JP2006504614A - 燃料プロセシングシステムにおける流体流れを制御する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

燃料電池に使用するのに適した水素を生成させるために炭化水素燃料を改質する燃料プロセシングシステムであって、本システムは、様々なプロセス工程のための複数の空気注入口を有する。制御およびフィードバックループは、それに相応して複雑である。シングルオンボードコンプレッサーと多数の低い圧力の低下バルブを用いて、加圧された燃料処理装置への複数の空気流れを制御することは、改質器を搭載させるプロセスにおいて手段を克服するための重要な試みである。システムにおける他の空気流れからの直接的なフィードバックを必要としない、部分酸化（ＰＯＸ）帯域の空気流れの要求に基づきコンプレッサースピードを制御する方法が開発された。これにより、空気を消費する主要な帯域は常に適量の空気が供給され、その帯域の温度と反応化学を有効に制御されることが確実になる。また、この方法により、空気流れからの余分な流れセンサーを除去することもでき、この場合、空気流れが変化したことによる作用（例えば温度変化）を空気コントローラーへのフィードバックとして、実際の空気流れそのもの代わりに用いることができる。数種の流れが共通ソースによって供給される場合、同様の原理が他の流れ（例えば燃料および水）の制御に適用することができる。

Description

関連出願
本願は、２００２年１０月３０日付で出願された米国仮出願第６０／４２２，６１６号の利益を主張する（その全体の記載は、参照により開示に含まれる）。

発明の背景
水素の生産について、燃料改質器と統合された燃料処理装置がよく知られている。従来、このような燃料処理装置は、化学合成のための水素を生産する大規模なケミカルプラントで用いられてきた。このようなリアクターを、小規模で、および／または、可動式の用途に用いることに感心が高まっている。このような使用において、制御システムをできる限り単純化すること、コストと複雑さの両方を最小限すること、および、「消費者」の環境における保全性を改善することが重要である。

一般的に、燃料改質器は、３種の流体（すなわち燃料、空気および水）のインプット流れを受け入れ、これらは改質器中で様々な反応で処理され、水素のアウトプット流れが生産される。第一段階において、例えば、燃料改質器は、燃料と水との反応を触媒し、水素と一酸化炭素が形成される。この反応における第一の工程は吸熱性であり、熱を触媒反応に供給する必要がある。この工程は、通常、燃料の部分酸化（ＰＯＸ）と呼ばれており、一般的には、触媒床中で燃料の一部を燃焼または触媒反応のいずれかによって燃焼させることによってなされる。ＰＯＸ反応の触媒による改変法はしばしば、オートサーマル改質（ＡＴＲ）と呼ばれている。

ＰＯＸ反応の代りとして、別々のバーナーで加熱された触媒床中で、燃料と水とを反応させることができ、これは、空気と追加の燃料を用いて、熱を製造する。これは、「高純度の」水蒸気改質として知られている。

ＰＯＸおよび「高純度の」水蒸気改質反応の両方を用いて、燃料と水が最初の触媒反応を受けて水素と一酸化炭素が生成した後、それに続く工程を利用することによって、一酸化炭素と水（水蒸気として）を、水素と二酸化炭素に変換する。一般的に、これらの工程は、「水性ガスシフト」（ＷＧＳ）反応を含み、この反応において、一酸化炭素と水とが反応し、二酸化炭素と水素が生成する。最後の工程として、選択酸化（ＰｒＯｘ）プロセスを用いて、残った一酸化炭素を少量の空気と触媒を用いて除去する。

統合型燃料改質器／燃料電池システムにおいて、改質器からのアウトプット水素は燃料電池に送られ、そこで酸素または空気と反応し、電気が発生する。通常、燃料電池からの残りの水素は、さらなる空気（場合によっては追加の燃料を用いて）で燃焼され、第一の燃料改質反応のための、または、燃料、空気または水蒸気を予熱するための熱が発生する。燃料処理装置は、これらの反応全てを含む（残りの燃料電池のガスの使用など）。

