(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス発生手段により発生した燃焼ガスを案内する燃焼筒と、当該燃焼筒との間に燃焼ガスの流通空間を確保して囲設した改質反応管とからなり、
上記燃焼筒により案内された上記燃焼ガスを、その流れ方向を反転させて上記燃焼ガス流通空間に導入する燃料改質装置であって、
上記燃焼ガス発生手段を上記燃焼筒の下端に配し、
上記燃焼ガス流通空間への導入前に、上記燃焼ガスに旋回力を付与するための旋回流発生手段を備え、
上記旋回流発生手段を、燃焼筒からの燃焼ガスが反転される折り返し地点である燃焼筒の上端に配し、
上記旋回流発生手段は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを受けとめ燃焼筒外部に反射させる反射板と、当該反射板により反射された燃焼ガスに旋回力を付与して上記改質反応管の壁面に衝突させる旋回羽根板とから構成され、
上記旋回羽根板は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを整流して上記燃焼ガス流通空間に導入する前記反射板に直角に立設された第一の羽根部と、整流された燃焼ガスに旋回力を付与する前記第一の羽根部の下端部分の前記燃焼筒の軸心方向に対して傾斜させて取着した平板状の第二の羽根部とから構成されていることを特徴とする燃料改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素等の燃料を水蒸気を用いて改質することにより水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池等に水素を製造して供給するための水素製造装置においては、天然ガス，メタノール，ナフサ等の炭化水素系の原燃料を水蒸気と混合して改質触媒で水素リッチなガスに改質するいわゆる水蒸気改質方式が採用されている。
【０００３】
この水蒸気改質は、ブタンを例に挙げると、下記化１の反応式で示され、通常６００℃〜８００℃程度の高温下でなされる。
【０００４】
【化１】
0003663290.tif 000002
【０００５】
このような水蒸気改質装置は、家庭や戸外で使用される場合もあり、配置スペースや運搬の利便性からそのような場合できるだけコンパクトな装置設計が要求される。
【０００６】
従来の比較的コンパクトな水蒸気改質装置の例としては、特開平２−２６４９０３号公報や特開平５−１８６２０１号公報に開示されているように、二重円筒管の中に改質反応用触媒が充填された反応槽を中心部分に設けたバーナで加熱しながら、当該反応槽に原燃料と水蒸気とを送り込んで改質するものが知られている。
【０００７】
こういった改質装置では、改質触媒層内の原料ガス流れ方向に垂直な面内の温度（以下、この原料ガス流れ方向に垂直な面での温度分布を「面内温度」と定義する。）をできる限り均一にしかも反応が十分に進行するような適切な温度（６００〜８００℃）にバーナー等により生成された燃焼ガスの熱量の損失量をできるだけ少なくして効率良く加熱することが望まれる。即ち、面内温度が不均一になれば、例えば当該触媒層内で温度が高い部分で反応が著しく進行する一方、温度が低い部分で反応性が低下して、つまり触媒層内で反応が不均一に進行することによって（換言すれば、触媒利用率にむらが生じてしまうということである。）局所的に急速な触媒活性の低下を招いてしまうことにもなる。そして、このように局所的な触媒活性の低下が進行すると、改質装置の反応性がいきおい低下してしまう。これに対して燃焼ガスを単に均一的に分散させただけでは、燃焼ガス自体のゆらぎによって面内温度は不均一になってしまわざるを得ず、しかも改質触媒層の壁面に直交する方向（円周方向）への熱伝達率が小さいという問題は依然として残る。一方、面内温度分布が均一的であれば反応が不均一に進行することは抑えられるが、それだけではこの場合にも燃焼ガスからの熱の熱伝達率は依然として低く従って改質装置の熱効率も低いので、改質触媒層を適切な反応温度に設定するためにはバーナ等による燃焼力を大きくせざるを得ない。つまり、バーナなどの燃焼ガス発生手段の大型化を招いてしまう。
【０００８】
