(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを通す燃焼ガス流路とこの燃焼ガス流路の外側に内壁を介して設けられ前記内壁と中壁とで形成される空間に流入した原料から改質ガスを生成する改質反応流路とを有する改質反応器と、
前記内壁の前記燃焼ガス流路側に設けられ、前記燃焼ガスから伝達された熱を前記改質反応流路へ向かって輻射により伝達する筒形状の輻射壁と、
前記輻射壁の内側の一部に設けられ、前記燃焼ガスの流入を遮断する熱遮蔽部とを備え、
前記輻射壁と前記熱遮蔽部とにより輻射空間が形成され、この輻射空間に面した前記輻射壁の内面は、前記燃焼ガスから伝達された熱を他の輻射壁の内面に向かって輻射する内側輻射部を有することを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２】
前記熱遮蔽部は、前記燃焼ガスの下流側および上流側の少なくとも下流側に面した輻射壁の内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料処理装置。
【請求項３】
前記燃焼ガス流路は、前記燃焼ガスの流れを前記輻射壁の外周に沿って規制する燃焼ガス曲流手段を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記燃焼ガス曲流手段は、前記内壁および前記輻射壁に密着していることを特徴とする請求項３に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記燃焼ガス曲流手段は、前記燃焼ガスからの移動熱量を前記内壁へ熱伝導させることを特徴とする請求項４に記載の燃料処理装置。
【請求項６】
前記改質反応流路は、前記改質反応流路に流入してきた前記原料の流れの方向を変化させる改質ガス曲流手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の燃料処理装置。
【請求項７】
前記改質ガス曲流手段は、前記中壁および前記内壁に密着していることを特徴とする請求項６に記載の燃料処理装置。
【請求項８】
前記改質ガス曲流手段は、前記内壁および前記中壁からの移動熱量を熱伝導によって前記改質反応流路に伝えることを特徴とする請求項７に記載の燃料処理装置。
【請求項９】
前記燃焼ガス流路は、上流側と下流側とに前記輻射壁を分離して、上流側から流れた前記燃焼ガスを合流させる燃焼ガス合流空間が形成され、
前記内壁の前記燃焼ガス流路側の面には、前記燃焼ガスを前記燃焼ガス合流空間へ案内する燃焼ガス案内手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭化水素系の燃料ガス、石油系液体燃料およびアルコール系燃料等の原料を改質して水素を含んだ改質ガスを得る燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼ガスを通す燃焼ガス流路とこの燃焼ガス流路の外側に隣接して設けられ内部に流入した原料から改質ガスを生成する改質反応流路とを区画する内壁と、前記内壁の前記改質反応流路側に設けられ、前記内壁とともに前記改質反応流路を形成する中壁と、前記燃焼ガス流路の内側に設けられ、空気を密閉した断熱性の密閉室とを備えた円筒管構造の燃料処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５１５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の燃料処理装置では、原料に周方向の偏流があった場合に、改質反応が吸熱反応であるので、原料の多い領域の改質ガス近傍の燃焼ガスの温度が低くなり、逆に原料の少ない領域の改質ガス近傍の燃焼ガスの温度が高くなり、燃焼ガスの周方向に温度差が発生する。