JP4847859B2 - 燃料プロセッサの制御構造階層 - Google Patents
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Description
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。
・ 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。
・ 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。
・ 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。
・ 「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。
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。
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。
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。
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)
Claims (18)
- 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。 - 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1記載の方法。
- 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2記載の方法。
- 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1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。 - 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4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。 - 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4記載の方法:
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。 - 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。 - 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7記載の装置。
- 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8記載の装置。
- 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7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。 - 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10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。 - 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10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。 - 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。 - 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13記載のプログラム記憶装置。
- 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13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。 - 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。 - 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16記載のプログラム化されたコンピュータ。
- 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16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。
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