(57)【要約】【課題】周方向の加熱ムラを防止し、加熱効率を向上させると共に有害な燃焼生成物を低減させた円筒型被加熱体を提供する。【解決手段】中空の円筒形状に形成された触媒層７と、触媒層７の一端側を塞ぐ底板９と、触媒層７の内周側に触媒層７と同心に配置されると共に、底板９との間に隙間を有する円筒状の隔壁４と、触媒層７の中心軸上に配置され、底板９に向けて燃料を燃焼させて管状火炎８を形成し、管状火炎８により隔壁４の内壁を加熱すると共に、管状火炎８が形成する排ガスの旋回流及び再循環流により隔壁４の内壁を加熱する管状火炎バーナ２とを有し、隔壁４からの放射熱及び隔壁４と触媒層７との間を通過する排ガスにより触媒層７を加熱する円筒型被加熱体である改質器。【選択図】図１
2008007346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の円筒形状に形成された被加熱部材と、
前記被加熱部材の中心軸上に配置され、燃料を燃焼させて管状火炎を形成し、該管状火炎により前記被加熱部材の内壁を加熱すると共に、該管状火炎が形成する排ガスの旋回流及び再循環流により前記被加熱部材の内壁を加熱する管状火炎バーナとを有することを特徴とする円筒型被加熱体。
【請求項２】
中空の円筒形状に形成された被加熱部材と、
前記被加熱部材の一端側を塞ぐ閉鎖面と、
前記被加熱部材の内周側に前記被加熱部材と同心に配置されると共に、前記閉鎖面との間に隙間を有する円筒状の隔壁部材と、
前記被加熱部材の中心軸上に配置され、前記閉鎖面に向けて燃料を燃焼させて管状火炎を形成し、該管状火炎により前記隔壁部材の内壁を加熱すると共に、該管状火炎が形成する排ガスの旋回流及び再循環流により前記隔壁部材の内壁を加熱する管状火炎バーナとを有し、
前記隔壁部材からの放射熱及び前記隔壁部材と前記被加熱部材との間を通過する排ガスにより前記被加熱部材を加熱するようにしたことを特徴とする円筒型被加熱体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の円筒型被加熱体における前記被加熱部材を、水蒸気改質反応により、一端側から供給される水蒸気及び原料ガスを、水素を含有するガスに改質して他端側から排出する触媒層とし、
該円筒型被加熱体を用いることを特徴とする改質器。
【請求項４】
請求項３に記載の改質器において、
前記被加熱部材又は前記隔壁部材のうち最も内側の内径をＤとし、前記管状火炎バーナの外径をｄとするとき、
Ｄ／ｄが、１．１〜１０となるように、望ましくは、３〜５となるように、前記内径Ｄ及び前記外径ｄを設定したことを特徴とする改質器。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の円筒型被加熱体における前記被加熱部材を、円筒状の外壁部材の内側に配置され、一端側から供給される水を水蒸気にして他端側から排出する円筒コイル状の蒸気管とし、
該円筒型被加熱体を用いることを特徴とする蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒型被加熱体に関し、例えば、燃料から水素を主成分とするガスを製造する円筒型改質器や該改質器に水蒸気を供給する円筒型蒸発器に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムが実用化されてきている。燃料電池システムでは、水素が用いられており、水素は、例えば、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等の気体燃料や灯油等の液体燃料を改質器により改質することで得られる。
【０００３】
図１２（ａ）は、従来の改質器を示す概略断面図であり、その構成を簡単に説明する。
従来の改質器６１は、円筒形状をしており、改質器６１の中心軸上に設けた加熱用のバーナ６２と、バーナ６２の周囲にバーナ６２と同心に設けた円筒状の隔壁６４と、隔壁６４の周囲に、バーナ６２と同心に設けた円筒状の改質触媒６５と、それらの底部を塞ぐように設けた底板６７とを有し、改質触媒６５、底板６７の周りに断熱材６３を配置した構成である。