その結果、燃焼ガスの低温部近傍の改質反応流路では改質効率が低下し、一方、燃焼ガスの高温部近傍の改質反応流路を形成する内壁や中壁等では、構成材料の耐久性が低下し、熱効率も低下する等の問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、原料に周方向の偏流があった場合に、燃焼ガスの周方向の温度差を低減させることで、改質効率および耐久性を向上させ、また、熱効率も向上させることができる等の燃料処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る燃料処理装置は、燃焼ガスを通す燃焼ガス流路とこの燃焼ガス流路の外側に内壁を介して設けられ前記内壁と中壁とで形成される空間に流入した原料から改質ガスを生成する改質反応流路とを有する改質反応器と、前記内壁の前記燃焼ガス流路側に設けられ、前記燃焼ガスから伝達された熱を前記改質反応流路へ向かって輻射により伝達する筒形状の輻射壁と、前記輻射壁の内側の一部に設けられ、前記燃焼ガスの流入を遮断する熱遮蔽部とを備え、前記輻射壁と前記熱遮蔽部とにより輻射空間が形成され、この輻射空間に面した前記輻射壁の内面には、前記燃焼ガスから伝達された熱を他の輻射壁の内面に向かって輻射する内側輻射部を有している。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る燃料処理装置によると、原料に偏流があった場合に、燃焼ガスからの移動熱量を均等化することで、改質効率および耐久性を向上させ、また、熱効率も向上させることができる等の効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一符号を付してある。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る燃料処理装置の断面図である。
実施の形態１に係る燃料処理装置の改質反応器は、円筒形状であり、燃焼ガス１を通す燃焼ガス流路２と、この燃焼ガス流路２の外側に隣接して設けられ、内部に流入した原料３から改質ガス４を生成する第１の改質反応流路５と、この第１の改質反応流路５の外側に隣接して設けられ、内部に流入した改質ガス４の熱を第１の改質反応流路５へ伝達する熱回収流路６と、第１の改質反応流路５と熱回収流路６とを連通した連通路７とを有している。
【０００９】
燃焼ガス流路２と第１の改質反応流路５との間には、両流路を区画する円筒状の内壁８が設けられている。
第１の改質反応流路５と熱回収流路６との間には、両流路を区画する円筒状の中壁９が設けられている。
熱回収流路６の外側には、中壁９とともに熱回収流路６を形成する円筒状の外壁１０が設けられている。
内壁８、中壁９および外壁１０は、同心に配置されている。
【００１０】
燃焼ガス流路２の内部には、有底円筒形状の輻射壁１１が、開口部を下向きにして設けられている。
また、輻射壁１１と内壁８との間は、燃焼ガス１が通過できるように、所定の距離が離されている。
燃焼ガス１の上流に面した位置の輻射壁１１の内側には、輻射空間１２が設けられている。また、この輻射空間１２を構成する輻射壁１１の内面には、円筒形状の内側輻射部１１ａが設けられている。
さらに、輻射壁１１の内部には、輻射空間１２を挟んで、燃焼ガス１の下流側には断熱性の第１の熱遮蔽部１３が設けられ、上流側には燃焼ガス１の流入を遮断する断熱性の第２の熱遮蔽部１４が設けられている。
第１の熱遮蔽部１３および第２の熱遮蔽部１４は、それぞれが円筒形状であり輻射壁１１の内壁面と面接触している。
輻射壁１１の下方には、輻射壁１１の開口部に向けて高温の燃焼ガス１を放つバーナー１５が設けられている。
【００１１】
第１の熱遮蔽部１３は、例えば、燃焼ガス１の下流側が、厚さ約５０ｍｍ程度の多結晶質アルミナ短繊維から構成され、残りがケイ酸カルシウム材から構成されている。
第２の熱遮蔽部１４は、例えば、厚さ約５０ｍｍ程度の多結晶質アルミナ短繊維から構成されている。
輻射壁１１は、厚みが１ｍｍ程度のステンレス素材から構成されており、その内表面および外表面を、製作時または運転時に、酸化させて輻射率の高い材料にして使用する。
【００１２】
第１の改質反応流路５は、原料３の上流側に、内壁８と中壁９とに区画され流入した原料３を予熱する原料予熱流路１６が連続的に設けられている。
第１の改質反応流路５の内部には、メタンガスと水を主成分とする原料３から水素等に改質する下式（１）、（２）に示す改質反応を起こさせる触媒１７ａが充填されている。
例えば、水蒸気とカーボンとのモル比率を３：１とした条件で、改質温度を６５０℃〜７５０℃程度まで加熱すると、乾燥ガス換算で水素ガスを７０％以上含む改質ガス４が得られる。
