KR20050107821A - 연료 처리장치 하위시스템을 위한 운영 상태 - Google Patents

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KR20050107821A
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윌리엄스 에스. 휫
베스나 알. 미르코비치
휴그 엔. 투
데니스 제이. 베네디또
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텍사코 디벨롭먼트 코포레이션
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Abstract

본 발명에는 연료를 개질할 수 있는 연료 처리장치용 운영 사이클이 개시되어 있다. 상기 운영 사이클은 오프(off) 상태; 연료 처리장치의 운영 용이성이 검사되는, 오프 상태로부터 진입된 매니저 검사상태; 공정 공급물 스트림으로 혼합하기 위하여 연료 처리장치가 연료를 포함하는 기체를 예열하는, 매니저 검사 상태로부터 진이된 예열 상태; 연료처리장치가 시동 조건하에서 운영을 개시하는, 예열 상태로부터 진입된 시동 상태; 연료 처리장치가 정상상태 조건하에서 공정 공급물 스트림을 개질유로 개질하는, 시동 상태로부터 진입된 작동 상태; 및 매니저 검사 상태, 예열 상태, 시동 상태 및 작동 상태중 어느 하나의 상태로부터 진입된 정지 상태를 포함한다. 상기 운영 사이클은 연료 전지용 또는 연료 전지 동력 플랜트용 연료 처리장치에서 사용될 수 있다.

Description

연료 처리장치 하위시스템을 위한 운영 상태{OPERATING STATES FOR FUEL PROCESSOR SUBSYSTEMS}
본 발명은 연료 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 처리장치용 제어 시스템에 관한 것이다.
연료전지 기술은 화석연료의 연소를 이용하는 기존의 에너지원에 대한 대체 에너지원이다. 연료전지는 일반적으로 연료와 산소로부터 전기, 물 및 열을 생성한다. 보다 상세하게는, 연료전지는 화학적 산화-환원 반응으로부터 전기를 제공하며, 청정성 및 효율성 측면에서 다른 형태의 동력 생성 방법에 비하여 현저한 이점을 갖는다. 일반적으로, 연료전지는 수소를 연료로 사용하고, 산소를 산화제로 사용한다. 동력 생성은 반응물 소비속도에 비례한다.
연료전지의 광범위한 사용을 방해하는 심각한 단점으로는 수소 기반시설이 널리 분포되어 있지 못하다는 것이다. 수소는 비교적 낮은 용량 에너지 밀도를 가지며, 현재 대부분의 동력생성 시스템에서 사용되고 있는 탄화수소 연료보다 저장 및 수송에 있어 보다 어려운 점이 있다. 이와 같은 어려움을 극복하는 한 가지 방법으로는 탄화수소를 연료전지의 공급물로 사용가능한 수소가 풍부한 기체 스트림으로 전환시키는 "연료 처리장치" 또는 "개질장치"를 사용하는 것이다. 천연기체, LPG, 가솔린, 및 디젤과 같은 탄화수소 기반 연료는 대부분의 연료전지에 사용되는 연료로 사용하기 위하여 전환반응이 요구된다. 현재의 기술은 여러번의 세척공정을 수반하는 초기 전환 공정과 결합한 다단계 공정을 사용한다. 상기 초기공정은 대부분 증기개질반응(steam reforming; SR), 자열개질반응(autothermal reforming: ATR), 촉매적 부분산화반응(catalytic partial oxidation; CPOX) 또는 비촉매적 부분산화반응(non-catalytic partial oxidation; POX)이다. 세척공정은 일반적으로 탈황화반응, 고온 물-기체 전환반응, 저온 물-기체 전환반응, 선택적 CO 산화반응 또는 선택적 CO 메탄화반응의 조합으로 구성되어 있다. 대체가능한 공정들로는 수소 선택적 막 반응기 및 필터를 포함한다.
결국, 여러 형태의 연료들이 사용될 수 있으며, 이들 중 일부는 화석연료와 혼성화되지만 이상적인 연료는 수소이다. 예를 들면 만일 연료가 수소일 경우 청정한 연소가 가능해지고, 분해 및/또는 가열 연소 및 전기 소비 이후 실질적인 물질로서 오직 물만이 남게 된다. 가장 용이하게 사용가능한 연료(예를 들면 천연기체, 프로판 및 가솔린) 및 심지어 잘 사용되지 않는 연료(예를 들면 메탄올 및 에탄올)들도 그들의 분자 구조 내에 수소를 포함한다. 그러므로 일부의 연료전지 실행은 특정 연료를 처리하여 연료 전지에 사용가능한 비교적 순수한 수소 스트림을 생성하는 "연료 처리장치"를 사용한다.
그러나 연료 처리장치 및 연료 전지의 운영이 매우 복잡하다. 이와 같은 복잡성은 개질공정의 복잡함 및 연료전지의 운영에 기인할 뿐만 아니라 연료 처리장치 및 연료 운영이 일반적으로 서로 매우 밀접하게 연관되어 있기 때문이다. 연료 처리장치 및 연료전지의 하나 또는 다른 하나에서의 매개변수에 대한 운용조건 변화는 종종 다른 하나에서 이롭거나 해로운 연쇄 변화를 야기한다. 때때로, 이와 같은 동력 플랜트(즉, 연료 처리장치 및 연료 전지)에서 자동화 조절장치를 일반적으로 사용하더라도 이와 같은 변화들은 비교적 순간적으로 일어난다. 운영의 복잡성 및 상호 밀접도는 일반적으로 자동화 조절장치가 빠른 속도로 처리하여야할 많은 양의 데이터를 생성한다. 결국, 자동화 조절장치에 의한 데이터 처리의 조직 및 효율성이 우수해진다.
