JP3906024B2 - 燃焼機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と酸化剤を混合して燃焼させる燃焼機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ストーブやファンヒータといった家庭用の暖房器具や給湯器などが広く利用されている。
これらはいずれも、燃料と酸化剤を混合して燃焼させる燃焼機器であって、都市ガスやプロパンガスをはじめとする燃料供給源から配管を通して送り込まれる燃料を空気と混合する混合部と、生成した混合ガスをバーナで燃焼させて熱を発生するバーナ部とを備え、発生した熱を温風や温水として外部に供給するようになっている。
【０００３】
このような燃焼機器においては、燃焼部に送風するファン、或は混合部において取り込む燃料や空気の量を調整するためのバルブやポンプなどを備え、商用電源のコンセントからＡＣコードを介して取り込む電力、或はバッテリからの電力でこれらを駆動させるようにしているものが多い。
また、混合部における混合比を、バーナ部における燃焼出力に適した比率に自動調整する制御機構を備えたり、タイマーや安全装置などを備えるものも多く、これらの機構を駆動するのにも、商用電源やバッテリから供給される電力が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような燃焼機器において、商用電源の電力を用いる場合、その設置場所は、燃料供給源の配管から近く、且つコンセントから近いところに限定されてしまう。
一方、バッテリからの電力を用いる場合は、必ずしもコンセントから電力を取り込む必要はないが、バッテリには蓄えられる電力量には限りがあるので、充電もしくはバッテリ交換するといった充電メンテナンスが必要である。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑み、電力を用いて各部を制御駆動する燃焼装置において、商用電源を用いる必要がなく、バッテリ充電のためのメンテナンスも不要なものを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の燃焼機器においては、燃料と酸化剤を混合して混合ガスを生成する混合部と、混合器で生成された混合ガスを用いて発電する発電部と、発電部を通過した混合ガスを燃焼する燃焼部とを設けることとした。
【０００７】
この燃焼機器では、発電部で生成される電力を用いて各部を制御駆動することができるので、電気的に自立できる。即ち、各部を制御駆動するのに商用電源を用いる必要がなく、バッテリを充電したり交換したりする必要もない。
また、燃料のエネルギが、発熱だけではなく発電にも利用されるため、省エネ効果を奏する。
【０００８】
発電部としては、非隔膜式燃料電池を用いることができる。この場合、アノード側流路とカソード側流路との間をシールする必要がなく、装置構成が簡素となるので好ましい。
このような燃焼機器においては、更に、発電部に供給される混合ガス成分と相関関係のある情報（例えば発電部の電圧、電流及び温度）を検出し、その検出結果に基づいて、混合部に供給する燃料供給量及び酸化剤供給量の少なくとも一方を制御することも可能であって、これによって、混合部で生成する混合ガスの成分を安定化することができる。
【０００９】
また、このような燃焼機器においては、更に、発電部から外部に出力する電力を変化させることによって燃焼部の燃焼状態を制御することも可能であって、この制御によって、燃焼部の燃焼状態を安定化させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
（燃焼装置の全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す概略構成図である。
図１に示すように、燃焼装置１は、都市ガスと空気を取り込んで混合する混合部１０と、混合部１０で生成した混合ガスを用いて発電する発電部２０と、発電部２０を通過した混合ガスを燃焼させる燃焼部３０と、発電部２０で生成される電力を用いて各部を駆動及び制御する制御部４０とから構成されている
図２は、上記燃焼装置の一具体例を示す構成図であって、本発明をファンヒータに適用した一例である。このファンヒータの構成を以下に説明する。
【００１１】
