JP2006524179A - 燃料プロセッサの制御構造階層 - Google Patents

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Abstract

燃料プロセッサで使用される制御技術が開示されている。本発明の一態様において、制御システムは燃料プロセッサ内の複数の物理的サブシステムの各々の運転を制御するサブシステム・マネージャを包含している。各々のサブシステム・マネージャはマスター制御マネージャからの指示に従う。第二の態様において、複数のサブシステム・マネージャは第一層を集合的に形成し、第一層はサブシステム・マネージャを対応する物理的サブシステムに結合できる第二層と連動し、第二層は第三層によりサブシステム・マネージャに結合できる。第三の態様において、マスター制御マネージャは各々の物理的サブシステムの運転を対応するサブシステム・マネージャを経由して管理し、各々のサブシステム・マネージャの状態移行を指示し、サブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決める。

Description

本発明は燃料プロセッサに関し、より詳細には燃料プロセッサの制御システムに関する。
燃料電池技術は、化石燃料の燃焼に基づくより通常型のエネルギー源の代替エネルギー源である。燃料電池は典型的には燃料および酸素から電気、水および熱を生成する。より詳細には、燃料電池は酸化還元に基づく化学反応により電気を生成し、クリーンさや効率の観点からは他の発電形態に比べて相当有利である。典型的には、燃料電池は燃料として水素を、また酸化剤として酸素を使用する。発電量は反応物の消費速度に比例する。
燃料電池に内包される短所のひとつは水素供給のための広く行き渡った基盤構造の欠如であり、これが同電池のより広範囲な使用を妨げている。水素の容積基準のエネルギー密度は比較的低く、これまで発電システムに主に用いられている炭化水素系燃料に比べて貯蔵・輸送が困難である。この困難さを克服するための方法のひとつは「燃料プロセッサ」あるいは「改質装置」の使用である。これは、炭化水素を燃料電池の反応原料として使用可能な水素を高純度で含有するガス・ストリームに転換する。天然ガス、ＬＰＧ、ガソリンおよび軽油のような炭化水素系燃料を多くの燃料電池のための燃料として使用する際には、これらを転化するプロセスが必要である。現行の技術では、ひとつの初期転化プロセスをいくつかのクリーンアップ・プロセスと組み合わせた多段プロセスが使用されている。殆どの場合、この初期転化プロセスは水蒸気改質（ＳＲ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、接触部分酸化（ＣＰＯＸ）あるいは非接触部分酸化（ＰＯＸ）に基づいている。また、クリーンアップ・プロセスは、脱硫、高温水性ガス・シフト、低温水性ガス・シフト、選択的酸化あるいは選択的メタン化の組み合わせから構成されている。代案プロセスでは、水素の選択的メンブレン反応器およびフィルタが使用されている。
上記のように、多くの形式の燃料電池が使用可能であり、これらのいくつかのものは化石燃料を併用するハイブリッド型であるが、しかし理想的な燃料は水素である。例えば、水素を燃料として使用した場合には、極めてクリーンな燃焼が得られ、熱の放出および／あるいは消費および電気の消費の後に残る事実上唯一の物質は水だけである。最も容易に入手可能な燃料（例えば、天然ガス、プロパンおよびガソリン）そしてこれら等ほどには広く使用されていない燃料（例えば、メタノールやエタノール）でさえも、その分子構造内に水素を保有している。従って、一部の燃料電池の実例においては、特定の燃料を処理して燃料電池用燃料として使用される比較的高純度水素のストリームを生成するための「燃料プロセッサ」を装備している。
燃料電池の歴史は１００年以上にわたるが、その技術は依然として未成熟であると考えられている。このような状況の理由は数多く存在し、また説明が難しい。しかしながら、最近の政治・商業・環境上の状態により燃料電池技術に対する関心が高まっている。このような同技術に対する関心の増大によりその開発ペースが加速されている。
開発ペースの加速は歓迎すべきではあるが、それ自身の問題を内包している。燃料電池の設計は、特に燃料プロセッサを装備しているものは、典型的には複雑である。例えば、米国特許出願１０／００６，９６３（「水素を高純度で含有するガスを製造するための小型燃料プロセッサ」、２００１年１２月５日出願、発明者はＣｕｒｔｉｓ Ｌ．Ｋｒａｕｓｅ他、２００２年６月１８日発行、公開番号ＵＳ２００２／００９４３１０Ａ１）に開示される燃料電池設計を見てみよう。この設計では、陽極排ガスの酸化装置温度は触媒充填量、空気の流量および空間速度、ならびにある空間速度での酸素／炭素比の関数である。多くの因子が存在すること自体がこの温度制御を困難にしている。更に、燃料種の変更、例えば天然ガスから水素への変更、はこれら変数に大きな影響を与える。このように、困難な制御問題は、燃料プロセッサの設計変更に伴い更に困難になる。
本発明は上記の問題のひとつあるいは全てを解決する、あるいは少なくとも緩和するためのものである。
（本発明の概要）
燃料プロセッサで使用される制御技術が開示されている。本発明の一態様において、制御システムは燃料プロセッサ内の複数の物理的サブシステムの各々の運転を制御するサブシステム・マネージャを包含している。各々のサブシステム・マネージャはマスター制御マネージャからの指示に従う。第二の態様において、複数のサブシステム・マネージャは第一層を集合的に形成し、第一層はサブシステム・マネージャを対応する物理的サブシステムに結合できる第二層と連動し、第二層は第三層によりサブシステム・マネージャに結合できる。第三の態様において、マスター制御マネージャは各々の物理的サブシステムの運転を対応するサブシステム・マネージャを経由して管理し、各々のサブシステム・マネージャの状態移行を指示し、サブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決める。
本発明は各種の変更・代案態様を取ることが可能であるが、ここでは特定の実施態様を添付図面により例示的に詳細に述べている。しかしながら、ここで述べる特定の実施態様は本発明を開示されている特定の様式に制限することを意図していると理解すべきではなく、逆に本発明は特許請求の範囲に規定される本発明の精神と範囲内にある全ての変更・同等・代案発明の全てを含むと理解すべきである。
（本発明の詳細な説明）
本発明を説明するための実施態様を以下に記載する。念のために述べると、本明細書は実際の態様の全ての特徴を網羅しているわけではない。言うまでもなく、このような実際の態様のどのようなものでもそれの開発過程で開発者の特定の目的（例えばシステム関連およびビジネス関連の制約−これらは態様毎に変化する−の順守）を達成するために数多くの態様特有の解決策が取られるであろう。更に、このような開発努力は、それが複雑かつ時間がかかるものであろうとも、本発明が属する技術分野における通常の知識を有しここでの開示事項から利益を享受する者にとっては日常業務であろう。
本発明は、全般的に言って、「燃料プロセッサ」すなわち「改質装置」を制御するための方法および装置に関する。この「燃料プロセッサ」すなわち「改質装置」は炭化水素系燃料を水素を高純度で含有するガス・ストリームに転換する装置であり、本仕様書では「燃料プロセッサ」という言葉を使用する。ここで記載される実施態様においては、本発明の方法および装置は、炭化水素系燃料を処理して燃料電池に使用する水素を高純度で含有するガス・ストリームを生成するための小型プロセッサを制御する。しかしながら、他の形式の燃料プロセッサを他の実施態様において用いてさしつかえない。更に、本仕様書内に記載される装置および方法は、水素を高純度で含有するストリームが望まれるどのような場合にも使用可能である。また、このような装置および方法はガス・ストリームを生成するには適用されない態様においても使用可能である。従って、ここで記載される本発明は燃料電池に関連したものではあるが、本発明の範囲はこのような用途に限られるものではない。
図１は本発明に従って設計され組み立てられ運転される制御システム１００の一実施態様を示している。同制御システム１００はマスター制御マネージャおよび複数の物理的なサブシステム・マネージャ１０４により構成されている。サブシステム・マネージャの数は本発明にとって重要なことではない。図１に示すシステムは、ＳＵＢＳＹＳＴＥＭ ＭＡＮＡＧＥＲ０〜ＳＵＢＳＹＳＴＥＭ ＭＡＮＡＧＥＲＮと名付けられたＮ個のサブシステム・マネージャを有している。理論的には、数Ｎはどのようなものでもよいが、しかし本発明が属する技術分野における本仕様書によって利益を享受する熟練者が認識すると思われるように、特定の詳細事項を実行する際にはある種の実際上の制約が存在する。それでも、サブシステム・マネージャの数は本発明の実施にとって重要なことではない。