そこで、上記問題を解消すべく従来から様々な工夫が凝らされてきた。例えば、特開平７−０３３４０２号公報には、図７に示すような改質装置が開示されている。即ち、燃焼用バーナ５０１によって発生させた高温の燃焼ガスを、螺旋状にガイドフィン５０２が配された燃焼筒５０３内で旋回流として、これを整流板５０４によって半径方向に分散させて改質触媒層５０５を暖める構成にしてある。これによれば、燃焼ガスを旋回流として供給することにより燃焼ガスのゆらぎの解消により円周方向へ均一的に熱伝達することになるので、改質触媒層内の面内温度の均一化をある程度図ることができる。しかも、旋回流であるため円周方向への熱伝達率を大きくすることができるので、改質装置自体の熱効率も比較的優れている。また、同特許公報には、燃焼用バーナを５０１を燃焼筒５０３に予め斜めに設置して上記燃焼ガスの旋回流を発生させる技術が開示されている。これによっても上記同様に面内温度の均一化と共に改質装置の熱効率の向上が図れる。更に、特開平８−１９２０４０号公報には、図８に示すように改質触媒層５０６の近傍に螺旋状で金属からなる伝熱促進体５０７を取着することによって、燃焼ガスを旋回流にする技術が開示されている。この技術によっても同様の効果をある程度得ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記公報開示の技術では未だ不十分であり、改質触媒層の面内温度を更に均一にすると共に、改質装置の熱効率を向上させることが望まれる。これは、上記構成の何れにおいても旋回流を発生させる位置が燃焼筒内部であるか若しくは燃焼ガスを一旦円周方向にある程度分散させて燃焼ガスが円筒体の軸芯方向に流れた後であって、バーナの燃焼力を大きくしない限り、燃焼ガスが改質触媒層との熱交換に到るさいに十分な旋回流が得られず一旦発生した旋回流が層流となってしまい結局ゆらぎが解消されない可能性があって、こうなれば十分に加熱できず面内温度が不均一になってしまい、加えて熱伝達率も低下してしまうからである。また、旋回流を発生させるために、螺旋状の部材を燃焼筒内や改質触媒層の反応管に対して、つまり曲面に対して溶接しなければならないので装置の製造工程における製造者への負担が大きくコスト高につながるといった問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、構成をさほど複雑にすることなく、しかもバーナ等の燃焼ガスの発生手段を大型化することもなく、面内温度均一化の効果に優れ、且つ、熱効率に優れた燃料改質装置を提供することを目的としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、燃焼ガス発生手段により発生した燃焼ガスを案内する燃焼筒と、当該燃焼筒との間に燃焼ガスの流通空間を確保して囲設した改質反応管とからなり、上記燃焼筒により案内された上記燃焼ガスを、その流れ方向を反転させて上記燃焼ガス流通空間に導入する燃料改質装置であって、上記燃焼ガス発生手段を上記燃焼筒の下端に配し、上記燃焼ガス流通空間への導入前に、上記燃焼ガスに旋回力を付与するための旋回流発生手段を備え、上記旋回流発生手段を、燃焼筒からの燃焼ガスが反転される折り返し地点である燃焼筒の上端に配し、上記旋回流発生手段は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを受けとめ燃焼筒外部に反射させる反射板と、当該反射板により反射された燃焼ガスに旋回力を付与して上記改質反応管の壁面に衝突させる旋回羽根板とから構成され、上記旋回羽根板は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを整流して上記燃焼ガス流通空間に導入する前記反射板に直角に立設された第一の羽根部と、整流された燃焼ガスに旋回力を付与する前記第一の羽根部の下端部分の前記燃焼筒の軸心方向に対して傾斜させて取着した平板状の第二の羽根部とから構成されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、簡単な構成でしかもバーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化するまでもなく、燃焼ガスを旋回流として均一的に分散させて燃焼ガスのゆらぎの解消を図ると共に伝熱成分を増やすことにより（このように伝熱成分が増えるのは、流体力学によって裏付けられる温度境膜の低減などの作用に基づくと思われる。）、改質触媒層の面内温度均一化を図るとともに、改質触媒層の熱効率の向上を図ることができる。つまり、バーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化せずとも高い熱効率で反応温度適温における改質触媒層の面内温度を均一にすることができるといった効果を奏する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る燃料改質装置について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１９】
