정에도 확장 적용이 가능함을 시사한다.

Keywords: hydrogen gas measurement system, volumetric analysis, coaxial capacitive electrodes, gas uptake, diffusion.