JP2001520577A - ガス生成システムを制御するための制御システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 下流側処理部（１２）で使用するためのガス（Ｓ）を燃料から生成する装置（１０）を制御するためのシステム及び方法である。燃料処理装置は、所望のアウトプットガス（Ｓ）を生成するための複数の燃料処理要素（１４）、燃料入力（Ｆ）、及び廃ガス入力（Ｇ）を有し、各燃料処理要素（１４）は、個々の出力を有し、かつ、前記複数の燃料処理要素（１４）は、集合出力を有し、前記下流側処理部（１２）は、廃ガス出力（Ｇ）と、動的な補給要求（２５）とを有する。この制御システム（１６）は、前記下流側処理部からの前記動的補給要求（２５）を示す通信を受けるための手段と、前記動的補給要求に応答して前記ガスの集合出力レベルを制御するための制御手段と、を有する。この制御手段は、前記各燃料処理要素（１４）からの前記個々の出力が互いに実質的に等しくなって前記集合出力が得られるように、前記動的な補給要求（２５）を前記複数の燃料処理要素に実質的に均等に配分するように動作可能であり、また、前記個々の出力のうち少なくとも一つが集合出力に寄与するように、前記複数の燃料処理要素に対して最も効率的に前記動的な補給要求を配分するようにも動作可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス生成システムを制御するための制御システム及び制御方法 技術分野 本発明は、主に工業用ガスの生成に関し、特に、下流側処理部における動的な 補給要求（ｌｏａｄ ｄｅｍａｎｄ）に応じて炭化水素の供給原料油（燃料）か ら工業用ガスを生成する装置及び方法、並びにこの工業用ガスの生成を制御する 制御システム及び制御方法に関する。 背景技術 水素などの工業用ガスを生成するための反応装置は、従来技術において周知で ある。このような燃料処理装置は、天然ガスやナフサなどの炭化水素燃料から水 素を生成する最も一般的な方法として水蒸気改質を利用する。従来の商業サイズ の燃料生成装置（改質装置）は、通常、出力が大変大きくかつ一定であるユニッ トであり、変動する需要や流量要求に応じてその出力を調整する能力が限られて いる。 燃料電池発電装置として知られている発電装置は、その燃料電池スタックアセ ンブリ（ＣＳＡ）の陽極で水素を消費することによって作動する電気化学的装置 である。燃料電池発電装置の水素需要は、動的であるので、このような装置を一 定の出力特性を有する従来の 商業サイズの改質装置に容易に適応させることができない。このために、出願人 は、小型の改質装置及び関連する技術の開発を行った。発電装置と一体に機能す る本発明の小型の改質装置は、発電装置の水素消費に応じて水素リッチ蒸気の生 成量を変動することが可能であることによって特徴づけられる。この技術は、出 願人が有する米国特許第４，０９８，８５８号及び第４，０９８，５８９号に開 示されている。 また、燃料発電装置で使用されている従来の商業サイズ設計や小型改質装置な どの燃料処理装置によって通常生成される水素純度では、工業用ガスの他の必要 条件を満たすことができない状況もある。このような高純度の水素に対する要求 を満たすには、圧力スイング吸着（pressure swing adsorption:ＰＳＡ）ユニッ ト、低温ユニットや膜ユニットなどの二次的な装置によって追加の処理を行うこ ともできる。 しかし、純度を高くするという要求に加えて需要量の変動が求められる場合、 燃料電池発電装置で使用されるタイプの小型改質装置以外には、これを実質的に 満足させるものはみあたらない。残念ながら、改質ユニットの作動制御装置に対 して大きな変更を加えることなく、ＰＳＡ装置などの二次的なユニットに小型の 改質装置を直接連結することはできない。 本発明の燃料電池改質装置は、燃料電池の総電流即ち電力に比例する水素消費 に応じてＣＳＡに水素リッチガスを供給することを目的としている。この燃料電 池発電装置から排出される、水素が消費されたガス（廃ガス）は、水蒸気改質処 理用の熱を供給するために 改質バーナに与えられる。改質処理燃料及び蒸気供給物は、燃料電池の総電流に 比例して調整されるが、一定の改質温度を維持する必要性もある。 安定点において一定の水素消費で作動する燃料電池発電装置では、改質装置へ の燃料供給を増加することによって改質装置の温度を上昇させることができる。 これは、燃料供給量が増加すると、改質装置のバーナに供給される廃ガスの量が 直接かつ急速に増加するからである。この手段によって、改質装置へのエネルギ 入力が増加し、これに伴って改質装置の温度が上昇する。逆に、安定した動作点 において燃料供給を減少すると、改質装置の温度は低下する。 小型の改質装置がＰＳＡ装置などの他の水素消費装置即ち水素抽出装置と直列 に接続されている場合には、燃料電池発電装置において、改質装置への燃料供給 と改質装置の加熱とを上述のように直接的リンクさせることはできない。ＰＳＡ の廃ガス即ちブローダウンパージガスは、改質装置のバーナによってユニットを 加熱するために利用されることに変わりはない。しかし、この廃ガスの流量と発 熱量は、ＰＳＡの特定の動作によって決まり、改質装置への燃料供給量と改質装 置のバーナへと戻るように供給される廃ガスの質及び量とを直接的にはリンクし ない。 