(57)【要約】      （修正有）【課題】火炎の強弱にかかわらず安定した電力が得られるとともに、効率よく発電する燃料電池を組み込んだバーナー装置を提供する。【解決手段】バーナー本体２上にバーナーキャップ３が搭載されたバーナー装置１であって、バーナーキャップ３はキャップ上部４と燃料電池５とキャップ下部６とからなり、燃料電池５は、キャップ上部４とキャップ下部６との間に位置し、キャップ上部４は、空気貫通孔１１から延びる空気供給路１２を有し、キャップ下部６は、バーナー本体２の燃料通路１４に接続される燃料供給路１５を有し、燃料電池５のカソード層２３が空気供給路１２に面し、燃料電池５のアノード層２２が燃料供給路１５に面している。【選択図】図１
2013175290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナー本体上にバーナーキャップが搭載されたバーナー装置であって、
前記バーナーキャップはキャップ上部と燃料電池とキャップ下部とからなり、
前記燃料電池は、前記キャップ上部と前記キャップ下部との間に位置し、
前記キャップ上部は、空気貫通孔から延びる空気供給路を有し、
前記キャップ下部は、前記バーナー本体の燃料通路に接続される燃料供給路を有し、
前記燃料電池のカソード層が前記空気供給路に面し、
前記燃料電池のアノード層が前記燃料供給路に面していることを、
特徴とするバーナー装置。
【請求項２】
前記空気供給路及び前記燃料供給路は、前記バーナーキャップの外縁側に向かって放射状に延びる溝形状をなし、互いに前記燃料電池を介して対向していることを特徴とする請求項１に記載のバーナー装置。
【請求項３】
前記バーナー本体は、前記燃料通路の途中に空気吸気口を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナー装置。
【請求項４】
前記燃料電池は、単一のセルが互いに直列接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ１項に記載のバーナー装置。
【請求項５】
前記燃料電池の前記アノード層及び前記カソード層は、前記キャップ下部に設けられた炎孔より内部に位置することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに１項に記載のバーナー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼に必要な燃料ガスおよび空気を供給する経路に燃料電池を備えたバーナー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からガス器具の燃焼熱を利用し、器具内に備えた固体燃料電池を発電させ、生じた電力によって電気的負荷を作動させる技術が知られている。
【０００３】
たとえば特許文献１には、調理用ガスコンロの火炎部近傍に燃料電池を配置し、この燃料電池から生じた電力によって警報器を駆動させる火炎監視システムが開示されている。
図１１に示すとおり、このシステムにおいては、燃料電池をガスコンロの外側の炎に晒される位置に配置し、炎の熱で作動温度まで到達させ、炎の周囲の空気と燃焼されずに残った燃料ガスとで発電させている。
【０００４】
また特許文献２には、ガスバーナの炎孔部に配置された燃料電池を燃料ガスの燃焼によって作動温度まで昇温させるとともに、この燃料電池の空気極と燃料極とにそれぞれ供給される空気と燃料ガスとによって発電させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８‐１７５４６９
【特許文献２】特開２００７‐４２３５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１や２のように燃料電池をガスコンロの外側に配置してしまうと、使用環境といったガスコンロから露出した部分の影響や火炎の強弱によって燃料電池の作動温度が左右されるため、安定的に電力を得ることができないという問題があった。
【０００７】
また、特許文献１のようにガスコンロから露出した部分に燃料電池を配置してしまうと鍋等から煮汁が吹きこぼれた場合、煮汁が燃料電池に触れ、燃料電池の温度を下げてしまい発電効率を著しく低下させてしまうという問題があった。
【０００８】