【０００４】
改質器６１では、バーナ６２に灯油等の燃料が供給され、燃焼されて、火炎６６が生成されている。そして、火炎６６の排ガスは、隔壁６４の下端で折り返されて、隔壁６４と改質触媒６５の間を通過して、排出されている（矢印６８参照）。つまり、火炎６６及びその排ガスにより、改質触媒６５が所定温度に加熱される構成である。所定温度に加熱された改質触媒６５には、水蒸気と共に、原料となる燃料ガスが供給されており、改質触媒６５において水蒸気改質反応を起こすことにより、水素を主成分とするガスへの改質が行われている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３４００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
改質触媒６５においては、水蒸気改質反応により、水蒸気を含む燃料ガスを、メタン（ＣＨ4）、一酸化酸素（ＣＯ）、二酸化酸素（ＣＯ2）、水素（Ｈ2）を含むガスに転化している。この水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、ＣＨ4から無機ガス（ＣＯ、ＣＯ2）への高い転化率（例えば、８０％以上）を確保するには、所定の温度範囲（例えば、改質触媒６５の下端部において６００℃〜８００℃）で改質反応が行われる必要があり、そのため、所定の温度範囲に維持するべく、改質触媒６５をバーナ６２により加熱している。
【０００７】
ところが、バーナ６２により生成された火炎６６の形状は、バーナ６２の中心軸に対して軸対称でなく、火炎６６によるガス温度の分布も軸対称になっていなかった（後述する図３（ｂ）参照）。又、このことにより、改質器６１の内部において、燃焼したガスの流動分布にもムラが生じていた。その結果、加熱された改質触媒６５において、その周方向に加熱ムラが生じていた。図１２（ｂ）に示すグラフが、従来の改質器６１における改質触媒６５の周方向位置での温度を示すものである。このように、従来の改質器６１においては、改質触媒６５に周方向の温度変化があり、その最高温度と最低温度の差が１００℃以上となる場合もあった。
【０００８】
このような温度ムラが生じ、改質触媒６５の一部の領域が所望の温度より低くなってしまった場合には、その部分では改質反応が進まず、高い転化率を達成することはできなかった。このような状況を避けるためには、バーナ６２による加熱量を増やして、改質触媒６５全体の温度をかさ上げしてやればよいが、この場合には、加熱効率が低下することになる。又、改質触媒６５の寿命はその温度に左右されるが、このように改質触媒６５全体の温度をかさ上げした状態では、改質触媒６５の温度の高い一部の領域において、触媒の劣化が早く進行していくため、一部の領域の劣化のため、改質触媒６５全体としての寿命を短くしていた。
【０００９】
又、バーナ６２において、燃料として灯油を燃焼させる場合には、燃焼生成物としてＣＯが数十ｐｐｍ、ＮＯｘが数百ｐｐｍ排出されてしまう。このような環境負荷となる燃焼生成物はできるだけ低減することが望まれていた。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、周方向の加熱ムラを防止し、加熱効率を向上させると共に有害な燃焼生成物を低減させた円筒型被加熱体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】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係る円筒型被加熱体は、
中空の円筒形状に形成された被加熱部材と、
前記被加熱部材の中心軸上に配置され、燃料を燃焼させて管状火炎を形成し、該管状火炎により前記被加熱部材の内壁を加熱すると共に、該管状火炎が形成する排ガスの旋回流及び再循環流により前記被加熱部材の内壁を加熱する管状火炎バーナとを有することを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係る円筒型被加熱体は、
