JP6795129B1 - ボイラ - Google Patents

Abstract

発熱体と、内部に前記発熱体が設けられた容器と、空気よりも比熱の高いガスが前記容器の内部に充満した環境下において、前記発熱体が発する熱により加熱される水管と、を備えているボイラとする。

Description

本発明は、供給された水を加熱するボイラに関する。

従来、供給された水を加熱するボイラが、工業用や商業用を含め様々な用途に広く利用されている。ボイラにおいては供給される水を加熱するための発熱手段が設けられるが、この発熱手段の一形態として、容器内部に発熱体を設けたものが挙げられる。

また、このような発熱手段の具体的形態は種々挙げられるが、その一例として、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなる複数の金属ナノ粒子が表面に形成された発熱体（反応体）を容器内部に設けたものが、発熱システムとして特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、この発熱システムにおいて、発熱に寄与する水素系ガスが容器内に供給されることで金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され、過剰熱を発することが記載されている。

なお特許文献１においても説明されているとおり、パラジウムで作製した発熱体を容器内部に設け、この容器内部に重水素ガスを供給しつつ、容器内部を加熱することによって発熱反応が生じた旨の発表がなされている。また、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を利用して過剰熱（入力エンタルピーより高い出力エンタルピー）を発生させる発熱現象に関し、過剰熱を発するメカニズムの詳細については各国の研究者の間で議論されており、発熱現象が発生したことが報告されている。

特許第6448074号公報 米国特許第9,182,365号明細書

容器内部に発熱体を設けた発熱手段により水を加熱するボイラにおいては、発熱体が発する熱を極力効率良く水に伝えることが重要である。本発明は上記課題に鑑み、容器内部に発熱体を設けた発熱手段により水を加熱するものであって、発熱体が発する熱を効率良く当該水に伝えることが可能となるボイラの提供を目的とする。

本発明に係るボイラは、発熱体と、内部に前記発熱体が設けられた容器と、空気よりも比熱の高いガスが前記容器の内部に充満した環境下において、前記発熱体が発する熱により加熱される水管と、を備えている構成とする。

本構成によれば、容器内部に発熱体を設けた発熱手段により水を加熱するものであって、発熱体が発する熱を効率良く当該水に伝えることが可能となる。なおここでの「水管」とは、加熱対象の水が流れる管のことである。

また上記構成としてより具体的には、前記ガスが循環する経路として、前記容器内を一部として含む循環経路を備えた構成としてもよい。また上記構成としてより具体的には、前記ガスは水素系ガスである構成としてもよい。なお本願における水素系ガスは、重水素ガス、軽水素ガス、或いはこれらの混合ガスのことである。

また上記構成としてより具体的には、前記発熱体は、水素吸蔵金属類からなる金属ナノ粒子が表面に設けられており、前記水素系ガスが前記容器内に供給された状況下において、前記金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され過剰熱を発生させる反応体である構成としてもよい。本構成によれば、発熱体が発生させる過剰熱により水を加熱することが可能となる。なお本願での「水素吸蔵金属類」は、Pd,Ni,Pt,Ti等の水素吸蔵金属、或いはこれらを１種以上含む水素吸蔵合金を意味する。

また上記構成としてより具体的には、ヒータ又はバーナを備え、前記反応体を加熱する構成としてもよい。また当該構成において、前記バーナとして水素系ガスを燃焼させる水素焚きバーナを備え、前記水素焚きバーナと前記容器の内部への水素系ガスの供給元を、共通とした構成としてもよい。これらの構成によれば、容器内に充満させる水素系ガスと同種のガスを使用できる水素焚きバーナを利用し、ガスを効率良く活用できるボイラとすることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、燃料極に供給された水素系ガスを酸素と反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池が発生させる電力を用いて前記反応体を加熱するヒータと、を備えた構成としてもよい。また当該構成において、前記燃料極と前記容器の内部への水素系ガスの供給元を共通としてもよく、前記燃料極に供給された水素系ガスのうち未反応のまま排出されるガスを、前記容器の内部へ供給する構成としてもよい。これらの構成によれば、容器内に充満させる水素系ガスと同種のガスを使用できる燃料電池を利用し、ガスを効率良く活用できるボイラとすることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記水管は螺旋状に延びて前記発熱体を囲んで配置されている構成としてもよい。本構成によれば、発熱体が発する熱を加熱対象の水へ効率良く伝えることが可能であるとともに、側壁の全周のほぼ全ての領域を網羅するように配置することが容易となる。