〔実施の形態１〕
【００２０】
改質反応管の組構造は、燃焼ガスを分散させる手段が特徴的である以外は、複数個の耐熱性の円筒状部材を同心円状に組み合わせることによって構成された従前からの二重円筒管構造であり以下述べるような構造をとっている。図１（ａ）は、本発明の第一の実施の形態に係る燃料改質装置１の内部構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図（ａ）における矢印Ｘ１矢視上面図である。
【００２１】
これらの図に示すように、当該燃料改質装置１は、当該装置を所定の温度に維持するための熱媒体である燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成部１０（本実施の形態ではバーナを用いてある。）と、炭化水素系の原燃料（メタン，ブタン等）を水蒸気を用いて水素リッチなガスに改質する燃料改質部２０（特許請求の範囲では改質反応管と記載）と、燃焼ガス生成部１０で生成された燃焼ガスを、装置１０内に特に燃料改質部２０に設けられた燃料改質用の触媒層に対して、効率良く熱伝達されるように、これに対峙した位置に確保された燃焼ガス流通空間３０とから構成されている。
【００２２】
この燃焼ガス生成部１０の上部に、円筒管４０がその底板４１の中央部分に開設された開口部（不図示）を燃焼ガス生成部１０に設けた上記開口部に臨ませて、燃焼ガスが当該円筒管４０内に流入するように配設してある。そして、円筒管４０内に流れ込んだ燃焼ガスを外部に排出するように、燃焼ガス排出管４１ａを当該円筒管４０の側壁上部から挿設してある。
【００２３】
次に、上記円筒管４０の底板４１に設けた開口部から円筒管４０内に流入する燃焼ガスが当該円筒管４０内で効率良く対流するように、燃焼ガスを管内の上部に案内する燃焼筒５０を、上記円筒管４０の底板４１の開口部にその開口端を臨ませて円筒管４０内に立設してある。これにより、燃焼ガス生成部１０で生成された高温の熱媒体としての燃焼ガスは、改質触媒の加熱に供される前に当該燃焼筒５０の内部５１を通って、上方に向けて（矢印Ａ１にて示す。）案内されることとなる。
【００２４】
更に、円筒管４０の管内で燃焼筒５０の周囲には、円筒管の成形体である燃料改質部２０が配設してある。この燃料改質部２０は、円筒管４０の内径よりも小さい内径且つその軸心方向の長さよりも短い軸心方向の長さの円筒管の底部から軸心方向上部に向かって前記燃焼筒５０の外径よりも大きい径の凹部２０ａを有する円筒管成形体である。そして、これを、円筒管成形体の凹部２０ａにおいて、これを形成する側壁と燃焼筒５０外壁とを離間させた状態で燃焼筒５０を埋没させるとともに、円筒管４０の内壁とも離間させて開口部を上方にして円筒管４０の天板４２に取着してある。このように燃料改質部２０を設けることによって円筒管４０内で燃料改質部２０の周囲には空間が確保されることとなる。こうして形成された空間が前記燃焼ガス流通空間３０となる。従って、燃焼ガスは勢いよく燃焼筒５０の内部５１からその外部に噴出したのち、前記燃焼ガス流通空間３０内で燃料改質部２０との間で熱交換に供され、前記燃焼ガス排出管４１ａを通して排出されようになっている。
【００２５】
燃料改質部２０の内部構造は、同図１に示すように、仕切筒板２１を天板４２に燃料改質部２０の反応管を形成するドーナツ形状の底板２２から端部を離間させた状態で取着して２つの空間領域を設け、そのなかの内周寄りの領域には上下に原燃料・水蒸気導入用のバッファ空間と改質ガス排出用のバッファ空間を残して断面ドーナツ形状の改質触媒層２３を形成してある。改質触媒層２３は、例えば、セラミックス粒子担体に、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ等を担持させた触媒粒子を充填することにより形成する。そして、燃料改質部２０を形成する円筒管成形体の外壁上部には、前記仕切筒板２１の外周側の空間領域と連通するように、改質ガスを系外に排出するための改質ガス排出管２０ｂが挿設してある。なお、円筒管４０の天板４２の中央部からは、燃料改質に用いる原燃料と水蒸気との混合物を燃料改質部２０に供給するため燃料供給管４３を挿設してある。
【００２６】
前記燃焼筒５０の上端には、熱媒体である燃焼ガスの熱伝達率を高めるべくこれを旋回流にして燃料改質部２０の周囲に分散させるための旋回流発生手段２を設けてある。
【００２７】
