(57)【要約】【課題】原料に偏流があっても改質ガスの周方向の温度差を低減させて改質効率および耐久性を向上させ、熱効率も向上させることができる燃料処理装置を得る。【解決手段】この発明に係る燃料処理装置は、燃焼ガス１を通す燃焼ガス流路２、燃焼ガス流路２の外側に内壁９を介して設けられ内壁９と中壁１０とで形成された空間に流入した原料３から改質ガス４を生成する第１の改質反応流路５、第１の改質反応流路５の外側に中壁１０を介して設けられ中壁１０と外壁１１とで形成された空間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および第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を有した改質反応器８と、連通路７または熱回収流路６のうち少なくとも一方に設けられ改質ガス４の流れを曲げて改質ガス４の温度ばらつきを低減させるガス案内棒１６とを備えている。【選択図】図１
2007320816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを通す燃焼ガス流路、前記燃焼ガス流路の内壁を介して設けられ、前記内壁と中壁とで形成された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、前記改質反応流路の前記中壁を介して設けられ、前記中壁と外壁とで形成された空間に流入した前記改質ガスの熱を前記改質反応流路へ伝達する熱回収流路および前記改質反応流路と前記熱回収流路とを連通した連通路を有した改質反応器と、
前記連通路または前記熱回収流路のうち少なくとも一方に設けられ、前記熱回収流路に流入した前記改質ガスの流れを規制する改質ガス曲流手段と、
を備えたことを特徴とする燃料処理装置。
【請求項２】
前記改質ガス曲流手段は、前記改質ガスの流れの方向を屈曲させるガス案内棒であ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】
前記改質ガス曲流手段は、前記改質ガスの流れの方向を旋回させる羽根板であ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４】
前記改質ガス曲流手段は、前記中壁と前記外壁とに密着していることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料処理装置。
【請求項５】
前記改質ガス曲流手段は、前記改質ガスの熱を前記改質反応流路へ熱伝導により伝達す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】
前記燃焼ガス流路の前記内壁近傍に、前記燃焼ガスから伝達された熱を前記改質反応流路へ輻射により伝達する筒形状の輻射壁が設けられるとともに、前記輻射壁の内部に輻射空間が設けられた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】
前記内壁と前記輻射壁との間に前記燃焼ガスの流れを規制する燃焼ガス曲流体が設けられたことを特徴とする請求項６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、前記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、前記改質反応流路の外側に隣接して設けられ、内部に流入した前記改質ガスの熱を前記改質反応流路へ伝達する熱回収流路および前記改質反応流路と前記熱回収流路とを連通した連通路を備えた円筒形状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】特許２７４６１０８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の温度が低くなり、逆に原料の少ない領域の改質ガス温度が高くなり、改質ガスの周方向に温度差が発生する。その結果、改質反応流路の低温部では改質効率が低下し、高温部では改質反応流路を形成する壁の耐久性が低下し、燃料処理装置の熱効率が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、改質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、前記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た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、前記改質反応流路の外側に前記中壁を介して設けられ、前記中壁と外壁とで形成された空間に流入した前記改質ガスの熱を前記改質反応流路へ伝達する熱回収流路および前記改質反応流路と前記熱回収流路とを連通した連通路を有した改質反応器と、前記連通路または前記熱回収流路のうち少なくとも一方に設けられ、前記熱回収流路に流入した前記改質ガスの流れを規制する改質ガス曲流手段とを備えている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る燃料処理装置によれば、原料に偏流があった場合に、連通路または熱回収流路のうち少なくとも一方に設けられ、熱回収流路に流入した改質ガスの流れを規制する改質ガス曲流手段によって、改質ガスの温度ばらつきを低減させることができるので、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、同一符号を付して説明する。
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、図２は図１のガス案内棒１６を熱回収流路６に設けたときの改質ガス４の流れを示す説明図である。