본 발명은 앞서 언급한 문제들중 하나 또는 모두를 해결하거나 또는 적어도 문제를 감소하기 위하여 안출되었다.
발명의 요약
본 발명은 오프(off) 상태; 연료 처리장치의 운영 용이성을 검사하는, 오프 상태로부터 진입된 매니저 검사 상태; 공정 공급물 스트림으로 혼합하기 위하여 연료 처리장치가 연료를 포함한 기체를 예열하는, 매니저 검사 상태로부터 진입된 예열 상태; 연료 처리장치가 시동조건하에서 운영을 개시하는, 예열 상태로부터 진입된 시동 상태; 연료 처리장치가 정상상태 조건하에서 공정 공급물 스트림을 개질유로 개질하는, 시동 상태로부터 진입된 작동 상태; 및 매니저 검사 상태, 예열 상태, 시동 상태 및 작동 상태중 어느 하나로 진입된 정지 상태를 포함하는, 연료를 개질할 수 있는 연료 처리장치용 운영 사이클을 포함한다. 본 발명의 다른 측면에서, 상기 운영 사이클은 연료전지용 연료 처리장치 및 연료전지 동력 플랜트에서 사용된다.
본 발명은 첨부된 도면과 결합되어 기술된 하기의 설명에 대한 참조로서 이해될 수 있으며, 유사한 참조번호는 유사한 요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따라 제조 및 운영되는 연료 처리장치를 사용하는 연료 전지 동력 플랜트를 개념적으로 도시하고 있다;
도 2A 및 2B는 도 1의 실시예의 자동 조절 시스템이 구비될 수 있는 컴퓨팅 장치를 개념적으로 도시하고 있다;
도 3은 도 1에 도시된 연료 처리장치용의 본 발명에 따른 운영 사이클을 도시하고 있다;
도 4는 본 발명에 따라 운영 및 조절되는 도 1의 동력 플랜트의 연료 처리장치의 일 실시예를 도시하고 있다;
도 5는 도 1에 첫 번째로 도시된 연료 처리장치를 제어하는데 사용되는 도 1의 자동화 제어 시스템의 일 실시예를 도시하고 있다;
도 6은 도 4 내지 도 5에 도시된 한 특정 실시예의 운영 사이클에 대한 상태 기계장치이다;
도 7은 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 "오프" 운영 상태에서 발생되는 선택된 사건들을 도시하고 있다;
도 8A 내지 8F는 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 "매니저 검사" 운영 상태에서 발생되는 선택된 사건들을 도시하고 있다;
도 9A 내지 9E는 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 "예열" 상태의 선택된 활동들을 도시하고 있다;
도 10A 내지 10E는 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 "시동" 상태의 선택된 활동들을 도시하고 있다;
도 11A 내지 11E는 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 "작동" 상태의 선택된 활동들을 도시하고 있다;
도 12는 실시예에서 작동 상태에 있는 동안 도 4에 첫 번째로 도시된 연료 처리장치의 자열 개질장치의 개질 공정을 그래픽으로 도시하고 있다; 및
도 13A 내지 13E는 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예의 "정지" 상태의 선택된 활동들을 도시하고 있다.
본 발명을 다양한 변형 및 대체 형태로 나타낼 수 있지만, 도면은 실시예를 통해 구체적으로 기술된 특정 실시예를 나타내고 있다. 그러나 특정 실시예에 기술된 내용은 개시된 특정 형태에 본 발명을 제한하려는 의도는 아니며, 이와 반대로 본 발명은 청구범위에 기술된 본 발명의 사상 및 범위내에서 가능한 모든 변형, 등가물 및 대체물들을 포함한다고 이해되어야 한다.
본 발명의 구체적인 실시예를 하기에 기술한다. 명확성의 측면에서 실제적인 실행의 모든 특징들이 본 명세서에 모두 기술된 것은 아니다. 어떠한 이와 같은 실제적인 실시예의 개발에 있어서, 수많은 실행 특이적 결정들이 하나의 실행으로부터 또 다른 하나의 실행으로 변형될 수 있는 시스템 관련 및 사업 관련 구속을 갖는 응낙과 같은 개발자의 특정 목적을 달성하도록 이루어져야 한다는 것은 당연할 것이다. 또한, 이와 같은 개발 노력은 이것이 복잡하고 시간이 소요되는 것일지라도 본 개시의 이점을 갖는 당업자에게는 정해진 착수일 것으로 사료된다.