同制御システム１００は計算装置によって実行されるソフトウエアに大きく依存している。このような計算装置には、例えば図２Ａおよび２Ｂに示されるラックマウント型装置２００がある。ただし、計算装置２００は全ての態様においてラックマウント型である必要はない。実際、このことは本発明のどのような実施にとって重要なことではない。計算装置２００は、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ワークステーション、ノート型（ラップトップ型）パーソナルコンピュータ、内蔵されたプロセッサ等であってよい。
図２Ａおよび２Ｂに示される計算装置２００には、バスシステム２１５により記憶装置２１０とつながっているプロセッサ２０５が設置されている。記憶装置２１０は、ハードディスクおよび／あるいはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／あるいは取り外し可能な記憶装置（例えば、フロッピィ磁気ディスク２１７あるいは光学ディスク２２０）が装備されていてもよい。記憶装置２１０には上述のように入手されたデータセットを記憶するデータ構造２２５、運転システム２３０、ユーザ・インターフェイス・ソフトウエア２３５、アプリケーション２６５が符号化されている。ユーザ・インターフェイス・ソフトウエア２３５は、表示装置２４０と共に、ユーザ・インターフェイス２４５を実行する。ユーザ・インターフェイス２４５は、周辺Ｉ／Ｏ機器（例えば、キーパッドあるいはキーボード２５０、マウス２５５もしくはジョイスティック２６０が装備されていてもよい。プロセッサ２０５は運転システム２３０の制御の下で作動する。同システム２３０は本発明が属する技術分野では周知の事実上いかなるシステムであってよい。アプリケーション２６５は、運転システム２３０がスイッチ・オンあるいはリセットされたならば同システムにより作動を開始する（場合によっては、運転システム２３０がスイッチ・オンおよびリセットの両方でアプリケーション２６５が作動を開始する）。図示されている態様では、アプリケーション２６５は図１に示される制御システム１００を有してもよい。
従って、本発明の少なくともいくつかの面は典型的には適切にプログラム化された計算装置（例えば、図２Ａおよび２Ｂに示される計算装置）によりソフトウエアを用いて実行される。命令は、例えば記憶装置２１０、フロッピィディスク２１７および／あるいは光学ディスク２２０内に符号化されるかもしれない。従って、本発明はある面においては、本発明の方法を実施するためのプログラム化された計算装置を包含する。また他の面においては、本発明は、コンピュータで実行された時、本発明の方法が実施される命令が符号化されたプログラム記憶装置も包含する。
従って、本仕様書での詳細な記載事項の一部は、計算システムあるいは計算装置内の記憶装置に内蔵されるデータ・ビットに対する操作の符号化を含むソフトウエア実行プロセスの形で説明されている。ここで記載あるいは説明されている事項は本発明が属する技術分野における熟練者が自身の仕事の内容を他の同一技術分野の熟練者に最も効果的に伝えるために使用される手段である。このためのプロセスおよび操作には物理量の物理的な処理が必要である。通常は（必ずしも必要ではないが）、これらの物理量は、記憶、伝送、結合、比較、そしてそうでなければ操作が可能な電気的、磁気的あるいは光学的な信号の形を取る。これらの信号をビット、数量、要素、符号、キャラクター、数値等と呼ぶことが時々便利であることが立証されている（主として、通常そのように使用されているとの理由により）。
しかしながら、これらの全ての用語および類似の用語は適切な物理量と関連付ける必要があり、これらの物理量に適用される単なる便利なラベルに過ぎないことを認識しなければならない。特段の記載がない限り、あるいはそうでなくても明らかである限り、本仕様書を通じてこれらの記載事項は、ある種の電子装置の記憶装置内に内蔵されている物理量（電子的、磁気的あるいは光学的な量）を操作し、また記憶装置、伝送装置あるいは表示装置内で同様に物理量として取り扱われている他のデータに変換する電子装置の動作およびプロセスに関連している。この種の記載事項での用語の例として、「処理」、「計算」、「決定」、「表示」等が挙げられるが、これに限られるものではない。
図示される実施態様においては、制御システム１００は図３に示される燃料プロセッサ、すなわち燃料プロセッサ３００を制御する。燃料プロセッサ３００は以下に述べるいくつかのモジュラー型の物理的サブシステムで構成されている：
・ 自己熱改質装置（ＡＴＲ）３０２：燃料プロセッサ３００に供給される燃料を改質して燃料電池３０３のための改質ガスを生成する酸化還元反応を実行する；
・ 酸化装置（Ｏｘ）３０４：図示される実施態様では陽極排ガス酸化装置（ＡＴＯ）であり、これは水蒸気、燃料および空気を混合してＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスとしての燃料混合物を形成する；
・ 燃料サブシステム３０６：ＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスを形成するために他と混合される投入燃料（図示される実施態様では天然ガス）を酸化装置３０４に供給する；
・ 水サブシステム３０８：ＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスを形成するために他と混合される水を酸化装置３０４に供給する；
・ 空気サブシステム３１０：ＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスを形成するために他と混合される空気を酸化装置３０４に供給する；および
・ 熱サブシステム３１２：ＡＴＲ３０２の全域にわたって冷却剤（例えば水）を循環して、それの運転のために温度を制御する。
ＡＴＲ３０２、酸化装置３０４、燃料サブシステム３０６、水サブシステム３０８、空気サブシステム３１０および熱サブシステム３１２の特定の運転方法は図４Ａ〜４Ｆに示されている。
図４Ａは燃料サブシステム３０６の特定の運転方法を示している。同燃料サブシステム３０６は燃料供給装置４０２を有しており、原料流ＡＴＯ１およびＡＴＯ２を酸化装置３０４の異なった２種類の部分に供給する。前述したように、燃料は図示される実施態様においては天然ガスであるが、いくつかの種類の他の炭化水素から選んでもよい。また、炭化水素燃料は蒸発が可能である限り周囲温度下で液体でも気体でもよい。ここで用いられている「炭化水素」という言葉は、部分酸化あるいは水蒸気改質反応により水素を生成できるＣ−Ｈ結合を有する有機化合物を指す。このような化合物はその分子構造内に炭素と水素以外の原子を有してもよい。従って、本仕様書で開示されている方法および装置のための適切な燃料は天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ガソリンおよび軽油のような炭化水素燃料、更にはメタノール、エタノール、プロパノール等のようなアルコールをも包含するが、これらに限定されない。硫黄トラップは、逆止弁４０４および電磁弁４０６が設置された配管を経由して燃料供給装置４０２から燃料を受け取る。ここで脱硫された燃料は次いでフィルタ４１０により濾過され、２本の配管４１１および４１３により酸化装置３０４供給される。各々の配管には調節弁４１２および流量計４１４が設置されている。
図４Ｂは水サブシステム３０８の特定の運転方法を示している。同水サブシステム３０８では、タンク４１６は水供給装置４１８から逆止弁４０４および電磁弁４０６を経由して水を受け取る。図示される実施態様では、タンク４１６は燃料電池３０３の陰極（図示されていない）からの戻り流４２０も受け取る。タンク４１６内の圧力および水容量も、圧抜き逆止弁４０４および電磁弁４０６を経由してドレン４１７をドレン受器４１９に放出することにより制御される。タンク４１６内の水４２４はポンプ４２１により配管４２５を経由して調節器４２８により制御されつつ圧送される。同配管にはフィルタ４１０および質量流量計４２７が設置されている。ダンパ４３０は酸化装置３０４に圧送される水４２４の圧力変動を抑える。空気４２３も配管４２７を経由して酸化装置３０４に供給される。