一般的には、燃料処理装置への３つの主要なインプット（すなわち燃料、空気および水）はそれぞれ、１個超のユースポイントに送られる。例えば空気の流れを用いる場合、一般的には、少なくとも３つの別々の空気のインプットが必要である。このような空気としては、改質反応のための熱を発生させるのに用いられる空気；ＰｒＯｘ反応のための空気；燃料電池のための空気；および、末端のバーナー（存在する場合）のための空気が挙げられ、場合によっては、燃料電池からの残りの空気の流れは、改質プロセスのための熱の製造もサポートするのに十分である。その他の形状は、４個またはそれ以上の空気の流れを必要とする場合がある。これらの空気インプットのなかでも、燃料電池のための空気の流れはしばしば、最大の体積の流れである。しかしながら、バーナーまたはＡＴＲまたはＰＯＸ反応に関する流れ速度は、最も重要であることが多く、なぜなら、温度を安全なリミット内に維持しながら効率的に燃料を改質するには、提供される空気の正確な量が要求されるためである。

小型または可動式システムにおいて、空気コンプレッサーを１つだけ用いることが極めて好ましい。（さらに、水および燃料流れにおいて、水または燃料ポンプが１つだけ用いられる場合）システムの自動制御のために、システムコントローラーにには「モデル」が備えられていなければならない。コントローラーモデルを設計する重要な方法は、周波数応答解析によって行われる。ナイキスト安定判別法により、それらの開ループの周波数応答特徴の知識から、線形の閉ループ系の絶対的および相対的安定性の両方の調査が可能である。単純化システムモデルはしばしば、制御システムプラントを示すのに用いられる。インプット−アウトプットモデルは、インプット変数とアウトプット変数を介してその周囲と相互作用する動的システムの基本概念である。単一インプット、単一アウトプットシステムの例としては、ポンプ−フローメーターシステムが挙げられる。インプットはポンプコマンドシグナルであり、アウトプットは流れとなり得る。

上述のシステムにおいて、燃料処理装置は、１つのソース（オンボードコンプレッサー）に連結された複数の空気流れを備えた空気運搬システムを有する。それゆえに、空気システムのモデリングは、複数のインプットおよび複数のアウトプットを用いた動的システムとなる。インプット−アウトプットの方程式は、比較的シンプルな複数のインプット、複数のアウトプットモデルだとしても、極めて複雑となる。多くのインプットおよび／またはアウトプットを有する非線形モデルや、単に３桁を越えるモデルによる数学的形態の複雑さのために、動的システムのインプット−アウトプット表示を用いることの概念的な単純性は失われる。

従って、３または４個の連結された流れ（例えば、コンプレッサーからの空気注入口、および、３つの独立した排出口）のための制御システムは、条件を満たすにはひどく複雑であり、不安定性になりやすい。それゆえに、一般的には、各流れの直接的な測定が必要であるが、それ自体が高コストである。また、システム設計の詳細に応じて同様の考察が水および燃料流れに当てはまる場合もある。コストを最小化するため、および、システムの安定性を改善するために、燃料処理装置における複数の空気の流れ、ならびに、水および燃料の流れ制御を単純化することが望ましいと考えられる。

発明の要約
本発明は、燃料改質器、１またはそれ以上の水素浄化モジュール、ならびに、燃料電池へ、および、燃料電池からの流体流れを含む燃料処理装置における、ガスおよび液体流れの制御のための単純化および改善された方法に関する。一実施形態において、燃料処理装置における流体流れの制御を単純化する方法は、燃料処理装置における多数の考えられる流体のためのインプットの中から、流体流れ速度の最も精密な制御を必要とする第一の流体インプットを決定することを含む。この第一のインプットにおける流体流れ速度は、第一の流体インプットに連結されたセンサーからのフィードバックに基づき調節され、ここで、このような調節（レギュレーション）は、第一の時間定数によって発生する。残りのインプットそれぞれにおける流体流れ速度は、少なくとも１つのセンサーからのフィードバックに基づき、流れが、第一の流れの調節時間定数より少なくとも約３倍長い調節時間定数を有するように、および／または、第一のインプットにおける流体の平均流れ体積の約１０％未満の流れ体積を有するように調節される。空気の流れの場合、例えば、最大の制御度を必要とする流体インプットは、一般的には、燃料処理装置のＰＯＸユニット（または、同様に、ＡＴＲユニット、または、水蒸気改質ユニットの場合、水蒸気を供給するバーナー）へのインプットであり、言い換えれば、燃料改質反応のための熱を供給する燃焼への空気の流れである。

