JP4280178B2 - ガス器具 - Google Patents

Description

本発明は、器具駆動用電源としての燃料電池を備えたガス器具に関する。

従来から、ファンや電磁弁などの駆動用電力を発電する高温型燃料電池を備えたガス器具が知られている（例えば、特許文献１参照）。
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２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、空気極室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。
しかしながら、上述したような高温型燃料電池では、高温雰囲気において燃料極室と空気極室とを密閉するシール構造が難しく、一般家庭で使用するガス器具に実際に用いようとすると、構造が複雑になってしまいコストが高くなるという問題があった。
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。

ところで、最近では、電極材料や電解質材料の改良により、燃料極室と空気極室とを二室に分割することなく、図３に示すように、燃料極と空気極とを一室内に設けて燃料ガスと空気との混合ガス（以下、燃料−空気混合ガスと呼ぶ）を供給することによって、発電が可能な単室型高温燃料電池が開発されてきた。
そこで、器具駆動用の燃料電池として、このような単室型燃料電池を用いると、複雑なシール構造をとる必要がなくなり低コストでの実現が期待される。
特開平６−１９６１７６号公報

しかしながら、単室型燃料電池に供給する燃料−空気混合ガスがその混合具合によっては自然発火するような混合比となることがあり、あまりに高温に予熱してしまうと自然発火するおそれがある。また、予熱時には、部分的に高温部が生じることがあり、全体としては自然発火するだけの熱エネルギーを与えていないにもかかわらず自然発火してしまうおそれもあった。
そこで、本発明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ても、自然発火するおそれのないガス器具を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１記載のガス器具は、
燃料ガスを燃焼するバーナと、
電磁弁やファン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、該単室型燃料電池に燃料ガスと空気との混合ガスを供給するとともに、
上記単室型燃料電池に供給される混合前の燃料ガスと空気とを、上記バーナの燃焼により生じる燃焼熱で予め別々に加熱した後混合させ、上記混合ガスとする予熱手段と、
予熱後の混合ガスあるいは混合前の燃料ガスと空気のうちの少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、
その検出された温度が上記混合ガスが自然発火しない温度となるように制御する温度制御手段と
を備えたことを要旨とする。

また、本発明の請求項２記載のガス器具は、上記請求項１記載のガス器具において、
上記予熱手段は、互いに同心に設けられる内筒および外筒を備え、内筒内に上記燃料ガスが、内筒と外筒との間に上記空気がそれぞれ供給される二重管部を有し、
上記二重管部を上記バーナにより加熱することで、内筒内の燃料ガスと、内筒と外筒との間の空気とをそれぞれ別々に予熱するとともに、予熱後の燃焼ガスと空気とを合流させて前記単室型燃料電池に供給することを要旨とする。

上記構成を有する本発明のガス器具は、燃料電池として単室型燃料電池を用いているため、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。
そして、温度検出手段が予熱後の燃料−空気混合ガスあるいは混合前の燃料ガスと空気のうちの少なくとも一方の温度を検出し、その検出温度が混合ガスの自然発火温度を上回らないように温度制御手段が気体の温度を制御する、例えば、予熱手段の加熱力を調節したり、単室型燃料電池に供給される燃料ガスや空気の流量を調節したりするので、自然発火してしまうことはなく安全に使用できる。

また、本発明のガス器具は、燃料ガスと空気とを混合する前に別々に予熱しているため、予熱時に気体が部分的に高温となっても自然発火することはなく、一層安全に使用できる。そして、混合時には、気体同士が混ざりあうため、部分的な高温部は生じにくく自然発火を防止できる。

以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明のガス器具の好適な実施例について説明する。

図１は、ガス器具の一例としてのファン付赤外線ストーブ１の概略構成図である。尚、本図は、システムの概略図であり、実際のレイアウトとは異なる。
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は、後述する単室型燃料電池８と連通しており、単室型燃料電池８からの排出ガスがバーナ本体４に供給される。
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９から送出する送風ファン１０が設けられる。

バーナ３の燃焼面の近傍には、単室型燃料電池８が設けられ、この単室型燃料電池８で発生した起電力が送風ファン１０のモータの電源として用いられる。単室型燃料電池８は、同じ室内に燃料極と空気極とを設けて、燃料−空気混合ガスにより発電できる燃料電池である。
単室型燃料電池８は、電極室１１内にプレート状の電解質１２が設けられ、その上面に燃料極１３が、その下面に空気極１４が形成される。電極室１１には、燃料供給管１５の外側に空気供給管１６が配された構造の燃料ガスと空気とを別々に予熱する二重管式の予熱管１７が接続される。この予熱管１７は、燃焼プレート５に対向する位置に設けられ、燃料ガスと空気とはバーナ３の燃焼熱によりそれぞれ約４００℃に予熱される。また、空気供給管１６の単室型燃料電池８との接続端とは逆側の端部は開口しており、空気吸入口１８が形成される。
電極室１１と予熱管１７との間には、燃料ガスと空気とが吸入される電池用吸入口１９が設けられ、電池用吸入口１９に臨んで燃料供給管１５の先端には電池用ノズル２０が設けられる。そして、電池用ノズル２０から燃料ガスが噴出することによって、電池用ノズル２０の周囲が負圧になって電池用吸入口１９から空気が吸引される。これに伴って、空気吸入口１８から空気供給管１６内へ空気が吸引される。また、燃料供給管１５内には、ガス通路面積を狭める絞り板２１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２１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１１の出口側のガス通路はバーナ本体４に接続される。従って、バーナ本体４、すなわちバーナ３へは、発電反応終了後の混合ガスが供給される。