図４Ｃは空気サブシステム３１０の特定の運転方法を示している。同空気サブシステム３１０では、モータ４３４により駆動される圧縮機４３２は空気取り入れ口４３６、フィルタ４１０および流量計４１４を経由して周囲大気から空気を受け取り、これを圧縮してタンク４３８に供給する。タンク４３８からの空気は２種類の原料空気流ＡＴＯ６およびＡＴＯ７として配管４４０および４４２により酸化装置３０４に供給される。これらの配管には流量計４１４および調節弁４４６および４４７が設置されている。タンク４３８からの空気は原料空気流ＡＴＲ１としても配管４４７によりＡＴＲ３０２に供給される。これらの配管にも流量計４１４および調節弁４４６が設置されている。
図４Ｄは酸化装置３０４の特定の運転方法を示している。酸化装置３０４は燃料、水および空気を各々燃料サブシステム３０６、水サブシステム３０８、空気サブシステム３１０およびＡＴＲ３０２から受け取る。これらの原料流ＡＴＯ２、ＡＴＯ３、ＡＴＯ５およびＡＴＯ７は各々配管４１３、４４０、４２７および４２９により供給され、各々の配管には逆止弁４２６が設置されている。原料流ＡＴＯ５はＡＴＲ３０２の水分離装置（後述）から供給される。燃料電池３０３の陰極（図示されていない）からの高温空気４２９も酸化装置３０４に戻される。燃料電池３０３の陽極（図示されていない）からの排ガス４３１は水分離器４４８（図２Ｂ）に戻される。同水分離器４４８により電磁弁４０６からのドレン水は分離されてドレン受器４１９（図２Ｂ）に排出される。脱水処理を受けた陽極からの戻り流は逆止弁４２６が設置されている配管４５０により酸化装置３０４に供給される。燃料、空気および脱水処理を受けた陽極からの戻り流は混合器４５２で混合された後、酸化装置３０４のタンク４５４に貯蔵される。同混合物は電気加熱器４５６により加熱される。
再び図４Ｄを参照して、酸化装置３０４の運転方法の説明を続ける。酸化装置３０４は上述したように燃料、水および空気を原料流ＡＴＯ１、ＡＴＯ６およびＡＴＯ３としても各々燃料サブシステム３０６、水サブシステム３０８、空気サブシステム３１０から受け取る。この場合のこれらの原料流は各々上述の配管４１１、４４２および４２５により供給され、配管４１１および４４２には逆止弁４２６が設置されている。配管４１１および４４２により供給される空気および燃料は封入されたコイル４５８に導かれ、また配管４２５により供給される水は封入されたコイル４６０に導かれる。コイル４５８および４６０内の原料流はタンク４５４内で加熱された空気／燃料混合物により加熱され、次いで混合器４６２で混合されて原料流ＡＴＲ２となり、配管４６４によりＡＴＲ３０２に供給される。酸化装置３０４からの配管４６５により排出口４６３に送られそこから外部に放出される。
図４Ｅは熱サブシステム３１２の特定の運転方法を示している。熱サブシステム３１２では、水供給装置４６８からの水４６６はタンク４１６に送られる。ここで、水供給装置４６８は図４Ｂに示される水サブシステム３０８での水供給装置４１８とは異なることに注意されたい。図示される実施態様においては、水供給装置４１８からの水４２４は脱イオン処理を受けているのに対して水４６６はそうではない。水４６６は配管４７１〜４７５により原料流ＡＴＲ３、ＰＲＯＸ１、Ｌ１およびＬ２としてＡＴＲ３０２およびそれに関連するサブシステムの色々な部分に循環される。ＡＴＲ３０２に循環された水４６６は、次いで配管４７６により原料流ＴＳ１として熱サブシステム３１２に戻される。ＡＴＲ３０２の構成部分から水４６６に与えられた熱は、熱交換器４７８により外部に放出される。図示される実施態様においては、この熱交換を促進するためにファン４８０も設置されている。
図４ＦはＡＴＲ３０２の特定の運転方法を示している。ＡＴＲ３０２はいくつかのステージ４８２ａ〜４８２ｅにより構成され、この中には多くの熱交換器４７８および電気加熱器４５６が設置されている。熱交換器４７８の各々は熱サブシステム３１２（図４Ｅに示されている）から配管４７０〜４７２により温度が制御された水を受け取り、これを配管４７６により戻す。ただし、選択的酸化（ｐｒｏｘ）ステージ４８２での熱交換器４７８は例外である。同ステージ４８２は熱サブシステム３１２から配管４７３により水４６６を受け取り、これを原料流ＴＳ１として配管４７６により水タンク４１６に戻す。ＡＴＲ３０２で改質されたガス流は選択的酸化装置４８６を通過し、熱交換器４７８により加熱され、水分離器により脱水処理を受け、フィルタにより濾過された後、燃料電池３０３（図３に示されている）の陽極(図示されていない)に供給される。図示されている態様では、破裂板４８４をも装備している。これは、ＡＴＲ３０２内に過剰圧が発生した場合に作動し、ＡＴＲ３０２に存在する流体を配管４４０により原料流ＡＴO７として酸化装置３０４に戻す。
図３に戻り説明を続行する。ＡＴＲ３０２、酸化装置３０４、燃料サブシステム３０６、水サブシステム３０８、空気サブシステム３１０および熱サブシステム３１２の各々は複数のサブシステム・マネージャ１０４のどれかにより制御される物理的なサブシステムを構成している。ここで、図３に示される特定の燃料プロセッサ３００に用いられる制御システム１００の特定の運転方法を図５に示している。同制御システム１００は以下のマスター制御マネージャあるいはサブシステム・マネージャにより構成されている：
・ マスター制御マネージャ５０２：複数のサブシステム・マネージャを経由して燃料プロセッサ３００の制御を司る。
・ 燃料サブシステム・マネージャ５０４：燃料をＡＴＯ３０６に供給してそこでＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスを形成するために他と混合する一連の操作を制御する。
・ 水サブシステム・マネージャ５０６：水をＡＴＯ３０６に供給してそこでＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスを形成するために他と混合する一連の操作を制御する；
・ 空気サブシステム・マネージャ５０８：空気をＡＴＯ３０６に供給してそこでＡＴＲ３０２に供給されるプロセス原料ガスを形成するために他と混合する一連の操作を制御する；
・ ＡＴＯサブシステム・マネージャ５１０：水蒸気、燃料および空気を混合してＡＴＲ３０２に供給するプロセス原料ガスとしての燃料混合物を形成する操作を制御する；
・ ＡＴＲサブシステム・マネージャ５１２：燃料プロセッサ３００に供給される燃料をＡＴＲ３０２で改質して燃料電池３０３のための改質生成物を生成する酸化還元反応を制御する；および
・ 熱サブシステム・マネージャ５１４：熱サブシステム３１２によりＡＴＲ３０２の運転での温度を制御する。
このようにして、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々は物理的なサブシステム３０２、３０４〜３１２の各々の運転を制御する。
制御システム５００は、階層的な方法でそれのモジュラー性を向上させる追加的な層を更に包含している。より具体的には、制御システム５００はハードウエアに依存する層（ハードウエア依存層）５１６および「調和」層５１８を包含している。ハードウエアに依存する機能制御はハードウエア依存層５１６内に分離されている。例えば、図４Ａを参照して、酸化装置３０４に供給する燃料４０２の流量を増加するために、調節弁４１４のひとつあるいは両方を開放状態にする場合を考えてみよう。制御信号（図示されていない）は制御システム５００から調節弁４１４のアクチュエータ（図示されていない）に伝送され、この信号の特性はハードウエア依存性である。この制御信号を実際に発生・伝送する機能はハードウエア依存層５１６内に分離されている。このようにすれば、例えば、燃料サブシステム３０６内のハードウエアをひとつのモデルから他のモデルを変更した場合にはハードウエア依存層５１６のみを変更すればよいことになる。調和層５１８は、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４から発された命令をプロセッサ３００のハードウエアと適合するように変換する。例えば、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４のひとつが特定の測定単位を用いるイベントを要求した場合を考えてみよう。この要求を実行するに必要なハードウエアは第二の測定単位内の命令を採用するかもしれない。この場合、調和層５１８はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４から発された第一の測定単位内の命令を同ハードウエアが採用している第二の測定単位内の命令に変換し、それがハードウエア依存層５１６によって実行可能とする。