触媒１７ａは、Ｒｕ系やＮｉ系のものが用いられる。
【００１３】
（改質反応）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  −（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２    −（２）
【００１４】
熱回収流路６は、改質ガス４の下流側に、中壁９と外壁１０とに区画され内部に流入した改質ガス４の中で、例えば上式（２）で示されるようにＣＯをＣＯ２に変成させる第２の反応流路１８が連続的に設けられている。
この第２の反応流路１８の内部には、第２の触媒１７ｂが充填されている。
第２の反応流路１８から流出する改質ガス４の出口付近の外壁１０には、生成された改質ガス４を外へ取り出す改質ガス出口孔１９が形成されている。
燃焼ガス流路２の下流には、燃焼ガス１を排気する排気孔２０が形成されている。
原料予熱流路１６の上流には、原料３を流入するための原料供給孔２１が形成されている。
【００１５】
内壁８の燃焼ガス流路２側の面の燃焼ガス１の上流側には、断熱材３２が、周方向に沿って設けられている。これにより、第１の改質反応流路５の出口付近および連通路７を形成する内壁８がバーナー１５により過熱することを防いでいる。
【００１６】
次に、実施の形態１に係る燃料処理装置の動作について説明する。
原料供給孔２１から供給された原料３は、原料予熱流路１６で内壁８を介して燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１により加熱される。また、中壁９を介して第２の反応流路１８を通過する改質ガス４により加熱される。
約４００℃に加熱された原料３は、触媒１７ａが充填されている第１の改質反応流路５に流入する。
第１の改質反応流路５内の原料３は、内壁８を介して燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１により加熱される。また、中壁９を介して熱回収流路６を通過する改質ガス４により加熱される。
第１の改質反応流路５内の触媒１７ａの近傍にある原料３は、約７００℃にまで加熱されるとともに、吸熱反応である改質反応によって原料３から改質ガス４に改質する。
第１の改質反応流路５から流出した改質ガス４は、連通路７で流れが反転し、熱回収流路６に流入する。
熱回収流路６内の改質ガス４は、中壁９を介して第１の改質反応流路５内の原料３へ熱を伝達し、吸熱反応である改質反応に供されて、熱回収流路６内の改質ガス４は約４５０℃まで温度が下がる。
この熱回収流路６内の改質ガス４から第１の改質反応流路５内の原料３へ熱を伝達する熱回収は、主に、第１の改質反応流路５における原料３の上流側で行われる。
その後、熱回収流路６を通過した改質ガス４は、第２の反応流路１８に流入する。
この第２の反応流路１８では、例えばＣＯ変成のためのシフト反応やＣＯ選択酸化反応（酸化ガス供給孔は図示せず）、さらにメタン化反応等が単独もしくは複数組合せによって行われる。これらの第２の反応流路１８では、その用途に応じた触媒の適正な動作温度で行うため、例えば、改質ガス４はＣＯ変成触媒では２５０℃程度、ＣＯ選択酸化触媒では約１５０℃程度まで熱回収した後、第２の反応流路１８に供給する。
【００１７】
一方、燃焼ガス流路２では、バーナー１５の加熱により約８００℃〜約１２００℃になった燃焼ガス１が吸熱反応である改質反応に必要な熱を第１の改質反応流路５および輻射壁１１へ伝達し、燃焼ガス１の温度は約４５０℃まで温度が下がる。
さらに、燃焼ガス流路２の燃焼ガス１の下流では、燃焼ガス１が原料予熱流路１６へ熱を伝達し、燃焼ガス１の温度は１００℃以下程度にまで下がる。
燃焼ガス流路２から内壁８を介した第１の改質反応流路５および原料予熱流路１６への熱の伝達は、燃焼ガス１の対流により行われ、また、輻射壁１１からの輻射および燃焼ガス１からの輻射によっても行われる。特に第１の改質反応流路５の高温部では、輻射壁１１からの輻射の比率が大きくなる。つまり、輻射壁１１のバーナー１５の近傍にある領域からの輻射は、第１の改質反応流路５に大量の熱を伝達する。
【００１８】