この旋回流発生手段２は、円板状の反射板３と、当該反射板３に等ピッチで放射状に立設された所定の曲率の曲面を有する羽根板４・・・とで構成し、羽根板４・・・の下端部分を燃焼筒５０の上端に、反射板３の中心点が燃焼筒５０の軸心と一致するように取着してある。このような構成により、燃焼筒５０によって案内されてきた燃焼ガスを反射板３で受けとめ円周方向に分散させる際に旋回流の発生を伴うものである。しかも、羽根板４・・・は、反射板３に等ピッチに立設してあるので、燃焼ガス流通空間内で均一的な旋回流となる。また、反射板３の燃焼筒５０の内部と対向する部位の中心部分から円周方向に延びるように設けてあるので燃焼筒５０内の中心部分を流れてくる燃焼ガスをも旋回流にできるようになっており、旋回流発生効率の向上に寄与する。なお、反射板３は、燃焼ガスの圧力に耐え得るように燃焼筒５０の上端に羽根板４・・・によって固定されている。
【００２８】
旋回流発生の主なメカニズムを説明すれば次のようになる。まず、燃焼筒５０内を通ってくる燃焼ガス（矢印Ａ１）が、反射板３に衝突する。そして、羽根板４・・・の湾曲面に沿って反射板３の中心点から曲線的な流れをなすように円周方向に向けて分散される（矢印Ａ２）。このような燃焼ガスは上記燃焼ガス流通空間を旋回しながら、燃焼筒５０内での流れ方向に対して方向が反転されて下降することになる（矢印Ａ３）。
【００２９】
このように燃焼ガスに旋回力を付与して均一的に分散させることにより、効率良く改質触媒層を加熱することができる。つまり、旋回力が付与されて旋回流となった燃焼ガスには改質触媒層の形成外壁面に対して直交して伝熱する伝熱成分（円周方向に直線的に伝熱する伝熱成分）が発生するので熱伝達率が向上する。従って、改質触媒層の熱効率が向上されるので改質反応に適切な温度に効率良く加熱することができる。また、このように均一的に発生された旋回流であるために燃焼ガスのゆらぎが解消されるので面内温度の均一化を図ることができるのである。この結果、改質触媒層で改質反応をむらなく均一的にしかも高効率に進行させられることになる。
【００３０】
本改質装置では旋回流発生手段２を、燃焼ガスが燃焼筒５０内から燃焼ガス流通空間に向けて分散しようとする分岐地点に設けてあるので、燃焼ガスを効果的に旋回させて均一的に分散することができる。別な観点から考察すれば、旋回流発生手段２は、燃焼ガスの燃焼筒５０内の流通終端部分、燃焼ガスが上昇気流から下降気流に移行するつまり方向が反転される折り返し地点に配されているので、燃焼ガスはその上昇気流圧により効果的に旋回力が付与されて均一的に分散されることになるとも言える。このように旋回流を効率良く発生できるので、バーナの大型化を抑えることもできる。また、ここに示した旋回流発生手段の構成は極めて簡単なものであって、従来のように筒体の曲面に取着しなくともよいので、製造工程上の負担が軽減され製造コストが極力抑えられると考えられる。
【００３１】
このような旋回流による面内温度均一化の効果や熱効率向上の効果は、旋回流が効率良く発生されしかも旋回流により生まれる円周方向の伝熱成分が多ければ多いほど優れるものと考えられる。従って、そのように旋回流が発生するように羽根板４・・・の曲率を、燃焼ガスの流量や燃焼筒５０の内径等諸々の条件を考慮して設定すべきである。なお、羽根板４・・・は、一定の曲率で形成することもできるが、例えば下方に向かうにしたがい曲率が大きくなるようにねじれた曲面を有するように形成してもよい。
【００３２】
羽根板４・・・の立設する枚数についても、燃焼ガスの流量や燃焼筒５０の内径等によって変わるであろうが、できるだけ枚数は多いほうが旋回流の発生効率は高くなるのではないかと思われる。また、羽根板４・・・の高さは、できるだけ小さく設定することが望ましいと思われる。これは、反射板３で反射された燃焼ガスが反射板３と羽根板４・・・との間の間隙から分散される際に所定の流量あたりに大きな抵抗を受けることになるので、旋回流がより効率良く発生されると考えられるからである。更に、羽根板４を反射板３に立設するときの角度については、上昇してくる燃焼ガスの流れに対して若干傾くように配設するのが望ましいと思われる。これは、燃焼ガスを羽根板４・・・自体で直接受けて分散することになるので旋回流の発生効率は更に高まると考えられるからである。また、羽根板４・・・は、中心側（基端側）の部位よりも円周側の部位が若干下方に傾くようにねじり変形させたものの方が、燃焼ガスが下降したときにおける旋回流が効果的に維持できるので望ましいと思われる。
【００３３】