図示されている実施態様の制御システム５００は、更に診断層５２０も包含している。同診断層５２０も階層的な方法で制御システム５００のモジュラー性を向上させる。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々はエラー条件に関して対応する物理的なサブシステム・マネージャ３０２および３０４〜３１２を監視する。より具体的には、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４は「シャットダウン」条件、すなわち燃料プロセッサ３００の運転を停止させるほどの重要なエラー条件、を監視する。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４によって検出されたエラー条件は診断層５２０を経由して制御マネージャ５０２に伝えられる。
更に、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々はモジュール型の内部構造６００をも包含している。同構造６００の概念図を図６に示している。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々は、対応する物理的なサブシステム・マネージャ３０２および３０４〜３１２を管理する目的でこのモジュール型内部構造６００を装備している。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々は以下をも包含している：
・ 情報交換モジュール：これを経由して、サブシステム・マネージャは要求されたイベントの実行可能性を決定し、この要求されたイベントを実行するための動作を認定する、
・ 診断モジュール６１０：これは情報交換モジュール６０５を経由して診断層５２０とコミュニケートし、エラー条件を伝える、
・ 物理的モジュール６１５：これに対して情報交換モジュール６０５は要求されたイベントを実行するための動作認定をコンサルトし、またこれに対して診断モジュール６１０はコミュニケートしてエラー条件に関する情報を獲得する、および
・ 制御モジュール６２０：これに対して物理的モジュール６１５は要求されたイベントを実行するためにどの動作を取るべきかの決定をコンサルトし、またこれを経由してハードウエア依存層５１６と調和層５１８を経由してコミュニケートしてこの決定に関する情報を獲得する。
診断層５２０が省略されている制御システム５００の他の実施態様においては、診断モジュール６１０をサブシステム・マネージャ５０４〜５１４から取り除いてもよい。
図５に戻って説明を続行する。図示される実施態様においては、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４は、マスター制御マネージャ５０２を経由して各々の情報交換モジュール６０５から伝えられる要求をコミュニケートし合うことにより互いに協働する。例えば、最初に図３に示された酸化装置３０４が燃料サブシステム３０６（これも最初に図３に示されている）からの原料流の圧力低下を検知した場合の同装置内の状況を考えてみよう。ＡＴＯサブシステム・マネージャ５１０は燃料供給量の増加を要求するかもしれない。図示されている態様での用語を用いるならば。燃料供給量増加は「イベント」であろう。ＡＴＯサブシステム・マネージャ５１０は、情報交換モジュール６０５（図６）を経由して、この要求をマスター制御マネージャ５０２に伝える。マスター制御マネージャ５０２はこの要求を関連する物理的サブシステム（この場合は燃料サブシステム５０４）に伝える。
燃料サブシステム・マネージャ５０４は、それの情報交換モジュール６０５を経由してこの要求を受け取る。情報交換モジュール６０５は、燃料サブシステム・マネージャ５０４がその要求を実行するために適切な運転状態にあるか否かをチェックする（このことは、以下に詳述する）。燃料サブシステム・マネージャ５０４は要求されたイベントが許容されかつ実行可能であると判断された場合には、それを実行する。情報交換モジュール６０５は物理的モジュール６１５に対してこの要求されたイベントの実行を指示する。情報交換モジュール６０５は制御モジュール６２０に対してどのような行動を取るべきかを問い合わせる。情報交換モジュール６０５は次いで物理的モジュール６１５に対して取るべき行動を伝える。そこで物理的モジュール６１５は、ハードウエア依存層５１６および調和層５１８を経由して、ハードウエア・アクチュエータ（図示されていない）に対してこの指図を発する。
マスター制御マネージャ５０２は、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４を経由して総合システム３００の運転状態も制御する。例えばここで図７に示される状態図７００を考えてみよう。同図はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の運転状態およびそれらの間の移行を示す。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の運転状態は以下の８個の異なった状態を移行する（ただし、各々の運転サイクルにおいて８個全ての状態が移行するとは限らない）。
・ 「オフ」状態７０２、
・ 「マネージャ・チェック」状態７０４、ここではサブシステム・マネージャ５０４〜５１４は対応する物理的サブシステム３０２〜３１２の運転用意状態をチェックする。
・ 「マニュアル」状態７０６、ここでは運転員が総合システム３００の運転を指示する。
・ 「予熱」状態７０８、ここでは総合システム３００での加熱要素および流体が、通常運転のために設定された温度まで予熱あるいは予冷却を受ける。
・ 「スタートアップ」状態７１０、ここでは総合システム３００はスタートアップ条件下で運転を開始する。
・ 「運転」状態７１２、ここでは総合システム３００は定常状態で運転される。
・ 「シャットダウン」状態７１４、ここでは総合システムの物理的サブシステムは運転サイクルの最終段階で計画的に運転を止める。
・ 「緊急シャットダウン」状態７１６、ここではひとつあるいは複数の物理的サブシステムは緊急状態の発生・検出に対応して運転を停止する。
上記８個の状態はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々で共通であるが、これらサブシステム・マネージャ各々に割り当てられるタスクは対応する物理的サブシステム３０２〜３１２での要求事項の観点から独特である。例えば、運転状態７１２にある燃料サブシステム・マネージャ５０４が実行するタスクは、運転状態にあるＡＴＲサブシステム・マネージャ５１２のタスクとは異なる。このことは、燃料サブシステム３０６とＡＴＲサブシステム３０２の運転および機能（両方とも図３に示されている）の相違からきている。
図７に戻り説明を続行する。オフ状態７０２から脱したサブシステム・マネージャ５０４〜５１４はマネージャ・チェック状態７０４かマニュアル状態７０６のいずれかの状態に移行する。マニュアル状態７０６以降のサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の状態はシャットダウン状態７１４か緊急シャットダウン状態７１６のいずれかのみである。マネージャ・チェック状態７０４以降のサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の状態は予熱状態７０８、スタートアップ状態７１０および運転状態７１２をこの順で移行するかもしれない。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４は、シャットダウン状態７１４および緊急シャットダウン状態７１６に他のいずれかの状態からでも移行できる。
図５および７に戻り説明を続行する。運転員は、システムの電源を入れる、すなわちシステム運転を開始すると（換言すれば状態７０２から脱すると）、マニュアル状態７０６に入るかどうかを選択する。マニュアル状態７０６に入ることを選択しなかった場合は、マスター制御マネージャ５０２が制御を実行する。マニュアル状態７０６では、運転員は運転能力の比率およびシステム能力の特定の設定値までの増加を選択できる。この場合、制御論理は依然として適用される。すなわち、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４は、上述したように、依然としてマスター制御マネージャ５００を経由して互いに協働関係にある。