中空の円筒形状に形成された被加熱部材と、
前記被加熱部材の一端側を塞ぐ閉鎖面と、
前記被加熱部材の内周側に前記被加熱部材と同心に配置されると共に、前記閉鎖面との間に隙間を有する円筒状の隔壁部材と、
前記被加熱部材の中心軸上に配置され、前記閉鎖面に向けて燃料を燃焼させて管状火炎を形成し、該管状火炎により前記隔壁部材の内壁を加熱すると共に、該管状火炎が形成する排ガスの旋回流及び再循環流により前記隔壁部材の内壁を加熱する管状火炎バーナとを有し、
前記隔壁部材からの放射熱及び前記隔壁部材と前記被加熱部材との間を通過する排ガスにより前記被加熱部材を加熱するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係る改質器は、
上記第１又は第２の発明に記載の円筒型被加熱体における前記被加熱部材を、水蒸気改質反応により、一端側から供給される水蒸気及び原料ガスを、水素を含有するガスに改質して他端側から排出する触媒層とし、
該円筒型被加熱体を用いることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第４の発明に係る改質器は、
上記第３の発明に記載の改質器において、
前記被加熱部材又は前記隔壁部材のうち最も内側の内径をＤとし、前記管状火炎バーナの外径をｄとするとき、
Ｄ／ｄが、１．１〜１０となるように、望ましくは、３〜５となるように、前記内径Ｄ及び前記外径ｄを設定したことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第５の発明に係る蒸発器は、
上記第１又は第２の発明に記載の円筒型被加熱体における前記被加熱部材を、円筒状の外壁部材の内側に配置され、一端側から供給される水を水蒸気にして他端側から排出する円筒コイル状の蒸気管とし、
該円筒型被加熱体を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、中心軸上に配置した管状火炎バーナを用いて、円筒型被加熱体の内壁側を加熱するので、管状火炎自体の軸対象温度分布により、円筒型被加熱体の周方向温度を均一に加熱することができる。又、管状火炎により、その排ガスが周方向に旋回すると共に、軸方向にも循環するため、円筒型被加熱体の内部を撹拌することになり、火炎温度低下させて、ＮＯｘの低減を図ると共に、酸素濃度を均一化し、不完全燃焼を防止して、ＣＯの低減も図ることができる。又、管状火炎により、隔壁部材、被加熱部材の伝熱面近傍の排ガスの流速が向上することができ、被加熱部材への熱伝達を向上させることができる。又、被加熱部材を、水蒸気改質反応に用いる触媒層とする場合には、局所的な高温化は防止しつつ、触媒層入口側の温度を高温化することができ、触媒層全体としての高温化を図って、改質効率を向上させると共に触媒寿命も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る円筒型被加熱体の実施形態のいくつかを、図１〜図１１を参照して説明を行う。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る円筒型被加熱体を示す概略断面図である。ここでは、円筒型被加熱体の一例として、改質器を図示して、その詳細を説明する。
【００１９】
本実施例の改質器１は、中空の円筒形状に形成された筒部材５と、筒部材５の一端側となる底部を塞ぐ底板９（閉鎖面）と、筒部材５の内周側に筒部材５と同心に配置されると共に、底板９との間に隙間を有する円筒状の隔壁４（隔壁部材）と、筒部材５の中心軸上に鉛直下方を向いて配置され、底板９に向けて燃料を燃焼させて管状火炎８を形成する加熱用の管状火炎バーナ２とを有し、筒部材５、底板９の周りに断熱材３を配置したものである。
【００２０】