また上記構成としてより具体的には、鉛直方向に延びる複数本の前記水管が、前記発熱体を囲んで配置されている構成としてもよい。本構成によれば、発熱体が発する熱を加熱対象の水へ効率良く伝えることが可能であるとともに、貫流ボイラ或いはこれに準じたものを構成するように水管を配置しながらも、側壁の全周のほぼ全ての領域を網羅するように配置することが容易となる。

本発明に係るボイラによれば、容器内部に発熱体を設けた発熱手段により水を加熱するものであって、発熱体が発する熱を効率良く当該水に伝えることが可能となる。

第１実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。 ボイラ１の水管を通る水の進路に関する説明図である。 発熱素子を採用した場合のボイラ２の概略的な構成図である。 第２実施形態に係るボイラ１ａの概略的な構成図である。 ボイラ１ａの水管を通る水の進路に関する説明図である。 第３実施形態に係るボイラ１ｂの概略的な構成図である。 第４実施形態に係るボイラ１ｃの概略的な構成図である。

本発明の各実施形態に係るボイラについて、各図面を参照しながら以下に説明する。

１．第１実施形態
まず本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るボイラ１の概略的な構成図である。本図に示すようにボイラ１は、容器１１、反応体１２、ヒータ１３、ガス経路１４、ガス受入部１５、ガスポンプ１６、ガスフィルタ１７、セパレータ２１、水経路２２、水受入部２３、および水ポンプ２４を備えている。

なお、図１（後述する図３、図４、図６、および図７も同様）における容器１１およびその内部の様子は、容器１１を概ね二分する平面で切断した場合の概略的な断面図として表されており、上下左右の方向（上下方向は鉛直方向に一致する）は本図に示すとおりである。また、図１（図３および図４も同様）に示す一点鎖線は、水管２２ａの配置を概略的に示している。

容器１１は、全体的に見て上下を軸方向とする上下両端に底を有する円筒状に形成されており、内部に気体を密閉させ得るように形成されている。より具体的に説明すると、容器１１は、後述する水管２２ａにより形成された円筒状の側壁１１ａを有するとともに、側壁１１ａの上側は上底部１１ｂにより閉じられており、側壁１１ａの下側は下底部１１ｃにより閉じられている。なお本実施形態では一例として、容器１１の側壁１１ａを円筒状としているが、その他の筒状に形成されても構わない。また、側壁１１ａの外周に缶体カバーを設置してもよく、側壁１１ａと当該缶体カバーの間には断熱材を設けるようにしてもよい。

反応体１２は、全体が細かい網目状に形成されている担持体の表面に、多数の金属ナノ粒子を設けて構成されている。この担持体は、素材として水素吸蔵合金類（水素吸蔵金属、或いは水素吸蔵合金）が適用されており、上下を軸方向とする上下両端に底を有する円筒状に形成されている。反応体１２の上面はガス経路１４に連接しており、反応体１２の網目状の隙間を介してその内部に流入したガスを、ガス経路１４内に送出することが可能となっている。本実施形態の例では容器１１の内部において、３個の反応体１２が左右方向へ並ぶように設けられている。

ヒータ１３は、有底円筒形状に形成された反応体１２の側面に螺旋状に巻かれており、外部電力を用いて発熱するように形成されている（例えば、セラミックヒータ）。ヒータ１３が発熱することにより反応体１２を加熱し、後述する過剰熱を発生させるための反応が生じ易い所定の反応温度まで、反応体１２の温度を上昇させることができる。またヒータ１３の温度は、電力制御によって所望の温度に調節可能である。

ガス経路１４は、容器１１の外部に設けられ、容器１１の内部を一部として含むガスの循環経路を形成するものであり、一方の端部は各反応体１２の上面に連接し、他方の端部は容器１１の内部に連接している。より詳細に説明すると、各反応体１２の上面に連接したガス経路１４の部分それぞれは容器１１内で合流し、一本の経路となって上底部１１ｂを貫通した上で、ガス受入部１５、ガスポンプ１６、およびガスフィルタ１７を介して下底部１１ｃを更に貫通し、容器１１の内部に繋がっている。