ここで運転員はマニュアル状態７０６を選択しなかったとすると、マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々に対してマネージャ・チェック状態７０４に移行せよとの信号を伝送する。すると、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々はマネージャ・チェック状態７０４に移行し、そこでマネージャ・チェック状態７０４に関連するタスクを実行する。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々は、マネージャ・チェック状態７０４に関連するタスクを完了すれば、このことをマスター制御マネージャ５０２に伝送する。マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の全てがタスクを完了したとの信号を受け取れば、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４に対して予熱状態７０８に移行せよとの信号を発する。
上記の手順は、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４が残りの全ての状態を通過するまで繰り返される。ここで、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々はマスター制御マネージャ５０２からそうせよとの指示があった場合に限り次の状態に移行することに留意されたい。更に、マスター制御マネージャ５０２は、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４全ての移行準備が整っている場合に限りこれらに移行信号を発することにも留意されたい。このように、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４はマスター制御マネージャ５０２の指示の下で同期してこれらの状態を通過する。
図５に戻り説明を続行する。従って、マスター制御マネージャ５０２は燃料プロセッサを以下の２種類の方法によって総合的に制御する。第一に、各種サブシステム・マネージャ間のコミュニケーションはマスター制御マネージャ５０２を経由して実行される。第二に、マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の運転状態を制御する。
図３および５に戻り説明を続行する。制御システム５００の制御下での燃料プロセッサの運転を以下に記述する。電源が入れられるかリセットされたならば、燃料プロセッサおよび制御システムはオフ状態７０２（図７）からマネージャ・チェック状態７０４あるいはマニュアル状態７０６に移行する。いずれに移行するかは運転員の入力による。ここでも運転員がマニュアル状態７０６に入ることを選択しなかったと仮定すると、マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々に対してマネージャ・チェック状態７０４に移行せよとの信号を伝送する。マネージャ・チェック状態７０４では、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４は各々に対応する物理的サブシステム３０２〜３１２の運転用意状態をチェックする。サブシステム・マネージャ５０４〜５１４の各々はそれに対応する物理的サブシステムがマネージャ・チェックにパスしたとの信号をマスター制御マネージャ５０２に伝送したならば、マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４に対して予熱状態７０８に移行せよとの信号を発する。予熱状態７０８では、加熱要素および流体が通常運転のために設定された温度まで予熱あるいは予冷却を受ける。
サブシステム・マネージャ５０４〜５１４全てが各々に対応する物理的サブシステムが予熱タスクを完了したとの信号をマスター制御マネージャ５０２に伝送したならば、マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４に対してスタートアップ状態７１０に移行せよとの信号を発する。スタートアップ状態７１０では総合システム３００はスタートアップ条件下で運転を開始する。本発明が属する技術分野における本仕様書によって利益を享受する熟練者が認識すると思われるように、燃料プロセッサ３００は簡単に生産活動に入ることはできない。例えば、酸化装置３０４は、混合すべき燃料、水および空気の原料流を入手するまでプロセス原料流の混合を開始できない。同様に、ＡＴＲ３０２は、酸化装置３０４から十分なプロセス原料流を受け取るまで燃料の改質を開始できない。このように、スタートアップ状態７１０では、燃料プロセッサが定常運転状態に達するまで、シャットダウンを指令するエラー条件は続く（所定範囲を越えた圧力、流量等によりシャットダウンが指示されない限り）。
サブシステム・マネージャ５０４〜５１４全てが各々に対応する物理的サブシステムが定常運転状態に達したとの信号をマスター制御マネージャ５０２に伝送したならば、マスター制御マネージャ５０２はこれらのサブシステム・マネージャに対して運転状態７１２に移行せよとの信号を発する。運転状態７１２では、総合システム３００は定常状態で運転される。燃料プロセッサの全般的な機能は、燃料電池３０３への原料流を生成するために燃料４０２を改質することである（図４Ａ参照）。従って、燃料プロセッサ３００の運転は、ＡＴＲ３０２の運転、ならびに燃料サブシステム３０６、水サブシステム３０８および空気サブシステム３１０からの燃料（図４Ａ参照）、水（（図４Ｂ参照）および空気（図４Ｃ参照）のＡＴＲ３０２への供給を中心に展開する。
図８に本発明を説明する複数の実施態様で採用されているプロセス・ステップを記述するプロセス・フロー図を示している。図８に関連する以下の記載事項は、米国特許出願番号１０／００６、９６３、「水素を高純度で含有するガスを生成するための小型燃料プロセッサ」、出願日：２００１年１２月５日、発明者：Ｃｕｒｔｉｓ Ｌ．Ｋｒａｕｓｅ他、公開日：２００２年７月１８日（公開番号：ＵＳ２００２／００９４３１０Ａ１）から抜粋した。本発明が属する技術分野における熟練者が認識すると思われるように、ここで開示される複数の反応器を通過する反応物の流れにはある程度の連続的な順序が必要である。燃料プロセッサ３００のための原料は炭化水素燃料、酸素および水を包含する。酸素は空気、濃縮された空気あるいは実質的な純酸素の形であってよい。水は液体あるいは蒸気の形で供給できる。原料成分の組成比率は、後述するように、望まれる運転条件によって変わる。本発明の燃料プロセッサからの生成物流は水素および二酸化炭素を包含し、更にいくらかの量の水、未反応炭化水素、一酸化炭素、不純物（例えば硫化水素およびアンモニア）および不活性成分（例えば、特に空気が原料流の一成分の場合には窒素およびアルゴン）を包含し得る。
プロセス・ステップＡは自己熱改質プロセスであり、ここでは図４Ｆに示されるモジュール４８２ａおよび４８２ｂ内で進行する２種類の反応、すなわち部分酸化（下記の式Ｉ）および状況に応じて採用される水蒸気改質（下記の式ＩＩ）、の組合せにより原料流Ｆを水素および一酸化炭素を包含する合成ガスに転化する。式Ｉおよび式ＩＩは典型的な反応式を示しており、ここでは炭化水素としてメタンが採用されている。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ ２Ｈ２＋ＣＯ （Ｉ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ ３Ｈ２＋ＣＯ （ＩＩ）
燃料流Ｆは配管４３４により酸化装置３０４からＡＴＲ３０２に供給される（図４Ｄおよび４Ｆ参照）。部分酸化のためにはより高酸素濃度の原料流が有利であり、また水蒸気改質のためにはより高水蒸気濃度の原料流が有利である。従って、酸素／炭化水素比率および水／炭化水素比率は運転温度および水素収率に影響を及ぼす、プロセスを特徴付ける因子である。
自己熱改質ステップＡでの運転温度は、原料条件および触媒によって変化するが、ほぼ５５０〜９００℃の範囲内である。酸素／炭化水素比率および水／炭化水素比率、温度ならびに原料条件は、本発明の制御システムによって制御される因子の例である。図示されている実施態様は、モジュール４８２ａ内に部分酸化触媒層を設けており、ここには改質触媒を充填してもしなくてもよい。