도 1은 연료 처리장치(102), 연료 전지(104), 및 자동화 제어 시스템(106)을 포함하는 연료 전지 동력 플랜트(100)를 개념적으로 도시하고 있다. 실시예에서 연료 처리장치(102)는 파이프라인 품질의 천연기체로부터 연료 전지 등급 연료로 전환하는 자가구속 자열 개질(auto-thermal reforming, "ATR") 연료 처리장치이다. 결국, 비록 본 발명이 대체 연료 및 최종 응용물을 사용하여 실시될 수 있을지라도 상기 동력 플랜트(100)는 천연기체 동력 플랜트이다. 실시예에서, 연료 전지(104)는 중합체 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell; PEFC)로 알려진 공지의 양성자 교환 막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell; PEMFC)이다. 그러나 다른 형태의 연료 전지도 사용될 수 있다. 연료 처리장치(102)는 연료 전지, 예를 들면 연료 전지(104)와 함께 사용하는 것에만 제한되지는 않는다. 개질유(108)의 생성 기체가 도시된 연료 전지용 공급물 또는 수소가 풍부한 공급물 스트림이 바람직한 경우의 기타 응용에 대한 공급물로 사용될 수 있다. 선택적으로, 생성 기체는 예를 들면 이산화탄소, 물 또는 기타 성분을 제거하는 추가의 처리공정에 전달될 수 있다. 결국, 본 발명은 연료 전지 동력 플랜트에서 또는 심지어 동력 플랜트에서 사용하는 것에 제한되지 않는다.
전술한 바와 같이, 실시예에서의 연료는 천연 기체이지만, 다른 형태의 탄화수소일 수도 있다. 탄화수소 연료는 증기화될 수만 있으면 주위 조건에서 액체 또는 기체일 수 있다. 본 명세서에 사용된 "탄화수소"는 부분 산화반응 또는 증기 개질반응으로부터 수소를 생성할 수 있는 C-H 결합을 갖는 유기 화합물을 포함한다. 상기 화합물의 분자 구조에 탄소 및 수소 이외의 다른 원자가 존재하는 것은 배제된다. 결국, 본 명세서에 기술된 방법 및 장치에 사용하기에 적당한 연료는 이에 제한지는 않지만 천연기체, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 나프타, 가솔린 및 디젤 연료와 같은 탄화수소 연료, 및 메탄올, 에탄올, 프로판올 등과 같은 알콜을 포함한다.
연료 처리장치(102) 및 연료 전지(104)의 운영은 실시예에서 상호 관련되어 있다. 연료 처리장치(102)는 연료 전지(104)에 참조번호 108로 표시된 수소가 풍부한 유출물 스트림 또는 "개질유"를 제공한다. 실시예에서 개질유(108)는 수소 및 이산화탄소를 포함하고, 또한 일부의 물, 비전환 탄화수소, 일산화탄소, 불순물(예를 들면 황화수소 및 암모니아) 및 불활성 성분(예를 들면 질소 및 아르곤, 특히 공기가 공급물 스트림의 한 성분일 경우)을 포함할 수 있다. 그러나 개질유(108)의 정확한 조성은 실행에 특이적이며, 본 발명의 실시에 대한 물질은 아니라는 것을 주지하여야 한다.
자동화 제어 시스템(106)은 참조번호 110으로 표시된 연료 처리장치(102)의 운영을 제어한다. 일부 실시예에서, 자동화 제어 시스템(106)은 연료 처리장치(102) 이외에 연료 전지(104)의 운영을 제어할 수 있다. 자동화 제어 시스템(106)은 도 2A 및 2B에 도시된 랙(rack)이 장착된 컴퓨팅 장치(200)와 같은 컴퓨팅 장치상에서 소프트웨어로 대부분 실행된다. 모든 실시예에서 컴퓨팅 장치(200)가 랙의 장착을 요구하는 것은 아니라는 것을 주지하여야 한다. 실제로, 모든 주어진 실행의 이와 같은 측면이 본 발명의 실시에서 중요한 것은 아니다. 컴퓨팅 장치(200)는 데스크톱 개인 컴퓨터, 워크스테이션(workstation), 노트북 또는 랩톱(laptop) 컴퓨터, 임베디드 프로세서(embedded processor) 등으로 실행될 수 있다.
도 2A 및 2B에 도시된 컴퓨팅 장치(200)는 버스(bus) 시스템(215)상의 저장장치(210)와 연동하는 프로세서(205)를 포함한다. 저장장치(210)는 하드 디스크 및/또는 무작위 접근 메모리(random access memory; RAM) 및/또는 플로피 자기 디스크(217)와 광학 디스크(220)와 같은 제거가능한 저장장치를 포함할 수 있다. 저장장치(210)는 앞서 언급한 데이터 세트, 운영 시스템(230), 사용자 인터페이스 소프트웨어(235) 및 어플리케이션(265)을 저장하는 데이터 구조(225)로 암호화되어 있다. 표시장치(240)와 결합된 사용자 인터페이스 소프트웨어(235)는 사용자 인터페이스(245)를 실행한다. 사용자 인터페이스(245)는 키패드 또는 키보드(250), 마우스(255) 또는 조이스틱(260)과 같은 주변 I/O 장치를 포함할 수 있다. 프로세서(205)는 본 기술분야에 알려진 어떠한 운영 시스템일 수 있는 운영시스템(230)의 제어하에 작동한다. 운영 시스템(230)의 실행에 의존하여 어플리케이션(265)은 전원을 켜거나 리셋하거나 또는 이 모두를 운영 시스템(230)에 의해 시작된다. 실시예에서, 어플리케이션(265)은 도 1에 도시된 제어 시스템(100)을 포함한다.