筒部材５は、原料となる燃料、水を蒸発させる蒸発層６と、蒸発された燃料、水を供給する触媒層７（被加熱部材）からなり、改質器１の軸方向に直列に配置されている。触媒層７としては、例えば、アルミナ粒子を担体にしたＮｉ系やＲｕ系の金属が使用されている。又、触媒層７としては、触媒粒子を充填した層に限らず、ハニカム構造に形成したものでもよい。なお、原料となる燃料は、灯油等の液体燃料だけでなく、都市ガス、ＬＰＧ、ＤＭＥ等の気体燃料も使用可能である。
【００２１】
ここで、管状火炎バーナ２について説明を行う。
管状火炎バーナ２は、図２（ａ）に示すように、円筒状の燃焼筒２１と、燃焼筒２１の軸方向に幅を持って形成されると共に、燃焼筒２１の外周の接線方向に延設されるように形成された少なくとも１つ以上の供給管２２を有するものである。供給管２２の燃焼筒２１との接続部分には、矩形状のスリット２３が形成されており、このスリット２３により、供給管２２と燃焼筒２１とが連通している。なお、矩形状のスリット２３に替えて、図２（ｂ）に示すように、円形状の複数の貫通孔２４を燃焼筒２１の軸方向に一列配置するようにしてもよいし、図２（ｃ）に示すように、円形状の複数の貫通孔２４を燃焼筒２１の軸方向に複数列配置するようにしてもよい。
【００２２】
管状火炎バーナ２に用いる燃料及び燃焼用空気は、供給管２２を介して、燃焼筒２１内に供給される。このとき、燃料及び燃焼用空気は、燃焼筒２１内の接線方向に供給されて、急速に混合され、円筒状の管状火炎８を形成する。なお、燃料、燃焼用空気は、供給管２２毎に、燃料又は燃焼用空気の何れか一方を選択して供給するようにしてもよいし、燃料と燃焼用空気を予混合し、予混合した燃料及び燃焼用空気を各供給管２２から供給するようにしてもよい。
【００２３】
本実施例の改質器１では、上記構成の管状火炎バーナ２による管状火炎８と、管状火炎８による排ガス１０を用いて、隔壁４の内壁を加熱すると共に、隔壁４からの放射熱と隔壁４と筒部材５との間を通過する排ガス１０により、触媒層７を所定の温度範囲に加熱している。所定の温度範囲に加熱された触媒層７には、一端側断面（蒸発層６側の断面）から、水蒸気と共に原料となる燃料ガスが供給されており、触媒層７において水蒸気改質反応を起こすことにより、水蒸気を含む燃料ガスを、水素を主成分とするガスへの改質し、他端側断面（触媒層７の下端側断面）から排出している。
【００２４】
触媒層７では、具体的には、以下のような水蒸気改質反応によって、水蒸気を含む燃料ガスから、Ｈ2を主成分とするガスが生成される。
ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋Ｈ2
【００２５】
上記水蒸気改質反応は吸熱反応であることから、ＣＨ4から無機ガス（ＣＯ、ＣＯ2）への高い転化率（例えば、８０％以上）を確保するため、管状火炎バーナ２による管状火炎８及び排ガス１０により隔壁４、触媒層７が加熱されて、改質反応が所定の温度範囲で行われるようにしている。例えば、触媒層７の入口側（図１中の上端側）では、３００℃未満であると改質反応が低下し、５００℃を越えるとススが生じやすくなるため、３００℃〜５００℃の温度範囲が適切であり、触媒層７の出口側（図１中の下端側）では、６００℃未満であると改質反応が十分に進行せず、改質効率の低下を招き、８００℃を越えると構成部材の耐熱性に影響がでるおそれがあるため、６００℃〜８００℃の温度範囲が適切である。
【００２６】
管状火炎バーナ２による管状火炎８は、その形状が円筒状であり、流体的、熱的に安定な状態で維持されるため、周方向に温度ムラができないという利点を持つ。これは、管状火炎８の垂直断面上の任意の方向にＸ軸、Ｙ軸を規定し、そのＸ軸、Ｙ軸上の任意の位置においてガス温度を測定すると、図３（ａ）に示すように、管状火炎８が軸対称のガス温度分布を有することによる。なお、比較のため、通常のバーナにおける火炎のガス温度分布を図３（ｂ）に示す。このように、管状火炎８は、軸対称の温度分布を有するので、管状火炎８により加熱される隔壁４、そして、触媒層７の周方向温度も均一に加熱されることになる。具体的には、図４（ａ）に示すように、従来、触媒の周方向において、１００℃程度の温度差があったものが、本発明によれば、触媒の周方向において、２０℃以下の温度範囲内に温度差を抑えることができた。なお、図４（ａ）においても、比較のため、通常のバーナによる触媒の周方向温度分布を併記している。