なお、バーナー１５に供給される燃料は、原料３と同じ種類や異種燃料がある。例えば、燃料処理装置を燃料電池システムに組み込んだ場合、原料３から改質された改質ガス中の水素のうち約７０％〜９０％が燃料電池スタックで消費されるものの、残りの１０％〜３０％は電池のアノードからオフガスとして排出される。このオフガスをバーナー１５の燃料とする場合、または、オフガスと、原料３と同一燃料とを組み合わせてバーナー１５の燃料とする場合等がある。
【００１９】
ここで、第１の改質反応流路５を通過する原料３に周方向の偏流があった場合、改質反応は吸熱反応であるので、改質反応に必要となる熱量に周方向のばらつきが発生する。
この時、燃焼ガス１からの熱の伝達が周方向に一様である場合、第１の改質反応流路５を通過する原料３の流量が多い領域に隣接した内壁８および燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１は、温度が著しく低下し、第１の改質反応流路５へ伝達する熱量が不足する。
一方、第１の改質反応流路５を通過する原料３の流量の少ない領域に隣接した内壁８および燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１は、比較的高温で維持される。その結果、燃焼ガス１の周方向の温度差が発生する。
さらに、燃焼ガス１にも周方向の偏流があれば、燃焼ガス１の周方向の温度差はさらに拡大する。
【００２０】
燃焼ガス１の周方向の温度差により、燃焼ガス１と接触している輻射壁１１にも周方向の温度差が発生する。
輻射壁１１に周方向の温度差が発生すると、内側輻射部１１ａでは、輻射により高温部から低温部への熱移動が起こり、輻射壁１１の周方向の温度差が低減するようになる。
輻射壁１１の周方向の温度差が低減すると、内壁８および燃焼ガス１の周方向の温度差が低減し、その結果、改質ガス４の周方向の温度差も低減する。
【００２１】
実際、本願発明者は、第１の内側輻射部１１ａを設けない燃料処理装置と、第１の熱遮蔽部１３の軸線方向の長さを第１の改質反応流路５の半分にして第１の内側輻射部１１ａを設けた燃料処理装置とを、原料３の流量に約±５％の分布をつけて、第１の改質反応流路５の出口付近における改質ガス４の周方向の温度差を測定した。
その結果、第１の内側輻射部１１ａを設けない場合の改質ガス４の周方向の温度差は約１５０℃であったのに対して、内側輻射部１１ａを設けた場合の温度差は約１００℃であり、改質ガス４の周方向の温度差が低減することが確認された。
【００２２】
輻射壁１１における燃焼ガス１の下流側は、内部に第１の熱遮蔽部１３が設けられているので、輻射空間１２内の熱が伝達されない。これにより、原料予熱流路１６や第１の改質反応流路５における原料３の上流側に隣接した輻射壁１１の領域は過熱しないようにしている。
その結果、原料予熱流路１６や第１の改質反応流路５の入口付近で原料３の温度が必要以上に上昇するのを抑制し、改質反応が進行する前に、原料３が熱分解してカーボン析出することを防止している。また、排気孔２０から排出される燃焼ガス１に対する伝熱を防止して、熱損失の低減を図っている。
【００２３】
輻射壁１１の燃焼ガス１の上流側は、内部に第２の熱遮蔽部１４が設けられているので、輻射空間１２内に燃焼ガス１の熱が直接伝えられないようになっている。
その結果、輻射壁１１が、燃焼ガス１により過熱して、耐久性が低下するのを防止している。
【００２４】
また、第１の改質反応流路５における改質ガス４の出口付近は、改質反応上、最も高温にし、かつ適切に温度設定しなければならない領域であり、内壁８を介して燃焼ガス１が最も高温である燃焼ガス流路２の入口と隣接している。
その結果、バーナー１５の空気過剰率を適切に設定することで容易に第１の改質反応流路５における改質ガス４の出口付近の温度を制御することが可能となる。
【００２５】
この実施の形態１に係る燃料処理装置によると、第１の改質反応流路５を通過する原料３に周方向の偏流があった場合に、輻射壁１１の内側輻射部１１ａが、輻射壁１１の周方向の温度差を低減させるので、燃焼ガス１の周方向の温度差を低減させ、改質ガス４の周方向の温度ばらつきを改善させる。その結果、改質効率および耐久性を向上させ、また、熱効率も向上させることができる。
【００２６】
また、輻射壁１１の内部には、燃焼ガス１の下流側に第１の熱遮蔽部１３が設けられているので、輻射空間１２から下流側の輻射壁１１への熱の伝達を低減することができる。その結果、原料予熱流路１６や第１の改質反応流路５における原料３の上流側に隣接した輻射壁１１の領域の過熱を防止することができる。
