(57)【要約】  【課題】  燃料処理装置１の改質器２０３において、燃焼ガスの流れを均一にして、改質触媒２０４を均一に加熱し、熱効率を向上させる。  【解決手段】  燃料処理装置１を、燃料の燃焼により燃焼ガスを生成させるバーナ１０３と、一方の開口部分の先端に径方向内側に向かって邪魔板１０５が設けられ、他方の開口部分から内側に燃焼ガスを流入させて、邪魔板１０５が設けられる開口部分１０６を通して燃焼ガスを内側から外側へ流出させる、略円筒の形状の燃焼筒１０４と、原料と水とを水蒸気改質反応させる改質触媒２０４が設けられ、内筒２０５と燃焼筒１０４との間の空間で燃焼ガス流通経路２０７を構成するように設けられる改質器２０３とを備える構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の燃焼により燃焼ガスを生成させる燃焼部と、
略円筒の形状であって、一方の開口部分の先端に径方向内側に向かって邪魔板が設けられ、他方の開口部分から内側に前記燃焼ガスを流入させて、前記邪魔板が設けられる開口部分を通して前記燃焼ガスを内側から外側へ流出させる、燃焼筒と、
有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させる改質触媒を有し、内壁面と前記燃焼筒との間の空間で前記燃焼ガスの流通経路を構成するように設けられる改質器とを備える燃料処理装置。
【請求項２】
前記邪魔板は、前記燃焼ガスの出口穴となる、前記燃焼筒の外径より小さい径で開口する出口部を有する
請求項１記載の燃料処理装置
【請求項３】
前記邪魔板は、先端部分を径方向内側に向かって絞り加工することで構成される
請求項１記載の燃料処理装置。
【請求項４】
前記邪魔板は、さらに長さ方向に内側へ折り返す絞り加工することで構成される
請求項３記載の燃料処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる燃料処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池にはアノードガスとして水素含有ガスが用いられるが、水素含有ガスのインフラが整備されていない。そこで、一般的に、都市ガス等の既存のインフラから供給される原料から水素含有ガスを生成させる燃料処理装置が併設される。
【０００３】
その燃料処理装置は、水蒸気改質反応によって原料及び水から水素含有ガスを生成させる改質触媒が設けられる改質器と、水蒸気改質反応に要する熱を改質器に供給する加熱器を有する。そして、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系の原料と水とがそれぞれ外部のインフラから改質器に供給され、改質器が加熱器によって水蒸気改質反応に適する温度（改質反応温度）にまで加熱され、水素含有ガスが改質器から送出されるように構成されている。
【０００４】
一般的に、上述の加熱器には、燃焼ガスによって加熱する方法となる、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系、メタノール等のアルコール系の燃料、あるいは燃料電池での発電に利用されなかったアノードオフガスをバーナで燃焼させる燃焼部が用いられる。また、バーナの周囲に燃焼筒を設けて、バーナで形成される火炎が改質触媒の入った容器に直接触れないように構成される。すなわち、燃焼筒と改質器を同心円状に設置し、燃焼ガスを燃焼筒の先端から流出させるとともに、その燃焼ガスの流れを折り返すことで、燃焼筒と改質器との間とで構成される間隙を通して流す構成がとられるが多い。
【０００５】
燃焼筒と改質器を同心円状に設置する場合、周囲方向に燃焼ガスを均一に流通させるため、燃焼筒や改質器を真円に近い形状に作成することと、燃焼筒と改質器との間隙を周方向すべてにおいて均一にすることが望ましい。しかしながら、上述のように真円に作成すること、および間隙を均一にすることは困難であり、燃焼筒から出た燃焼ガスが燃焼筒と改質器との間隙を流れる周方向の分布を均一にすることは難しい。そのため、改質触媒での温度分布が周方向でバラつくので、反応に適切な状態に加熱するまでに多くの熱が必要となり、熱効率を低下させる原因となる。
【０００６】
そこで、改質触媒における温度分布のバラつきを低減するために、燃焼筒の径を先端部分に向かって段階的に小さくする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃焼筒と改質触媒の入った筒（改質器）との空間に螺旋状の羽根を設ける構成も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−３２１７５号公報