実施の形態１に係る燃料処理装置の改質反応器８は、円筒管構造であり、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。
また、この改質反応器８は、燃焼ガス流路２と第１の改質反応流路５との間に設けられ、両流路を区画した円筒状の壁である内壁９と、第１の改質反応流路５と熱回収流路６との間に設けられ、両流路を区画した円筒状の壁である中壁１０と、熱回収流路６の外側に設けられ、円筒状の壁である外壁１１とを有している。
また、内壁９、中壁１０および外壁１１は、同心に配置されている。
【０００９】
燃焼ガス流路２の内部には、有底円筒状の輻射壁１２が、開口部を下向きにして設けられている。
また、輻射壁１２と内壁９との間には、燃焼ガス１が通過できるように、所定の距離だけ離されている。
輻射壁１２の下方には、輻射壁１２の開口部に向けて高温の燃焼ガス１を放つバーナー１３が設けられている。
また、バーナー１３の周囲および改質反応器８の周囲には、断熱材３２が設けられている。
【００１０】
第１の改質反応流路５の原料３の上流には、内壁９と中壁１０とに区画され、流入した原料３を予熱する原料予熱流路１４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１５ａ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１５ａは、Ｒｕ系やＮｉ系のものが用いられる。
【００１１】
（改質反応）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  −（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２    −（２）
【００１２】
熱回収流路６の改質ガス４の下流には、中壁１０と外壁１１とに区画され、内部に流入した改質ガス４の中で、上式（２）に示すようなＣＯをＣＯ２に変成させる第２の反応流路１７が連続的に設けられている。この第２の反応流路１７の内部には、第２の触媒１５ｂが充填されている。
また、第２の反応流路１７の出口付近の外壁１１には、生成された改質ガス４を改質反応器８から取り出す改質ガス出口孔２５が形成されている。
【００１３】
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１８が形成されている。
また、原料予熱流路１４の上流には、原料３を流入するための原料供給孔１９が形成されている。
【００１４】
図２に示すように、この燃料処理装置は、熱回収流路６の中に、改質ガス４の流れを周方向に曲げる改質ガス曲流手段であるガス案内棒１６を備えている。
ガス案内棒１６は、中空の円管でできており、熱回収流路６の中で、４本が周方向に沿ってそれぞれが間隔をあけて並べられ、それぞれが軸線方向に対して所定の角度に傾斜して固定されている。また、隣り合うガス案内棒１６の隣接した各端部の各々は、軸線方向から視た時に、互いに重なるようになっている。
外壁１１と中壁１０との間の幅（ｗ）とガス案内棒１６の外径（ｄ）との間の関係は、ｄ＝ｗもしくはｄ＞ｗになっており、製作精度にばらつきがあった場合でも、ガス案内棒１６と外壁１１および中壁１０とのそれぞれの隙間を小さくなるようにしている。つまり、外壁１１と中壁１０との間の幅（ｗ）の小さい箇所では、ガス案内棒１６が隙間に合うように弾性変形し、それぞれの隙間を通って軸方向に流れる改質ガス４の流量を少なくなるようにしている。
【００１５】
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１９から供給された原料３は、原料予熱流路１４で内壁９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１０を介して第２の反応流路１７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１５ａ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９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１０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。
原料３は、第１の改質反応流路５内で約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り原料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に流入した改質ガス４は、中壁１０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、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へ熱が移動する熱回収は、主に、第１の改質反応流路５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１７に流入する。この第２の反応流路１７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１７では、その用途に応じた第２の触媒１５ｂの適正な動作温度で行うため、例えば、改質ガス４から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１７に供給する。
【００１６】
一方、燃焼ガス流路２では、バーナー１３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内壁９および輻射壁１２へ伝達し、約４５０℃まで温度が下がる。