また、特許文献１や２のようにガスバーナの燃焼ガスとして、燃焼用空気と燃料ガスの混合気を用いると、理論空燃比から燃料ガスの割合が高くなってしまった場合、余剰となった燃料ガスが損失となるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、内部に燃料電池を備え、この燃料電池から安定的かつ効率的に電力が得られるとともに、燃料ガスの燃焼効率を一段と高めることができるバーナー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のバーナー装置は、バーナー本体上にバーナーキャップが搭載されたバーナー装置であって、前記バーナーキャップはキャップ上部と燃料電池とキャップ下部とからなり、前記燃料電池は、前記キャップ上部と前記キャップ下部との間に位置し、前記キャップ上部は、空気貫通孔から延びる空気供給路を有し、前記キャップ下部は、前記バーナー本体の燃料通路に接続される燃料供給路を有し、前記燃料電池のカソード層が前記空気供給路に面し、前記燃料電池のアノード層が前記燃料供給路に面していることを、特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、キャップ上部に設けられた空気貫通孔から延びる空気供給路に面した燃料電池のカソード層には空気が供給され、同時にキャップ下部に設けられた燃料供給路に面したアノード層には燃料ガスが供給される。このとき、バーナーキャップ内部に備えた燃料電池は火炎によって昇温され作動温度に到達する。燃料電池として作動すると、アノード層に供給された燃料ガスに含まれる水素は電子を放ちながらカソード層に移動し、この電子の移動により電力が生じる。
【００１２】
燃料電池はキャップ上部とキャップ下部の間に位置し、バーナー装置の外部に露出していないため、使用環境や火炎の強弱にかかわらず安定的に発電することができる。また、燃料電池がバーナー装置の外部に露出していないため、万が一バーナー装置の被加熱物がこぼれたとしても燃料電池に触れることはない。これにより燃料電池を高温に維持でき効率的に発電することが可能となる。
【００１３】
燃料供給路を経由した燃料ガスが燃焼し温度が上昇すると、炎孔周辺の空気が上昇し、バーナーキャップ中央部の空気貫通孔から吸い込まれた空気が空気供給路を経て排気孔から排出される旋回流が生じる。これにより燃料ガスには燃焼に必要な空気が十分に与えられ、燃料ガスを余すことなく燃焼させることができる。
【００１４】
前記空気供給路及び前記燃料供給路は、前記バーナーキャップの外縁側に向かって放射状に延びる溝形状をなし、互いに前記燃料電池を介して対向していることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、燃料電池のアノード層が燃料供給路で覆われ、カソード層が空気供給路で覆われた構成となるため、それぞれの層に燃料ガスと空気とを誘導することができる。燃料電池は、このカソード層とアノード層とが対向した面積に応じて発電するため、空気供給路と燃料供給路とが対向していることにより、発電する領域がより集中し、一段と効率的な発電が可能になる。
【００１６】
また、バーナー本体は前記燃料通路の途中に空気吸気口を有していることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、バーナー本体の燃料通路を通過する燃料ガスに予め空気を混合することができる。燃料ガスをガスと空気の混合気とすることで、空気供給路からはこの混合気中の理論空燃比より少ない分の空気のみを供給すれば、燃料ガスが完全燃焼しやすくなる。これにより燃焼せずに大気放出される燃料ガスが減少し、燃料ガスの損失を抑えることができる。
【００１８】
また、前記燃料電池は単一のセルが互いに直列接続されていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、高い実効電圧が得られ、燃料電池はより高電圧の電気的負荷を動作させることができる。
【００２０】
また、前記燃料電池のアノード層およびカソード層の端部は、前記キャップ下部に設けられた炎孔より内部に位置することが好ましい。      
【００２１】