従って、ガスを生成する装置及び方法、及びそのために温度及び流れを制御す る装置及び方法において、供給ガスと、ＰＳＡのような下流側ユニットから改質 装置のバーナへと供給される廃ガスと、を直接的に関連づけることができないこ とを補うことができる方法や装置が求められている。また、容量の増加のために 単一の動作ユ ニットとなるように接続した複数のユニットであって、各ユニットがそれぞれの ユニットに対応する廃ガス供給をＰＳＡから受け、かつそれぞれ個々の温度制御 が必要となるものがあり、これらの方法や装置のなかでも、このようなユニット に対しても適応可能なものが求められている。 発明の開示 本発明は、下流側の処理部における動的な補給要求に応じて、ガス生成システ ムを制御する、動作範囲が広くフレキシブルである制御システム及び制御方法を 提供することを目的とする。 本発明は、更に、燃料処理システムの制御システム及び方法であって、複数の 個々の燃料処理システムを単一ユニットをして作動させ、かつ、下流側処理部で のダイナミックな補給要求に効率的かつ迅速に応答するものを提供することを目 的とする。 上述の目的及び利点は、燃料から下流側での処理のためのガスを生成するよう 動作可能である燃料処理システムを制御するための、本発明に係る制御システム 及び制御方法により達成される。このシステム及び方法では、上述の燃料処理シ ステムは、複数の燃料処理要素、燃料入力、及び廃ガス入力を有し、各燃料処理 要素は、個々の出力を有し、上述の複数の燃料処理要素は、集合的出力を有し、 下流側処理部は、廃ガス出力と動的ガス補給要求を有する。 この制御システムの好適実施形態では、下流側処理部からの動的補給要求を示 す通信を受けるためのデバイスと、この動的補給要求に応答してガスの集合出力 レベルを制御する制御デバイスとが含ま れる。この制御デバイスは、各燃料処理要素からの個々の出力が互いに実質的に 等しくなって集合的出力が得られるように、動的な補給要求を複数の燃料処理要 素に実質的に均等に配分するように動作可能である。この制御デバイスは、個々 の出力のうち少なくとも一つが集合的出力に寄与するように、複数の燃料処理要 素に対して最も効率的に上述の動的な補給要求を配分するようにも動作可能であ る。 この方法の好適な実施形態では、下流側処理部からの動的補給要求を示す通信 を受けるステップと、この動的補給要求に応答してのガスの集合アウトプットレ ベルを制御する制御ステップとが含まれる。この制御ステップは、各燃料処理要 素からの個々の出力が互いに実質的に等しくなって集合的に出力されるように、 動的な補給要求を複数の燃料処理要素に実質的に均等に配分するステップと、個 々の出力のうち少なくとも一つが集合的出力に寄与するように、複数の燃料処理 要素に対して最も効率的に上述の動的な補給要求を配分するステップと、のいず れか一方のステップを有する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に係る相互に作用する燃料処理ユニット及び制御装置を有する 燃料処理装置の概略図である。 図２は、本発明に係る関連する種々の供給及びアウトプットを示した単一の燃 料処理ユニットのより詳細な概略図である。 図３は、装置の種々の制御要素を示した図１の装置のより詳細な概略図である 。 図４は、本発明に係る制御機構を示した概略図である。 図５は、本発明の装置を配置するためのモジュール式パレット設計の概略図で ある。 発明を実施するための最良の形態 詳細な図面を参照すると、図１には本発明に係る燃料生成及び制御装置の概略 図全体を符号１０として示している。装置１０は、動的な補給要求信号(load de mand signal:ＬＳ)を含む下流側ガス消費処理部１２とともに使用するように示 されており、装置１０は、この補給要求ＬＳに対して応答する。下流側処理部１ ２は、例えば、低温処理、膜処理、燃料ステーション、水素化処理、圧力スイン グ吸着処理、などのガス消費処理部であってもよい。概略すると、装置１０は、 下流側処理部１２の動的な補給要求を検出するように機能するとともに、下流側 処理部用の所望のガスＳを効率的かつ最大限に生成するように燃料Ｆを処理する 。 図１では、装置１０は、燃料処理ユニット１４を含む複数の主要コンポーネン トを用いている。図３で示した燃料処理要素の数は、単に例示的であり、従って 、装置及び下流側処理部の要求を満たすのに必要な数の燃料ユニットを用いるこ とができる。この装置は、以下でより詳細に説明するように、更に、処理方法全 体及びそこで使用される種々の要素を制御するための制御装置１６、換気装置１ ７、及び種々の制御要素１８を含む。 図３に示した複合型燃料処理要素１４ａ〜１４ｃは、それぞれ制御装置１６が 制御する同比率もしくは独立した作動機構として構成 することができる。同比率の機構では、各燃料処理要素１４ａ〜１４ｃは、それ ぞれその全作動容量の所定の割合で下流側処理部１２で使用される所望のガスＳ を実質的に同程度生成する。一方、独立した作動機構では、制御装置１６によっ て、下流側処理部の要求に従って装置のガス生成効率を最大化することができ、 これに従って、燃料処理要素１４ａ〜１４ｃは、全作動容量に対する作動割合の 所定の範囲において作動するが、必ずしも全て一度に作動する必要はない。