따라서 본 발명의 일측면은 예를 들면 도 2A 및 2B에서 컴퓨팅 장치(200)와 같은 적절하게 프로그램된 컴퓨팅 장치상에 소프트웨어로서 일반적으로 실행될 것이다. 상기 명령어들은 예를 들면 저장장치(210), 플로피디스크(217) 및/또는 광학 디스크(220)상에 암호화될 수 있다. 그러므로 본 발명의 일면은 본 발명의 방법을 수행하도록 프로그램된 컴퓨팅 장치를 포함한다. 또 본 발명의 다른 측면은 컴퓨팅 장치에 의해 실행될 경우 본 발명의 방법을 수행하는 명령어를 인코딩한 프로그램 저장 장치를 포함한다.
본 명세서의 상세한 설명의 일부분은 컴퓨팅 시스템 또는 컴퓨팅 장치에서 메모리 내의 데이터 비트(bit)상에 운영에 대한 부호 표시들을 포함하는 소프트웨어로 실행된 공정에 의해 최종적으로 나타낼 수 있다. 이와 같은 상세한 설명 및 기술은 그들의 작업결과를 다른 당업자에게 가장 효과적으로 전달하기 위한 본 기술분야에서 사용되는 수단이다. 상기 공정 및 운영은 물리적 양(quantity)의 물리적인 조작을 필요로 한다. 일반적으로, 필요하지 않을지라도, 이와 같은 양은 저장, 전달, 결합, 비교 및 조작될 수 있는 전기, 자기, 또는 광학적 신호의 형태를 취한다. 비트(bit), 값, 요소, 부호, 문자, 용어, 숫자 등과 같은 이와 같은 신호들을 참조하는 것이 원칙적으로 공통적으로 사용되기 때문에 때때로 편리하다는 것이 입증되었다.
그러나 이와 같은 것 및 유사한 용어들 모두는 적절한 물리적 량과 연관되어 있으며, 이와 같은 량에 적용된 단순히 편리한 라벨이라는 것을 상기하여야 한다. 특별히 언급하지 않는한 또는 명백하지 않는한 본 기술에 걸쳐 이와 같은 기술은 일부 전기 장치의 저장장치 내부의 물리적(전기적, 자기적 또는 광학적) 량으로 나타나는 데이터를 저장장치 내부 또는 전송 또는 표시 장치에서의 물리적 량으로 유사하게 표시되는 기타의 데이터로 조작하거나 변형시키는 전기 장치의 작동 및 공정을 나타낸다. 제한이 없으면 이와 같은 기술을 의미하는 용어의 예로는 "처리", "컴퓨팅", "연산", "측정", "표시" 등이 있다.
도 1에 있어서, 자동화 제어 시스템(106)은 연료 처리장치(102)의 운영을 제어하는 도 3에 도시된 운영 사이클(300)을 수행한다. 더욱 상세하게는, 연료 처리장치(102)의 운영, 개시 및 정지에 대한 다양한 단계를 관리하기 위하여 운영 사이클(300)이 복수의 운영 상태로 분리된다. 운영 상태는 반응기의 운영을 흉내내었으며, 제어용 조직 또는 계층적 구조물을 가능하게 한다. 실시예에서 상기 상태는 하기의 주의(tenet)의 측면에서 정의된다:
- 모든 상태는 활성 진단(diagnostics)을 계속적으로 관찰한다;
- 모든 상태는 하나의 상태로부터 다음 상태로의 진행에 대한 명령을 받는다;
- 모든 상태는 하나의 상태로부터 다음 상태로의 진행에 대한 조건적 명령문을 충족한다;
- 상태는 정지 상태 및 오프 상태(하기에서 논의됨)를 통과하지 않으면 다음 상태를 건너뛰지 않거나 전상태로 회귀하지 않는다;
- 모든 상태는 정지 상태, 및 이후의 오프 상태로의 경로를 갖는다;
- 이와 같이 기술된 각각의 상태는 필요한 연료 처리장치(102)의 성분 및 구획들을 초기화하고, 필요할때까지 다른 장치의 운영을 억제하기 위하여 복수의 하위 상태를 포함할 수 있다; 및
- 오프 상태에서 수행된 운영은 전상태의 기능에 따라 다양하다.
다른 실시예에서 앞서 기술된 것들 이외에 또는 대신에 다른 설계 주의들(design tenets)이 사용될 수 있다는 것을 주지하여야 한다.
이와 같은 설계 주의의 측면에서, 도 3에 도시된 하기의 상태들이 실시예에서 실행된다:
- 오프 상태(302) - 운영 순서에서 첫 번째 상태. 오프 상태(302)는 정상적으로 개방되거나 정상적으로 폐쇄된 위치로, 즉, 에너지를 사용하지 않을 때의 결과 위치로 연료 처리장치(102)의 하드웨어를 준비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 처리장치(102)는 앞서 기술한 제어장치가 정지 상태(314)(하기에서 추가로 기술됨)로부터 본 상태를 초기화하거나 본 상태로 진입할 때 오프 상태로부터 유래된다.
