JP4556041B2

JP4556041B2 - ガス器具

Info

Publication number: JP4556041B2
Application number: JP2004052690A
Authority: JP
Inventors: 公一光藤; 義生鈴木
Original assignee: パロマ工業株式会社
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2005243470A

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。
特開平６−１９６１７６号公報

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５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、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。

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、
供給路内の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を設けた燃料電池部と
を備え、
上記燃料電池で生じた電力により、上記電気部品を駆動す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、
上記バーナに対向して設けられ、上記供給路から分岐された燃料ガスに空気を混合し、該燃料ガスと空気との混合ガスを上記ガスバーナの燃焼熱により予熱する第一混合予熱部と、
上記単室型燃料電池が設けられ、上記第一混合予熱部にて予熱された混合ガスが供給される燃料電池配置部と、
この燃料電池配置部と上記ガスバーナとを接続し、燃料電池での発電に供された後の混合ガスに、さらに空気を混合して上記ガスバーナに供給する接続路、
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、
上記第一混合予熱部と燃料電池配置部とをに直列に設け、
上記燃料電池配置部の通路断面積を、予熱部の通路断面積よりも小さく形成して、
上記第一混合予熱部における混合ガスの流速に対し、上記燃料電池配置部の混合ガスの流速を速くしたことを要旨とする。

また、本発明の請求項３記載のガス器具は、上記請求項１又は請求項２記載のガス器具において、
上記供給路から分岐された燃料ガスに空気を混合し、該燃料ガスと空気との混合ガスを上記ガスバーナ燃焼熱により予熱して上記燃料電池配置部に供給する第二混合予熱部を、上記第一混合予熱部とは別に、かつ上記バーナに対向して設け、
上記第一混合予熱部を、第一混合比の混合ガスを上記燃料電池配置部における燃料電池の燃料極側に供給するものとし、
上記第二混合予熱部を、第二混合比の混合ガスを上記燃料電池配置部における燃料電池の空気極側に供給するものとし、
上記第一混合比を、第二混合比よりも、空気量の少ない混合比とすることを
要旨とする。

また、本発明の請求項４記載のガス器具は、上記請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス器具において、
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。

また、本発明の請求項５記載のガス器具は、上記請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス器具において、
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。

また、本発明の請求項６記載のガス器具は、上記請求項５記載のガス器具において、
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。

上記構成を有する本発明の請求項１記載のガス器具は、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。また、本発明の請求項１記載のガス器具は、単室型燃料電池での発電反応後の燃料−空気混合ガスに空気を添加してバーナの燃焼に最適な混合比とした後に、バーナへ供給して燃焼させる。すなわち、単室型燃料電池で使い切れなかった燃料ガスをバーナ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、本発明の請求項２記載のガス器具は、燃料ガスと空気の予熱時には流速を遅くして加熱しやすくし、発電反応時には流速を速くして電極へ新しい混合ガスを次々と供給し反応しやすくする。このため、予熱部位における気体の通過距離を短くして予熱部位をコンパクト化することが可能となり、しかも、電極反応がスムーズにすすむので発電効率も向上する。

また、本発明の請求項３記載のガス器具は、燃料極近傍にガスリッチ（空気量の小さい混合比）の混合ガスを供給し、空気極近傍にエアーリッチ（空気量の大きい混合比）の混合ガスを供給するといった簡単な構成で発電効率を向上させることができる。

また、本発明の請求項４記載のガス器具は、燃料電池の出口ガスの一部を燃料電池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。

また、本発明の請求項５記載のガス器具は、発電反応終了後の混合ガスをファンで冷却するので、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。

また、本発明の請求項６記載のガス器具は、従来から備えていた温風送風用の送風ファン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。しかも、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。

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。

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１２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。

電極室１３の出口側と混合管１７の基端とを接続する再循環路２１が設けられる。従って、混合管１７の基端での電池用ノズル１９からの燃料ガスの噴出によるベンチュリー効果で生じた負圧により下流側の気体が混合管１７の基端に吸引される。すなわち、単室型燃料電池８の出口ガスの一部が入口側に再循環させられる。
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。

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２２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２３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２４と、供給ガス圧を一定に保つガスガバナ２５とが設けられる。
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。

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２７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−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、混合管１７での燃料ガスと空気の予熱時には流速を遅くして加熱しやすくし、電極室１３での発電反応時には流速を速くして電極へ新しい混合ガスを次々と供給し反応しやすくする。このため、予熱部位における気体の通過距離を短くして予熱部位をコンパクト化することが可能となり、しかも、電極反応がスムーズにすすむので発電効率も向上する。
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。

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。

次に、実施例２のファン付赤外線ストーブ２０１について図２を用いて説明する。尚、実施例１と異なる部分について説明し、重複する部分に関しては同一符号を付してその説明を省略する。
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。

次に、実施例３のファン付赤外線ストーブ３０１について図３を用いて説明する。尚、実施例１と異なる部分について説明し、重複する部分に関しては同一符号を付してその説明を省略する。
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。

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−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。

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。実施例２としてのファン付赤外線ストーブの概略構成図である。実施例３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。

符号の説明

１、２０１、３０１ファン付赤外線ストーブ
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

供給路内の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を設けた燃料電池部と
を備え、
上記燃料電池で生じた電力により、上記電気部品を駆動す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、
上記バーナに対向して設けられ、上記供給路から分岐された燃料ガスに空気を混合し、該燃料ガスと空気との混合ガスを上記ガスバーナの燃焼熱により予熱する第一混合予熱部と、
上記単室型燃料電池が設けられ、上記第一混合予熱部にて予熱された混合ガスが供給される燃料電池配置部と、
この燃料電池配置部と上記ガスバーナとを接続し、燃料電池での発電に供された後の混合ガスに、さらに空気を混合して上記ガスバーナに供給する接続路、
を備えたことを特徴とするガス器具。
上記第一混合予熱部と燃料電池配置部とをに直列に設け、
上記燃料電池配置部の通路断面積を、予熱部の通路断面積よりも小さく形成して、
上記第一混合予熱部における混合ガスの流速に対し、上記燃料電池配置部の混合ガスの流速を速くしたことを特徴とする請求項１記載のガス器具。
上記供給路から分岐された燃料ガスに空気を混合し、該燃料ガスと空気との混合ガスを上記ガスバーナ燃焼熱により予熱して上記燃料電池配置部に供給する第二混合予熱部を、上記第一混合予熱部とは別に、かつ上記バーナと対向して設け、
上記第一混合予熱部を、第一混合比の混合ガスを上記燃料電池配置部における燃料電池の燃料極側に供給するものとし、
上記第二混合予熱部を、第二混合比の混合ガスを上記燃料電池配置部における燃料電池の空気極側に供給するものとし、
上記第一混合比を、第二混合比よりも、空気量の少ない混合比とすることを
特徴とする請求項１又は２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１〜３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１〜４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５記載のガス器具。