さらに、燃焼ガス流路２の下流では、燃焼ガス１が、熱を原料予熱流路１４へ伝達し、１００℃以下程度にまで温度が下がる。
燃焼ガス流路２から内壁９を介した第１の改質反応流路５および原料予熱流路１４への熱の伝達は、燃焼ガス１の対流により熱が伝達され、また、輻射壁１２からの輻射および燃焼ガス１からの輻射によっても熱が伝達される。特に高温部では、輻射壁１２からの輻射の比率が大きくなる。つまり、輻射壁１２のバーナー１３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。
【００１７】
なお、バーナー１３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４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１３の燃料にする場合、または、原料３と同じ燃料とオフガスとを組み合わせてバーナー１３の燃料とする場合等がある。
【００１８】
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、第１の改質反応流路５の出口付近では、改質ガス４の温度に周方向のばらつきが生じる。つまり、第１の改質反応流路５で原料３の多い領域では、改質反応による吸熱が燃焼ガス１からの加熱より上回ることにより、改質ガス４の温度が低くなる。一方、第１の改質反応流路５で原料３の少ない領域では、改質反応による吸熱より燃焼ガス１からの加熱が上回ることにより、改質ガス４の温度が高くなる。
この温度にばらつきのある改質ガス４が連通路７を通過して熱回収流路６に達すると、ガス案内棒１６により、改質ガス４の流れの方向は周方向に強制的に屈曲された後、改質ガス４は再び軸線方向に沿って熱回収流路６内を通過する。
このように、改質ガス４が周方向に屈曲されることによって、第１の改質反応流路５を通過する原料３の流れと、この原料３が改質ガス４に改質され連通路７で反転された後の熱回収流路６内の改質ガス４の流れとが、中壁１０を介して向かい合った位置ではなくなる。例えば、第１の改質反応流路５の高温部を通過した高温の改質ガス４は、熱回収流路６では、その高温部から周方向にずれた領域に熱を伝達する。
つまり、第１の改質反応流路５から流出した高温の改質ガス４は、熱回収流路６において、第１の改質反応流路５の比較的低温な領域に熱を伝達する。これにより、第１の改質反応流路５の比較的低温な領域の温度が高くなり、引き続き同領域を通過した改質ガス４の温度は高くなる。
一方、第１の改質反応流路５から流出した低温の改質ガス４の場合、熱回収流路６において、第１の改質反応流路５の比較的高温な領域に伝達する熱は、高温の改質ガス４の場合と比べて少なくなる。これにより、第１の改質反応流路５の比較的高温な領域の温度が低くなり、引き続き同領域を通過した改質ガス４の温度は低くなる。
以上により、第１の改質反応流路５出口付近における改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
【００１９】
この効果を確認するために、本願発明者は、実際、燃焼熱量約１０ｋＷ相当の燃料処理装置を試作し、原料流量に±５％程度の周方向に沿った分布をつけてその温度ばらつきの測定を行った。その結果、第１の改質反応流路５出口において周方向に沿った温度差が約１５０℃あったものが、ガス案内棒１６を設けることにより、約２０％低減した。
【００２０】
この実施の形態１に係る燃料処理装置によれば、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、ガス案内棒１６が改質ガス４の流れを周方向に屈曲させるので、改質ガス４の周方向の温度差を低減させ、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。
【００２１】
なお、この実施の形態１に係る燃料処理装置のガス案内棒１６は、この数量およびこの形状に限定されるものではなく、例えば、丸棒であってもよい。
【００２２】
また、ガス案内棒１６は、熱回収流路６内に設けられているとして説明したが、勿論このものに限らず、連通路７に設けられたものであってもよい。
【００２３】
図３は実施の形態１の他の例に係る燃料処理装置の断面図、図４は図３の羽根板２０を連通路７に設けたときの改質ガス４の流れを示す説明図である。
この燃料処理装置では、ガス曲流手段である平板形状の羽根板２０が、ガス案内棒１６の代わりに、第１の改質反応流路５の出口付近の連通路７に設けられている。
この羽根板２０により、第１の改質反応流路５を通過した改質ガス４は、周方向に旋回して、混合される。
これによって、ガス案内棒１６を設けたときと同様に、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、第１の改質反応流路５を通過する原料３の流れと、この原料３が改質ガス４に改質され連通路７で反転された後の熱回収流路６内の改質ガス４の流れとが、中壁１０を介して向かい合った位置ではなくなるので、第１の改質反応流路５出口付近での改質ガス４の周方向の温度差が低減される。
【００２４】
この燃料処理装置によると、羽根板２０が改質ガス４の流れを旋回させ、混合させるので、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に、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、羽根板２０は薄板で構成することができるので、特に、連通路７の幅が大きい場合などは、改質ガス４を旋回させるのに必要な羽根板２０の軸線方向高さを短縮することができる。また、羽根板２０を適切な枚数に設計すると、平板形状のまま曲げ加工をせずに組付けることが可能となるので、羽根板２０の製作が容易となる。その結果、羽根板２０の製作コストを低減させることができる。