【００２７】
また、輻射壁１１の内部には、燃焼ガス１の上流側に第２の熱遮蔽部１４が設けられているので、燃焼ガス１から輻射空間１２への直接的な熱の伝達を低減させることができる。その結果、輻射壁１１が、燃焼ガス１により過熱して、耐久性が低下するのを防止することができる。
【００２８】
図２は、実施の形態１の他の例の燃料処理装置の断面図である。
実施の形態１に係る燃料処理装置から、第２の熱遮蔽部１４を除いたものである。
この燃料処理装置では、輻射空間１２の一部をバーナー１５の燃焼空間と共通化したものである。これにより、バーナー１５により、直接的に第１の輻射空間１２内の燃焼ガス１と輻射壁１１とを加熱することができる。
【００２９】
そこで、本願発明者は、上記構成の燃料処理装置を用いて、予め燃焼ガス１の上流側にあたる輻射壁１１の端部近傍に約２００℃の温度分布（８００℃〜１０００℃）を有する燃焼ガス１を作り、輻射壁１１の周方向の温度差を測定した。
その結果、輻射壁１１周方向の温度差は、約４０℃まで低下した。
また、引き続いてこの条件で、第１の改質反応流路５に±５％の分布をつけた原料３を流入させて改質反応を行ったところ、第１の改質反応流路５の出口付近での改質ガス４の周方向の温度差は約１００℃であった。
この結果から、この構成の燃料処理装置によると、バーナー１５からの燃焼ガス１自体に、大きな温度分布があっても、燃焼ガス流路２内での燃焼ガス１の周方向の温度差を低減させることが確認できた。
【００３０】
実施の形態２．
図３は実施の形態２に係る燃料処理装置の断面図、図４は図３の燃焼ガス流路２に羽根板２２を設けたときの燃焼ガス１の流れを示す説明図である。
実施の形態２に係る燃料処理装置は、燃焼ガス流路２の第１の改質反応流路５に隣接した領域に、燃焼ガス曲流手段である羽根板２２が設けられている。
その他の構成は、実施の形態１の他の例と同様である。
【００３１】
図４に示すように、羽根板２２は、燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１の流れを周方向に曲げる。
ところで、原料３に周方向の偏流があった場合、第１の改質反応流路５の周方向での給熱量が異なることから、改質ガス４に温度ばらつきが生じる。また、これによって燃焼ガス１の熱量が周方向で局部的に過不足状態になる。燃焼ガス１の流れを周方向に曲げることで、燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１の流れと第１の改質反応流路５を流れる原料３の流れとが、内壁８を介して向かい合った位置ではなくなる。このことから、内壁８を介して第１の改質反応流路５への移動熱量が均等化され、燃焼ガス１の局部的な熱量過不足の発生を防止する。
その結果、改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
【００３２】
実施の形態２に係る燃料処理装置によると、燃焼ガス流路２の第１の改質反応流路５に隣接した領域に羽根板２２が設けられているので、原料３に周方向の偏流があった場合に、燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１の流れの方向を周方向に曲げて、燃焼ガス１から第１の改質反応流路５への移動伝熱量の過不足を均等化する。その結果、改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態２では、燃焼ガス曲流手段として羽根板２２を例に説明したが、勿論このものに限らず、例えば、棒のようなもので燃焼ガス１の流れを屈曲させてもよい。また、羽根板２２の形状および数は、図４に示すものに限定するものではない。
【００３４】
実施の形態３．
図５は実施の形態３に係る燃料処理装置の断面図である。
実施の形態３に係る燃料処理装置は、第１の改質反応流路５内に改質ガス曲流手段である羽根板２３が設けられている。
その他の構成は、実施の形態１の他の例と同様である。
【００３５】
この羽根板２３により、第１の改質反応流路５内の原料３の流れが周方向に曲げられるので、原料３に周方向の偏流があった場合に、燃焼ガス流路２から第１の改質反応流路５への移動伝熱量の過不足を均等化させる。