図面の簡単な説明
本発明の上述の、およびその他の目的、特徴および利点は、添付の図面で説明されるように、以下の好ましい本発明の実施形態のより特定の説明から明白であり、図面において、同様の参照記号は、様々な図面にわたり同じ構成要素を意味する。図面において規模は必ずしも調整されていないが、その代わりに、本発明の原理を説明することに重点を置いた。

図１は、燃料電池に連結された、燃料処理装置における空気および改質物の流れの概略図であり、
図２は、システムプロセッサーにおける制御の流れの概略図である。

発明の詳細な説明
好ましい本発明の実施形態の説明を以下に示す。
本願において、「流体流れ」は、燃料処理装置におけるあらゆる流体の流れを意味する、例えば、特に空気、水（液体として、および／または、水蒸気として）、および、燃料などの流れである。「流体流れ」はまた、燃料電池からの残りの水素の流れも含み、これは場合によってはリサイクルされ、改質器における付随的な燃料として用いられる。「燃料処理装置」は、燃料改質器、それに連結された水素浄化装置（通常、ＷＧＳ反応およびＰｒＯｘ反応）、その付随的な設備（コンプレッサーなど）、ならびに、その空気、水および水素の流れを介した燃料電池とのコネクションを含むシステムを意味する。部分酸化改質器（ＰＯＸ）は、特に指定がない限り、一般的にＡＴＲ（オートサーマル改質器）と呼ばれる触媒による改変法を含む。「時間定数」は、反応が所定の程度（例えば１／２または１／ｅ）まで完了するのに必要な固有の時間である。時間定数が大きいほど、反応は遅くなる。あるいは、反応時間は、時間定数の逆数（すなわち「帯域幅」）で表すこともでき、この場合、帯域幅の値が大きいほど、小さい時間定数、および、速い反応に相当する。

我々は、燃料処理装置における流体流れのための制御システムは、バルブ、または反応時間が異なるその他のコントローラーを用いて様々な流れを調節することによって大いに単純化することができることを見出した。複雑さを最小化するために、空気システム（または、同様に、燃料または水システム）を制御する方法論は、システムへの各流れをモデリングし、独立したシングルインプット−アウトプットシステムとして設計できるように開発される。従って、このコントローラーに関する論理図は極めて簡単である。

空気の流れの場合において、例えば、最大の制御度を必要とする流体インプット、一般的にはＰＯＸ（または、同様に、ＡＴＲユニット）への流れ、すなわち改質反応に熱を供給する燃焼への流れは、一般的にはセンサー（例えば空気の流れセンサー）からの直接的なフィードバックを介して、小さい時間定数（大きい帯域幅）で調節される。その他のタイプのセンサー（例えば、温度または圧力センサー）を用いてもよく、またはその代わりに、空気の流れセンサーと組み合わせてもよい。センサーからのフィードバックは、コンプレッサーを調節するためのシステムコントローラーによって用いられる。一実施形態において、これは、可変速度コンプレッサーを用いることによって行われる。その他のタイプのコンプレッサーを用いることができ、例えば、可変ピッチのベーンを有するコンプレッサー、可変デューティーサイクルを有する単速度コンプレッサー、およびその他の既知のタイプのコンプレッサーが挙げられる。燃料処理装置を供給することができるあらゆる形態のコンプレッサーを、本発明で説明するように調節することができる。コンプレッサーの合計流れ量は、ＰＯＸセンサーまたはセンサーからのフィードバックを用いてコントローラーによって調節される。続いて、流れを切り離し、制御システムを単純化するために、他の空気の流れは、反応に対して実質的により長い時間定数を有するコントローラーによって制御される。例えば、他の空気の流れコントローラーの反応時間は、一般的には、ＰＯＸ空気コントローラーの反応時間の少なくとも約３倍、好ましくは少なくとも４倍、より好ましくは少なくとも５倍〜１０倍（またはそれ以上）であり得る。それ以上に大きい時間定数の割合（約１０倍超大きい）は、切り離しをそれほど改善しない可能性があるが、他の目的で必要な場合には行ってもよい。以下でより詳細に説明されている通り、重要性の低い流れの調節の作用は、コントローラーによってより迅速に制御されるＰＯＸ空気流れにおける変動として観察される。ＰＯＸ流れ制御の迅速な反応により、他の流れの調節を、ＰＯＸ流れから切り離すことができ、それにより、制御アルゴリズムを大いに単純化することができる。