【００２７】
又、管状火炎８による排ガス１０は、最終的には、隔壁４の下端で折り返されて、隔壁４と触媒層７の間を通過して、排出されるが、この際、隔壁４により触媒層７と間の流路を狭くして、熱伝達率を向上させると共に、流速を速くして、排ガス１０により触媒層７を加熱している。更に、本実施例の改質器１においては、図４（ｂ）に示すように、管状火炎８により、隔壁４の内側に周方向の旋回流ｆ１を生成すると共に、軸方向の再循環流ｆ２を生成するようにしている。具体的には、燃焼筒２１内には、接線方向に供給された燃料及び燃焼用空気により旋回流が生じており（後述する図７（ａ）のＶ１参照）、この燃料及び燃焼用空気の旋回流の遠心力により、それらの排ガスにも、燃料及び燃焼用空気の旋回流と同じ回転方向の旋回流ｆ１が生成される。又、燃焼筒２１内に生じた旋回流により、その中心部には負圧が生じており、そのため、排ガスが燃焼筒２１に引き込まれて、再循環流ｆ２が生成される（後述する図７（ａ）参照）。
【００２８】
このように、管状火炎８は、軸対象のガス温度分布を有すると共に、旋回流ｆ１、再循環流ｆ２を生成するので、加熱される隔壁４、触媒層７の周方向の温度分布を均一にすると共に、触媒層７の軸方向の温度分布も改善可能である。これを、図５を用いて説明する。
【００２９】
図５（ａ）は、触媒層の軸方向の温度及び熱流束を、従来と本発明とで比較したものである。図５（ｂ）は、触媒層下端部の幅方向の温度を、従来と本発明とで比較したものである。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、従来の改質器のバーナ６２では、火炎６６が軸対象のガス温度分布ではなく、その排ガスが旋回流、再循環流を形成しないため、触媒層６５の上端から下端部に行くに従い、排ガスによる熱流束が大きく増加し、触媒層６５の軸方向の温度も大きく上昇していた。これに対して、本発明に係る改質器の管状火炎バーナ２では、火炎８が軸対象のガス温度分布であり、その排ガスが旋回流、再循環流を形成するため、触媒層７の上端から下端部に行くに従い、従来と比較して、熱流束が上端側で増加すると共に下端側で減少しており、これに伴い、触媒層７の上端側の温度が上昇して、軸方向の温度変化の幅が従来と比較して小さくなっている。又、図５（ｂ）に示すように、触媒層の下端部の幅方向の温度も、従来は大きい温度変化であったのに対して、本発明では、温度変化がより小さくなっている。
【００３１】
このように、本発明では、触媒層７の上端側の温度が上昇することにより、触媒層７の有効反応体積を向上させることができる。又、触媒層７の下端側では、熱流束が減少することにより、触媒層７の幅方向の温度変化を緩和すると共に、局所的に高温になることを防止することができる。つまり、触媒層７の幅方向の温度を均一にすると共に軸方向の温度変化を所望の温度勾配にすることが可能である。このことは、加熱効率を向上させて、改質反応を触媒層７全体で高効率に保つと共に、改質反応に伴う触媒層７の劣化が略均等に進むことを意味する。従来は、局所的な高温部が存在していたため、その高温部の劣化が先に進んでしまい、その高温部の劣化により、触媒層７の寿命が短くなっていたが、本発明においては、局所的高温部が存在しないため、触媒層７の寿命を向上させることができる。
【００３２】
上述した効果を適切に得るためには、管状火炎バーナ２及びその円筒型被加熱体において、適切な設定条件が存在する。この設定条件について、図６、図７を用いて、説明を行なう。
【００３３】
図６は、触媒層７を最適な温度範囲とするため、管状火炎バーナ２の外径及び隔壁４の内径の最適な設定条件を説明する図である。ここでは、図６（ａ）に示すように、管状火炎バーナ２の外径をｄ、隔壁４の内径をＤと規定する。なお、後述する実施例３（図１０）の場合は、隔壁４が存在しないので、触媒層７の内径が上記Ｄとなる。