図８に戻って説明を続行する。プロセス・ステップＢは、図４Ｆに示されるモジュール４８２ｃで実施される冷却ステップであり、これはプロセス・ステップＡからの合成ガス流をほぼ２００〜６００℃の温度範囲内に、好ましくはほぼ３７５〜４２５℃の範囲内に冷却する。この冷却は、生成された合成ガス流温度を次のステップのために最適化するためである。この冷却はヒート・シンク、ヒート・パイプあるいは熱交換器によって実施してよい。どの方法を採用するかは、設計仕様および同ガス流の熱量を適切な種類の冷却材を用いて回収／再循環する必要性によって決まる。図示されている態様は、水４６６から配管４７０により供給される水４６６を使用する（図４Ｅおよび４Ｆ参照）。
図８に戻って説明を続行する。プロセス・ステップＣは、モジュール４８２ｃで実施される精製ステップであり、ここでは硫化水素吸収材として酸化亜鉛が使用される。炭化水素流に存在する主な不純物のひとつが硫黄であり、これは自己熱改質ステップＡ内で硫化水素に転化される。プロセス・ステップＣでのプロセス核心部は、硫化水素を吸収し転化できる酸化亜鉛および／あるいは他の物質を包含することが好ましく、また担体（例えば、モノリス状、押出状、ペレット状などの物質）を包含してもよい。脱硫は、以下の式ＩＩＩに従って硫化水素を水に転化することによって達成される：
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ→Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ （ＩＩＩ）
上記反応は好ましくはほぼ３００〜５００℃の範囲内、より好ましくはほぼ３７５〜４２５℃の範囲内の温度で実施する。この温度も本発明の制御システムによって制御される。
再び図８に戻って説明を続行する。プロセス・ステップＣからの生成物流はモジュール４８２ｄで実施される混合ステップＤに供給されてもよい。ここでは、水サブシステム３０８からの水はガス流に合流させてもよい。この水の追加により、それが蒸発する際に同原料流の温度を低下させ、後述するプロセス・ステップＥでの水性ガス・シフト反応に対してより多くの水の供給が可能になる。水蒸気およびその他の生成物流成分はプロセス核心部を通過する際に互いに混合される。同核心部には、効果的にこれら成分を混合し、および／あるいは水の蒸発を促進するためにセラミック製ビードあるいは同様の不活性物質が充填されている。他の方法では、どのような追加的な水でも原料流に追加でき、後述するＣＯ酸化ステップＧでの酸化剤ガスの混合を促進するために混合ステップを再配置できる。ここでの温度も本発明の制御システムによって制御される。
図８に戻って説明を続行する。モジュール４８２ｅで実施されるプロセス・ステップＥは水性ガス・シフト反応ステップであり、ここでは一酸化炭素は以下の式（ＩＶ）に従って二酸化炭素に転化される：
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ→Ｈ２＋ＣＯ２ （ＩＶ）
一酸化炭素濃度は好ましくは燃料電池で許容される値、典型的には５０ｐｐｍ未満、にまで低下すべきである。一般的には、水性ガス・シフト反応は１５０〜６００℃の範囲内の温度で進行する（この温度は使用される触媒によって変わる）。このような条件下では、ガス流中の一酸化炭素の殆どはこのステップで転化される。この温度および濃度も本発明の制御システムによって制御される因子である。
図８に戻って説明を続行する。モジュール４８２ｅで実施されるプロセス・ステップＦは冷却ステップであり、図示されている態様ではこの冷却は熱交換器４７８により実施される。同熱交換器４７８はガス流の温度を低下させ、好ましくはほぼ９０〜１５０℃の範囲内の温度を有する生成物流を形成する。空気サブシステム３１０からの酸素も配管４９８によりステップＦのプロセスに追加される（図４Ｃおよび４Ｆ参照）。同酸素は後述するプロセス・ステップGでの反応で消費される。
モジュール４８２ｇで実施されるプロセス・ステップＧは酸化ステップであり、ここでは生成物流内に残存するほぼ全ての一酸化炭素が二酸化炭素に転化される。同プロセスは一酸化炭素酸化用の触媒の存在下で実施される。
プロセス・ステップＧでは以下の２種類の反応が進行する；すなわち一酸化炭素を酸化する望ましい反応（式Ｖ）および水素を酸化する望ましくない反応（式ＶＩ）：
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２ （Ｖ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ （ＶＩ）
一酸化炭素の選択的酸化は温度が低い方が有利である。上記両反応は発熱反応であるので、状況に応じて冷却要素（例えば冷却用コイル）をプロセス内に配置するのが有利である場合がある。プロセスの運転温度はほぼ９０〜１５０℃の範囲内に維持するのが好ましい。プロセス・ステップＧは一酸化炭素を燃料電池での使用に適切な５０ｐｐｍ未満にまで還元するのが好ましい。
燃料プロセッサからの生成ガスは水素を高純度で含有し、更に二酸化炭素およびその他の成分も含有する。同ガス中に存在する可能性があるその他の成分の中には、水、不活性成分(たとえば窒素やアルゴン)、未反応炭化水素等がある。生成ガスは燃料電池あるいは水素を高純度で含有する原料流の使用が望ましい他の目的に使用可能である。生成ガスは状況に応じて、例えば二酸化炭素、水その他の成分を除去するために更に精製してもよい。
運転サイクルは最終的に完了する。この完了が計画されたならば、マスター制御マネージャ５０２は適切な時期にサブシステム・マネージャ５０４〜５１４に対してシャットダウン状態７１４に移行せよとの信号を伝送する。前述したように、サブシステム・マネージャ５０４〜５１４は、各々の診断モジュール６１０（図６参照）を経由して、対応する物理的サブシステムでのエラー条件の発生の有無を監視する。発生したエラー条件によっては燃料プロセッサ３００は運転を停止しなければならない。このような「シャットダウン」エラー条件が検出されたならば、それを検出したサブシステム・マネージャ５０４〜５１４は、診断モジュール６１０および診断層５２０（図５参照）を経由して、マスター制御マネージャ５０２にこのことを伝える。すると、マスター制御マネージャ５０２はサブシステム・マネージャ５０４〜５１４に対して緊急シャットダウン状態７１６に移行せよとの信号を伝送する。
階層的な性格を有する本発明に基づくモジュラー設計によって制御システムの拡張に関するフレキシビリティが得られる。全サブシステムは、試験、評価およびサブシステム設計の変更といった目的のために、制御システムを大きく調整することなく、除去、追加および／あるいは交換することが可能である。計器較正データを内蔵するハードウエア依存層を除いて、どの制御アルゴリズムもハードウエアに依存していない。従って、全体としての制御システムに影響を及ぼすことなく、また大規模なリプログラミングを必要とすることなく、各種の計器を除去、追加あるいは交換することが可能である。従って、本発明はプロセス制御システムの素早くかつ容易な拡張を可能にし、また新たなサブシステムの継ぎ目ない追加を容易化する。更に、本発明は独立したあるいは異なる開発者達が比較的単純な仕様に基づいて各種の物理的サブシステムのソフトウエアを短期間内に開発することを可能にする。このような特質は、複雑な制御システムを必要とする急速に進展する技術、例えば燃料プロセッサ／燃料電池設計、にとって特に有用である。
以上で本発明の詳述を終了する。本仕様書内に記載されている特定の実施態様は説明目的のためのみである。なぜならば、異なってはいるが本発明が属する技術分野における熟練者であってここでの開示事項から利益を享受する者にとっては明らかに同等な方法で本発明を変更し実施することが可能であるからである。更に本発明は、以下に記載する特許請求の範囲で制限される以外は、本仕様書内に記載される製作および設計の詳細に制限されるものではない。従って、上に開示された特定の実施態様は変更・修正が可能であり、このような変更の全ては本発明の範囲および精神内にあると考えられる。従って、本発明の保護事項は以下の特許請求の範囲に記載される。
本発明は以下の図面を参照して理解されよう。これらの図において同様な要素に対しては同様の符号を付している。