【００３６】
実施の形態３に係る燃料処理装置によると、第１の改質反応流路５内に羽根板２３が設けられているので、第１の改質反応流路５内の原料３の流れが周方向に曲げられ、燃焼ガス流路２から第１の改質反応流路５への熱の伝達の周方向のばらつきを低減させることができる。その結果、改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
【００３７】
実施の形態４．
図６は実施の形態４に係る燃料処理装置の断面図、図７は図６のスリット波板２４を示す斜視図である。
実施の形態４に係る燃料処理装置は、燃焼ガス流路２の第１の改質反応流路５に隣接した領域に燃焼ガス曲流手段である高熱伝導性のスリット波板２４が設けられている。
図７に示すように、スリット波板２４の山部には、スリットが形成されている。
スリット波板２４の山部が内壁８に固定され、谷部が輻射壁１１に固定されて、スリット波板２４により燃焼ガス流路２の幅は維持されている。
スリット波板２４の波長方向と直交する方向は、軸線方向から周方向に対して所定の角度に傾斜され、スリット波板２４は燃焼ガス流路２内でらせん状に設けられている。
その他の構成は、実施の形態１の他の例と同様である。
【００３８】
スリット波板２４は、予め平板時に山部となる領域にスリットを入れておき、その後、プレス成型等を用いて波板に曲げ加工することで製作することが可能である。その後、加工されたスリット波板２４を、スリットが設けられている領域が外径となるようにして所望の径にロール曲げて、容易に部品として形成することができる。勿論、これらの順序を変更し、また、複数の行程を組み合わせて製作してもよい。
【００３９】
実施の形態４に係る燃料処理装置によると、燃焼ガス流路２の第１の改質反応流路５に隣接した領域に燃焼ガス曲流手段である高熱伝導性のスリット波板２４が設けられているので、原料３に周方向の偏流があった場合に、燃焼ガス１から第１の改質反応流路５への移動伝熱量の過不足を均等化させるので、改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
また、スリット波板２４は、内壁８と輻射壁１１とに密着して固定されているので、高温による内壁８および輻射壁１１の変形によって燃焼ガス流路２の幅が不均一に変形することを防止できる。
また、スリット波板２４は、高熱伝導性であるので、燃焼ガス１から伝達されたスリット波板２４の熱を第１の改質反応流路５へ伝えて、熱効率を向上させることができる。
【００４０】
なお、上記構成の実施の形態４では、スリット波板２４を燃焼ガス曲流手段であるとして説明したが、勿論このものに限らず、スリット波板２４を改質ガス曲流手段として第１の改質反応流路５内に設けてもよい。
これによると、原料３に周方向の偏流があった場合に、スリット波板２４により、原料３の周方向のばらつきが低減され、改質ガス４の周方向の温度差が低減される。
また、スリット波板２４は、内壁８と中壁９とに密着して固定されている場合、高温による内壁８および中壁９で挟まれた第１の改質反応流路の幅が不均一に変形するのを防止できる。
また、スリット波板２４は、高熱伝導性であるので、内壁８および中壁９から伝えられたスリット波板２４の熱を原料３へ伝達して、熱効率を向上させることができる。
【００４１】
図８は、実施の形態４の他の例の燃料処理装置のオフセットフィン２５を示す斜視図である。
スリット波板２４と同様にして、燃焼ガス流路２の第１の改質反応流路５に隣接した領域に燃焼ガス曲流手段である高熱伝導性のオフセットフィン２５がらせん状に設けられている。図８の上面が熱回収流路６の外壁１０と面接触し、下面が中壁９と面接触している。
このオフセットフィン２５は、燃焼ガス１の流れ方向に垂直な壁はなく、上面、側面および下面からなっている。
【００４２】
オフセットフィン２５内の燃焼ガス１の多くは、オフセットフィン２５の側面に沿って、らせん状に旋回し、オフセットフィン２５内の燃焼ガス１の残りは、軸線方向に進もうとして、開いている面から隣の燃焼ガス１の流れと合流する。したがって、原料３に周方向の偏流があった場合や燃焼ガス１に周方向の偏流があった場合に、オフセットフィン２５が燃焼ガス１を周方向に旋回させるので、燃焼ガス１の周方向の伝熱量の過不足が抑制され、改質ガス４の周方向の温度差を低減させる。