ガス受入部１５は、外部の供給元から水素系ガス（重水素ガス、軽水素ガス、或いはこれらの混合ガス）の供給を受けるようになっており、供給された水素系ガスをガス経路１５内へ流入させる。例えば、水素系ガスを予め貯留したタンクからガス受入部１５へ水素系ガスが供給される場合、このタンクが水素系ガスの供給元となる。なお、ガス受入部１５に供給する水素系ガスの量を制御することにより、容器１１内部の圧力を制御することが可能である。

ガスポンプ１６は、ガス経路１４内のガスを上流側から下流側へ（すなわち、図１に点線矢印で示す方向へ）押し出し、当該ガスがこの方向へ流れるようにする。なおガスポンプ１６における押し出しの力を制御することにより、ガス経路１４を含む循環経路でのガスの循環量を制御することが可能である。ガスフィルタ１７は、ガス経路１４内のガスに含まれる不純物（特に、反応体１２における過剰熱を発生させる反応の阻害要因となるもの）を除去する。

セパレータ２１は、水管２２ａを通る際に水が加熱されて生じた蒸気を受け入れ、この蒸気に対して気水分離（当該蒸気に含まれるドレンの分離）がなされるようにする。セパレータ２１において気水分離された蒸気は、ボイラ１の外部へ供給することが可能である。

水経路２２は、水受入部２３からセパレータ２１まで繋がる水の経路である。水経路２２の一部は、先述した側壁１１ａを形成する水管２２ａとなっている。また水経路２２の途中には、水受入部２３の下流側直近の位置において水ポンプ２４が配置されている。なお水経路２２のうち、水管２２ａよりも上流側の経路では、水受入部２３から供給された液体の水が流れ、水管２２ａよりも下流側の経路（容器１１とセパレータ２１の間）では、水管２２ａで加熱されて気化した水（蒸気）が流れることになる。

水受入部２３は、外部から蒸気の元となる水の供給を適宜受けるようになっており、供給された水を水経路２２内へ流入させる。水ポンプ２４は、水経路２２内の水を上流側から下流側へ向けて（すなわち、図１に実線矢印で示す方向へ）流すようにする。

水管２２ａは、容器１１の筒状の側壁１１ａを形成するように、下底部１１ｃから上底部１１ｂに向けて螺旋状に延びている。すなわち水管２２ａは、上下に隣合う水管２２ａの部分同士の間に隙間が無いように、筒状の側壁１１ａの軸方向（上下方向）へ進むように螺旋状に延びている。なお本実施形態の例では、水管２２ａの内壁の断面形状を四角形としているが、円形或いはその他の形状としても構わない。

次に、ボイラ１の動作について説明する。ボイラ１では、外部の供給元からガス受入部１５へ水素系ガスが供給され、容器１１の内部とガス経路１４を含むガスの循環経路に水素系ガスが充満される。充満された水素系ガスはガスポンプ１６の作用により、この循環経路において図１に点線矢印で示す方向へ循環する。

このとき容器１１の内部においては、水素系ガスが反応体１２の網目状の隙間を介してその内部に流入した後、反応体１２の上部に連接しているガス経路１４内に送出される。またこれと同時に、ヒータ１３の作用によって反応体１２が加熱されるようになっている。このように、水素系ガスを容器１１の内部に供給された状態でヒータ１３により反応体１２を加熱すると、反応体１２に設けた金属ナノ粒子に水素原子が吸蔵され、反応体１２はヒータ１３による加熱温度以上の過剰熱を発生させる。このように反応体１２は、過剰熱を発生させる反応が行われることにより、発熱体として機能する。この過剰熱を発生させる反応の原理は、例えば特許文献１に開示された過剰熱を発生させる反応の原理と同様である。

なお、容器１１内部を含む循環経路内の水素系ガスは、ガスフィルタ１７を通る際に不純物が除去される。そのため、不純物が除去された純度の高い水素系ガスが、容器１１内部へ継続的に供給される。これにより、純度の高い水素系ガスを反応体１２へ安定的に与え、過剰熱の出力を誘発し易い状態を維持して、反応体１２を効果的に発熱させることが可能となっている。

また、上記の反応体１２を発熱させる動作と並行して、外部から水受入部２３へ水が供給される。この供給された水は、水ポンプ２４の作用により、水経路２２内を図１に実線矢印で示す方向へ流される。

