JP2005243470A - ガス器具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本実施例のストーブ1によれば、バーナ3の燃焼熱により燃料−空気混合ガスが予熱され、単室型燃料電池8が電池作動温度(例えば、450℃)まで昇温されて発電を開始する。単室型燃料電池8により得られた電力によって送風ファン12が駆動し、バーナ3の燃焼ガスを吸い込んで温風吹出口11から噴出送出する。
そして、燃料電池として単室型燃料電池8を用いているため、燃料ガスと空気との確実な分離が必要なく簡単なシール構造ですみ、低コストで実用可能な発電を行うことができる。
【選択図】図1
Description
このようなガス器具では、バーナの燃焼熱により高温型燃料電池をその作動温度まで昇温し、バーナへの燃料ガスの一部を用いて燃焼と同時に発電を行う。そして、発電電力を器具の駆動用電力として用いるのである。このため、外部から電力を供給するための電源コードが不要となり、どこでも使えるようになって使い勝手が良くなる。
高温型燃料電池とは、図4に示すように、高温になると酸化物イオンが動く固体電解質の両側に燃料極と空気極とを取り付け、燃料極室側に水素やメタン等の燃料ガスを、空気極側に空気や酸素等を別々に供給して燃料ガスと酸素とが反応した際の化学エネルギーを電力として取り出すものである。
特に、燃料電池をガス器具に配置できるようにコンパクト化しようとすると、電解質を何層にも積層して直列に接続しなければならず、ますますシール技術が難しくなり構造が複雑になってしまう。
また、電解質を円筒状に形成して、円筒の内と外とを燃料極室と空気極室として用いようとする燃料電池も知られているが、電解質を円筒状に形成する技術が難しくまだまだ実用的でない。
そこで、本発明のガス器具は上記課題を解決し、器具駆動用の燃料電池として単室型高温燃料電池を用いることにより、簡単な構造で実用可能な発電を行うとともに、低コストでのより一層の発電効率の向上を目的とする。
燃料ガスを燃焼するバーナと、
ファンや電磁弁等の電力を必要とする電気部品と、
所定の高温状態に達すると発電する燃料電池と
を備え、
上記バーナの燃焼熱で上記燃料電池を直接加熱または上記燃料電池に供給される燃料ガスと空気とを予熱するとともに、
上記バーナへ供給する燃料ガスの一部を上記燃料電池に供給し、上記燃料電池により発電された電力を上記電気部品の駆動用電力として用いるガス器具において、
上記燃料電池として、燃料極室と空気極室とを分割する必要がなく、燃料ガスと空気との混合ガスでの発電が可能な単室型燃料電池を用いることを要旨とする。
上記単室型燃料電池の燃料極近傍にはガスリッチの混合ガスを、空気極近傍にはエアーリッチの混合ガスを供給することを要旨とする。
上記単室型燃料電池へは、発電反応に最適な混合比で上記混合ガスを供給し、発電反応後の混合ガスに空気を添加して上記バーナでの燃焼に最適な混合比にした後に上記バーナへ供給することを要旨とする。
上記単室型燃料電池へ供給される燃料ガスと空気とを予熱する部位では気体の流速を遅くし、燃料電池での燃料ガスと空気とが発電反応を行う部位では気体の流速を速くすることを要旨とする。
上記単室型燃料電池の出口ガスの一部を該単室型燃料電池の入口に再循環させることを要旨とする。
上記単室型燃料電池での発電反応終了後の混合ガスをファンを用いて冷却することを要旨とする。
温風送風用の送風ファンを備えた暖房器に適用し、該送風ファンを上記冷却用のファンと兼用したことを要旨とする。
ファン付赤外線ストーブ1(以下、単にストーブ1と略称する)は、前面に輻射開口(図示せず)が設けられた本体ケース2内に、この輻射開口に対向させて赤熱プレート式のバーナ3を備える。
バーナ3は、燃料ガス(例えば、メタンやプロパン)と一次空気との混合室を形成するバーナ本体4と、バーナ本体4に装着される多数の炎口が設けられたセラミックス製の燃焼プレート5とを備えた全一次空気式バーナである。バーナ本体4の基端には、燃料ガスと一次空気とが吸入される吸入口6が開口し、吸入口6に臨んでノズル7が設けられる。また、バーナ本体4には、後述する単室型燃料電池8からの排出ガスを吸入する副吸入口9が設けられ、副吸入口9に臨んで副ノズル10が設けられる。
本体ケース2内の底部には、バーナ3の燃焼ガスを本体ケース2前面下部に設けられた温風吹出口11から送出する送風ファン12が設けられる。