- 매니저 검사 상태(304) - 오프 상태(302)로부터 진입된 운영 순서에서 2번째 상태. 매니저 검사 상태(304)는 연료 처리장치(102)의 시동 준비성을 검사한다. 매니저 검사 상태(304)에서 운영에 필수조건인 특정 조건들이 충족되었는지를 검사하기 위하여 동력 플랜트(100))의 반응기 밸런스를 조작한다.
- 예열 상태(308) - 매니저 검사 상태(304)로부터 진입된 운영 순서에서 3번째 상태. 예열 상태(308)는 도 6에 도시된 것과 같은 산화장치(404)의 안정한 운영을 개시하고 관리하며, 연료 처리장치(102)에 의해 개질되어질 공정 공급물 스트림에 사용되는 입력 기체를 예열하기 위하여 테일 기체 연소장치로부터 발생된 열을 사용한다.
- 시동 상태(310) - 예열 상태(308)로부터 진입된 운영 순서에서 4번째 상태. 시동 상태(310)는 시동조건하에서 연료 처리장치(102)의 운영을 개시하고, 작동 상태(312)에서의 운영을 위한 연료 처리장치(102)를 준비한다.
- 작동 상태(312) - 시동 상태(310)로부터 진입된 운영 순서에서 5번째 상태. 작동 상태(312)에서, 연료 처리장치(102)는 입력 기체를 수소가 풍부한 개질유(108)로 개질하도록 관리된다.
- 동력 플랜트(100)의 물리적 하위시스템들이 자신의 운영을 중지하고, 연료 처리장치(102)가 기타 상태(304, 208, 310 및 312)중 어느 하나로부터 정지 상태(314)로 이행될 수 있는 정지 상태(314).
대안적 실시예에서 부가의 상태들이 사용될 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 또한, 일부 대안적 실시예에서 하나 이상의 운영 상태(302-314)가 결합되거나 추가로 분리될 수 있다는 것도 주지하여야 한다. 예를 들면, 상기 매니저 검사 상태(304) 및 예열 상태(308)는 단일의 예비 시동 운영 상태와 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이, 운영 상태(302-314)는 하나의 상태로부터 다음 상태로 진행하는 명령을 받으며, 모든 상태들은 하나의 상태로부터 다음 상태로 진행하라는 조건적인 명령문을 충족하고, 상태들은 다음 상태로 건너뛰지 않으며 이전 상태로 회귀하지 않는다. 본 실시예에서, 자동화 제어 시스템(106)은 이와 같은 프로토콜을 강화한다. 자동화 제어 시스템(106)은 각 상태에서 구술된 허용된 운영의 기능으로서 연료 처리장치(102)의 다양한 성분들에게 신호를 발생하거나 이로부터 신호를 수신한다. 상기 성분들은 특정 상태에 대하여 태스크(task)가 지정된 것이면 무엇이든지 수행하며, 관련 센서 및 피드백 기작을 통하여 그들 조건의 자동화 제어 시스템(106)에게 신호를 발신한다.
모든 성분들이 특정 상태의 완료 신호를 발신하자마자 자동화 제어 시스템(106)이 운영에 있어서 다음 상태의 기능으로서 새로운 세트의 명령을 개시한다. 연료 처리장치(102)의 각 성분과 연관된 활동 및 다음 상태로의 이행에 대하여 만족시켜야 하는 조건들은 공정 현황과 결과 상태에 따라 다양할 수 있다. 자동화 제어 시스템(106) 및 연료 처리장치(102)는 자동화 제어 시스템(106) 또는 기술된 입력 장치가 정지 상태(314)로의 이행 신호를 발신할 때까지 앞서 기술되고 도 3에 도시된 바와 같은 상태를 통하여 진행된다. 결국, 실시예에서, 각각의 운영 상태는 다른 상태로부터 분리되고, 다양한 운영 상태를 통한 성분들의 이행이 동시에 일어난다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 실시예의 하나의 특정 실행을 개시하고자 한다. 연료 처리장치(102)가 도 4에 도시된 바와 같이 실행되고 있으며, 여기에는 연료 전지(104)도 함께 도시되어 있다. 자동화 제어 시스템(106)의 하드웨어 측면은 도 2A 및 2B에 도시되고 앞서 언급한 바와 같이 실행된다. 자동화 제어 시스템(106)의 소프트웨어 측면은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 실행되며, 도 6에 도시된 운영 사이클을 수행한다.
도 4에 따르면, 본 실시예의 연료 처리장치(102)는 여러개의 모듈 물리적 하위시스템을 포함한다:
- 연료 처리장치(102)에 투입된 연료(403)를 연료 전지(104)용 개질유(405)로 개질하는 산화-환원 반응을 수행하는 자열 개질장치(ATR)(402);
- 물(407), 연료(403) 및 공기(409)를 혼합하여 ATR(402)로 전달되는 연료 혼합물 또는 "공정 공급물 스트림"(411)을 생성하는, 본 실시예에서는 아노드 테일기체 산화장치(anode tailgas oxidizer; ATO)인 산화장치(Ox)(404);
- ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)에 혼합하기 위하여 투입 연료(403)(본 실시예에서는 천연기체)를 ATO(404)로 전달하는 연료 하위시스템(406);
- ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)에 혼합하기 위하여 물(407)을 ATO(404)로 전달하는 물 하위시스템(408);
- ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)에 혼합하기 위하여 공기(409)를 ATO(404)로 전달하는 공기 하위시스템(410); 및
- 냉매(413)를 순환함으로써 ATR(402)의 운영시 온도를 조절하는 열 하위시스템(412).