水経路２２内を流れる水は、容器１１の側壁１１ａを形成する水管２２ａを通る際に、反応体１２が発する熱によって加熱される。すなわち反応体１２の発する熱は、容器１１内の水素系ガスによる対流（熱伝達）および輻射によって水管２２ａへ伝わり、これにより高温となった水管２２ａによってその内部を流れる水が加熱される。

図２は、水管２２ａを通る水の進路を実線矢印で概略的に示している。本図に示すように、水管２２ａの入口α（水管２２ａの最下部）から水管２２ａ内に進入した水は、螺旋状に延びた水管２２ａ内の通路に沿って進み、水管２２ａの出口β（水管２２ａの最上部）から蒸気としてセパレータ２１に向けて排出される。この際に水管２２ａを通る水は、反応体１２の発する熱により加熱された水管２２ａ（容器の側壁１１ａ）からの熱が伝わり、温度が上昇する。

このようにして、水経路２２を流れる水は水管２２ａを通る際に加熱されて温度が上昇し、最終的には蒸気となる。この蒸気はセパレータ２１に送り込まれ、気水分離により乾き度が高められた後、ボイラ１の外部へ供給されることになる。

セパレータ２１から外部へ供給される蒸気の量は、例えば外部からの蒸気の要求量に応じて調整可能となっている。またボイラ１においては、外部へ蒸気を供給した分だけ、つまり水が減少した分だけ水受入部２３へ逐次水が供給されるようになっており、継続的に蒸気を発生させて外部へ供給することが可能である。

なお、ボイラ１においては、反応体１２或いはその周辺の温度を監視するようにしておき、この検出された温度に応じて、ヒータ１３の温度、容器１１内の圧力、および循環経路における水素系ガスの循環量の少なくとも一つを制御するようにしても良い。通常はヒータ１３の温度を上げるほど、反応体１２において過剰熱を発生させる反応が促進される傾向にあり、反応体１２から発せられる熱により水が加熱され易くなる。このことは、容器１１内の圧力を上げたり、水素系ガスの循環量を増やしたりする場合も同様である。そのため水が適度に加熱されるように、ヒータ１３の温度等を制御すれば良い。

また、本実施形態のボイラ１では発熱体として反応体１２が採用されているが、その代わりに、一般的なヒータ等の発熱素子１２ａ（例えば、外部電力が供給されることにより発熱するハロゲンヒータ）を採用しても、ボイラを構成することが可能である。このように構成したボイラ２の概略的な構成図を、図３に例示する。なお発熱素子１２ａの形状および寸法は便宜上、反応体１２と同様であるとする。また発熱素子１２ａでは、ヒータ１３に相当するものは不要であるため設置が省略されている。

図３に示すボイラ２の形態では、反応体１２の代わりに発熱素子１２ａから発せられる熱により水管２２ａが加熱され、水管２２ａを通る水は、水管２２ａ（容器の側壁１１ａ）からの熱が伝わり温度が上昇することになる。またこの形態では、先述した過剰熱を発生させるための反応は不要であり、電力制御等によって発熱素子１２ａの温度を直接的に制御することにより、適度に水を加熱して蒸気を発生させることができる。

以上に説明したとおり各ボイラ１，２は、発熱体と、内部にこの発熱体が設けられた容器１１とを備え、供給された水を加熱して蒸気を発生させるものである。更に各ボイラ１，２では、空気よりも比熱の高いガス（本実施形態の例では水素系ガス）が容器１１の内部に充満した環境下において、前記発熱体が発する熱により加熱される水管２２ａと、を備えており、水管２２ａを通る水（蒸気の元となる水）が加熱されるようになっている。なお例えば200℃で1atmの条件下において、空気の比熱が約1,026J/Kg℃であるのに対し、水素の比熱は約14,528J/Kg℃となっており、空気の比熱よりも非常に高くなっている。また発熱体として、ボイラ１では反応体１２が採用され、ボイラ２では発熱素子１２ａが採用されている。

各ボイラ１，２によれば、容器１１内部に発熱体を設けた発熱手段により水を加熱して蒸気を発生させるものでありながら、当該発熱体が発する熱を効率良く当該水に伝えることが可能である。すなわち、例えば水管に水以外の流体等の熱媒体を流通させ、この熱媒体を容器１１の外部において水と熱交換する場合には、熱媒体の介在や搬送に伴う熱損失等が生じ得る。この点、各ボイラ１，２では、水管自体を発熱体を囲むように配置することで、発熱体が発する熱を回収するための熱媒体は不要となっている。その結果、上記の熱損失等は抑えられ、発熱体が発する熱を蒸気の元となる水へ効率良く伝えることが可能である。