この構成によれば、万が一鍋等から煮汁等が吹きこぼれたとしても、燃料電池に直接触れる可能性が一段と低くなるため、より一層の発電効率の低下を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、バーナー装置の内部に備えた燃料電池から安定的かつ効率的に電力が得られるとともに、燃料ガスの燃焼効率を一段と高めたバーナー装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は、本発明に係るバーナー装置１の断面図である。（ｂ）は、本発明に係るバーナー装置１の上面図である。
【図２】図２は、燃料電池５の発電反応図である。
【図３】図３は、バーナーキャップ３のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４は、バーナーキャップ３を空気供給路に対して垂直に切断したときの断面図である。
【図５】図５は、燃料電池５の直列接続方法の図である。
【図６】図６は、キャップ上部４の下面図である。
【図７】図７は、キャップ下部６の上面図である。
【図８】図８は、燃料電池５の上面図（カソード層）である。
【図９】図９は、燃料電池５の下面図（アノード層）である。
【図１０】図１０は、本発明に係るバーナー装置１をガスコンロに応用した例図である。
【図１１】図１１は、従来技術を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本実施形態に係るバーナー装置１の断面図である。図１（ｂ）は本実施形態に係るバーナー装置１の上面図である。
【００２５】
バーナー装置１は、バーナー本体２とバーナーキャップ３とから構成され、このバーナーキャップ３は、キャップ上部４と燃料電池５とキャップ下部６とに分かれている。
【００２６】
燃料電池５は、キャップ上部４とキャップ下部６との間に配置され、この燃料電池５のアノード層２２はキャップ下部６の上面に位置する燃料供給路１５に面し、カソード層２３はキャップ上部４の下面に位置する空気供給路１２に面している。
【００２７】
また、キャップ上部４の中央部には、空気供給路１２に連なる空気貫通孔１１が形成されている。これにより、燃料電池５のカソード層２３には、常に空気を送り込むことができる。
【００２８】
また、キャップ下部６の中央部には、燃料供給路１５に連なる燃料通路１４と、燃料通路１４と空気貫通孔１１を仕切る燃料供給壁１６が形成されている。これにより、燃料電池５のアノード層２２には、バーナー装置１の燃料時に燃料ガスを送り込むことができる。
【００２９】
燃料供給路１５を通過する燃料ガスと空気供給路１２を通過する空気とは、互いに交わらないように燃料電池５によって完全に仕切られている。
【００３０】
以上のように構成されたバーナー装置１において、ガスノズル７から送られた燃料ガスは、燃料通路１４から燃料供給路１５を通り炎孔３９に送られ、着火後、火炎４５となる。火炎４５で熱せられた空気は、バーナーキャップ３の上方へと移動し、新たな空気が空気貫通孔１１から空気供給路１２を経由し排気孔１３に送られる。絶え間なく供給される空気が繰り返し火炎４５で熱せられることにより、空気供給路１２を周回する旋回流が生じる。このため、より多くの空気を火炎４５へ供給することができる。
【００３１】
その結果、燃料ガスが燃焼を続ける間、燃料供給路１５を通過する燃料ガス中の水素が燃料電池５のアノード層２２に、空気供給路１２を通過する空気中の酸素が燃料電池５のカソード層２３に供給され、同時にバーナーキャップ３内の燃料電池５の温度が高まり、発電に充分な水素、空気、温度が供給され、安定的な発電が達成される。
【００３２】
燃料電池５の外縁側の端部は、炎孔３９よりも中心側に位置することが望ましい。これによって鍋４８等から吹きこぼれた煮汁が燃料電池５に直接触れないため、発電効率の低下を防ぐことができる。
【００３３】
また、バーナー装置１の燃焼に必要な空気をあらかじめ燃料ガスに送り込むため、ガスノズル７と燃料通路１４との間に、空気吸気口１７を備えることが好ましい。空気吸気口１７を備えることにより、燃焼に必要とされる空気を安定した流量で取り入れることができ、完全燃焼しやすくなる。
【００３４】
次に、図２を参照して、燃料電池５の反応について説明する。本発明の実施形態にリン酸型燃料電池を用いる場合、燃料電池５の温度が反応温度の約２００度まで到達すると、アノード層２２に供給された燃料ガス中の水素Ｈ２が電子２ｅ−を放出して陽子２Ｈ＋となり、電解質層２１の中をカソード層２３に移動する。つまり、燃料電池５が反応温度にある間、電子がアノード層２２からカソード層２３に移動し続ける。この電子の移動により、燃料電池５が発電することになる。