好適 な作動機構は、同比率機構であり、この機構では、制御装置１６は、下流側処理 部１２の要求に応じて燃料処理要素１４ａ〜１４ｃの作動割合を減少及び増加す るように機能するとともに、下流側処理部１２の動的な補給要求に応じて個々の 要素を停止したり個々の要素を起動したりする必要性がないように機能する。特 定の下流側処理部の要求に対して、最も効率的な作動モードを切り換えて使用す ることもできる。 装置１０で使用される燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、燃料電池発電装置 でも使用されているインターナショナル フューエル セルズ コーポレイショ ンのユニットであることが望ましい。このような処理ユニットは、ブッシュウェ ル等に付与された米国特許第４，０９８，５８８号及び第４，０９８，５９９号 、ファンシウッロに付与された米国特許第４，０９８，９５９号に開示されてお り、これらの特許の詳細な説明は、参照文献として本出願に含まれる。これらの 特許は、インターナショナル フューエル セルズ コーポレイションの親会社 であるユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションに譲渡されている。 装置を容易に説明するために、ここでは図２を参照して処理ユニットｌ４ａ〜１ ４ｃの概要を説明するが、ユニットの詳細については、上述の文献を参照された い。 ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれ水蒸気改質装置２０及びバーナ２３を有 することが望ましい。バーナ２３は、供給部２１より供給されるバーナ燃料Ｇを 燃焼することができ、供給部２２から水蒸気改質装置２０へ供給される燃料Ｆと 供給部２４から供給される水蒸気ＳＴとの混合物を改質するために水蒸気改質装 置２０によって用いられる熱の要求される量を提供する。供給部２１，２２に加 えて、燃焼のために必要となる空気Ａが、供給部２４を通してバーナセクション ２３に供給される。 図１及び図３で示したように、装置１０の作動機構は、制御装置１６，制御要 素１８、及び複数の流体接続部即ちライン２６によって容易となっており、ライ ン２６によって、ユニット（要素）１４ａ〜１４ｃは、外部の流体の供給物、下 流側処理部１２への排出物、及び下流側処理部からの供給物と接続される。制御 装置１６は、装置の種々の要素を制御するためのソフトウェアに基づいたアルゴ リズムであることが望ましい。しかし、電子的な装置を使用することもできる。 接続部２６は、それぞれの処理ユニットから出入りする複数のラインを含む。 図２及び、更に詳細には図３で示したように、各燃料処理ユニットは、ライン３ ０を含み、このライン３０によってその改質装置部分２０に燃料Ｆが供給される 。水蒸気は、ライン３４を通して改質装置に供給される。この水蒸気は、ガスＳ を望ましくは 水素リッチガスとして生成するために水蒸気改質装置で利用される。 別のライン３２が、装置を冷却するための冷却液Ｃを各燃料処理ユニット１４ａ 〜１４ｃ内に導入するために設けられている。また他のライン３９が、続いてバ ーナ燃料Ｇと混合される水蒸気ＳＴを装置のバーナ部分２３に導入し、ライン６ １が燃焼で使用される空気Ａを供給する。下流側処理部１２からの廃ガス即ちオ フガス（ｏｆｆ−ｇａｓ）であるバーナ燃料Ｇは、ライン３６を通って各燃料処 理ユニット１４ａ〜１４ｃの各バーナに導入される。各燃料処理ユニット１４ａ 〜１４ｃは、また、下流側処理部１２へ導入するための共通ライン３８へ生成ガ スＳを排出する排出ライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃを含む。燃料処理ユニットか らライン３８に排出されるガスＳの量及び種類は、下流側処理部１２の要求及び 装置に供給される燃料Ｆの量及び種類によって決まる。好適な実施例では、下流 側処理部１２は、圧力スイング吸着処理部であり、所望のガスＳは、水素リッチ ガスであり、供給燃料Ｆは、天然ガスである。各ユニットは、所望のガスＳを排 出するのに加えて、ライン４０ａ，４０ｂ，４０ｃを通して冷却液Ｃを再冷却及 び再循環のために排出する。従って、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、下 流側処理部１２からの廃ガスＧを利用して、改質装置２０に熱を提供するバーナ ２３に燃料を供給する。低流量における炭素の析出を防止するとともにバーナに よるＮＯＸの形成を減少するために、燃焼の前に水蒸気ＧＴを廃ガスＧと混合す ることで燃料を安定化させる。制御ユニット１６は、制御要素１８を介して作動 可能となっており、動的な補給要求ＬＳに応じるように下流側処理部１２での要 求に従って廃ガス Ｇ、水蒸気ＳＴ、冷却液Ｃ、及び燃料Ｆの流れを制御する。実際の制御方法に関 しては、以下でより詳細に説明する。 燃料処理ユニット１４ａの制御要素１８は、燃料処理ユニットへの燃料Ｆ、水 蒸気ＳＴ、及び廃ガスの流れをそれぞれ制御するためのバルブ４２ａ〜４２ｃで ある。同様のバルブ４４ａ〜４４ｃが、ユニット１４ｂ用に設けられており、ま た、同様のバルブ４６ａ〜４６ｃがユニット１４ｃ用に設けられている。