単室型燃料電池8は、電極室13内にプレート状の電解質14が設けられ、その上面に燃料極15が、その下面に空気極16が形成される。電極室13には、燃料ガスと空気との混合室を形成する混合管17が接続される。この混合管17は、燃焼プレート5に対向する位置に設けられ、燃料−空気混合ガスはバーナ3の燃焼熱により約450℃に予熱される。
混合管17の基端には、燃料ガスと空気とが吸入される電池用吸入口18が開口し、電池用吸入口18に臨んで電池用ノズル19が設けられる。また、混合管17への、すなわち単室型燃料電池8へのガス通路には、ガス通路面積を狭める絞り板20が設けられる。これらによって、単室型燃料電池8へは、発電反応に最適な混合比(例えば、一次空気比λ=0.3:λとは、燃焼の際の理論空気量に対する実際に供給される一次空気の量の比)で燃料−空気混合ガスが供給される。尚、絞り板20は手動で動かすことができ、使用するガス種に応じて単室型燃料電池8へのガス流量を調節することが可能である。また、ガス流量を調節することにより発電量を調節することも可能となる。
また、電極室13の出口側のガス通路は副ノズル10に接続される。そして、副ノズル10から発電反応終了後の混合ガスが噴出することによって、副ノズル10の周囲が負圧となって副吸入口9から空気が吸引されることにより、バーナ本体4、すなわちバーナ3へは、バーナ3での燃焼に最適な混合比(λ=1.0〜1.2)となるように発電反応終了後の混合ガスに空気が追加されるのである。
また、混合管17の断面積は、電極室13の断面積よりも大きく形成される。このため、燃料ガスと空気とを予熱する混合管17では混合ガスの流速は遅くなり、燃料ガスと空気とが発電反応を行う電極室13では混合ガスの流速は速くなる。
また、バーナ3には、室内の酸欠を検知するためにセンシングバーナ26が併設され、センシングバーナ26の近傍には、マグネット電磁弁24のコイルと直列に接続された熱電対23が設けられる。熱電対23は、主にセンシングバーナ26の炎により直接加熱され、この際発生する起電力によってマグネット電磁弁24を開弁保持する。
バーナ3の近傍には、バーナ3へ点火するための点火用バーナ27が設けられ、点火用バーナ27の近傍には、点火用バーナ27へ点火するための点火電極28が設けられる。点火電極28は、イグナイタ29と接続される。
本体ケース2内には、上述したセンサ類からの信号を入力して各種のアクチュエータ類を駆動制御してバーナ3の燃焼を制御するコントローラ30が設けられる。
バーナ3が燃焼するとその燃焼熱により燃料−空気混合ガスが予熱され、単室型燃料電池8が電池作動温度(例えば、450℃)まで昇温されて発電を開始する。単室型燃料電池8により得られた電力によって送風ファン12が駆動し、バーナ3で発生した高温の燃焼ガスと外部空気とを吸い込んで、それらの混合気を温風吹出口11から噴出送出することにより、温風で室内全体を均一に加熱する。
そして、燃料電池として単室型燃料電池8を用いているため、燃料ガスと空気との確実な分離が必要なく簡単なシール構造ですみ、低コストで実用可能な発電を行うことができる。
また、単室型燃料電池8での発電反応後の燃料−空気混合ガスを副ノズル10から副吸入口9に導入する際に空気を添加して燃焼に最適な混合比(λ=1.0〜1.2)とした後に、バーナ3へ供給して燃焼させる。すなわち、単室型燃料電池8で使い切れなかった燃料ガスをバーナ3に供給することによって、燃料ガスを無駄無く使うことができ器具全体としての効率が向上する。
また、再循環路21によって単室型燃料電池8の出口ガスの一部を単室型燃料電池8の入口側に再循環させて一度では使い切れなかった燃料ガスを再利用する。このため、予熱部位をコンパクト化することが可能となる。つまり、新しい燃料ガスを次々供給するとその都度予熱をしなければならず大きな予熱部位が必要となるが、一旦予熱した後の混合ガスを再び利用するので予熱の必要がなくなるためである。
実施例2のストーブ201では、電極室13へは、二つの混合管(燃料極側混合管217xと空気極側混合管217y)が接続される。燃料極側混合管217xは、燃料極15側へすなわち電極室13の上方側へ、空気極側混合管217yは、空気極16側へすなわち電極室13の下方側へ接続される。そして、それぞれの電池用吸入口218x、218yと電池用ノズル219x、219yを調整することにより、例えば、電池用吸入口218xを小さくし電池用吸入口218yを大きくしたり、電池用ノズル219xのノズル径を大きくし電池用ノズル219yのノズル径を小さくすることにより、燃料極側混合管217xへは空気量の少ない混合比(例えば、λ=0.2)で燃料−空気混合ガスが供給され、空気極側混合管217yへは空気量の多い混合比(例えば、λ=0.4)で燃料−空気混合ガスが供給される。