更に、容器１１の内部に空気より比熱の高いガスが充満されるため、一般的な空気が充満される場合と比較して熱伝達が良好になされ、発熱体が発する熱を蒸気の元となる水へ効率良く伝えることができる。また、比熱が高いためガスの温度が変動し難く、当該水へより安定的に熱を伝えることが可能である。

また水管２２ａは、筒状に形成された側壁１１ａの全周を形成しているため、発熱体が発する熱を蒸気の元となる水へ効率良く伝えることが可能である。特に本実施形態での水管２２ａは、螺旋状に延びて発熱体を囲んで配置されていることから、側壁１１ａの全周のほぼ全ての領域を網羅するように配置することが容易であり、発熱体が発する熱を極力無駄なく蒸気の元となる水へ伝えることが可能である。

なお本実施形態では、容器１１内にガスを密閉するための側壁１１ａが水管２２ａにより形成されているが、その代わりに側壁１１ａを水管２２ａとは別に設けておき、側壁１１ａの内側に（すなわち、容器１１の内部に）水管２２ａを設けるようにしても良い。この場合においても、空気よりも比熱の高いガスが容器１１の内部に充満した環境下において、発熱体が発する熱により水管２２ａを加熱することが可能である。またこの場合には、水管２２ａは側壁１１ａとしての役割を果たす必要は無いが、上下に隣合う水管２２ａの部分同士の間に隙間があると反応体１２からの熱を更に受けやすく好ましい。

また各ボイラ１，２では、容器１１内を一部として含む循環経路において、前記ガスを循環させるようになっている。これにより、容器１１内のガスの動きを活発化させて、当該ガスから側壁１１ａへの熱伝達がより効果的になされる効果が期待される。なお、過剰熱を発生させる反応を要しないボイラ２においては、容器内１１内のガスを循環させる機構を省略してもよく、その代わりに、容器１１内へガスを供給して充満させる機構を備えるようにしても良い。また、ボイラ２においては過剰熱を発生させる反応を要しないため、上述した空気よりも比熱の高いガスとして、水素系ガス以外のガスを採用しても良い。

２．第２実施形態
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお第２実施形態は、水管の形態に関する点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図４は、第２実施形態に係るボイラ１ａの概略的な構成図である。本図に示すように、第２実施形態における水経路２２には、鉛直方向に上下に延びる複数本の水管２２ａに加え、下部ヘッダ２２ｂ１および上部ヘッダ２２ｂ２が含まれる。

下部ヘッダ２２ｂ１は、円筒状である側壁１１ａの下側において円形を形成するように延びており、その左寄りの箇所の下部には下部ヘッダ２２ｂ１の入口αが形成されている。上部ヘッダ２２ｂ２は、円筒状である側壁１１ａの上側において円形を形成するように延びており、その左寄りの箇所の上部には上部ヘッダ２２ｂ２の出口βが形成されている。下部ヘッダ２２ｂ１と上部ヘッダ２２ｂ２は、概ね同じ形状および寸法に設定されており、上方視で重なるように配置されている。水ポンプ２４から延びる水経路２２の部分は、下部ヘッダ２２ｂ１の入口αに繋がっており、上部ヘッダ２２ｂ２の出口βから延びる水経路２２の部分は、セパレータ２１に繋がっている。

複数本の水管２２ａは、それぞれ下部ヘッダ２２ｂ１と上部ヘッダ２２ｂ２の間において上下方向に延びており、円筒状である側壁１１ａを形成するように当該円筒状の周方向に並べて配置されている。複数本の水管２２ａそれぞれは、周方向に隣合うもの同士の間に隙間が無いように一体化されている。

複数本の水管２２ａそれぞれの内部空間は、下側において下部ヘッダ２２ｂ１の内部空間に連接しており、上側において上部ヘッダ２２ｂ２の内部空間に連接している。すなわち、円形の下部ヘッダ２２ｂ１は、複数本の水管２２ａすべての下端と接続されており、円形の上部ヘッダ２２ｂ２は、複数本の水管２２ａすべての上端と接続されている。これにより、入口αから下部ヘッダ２２ｂ１内に進入した水は、水管２２ａを通って出口βに達することができる。