追加の 制御要素１８には、燃料ライン３０の供給部におけるバルブ５０、水蒸気ライン ３４の供給部におけるバルブ５２、背圧が過剰な場合にガスＳを排出する排出ラ イン５６におけるバルブ５４、下流側処理部１２に導入されるガスＳを制御する ためのライン３８の排出部におけるバルブ５８、及び下流側処理部１２から供給 される廃ガスＧの量を計測及び制御するための流量計５９が含まれる。更に、燃 焼を促進するために、ライン６１を通して各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃの バーナ部分２３に空気Ａを導入するためのブロア６０が設けられている。全ての 要素１８は、制御装置１６によって制御されており、装置１０が下流側処理部１ ２の動的な補給要求ＬＳに対して直接的に応答するようになっている。 図１，図２及び図４を参照すると、制御装置１６は、下流側処理部１２から起 動／停止信号ＳＴＳ及び補給要求信号ＬＳをを受信し、これに対して下流側処理 部１２の制御装置（図示省略）に作動状態信号ＳＳを提供する。装置１６の制御 は、望ましくは流量もしくは圧力レベルである下流側処理部１２からの補給信号 に基づいている。１つの実施例では、下流側処理部１２の受入れタンクに圧力変 換器 を備えることもできる。これにより、この変換器からの補給信号ＬＳは、圧力が 低下して下流側処理部１２からの要求が増加したことが示されると処理燃料Ｆ及 び水蒸気ＳＴの増加を要求し、圧力が上昇して処理部１２からの要求が減少した ことが示されると処理燃料Ｆ及び水蒸気ＳＴの減少を要求する。他の場合には、 下流側の要求を示す信号であれば、どのようなものでも利用可能である。補給信 号ＬＳは、燃料処理ユニット１４、特に改質装置２０への燃料Ｆの供給レベルと ともに、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃ内の温度を制御するために利用され る。 図２及び図４を参照して、特に燃料処理ユニット１４ａに関して装置１０の制 御機構を説明するが、以下の説明は、装置の全ての燃料処理ユニットに該当する ものである。 図示したように、装置の制御は、流量もしくは圧力として下流側処理部１２か ら受信された補給信号ＬＳに基づいている。この補給信号ＬＳは、改質装置２０ への燃料Ｆの供給及び燃料処理ユニット１４の改質装置の温度Ｔを調整するため に装置１０及び制御装置１６によって利用される。図２及び図４を参照すると、 改質装置２０の温度Ｔが、制御装置によって考慮される主なパラメータとなって いる。つまり、制御装置１６は、下流側処理部１２の動的な補給要求とこの要求 を満たすために要求される燃料Ｆの流れとに基づいて、改質装置の温度Ｔを一定 レベルに保つように作動する。従って、例えばユニット１４ａに関して、改質装 置温度Ｔを一定レベルに維持するための装置１６の制御アルゴリズムは、改質装 置温度Ｔ、バーナ燃料流れバルブ４２ａの位置ＰＶ_42a、及びバーナ空気流バル ブ６ ７ａの位置ＰＶ_67aを参照して、動的な補給要求及び燃料Ｆの要求される流れに 従って温度Ｔが一定に維持されるようにバーナ空気及び燃料流量の調整を行う。 下流側処理部への所望のガスＳの供給量を増加させるために燃料Ｆの量を増加 した場合に、燃料Ｆの化学反応即ち燃料のＨ₂リッチ生成物への転化が容易とな るように改質装置温度Ｔを所望のレベルに維持するためには、改質装置の温度を 維持するための熱を提供するように改質装置バーナ２３に充分な量の廃ガスＧを 供給することができる必要がある。下流側処理部１２から充分な廃ガスＧが得ら れず、もしくは廃ガスの成分が変動して要求される改質装置温度を達成するのに 影響があり、これにより、所定の量の燃料Ｆを改質してガスＳを生成するために 要求される改質装置バーナ２３の改質装置温度を維持することができない場合に は、燃料Ｆの流れを減少するように燃料制御バルブ４２ａに制御装置１６から信 号が提供される。従って、この方法では、続いて燃料Ｆの流れを減少されること によって、廃ガスＧの成分変化や量に関する変動を許容することができる。 シーケンスに従って、引き続き例えばユニット１４ａを関して説明していくと 、補給信号ＬＳは、制御装置１６によって受信され、続いて、改質装置２０への 燃料Ｆの流れが調整される。改質装置への燃料Ｆの流れ及び水蒸気の流れＳＴが 増加し、要求される化学反応を容易にするためにバーナの熱出力を増加する必要 がある場合には、改質装置のバーナ燃料が増加し、続いてバーナの熱出力が増加 するように、燃料計５９及びバルブ４２Ｃを介して下流側処理部１ ２からの廃ガスＧの流れが増加される。廃ガスＧの流れの増減と同時に、水蒸気 ＳＴの流れもバルブ５２及びユニット１４ａの独立したバルブ即ちバルブ４２ｂ によって増減される。他のユニット１４ｂ及び１４ｃも、１４ａに関して説明し たのと同様に働く。 制御装置１６とその制御機構は、装置１０が接続された下流側処理部１２から 背圧を受けることのないように、安全排出弁５４の圧力センサを利用して装置１ ０を保護している。よって、制御装置１６は、背圧が生じてしまった場合に、安 全弁５４を作動して装置を停止させる信号を特定の時間にわたって監視している 。 装置１０の制御装置は、少なくとも２つの作動モードを有する。好適な同比率 作動モードは、独立した各燃料処理装置１４ａ〜１４ｃを含む装置１０全体が１ つの大きな装置として作動するように機能する。