【００３５】
一方、放出された電子２ｅ−は導線２４を通ってカソード層２３に移動し、この電子２ｅ−と陽子２Ｈ＋と空気中の酸素１／２Ｏ２とが反応して水Ｈ２Ｏが生成する。つまり、カソード層２３においては、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏなる反応が継続する。カソード層２３で生成した水はバーナーキャップ３の加熱によって水蒸気となり、大気中に放出される。
【００３６】
図３および図４を参照して、本実施形態のバーナーキャップ３の構造をさらに詳細に説明する。バーナーキャップ３は、キャップ上部４とキャップ下部６とで、燃料電池５を挟みこむ構成となっている。
【００３７】
キャップ上部４には、複数の突起部３３が設けられている。燃料電池５の電解質層２１には、これらの突起部３３が貫通する孔３４が設けられ、キャップ上部４の突起部３３は、孔３４を通過し、キャップ下部６に設けられた穴３５にはめ込まれる。こうして燃料電池５が、バーナーキャップ３の内部に固定される。
【００３８】
燃料通路１４と空気貫通孔１１を仕切る燃料供給壁１６は、バーナー本体２側、バーナーキャップ３側のどちらに設置されていても良い。これによってバーナー本体２とバーナーキャップ３の組み立てが容易になる。
【００３９】
キャップ上部４の下面には空気供給路１２となる凹形状の溝部が形成され、燃料電池５の電解質層２１の一面側に形成されたアノード層２２を覆っている。キャップ下部６の上面には燃料供給路１５となる凹形状の溝部が形成され、燃料電池５の電解質層２１の他面側に形成されたカソード層２３を覆っている。
【００４０】
キャップ上部４に形成された空気供給路１２とキャップ下部６に形成された燃料供給路１５とは、それらの間に燃料電池５を介して互いに対向するように形成され、バーナー装置１の中心から外縁側に向って放射状に広がっている。こうすることによって、燃料電池５に対し空気や燃料ガスを均一に誘導することでき、より安定した電力を得ることができる。
【００４１】
空気供給路１２および燃料供給路１５の溝幅を中心から外縁側に向って徐々に広げ、間に位置する燃料電池５を扇状に形成してもよい。そうすると、発電領域が広がりより大きい電力が得られる。
【００４２】
キャップ上部４およびキャップ下部６の溝形状は、三角形状、矩形状、円弧状、など様々な形状で構わないが、バーナーキャップ３に用いられる材料は加工性に優れていることが望ましい。キャップ上部４およびキャップ下部６が、精度良く加工されれば、燃料電池５はキャップ上下間で隙間なく固定されるため、バーナー装置１の蓄熱性は一段と高くなり燃料電池５の温度も安定しやすい。たとえば、加工が容易で耐食性にも優れたステンレスを用いると、掃除などメンテナンスも容易となる。
【００４３】
本実施形態に用いるリン酸型燃料電池は、電解質２１とアノード層２２とカソード層２３で構成される。電解質層２１には、粒径０．５μｍ〜２μｍのＳｉＣ微粉末を弗素樹脂で結着した層に８５％〜１１０％の濃厚リン酸液を含浸したものが用いられる。アノード層２２には白金、白金‐ルテニウム触媒が用いられ、カソード層２３にはファーネスブラックなどに白金とＣｒ、Ｔｉ、Ｗ等とを組み合わせた２元系、もしくは３元系合金触媒を分散担持させたものが使われる。
【００４４】
燃料電池５は、用途によって選択することが好ましい。例えば、ガスコンロ４７に用いる場合、バーナーキャップ３の温度は約２００度になるため、反応温度が近いリン酸型燃料電池を用いるとよい。ガスファンヒーターや、湯沸かし器には、反応温度が約９００度程度の固体電解質型燃料電池を用いるよい。燃料電池が適用される装置の動作温度に合わせて、燃料電池の種類を選択すると、より効率よく発電させることができる。
【００４５】
図５を参照して、単一のセルを直列接続する方法を説明する。隣接する一方のセルのアノード層２２と他方のセルのカソード層２３を空気貫通孔１１側で電気的に接続するのが良い。これによって直列接続され実用的な電圧が達成される。
【００４６】
図６から図９を参照して、燃料電池５が８つのセル得るからなるバーナーキャップ３を設けたときのバーナー装置１を説明する。
【００４７】
図６に示すように、キャップ上部４の下面には、空気貫通孔１１から外縁側に向って放射状に延びる８つの溝形状の空気供給路１２が設けられている。バーナーキャップ３の外径が約１００ｍｍであれば、幅４ｍｍ×長さ４０ｍｍ×深さ２ｍｍの溝が８つ設けられる。