図５は、水管２２ａおよびその周辺を通る水の進路を実線矢印で概略的に示している。入口αから下部ヘッダ２２ｂ１内に水が進入すると、下部ヘッダ２２ｂ１に沿って円周方向へ水が流れ、更に複数本の水管２２ａそれぞれに沿って上方へ水が流れる。また、水管２２ａにおいて加熱された水は上部ヘッダ２２ｂ２に蒸気として達し、この上部ヘッダ２２ｂ２に沿って円周方向へ流れ、出口βからセパレータ２１に向けて送出される。

上述したように本実施形態では、水経路２２は、それぞれ側壁１１ａの筒状の軸方向（鉛直方向）に延びる複数本の水管２２ａを有し、これらは側壁１１ａを形成するように当該筒状の周方向に並べられることにより、発熱体を囲んで配置されている。そのため本実施形態では、貫流ボイラ或いはこれに準じたものを構成するように水管２２ａを配置しながらも、側壁１１ａの全周のほぼ全ての領域を網羅するように水管２２ａを配置することが容易であり、発熱体が発する熱を極力無駄なく蒸気の元となる水へ伝えることが可能である。

３．第３実施形態
次に本発明の第３実施形態について説明する。なお第３実施形態は、反応体の加熱手段としてヒータの代わりに水素焚きバーナを採用した点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図６は、第３実施形態に係るボイラ１ｂの概略的な構成図である。なお図６においては見易さを考慮し、図１で示していた実線矢印や一点鎖線の表示を省略している。本図に示すようにボイラ１ｂでは、ヒータ１３（図１を参照）の設置を省略する代わりに水素焚きバーナ１８が設けられている。

水素焚きバーナ１８は水素系ガスを燃料とするバーナであり、容器１１の内部において、反応体１２を加熱するとともに側壁１１ａも加熱することが出来るよう配置されている。本実施形態の例では、反応体１２と側壁１１ａの間に燃焼炎を噴出させて、これら双方の加熱が効率良く行われるよう配慮されている。なお、水素焚きバーナ１８を容器１１の外側に配置しておき、水素焚きバーナ１８が側壁１１ａを直接的に加熱するとともに、側壁１１ａを介して反応体１２を加熱するようにしても良い。

本実施形態では、水素焚きバーナ１８が反応体１２を加熱する役割を果たすため、先述したヒータ１３の設置を省略することが可能となっており、反応体１２の温度を上げるための他の外部熱源も不要である。また、水素焚きバーナ１８の燃料として供給される水素系ガスは、ガス受入部１５へ供給される水素系ガスと供給元が共通になっている。これにより、当該供給元から供給される水素系ガスを効率良く利用することが可能であり、ボイラの構成の簡素化等においても有利である。

また更に、水素焚きバーナ１８が側壁１１ａを加熱することにより、水管２２ａを通る水を加熱することも可能である。このように本実施形態では、反応体１２から発せられる熱だけでなく、水素焚きバーナ１８によっても水を加熱することができる。そのため、例えばボイラ１ｂの起動時において、反応体１２から十分な熱が発せられるまで水素焚きバーナ１８を用いて水を加熱させることにより、より迅速に蒸気を発生させることが可能となる。特に反応体１２は、その温度が所定の反応温度まで上昇してから反応が始まり、徐々に過剰熱を発生させる性質を有するため、起動時において水素焚きバーナ１８を用いて水を加熱することにより、蒸気発生までに要する時間を大幅に短縮することが可能である。

４．第４実施形態
次に本発明の第４実施形態について説明する。なお第４実施形態は、燃料電池を設けた点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。以下の説明では第１実施形態と異なる事項の説明に重点をおき、第１実施形態と共通する事項については説明を省略することがある。

図７は、第４実施形態に係るボイラ１ｃの概略的な構成図である。なお図７においては見易さを考慮し、図１で示していた実線矢印や一点鎖線の表示を省略している。本図に示すようにボイラ１ｃでは、燃料電池１９が設けられている。