つまり、下流側処理部が補給調 整を要求する場合には、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが等しい作動レベルで 作動するように制御装置１６によって調整され、これらの処理ユニット１４ａ〜 １４は、補給要求ＬＳに対して集合的に応じるような累積レベルを提供する。例 えば、下流側処理部１２からの補給要求によって装置が５０％の容量で作動する ことが要求される場合には、各燃料処理装置１４ａ〜１４ｃは、制御装置１６に よって５０％の容量で作動するように制御される。この方法によって、制御装置 は、燃料処理ュニット１４ａに関して上述したように燃料の流れを調整し、これ に従って各ユニット１４ａ〜１４ｃの所望のガスＳの排出レベルが調整される。 一般の装置設計では、必要に応じて余剰な容量が存在するように、定常の運転に おいて個々のユニットが全容量よりもか なり小さな容量で作動するようになっている。第２のモードでは、複合型燃料処 理ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれ独立して作動するようになっている。よ って、下流側処理部１２によって、装置が部分的な容量で作動することが要求さ れる補給要求ＬＳが発せられた場合には、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、 それぞれの最適な点で作動するいくつかの独立したユニットの排出のみを最大化 するように調整される。この構成即ちモードでは、燃料処理ユニットの１つが破 損した場合に、余剰な装置として作動していないもしくはアイドリング状態であ る燃料処理サブシステムを補充することができる。例えば、３つの燃料処理ユニ ット１４ａ〜１４ｃからなる装置１０では、補給要求が５０％の容量である場合 に、バーナ燃料、バーナ空気、処理燃料、及び処理水蒸気のバルブを閉じること によって１つのユニット１４ａを停止し、ユニット１４ｂ，１４ｃをそれぞれ７ ５％の容量で作動させることができる。 上述した装置１０は、装置をモジュール化して出力要求の所定範囲を満たすコ スト効率の良い方法を提供するようにことができるように、単一のパレット１０ ０上に構成することが望ましい。図５は、４つの燃料処理ユニット１４ａ〜１４ ｄがパレット１００上に配置されているのを示している。パレット１００は、各 セクションに１つの燃料処理ユニットが設けられるように、４つのセクションも しくは区画に分離することが望ましい。セクション１１０は、第１の燃料処理ユ ニット１４ａと制御装置１６とを含み、区画１１１は、装置１６で利用する電子 制御装置を含む。セクション１１２，１１４，１１６は、それぞれ燃料処理ユニ ット１４ｂ〜１４ｄを含む。 セクション１１２には、電子制御装置１１３の残る部分１１８を含む区画１１７ も含まれる。これらのユニットは、互換性があり、かつ除去可能である複数の同 一パネル１２２を含む格納装置１２０に格納されることが望ましい。装置内の燃 料処理ユニットの数の変更に伴って、パレットに加えられる変更は、種々の液体 を運搬する上述したライン即ち管路２６の配置と、各ユニット１４用の燃料区画 における換気ファン装置の交換のみである。例えば、上述した３つの燃料処理ユ ニットを含む装置では、最後のセクション１１６を取り除き、新しい装置の比較 的低い流れ要求に適応するように管路即ちラインを調整する。そして、燃料区画 における換気装置用の取付部を、適切な空気流を区画へ提供するように調整する 。各ユニットの室の換気は、全ての電気的なコンポーネントが、それぞれ換気さ れた区画内に設けられるかもしくは外部の空気が直接その上を流れる領域に設け られるように設置することが望ましい。好適な実施例では、電気的な区画１１１ ，１１７は、燃料処理ユニットの区画１１０，１１２から壁１２４，１２６によ って分離されている。これらの電気的な区画は、制御装置１６を含むとともに使 用されるユニット１４の全高さにわたって延在することが望ましい。また、区画 １１１，１１７は、燃料区画用の換気ファンと改質装置のバーナに空気を供給す る空気ブロア用のモータを含むことが望ましい。 図１〜図４を参照すると、装置１０は、作動時に下流側処理部１２の動的な補 給要求に応答して、下流側処理部１２に要求される量のガスを供給する。従って 、制御装置１６は、補給要求信号とともに起動／停止信号ＳＴＳを下流側処理部 １２から受信する。この信 号が起動信号であれは、圧力もしくは流量である補給要求が制御装置１６から送 信され、個々の燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが選択された装置モードに従っ て起動される。このモードは、全ての燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが単一の ユニットとして装置１０の制御要素１８や制御装置１６とともに機能する同比率 モードであることが望ましい。これにより、補給信号ＬＳに応答して、ユニット １４ａ，１４ｂ，１４ｃのそれぞれのバルブ４２ａ，４６ａ，４８ａを介して燃 料Ｆの流れが調整されるとともに、バルブ４２ｂ，４６ｂ，４８ｂを介して水蒸 気ＳＴ、バルブ６７ａ〜６７ｃを介して空気Ａがそれぞれ調整される。下流側処 理部１２へのガスＳの排出を増加させるために燃料の流れを増加することが望ま しいと仮定すると、各バルブ４２ａ，４６ａ，４８ａが燃料Ｆの流れを増加する ように開く。