特開 2024-14605 水素ヒューズ、及び水素検知装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024014605

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】水素ヒューズ、及び水素検知装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/16 20060101AFI20240125BHJP

   H01H 37/76 20060101ALI20240125BHJP

   G01N 25/22 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

G01N27/16 B

H01H37/76 F

G01N25/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022117565

(22)【出願日】2022-07-22

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】南 辰志

【テーマコード（参考）】

2G040

2G060

5G502

【Ｆターム（参考）】

2G040AB16

2G040AB17

2G040BA04

2G040BA23

2G040CA03

2G040CA17

2G040CA22

2G040DA10

2G040EA01

2G040EA13

2G040GA05

2G040HA03

2G040ZA08

2G060AA02

2G060AB03

2G060AE11

2G060AF07

2G060AG09

2G060BA03

2G060BB15

2G060HC07

2G060HD03

2G060JA01

2G060KA01

5G502AA02

5G502AA20

5G502BA03

5G502BB10

5G502BC02

5G502BD03

5G502BE10

5G502DD10

5G502FF10

(57)【要約】

【課題】電気のような特段のエネルギーを要さずに、雰囲気中の水素ガスの存在を感知し、電気の導通状態を遮断する。
【解決手段】水素ヒューズは、中空とされた絶縁ケースと、絶縁ケースの外側に配置され、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む発熱部と、先端が絶縁ケース内に離隔配置された一対のリード端子と、絶縁ケース内で一対のリード端子の間に架け渡され、一対のリード端子同士を導通させると共に発熱部における発熱で溶解して一対のリード端子同士の導通を遮断する可溶合金体と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中空とされた絶縁ケースと、
前記絶縁ケースの外側に配置され、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む発熱部と、
前記絶縁ケース内に互いに離隔配置された一対のリード端子と、
前記絶縁ケース内で前記一対のリード端子の間に架け渡され、前記一対のリード端子同士を導通させると共に前記発熱部における発熱で溶解して前記一対のリード端子同士の導通を遮断する可溶合金体と、
を備えた、水素ヒューズ。

【請求項2】

前記絶縁ケースの開口を覆い、前記一対のリード端子及び前記可溶合金体を前記絶縁ケース内に封止する封止部を有する、
請求項１に記載の水素ヒューズ。

【請求項3】

前記絶縁ケースは、ファインセラミックスを含んでいる、
請求項１に記載の水素ヒューズ。

【請求項4】

前記発熱部から前記可溶合金体へ熱を伝導させる伝熱促進部を有する、
請求項１に記載の水素ヒューズ。

【請求項5】

請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の水素ヒューズと、
前記水素ヒューズにおいて前記一対のリード端子同士の導通が遮断された場合に、水素ガスの検知を報知する報知部と、
を備えた、水素検知装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、雰囲気中の水素ガスを検知して、電気の導通状態を遮断する水素ヒューズ、及び、当該水素ヒューズを備えた水素検知装置に関する。

【背景技術】

【0002】

カーボンニュートラルの観点から、各種の水素消費機器の開発が行われている。そして、同時に安全の観点から、水素が雰囲気中に漏洩した場合に、検知することも要求される。特許文献１には、水素ガスと触媒との触媒反応による発熱を熱電変換して発生する電圧を検出して水素ガスを検知する水素ガス検知センサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２０１１００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１記載の技術では、触媒を所定の温度に加熱するため、水素ガス以外の可燃性ガスも燃焼させるため、発熱が水素ガスの触媒反応によるかどうかが不明である。さらに、触媒を加熱するために電源が必要となっていた。

【0005】

本開示は、電気のような特段のエネルギーを要さずに、雰囲気中の水素ガスの存在を感知して、電気の導通状態を遮断する水素ヒューズ、及び水素検知装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の態様の水素ヒューズは、中空とされた絶縁ケースと、前記絶縁ケースの外側に配置され、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む発熱部と、前記絶縁ケース内に互いに離隔配置された一対のリード端子と、前記絶縁ケース内で前記一対のリード端子の間に架け渡され、前記一対のリード端子同士を導通させると共に前記発熱部における発熱で溶解して前記一対のリード端子同士の導通を遮断する可溶合金体と、を備える。

【0007】

第１の態様の水素ヒューズでは、雰囲気中に水素ガスが存する場合、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含む発熱部が発熱する。この発熱により、絶縁ケース内で一対のリード端子の間に架け渡された可溶合金体が溶解し、当該一対のリード端子同士の導通が遮断される。これにより、電気のような特段のエネルギーを要さずに、リード端子を介した電気の導通状態を遮断することができる。