図１は、一般的なＰＯＸ型改質器システム１０の概略図を示す。図１において、点線は、システムコントローラー１１への空気−流れ関連制御ラインを示す。（注：本図において単一のシステムコントローラー１１がシステムへの特定の流体のインプット全てを制御するように示されているが、システムへの各流体インプットは、システムからのインプットデータ（例えば流れ速度、温度、燃料インプット速度など）を受信し、このデータを特定の流れ速度を制御する（例えばバルブを調節したり、またはコンプレッサースピードを変化させたりすることによって）のに用いるために連結されたコントローラーを有していてもよい）。また、図１に示すように、コンプレッサー１２は、この実施例において可変速度コンプレッサーである。コンプレッサーからの空気は、プレナムに送られ、プレナムから燃料処理装置構成部分に、図示された制御可能なバルブ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４）を介して送られる。バルブＶ１は、最初の燃料改質ユニット（ＰＯＸと銘打）へ供給する。ＰＯＸユニットは、流れセンサーＦ１を有し、流れセンサーＦ１は、Ｖ１への空気の流れと連結している。またはその代わりに、ＰＯＸユニットは、システム設計の詳細に応じて、連結された温度センサーＴ、またはその他の種類の測定装置を有してもよい。空気の流れ速度、またはその他の制御パラメーターは、コントローラー１１に伝達され、コントローラー１１は、コンプレッサー１２のスピードをＰＯＸユニットの空気の流れおよび／または温度を選択された範囲内に維持するように調節する。（注：この特定の実施形態において、バルブＶ１は、通常の稼動状態においては完全に開いており、その他のシステム状態においてのみ閉じられる）。空気の流れ制御シグナルをノイズを除去するためにフィルター処理して加工し、固有の反応速度Ｒ１を得て、このＲ１は、コントローラーにおける帯域幅に関して示すことができる。（注：反応が遅いほど小さい帯域幅に相当する、すなわち、秒あたりの可能な調節サイクルが少ないことに相当する）。あるいは、必要とされる空気の流れ速度は、燃料インプット速度と比例するため、ＰＯＸからのフィードバックは、温度センサーＴ、または、燃料の流入速度の測定を介してでもよい。この比率は、システム状態に応じて変更してもよく（例えばスタートアップ対定常状態）、コントローラーは、システムの総合的な状態に応じて比率を調節するようにプログラムすることができる。このようなシステムにおいては、バルブＶ１は、一般的には、単にオンまたはオフであり、または、ある実施形態において、バルブＶ１は、システムになくてもよい；このような場合において、流れ速度は、コンプレッサースピードによって直接的に調節される。ここで、反応速度Ｒ１は、空気の流れ、温度またはその他のパラメーター（コンプレッサーのアウトプット体積を、例えばそのスピードを変更することによって調節するのに用いられるような）のサンプリングの反応時間に関連する。

切り離しの特徴が類似したその他の制御方法において、バルブＶ１は、好ましいあらゆる種類の定量バルブであってもよく、この場合において、プレナムで定圧が維持され、空気のＰＯＸ流れ速度は、Ｖ１が開いている時間の分数、または、Ｖ１が開いている度合いによって制御される。ここで、主要な感知された値はプレナムの圧力であり、このプレナムの圧力は、単位時間あたりのコンプレッサースピードまたはその容量式アウトプットを調節することによって、または、固定スピードコンプレッサー、そのデューティーサイクルを用いて、感知、制御することが可能であり、いずれの場合においても、バルブＶ１を制御するためのコントローラーへのインプットは、固有の反応速度または帯域幅（Ｒ１）を有し得る。