本発明に従って使用される制御システムの特定の一実施態様を示している。 図１に示される実施態様の使用において採用可能な計算装置の概念を示している。 図１に示される実施態様の使用において採用可能な計算装置の概念を示している。 本発明に従って制御される燃料プロセッサの特定の一実施態様を示している。 図３に示される燃料プロセッサの物理的サブシステムの詳細を示している。 図３に示される燃料プロセッサの物理的サブシステムの詳細を示している。 図３に示される燃料プロセッサの物理的サブシステムの詳細を示している。 図３に示される燃料プロセッサの物理的サブシステムの詳細を示している。 図３に示される燃料プロセッサの物理的サブシステムの詳細を示している。 図３に示される燃料プロセッサの物理的サブシステムの詳細を示している。 最初に図３に示されている燃料プロセッサの制御に使用される図１の制御システムの特定の一実施態様を示している。 本発明に従う制御システム（最初に図５に示されている）のサブシステム・マネージャの構造階層を示している。 本発明の一実施態様である物理的サブシステムの状態図を示している。 最初に図３に示されている燃料プロセッサの自己熱改質装置での改質プロセスを図式的に示している。

Claims (48)

  1. 複数の物理的サブシステムを包含する燃料プロセッサを有し、その制御システムが以下を包含することを特徴とする装置：
    複数のサブシステム・マネージャからなる第一層（各サブシステム・マネージャは対応する物理的サブシステムのひとつを制御可能である）、
    サブシステム・マネージャを対応する物理的サブシステムに結合できる第二層、
    サブシステム・マネージャを第二層に結合できる第三層、および
    サブシステム・マネージャを経由して燃料プロセッサを制御できるマスター制御マネージャ。
  2. 該物理的サブシステムは以下から成ることを特徴とする請求項１記載の装置：
    燃料、空気および水蒸気から成る混合物を改質できる第一サブシステム、
    燃料、空気および水蒸気を混合して混合物を形成でき、その混合物を第一サブシステムに供給できる第二サブシステム、
    燃料を第二サブシステムに供給できる第三サブシステム、
    水を第二サブシステムに供給できる第四サブシステム、
    空気を第二サブシステムに供給できる第五サブシステム、および
    第一サブシステムの運転温度を管理できる第六サブシステム。
  3. 該燃料が炭化水素であることを特徴とする請求項２記載の装置。
  4. 該炭化水素が気体あるいは液体であることを特徴とする請求項３記載の装置。
  5. 該炭化水素が天然ガス、液化石油ガス、ガソリンあるいは軽油のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の装置。
  6. 該サブシステム・マネージャの各々が以下から成ることを特徴とする請求項１記載の装置：
    情報交換モジュール、これを経由して、サブシステム・マネージャは要求されたイベントの実行可能性を決定し、この要求されたイベントを実行するための動作を認定する、
    物理的モジュール、これに対して情報交換モジュールは要求されたイベントを実行するための動作の認定をコンサルトする、および
    制御モジュール、これに対して物理的モジュールは要求されたイベントを実行するためにどの動作を取るべきかの決定をコンサルトする。
  7. 該制御システムが、それを経由してサブシステム・マネージャが対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする第四層を更に包含することを特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 該サブシステム・マネージャの各々が、エラー条件に関して物理的サブシステムの監視のために制御モジュールおよび物理的モジュールとコンサルトする診断モジュールを更に包含することを特徴とする請求項７記載の装置。
  9. 該制御システムが、それを経由してサブシステム・マネージャが対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする第四層を更に包含することを特徴とする請求項１記載の装置。
  10. 該マスター制御システムがサブシステム・マネージャの状態移行を指示し、またサブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決めることにより燃料プロセッサを制御できることを特徴とする請求項１記載の装置。
  11. 燃料電池を更に包含することを特徴とする請求項１記載の装置。
  12. 該燃料電池がＰＥＭ型燃料電池を包含することを特徴とする請求項１１記載の装置。
  13. 複数の物理的サブシステムを包含する燃料プロセッサを有し、その制御システムが以下を包含することを特徴とする装置：
    複数の物理的サブシステムを独立して制御するための複数の手段、
    独立して制御するための複数の手段を対応する物理的サブシステムに結合する第一手段、
    独立して制御するための複数の手段を第一手段に結合する第二手段、および
    独立して制御するための複数の手段を経由して燃料プロセッサを制御する手段。
  14. 該物理的サブシステムは以下から成ることを特徴とする請求項１３記載の装置：
    燃料、空気および水蒸気から成る混合物を改質できる第一サブシステム、
    燃料、空気および水蒸気を混合して混合物を形成でき、その混合物を第一サブシステムに供給できる第二サブシステム、
    燃料を第二サブシステムに供給できる第三サブシステム、
    水を第二サブシステムに供給できる第四サブシステム、
    空気を第二サブシステムに供給できる第五サブシステム、および
    第一サブシステムの運転温度を管理できる第六サブシステム。
  15. 独立して制御するための複数の該手段の各々が以下から成ることを特徴とする請求項１３記載の装置：
    情報交換のための手段、これを経由して、独立して制御するための複数の手段は要求されたイベントの実行可能性を決定し、この要求されたイベントを実行するための動作を認定する、
    手段、これに対して情報交換のための手段は要求されたイベントを実行するための動作の認定をコンサルトする、および
    手段、これに対して動作認定手段は要求されたイベントを実行するためにどの動作を取るべきかの決定をコンサルトする。
  16. 該制御システムが、それを経由して独立して制御するための複数の手段が対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする手段を更に包含することを特徴とする請求項１５記載の装置。
  17. 該制御システムが、それを経由して独立して制御するための複数の手段が対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする手段を更に包含することを特徴とする請求項１３記載の装置。
  18. 該燃料プロセッサを制御する手段が、独立して制御するための複数の手段に状態移行を指示し、また独立して制御するための複数の手段間の相互作用の道順を決めることにより燃料プロセッサを制御することを特徴とする請求項１３記載の装置。
  19. 燃料電池を更に包含することを特徴とする請求項１３記載の装置。
  20. 以下の操作を包含することを特徴とする複数の物理的サブシステムから成る燃料プロセッサを制御する方法：
    各々の物理的サブシステムの運転を対応するサブシステム・マネージャを経由して管理する、
    マスター制御マネージャから各々のサブシステム・マネージャの状態移行を指示する、および
    マスター制御マネージャからサブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決める。
  21. 各々の物理的サブシステムの運転を管理する該操作は、制御モジュール、情報交換モジュールおよび制御モジュールの立ち上げを包含することを特徴とする請求項２０記載の方法。
  22. 運転を管理する該操作は、診断モジュールの立ち上げを更に包含することを特徴とする請求項２１記載の方法。
  23. サブシステム・マネージャの状態移行を指示する該操作は、以下の状態移行の指示を包含することを特徴とする請求項２０記載の方法：
    オフ状態への移行、
    オフ状態から少なくともひとつの運転状態への移行、および
    いずれかの運転状態から少なくともひとつのシャットダウン状態への移行。
  24. 少なくともひとつの運転状態は以下の状態の少なくともひとつを包含することを特徴とする請求項２３記載の方法：
    マニュアル状態、これにサブシステムはオフ状態から移行できる、
    マネージャ・チェック状態、これにサブシステムはオフ状態から移行できる、
    予熱状態、これにサブシステムはマネージャ・チェック状態から移行できる、
    スタートアップ状態、これにサブシステムは予熱状態から移行できる、および
    運転状態、これにサブシステムはスタートアップ状態から移行できる。