混合部１０は、合流管１１と、合流管１１に供給する都市ガスの流量を調整するめの燃料ガス調節弁１２と、合流管１１に空気を送り込むエアポンプ１３とから構成されている。なお、混合部１０には、この他に、ブンゼンバーナに用いられているような機構、即ちノズルから都市ガスを噴出しながら空気を吸引するエゼクタ機構を用いても、同様に実施することができる。また、ここでは燃料として都市ガスを用いる場合を例示するが、プロパンガスや石油などを燃料して用いる場合も同様に実施することができる。
【００１２】
発電部２０は、燃料ガスを空気との混合ガスを用いて発電できる燃料電池であって、ここでは、燃料ガスと空気との混合ガスを用いて発電できる非隔膜式固体電解質型燃料電池を用いる。
図２に示すように、この非隔膜式固体電解質型燃料電池は、固体電解質板２１の同一表面上に、炭化水素の部分酸化反応に対して触媒能の違う二つの電極（アノード２２及びカソード２３）が配設され構成されている。このような構成の発電部２０において、当該発電部２０を高温（部分酸化がなされる温度であって、３００℃程度以上）に保ちながら、混合部１０で生成された混合ガスがアノード２２及びカソード２３上を通過すると、発電部２０では、混合ガスの一部を用いて発電がなされる。なお、非隔膜式固体電解質型燃料電池については、特許公報第２８１０９７７号などに具体的に記載されている。
【００１３】
燃焼部３０は、発電部２０で発電に用いられた後の混合ガス（排ガス）を燃焼させる燃焼機構であって、ここでは、図２に示すように、燃焼室３１、燃焼室３１内に排ガスを噴射するノズル部３２、燃焼室３１及びその周囲に空気を送り込むファン３３、点火装置３４から構成されている。なお、このような燃焼部３０の機構は、一般的にファンヒータに用いられているものと同様である。
【００１４】
なお、燃焼部３０で発生する熱で発電部２０を加熱することができるよう、燃焼部３０から発電部２０に伝熱される構成になっている（例えば、発電部２０と燃焼部３０とは隣接して設けられている。）。
制御部４０は、発電部２０で生成する電力を用いて、燃料ガス調節弁１２，エアポンプ１３，ファン３３を駆動制御する。
【００１５】
また、制御部４０には蓄電池４１が接続されており、制御部４０は、燃焼装置１の通常運転時においては、発電部２０で生成する電力を蓄電池４１に供給して充電する。一方、燃焼装置１の起動時においては、制御部４０は蓄電池４１からの電力の供給を受けて上記駆動制御を行う。
（制御部が行う制御動作について）
以下、この制御部４０が行う制御動作と、それに基づく燃焼装置１の動作について説明する。
【００１６】
起動時：
操作者が制御部４０に運転開始を指示すると、制御部４０は、蓄電池４１の電力を用いて、燃料ガス調節弁１２を開き、エアポンプ１３を駆動すると共に、点火装置３４を駆動する。これによって、混合部１０で混合ガスが生成され、生成された混合ガスは発電部２０を通過してノズル部３２から噴射され、燃焼室３１内で燃焼する。
【００１７】
続いて、制御部４０は、ファン３３を駆動させる。これによって、燃焼部３０で温風が生成される。
また、この燃焼熱によって燃焼部３０が昇温するのに伴い、発電部２０も燃焼部３０からの伝熱によって昇温する。そして、発電部２０が３００℃程度まで昇温すると、発電部２０で発電を開始し通常運転に入る。
【００１８】
通常運転時：
通常運転時においては、混合部１０で生成される混合ガスを用いて発電部２０で発電しながら、燃焼部３０で燃焼を継続する。
この通常運転時における制御部４０の制御動作について説明する。
制御部４０は、発電部２０で生成する電力を、制御部４０自体及びファン３３など各部に供給して駆動させると共に、一部を蓄電池４１に蓄積するよう制御する。
【００１９】
また、制御部４０は、操作者が設定する出力設定値に基づいて、混合部１０において取り込む燃料ガス量及び空気量、並びにファン３３の送風量を調整する。
混合部１０において取り込む燃料ガス量及び空気量の調整は、基本的には次のように行う。
燃焼部３０において燃焼効率がよく且つＣＯやＮＯｘの発生が少ない燃焼状態（最適な燃焼状態）が得られるような燃料ガス量及び空気量を、操作者が設定する燃焼出力値ごとに予め求めておいて、これを、燃料ガス量及び空気量の設定値とする。そして、燃料ガス調節弁１２及びエアポンプ１３を、この設定値に合うように調整する。
【００２０】
なお、制御部４０は、発電部２０の性質を利用して、更に細かい制御をすることもできるが、これについては後で詳述する。
（燃焼装置１の効果について）
以上のように、本実施形態の燃焼装置１によれば、商用電源から電力供給を受けなくても電力を生成し、生成した電力を用いて各部を制御駆動することができ、電気的に自立できることになる。
【００２１】