バルブＶ２は、水素浄化システムの一部のＰｒＯｘ（選択酸化リアクター）への空気の流れを制御する。説明した通り、改質物は、ＰＯＸユニットから送り出され、ＷＧＳ（水性ガスシフト）ユニットを通過し、ここで一酸化炭素は、水と反応して、さらなる水素を生成する。次に改質物はＰｒＯｘユニットに入り、残留した一酸化炭素が除去される。ＰｒＯｘユニットにおいて、残留した一酸化炭素と加えられた空気とが触媒的に反応し、燃料電池の被毒を防ぐことができる。効率のために、ＰｒＯｘユニットにおける空気の利用は、最小化されるべきである。ＰｒＯｘを用いて残留した一酸化炭素を除去するのに必要な空気の量は、数種のあらゆる方法で決定することができる。例えば、その量は、システム状態に対して調節された燃料インプット速度に基づきコントローラーによって計算することができる。代替のコントローラーへのインプットは、ＰｒＯｘ温度、および、一酸化炭素センサーからの値が含まれる。

また、Ｖ１の制御を用いるような場合、Ｖ２を制御するためのデータを供給するインプット、または、データに作用する制御システムは、固有の反応速度（Ｒ２）を有してもよい。本発明において、ＰｒＯｘは、１つの空気注入口を有するように図示されているが、実際には、ＰｒＯｘへの数々の空気注入口があってもよい。これらは図示されていない；このような空気注入口は、プレナムからのさらなるバルブによって制御可能であり、このプレナムは、図示されたプレナム、または、Ｖ２下流の別々のプレナムのいずれでもよい；または、第二のプレナムにおける定量開口部でもよいし、または、それ以外の状態に配置されてもよい。

バルブＶ３は、燃料電池への空気の流れを制御する。図示された配置において、次に、燃料電池の空気は、単独で用いられるか、または、補助バーナーまたは「テールガス燃焼装置」（ｔａｉｌ ｇａｓ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ；ＴＧＣ）のための主要な空気ソースとして用いられる。しかしながら、ＴＧＣは、その代わりに、または、それに加えて、別々に調節された空気供給（Ｖ４）を有してもよい。燃料電池の注入口バルブＶ３を介する空気の流れは、１またはそれ以上の数種の変数（例えば燃料インプット速度、電気生産速度または要求速度）、またはその他の測定もしくは計算できるパラメーターによって調節することができる。バルブＶ３を制御するためのコントローラーへのインプットは、固有の反応速度または帯域幅（Ｒ３およびＶ４）、存在する場合は、帯域幅または時間定数（Ｒ４）を有し得る。

図１で示される設計において、統合型システムへの必要とされる空気注入口の数が、ほぼ最小である（注：Ｖ４は、いくつかのシステムにおいて任意である）。同様に、システム設計の詳細に応じて存在し得るあらゆる追加の空気の流れ制御バルブＶ５等は、反応速度（Ｒ５）等を有し得る。

図１で説明するシステムにおいて、本図においてＰＯＸと銘打たれているシステムの改質要素への空気の流れ速度は、他のシステム構成要素への空気の流れ速度と比べて最も正確な制御度を必要とする流れ速度である。これは、改質器は、高温で稼動させなければならないため（一般的には、７００℃またはそれ以上の範囲；メタノール燃料を用いた場合はそれより低い）、および、稼動温度が、比較的狭い範囲内に入るように制御されなければならず、すなわり、温度が、非酸化燃料を改質するのに十分な速度で改質反応のための熱を提供することができる程度に高く、ただし、触媒や構造的要素などのシステム構成要素に損傷を与えない程度に低い範囲である。その上、残りの燃料を改質するのに必要な量を超過する燃料を燃焼させることは、不経済であり、システム効率を低減させる。

この特定の実施形態における他の空気の流れは、重要性が低く、厳密に調節する必要がない。ＰｒＯｘ供給の体積は、改質器が加熱する空気の流れと比べて比較的低く、そのため、それほど厳密でない調節が許容できる。その上、ＰｒＯｘ流れの体積は、改質物流れの１０％未満、より一般的にはＰＯＸ流れの３％未満である。それゆえに、あらゆる反応速度でのＰｒＯｘ流れの調節は、システム圧力またはＰＯＸへの流れ速度にそれほど影響を与えないといえる。

第三の流れは、燃料電池および／またはＴＧＣに供給される空気であり、Ｖ３および／またはＶ４によって調節される。これらの流れの体積は大きいが、正確な量は、調節という観点では、ＰＯＸの空気の流れほど重要ではなく、これは、空気は通常、燃料電池の陰極と、ＴＧＣ（またはそれと同等のもの）の両方に過量で供給されるためである。関連する反応時間定数は、Ｒ３およびＲ４である。