【００３４】
隔壁４の内径Ｄと管状火炎バーナ２の外径ｄの比、つまり、Ｄ／ｄを変化させて、図６（ａ）に示す隔壁４のＢ部と、触媒層７のＣ部の温度変化を測定すると、図６（ｂ）に示すグラフとなる。つまり、管状火炎バーナ２の外径ｄに対して、隔壁４の内径Ｄを大きくすればするほど、Ｂ部、Ｃ部の温度は低くなり、隔壁４の内径Ｄに対して、管状火炎バーナ２の外径ｄを小さくすればするほど、Ｂ部、Ｃ部の温度は低くなる。このような関係に基づいて、Ｄ／ｄとして、最下限Ｂ１は、隔壁４の耐熱限界温度で規定され、最上限Ｃ１は、改質反応が促進可能な最低温度で規定される。又、望ましいＤ／ｄとして、下限Ｂ２は、隔壁４の耐熱温度（余裕度あり）で規定され、上限Ｃ２は、改質反応が促進可能な最低温度より高い温度で規定される。本実施例において、最下限Ｂ１は１．１、下限Ｂ２は３であり、上限Ｃ２は５、最上限Ｃ１は１０であった。
【００３５】
又、図７は、管状火炎バーナ２における最適な設定条件を説明する図である。ここでは、図７（ａ）に示すように、燃焼筒２１内における接線方向の噴出流速をＶ１、燃焼筒２１の軸方向の平均流速をＶ２と規定する。
【００３６】
燃焼筒２１におけるスワール数Ｓｗは、Ｖ１とＶ２の比で計算される。
Ｓｗ＝Ｖ１／Ｖ２
そして、スワール数Ｓｗに対する圧力損失は、図７（ｂ）に示すグラフとなる。つまり、スワール数Ｓｗが増えれば増えるほど、圧力損失は大きくなる。このような関係に基づいて、スワール数Ｓｗとして、最下限Ｓｗ１は、再循環流を発生可能な限界スワール数で規定され、最上限Ｓｗ４は、許容圧力損失で規定される。又、望ましいスワール数Ｓｗとして、下限Ｓｗ２は、再循環流を発生可能な限界スワール数より大きいスワール数で規定され、上限Ｓｗ３は、許容圧力損失（余裕度あり）で規定される。
【００３７】
スワール数Ｓｗが多ければ、遠心力によって、管状火炎８の内部がより負圧になる。そして、負圧となった管状火炎８の内部に排ガスが引き込まれることにより、管状火炎８の軸方向に再循環流ｆ２が形成されることになる。これは、数値解析等から判明していることである。そして、再循環流ｆ２の強さは、スワール数が多ければ多いほど強くなる。本実施例において、最下限Ｓｗ１は２、下限Ｓｗ２は１０であり、上限Ｓｗ３は１５、最上限Ｓｗ４は３０であった。
【００３８】
なお、再循環流ｆ２は強い方が望ましく、そのためには、Ｖ１／Ｖ２は、Ｓｗ１以上とするよりは、Ｓｗ２以上とする方が望ましい。これは、管状火炎８の高温域で生成される排ガス中のＮＯｘが、より強い再循環流ｆ２による軸方向の撹拌効果、更には、旋回流ｆ１による周方向の撹拌効果により、管状火炎８自体の温度が低減されて、高温域で生成されるＮＯｘも低減されるためである。その結果、ＮＯｘ濃度を低減させることになる。
【００３９】
図８は、ＮＯｘ濃度を、従来と本発明とで比較したグラフである。図８から明らかなように、本発明においては、ＮＯｘ濃度を目標数値以下に低減可能である。
【実施例２】
【００４０】
図９は、本発明に係る円筒型被加熱体の他の実施例を示す概略断面図である。ここでも、円筒型被加熱体の一例として、改質器を図示して、その詳細を説明する。又、実施例１（図１）に示した改質器１と同等の構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
本実施例の改質器３１は、中空の円筒形状に形成された筒部材５（蒸発層６、触媒層７）と、筒部材５の一端側となる天井部を塞ぐ天板１１（閉鎖面）と、筒部材５の内周側に筒部材５と同心に配置されると共に、天板１１との間に隙間を有する円筒状の隔壁４と、筒部材５の中心軸上に鉛直上方を向いて配置され、天板１１に向けて燃料を燃焼させて管状火炎８を形成する加熱用の管状火炎バーナ２とを有し、筒部材５、天板１１の周りに断熱材３を配置したものである。つまり、改質器３１は、実施例１の改質器１を上下逆の構成としたものである。なお、このように軸方向を鉛直方向に向けて配置した改質器１、３１を、水平方向に向けて配置してもよい。