도 4에 따르면, 본 실시예에서 자동화 제어 시스템(106)은 도 5에 도시된 계층적 제어 시스템(500)을 통하여 ATR(402), 산화장치(404), 연료 하위시스템(406), 물 하위시스템(408), 공기 하위시스템(410) 및 온도 하위시스템(412)의 운영을 제어하며, 상기 계층적 제어 시스템(500)은
- 하기에 설정된 하위시스템 매니저들을 통하여 연료 처리장치(102)의 제어를 관리하는 마스터 제어 매니저(502);
- ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)에 혼합하기 위하여 연료 하위시스템(406)으로부터 ATO(404)로의 연료(403) 전달을 제어하는 연료 하위시스템 매니저(504);
- ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)에 혼합하기 위하여 물 하위시스템(408)으로부터 ATO(404)로의 물(407) 전달을 제어하는 물 하위시스템 매니저(506);
- ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)에 혼합하기 위하여 공기 하위시스템(410)으로부터 ATO(404)로의 공기(409) 전달을 제어하는 공기 하위시스템 매니저(508);
- 개질을 위해 ATR(402)로 전달되는 공정 공급물 스트림(411)을 물(407), 연료(403) 및 공기(409)로부터 생성하기 위하여 증기 혼합을 제어하는 ATO 하위시스템 매니저(510);
- 연료 처리장치(102)로 입력되는 연료(403)를 연료 전지(104)용 개질유(405)로 개질하는 ATR(402)에서 산화-환원반응을 제어하는 ATR 하위시스템 매니저(512);
- 열 하위시스템(412)을 통하여 ATR(402) 및 ATO(404)의 운영시 온도를 제어하는 열 하위시스템 매니저(514)를 포함한다.
결국, 각각의 하위시스템 매니저(504-514)는 마스터 제어 매니저(502)의 지시하에 연료 처리장치(102)의 각각의 물리적 하위시스템(402-412)의 운영을 조절한다.
실시예는 하위시스템 매니저(504-514)들 간의 운영 상태 및 이행을 나타내는 도 6에 도시된 운영 사이클(600)이 실행한다. 운영 사이클(600)은 도 3에 도시된 운영 사이클(300) 이외의 운영 상태를 포함한다. 비록 매 운영 사이클에서 모든 하기의 8개의 상태가 실행되는 것은 아니지만, 특정 실시예에서는 각각의 하위시스템 매니저(504-514)는 8개의 상이한 상태를 통하여 이행된다:
- "오프" 상태(302);
- "매니저 검사" 상태(304), 여기서 하위시스템 매니저들(504-514)은 이들 각각의 물리적 하위시스템(402-412)의 운영의 용이성을 검사한다;
- "수동" 상태(606), 여기서 운영자는 전체 시스템의 운영을 지시할 수 있다;
- "예열" 상태(308), 여기서 연료 처리장치(102)의 가열 부재들 및 유체가 정상 운영을 위해 지정된 수준으로 예열되거나 예비 냉각된다;
- "시동" 상태(310), 여기서 연료 처리장치(102)는 시동 조건하에서 운영을 개시한다;
- "작동" 상태(312), 여기서 연료 처리장치(102)는 정상 상태 조건하에서 운영한다;
- "정지" 상태(314), 여기서 전체 시스템의 물리적 하위시스템(402-412)은 운영 사이클의 계획된 종결시점에서 운영을 중지한다; 및
- "응급 정지" 상태(616), 여기서 물리적 하위시스템(402-412)은 하나 이상의 물리적 하위시스템에서 응급 조건이 발생 및 감지된 것에 대한 반응으로 정지된다.
비록 각각의 하위시스템 매니저(504-514)가 동일한 8개의 상태를 통하여 이행할지라도 각각의 하위시스템 매니저(504-514)에 할당된 태스크는 각각의 물리적 하위시스템(402-412)의 필요조건에 따라 독특하다. 예를 들면, 도 4에 도시된 연료 하위시스템(406) 및 ATR(402)의 운영 및 기능적 차이로 인하여 작동 상태(312)에서 연료 하위시스템 매니저(504)에 의해 수행되는 태스크는 작동 상태에서 ATR 하위시스템 매니저(512)의 태스크와 상이할 것이다.
도 6에 따르면, 오프 상태(602)는 자동화 제어 시스템(106)의 초기화(예를 들면, 자동화 제어 시스템(106)으로의 동력 공급)로부터, 또는 정지 상태(314)로부터, 또는 응급 정지 상태(61)로부터 도달될 수 있다. 연료 처리장치(102)의 ATR(402)은 오프 상태(602)로부터 진행하라는 사용자의 입력 또는 명령어를 받을 때까지 오프 상태(602)를 유지한다. 아키텍처(architecture)의 유동은 특정한 조건적 명령문이 하나의 운영 상태로부터 다음의 상태로의 이행 이전에 충족되어져야 한다는 것을 구술하고 있다. 예컨대, 오프 상태(602)와 매니저 검사 상태(604)간의 조건은 반응기(미도시) 외부의 내장 스위치(미도시)를 통하거나 또는 초기화된 시작 소프트로부터 개시된다.