これらの考察により、制御アルゴリズムの大幅な単純化が可能である。ＰＯＸ制御の反応速度Ｒ１は、空気制御システムにおいて最も速い反応速度となるように選択される。他の反応速度Ｒ２、Ｒ３等は、反応速度Ｒ１よりも遅くなるように選択される。これは、一般的には、他の構成要素の反応速度Ｒ２、Ｒ３が、ＰＯＸの速度よりも少なくとも約３または４倍遅い、または、より好ましくは少なくとも約５倍、または、少なくとも約１０倍遅いことを必要とする。（上述したように、本発明において１０を越える値も可能であるが、安定性および切り離しに必要とされる値よりも大きい）。

しかしながら、その他の流れが、マニホールド（または同等の構造）内の圧力に影響を与えない程度に小さい場合、その構成要素における流れの調節は、あらゆる反応速度が可能である。例えば、上述したように、この基準は、ＰｒＯｘ流れに適用できる場合もある。

このような調節の論理流れの例を図２に示す（システム構成要素は図１を参照）。ＰＯＸ流れは（この場合、フローメーター（Ｆ１）によって調節される）、ＰＯＸコントローラーで測定され、比較的速い反応時間（０．２Ｈｚ帯域幅）を伴う設定値と比較される。測定された流れ速度に基づき、ＰＯＸコントローラーは、コンプレッサー１２を直接的に制御し、望ましいＰＯＸ流れ速度を提供する。

ＴＧＣ／燃料電池流れ（その流れ速度における変動が全体のシステム圧力に顕著に影響を与え得るほど十分に大きい）は、燃料電池の要求温度および／またはＴＧＣ温度によって調節され、より遅いコントローラー反応（この場合０．０５Ｈｚ帯域幅）を伴う。この場合、ＴＧＣ／燃料電池のコントローラーは、コンプレッサーを直接的に制御しないが、その代わりに、注入口バルブまたはＴＧＣ／燃料電池部分に連結されたバルブ（すなわち図１においてＶ３およびＶ４）だけを調節する。

同様に、少ないＰｒＯｘの空気流れは、コンプレッサーの調節によってではなく、その制御バルブ（Ｖ２）によって調節される。ＰｒＯｘ流れが少ないために反応時間の特定は必要ないが、これは、ＰｒＯｘ流れは、システム圧力に変動またはその他の不安定性を引き起こすほどの影響を与えないと考えられるためである。しかしながら、ＰｒＯｘコントローラーにおいて反応時間Ｒ２がより遅いことが好ましい。図示された主要な３つの流れの形態は、連結された流れとしての条件を満たす必要はないものである。時間定数の違いによって切り離しが提供されるために、計算において連結が必要ない。

実際には、ＰＯＸの空気は、他の空気の流れに比べて迅速に調節される。ＴＧＣへの（および、同一のコンプレッサーに燃料電池が存在する場合、燃料電池への）流れにおける遅い変動は、ＰＯＸコントローラーに対する遅く変動するバックグラウンドとして機能する。ＰＯＸコントローラーは、コンプレッサー流れを迅速に修正してＰＯＸ流れ速度を維持し、このようにして、ＴＧＣ流れが調節されている間も全体の空気圧力はある程度一定になる。コンプレッサーへのシグナルが１つであるため、様々なバルブ設定のマニホールド圧力に対する影響を計算する必要がない。これは、システムのための制御アルゴリズムの作製を大いに単純化し、経費を節約し、信頼性を高めることができる。さらなる利益として、各制御要素へのインプットがわずか１つであることから、全体のシステム状態に対応する個々の空気流れ設定の調節が大幅に簡単である。さらなる利益は、制御ループの大半または全ては、空気の流れセンサー以外のセンサーを用いることができることである。空気のＰＯＸ流れ速度は、その調節における空気の流れセンサーの使用のための唯一の可能性のある候補である。空気の流れセンサー使用の最小化は、コスト削減に重要であり、なぜなら、これらのシステムにおいてしばしば遭遇するような低い圧力の低下において、必要とされるセンサーは、温度または燃料注入速度をモニターすることに比べて比較的高価であるためである。