また、バルブ４２ｂ，４６ｂ，４８ｂ及びバルブ６７ａ〜６７ｃも 、水蒸気及び空気の流れをそれぞれ増加するように調整される。調整された燃料 Ｆの量に対して、要求される化学反応が容易となるように温度が充分に高く、所 望の量のアウトプットガス（排出ガス）Ｓが生成されることを確認するために、 改質装置２０の温度Ｔが点検される。改質装置の温度Ｔは、それぞれのユニット １４ａ，１４ｂ，１４ｃのバルブ４２ｃ，４６ｃ，４８ｃを介して装置２０のバ ーナ部分２３への廃ガスＧの流れを増加することによって調整される。必要量の 廃ガスＧが利用可能であれば、調整された量の燃料の流れに関して要求される熱 及び化学反応を容易とするための要求温度Ｔを得ることができる。 しかし、バーナの燃料ガスが燃料電池から排出される廃ガスとし てしか供給されない一般の燃料電池発電装置とは異なり、この装置では、例えば 図３に示した追加のもしくは他の供給源７０からの下流側廃ガスを利用すること もできる。このため、バーナへの燃料供給部は、必ずしも下流側処理部のみに接 続されるわけではない。この装置では、廃ガスＧの量が不充分であるか、もしく はその組成が燃料Ｓを改質するのに要求される温度を維持することができない場 合には、制御装置１６は、燃料流れバルブ４２ａ，４６ａ，４８ａの位置を再度 調整して、廃ガスＧの所定の供給量及び組成で適切な温度Ｔを得ることができる レベルまで燃料Ｆの流れを減少させるか、もしくは他の供給源のガスＧが利用可 能であればこの供給源から追加のガスＧの供給を受ける。水蒸気ＳＴ及び空気Ａ の流れも、これに従って調整される。この処理は、補給要求が変化するのに従っ て所望のガスＳの排出量を調整するために、所望の改質装置温度Ｔ及び燃料Ｆの 流れを維持するように作動する点で動的である。 本発明の所望の実施例の１つでは、下流側処理部は、圧力スイング吸着装置で あり、燃料Ｆは、天然ガスであり、ガスＳは、水素リッチガスの流れである。圧 力スイング吸着装置は、高純度の水素を生成するように作動可能である。 装置１０の他のモードでは、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、制御装置１ ６によって独立した作動機構とすることができる。この機構では、制御装置１６ が、作動時において装置効率が最大となるように個々の燃料処理ユニットの作動 容量を調整することができる。例えば、要求量が低いときには、２つの燃料処理 ユニットを全容量の所定の割合で作動させ、第３即ち残りのユニットを例えばア イド リング状態に維持することが最も効率的であり得る。また、他のユニットに対す る特定のユニットの既知の性能に従って、異なるユニットを異なる容量で作動さ せることが望ましいこともあり得る。１つのユニットの燃料転化効率が時間が経 つにつれて低下する場合には、このユニットの貢献割合を他のユニットに対して 減少させることもてきる。 所望の同比率作動モードでは、下流側処理部１２の要求に対して全ての燃料処 理改質装置ユニットが協調して迅速に応答することができる。この装置は、全て のユニットを高温に保つとともに、全ての出力レベルで実質的に一定である熱損 失に対応しなければならないので、低出力のときには効率が低下する。しかし、 このような場合には、全出力で作動する単一の燃料処理ユニットによって下流側 処理部１２の要求に対して効率的に応じることができる。これに従って、残りの ユニットを停止するか、流れのないもしくは最低限の流れで温度が低下した待機 状態に維持することができる。この作動モードでは、装置の完全な出力を得るた めにはアイドリング状態のユニットを完全な作動温度まで再加熱してその設計出 力を得る必要があるために、迅速な応答能力に欠ける。装置を最も効率的に作動 するためには、特定の用途に対して他方よりも効率的となるモードを選択するこ とが望ましいであろう。 上述の装置、システム、及び方法では、装置１０で燃料処理ユニット１４をい くつ用いても良く、ここでは、３つ及び４つユニットを含む燃料処理ユニットを 開示したが、これは本発明の一実施例に過ぎない。下流側処理部１２の要求に従 って、燃料処理ユニットの 数を実質的に増加もしくは減少させることができ、よって、上述の装置１０を、 種々の装置に対して容易に適用することができる。 本発明の主な利点は、下流側処理部の動的な補給要求に応答するとともに柔軟 な作動範囲を有するガス生成システムを制御するための制御システム及び制御方 法が得られる点である。 本発明の他の特徴は、燃料処理システム及び燃料処理方法のための制御システ ム及び制御方法が得られる点であり、これらの制御システム及び方法は、複数の 個々の燃料処理システムを、下流の処理部における補給要求に対して効率的かつ 迅速に応答する単一のユニットとして、作動させることができる。 