오프 상태(602)로부터 빠져나오면, 하위시스템 매너저(504-514)는 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 매니저 검사 상태(604) 또는 수동 상태(606)로 이행할 수 있다. 수동 상태(606)에서는, 하위시스템 매니저(504-514)가 이들의 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 정지 상태(614) 또는 응급 정지 상태(616)로만 이행한다. 매니저 검사 상태(604)에서는, 하위시스템 매니저(504-514)가 이들의 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 예열 상태(608), 시동 상태(610) 및 작동 상태(612)로 이행할 수 있다. 하위시스템 매니저(504-514)는 이들의 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 나머지 운영 상태 중 어느 하나로부터 정지 상태(614) 및 응급 정지 상태(616)로 이행할 수 있다.
도 5 및 6에 따르면, 운영자는 시스템의 전원을 켜거나 초기화하여, 즉 오프 상태(302)를 빠져나와서 수동 상태(606)로 진입할지 여부를 선택한다. 만일 운영자가 수동 상태(606)를 선택하지 않으면, 마스터 제어 매니저(502)가 제어를 담당한다. 수동 상태(606)에서, 운영자는 운영 능력 비율을 선택하고, 시스템은 특정 수준의 설정 포인트까지 상승하지만 여전히 제어 논리가 적용된다. 즉, 하위시스템 매니저(504-514)는 앞서 기술한 마스터 제어 매니저(50)를 통하여 서로간에 상호 협력한다.
운영자가 수동 제어를 취하지 않는다고 가정할 때, 마스터 제어 매니저(502)는 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 매니저 검사 상태(304)로 이행하기 위하여 각각의 하위시스템 매니저(504-514)로 신호를 전달한다. 이후 각각의 하위시스템 매니저들(504-514)은 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 매니저 검사 상태(304)로 이행한다. 이후, 하위시스템 매니저(504-514)는 매니저 검사 상태(304)와 연관된 개별적 태스크를 수행한다. 매니저 검사 상태(304)에 대한 탈출 조건은 이에 제한되지는 않지만 다음을 포함한다: 충분한 공정 기체 전달 압력을 확보하는 것으로, 공기 송풍기(미도시)는 유동을 순환하고 등록시킬 수 있으며, 가열장치(미도시)는 일부의 열 증분 증가를 생성할 수 있다. 매니저 검사 상태(304)에서, 하위시스템 매니저(504-514)는 특정 조건들을 만족시키기 위해 연료 처리장치(102)의 운영을 균형 잡기 위하여 마스터 제어 매니저(502)를 통하여 적당한 하위시스템 매니저(504-514)에 대한 요청을 개시한다. 매니저 검사 상태(304)와 예열 상태(308)간의 조건은 매니저 검사 상태(304) 내부에 위치한 각각의 조건들이 충족되는지 여부의 검증이다.
만일 매니저 검사 조건이 충족되지 않으면, 도 6에 도시된 운영 사이클(600)은 정지 상태(314)로 유동하고, 이후 오프 상태(302)로 되돌아온다. 이와 달리, 도 5에 도시된 각각의 하위시스템 매니저(504-514)가 매니저 검사 상태(304)와 연관된 태스크를 완료할 경우 이들은 마스터 제어 매니저(502)에게 이 사실을 개별적으로 신호 전달한다. 마스터 제어 매니저(502)는 모든 하위시스템 매니저(504-514)가 완료 신호를 발신할 때까지 대기하며, 이후 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 예열 상태(308)로 이행하도록 하위시스템 매니저(504-514)에게 신호를 발신한다.
도 6에 따르면, 예열 상태(308)는 도 4에 도시된 산화장치(404)의 점화소등 및 ATR에 공급되어질 기체를 예열하기 위하여 린번(lean burn) 반응에서 발생된 열 사용을 개시한다. 예열 상태(308)는 산화장치(404)에서 소등 순서를 개시하고, 일단 반응이 안정되면 시동 상태(310)로의 진행 조건들이 만족된다. 만일 소등 조건이 만족되지 않으면, 운영 사이클(600)은 정지 상태(314)로 유동하고, 이후 오프 상태(302)로 되돌아간다. 그렇지 않으면, 도 5에 도시된 각각의 하위시스템 매니저(504-514)가 산화장치(404) 소등을 포함한 예열 상태(308)와 연관된 그들의 태스크를 완료하였을 때 이들이 그 사실을 마스터 제어 매니저(502)에게 신호를 발신한다. 마스터 제어 매니저(502)는 모든 하위시스템 매니저(504-514)가 완료 신호를 발신할 때까지 대기하며, 이후 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 시동 상태(310)로 이행하도록 하위시스템 매니저(504-514)에게 신호를 발신한다.