【００４２】
管状火炎バーナ２による隔壁４、触媒層７の加熱は、管状火炎８が円筒状であり、流体的、熱的に安定な状態で維持されるため、周方向に温度ムラができないという利点を持つ。又、管状火炎８による排ガス１０は、最終的には、隔壁４の上端で折り返されて、隔壁４と触媒層７の間を通過して、排出されるが、この際、隔壁４により触媒層７と間の流路を狭くして、熱伝達率を向上させると共に流速を速くして、排ガス１０により触媒層７を加熱している。更に、管状火炎８により、隔壁４の内側の排ガスに、周方向の旋回流を生成すると共に、軸方向の再循環流を生成している。
【００４３】
このように、管状火炎バーナ２を用いることにより、実施例１と同様に、触媒層７の周方向の温度を均一にすることができ、又、触媒層７の軸方向の温度を所望の温度勾配にすることができ、加熱効率を向上させると共に局所的な高温部を防止して、触媒層７の寿命を向上させることができる。又、管状火炎バーナ２より生成された旋回流、再循環流により、ＮＯｘ濃度を低減することもできる。
【実施例３】
【００４４】
図１０は、本発明に係る円筒型被加熱体の他の実施例を示す概略断面図である。ここでも、円筒型被加熱体の一例として、改質器を図示して、その詳細を説明する。又、実施例１（図１）に示した改質器１と同等の構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４５】
本実施例の改質器４１は、中空の円筒形状に形成された筒部材５（蒸発層６、触媒層７）と、筒部材５の中心軸上に鉛直下方を向いて配置され、燃料を燃焼させて管状火炎８を形成する加熱用の管状火炎バーナ２とを有し、筒部材５の周りに断熱材３を配置したものである。つまり、改質器４１は、実施例１の改質器１から底板９を除くと共に隔壁４を除いたものである。なお、このように軸方向を鉛直方向に配置した改質器４１を、水平方向に向けて配置してもよい。
【００４６】
管状火炎バーナ２による触媒層７の加熱は、管状火炎８が円筒状であり、流体的、熱的に安定な状態で維持されるため、周方向に温度ムラができないという利点を持つ。又、管状火炎８による排ガス１０は、触媒層７近傍を通過して、その下部から排出されるが、この際、管状火炎８により、触媒層７の内側の排ガス１０に、周方向の旋回流を生成すると共に、軸方向の再循環流を生成して、排ガス１０により触媒層７を加熱している。
【００４７】
このように、管状火炎バーナ２を用いることにより、実施例１と同様に、触媒層７の周方向の温度を均一にすることができ、又、触媒層７の軸方向の温度を所望の温度勾配にすることができ、加熱効率を向上させると共に局所的な高温部を防止して、触媒層７の寿命を向上させることができる。又、管状火炎バーナ２より生成された旋回流、再循環流により、ＮＯｘ濃度を低減することもできる。
【実施例４】
【００４８】
図１１は、本発明に係る円筒型被加熱体の他の実施例を示す概略断面図である。ここでは、円筒型被加熱体の一例として、蒸発器を図示して、その詳細を説明する。
【００４９】
本実施例の蒸発器５１は、中空の円筒形状に形成された筒部材５３と、筒部材５３の一端側を塞ぐ閉鎖部材５９（閉鎖面）と、筒部材５３の内周側に筒部材５３と同心に配置されると共に、閉鎖部材５９との間に隙間を有する円筒状の隔壁５５（隔壁部材）と、筒部材５３の中心軸上に水平方向を向いて配置され、閉鎖部材５９に向けて燃料を燃焼させて管状火炎５７を形成する加熱用の管状火炎バーナ５２とを有するものである。
【００５０】
筒部材５３は、外側に配置された外壁５６ａ（外壁部材）と、内側に配置され、多数の貫通孔を有する多孔壁５６ｂとを有し、外壁５６ａと多孔壁５６ｂの間に螺旋形状の蒸発管５４（被加熱部材）を設けたものである。蒸発管５４には水が供給されており、供給された水を蒸発管５４に通過させ、水蒸気にして排出している。なお、このように水平方向に配置した蒸発器５１を、実施例１〜３のように、鉛直方向に配置してもよいし、更に、実施例３のように、隔壁５５、閉鎖部材５９を除いた構成としてもよい。
【００５１】