【００２５】
なお、羽根板２０は、連通路７内に設けられているとして説明したが、勿論このものに限らず、熱回収流路６に設けられたものであってもよい。
【００２６】
実施の形態２．
図５は実施の形態２に係る燃料処理装置の断面図、図６は、図５のスリット波板２１の斜視図である。
実施の形態２に係る燃料処理装置では、熱回収流路６内に、ガス曲流手段であるスリット波板２１が設けられている。
高熱伝導性のスリット波板２１は、山部と谷部とが形成されており、この山部には、山部を横切るようにして等間隔にスリットが形成されている。
スリット波板２１は、山部が外壁１１と接し、谷部が中壁１０と接するようにして熱回収流路６に設けられている。さらに、スリット波板２１は、熱回収流路６の中で、連続した山部が軸線方向に対して所定の角度だけ周方向へ傾き、連通路７の方向から視た時に、例えば、改質ガス４が時計回りに回転するように固定されている。これにより、ある山部に流入した改質ガス４は、その連続した山部に沿って、らせん状に流れて移動する。
スリット波板２１は、山部にスリットが形成されているので、容易に、熱回収流路６の径に沿って設けることができる。
また、予め平板時に山になる領域にスリットをいれておき、その後にプレス成型等を用いて波板形状に曲げ加工することで、スリット波板２１を製作することができる。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００２７】
次に、実施の形態２に係る燃料処理装置の動作について説明する。
実施の形態２に係る燃料処理装置では、原料３に周方向の偏流があった場合に、第１の改質反応流路５から流出した改質ガス４には、周方向に温度差が発生する。
この周方向に温度差を有した改質ガス４は、連通路７により反転し、熱回収流路６に流入する。
熱回収流路６に流入した改質ガス４は、熱回収流路６内のスリット波板２１のらせんに沿って移動する。
周方向に温度差がある改質ガス４は、スリット波板２１に沿って、周方向に移動して、第１の改質反応流路５への熱の伝達が周方向に沿って均等に行われるので、第１の改質反応流路５内の改質ガス４の周方向の温度のばらつきは低減する。
また、高温の改質ガス４の熱は、高熱伝導性のスリット波板２１に伝達され、中壁１０を介して第１の改質反応流路５へ伝達される。これにより、第１の改質反応流路５への伝熱性能が向上することから、バーナー１３の燃焼量を減らすことができ、熱効率の向上を図ることができる。また、伝熱面積を減らすことができるので、さらにコンパクトな燃料処理装置が実現できる。
また、スリット波板２１は、中壁１０と外壁１１とに密着して固定されているので、高温の改質ガス４の熱により、中壁１０または外壁１１が過熱され、熱回収流路幅が不均一になるのを防止している。
【００２８】
以上説明したように、実施の形態２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、スリット波板２１が周方向に温度差のある改質ガス４を旋回させるので、第１の改質反応流路５内の改質ガス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２１は、高熱伝導性を有しているので、改質ガス４から伝達された熱を第１の改質反応流路５へ効率よく伝達し、改質効率および熱効率を向上させることができる。さらに、伝熱面積を減らすことができるので、よりコンパクトな燃料処理装置が実現できる。
また、スリット波板２１は、熱回収流路６の中壁１０と外壁１１との間を支えているので、高温の改質ガス４の熱により、中壁１０または外壁１１が温度ばらつきによる変形によって熱回収流路幅が不均一になるのを抑制することができる。
また、スリット波板２１は、平板を用いて製作されるので、製作コストを低減することができる。
また、スリット波板２１は、熱回収流路６の流路幅に合わせて、設計、製作できるので、組立時に、流路幅の位置決めにも利用することができるので、組立効率が向上する。
【００２９】
なお、この実施の形態２に係る燃料処理装置では、スリット波板２１を熱回収流路６内に設けて説明したが、勿論このものに限らず、連通路７内に設けてもよい。
【００３０】
また、スリット波板２１は、この数量およびこの形状に限定されるものではない。
【００３１】
図７は実施の形態２の他の例に係る燃料処理装置の第１のオフセットフィン２２の斜視図である。
この燃料処理装置では、ガス曲流手段である第１のオフセットフィン２２がスリット波板２１の代わりに、熱回収流路６に沿って、らせん状に設けられている。図７の上面が熱回収流路６の外壁１１と面接触し、下面が中壁１０と面接触している。
この第１のオフセットフィン２２には、改質ガス４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。
【００３２】
この燃料処理装置では、第１のオフセットフィン２２内の改質ガス４の多くは、第１のオフセットフィン２２の側面に沿って、らせん状に旋回し、第１のオフセットフィン２２内の改質ガス４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改質ガス４の流れと混合する。したがって、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、第１のオフセットフィン２２が周方向に温度差のある改質ガス４を旋回させるので、第１の改質反応流路５内の改質ガス４の周方向の温度差を低減させる。
【００３３】