このシステムは、触媒性ＡＴＲ（オートサーマル改質）変形法を含むＰＯＸ改質器に関して説明されている。このシステムはまた、「高純度の水蒸気改質」システムに適用可能である。このようなシステムにおいて、別々の空気供給および燃料供給は、触媒改質帯域と熱の伝達を行うバーナーに送られ、燃料と水蒸気だけが実際の改質帯域に入る。制御の考察は、必要なバーナー空気の迅速な制御と実質的に同一であり（上述のＰＯＸの制御と同様）、別々に供給される場合は、燃料電池の空気、ＰｒＯｘの空気およびＴＧＣの空気のより遅い反応時間制御も実質的に同一である。

同様に、本発明において共通マニホールドから引かれた３またはそれ以上の別々の注入口を有する形態を説明する。しかしながら、１またはそれ以上のＰｒＯｘ、燃料電池またはＴＧＣ注入口は、ＰＯＸに向かっている空気流れから続いているものでもよく、制御の単純化という観点で同じ効果を達成することができる。

一般的には、燃料および水の流れは分岐しているものは少ないが、不安定性を防ぐのに必要な場合、これらの流れの分岐を切り離すのに類似の方法を同様に用いることができる。例えば、燃料処理装置において、燃料は、場合によっては改質帯域と補助バーナーの両方に供給され、後者の流れは、燃料電池から戻ってきた水素の量の影響を受ける。この場合において、バーナーの流れは、一般的にはより小さく、また一般的には重要性が低く、さらに、より遅い制御ループの使用によってメイン流れから切り離すことができ、それにより流れを切り離し、改質器に供給するための燃料ポンプを調節する際にバーナーの流れを考慮する必要をなくする。水蒸気改質器において、改質帯域と改質器を加熱する統合型バーナーの両方への燃料流れの規模は類似している。それらが共通ポンプまたはその他の調節装置で供給される場合、一方（例えばバーナー燃料）の流れは、他方（例えば改質器燃料供給）より速い時間定数で調節することができる。これにより、流れが切り離され、変動は防がれる。（これらの流れの変動は最も重要であり、システム設計の詳細に依存すると考えられる）。

燃料処理装置において、水を用いて水蒸気を作製し、水蒸気は、いくつかのシステムにおいて、２つの別々の位置で、同様の量で、改質セクションに注入することができる（改質器それ自体へ、および、水性ガスシフトユニットへ）。水蒸気流れまたは水蒸気の形成をもたらす水流れが、別々に調節される場合（単に比例しているのとは対照的に）、バルブの調節は、同様に、流れを切り離すために異なる反応時間を有するべきである。水はまた、燃料処理装置システムにおける数種の他の位置で用いられ、例えば改質物および燃料電池を冷却するために用いることができる。このような共通ポンプを用いた使用の供給が考えられる場合、類似の制御の考察が適用される。

本発明の好ましい実施形態を参照しながら、本発明を特に図示および説明したが、当業者であれば、添付の請求項に包含された本発明の範囲から逸脱することなく形態および詳細における様々な変更が本発明になされることが理解され得る。

燃料電池に連結された、燃料処理装置における空気および改質物の流れの概略図である。 システムプロセッサーにおける制御の流れの概略図である。

Claims (25)