ここで、仮に、反射板だけしか設けられていない場合には特に改質触媒層の下方部分に対峙する空間でゆらぎが大きいと思われ、下方部位に向かうに従って面内温度は不均一性を増すものと考えられる。従って、燃焼ガスの下降に伴い、如何にゆらぎを解消するのかが面内温度均一化の効果を高めるためには肝要となる。上記旋回流発生手段２は、その点をも満たす技術である。上記旋回流発生手段２は、燃焼ガスを均一的な旋回流にして改質触媒層との熱交換に供し、しかもその旋回流は、分散するときに生成されたものであるので旋回量が多く、燃焼ガスが改質触媒層の軸芯方向に進行（下降）しても円周方向への伝熱成分があまり減少することなく、改質触媒層の入口側から出口側に到るまで均一的に高い効率で熱交換させられる技術であると言える。このことは、後述する実験結果からも裏付けられる（図６参照）。
【００３４】
〔実施の形態２〕
【００３５】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した燃料改質装置１の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。ここでは説明の便宜のため、差分のみについて解説する。
【００３６】
図２は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である（なお、羽根板の拡大図を併記してある）。
【００３７】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段１００、上記旋回流発生手段２と同様に反射板１０１と、これに立設された羽根板１０２・・・とから構成してあり、羽根板１０２・・・の形状が上記羽根板４・・・の形状と異なっている。なお、ここでも、羽根板１０２・・・は、反射板１０１の中心付近から円周方向に延びるように立設し、旋回流の発生効率の向上を図っている。
【００３８】
羽根板１０２・・・は、「く」の字形状をなし、これにより中心側に臨み基端から屈曲部分までの第一の面１０２ａが、反射板１０１によって反射された燃焼ガスの流れを円周方向に直線的に矢印Ａ４のように整流する働きをなし、中心側に望み屈曲部分から円周方向に位置する第二の面１０２ｂが、整流された燃焼ガスを矢印Ａ５のように更に整流しつつ改質触媒層に向けて旋回させながら分散する働きをなす。
【００３９】
このように整流しつつ旋回力を付与し旋回流として均一的に改質触媒層との熱交換に供するので、上記したように改質触媒層の入口部分のみならず中央部分、出口部分に到るまで面内温度分布の均一化を図るとともに、改質装置の熱効率の向上を図ることもできる。しかも、一旦整流してから旋回力を付与するので、旋回流を効果的に発生させられると思われる。
【００４０】
なお、羽根板１０２・・・の屈曲角度は、旋回流による上記した面内温度均一化の効果及び高い熱伝達率が得られるように、燃焼ガスの流量や燃焼筒５０の内径等の条件を加味して設定する。
【００４１】
〔実施の形態３〕
【００４２】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した燃料改質装置１の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。ここでは説明の便宜のため、差分のみについて解説する。
【００４３】
図３は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【００４４】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段２００、上記旋回流発生手段２と同様に反射板２０１と、これに放射状に立設された羽根板２０２・・・とから構成してあり、羽根板２０２・・・の形状が上記羽根板４・・・の形状と異なっている。
【００４５】
羽根板２０２・・・は平板であり、燃焼ガスが反射板２０１の中心点から円周方向に直線的に分散しないよう、つまり燃焼ガスが改質触媒層の形成外壁面に９０°でない角度をもって衝突するように反射板２０１に立設してある。具体的には、燃料改質装置は、同心円状に形成された円筒管構造に設計してあることを考慮して、二次元的な水平断面（水平断面とは、原料の流れ方向に垂直な方向、ここでは、反射板に水平な方向での断面のことを意味する。）で考えたときの円形の反射板２０１の羽根板２０２・・・と交差する周縁部における接線が、羽根板２０２・・・の面に対して法線とならないように、反射板２０１の中心寄りの面内から円周方向に向けて延びるように放射状に取着する。ここで説明した羽根板２０２・・・の取着の仕方を別な表現を用いれば、平板状の羽根板２０２・・・が円板状の反射板２０１の中心点と羽根板の２つの端部とが同一平面において非直線的になるように配されているということでもある。更に、換言すれば、燃焼ガス流通空間を流れる分散流の流束の軸心と反射板２０１との交差点と、平板状の羽根板２０２・・・の２つの水平方向の対向する端部とが同一平面において非直線的になるように反射板２０１に羽根板２０２・・・を立設するということでもある。更に、言い換えれば、ここでは二重円筒の径に対して傾きをもって取着してあるということである。