この効果を確認するために、本願発明者は、実際、第１のオフセットフィン２２の改質ガス４が流れる方向を軸線方向に対して周方向に６０度傾斜させ、溝が丁度１周するようにロールさせて熱回収流路６に設置した後、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度まで改質ガス４の流れが旋回させることができた。
【００３４】
また、第１のオフセットフィン２２は、スリット波板２１より表面積が大きいので、改質ガス４から伝達される熱量が多くなり、第１の改質反応流路５へ伝達される熱量も多くなる。
【００３５】
この燃料処理装置によると、第１のオフセットフィン２２は、改質ガス４と接する表面積が、スリット波板２１と比べて大きいので、第１のオフセットフィン２２を介して、第１の改質反応流路５への熱の伝達をより効率的に行うことができる。
【００３６】
図８は、実施の形態２のさらなる他の例に係る燃料処理装置の断面図である。
第１の改質反応流路５の出口付近の連通路７に、羽根板２０を設け、さらに熱回収流路６に、スリット波板２１を設けたものである。
第１の改質反応流路５から流出した改質ガス４は、羽根板２０により流れの方向が旋回し、混合された後、熱回収流路６に流入する。
熱回収流路６では、スリット波板２１により、改質ガス４の流れ方向はさらに旋回される。
【００３７】
この燃料処理装置によると、連通路７に羽根板２０が設けられ、熱回収流路６にスリット波板２１が設けられているので、改質ガス４の流れを大きく変更させて、混合させることができる。したがって、羽根板２０およびスリット波板２１はそれぞれを小型化することができる。その結果、小型の燃料処理装置等においても、十分に改質ガス４の流れを変更させて、周方向の温度差を低減させることができる。
【００３８】
実施の形態３．
図９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には、輻射壁１２の内部に輻射空間を有し、燃焼ガス１の周方向の温度差を低減させる温度均一化手段である内側輻射部２３が設けられている。
この内側輻射部２３は、バーナー１３が燃焼ガス１を燃焼する場所と共有化している。したがって、内側輻射部２３はバーナー１３により直接加熱され、高温となる。
輻射壁１２は厚み１ｍｍ程度のステンレス素材とし、その内側表面および外側表面は、製作時もしくは運転時に、酸化させて輻射率の高い材料として使用する。
輻射壁１２の内部で、内側輻射部２３より燃焼ガス１の下流側には、熱遮蔽部２６が設けられている。
この熱遮蔽部２６は、例えば、輻射壁１２の底側に、厚さ約５０ｍｍ程度の多結晶質アルミナ短繊維が充填され、内側輻射部２３側に、ケイ酸カルシウムが充填されている。
また、輻射空間は、輻射壁１２の内面が互いに対面していることが望ましいので、輻射壁１２の内側輻射部２３は、円筒形状に形成されている。
その他の構成は、実施の形態２と同様である。
【００３９】
次に、実施の形態３に係る燃料処理装置の動作について説明する。
バーナー１３からの燃焼ガス１は、燃焼ガス流路２を通過しながら第１の改質反応流路５に熱を伝達するとともに、輻射壁１２にも熱を伝達する。
ここで、燃焼ガス流路２側からの内壁９を介した第１の改質反応流路５への熱の伝達に周方向のばらつきが生じた場合に、燃焼ガス１や輻射壁１２には、周方向に温度差が生じる。
内側輻射部２３では、輻射壁１２の内側方向の輻射等による熱移動が起こり、輻射壁１２の周方向の温度を均一化するように作用する。
その結果、輻射壁１２から内壁９への輻射によって、第１の改質反応流路５に均等な伝熱が可能となり、第１の改質反応流路５出口の改質ガス４の周方向の温度差を低減させることができる。
一方、熱遮蔽部２６により、内側輻射部２３以外の内部への輻射は行われない。これは、必要以上の熱を第１の改質反応流路５へ伝達しないようにしている。その結果、第１の改質反応流路５の入口付近における原料３の過熱を抑制し、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。
【００４０】
実施の形態３に係る燃料処理装置によると、輻射壁１２の内部に輻射空間が形成された内側輻射部２３が設けられているので、燃焼ガス流路２側からの内壁９を介した第１の改質反応流路５への熱の伝達に周方向のばらつきが生じた場合に、輻射壁１２から内壁９への輻射によって第１の改質反応流路５出口の改質ガス４の周方向の温度ばらつきを低減させることができる。
【００４１】
なお、内側輻射部２３は、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、例えば、表面が高輻射率のセラミック系材料でもよく、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い。また、低輻射率材料であっても、例えば、ＳｉＺｒＯ４、ＺｒＯ２、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させたものであってもよい。
【００４２】
図１０は実施の形態３の他の例に係る燃料処理装置の断面図である。
実施の形態３の他の例に係る燃料処理装置は、輻射壁１２に内側輻射部２３が設けられ、さらに、燃焼ガス流路２に燃焼ガス曲流体である第２のオフセットフィン２４が設けられている。
第２のオフセットフィン２４は、輻射壁１２と内壁９との間を周方向に約１周するようにロールされて設けられている。この第２のオフセットフィン２４の形状は、第１のオフセットフィン２２と同じものである。
第２のオフセットフィン２４は、輻射壁１２と内壁９とに固定されている。
また、熱回収流路６には、実施の形態２と同様に、スリット波板２１が設けられている。
【００４３】
この影響を確認するために、本願発明者は、予め燃焼ガス１の上流側における輻射壁１２端部に約２００℃の温度分布（８００℃〜１０００℃）を有する燃焼ガス１を作り、同時に第１の改質反応流路５で原料流量を±５％程度の偏流が生じるように原料供給条件で反応試験を実施した。