1. 燃料処理装置における流体流れの制御を単純化する方法であって：
   燃料処理装置における流体のための複数のインプットのなかから、流体流れ速度の最も精密な制御を必要とする第一の流体インプットを決定する工程；
   第一の流体インプットに連結されたセンサーからのフィードバックに基づき、第一のインプットにおける流体流れ速度を調節する工程（この調節は、第一の時間定数によって発生する）；および、
   少なくとも１つのセンサーからのフィードバックに基づき、残りのインプットそれぞれの流体流れが、
   （ｉ）第一の流れの調節時間定数より少なくとも約３倍大きい調節時間定数を有すること；および、
   （ｉｉ）第一のインプットにおける流体の平均流れ体積の約１０％未満の流れ体積を有すること、
   から選択された少なくとも１つの基準を満たすように、それぞれの流体流れ速度を調節する工程、
   を含む、前記方法。
2. 前記流体は、空気を含み、前記第一のインプットにおける流体流れ速度は、第一のインプットに連結されたコンプレッサーを制御することによって調節される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第一のインプットの流れは、燃料改質反応のための熱を提供するための空気を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第一のインプットの流れは、燃料改質器で燃料を改質するのに必要な熱を供給する燃焼装置またはバーナーのための空気を含み、前記燃料改質器は、部分酸化改質器（ＰＯＸ）、オートサーマル改質器（ＡＴＲ）、および、「高純度の」水蒸気改質器から選択される、請求項２に記載の方法。
5. 前記流体は、気体または液体燃料を含み、前記インプットは、燃料コンプレッサーおよび燃料ポンプのいずれか１つによって供給される、請求項１に記載の方法。
6. 前記流体は、液体または気体状の水を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記残りのインプットのための調節時間定数は、第一のインプットの時間定数よりも少なくとも約５倍大きい、請求項１に記載の方法。
8. 前記残りのインプットのための調節時間定数は、第一のインプットの時間定数よりも少なくとも約１０倍大きい、請求項１に記載の方法。
9. システムを制御するのに必要な計算において、流れを互いに連結させないで、少なくとも１つの流体の流れを、制御アルゴリズムに入力することができる、請求項１に記載の方法。
10. 燃料処理装置であって：
    流体インプット速度を変化させるための流体注入口を有する燃料改質ユニット；
    流体インプット速度を変化させるための流体注入口を有する水素浄化ユニット；
    流体インプット速度を変化させるための流体注入口を有する、燃料電池に前記流体を提供するための流体の導管；
    燃料改質ユニット、水素浄化ユニット、および、燃料電池のための流体の導管の流体注入口のなかから、流体インプット速度の最も精密な制御を必要とする第一の流体注入口を決定する制御システム、
    第一の流体注入口に連結されたセンサーからのフィードバックに基づき、第一の流体注入口における流体流れ速度を調節する制御システム（この調節は、第一の時間定数によって発生する）、
    少なくとも１つのセンサーからのフィードバックに基づき、残りの流体注入口それぞれにおける流体流れが、
    （ｉ）第一の注入口の調節時間定数より少なくとも約３倍大きい調節時間定数を有すること；および、
    （ｉｉ）第一の注入口における流体の平均流れ体積の約１０％未満の流れ体積を有すること、
    から選択された少なくとも１つの基準を満たすように、それぞれの流体流れ速度をさらに調節する制御システム、
    を含む、前記処理装置。
11. 前記第一の流体注入口が連結されたセンサーは、流体流れ速度センサーを含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
12. 前記流体は空気である、請求項１０に記載の燃料処理装置。
13. 前記制御システムは、第一の注入口に連結されたコンプレッサーを制御することによって第一の注入口における流体流れ速度を変化させる、請求項１２に記載の燃料処理装置。
14. 前記コンプレッサーからの空気は、少なくとも１つの制御可能なバルブを介して、プレナムに送られ、プレナムから複数の燃料処理装置構成部分に送られる、請求項１３に記載の燃料処理装置。
15. 前記第一の流体注入口は、燃料改質ユニットへの注入口を含む、請求項１４に記載の燃料処理装置。
16. 前記燃料改質ユニットへの流体インプット速度は、コンプレッサーのアウトプットを変化させることによって制御される、請求項１５に記載の燃料処理装置。
17. 前記水素浄化ユニットおよび燃料電池への流体インプット速度は、前記水素浄化ユニットおよび燃料電池に連結されたバルブを調節することによって制御される、請求項１６に記載の燃料処理装置。
18. 前記流体インプット速度を変化させるための流体注入口を有するテールガス燃焼装置をさらに含み、この場合、前記制御システムは、前記燃料改質ユニット、水素浄化ユニット、燃料電池およびテールガス燃焼装置への流体流れ速度を調節する、請求項１０に記載の燃料処理装置。
19. 前記燃料改質ユニットは、部分酸化改質器を含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
20. 前記燃料改質ユニットは、オートサーマル改質器を含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
21. 前記燃料改質ユニットは、高純度の水蒸気改質器を含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
22. 前記水素浄化ユニットは、水性ガスシフトリアクター、および、選択酸化リアクターの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
23. 前記流体は水を含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
24. 前記流体は燃料を含む、請求項１０に記載の燃料処理装置。
25. 前記制御システムは、第一の注入口に連結されたポンプを制御することによって、第一の注入口における前記流体流れ速度を変化させる、請求項１０に記載の燃料処理装置。

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