【００４６】
これにより羽根板２０２・・・の反射板２０１の中心側に臨む面２０２ａ・・・が反射板２０１によって反射した燃焼ガスを整流しつつ旋回力を付与して均一的に旋回流を生じさせる。
【００４７】
従って、上記したように、改質触媒層の入口部分のみならず中央部分、出口部分に到るまで面内温度分布の均一化を図るとともに、改質装置の熱効率の向上を図ることが可能となる。
【００４８】
〔実施の形態４〕
【００４９】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した実施の形態３の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。
【００５０】
図４は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【００５１】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段３００、上記旋回流発生手段２００と同様に反射板３０１と、これに立設された羽根板３０２・・・とから構成してあり、羽根板３０２・・・の取着箇所が反射板３０１の周縁部であって前記旋回流発生手段２００と異なっている。
【００５２】
羽根板３０２・・・は、ここでも燃焼ガスが反射板３０１の中心点から円周方向に直線的に分散しないよう、つまり燃焼ガスが改質触媒層の形成外壁面に９０°でない角度をもって衝突するように反射板３０１の周縁部に放射状に立設してある。具体的には、上記同様に燃料改質装置は、同心円状に形成された円筒管構造に設計してあるので、二次元的な水平断面で考えたときの円形の反射板３０１の羽根板３０２・・・と交差する周縁部における接線が、羽根板３０２・・・の面に対して法線とならないように、羽根板３０２・・・の基端側を反射板３０１の周縁部に取着する。なお、ここで説明した羽根板３０２・・・の取着の仕方を別な表現を用いれば、平板状の羽根板３０２・・・が円板状の反射板３０１の中心点と羽根板の２つの水平方向の対向する端部とが同一平面において非直線的になるように配されてということでもある。更に、このことは、燃焼ガス流通空間を流れる分散流の流束の軸心と反射板３０１との交差点と、平板状の羽根板３０２・・・の２つの端部とが同一平面において非直線的になるように羽根板３０２・・・を反射板３０１に立設することであるとも表現できる。更に、言い換えれば、ここでは二重円筒の径に対して傾きをもって取着してあるということである。
【００５３】
これにより羽根板３０２・・・の反射板３０１の中心側に臨む面３０２ａ・・・が反射板３０１によって反射した燃焼ガスを整流しつつ旋回力を付与することにより旋回流を生じさせる。
【００５４】
従って、上記したように、改質触媒層の入口部分のみならず中央部分、出口部分に到るまで面内温度分布の均一化を図るとともに、改質装置の熱効率の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
なお、当該実施の形態４及び上記実施の形態３は、羽根板が平板であっても上記したように取着する位置を工夫することによって旋回流を発生させられることを示す一例である。
【００５６】
〔実施の形態５〕
【００５７】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した燃料改質装置１の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。ここでは説明の便宜のため、差分のみについて解説する。
【００５８】
図５は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す要部斜視図である。