また、空気供給管１６の電池用吸入口１９の直前位置、すなわち、空気が燃料ガスと混合される直前の位置には、予熱された空気の温度を検出する温度センサー２２が設けられる。そして、検出された空気の温度が燃料ガスと混合された後の混合ガスの自然発火温度（例えば、λ＝０．３のメタンと空気との混合ガスの場合は約６００℃）よりも低温となるように後述するガス比例弁２３でバーナ３への供給ガス量を制御する。

バーナ３及び単室型燃料電池８へのガス通路には、上流から順に、図示しない点火レバーの操作力によって機械的に開閉されるメイン弁２４と、点火レバーの操作力によって機械的に開弁され後述する熱電対２５からの起電力によって開弁保持されるマグネット電磁弁２６と、供給ガス圧を一定に保つガスガバナ２７とが設けられる。そして、単室型燃料電池８への分岐部より下流側のガス通路には、バーナ３へのガス供給量を制御するガス比例弁２３が設けられる。
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２８が併設され、センシングバーナ２８の近傍には、マグネット電磁弁２６のコイルと直列に接続された熱電対２５が設けられる。熱電対２５は、主にセンシングバーナ２８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２６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２９が設けられ、点火用バーナ２９の近傍には、点火用バーナ２９へ点火するための点火電極３０が設けられる。点火電極３０は、イグナイタ３１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３２が設けられる。

上述したストーブ１によれば、図示しない点火レバーを操作すると、燃焼プレート５全面から燃料ガスが噴出し、点火用バーナ２９により点火される。そして、赤熱した燃焼プレート５からの輻射熱により器具正面の使用者を直接温める。
バーナ３が燃焼するとその燃焼熱により燃料ガスと空気とがそれぞれ別々に予熱され、単室型燃料電池８が電池作動温度（例えば、４００℃）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１０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９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、温度センサー２２が混合される直前の空気の温度を検出し、その検出温度が燃料−空気混合ガスの自然発火温度を上回らないようにガス比例弁２３でバーナ３の火力が調節されるので、混合ガスが自然発火してしまうことはなく安全に使用できる。
さらに、燃料ガスと空気とを混合する前に別々に予熱しているため、予熱時に気体が部分的に高温となっても自然発火することはなく、より一層安全に使用できる。そして、混合時には、電池用ノズル２０から噴出される燃料ガスの勢いによって気体同士が良好に混ざりあうため、部分的な高温部は生じにくく自然発火を確実に防止できる。

ところで、従来からバーナの輻射熱とファンによる温風とで暖房を行うファン付赤外線ストーブの中には、熱電対等の熱発電素子をバーナによって加熱して電力を得ることにより、ＡＣ１００Ｖ電源を使わずにファンを回すものがあったが、発電量が０．５Ｗ程度と小さかったため、風力が弱いという問題があった。これに対して、上述したような単室型燃料電池を用いると、２Ｗ〜１０Ｗ程度の発電が可能となり十分な風力を得ることができ、より一層暖房性能が向上する。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
例えば、本実施例では、燃料ガスと混合される直前の空気の温度を検出しているが、空気と混合される直前の燃料ガスの温度を検出するようにして、その温度が自然発火温度以上とならないようにバーナ３へのガス供給量を制御するようにしても構わない。また、混合された後の燃料−空気混合ガスの温度を検出して、その温度が自然発火温度以上とならないようにバーナ３へのガス供給量を制御するようにしても構わない。
また、本実施例では、混合ガスの温度が自然発火温度以上とならないようにするために、バーナ３へのガス供給量を制御するようにしているが、これに限ったものではなく、単室型燃料電池８への燃料ガスや空気の流量を制御する（例えば、自然発火温度を上回りそうな場合には、流量を増大させる）ようにしても構わない。
また、本実施例では、本発明の予熱手段として暖房用のバーナ３を兼用して用いているが、これに限ったものではなく、予熱用の加熱手段（例えば、予熱用バーナ）を別に設けても構わない。
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、ファン利用により、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。

電力を利用するガス器具に適用可能である。

実施例１としてのファン付赤外線ストーブの概略構成図である。 一般的な燃料電池の概略構成図である。 単室型燃料電池の概略構成図である。

１ ファン付赤外線ストーブ
３ バーナ
８ 単室型燃料電池
１０ 送風ファン
１５ 燃料供給管
１６ 空気供給管
１７ 予熱管
２２ 温度センサー
２３ ガス比例弁

Claims (2)

1. 燃料ガスを燃焼するバーナと、
   電磁弁やファン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、該単室型燃料電池に燃料ガスと空気との混合ガスを供給するとともに、
   上記単室型燃料電池に供給される混合前の燃料ガスと空気とを、上記バーナの燃焼により生じる燃焼熱で予め別々に加熱した後混合させ、上記混合ガスとする予熱手段と、
   予熱後の混合ガスあるいは混合前の燃料ガスと空気のうちの少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、
   その検出された温度が上記混合ガスが自然発火しない温度となるように制御する温度制御手段と
   を備えたことを特徴とするガス器具。
2. 上記予熱手段は、互いに同心に設けられる内筒および外筒を備え、内筒内に上記燃料ガスが、内筒と外筒との間に上記空気がそれぞれ供給される二重管部を有し、
   上記二重管部を上記バーナにより加熱することで、内筒内の燃料ガスと、内筒と外筒との間の空気とをそれぞれ別々に予熱するとともに、予熱後の燃焼ガスと空気とを合流させて前記単室型燃料電池に供給する請求項１記載のガス器具。

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