その結果、これらを実施しないときには、第１の改質反応流路５の出口における改質ガス４の周方向の温度のばらつきは２００℃以上あったものが、約５０℃以下にまで低減することができた。
【００４４】
この燃料処理装置によると、燃焼ガス流路２に第２のオフセットフィン２４が設けられているので、燃焼ガス流路２側からの内壁９を介した第１の改質反応流路５への熱の伝達に周方向のばらつきが生じた場合に、燃焼ガス１から第１の改質反応流路５へ伝達する熱を周方向に均一分散化することができる。その結果、熱効率および耐久性が向上する。
【００４５】
図１１は実施の形態３のさらなる他の例に係る燃料処理装置の断面図である。
実施の形態３の他の例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１２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９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２７ａ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２７ａからの伝熱を防ぐために上流熱遮蔽部２６ａが設けられている。
下流輻射壁２９は、輻射空間２７ｂ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２７ｂからの伝熱を防ぐために下流熱遮蔽部２６ｂ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。
【００４６】
この燃料処理装置では、まず、バーナー１３で加熱された燃焼ガス１が、内壁９と上流輻射壁２８との間を通過し、内壁９および上流輻射壁２８に熱を伝達する。
次に、燃焼ガス１はリンク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９と下流輻射壁２９との間に流入し、内壁９および下流輻射壁２９に熱を伝達する。
【００４７】
この燃料処理装置によると、内壁９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が合流することによって均温化が図れるので、内壁９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。
【００４８】
また、上記各実施の形態では、原料予熱流路１４は、内壁９と中壁１０とにより形成されたが、勿論このものに限らず、例えば、伝熱フィンおよび仕切り板等で構成されたものやチューブを挿入した構成であってもよい。
【００４９】
また、上記各実施の形態では、第２の反応流路１７を備えていたが、無くてもよい。
【００５０】
また、上記各実施の形態では、原料３として、メタンガス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）やエタンガス、プロパンガスなどの炭化水素系燃料ガス、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油などの液体炭化水素系燃料、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料、エーテル系の燃料などでもよい。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。
【００５１】
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、勿論このものに限らず、角柱形状などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【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】図１のガス案内棒を熱回収流路に設けたときの改質ガスの流れを示す説明図である。
【図３】実施の形態１の他の例に係る燃料処理装置の断面図である。
【図４】図３の羽根板を連通路に設けたときの改質ガスの流れを示す説明図である。
【図５】実施の形態２に係る燃料処理装置の断面図である。
【図６】図５のスリット波板の斜視図である。
【図７】実施の形態２の他の例に係る燃料処理装置のオフセットフィンの斜視図である。
【図８】実施の形態２のさらなる他の例の断面図である。
【図９】実施の形態３に係る燃料処理装置の断面図である。
【図１０】実施の形態３の他の例に係る燃料処理装置の断面図である。
【図１１】実施の形態３のさらなる他の例に係る燃料処理装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
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  改質反応器、９  内壁、１０  中壁、１１  外壁、１２  輻射壁、１３  バーナー、１４  原料予熱流路、１５ａ  触媒、１５ｂ  第２の触媒、１６  ガス案内棒、１７  第２の反応流路、１８  排気孔、１９  原料供給孔、２０  羽根板、２１  スリット波板、２２  第１のオフセットフィン、２３  内側輻射部、２４  第２のオフセットフィン、２５  改質ガス出口孔、２６  熱遮蔽部、２６ａ  上流熱遮蔽部、２６ｂ  下流熱遮蔽部、２７ａ  輻射空間、２７ｂ  輻射空間、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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【図１１】
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