【００５９】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段４００、上記旋回流発生手段２と同様に反射板４０１と、これに立設された羽根板４０２・・・とから構成してあり、羽根板４０２の形状が特徴的である。羽根板４０２・・・は、反射板４０１に取着した第一の羽根部４０２ａ・・・と、この第一の羽根部４０２ａ・・・の下端部分に円筒管の軸心方向に対して所定の角度θで傾斜させて取着した平板状の第二の羽根部４０２ｂ・・・とから構成してある。このような羽根板４０２・・・を設けることにより旋回流が発生されるわけであるが、本旋回流発生手段４００では、その発生の主なメカニズムが上記したものとは異なっている。つまり、第一の羽根部４０２ａ・・・でまず反射板４０１の中心部分から円周方向へ直線的に整流しながら分散させた後、下方に直線的に降下しようとするときに、第二の羽根部４０２ｂにより別な方向に強制的に導くことにより旋回力を付与し旋回流を発生させるものである。従って、上記同様に改質触媒層の優れた面内温度均一化の効果と高い熱効率が期待できる。
【００６０】
なお、ここで取着した第二の羽根部４０２ｂ・・・は、羽根板３，羽根板１０２，羽根板２０２，羽根板３０２の下方に同様に設ければ、それらだけの場合よりも旋回流の発生を促進させることが可能となる。また、第二の羽根部４０２ｂ・・・だけでも十分に旋回流を発生させられるが、第一の羽根部４０２ａに相当する整流板を設ける方が発生効率に優れると思われる。
【００６１】
【実施例】
上記実施の形態１に基づいて、燃焼筒５０の外径；８０ｍｍ，高さ；２４０ｍｍ、改質触媒層２０の内径；９０ｍｍ，高さ；２００ｍｍ、羽根板４の枚数；４枚，この高さ（即ち、燃焼ガスが噴出される燃焼筒と反射板との間隙）；３０ｍｍ，曲率；半径＝５０ｍｍなどの主な寸法で作製した燃料改質装置を用いて、改質触媒層の面内温度均一化の効果について検証した。
【００６２】
比較例として、上記羽根板４・・・を配さない以外はこれと同じ構成の燃料改質装置を用いた。
【００６３】
そして双方の燃料改質装置を、改質燃料；１Ｎｍ3／ｈ，原燃料と水蒸気の混合比率（スチーム／カーボン比で２．５）、制御温度；改質触媒層の出口平均温度７００℃の条件にて運転した場合の改質触媒層の出口部分に面内温度分布を測定した。この測定結果を図示したのが図６である。図６は、円周に沿った各部位と触媒層の温度との関係を示す特性図である。なお、基準点（角度０°の地点）は、任意に選択した部位である。
【００６４】
これに示すように実施例に係る燃料改質装置では、適切な反応温度（７００℃）付近で面内温度分布は極めて直線性が高く均一的であることが分かる。一方、比較例の燃料改質装置では、円周に沿って５０℃近くの温度差が認められた。この結果は、上記した旋回流発生手段による面内温度均一化の効果を裏付けるものである。更に、この結果から算出した熱効率は、実施例では９０．２％であり、比較例にあっては８６％であったことから、燃焼ガスを旋回させることで熱伝達率が向上されることが裏付けられた。
【００６５】
〔その他の事項〕
【００６６】
本発明は、上記実施の形態に限定されないのは言うまでもなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において次のような変形例が考えられる。
【００６７】
（１）  上記旋回流発生手段は、全て燃焼筒の上方に設けたがこれに限定されないのは言うまでもなく、燃焼筒に天板を設け更に、筒板周面上部に反応管の軸心に対して斜めになるように切り込みを入れて複数のスリットを開設して、このスリットから燃焼ガスを分散させることにより旋回流を発生させることもできる。しかも、このスリットからなる旋回流発生手段は、極めて簡単な構成で効率良く旋回流を発生させられるので、上記した反射板と羽根板とからなるものよりも技術的には意義深いと思われる。
【００６８】
（２）  上記各実施の形態では改質触媒層しか配設していないが、上記円筒管４０の周囲に断面ドーナツ形状からなるシフト触媒層などの触媒層を配設して改質ガス中の一酸化炭素ガスの低減を図るようにすることもできる。
【００６９】
（３）  上記各実施の形態では、同心円状に筒部材を配設して燃料改質装置を設計したが同心円状でなくとも無論かまわない。しかしながら同心円状に設計した方が旋回流発生手段における羽根部材の設置場所等の設計が容易であるといった利点があるし、面内温度均一化を図るにも望ましい形態であるとも言える。