【００４３】
この機能を確かめるために、本願発明者は、実際、燃焼ガス流路２内で、軸線方向から周方向へ６０℃傾けた状態でオフセットフィン２５を設け、溝が一周するようにロールさせた後、トレースガスを流してその濃度分布を測定したところ、約２７０度まで燃焼ガス１の流れ方向を変えることができることがわかった。
このオフセットフィン２５を用いて、バーナー１５での燃焼温度差を約２００℃つけ、かつ原料３の流量に±５％の偏流をつけた改質反応試験を実施した結果、第１の改質反応流路５の出口付近の周方向の温度差は約７０℃まで改善された。
また、燃焼ガス流路２の幅に相当する高さに設計および製作することで組立時の燃焼ガス流路２の幅の位置決めに利用することができる。
【００４４】
なお、上記構成の燃料処理装置では、オフセットフィン２５を第１の改質反応流路５に隣接した燃焼ガス流路２内に設けているが、オフセットフィン２５を原料予熱流路１６に隣接した燃焼ガス流路２内に設けてもよい。
【００４５】
図９は実施の形態４のさらなる他の例の燃料処理装置の断面図である。
この燃料処理装置では、輻射壁１１の内部で、第２の熱遮蔽部が燃焼ガス１の上流側の上流熱遮蔽部２６と下流側の下流熱遮蔽部２７とに分離されて設けられ、下流熱遮蔽部２７は、輻射壁１１の最上部に固定されている。
輻射壁１１は、上流熱遮蔽部２６の燃焼ガス１の上流側に、輻射空間１２ａが形成された上流内側輻射部２８ａを有し、上流熱遮蔽部２６と下流熱遮蔽部２７との間に、輻射空間１２ｂが形成された下流内側輻射部２９ａを有している。
【００４６】
この燃料処理装置によると、上流内側輻射部２８ａと比べて下流内側輻射部２９ａの温度が低いので、効果が低減されるものの、下流内側輻射部２９ａにより燃焼ガス１の周方向の温度差が低減され、その結果、原料予熱流路１６への熱の伝達の分散均一化を図ることができ、改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
また、下流熱遮蔽部２７により、排気孔２０から排出される燃焼ガス１への放熱を防止して、熱効率を向上させることができる。
【００４７】
実施の形態５．
図１０は実施の形態５に係る燃料処理装置の断面図である。
実施の形態５に係る燃料処理装置は、燃焼ガス流路２の中で、輻射壁が燃焼ガス１の上流側の上流輻射壁２８と下流側の下流輻射壁２９とに分離されている。上流輻射壁２８および下流輻射壁２９は、実施の形態１の輻射壁１１と同様のものから構成されている。
また、燃焼ガス流路２には、上流輻射壁２８と下流輻射壁２９との間に、上流側から流れた燃焼ガス１を合流させる燃焼ガス合流空間３０が形成されている。
内壁８の燃焼ガス流路２側の面には、燃焼ガス１を燃焼ガス合流空間３０へ案内する案内手段であるリング３１が周方向に設けられている。
上流輻射壁２８は、輻射空間１２ａが形成された上流内側輻射部２８ａを有し、上流輻射壁２８内部の燃焼ガス１の下流側には、輻射空間１２ａからの伝熱を防ぐために上流熱遮蔽部２６が設けられている。
下流輻射壁２９は、輻射空間１２ｂが形成された下流内側輻射部２９ａを有し、下流輻射壁２９内部の燃焼ガス１の下流側には、輻射空間１２ｂからの伝熱を防ぐために下流熱遮蔽部２７が設けられている。
その他の構成は実施の形態１の他の例と同様である。
【００４８】
実施の形態５に係る燃料処理装置では、まず、バーナー１５で加熱された燃焼ガス１が、内壁８と上流輻射壁２８との間を通過し、内壁８および上流輻射壁２８に熱を伝達する。
次に、燃焼ガス１はリング３１に案内されて燃焼ガス合流空間３０に流入し、燃焼ガス１が合流する。
その後、燃焼ガス１は内壁８と下流輻射壁２９との間に流入し、内壁８および下流輻射壁２９に熱を伝達する。
【００４９】
実施の形態５に係る燃料処理装置によると、内壁８と上流輻射壁２８との間の燃焼ガス流路２を流通する燃焼ガス１に周方向の温度差が発生しても、燃焼ガス流路２の途中に設けられた燃焼ガス合流空間３０において、燃焼ガス１が合流するので、内壁８と下流輻射壁２９との間の燃焼ガス流路２を通過する燃焼ガス１の周方向の温度差を低減させ、その結果、改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