【特許文献２】特開２０００−２６１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃焼筒の径を先端部分に向かって段階的に小さくする構成は、その加工に熟練を要し、加工費も高くなる。また、螺旋状の羽根を設ける構成も、その加工に熟練を要し、加工費も高くなる。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、簡単な構成で、水素含有ガスを生成させる燃料処理装置を提供とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の燃料処理装置は、  燃料の燃焼により燃焼ガスを生成させる燃焼部と、略円筒の形状であって、一方の開口部分の先端に径方向内側に向かって邪魔板が設けられ、他方の開口部分から内側に燃焼ガスを流入させて、邪魔板が設けられる開口部分を通して燃焼ガスを内側から外側へ流出させる燃焼筒と、有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させる改質触媒を有し、内壁面と燃焼筒との間の空間で燃焼ガスの流通経路を構成するように設けられる改質器とを備える構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料処理装置によれば、燃焼筒の加工を容易して、低コストで構成することを可能にする。また、加工精度を向上させることができるので、改質器における改質触媒の周方向への加熱ムラを低減でき、熱効率の高い燃料処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料処理装置１の概略構成を示す模式図である。
【００１３】
燃料処理装置１は、燃焼部であるバーナ１０３と、改質器２０３とで構成されている。
【００１４】
バーナ１０３には、燃料供給経路１０１と空気供給経路１０２とが接続されている。燃料供給経路１０１から燃焼用の燃料、空気供給経路１０２から燃焼に必要な空気がバーナ１０３に供給され、バーナ１０３で燃焼させることで火炎および燃焼ガスが生成される。また、燃焼筒１０４が、バーナ１０３で生成される火炎を覆うように配置されている。なお、燃焼筒１０４には、バーナと対向する開口部分の先端に、径方向内側に向かい中心部分に出口穴となる出口部１０６を有する邪魔板１０５が設けられ、出口部１０６の孔径が、燃焼筒１０４の外径より小さい孔径となるように構成されている。
【００１５】
改質器２０３には、改質反応に用いられる原料を供給する原料供給経路２０１、改質反応に用いられる水を供給する水供給経路２０２が接続されている。また、内筒２０５、中筒２０６、外筒２０７を備え、内筒２０５と中筒２０６とで構成される空間に改質触媒２０４が納められている。また、中筒２０６と外筒２０７とで構成される空間は、改質触媒２０４後の改質ガス（水素含有ガス）を通過させる空間となっている。なお、改質触媒２０４としては、例えばアルミナ等の触媒担体に、ニッケル、ルテニウム等の金属を担持したものを用いることができる。なお、内筒２０５、中筒２０６および外筒２０７は、それぞれが適切に接合され改質器が構成されている（その詳細な説明は、省略する）。
【００１６】
また、改質器２０３は、内筒２０５、中筒２０６、外筒２０７が燃焼筒１０４を略中心として配置されており、燃焼筒１０４と内筒２０５との間の空間で、燃焼ガスの燃焼ガス流通経路１０７が構成されている。さらに、外筒２０７の外側には、改質器２０３を覆うように燃焼ガスカバー２０８が設けられており、外筒２０７と燃焼ガスカバー２０８との間の空間でも、燃焼ガスの燃焼ガス流通経路１０７が構成されている。
【００１７】
次に、本発明の実施の形態１における燃料処理装置１の特徴的な動作について説明する
。なお、燃料処理装置としての一般的な動作についての説明は、省略する。
【００１８】
改質反応に必要な熱量を供給するため、バーナ１０３で燃料を燃焼させ、改質器２０３を加熱する。燃料は、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素等、及びメタノール等のアルコール等（または燃料電池での発電に利用されなかったアノードオフガス等）が用いられる。燃焼に必要な空気は、燃焼が安定する空気比（例えば、空気過剰率λで１．５）で供給される。火炎が、燃焼筒１０４の内側で形成され、燃料の燃焼により発生する燃焼ガスが、邪魔板１０５の出口部１０６から出て、燃焼ガス流通経路１０７を通り、燃料処理装置１から排出される。改質器２０３に納められた改質触媒２０４は、主に内筒を通して燃焼ガスから熱を受け取り、加熱される。この時、改質触媒２０４の原料ガス流れに対して最下流の任意の部分に設けられる温度検出部（詳細は図示せず）での検出温度が、約６５０℃となるように、燃料および空気の供給量を調節して加熱を行い、改質器２０３に供給される原料と水との水蒸気改質反応を進行させて、水素を含んだ改質ガス（水素含有ガス）を生成させる。