また、上記各実施の形態では円筒状の反応装置について説明したが、これに限定されず、角筒状等の反応管であっても同様に実施することができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明の燃料改質装置によれば、燃焼ガス流通空間への導入前に、上記燃焼ガスに旋回力を付与するための旋回流発生手段を備えるので、簡単な構成でしかもバーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化するまでもなく、燃焼ガスを整流しつつ旋回流として均一的に分散させて燃焼ガスのゆらぎの解消を図ると共に円周方向への伝熱成分を増やすことにより、改質触媒層の面内温度均一化を図ることができるととともに、装置自体の熱効率を向上させることもできる。つまり、バーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化せずとも高い熱効率で反応温度付近において改質触媒層の面内温度を均一にすることができるといった効果を奏する。また、このように面内温度が均一にされるので触媒利用率が高まり反応率も向上されるといった効果も期待できる。この旋回流発生手段の配設位置としては、具体的には、燃焼筒からの燃焼ガスが反転される折り返し地点（燃焼筒から燃焼ガス流通空間に分散しようとする地点でもある。）が最も効率良く旋回流を発生させられる位置として挙げられる。
【００７２】
ここで、燃焼筒により案内された燃焼ガスを受けとめ燃焼筒外部に反射させる反射板と、当該反射板により反射された燃焼ガスを、これに旋回力を付与して上記改質反応管の壁面に衝突させる旋回羽根板とから上記旋回流発生手段を構成すれば極めて合理的である。
【００７６】
また、上記旋回流発生手段は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを整流して上記燃焼ガス流通空間に導入する第一の羽根部と、整流された燃焼ガスに旋回力を付与する第二の羽根部とから構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、一の実施の形態に係る燃料改質装置１の内部構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図（ａ）における矢印Ｘ１矢視上面図である。
【図２】図２は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり（要部拡大斜視図を含む。）、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【図３】図３は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【図４】図４は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【図５】図５は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す要部斜視図である。
【図６】図６は、改質触媒層の円周に沿った各部位と触媒層の温度との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、従来の技術における燃料改質装置の構成を示す概略図である。
【図８】図８は、更に別な従来の技術における燃料改質装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１    燃料改質装置
２    旋回流発生手段
３    反射板
４    羽根板
１０    燃焼ガス生成部
２０    燃料改質部
２０ａ  凹部
２０ｂ  改質ガス排出管
２１    仕切筒板
２２    底板
２３    改質触媒層
３０    燃焼ガス流通空間
４０    円筒管
４１    底板
４１ａ  燃焼ガス排出管
４２    天板
４３    燃料供給管
５０    燃焼筒
１００    旋回流発生手段
１０１    反射板
１０２    羽根板
１０２ａ  第一の面
１０２ｂ  第二の面
２００    旋回流発生手段
２０１    反射板
２０２    羽根板
２０２ａ  羽根板２０２の中心側に臨む面
３００    旋回流発生手段
３０１    反射板
３０２    羽根板
３０２ａ  羽根板３０２の中心側に臨む面
４００    旋回流発生手段
４０１    反射板
４０２    羽根板
４０２ａ  第一の羽根部
４０２ｂ  第二の羽根部
５０１    燃焼用バーナ
５０２    ガイドフィン
５０３    燃焼筒
５０４    整流板
５０５    改質触媒層
５０６    改質触媒層
５０７    伝熱促進体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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