この結果、燃料極15近傍にガスリッチの混合ガスが供給され、空気極16近傍にエアーリッチの混合ガスが供給されて発電効率が向上する。
実施例3のストーブ301では、電極室13の出口側のガス通路331に冷却フィン332を取り付けるとともに、ガス通路331の周りに器体外部と連通し、送風ファン12の上流側の排気通路と連通した冷却通路333を形成する。従って、送風ファン12が駆動すると冷却通路333を通って外部空気が吸い込まれて発電反応終了後の混合ガスが冷却される。このため、燃焼に適した混合比にした後の燃料−空気混合ガスが高温になりすぎて自然発火することを防止できる。
しかも、従来から備えていた温風送風用の送風ファン12で発電反応終了後の混合ガスの冷却用のファンを兼用しているため、わざわざ別個に冷却用のファンを設ける必要がなく製造コストを抑制できる。さらに、混合ガスから奪った熱を暖房用の熱として利用できるため、より一層経済的である。
例えば、本実施例では、燃料−空気混合ガスを予熱するようにしているが、単室型燃料電池8をバーナ3で直接加熱するように構成してもよい。
また、本実施例では、ガス器具としてファン付赤外線ストーブの例を示したが、これに限ったものではなく、給湯器やガスオーブン、炊飯器、コンロ、グリル、小型湯沸器等の電力を利用するあらゆるガス器具に適用可能である。例えば、家庭用のコンセントからAC100Vの電力を供給されている給湯器やガスオーブンや炊飯器に適用すると、器具から電源コードが不要となりどこでも使えるようになって使い勝手が良くなる。また、コンロやグリルや小型湯沸器のように乾電池を使用しているガス器具では、従来では電力が弱すぎてファンが利用できなかったが、こうした単室型燃料電池を備えることによりファンが利用できるようになる。そして、ファンが利用できると、コンロではトッププレートの温度を下げることが可能となり、グリルではグリル庫内の温度を均一化することが可能となる。
3 バーナ
8 単室型燃料電池
9 副吸入口
10 副ノズル
12 送風ファン
13 電極室
17 混合管
18 電池用吸入口
19 電池用ノズル
21 再循環路
217x 燃料極側混合管
217y 空気極側混合管
Claims (7)
- 燃料ガスを燃焼するバーナと、
ファンや電磁弁等の電力を必要とする電気部品と、
所定の高温状態に達すると発電する燃料電池と
を備え、
上記バーナの燃焼熱で上記燃料電池を直接加熱または上記燃料電池に供給される燃料ガスと空気とを予熱するとともに、
上記バーナへ供給する燃料ガスの一部を上記燃料電池に供給し、上記燃料電池により発電された電力を上記電気部品の駆動用電力として用いるガス器具において、
上記燃料電池として、燃料極室と空気極室とを分割する必要がなく、燃料ガスと空気との混合ガスでの発電が可能な単室型燃料電池を用いることを特徴とするガス器具。 - 上記単室型燃料電池の燃料極近傍にはガスリッチの混合ガスを、空気極近傍にはエアーリッチの混合ガスを供給することを特徴とする請求項1記載のガス器具。
- 上記単室型燃料電池へは、発電反応に最適な混合比で上記混合ガスを供給し、発電反応後の混合ガスに空気を添加して上記バーナでの燃焼に最適な混合比にした後に上記バーナへ供給することを特徴とする請求項1又は請求項2記載のガス器具。
- 上記単室型燃料電池へ供給される燃料ガスと空気とを予熱する部位では気体の流速を遅くし、燃料電池での燃料ガスと空気とが発電反応を行う部位では気体の流速を速くすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス器具。
- 上記単室型燃料電池の出口ガスの一部を該単室型燃料電池の入口に再循環させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス器具。
- 上記単室型燃料電池での発電反応終了後の混合ガスをファンを用いて冷却することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のガス器具。
- 温風送風用の送風ファンを備えた暖房器に適用し、該送風ファンを上記冷却用のファンと兼用したことを特徴とする請求項6記載のガス器具。
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