本発明を好適実施例に基づいて開示及び説明してきたが、本発明の趣旨及び範 囲から逸脱することなく、その形態及び詳細に関して上記及びその他の変更、省 略、追加を行うことができるということは当業者であれば分かるであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 グラブ，ポール エイ. アメリカ合衆国，コネチカット，06029, エリングトン，ヴューサイド ドライヴ ４ (72)発明者 マリノウスキー，テオドール エス. アメリカ合衆国，コネチカット，06074, サウス ウィンザー，クロウスキー ドラ イヴ 57 (72)発明者 ヴァンディン，レズリー エル. アメリカ合衆国，コネチカット 06040, マンチェスター，プリマウス レーン 117 (72)発明者 セダークイスト，リチャード エイ. アメリカ合衆国，コネチカット，06111, ニューイングトン，サンセット ロード 61 【要約の続き】 的に前記動的な補給要求を配分するようにも動作可能で ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．下流側処理部のために燃料からガスを生成するよう動作可能な燃料処理シス テムを制御するための制御システムであり、前記燃料処理システムは、複数の燃 料処理要素と、燃料入力と、廃ガス入力と、を用い、前記各燃料処理要素は個々 の出力を有し、かつ、前記複数の燃料処理要素は集合出力を有し、前記下流側処 理部は、廃ガス出力と、動的な補給要求とを有し、 前記下流側処理部からの前記動的補給要求を示す通信を受けるための手段と、 前記動的補給要求に応答して前記ガスの集合出力レベルを制御するための制御 手段と、を有し、この制御手段は、 前記各燃料処理要素からの前記個々の出力が互いに実質的に等しくなって前記 集合出力が得られるように、前記動的な補給要求を前記複数の燃料処理要素に実 質的に均等に配分する手段と、 前記個々の出力のうち少なくとも一つが集合出力に寄与するように、前記複数 の燃料処理要素に対して最も効率的に前記動的な補給要求を配分する手段と、を 有することを特徴とする制御システム。 ２．前記制御手段は、 前記複数の燃料処理要素のそれぞれの内部の温度を検出する手段を有し、 前記複数の燃料処理要素のそれぞれに流入する前記燃料のフロー レベルを、前記補給要求に応じて増加、減少、及び維持するための手段を有し、 前記燃料を処理して前記ガスを生成するように前記燃料処理要素それぞれの内 部への廃ガスのフロー量を増加、減少、及び維持するための手段を有し、前記燃 料入力への前記燃料のフローレベルが増加するにつれて、前記廃ガス入力への前 記廃ガスのフローが増加することで、前記温度が、ある範囲内で上昇し、 前記廃ガスが、前記補給要求によって要求される前記集合出力レベルで前記燃 料を処理するために要求される前記温度に到達して維持されるに十分であるかど うかを判定するための手段を有し、 前記廃ガスが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理す るために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には、前記制 御手段は、更に、前記燃料フローレベルを維持し、一方、前記廃ガスレベルが、 前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求され る前記温度に到達及び維持するに十分でない場合には、前記制御手段は、前記燃 料の前記フローレベルを減少させて別のフローレベルとし、この別のフローレベ ルでは、前記廃ガスが十分なものとなり、かつ、他の廃ガス源から更なる廃ガス が回収されて前記温度が維持され、前記燃料フローレベルが得られるようにする ことを特徴とする請求項１記載の制御システム。 ３．前記燃料フローレベル及び廃ガスのフローを増加、減少、及び維持させる手 段は、燃料制御要素を有することを特徴とする請求項 ２記載の制御システム。 ４．前記燃料処理要素への空気及びスチームのフローを増加及び減少させるため の手段を更に有し、前記空気及びスチームの前記フローは、前記廃ガスのフロー 及び燃料フローレベルが増加するにつれて増加し、また、前記廃ガスのフロー及 び燃料フローレベルが減少するにつれて減少することを特徴とする請求項３記載 の制御システム。 ５．前記判定手段は、前記廃ガスの量及び成分を検出する手段を有し、前記量及 び成分が、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するため に要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には、前記手段は、 前記燃料フローレベルを維持し、前記量及び成分の一方が、前記燃料を前記補給 要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及 び維持するに十分でない場合には、前記制御手段は、前記フローレベルを減少さ せて他のレベルとし、この他のレベルでは、前記量及び成分が十分なものとなり 、他の廃ガス源から更なる廃ガスが回収されて前記温度に到達及び維持されるこ とを特徴とする請求項２記載の制御システム。 ６．前記各燃料処理要素は、動作範囲を有し、前記集合出力レベルを制御する制 御手段は、更に、前記動的なガス補給要求に対応した累積的な動作レベル及び前 記ガスの累積的な出力が得られるように 前記各要素をそれぞれ実質的に等価な動作レベルで動作させるための手段を有す ることを特徴とする請求項１記載の制御システム。 ７．前記制御手段は、前記補給要求により要求される集合出力レベルを示すコマ ンドを受けるために、前記通信を受けるための手段とのインターフェース手段を 有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。 ８．前記通信を受けるための手段は、セントラルコマンドコントロールユニット を有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。 ９．前記最も効率的に前記動的な補給要求を配分する手段は、前記補給要求に対 応した前記集合出力が得られるように前記個々の燃料処理要素の最も効率的な組 み合わせを決定する手段を有することを特徴とする請求項１記載の制御システム 。 １０．下流側処理部のために燃料からガスを生成するよう動作可能な燃料処理シ ステムを制御するための制御方法であり、前記システムは、複数の燃料処理要素 と、燃料入力と、廃ガス入力と、を用い、前記各燃料処理要素は個々の出力を有 し、かつ、前記複数の燃料処理要素は集合出力を有し、前記下流側処理部は、廃 ガス出力と、動的な補給要求とを有し、 前記下流側処理部からの前記動的補給要求を示す通信を受けるス テップと、 前記通信に応答して前記ガスの集合出力レベルを制御するステップと、を有し 、この制御ステップは、 前記各燃料処理要素からの前記個々の出力が互いに実質的に等しくなって前記 集合出力が得られるように、前記動的な補給要求を前記複数の燃料処理要素に実 質的に均等に配分するステップと、 前記個々の出力のうち少なくとも一つが集合出力に寄与するように、前記複数 の燃料処理要素に対して最も効率的に前記動的な補給要求を配分するステップと 、を有することを特徴とする方法。 １１．前記制御ステップは、 前記複数の燃料処理要素のそれぞれの内部の温度を検出するステップを有し、 前記複数の燃料処理要素のそれぞれに流入する前記燃料のフローレベルを増加 、減少、及び維持するステップを有し、 前記燃料を処理して前記ガスを生成するように前記燃料処理要素それぞれの内 部への廃ガスのフロー量を増加、減少、及び維持するステップを有し、このステ ップでは、前記燃料入力への前記燃料のフローレベルが増加するにつれて、前記 廃ガス入力への前記廃ガスのフローが増加することで、前記温度が上昇し、 前記廃ガスが、前記補給要求によって要求される前記集合出力レベルで前記燃 料を処理するために要求される前記温度に到達して維持されるに十分であるかど うかを判定するステップを有し、 前記廃ガスが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレ ベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合 には、更に、前記燃料フローレベルを維持するステップを更に有し、 前記廃ガスレベルが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで 処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分でない場合には、 前記燃料の前記フローレベルを減少させて別のフローレベルとし、この別のフロ ーレベルでは、前記廃ガスが十分なものとなり、かつ、他の廃ガス源から更なる 廃ガスが回収されて、 前記補給要求に応答して決定される前記集合出力レベルとして前記燃料を処理す るために必要な前記温度に到達及び維持されるようにすることを特徴とする請求 項１０記載の方法。 １２．前記燃料処理要素への空気及びスチームのフローを増加、減少及び維持す るためのステップを更に有し、前記空気及びスチームの前記フローは、前記廃ガ スのフロー及び燃料フローレベルが増加するにつれて増加し、また、前記廃ガス のフロー及び燃料フローレベルが減少するにつれて減少することを特徴とする請 求項１１記載の方法。 １３．前記判定するステップは、前記廃ガスの量及び成分を検出するステップを 有し、前記量及び成分が、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベル で処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には 、前記燃料フローレベルを 維持するステップを有し、前記量及び成分の一方が、前記燃料を前記補給要求に 対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持 するに十分でない場合には、前記フローレベルが他のレベルとなるよう減少させ るステップを有し、この他のレベルでは、前記量及び成分が十分なものとなり、 他の廃ガス源から更なる廃ガスが回収されて前記温度に到達及び維持されるステ ップことを特徴とする請求項１１記載の方法。 １４．前記各燃料処理要素は、動作範囲を有し、前記集合出力レベルを制御する ステップは、更に、前記動的なガス補給要求に対応した累積的な動作レベル及び 前記ガスの累積的な出力が得られるように前記各要素をそれぞれ実質的に等価な 動作レベルで動作させるステップを更に有することを特徴とする請求項１０記載 の方法。 １５．前記集合出力レベルを変化させるように前記制御手段にコマンドを送るこ とで、前記通信に応答して前記集合出力レベルを制御するステップを更に有する ことを特徴とする請求項１０記載の制御方法。 １６．前記最も効率的に前記動的な補給要求を配分するステップは、前記補給要 求に対応した前記集合出力が得られるように前記個々の燃料処理要素の最も効率 的な組み合わせを決定するステップを有することを特徴とする請求項１０記載の 制御システム。