【００４８】
図７に示すように、キャップ下部６には、空気供給路１２に対向して、燃料供給路１５が設けられている。燃料供給路１５も同様に、幅４ｍｍ×長さ３０ｍｍ×深さ２ｍｍの８つの溝となる。
【００４９】
これらのキャップ間に挟まれる燃料電池５は、電解質層２１の一方の面に約３ｍｍ×２５ｍｍのカソード層２３が形成され、他方の面には約３ｍｍ×２５ｍｍのアノード層２２が形成される。カソード層２３とアノード層２２の重なる領域が発電領域となるから、できるだけ重なるように形成することが望ましい。両層間のずれを考慮して予め所望の領域より大きい面積の層としてもよい。
【００５０】
こうして形成した燃料電池５をキャップ上部４とキャップ下部６とで挟んで固定する。このとき、燃料供給路１５および空気供給路１２が、それぞれ燃料電池５のアノード層２２、カソード層２３を、できるだけずれや隙間が生じることなく覆うことが望ましい。
【００５１】
また、発電した電力を燃料電池５から取り出す場合は、図８、図９に示したように導線２４を燃料電池５の電解質層２１の内周側に配置すればよい。内周側は炎から遠いため、電力を外部に引き出すことが容易となるからである。
【００５２】
燃料電池５の構造は単一のセルどうしを複数積層させても良い。積層構造の場合、単一のセルよりも燃料電池の面積が多くなるため、より大きな電力を発電することができる。
【００５３】
図１０は、バーナー装置１から得られた電力をガスコンロ４７に応用した例である。
発電した電力は、電源や蓄電など、さまざまな用途に利用することができる。
【００５４】
ガスコンロ４７の内部に制御回路４３やセンサ機能を備えることにより、ガスコンロ４７に備える、着火装置３１や電磁弁４１、操作パネル４２、温度センサ３６や炎センサ４６などのセンサ部３８等の電気的負荷を作動させる電源として利用することができる。
【００５５】
二次電池４０に蓄電することにより、燃料電池５が動作しないときも、乾電池などの外部電源からの電力供給を使うことなくガスコンロ４７を利用することができる。
【００５６】
燃料電池５の出力は、制御回路４３内のバッテリーマネジメントコントローラ４４でモニタリングしていることが好ましい。バッテリーマネジメントコントローラ４４は、ガスコンロ４７で立消えが生じたとき、燃料ガスが供給されているのにもかかわらず、燃料電池５が発電しない状態をモニタリングし、制御回路４３で電磁弁４１を閉弁することができる。
【００５７】
このバーナー装置１によれば、バーナー装置１に利用する燃料電池５から、安定的かつ効率的に電力が得られるとともに、燃料ガスの燃焼効率を一段と高めることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１      バーナー装置
２      バーナー本体
３      バーナーキャップ
４      キャップ上部
５      燃料電池
６      キャップ下部
７      ガスノズル
１１    空気貫通孔
１２    空気供給路
１３    排気孔
１４    燃料通路
１５    燃料供給路
１６    燃料供給壁
１７    空気吸気口
２１    電解質層
２２    アノード層
２３    カソード層
２４    導線
３１    着火装置
３３    突起部
３４    孔
３５    穴
３６    温度センサ
３７    センサカバー
３８    センサ部
３９    炎孔
４０    二次電池
４１    電磁弁
４２    操作パネル
４３    制御回路
４４    バッテリーマネジメントコントローラ
４５    火炎
４６    炎センサ
４７    ガスコンロ
４８    鍋
【図１】
2013175290.tif 000003
【図２】
2013175290.tif 000004
【図３】
2013175290.tif 000005
【図４】
2013175290.tif 000006
【図５】
2013175290.tif 000007
【図６】
2013175290.tif 000008
【図７】
2013175290.tif 000009
【図８】
2013175290.tif 000010
【図９】
2013175290.tif 000011
【図１０】
2013175290.tif 000012
【図１１】
2013175290.tif 000013