管状火炎バーナ５２による隔壁５５、蒸発管５４の加熱は、管状火炎５７が円筒状であり、流体的、熱的に安定な状態で維持されるため、周方向に温度ムラができないという利点を持つ。又、管状火炎５７による排ガス５８は、最終的には、隔壁５５の端部（図１１中の右側端部）で折り返され、多孔壁５６を通過し、蒸発管５４の周囲を通過して、排出される。このとき、隔壁５５により蒸発管５４との間を狭くして、熱伝達率を向上させると共に流速を速くして、排ガス５８により蒸発管５４を加熱している。更に、管状火炎５７により、隔壁５５の内側の排ガスに、周方向の旋回流を生成すると共に、軸方向の再循環流を生成している。
【００５２】
このように、管状火炎バーナ５７を用いることにより、実施例１と同様に、蒸発管５４の周方向の温度を均一にすることができ、又、蒸発管５４の軸方向の温度を所望の温度勾配とすることができ、加熱効率を向上させると共に局所的な高温部を防止することができる。又、管状火炎バーナ５２より生成された旋回流、再循環流により、ＮＯｘ濃度を低減することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る円筒型被加熱体は、定置用燃料電池発電システム、水素ステーション用改質器、車載用改質器に適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る円筒型被加熱体の実施形態の一例（実施例１）を示す概略断面図である。
【図２】管状火炎バーナの実施形態のいくつかを示す概略図であり、（ａ）はスリットが矩形状のもの、（ｂ）はスリットが複数の円形が一列のもの、（ｃ）はスリットが複数の円形が２列のものである。
【図３】（ａ）は、管状火炎バーナのガス温度分布、（ｂ）は、従来のバーナのガス温度分布である。
【図４】（ａ）は、触媒の周方向温度を従来と本発明とを比較したグラフ、（ｂ）は、管状火炎バーナによる排ガスの流れを説明する図である。
【図５】（ａ）は、改質器の触媒層の長さ方向における温度及び熱流束を説明する図であり、（ｂ）は、改質器の触媒層の幅方向における温度を説明する図である。
【図６】（ａ）は、改質器における管状火炎バーナの外径ｄ及び隔壁の内径Ｄを説明する図であり、（ｂ）は、Ｄ／ｄの変化に伴う隔壁及び触媒の温度変化のグラフである。
【図７】（ａ）は、管状火炎バーナの燃焼筒における接線方向の噴出流速Ｖ１及び軸方向の平均流速Ｖ２を説明する図であり、（ｂ）は、Ｖ１／Ｖ２の変化に伴う圧力損失のグラフである。
【図８】本発明に係る改質器におけるＮＯｘ、ＣＯの低減効果を説明するグラフである。
【図９】本発明に係る円筒型被加熱体の実施形態の他の一例（実施例２）を示す概略断面図である。
【図１０】本発明に係る円筒型被加熱体の実施形態の他の一例（実施例３）を示す概略断面図である。
【図１１】本発明に係る円筒型被加熱体の実施形態の他の一例（実施例４）を示す概略断面図である。
【図１２】（ａ）は、従来の改質器を示す概略断面図であり、（ｂ）は、触媒の周方向温度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１、３１、４１  改質器
２    管状火炎バーナ
３    断熱材
４    隔壁
５    筒部材
６    蒸発層
７    触媒層
８    管状火炎
９    底板
１０  排ガス
１１  天板
２１  燃焼筒
２２  供給管
２３  スリット
２４  貫通孔
５１  蒸発器
５２  管状火炎バーナ
５３  筒部材
５４  蒸発管
５５  隔壁
５６ａ  外壁
５６ｂ  多孔壁
５７  管状火炎
５８  排ガス
５９  閉鎖部材
【図１】
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【図２】
2008007346.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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