【００１９】
次に、燃焼筒１０４に邪魔板１０５を設ける構成で得られる効果について説明する。
【００２０】
図２は、燃料処理装置１において、図１に示すように燃焼筒１０４に邪魔板１０５を設ける構成と、燃焼筒１０４に邪魔板１０５を設けない構成（図１に示す燃焼筒１０４から邪魔板１０５を除いた構成、詳細は図示せず）において、改質触媒２０４の任意の位置の温度を測定する温度検出部（詳細は図示せず）が約６５０℃となる任意の条件で、改質触媒２０４の周方向の温度分布の最大温度分布幅を触媒高さ方向に測定した結果を示す。なお、改質触媒２０４において原料が流れる方向の一番下流側を基準面（０ｍｍ）とし、周方向に対して角度９０度の間隔毎に高さ方向の温度を測定し、改質触媒２０４の基準面からの距離に対して最大温度幅を整理した結果である。
【００２１】
邪魔板１０５を設ける構成は、邪魔板１０５を設けない構成と比較して、最大温度分布幅を小さくできることがわかる。これは、燃焼筒１０４後の燃焼ガスが、燃焼筒１０４と内筒２０５との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路１０７において径方向へ均一に流通して、改質触媒２０４を加熱しているからである。さらに詳しくは、邪魔板１０５を設ける構成では、邪魔板１０５を設けない構成と比較して、燃焼ガスが燃焼筒１０４の内側から外側へ流れ出す時の抵抗が大きくなるので、邪魔板１０５近傍で燃焼ガスの流れを滞りさせ、燃焼ガスを燃焼筒１０４内の出口部１０６近傍で対流しやすくさせる。さらに、出口部１０６の孔径を、燃焼筒１０４の外径より小さい孔径とすることで、燃焼ガスの流れを整流させる効果も得られて、燃焼ガスを燃焼筒１０４の周方向に対して均一に流通させることができるので、改質触媒２０４を均一に加熱することができる。一方、邪魔板１０５を設けない構成では、例えば、火炎がバーナ１０３の中心からずれて形成されてしまった場合、燃焼ガスは、燃焼筒１０４内の周方向に対して偏って流れ、偏ったまま燃焼筒１０４の内側から外側へ流れ出し、燃焼筒１０４と内筒２０５との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路１０７も偏ったまま流れることになる。その結果、改質触媒２０４を不均一に加熱して、図２に示したように周方向に対して、最大温度分布幅も大きくなる。
【００２２】
なお、改質触媒２０４を周方向に対して均一に加熱した場合、以下の効果も得ることができる。
【００２３】
改質触媒２０４の加熱状態は、例えば、本実施の形態１のように改質触媒２０４中の任意の位置に温度検出部を設け、温度検出部で検出される温度が６５０℃になるように、燃料および空気の供給量を調節することでバーナ１０３の燃焼状態を調整して制御する。燃焼ガスの流れが燃焼筒１０４と内筒２０５との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路１０７の周方向に対して不均一である場合、周方向に対しての改質触媒２０４の温度も不均
一になる。例えば、温度検出部を改質触媒２０４の原料ガス流れに対して最下流に位置する部分に設けた場合、図２に示すように、最大温度分布幅が８０℃になる場合があると想定される。すなわち、温度検出部で検出される温度を６５０℃になるように加熱状態を制御しても、対向する位置の改質触媒の温度が７３０℃になっている可能性がある。前記の場合、改質触媒２０４を必要以上に加熱することになり、熱効率を低下させることにつながる。また、温度検出部の対向する位置の改質触媒２０４の温度が５７０℃になる可能性もある。前記の場合、改質反応が十分に進行せず、必要な水素量を確保できないことにつながる。それに対して、燃焼ガスの流れが周方向に対して均一な場合には、改質触媒２０４を周方向に対して均一に加熱できるので、バーナ１０３で燃焼させる燃料の量を少なくすることができ、水素含有ガスを効率よく生成することができるので、熱効率を向上させる効果も得ることができる。
【００２４】
さらに、以下に示す加工方法を用いることで、簡便に本実施の形態１に示す燃料処理装置１の燃焼筒１０４を作成することができる。
【００２５】
まず、燃焼筒１０４を円筒型に作成する。次に、その燃焼筒１０４の開口部分の先端に、中心部分に出口部１０６を設けた円盤型の邪魔板１０５を設置し、周囲を溶接し作成する。この加工方法では、熟練を要しないので、加工費を抑制することが可能である。また、簡便であるため、寸法管理も容易で、作成時のばらつきも抑制できるので、邪魔板１０５の出口部１０６を燃焼筒１０４の中心部分に確実に設置でき、燃焼ガスを周方向に対して均一に流通させることを確実にすることができる。