【0008】

第２の態様の水素ヒューズは、前記絶縁ケースの開口を覆い、前記一対のリード端子及び前記可溶合金体を前記絶縁ケース内に封止する封止部を有する。

【0009】

第２の態様の水素ヒューズによれば、封止部により一対のリード端子及び可溶合金体を絶縁ケース内に封止することにより、これらを保護することができる。

【0010】

第３の態様の水素ヒューズは、前記絶縁ケースは、窒化アルミニウムを含んで（伝熱性が高い材料）いる。

【0011】

第３の態様の水素ヒューズによれば、伝熱性が高い材料である窒化アルミニウムを含んでいるので、発熱部から絶縁ケース内の可溶合金体へ熱が伝わりやすくなり、可溶合金体の熱応答性を向上させることができる。

【0012】

第４の態様の水素ヒューズは、前記発熱部から前記可溶合金体への熱伝導を促進させる伝熱促進部を有する。

【0013】

第４の態様の水素ヒューズによれば、伝熱促進部により可溶合金体へ熱伝導を促進させるので、可溶合金体の熱応答性を向上させることができる。

【0014】

第５の態様の水素検知装置は、第１の態様１または第２の態様に記載の水素ヒューズと、前記水素ヒューズにおいて前記一対のリード端子同士の導通が遮断された場合に、水素ガスの検知を報知する報知部と、を備えている。

【0015】

第５の態様の水素検知装置は、雰囲気中に水素ガスが存する場合、発熱の発熱により、可溶合金体が溶解し、一対のリード端子同士の導通が遮断される。当該導通の遮断により報知部が水素ガスの検知を報知する。これにより、電気のような特段のエネルギーを要さずに、雰囲気中水素ガスが存在することを知ることができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、電気のような特段のエネルギーを要さずに、雰囲気中の水素ガスの存在を感知して、電気の導通状態を遮断する水素ヒューズ、及び水素検知装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係る水素ヒューズの（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）はＡ－Ａ線断面図である。

【図2】第１実施形態に係る水素ヒューズの導通遮断状態における縦断面図である。

【図3】水素ヒューズが設けられる電気回路を示す模式図である。

【図4】第１実施形態の変形例に係る水素ヒューズの径方向断面図である。

【図5】第２実施形態に係る水素ヒューズの（Ａ）は縦断面図であり、（Ｂ）は一部破断面図である。

【図6】第２実施形態に係る水素ヒューズの導通遮断状態における縦断面図である。

【図7】第２実施形態に係る水素検知装置の概略図であり、（Ａ）はリレースイッチがオフの状態を示し、（Ｂ）はリレースイッチがオンの状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下で言及する各図面における各部位の大きさ及び各部位間の比率は、模式的に表現されており、実際の各部位の大きさ及び各部位間の比率を必ずしも反映していない。なお、各図において共通して付されている符号は、特に説明がない場合でも、同一の対象を指し示すものである。

【0019】

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る水素ヒューズ１０は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示されるように、絶縁ケース１２、一対のリード端子１４Ａ、１４Ｂ、可溶合金体１６、フラックス１８、封止材２０、及び、発熱部２４を備えている。

【0020】

絶縁ケース１２は、円筒状とされ、筒内が中空とされている。絶縁ケース１２は、電気絶縁可能な材料で形成されている。絶縁ケース１２は、伝熱性の高い窒化アルミニウム、炭化ケイ素といったファインセラミックスなどの材料を含むものであることが好ましい。

【0021】

一対のリード端子１４Ａ、１４Ｂは、リード線１４の先端に各々形成され、互いの先端面が向き合い且つ離隔するように絶縁ケース１２内に配置されている。各々のリード端子１４Ａ、１４Ｂから延びるリード線１４は、絶縁ケース１２の筒軸に沿うように配置され、絶縁ケース１２の開口から外側へ延出されている。

【0022】

可溶合金体１６は、一対のリード端子１４Ａ、１４Ｂの間を架け渡すように配置され、一対のリード端子１４Ａ、１４Ｂ同士を導通させている。可溶合金体１６は、温度ヒューズの材料として一般に使用される可溶合金体を用いることができ、所定の温度で溶融するように、適切な組成の材料が選択される。具体的な材料としては、錫、鉛等の金属の合金が挙げられ、これらの組成割合により、溶融温度を制御することができる。

【0023】

フラックス１８は、可溶合金体１６の全周、及び可溶合金体１６とリード端子１４Ａ、１４Ｂとの接合部を覆うように設けられている。フラックス１８は、可溶合金体１６の溶融時に球状化を促進する目的で用いるものであり、一般にロジン系と水溶性系のものが用いられる。

【0024】

封止材２０は、絶縁ケース１２の両端の開口を覆うように設けられ、一対のリード端子１４Ａ、１４Ｂ、可溶合金体１６、及びフラックス１８を絶縁ケース１２内に封止している。封止材２０は、樹脂製とすることができる。