従って、商用電源を用いる必要がないので、装置の設置場所はコンセントから近いところに限定されない。また、バッテリ充電のためのメンテナンスも必要ない。
また、燃料の持つエネルギを電力と熱の両方に有効利用できるので、燃料を単に燃焼させる場合と比べて省エネ効果を奏する。
【００２２】
（発電部２０を利用した制御について）
制御部４０では、以下に説明するように、▲１▼発電部２０の起電力をセンシングして、それに基づいて混合部１０における混合ガスの混合比率を微調整するようにしてもよいし、▲２▼発電部２０における出力を調整することによって、燃焼部３０の燃焼状態を調整することも可能である。
【００２３】
▲１▼について：
発電部２０におけるセル電圧は、発電部２０の運転温度との相関関係が強く、通常、電流が同じ場合には、運転温度が高いほど高いセル電圧が得られるが、発電部２０におけるセル電圧と混合ガスの混合比率との間にも強い相関関係がある。また、発電部２０におけるセル電圧は、混合ガスの混合比率の変動に鋭敏に感応して変動する。
【００２４】
従って、図２に示すように発電部２０に温度センサ５１を設けると共に、発電部２０における電圧を測定する電圧計と電流計（不図示）を設けておいて、発電部２０の運転温度、セル電圧及び電流を常時測定できるようにしておけば、制御部４０において、発電部２０の運転温度測定値、セル電圧測定値及び電流測定値に基づいて、混合ガスの混合比率を算出することが可能であり、混合ガスの混合比率が比較的短い間隔で変動する場合にも、混合比率の変動を感度よくセンシングすることができる。
【００２５】
従って、上記のように制御部４０において混合ガスの混合比率を常時測定し、測定した混合比率が、最適混合比率から外れている場合には、最適混合比率に合うように、燃料ガス調節弁１２及びエアポンプ１３の一方または両方を微調整する（例えば、最適混合比率と比べて燃料ガスの割合が多い場合には、燃料ガス調節弁１２を若干絞り、最適混合比率と比べて燃料ガスの割合が少ない場合には、燃料ガス調節弁１２を若干緩める。）という制御を行えば、混合部１０において生成される混合比率が何等かの外的な原因で変動しようとしても、本来の混合比率に近づけるよう制御されるので、混合ガスの成分は安定化される。よって、最適な燃焼状態に維持されることになる。
【００２６】
なお、ここでは発電部２０に電圧計及び電流計を設け、測定した電圧及び電流に基づいて混合ガスの混合比率を制御したが、発電部２０において、混合ガスの混合比率との間に相関関係のある情報を得るようにすれば、その情報に基づいて混合ガスの混合比率を制御することが可能である。
例えば、電流計を用いずに開回路電圧に基づいて混合ガスの混合比率を制御することも可能である。
【００２７】
また、発電部２０の温度と内部抵抗とも相関関係があるので、発電部２０の内部抵抗を求めれば、発電部２０の温度情報を得ることができる。従って、温度センサ５１を設ける代りに電流計を設けて、電圧計で測定した電圧及び電流計で測定した電流に基づいて混合ガスの混合比率を制御することも可能である。
▲２▼について：
混合部１０から発電部２０に送られる混合ガスの量及び混合比率が同じであっても、発電部２０の出力を増やすと、発電部２０で多くの燃料が消費されるので、燃焼部３０での燃焼が抑えられることになる。また、この発電部２０の出力変化に感度よく応答して、燃焼部３０の燃焼状態が変化する。
【００２８】
従って、制御部４０において、発電部２０における出力を微調整することによって、燃焼部３０の出力を微調整することが可能である。
具体的には、例えば、図２に示すように、燃焼部３０に温度センサ５２を設けておいて、燃焼部３０の温度を常時測定できるようにしておき、温度センサ５２による測定温度が平均より高めのときには、発電部２０から蓄電池２０へ供給する電力を多くし（発電部２０にかかる負荷を大きくする。）、当該測定温度が低めのときには発電部２０から蓄電池４１への電力供給を停止する（発電部２０にかかる負荷を小さくする。）。
【００２９】
このように制御すれば、燃焼部３０の燃焼状態が比較的短い間隔で変動しようとしても、その変化が抑えられるので、安定した燃焼状態が維持できる。
（本実施形態の変形例について）
なお、本実施形態では、発電部２０に非隔膜式燃料電池を用いたが、その代りに発電部２０に一般の燃料電池を用いて、当該燃料電池のアノード側に混合部１０からの混合ガスを流し、カソード側は別途に空気を供給するようにしても同様に実施することはできる。但しこの場合は、アノード側流路とカソード側流路との間をシールする必要がある。これに対して、本実施形態のように非隔膜式燃料電池を用いると、シールする必要がないのでより簡素な構成とすることができる。