燃料電池１９は、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料極１９ａに供給された水素系ガスと空気極１９ｂに供給された空気中の酸素とを反応させて発電し、発生させた電力を駆動電力としてヒータ１３へ供給する。これによりヒータ１３は、燃料電池１９から供給された電力により発熱し、発熱体１２を加熱することができる。そのため本実施形態では、ヒータ１３を駆動させるための外部電力を不要とすることが可能である。なお燃料電池１９の発電電力は、ヒータ１３以外の負荷にも供給されるようにしても良い。燃料電池の一般的な構成や動作原理等については公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。

また、燃料極１９ａに供給される水素系ガスは、ガス受入部１５へ供給される水素系ガスと供給元が共通になっている。これにより、当該供給元から供給される水素系ガスを効率良く利用することが可能であり、ボイラの構成の簡素化等においても有利である。

また本実施形態では、燃料極１９ａに供給された水素系ガスのうち、燃料極１９ａから未反応のまま排出される水素系ガスが、ガス受入部１５へ供給され、ガス経路１４を経由して容器１１の内部へ供給されるようになっている。より具体的には、燃料極１９ａから排出される排ガス（未反応の水素系ガスを含む）に対して、凝縮器（不図示）による気水分離の処理や膜分離器（不図示）による異物除去の処理等が行われるようにしておき、これらの処理を経て純度が高められた水素系ガスが、ガス受入部１５へ供給される。そのため、燃料極１９ａから排出される水素系ガスを有効利用することが可能となっている。

なお本実施形態では、同じ供給元から燃料極１９ａとガス受入部１５へ並行して水素系ガスを供給しているが、当該供給元からは燃料極１９ａのみに水素系ガスが供給されるようにし、燃料極１９ａから未反応のまま排出される水素系ガスのみがガス受入部１５へ供給されるようにしても良い。また逆に、当該供給元からはガス受入部１５のみに水素系ガスが供給されるようにし、ガス経路１４内を循環する水素系ガスのが燃料極１９ａに供給されるようにしても良い。更にこの場合に、燃料極１９ａから未反応のまま排出される水素系ガスが、再度ガス経路１４内へ戻されるようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、本発明に係るボイラは、上記実施形態のような蒸気を発生させるボイラの他、温水ボイラや熱媒ボイラ等にも適用可能である。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、ボイラに関するものである。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、２ ボイラ
１１ 容器
１１ａ 側壁
１１ｂ 上底部
１１ｃ 下底部
１２ 反応体
１２ａ 発熱素子
１３ ヒータ
１４ ガス経路
１５ ガス受入部
１６ ガスポンプ
１７ ガスフィルタ
１８ 水素焚きバーナ
１９ 燃料電池
１９ａ 燃料極
１９ｂ 空気極
２１ タンク
２２ 水経路
２２ａ 水管
２２ｂ１ 下部ヘッダ
２２ｂ２ 上部ヘッダ
２３ 水受入部
２４ 水ポンプ

Claims (11)

1. 水管と、
   発熱体と、
   内部に前記水管および前記発熱体が設けられた容器と、を備え、
   空気よりも比熱の高いガスが前記容器の内部に充満した環境下において、前記発熱体から熱を発生させ、伝導、対流および輻射により前記水管を加熱することを特徴とするボイラ。
2. 前記ガスが循環する経路として、前記容器内を一部として含む循環経路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記ガスは、水素系ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボイラ。
4. 前記発熱体は、
   水素吸蔵金属類からなる金属ナノ粒子が表面に設けられており、
   前記水素系ガスが前記容器内に供給された状況下において、前記金属ナノ粒子内に水素原子が吸蔵され過剰熱を発生させる反応体であることを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
5. ヒータ又はバーナを備え、
   前記反応体を加熱することを特徴とする請求項４に記載のボイラ。
6. 前記バーナとして水素系ガスを燃焼させる水素焚きバーナを備え、
   前記水素焚きバーナと前記容器の内部への水素系ガスの供給元を、共通としたことを特徴とする請求項５に記載のボイラ。
7. 前記循環経路に設けられたガスポンプと、
   前記ガスポンプの一次側に設けられ、前記ガスを外部から受けるガス受入部と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
8. 前記循環経路は、前記容器の上部および下部と接続することを特徴とする請求項２に記載のボイラ。
9. 前記水管は螺旋状に延びて前記発熱体を囲んで配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載のボイラ。
10. 鉛直方向に延びる複数本の前記水管が、前記発熱体を囲んで配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載のボイラ。
11. 前記水管は、前記容器の側壁と前記発熱体の間に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れかに記載のボイラ。
    

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