【0025】

発熱部２４は、絶縁ケース１２の外側に、外周面を覆うように設けられており、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含んで形成されている。当該常温触媒は、雰囲気中に水素ガスが存在すると、触媒燃焼により発熱する。

【0026】

このような常温触媒としては、たとえば、白金を０．２質量％以上含有する触媒が挙げられる。また、ここでいう常温とは、特段の加熱又は冷却を行わない温度をいい、具体的には概ね１５～３０℃の範囲の温度をいう。常温での触媒燃焼とは、触媒に測定ガスを接触させる際、燃焼部にヒータ等での加熱が行われないことをいう。

【0027】

常温触媒は、水素を常温（室温）で燃焼させることが可能なものであり、たとえば、アルミナ担持白金触媒（Ｐｔ－Ａｌ_２Ｏ_３）等の金属酸化物担持白金触媒を使用することができる。一例として、０．２質量％の白金をアルミナ担体が担持した触媒（０．２％Ｐｔ－Ａｌ_２Ｏ_３触媒）を用いて、１０００ｐｐｍの水素を燃焼させた場合に、燃焼開始温度が室温となることが知られている（貞森 博己、「特殊燃焼技術特集 触媒燃焼技術の現状 触媒燃焼バーターを中心として」、燃料協会誌、第５８巻第６２６号、１９７９年６月発行、４２２～４２３頁）。

【0028】

発熱部２４は、塗膜で形成することができ、形成方法の一例として、アルミナ担持白金触媒等の水素を常温で燃焼させる粉末状の触媒と蒸留水等とを混合した液状の触媒を絶縁ケース１２の表面に塗布して乾燥させる方法を例示できる。

【0029】

水素ヒューズ１０は、図３に図５に示すような、交流電源５２及び電気機器５４を含む電気回路５０に電気的に組み込んで使用することができる。電気機器５４としては、水素を消費する機器や水素の存在下での使用には危険を伴う装置を想定することができる。水素ヒューズ１０が導通状態のときには、電気回路５０へ電力が供給され、電気機器５４は作動する。一方、水素ヒューズ１０が非導通状態となると、電気回路５０への電力供給が停止する。

【0030】

次に、本実施形態の水素ヒューズ１０の動作について説明する。

【0031】

水素ガスの漏洩等により、水素ヒューズ１０及び電気機器５４が組み込まれた電気回路５０の設置された雰囲気中に、水素ガスが流入すると、水素ヒューズ１０の発熱部２４の常温触媒が水素を燃焼させ、発熱部２４が昇温する。可溶合金体１６の周囲温度が上昇して融点に達すると、可溶合金体１６が溶解し、図２に示されるように、リード端子１４Ａ、１４Ｂの周りに凝縮して分断される。これにより、水素ヒューズ１０が非導通状態となり、電気機器５４への電力供給が停止する。

【0032】

このように、本実施形態の水素ヒューズ１０は、電気のような特段のエネルギーを要さずに、雰囲気中の水素ガスの存在により昇温するため、リード端子１４Ａ、１４Ｂを介した電気の導通状態を遮断することができる。

【0033】

また、本実施形態の水素ヒューズ１０は、封止材２０により、一対のリード端子１４Ａ、１４Ｂ及び可溶合金体１６が絶縁ケース１２内に封止されるので、これらを環境から保護することができる。

【0034】

また、本実施形態では、絶縁ケース１２の構成材料として、伝熱性が高い材料である窒化アルミニウムを含んでいるので、発熱部２４から絶縁ケース１２内の可溶合金体１６へ熱が伝わりやすくなり、可溶合金体１６の熱応答性を向上させることができる。

【0035】

なお、本実施形態では、絶縁ケース１２の外表面を平坦状としたが、図４に示されるように、筒軸方向に沿って延出する凹部２５を周方向の複数箇所に設け（図４では４箇所）、凹部２５内にも発熱部２４Ａを塗膜形成してもよい。このように、凹部２５を設けて発熱部２４を形成することにより、凹部２５を設けない場合と比較して、発熱部２４、２４Ａの面積が大きくなり、また、発熱部２４Ａと可溶合金体１６との距離も近くなる。これにより、凹部２５が、発熱部２４、２４Ａ、から可溶合金体１６への熱伝導を促進させる熱伝導部として機能し、水素ヒューズ１０の熱応答性を向上させることができる。

【0036】

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る水素ヒューズ３０について図面を参照して説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については、その詳細な説明を省略する。

【0037】

図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、本実施形態の水素ヒューズ３０は、絶縁ケース３２、一対のリード端子３４Ａ、３４Ｂ、可溶合金体３６、フラックス３８、封止材４０、及び、発熱部４４を備えている。