【００２６】
以上、本実施の形態１のように燃料処理装置１を構成するにより、簡便な構成で、改質触媒の周方向の温度分布を抑制し、かつ熱効率を向上させることのできる装置を提供することができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における燃料処理装置２の構成を説明する。
【００２７】
図３に、本発明の実施の形態２における燃料処理装置２の概略構成図を示す。本実施の形態２の燃料処理装置２は、実施の形態１の燃料処理装置１とほぼ同じ構成となるので、相違点のみを説明する。相違点は、邪魔板１０５の構成であり、実施の形態１の燃料処理装置１の邪魔板１０５に対して、実施の形態２の燃料処理装置２の邪魔板１０５では、出口部１０６に絞り加工を施し、燃焼筒１０４の外側に向かって、出口部ガイド１０９を設けた点となる。
【００２８】
運転時、バーナ１０３によって形成される火炎により高温にさらされている燃焼筒１０４は、装置停止時には、その高温状態から冷却されることになり、熱ひずみを生じる。熱ひずみは、装置の起動停止を繰り返す毎に生じることになり、起動停止の回数が多くなるほど変形を起こす可能性が大きくなる。この熱ひずみで邪魔板１０５が変形すると、出口部１０６が変形する、出口部１０６の中心がずれる等、燃焼ガスの流れの偏りを発生させる原因となり、改質触媒２０４を均一に加熱できなくなることがあるので、邪魔板１０５の変形を抑制することが重要となる。
【００２９】
そこで、本実施の形態２では、図３に示すように、邪魔板１０５の出口部１０６に、絞り加工を施して出口部ガイド１０９を構成する。この出口部ガイド１０９により、邪魔板１０５が熱ひずみに対して強い構造にすることができる。すなわち、邪魔板１０５の出口部１０６に絞り加工を施して出口部ガイド１０９を設けた構成では、燃焼筒１０４の内側での燃焼ガスを対流させることができるとともに、起動停止を繰り返す長期間の使用時にも、燃焼ガスの周方向への流通の均一性を確保することを可能とする。
【００３０】
なお、出口部ガイド１０９の構造は上記の構造に限らず、図４に示すように、出口部ガイド１０９を燃焼筒１０４の内側に折り返した構成、図５に示すように、出口部ガイド１０９を逆テーパー状に施した構成にしてもよい。出口部ガイド１０９を燃焼筒１０４の内側に折り返した構成、逆テーパー状に施した構成では、燃焼筒１０４の内側から外側へ燃焼ガスが流れる時の抵抗を高くできるので、燃焼ガスの対流をさらに引き起こす効果を得ることができる。その結果、燃焼筒１０４と内筒２０５との間の空間で構成される燃焼ガス流通経路１０７で、より均一に燃焼ガスを流すことができ、改質触媒２０４をさらに均一に加熱することを可能とする。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、有機化合物を含む原料と水とを水蒸気改質反応させ、水素含有ガスを生成させる、高い熱効率と耐久性が求められる燃料処理装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料処理装置の概略構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態１における燃焼筒径方向の改質触媒分布幅を流れ方向にプロットした図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料処理装置の概略構成を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料処理装置の変形例の概略構成を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態２における燃料処理装置の変形例の概略構成を示す模式図
【符号の説明】
【００３３】
１、２  燃料処理装置
１０１  燃料供給経路
１０２  空気供給経路
１０３  バーナ
１０４  燃焼筒
１０５  邪魔板
１０６  出口部
１０７  燃焼ガス流通経路
１０８  燃焼ガス出口穴
１０９  出口部ガイド
２０１  原料供給経路
２０２  水供給経路
２０３  改質器
２０４  改質触媒
２０５  内筒
２０６  中筒
２０７  外筒
２０８  燃焼ガスカバー
【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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