  25. 少なくともひとつのシャットダウン状態は以下の状態の少なくともひとつを包含することを特徴とする請求項２３記載の装置：
    標準シャットダウン状態、および
    緊急シャットダウン状態。
  26. 以下の手段を包含することを特徴とする複数の物理的サブシステムから成る燃料プロセッサを制御する装置：
    各々の物理的サブシステムの運転を対応するサブシステム・マネージャを経由して管理する手段、
    マスター制御マネージャから各々のサブシステム・マネージャの状態移行を指示する手段、および
    マスター制御マネージャからサブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決める手段。
  27. 各々の物理的サブシステムの運転を管理する該手段は、制御モジュール、情報交換モジュールおよび制御モジュールの立ち上げのための手段を包含することを特徴とする請求項２６記載の装置。
  28. 運転を管理する該手段は、診断モジュールの立ち上げのための手段を更に包含することを特徴とする請求項２７記載の装置。
  29. サブシステム・マネージャの状態移行を指示する該手段は、以下の状態移行を指示する手段を包含することを特徴とする請求項２６記載の装置：
    オフ状態への移行、
    オフ状態から少なくともひとつの運転状態への移行、および
    いずれかの運転状態から少なくともひとつのシャットダウン状態への移行。
  30. 少なくともひとつの運転状態は以下の状態の少なくともひとつを包含することを特徴とする請求項２９記載の装置：
    マニュアル状態、これにサブシステムはオフ状態から移行できる、
    マネージャ・チェック状態、これにサブシステムはオフ状態から移行できる、
    予熱状態、これにサブシステムはマネージャ・チェック状態から移行できる、
    スタートアップ状態、これにサブシステムは予熱状態から移行できる、および
    運転状態、これにサブシステムはスタートアップ状態から移行できる。
  31. 少なくともひとつのシャットダウン状態は以下の状態の少なくともひとつを包含することを特徴とする請求項２９記載の装置：
    標準シャットダウン状態、および
    緊急シャットダウン状態。
  32. 以下の操作を包含する、複数の物理的サブシステムから成る燃料プロセッサを制御する方法がコンピュータで実行される時、その実行命令が符号化されていることを特徴とするプログラム記憶装置：
    各々の物理的サブシステムの運転を対応するサブシステム・マネージャを経由して管理する、
    マスター制御マネージャから各々のサブシステム・マネージャの状態移行を指示する、および
    マスター制御マネージャからサブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決める。
  33. 該符号化された方法において各々の物理的サブシステムの運転を管理する操作は、制御モジュール、情報交換モジュールおよび制御モジュールの立ち上げを包含することを特徴とする請求項３２記載のプログラム記憶装置。
  34. 該符号化された方法においてサブシステム・マネージャの状態移行を指示する操作は、以下の状態移行の指示を包含することを特徴とする請求項３２記載のプログラム記憶装置：
    オフ状態への移行、
    オフ状態から少なくともひとつの運転状態への移行、および
    いずれかの運転状態から少なくともひとつのシャットダウン状態への移行。
  35. 以下の操作を包含する、複数の物理的サブシステムから成る燃料プロセッサを制御する方法を実行するためのプログラム化されたコンピュータ：
    各々の物理的サブシステムの運転を対応するサブシステム・マネージャを経由して管理する、
    マスター制御マネージャから各々のサブシステム・マネージャの状態移行を指示する、および
    マスター制御マネージャからサブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決める。
  36. 該プログラム化された方法において各々の物理的サブシステムの運転を管理する操作は、制御モジュール、情報交換モジュールおよび制御モジュールの立ち上げを包含することを特徴とする請求項３５記載のプログラム化されたコンピュータ。
  37. 該プログラム化された方法においてサブシステム・マネージャの状態移行を指示する操作は、以下の状態移行の指示を包含することを特徴とする請求項３５記載のプログラム化されたコンピュータ：
    オフ状態への移行、
    オフ状態から少なくともひとつの運転状態への移行、および
    いずれかの運転状態から少なくともひとつのシャットダウン状態への移行。
  38. 以下を包含することを特徴とする、燃料プロセッサに使用される制御システム：
    複数のサブシステム・マネージャ：各々は対応する複数の物理的サブシステムのひとつの制御ができる、および
    サブシステム・マネージャを経由して燃料プロセッサの制御ができるマスター制御マネージャ。
  39. 以下を更に包含することを特徴とする請求項３８記載の制御システム：
    サブシステム・マネージャを対応する物理的サブシステムに結合できる第一層、および
    サブシステム・マネージャを第一層に結合できる第二層。
  40. 該制御システムが、それを経由してサブシステム・マネージャが対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする第三層を更に包含することを特徴とする請求項３９記載の制御システム。
  41. 該制御システムが、それを経由してサブシステム・マネージャが対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする層を更に包含することを特徴とする請求項３８記載の制御システム。
  42. 該サブシステム・マネージャの各々が更に以下を包含することを特徴とする請求項３８記載の制御システム。
    情報交換モジュール：これを経由して、サブシステム・マネージャは要求されたイベントの実行可能性を決定し、この要求されたイベントを実行するための動作を認定する、
    物理的モジュール：これに対して情報交換モジュールは要求されたイベントを実行するための動作認定をコンサルトする、および
    制御モジュール：これに対して物理的モジュールは要求されたイベントを実行するためにどの動作を取るべきかの決定をコンサルトする。
  43. 該制御システムが、それを経由してサブシステム・マネージャが対応する物理的サブシステム内でのエラー条件の伝送を可能にする層を更に包含することを特徴とする請求項３８記載の制御システム。
  44. 該サブシステム・マネージャの各々が、エラー条件に関して物理的サブシステムの監視のために制御モジュールおよび物理的モジュールとコンサルトする診断モジュールを更に包含することを特徴とする請求項４２記載の制御システム。
  45. 該マスター制御システムがサブシステム・マネージャの状態移行を指示し、またサブシステム・マネージャ間の相互作用の道順を決めることにより燃料プロセッサを制御できることを特徴とする請求項３８記載の制御システム。
  46. 該サブシステム・マネージャが以下を包含する複数の状態間を移行することを特徴とする請求項４５記載の制御システム：
    オフ状態、
    サブシステム・マネージャがオフ状態からそれに移行する可能性のある少なくともひとつの運転状態、および
    サブシステム・マネージャがいずれかの運転状態からそれに移行する可能性のある少なくともひとつのシャットダウン状態。
  47. 少なくともひとつの運転状態は以下の状態の少なくともひとつを包含することを特徴とする請求項４６記載の制御システム：
    マニュアル状態、これにサブシステムはオフ状態から移行できる、
    マネージャ・チェック状態、これにサブシステムはオフ状態から移行できる、
    予熱状態、これにサブシステムはマネージャ・チェック状態から移行できる、
    スタートアップ状態、これにサブシステムは予熱状態から移行できる、および
    運転状態、これにサブシステムはスタートアップ状態から移行できる。
  48. 少なくともひとつのシャットダウン状態は以下の状態の少なくともひとつを包含することを特徴とする請求項４６記載の制御システム：
    標準シャットダウン状態、および
    緊急シャットダウン状態。
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