【0038】

絶縁ケース３２は、中空の方形状とされ、一方面が開口されている。絶縁ケース３２は、第１実施形態と同様に、電気絶縁可能な材料で形成されている。

【0039】

一対のリード端子３４Ａ、３４Ｂは、リード線３４の先端に各々形成され、絶縁ケース３２の開口から絶縁ケース３２の互いに向かい合う内壁の各々に沿って挿入され、互いに平行に配置されている。リード線３４は、絶縁ケース３２の開口から外側へ延出されている。

【0040】

可溶合金体３６は、一対のリード端子３４Ａ、３４Ｂの間を架け渡すように配置され、一対のリード端子３４Ａ、３４Ｂ同士を導通させている。可溶合金体３６の材料は、第１実施形態と同様の材料を用いることができる。

【0041】

フラックス３８は、可溶合金体３６の全周、及び可溶合金体３６とリード端子３４Ａ、３４Ｂとの接合部を覆うように設けられている。フラックス３８は、第１実施形態と同様のものを用いることができる。

【0042】

封止材４０は、絶縁ケース３２の開口を覆うように設けられ、一対のリード端子３４Ａ、３４Ｂ、可溶合金体３６、及びフラックス３８を絶縁ケース３２内に封止している。封止材４０は、第１実施形態と同様に樹脂性とすることができる。

【0043】

発熱部４４は、絶縁ケース３２の開口と対向する面の外面に形成されている。発熱部４４は、第１実施形態と同様に、水素ガスを常温で触媒燃焼させる常温触媒を含んで形成されている。発熱部４４は、第１実施形態と同様の方法で塗膜により形成することができる。

【0044】

本実施形態の水素ヒューズ３０についても、第１実施形態の水素ヒューズ１０と同様に電気回路内に組み込んで使用することができる。そして、雰囲気中への水素ガスの流入により、発熱部４４の常温触媒が水素を燃焼させ、発熱部４４が昇温し、可溶合金体１６が溶解することにより、図６に示されるように、リード端子３４Ａ、３４Ｂの周りに凝縮して分断される。これにより、水素ヒューズ３０が非導通状態となり、電気機器への電力供給が停止する。

【0045】

このように、本実施形態の水素ヒューズ３０についても、電気のような特段のエネルギーを要さずに、雰囲気中の水素ガスの存在により電気の導通状態を遮断することができる。

【0046】

＜第３実施形態＞
第１、第２実施形態では、水素ヒューズ１０、３０が非導通状態となることにより電気機器５４への電力供給を停止させる例について説明したが、本実施形態では、水素ヒューズ１０、３０を、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示す水素検知装置６０へ組み込んで用いる例について説明する。

【0047】

水素検知装置６０は、水素ヒューズ１０（または水素ヒューズ３０）が組み込まれた電気回路５０と、報知回路６６と、を備えている。報知回路６６は、電池６１と報知部６２を有し、リレースイッチ６４を介して電気回路５０と接続されている。

【0048】

リレースイッチ６４は、可動部６４Ａと電磁石部６４Ｂを有し、可動部６４Ａは報知回路６６と接続されている。電磁石部６４Ｂは電気回路５０に接続されている。リレースイッチ６４は、電気回路５０に電気が流れている状態では、可動部６４Ａが付勢力に抗して電磁石部６４Ｂに引き寄せられることによりオフとなる（図７（Ａ）参照）。また、リレースイッチ６４は、電気回路５０に電気が流れてない状態では、可動部６４Ａが付勢力により報知回路６６を導通させる位置に配置され、オンとなる（図７（Ｂ）参照）。

【0049】

報知部６２は、電池６１からの電力供給により、報知部６２からユーザーへ、水素漏れを報知する。報知方法としては、警告音、音声、警告灯の点灯、不図示の表示部への表示、業者への警告情報の送信、などで行うことができる。ここで、電池６１からの電力供給は、報知するときだけ発生するため、容量は小さくて済み、例えばボタン電池で十分である。

【0050】

本実施形態の水素検知装置６０では、昇温により水素ヒューズ１０導通遮断されると、電磁石部６４Ｂへの電力供給が停止され、可動部６４Ａが付勢力に移動して報知回路６６を導通させる位置に配置され、リレースイッチ６４がオンとなる。これにより、報知部６２からユーザーへ、水素漏れを報知することができる。

【符号の説明】

【0051】

１０、３０ 水素ヒューズ
１２、３２ 絶縁ケース
１４Ａ、１４Ｂ、３４Ａ、３４Ｂ リード端子
１６、３６ 可溶合金体
２０、４０ 封止材
２４、２４Ａ、４４ 発熱部
２５ 凹部（伝熱促進部）
６０ 水素検知装置
６２ 報知部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】