【００３０】
また、混合部１０からの配管を分岐して、一方は発電部２０を経由して燃焼部３０へ導くようにし、他方は燃焼部３０へ直接導くようにしても、同様に実施することができる。但し、本実施形態のように、混合部１０生成された混合ガスがすべて発電部２０を通過するようにした方がすぐれた発電効率が得られる。
また、本実施の形態では、ファンヒータを例にとって説明したが、本発明は、温水器やボイラ、吸収式冷温水機にも適用できる。
【００３１】
なお、大型のボイラや吸収式冷温水機にも適用でき、この場合は電気的に自立することまでは難しいが、燃料の持つエネルギを電力と熱の両方に有効利用できるため、省エネについての効果を奏する。
また、本実施形態においては、燃焼部３０がバーナ機構である場合について説明したが、燃焼部３０は、混合ガスを燃焼できるものであればよく、例えば触媒燃焼器であってもよいし、混合ガスを燃焼させて動力を得る内燃機関であってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、燃焼機器において、燃料と酸化剤を混合して混合ガスを生成する混合部と、混合器で生成された混合ガスを用いて発電する発電部と、発電部を通過した混合ガスを燃焼する燃焼部とを設けることによって、電気的に自立できるので、設置場所が商用電源のコンセントに近いところに限られることがなく、バッテリ充電のためのメンテナンスも必要ない。
【００３３】
また、燃料のエネルギが、発熱だけではなく発電にも利用される点で省エネ効果を奏する。
また、発電部として、非隔膜式燃料電池を用いれば、装置構成が簡素となり、より好ましい。
このような燃焼機器において、更に、発電部に供給される混合ガス成分と相関関係のある情報を検出し、その検出結果に基づいて、混合部に供給する燃料供給量及び酸化剤供給量の少なくとも一方を制御することによって、混合部で生成する混合ガスの成分を安定化させたり、発電部から外部に出力する電力変化させることにより燃焼部の燃焼状態を制御することによって、燃焼部の燃焼状態を安定化させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す概略構成図である。
【図２】上記燃焼装置の一具体例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃焼装置
１０ 混合部
１２ 燃料ガス調節弁
１３ エアポンプ
２０ 発電部
３０ 燃焼部
３１ 燃焼室
３３ ファン
４０ 制御部
４１ 蓄電池
５１ 温度センサ
５２ 温度センサ

Claims (5)

1. 燃料と酸化剤を混合して混合ガスを生成する混合部と、
   前記混合器で生成された混合ガスを用いて発電する発電部と、
   前記発電部を通過した混合ガスを燃焼する燃焼部と、
   , 前記発電部に供給される混合ガス成分と相関関係のある情報を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいて前記混合部に供給する燃料供給量及び酸化剤供給量の少なくとも一方を制御する混合制御部とを備えることを特徴とする燃焼機器。
2. 前記発電部は、非隔膜式燃料電池からなることを特徴とする請求項１記載の燃焼機器。
3. 前記検出部は、
   前記発電部の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記発電部の出力電流を検出する電流検出手段と、前記発電部の温度を検出する温度センサとを備え、
   前記混合制御部は、当該電圧検出手段、電流検出手段及び温度センサが検出した結果に基づいて前記混合部に供給する燃料供給量及び酸化剤供給量の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１または２記載の燃焼機器。
4. 前記発電部から外部に出力する電力を変化させることによって前記燃焼部の燃焼状態を制御する燃焼制御部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の燃焼機器。
5. 燃料と酸化剤を混合して混合ガスを生成する混合部と、
   前記混合器で生成された混合ガスを用いて発電する発電部と、
   前記発電部を通過した混合ガスを燃焼する燃焼部とを有し、
   前記発電部は、非隔膜式燃料電池からなることを特徴とする燃焼機器。

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