【００５０】
なお、上記各実施の形態では、輻射壁１１、上流輻射壁２８および下流輻射壁２９に、ステンレス材料を用いて説明したが、勿論このものに限らず、輻射伝熱を促進するための輻射率の高い材料であればよく、例えば、表面が高輻射率のセラミック系材料であるもの等がある。また、低輻射率材料であっても、例えば、ＳｉＺｒＯ４、ＺｒＯ２または、ＳｉＯ２などを成分とするコーティング剤等で表面処理して輻射伝熱を促進するようにしたものであってもよい。
また、上記各実施の形態では、輻射空間を形成する内側輻射部では、熱遮蔽部は、断熱性のあるものとして示したが、例えば表面を輻射率の高い金属としたり、上記コーティングしたりするなどで、輻射面として利用してもよい。
【００５１】
また、上記各実施の形態では、原料３にメタンを用いた改質反応を例として説明したが、勿論このものに限らず、例えば、天然ガス（都市ガス等）やエタン、プロパンなどの炭化水素系燃料ガス、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油等の液体炭化水素系燃料、メタノール、エタノール等のアルコール系燃料、エーテル系の燃料であってもよい。また、このとき用いられる触媒は、それぞれの改質に適したものになることは言うまでもない。
【００５２】
また、上記各実施の形態において、原料予熱流路１６の内部の構造ついては、説明していないが、例えば、原料予熱流路１６内に伝熱粒子である微小な粒子を充填して原料３への熱の伝導性を高めたもの、原料予熱流路１６を形成する壁に伝熱フィンを設けたもの、内部に原料３を通過させ原料３への熱伝達性を高めるためにチューブを原料予熱流路１６内に設けたもの、原料予熱流路１６内に仕切り板を設け原料３が流れる距離を長くして原料３への熱伝達性を高めたもの等であってもよい。
【００５３】
また、上記各実施の形態では、燃料処理装置を円筒形状として説明したが、例えば、角柱形状等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施の形態１に係る燃料処理装置の断面図である。
【図２】実施の形態１の他の例の燃料処理装置の断面図である。
【図３】実施の形態２に係る燃料処理装置の断面図である。
【図４】図３の燃焼ガス流路に羽根板を設けたときの燃焼ガスの流れを示す説明図である。
【図５】実施の形態３に係る燃料処理装置の断面図である。
【図６】実施の形態４に係る燃料処理装置の断面図である。
【図７】図６のスリット波板を示す斜視図である。
【図８】実施の形態４の他の例の燃料処理装置のオフセットフィンを示す斜視図である。
【図９】実施の形態４のさらなる他の例の燃料処理装置の断面図である。
【図１０】実施の形態５に係る燃料処理装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  燃焼ガス、２  燃焼ガス流路、３  原料、４  改質ガス、５  第１の改質反応流路、６  熱回収流路、７  連通路、８  内壁、９  中壁、１０  外壁、１１  輻射壁、１１ａ  内側輻射部、１２  輻射空間、１２ａ  輻射空間、１２ｂ  輻射空間、１３  第１の熱遮蔽部、１４  第２の熱遮蔽部、１５  バーナー、１６  原料予熱流路、１７ａ  触媒、１７ｂ  第２の触媒、１８  第２の反応流路、１９  改質ガス出口孔、２０  排気孔、２１  原料供給孔、２２  羽根板、２３  羽根板、２４  スリット波板、２５  オフセットフィン、２６  上流熱遮蔽部、２７  下流熱遮蔽部、２８  上流輻射壁、２８ａ  上流内側輻射部、２９  下流輻射壁、２９ａ  下流内側輻射部、３０  燃焼ガス合流空間、３１  リング、３２  断熱材。
【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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【図９】
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【図１０】
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