도 6에 도시된 운영 순서에서 4번째 상태는 시동 상태(310)이다. 시동 상태(310)는 연료 하위시스템(406)으로부터 도 4에 도시된 산화장치(404)의 예열 섹션(미도시)를 통하여 연료(403)(예를 들면 천연기체)를 유동시킴으로써 개시하는 상태로 기술될 수 있다. 이후, 이와 같은 연료(403)는 ATR(402)를 통한 열 전달에 사용되며, 온도와 내부 반응 유지를 위해 산화장치(404)로 되돌아간다. 산화장치(404)는 자체 반응에 연료를 공급하기 위하여 직접 연료(403)(예를 들면 천연 기체) 공급물을 ATR(402)로부터 예열된 복귀 오프 기체로 이행한다. 일단 ATR(402)의 개질장치 섹션(미도시)이 소등 온도에 도달할 경우 산화장치(404)의 예열 섹션을 통하여 공기 하위시스템(410)으로부터의 공기(409)가 공급되며, 이후 ATR(402)로 공급된다.
공기(409) 및 연료(403)를 혼합하고 이를 개질장치를 소등하는 곳인 개질장치의 표면으로 전달한다. ATR(402)의 이와 같은 섹션에서 반응에 의해 발생된 열은 반응기를 통하여 전달되고, 이로써 잔존 반응기 층(미도시)을 워밍업시킨다. 일단 반응기 층이 바람직한 온도에 도달하면, 물 하위시스템(408)으로부터의 물(407)은 반응물 공기(409) 및 연료(403)와 혼합되고, ATR(402)의 개질 장치로 전달된다. 이와 같은 공정은 ATR(402) 내부에서 발생될 수소 기반 개질유(405)의 등급을 다양하게 만드는 결과를 가져오고, 예열 기능을 계속 수행하도록 산화장치(404)로 다시 되돌려진다.
만일 시동 조건이 충족되지 않거나 활성 진단이 연쇄적으로 일어나면, 도 6에 도시된 운영 사이클(600)이 정지 상태(314)로 유동하고, 이후 오프 상태(302)로 회귀한다. 그러나 일단 개질유가 연료 전지 품질이라고 생각되는 안정한 조성에 도달하면, 작동 상태(312)로 진행하는 조건이 만족된다. 도 5에 도시된 각각의 하위시스템 매니저(504-514)는 시동 상태(310)와 연관된 그들의 태스크를 완료하며, 이 사실을 마스터 제어 매니저(502)에게 신호를 발신한다. 마스터 제어 매니저(502)는 모든 하위시스템 매니저(504-514)가 완료 신호를 발신할때까지 대기하며, 이후 작동 상태(312)로 이행하도록 하위시스템 매니저(504-514)에게 신호를 발신한다.
도 6에 따르면, 작동 상태(312)는 운영 순서에서 5번째 상태이다. 작동 상태는 도 4에 도시된 산화장치(404)로부터 추천하는 개질유 공급원까지 개질유 스트림을 점차적으로 전환시킴으로써 개시하는 상태로 기술될 수 있다. 초과된 화학량론 또는 공급물 위치로의 유동에 의해 발생된 어떠한 오프 기체도 예열 작용을 유지하기 위하여 산화장치(404)로 다시 되돌려진다. 이와 같은 개질유의 공급원으로의 이행기간동안에 산화장치(404)에 보충 연료가 필요할 수 있다. 이와 같은 상태중에 반응기는 운영 또는 "작동"할 것으로 사료된다.
그러므로 상태 이행의 일반적인 경로는 도 5에 도시된 하위시스템 매니저(504-514)와 같이 반복되며, 도 6에 도시된 운영 상태, 즉, 이행, 상태 특이적 및 하위시스템 특이적 태스크 수행, 이행에 대한 마스터 제어 매니저(502)의 신호를 대기하는 것 등을 통하여 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 이행한다. 하위시스템 매니저(504-514)는 마스터 제어 매니저(502)에 의해 신호가 처리될 경우 이들의 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 다음 상태로 이행한다는 것을 주지하여야 한다. 또한, 마스터 제어 매니저(502)는 모든 하위시스템 매니저들(504-514)이 이행할 준비가 되었을 때에만 오직 이행에 대하여 하위시스템 매니저(504-514)에게 신호를 발신한다는 것도 주지하여야 한다. 결국, 하위시스템 매니저들(504-514)은 마스터 제어 매니저(502)의 지시하에 동시간 방식으로 그들 상태를 통하여 이행한다.
제어 시스템(500)의 제어하에 연료 처리장치(102)의 운영이 보다 상세하게 기술될 것이다. 하기의 설명은 하기 도면에 도시된 본 발명의 다양한 요소들을 언급하고 있다:
- 도 4, 즉, 연료 처리장치(102)의 하위시스템(402-412);
- 도 5, 즉, 자동화 제어 시스템(106)용 계층적 제어 시스템(500)에서의 소프트웨어 실행 매니저(502-514); 및
- 도 6, 즉, 이를 통하여 하위시스템(406-412)이 이행하는 운영 상태(302-314, 606 및 616).
또한, 하기 설명은 실시예에서 다양한 운영 상태(302-314, 606 및 616) 중 발생하는 선택된 사건들을 도시하고 있는 도 7, 도 8A-8E, 9A-9E, 10A-10E, 11A-11E 및 13A-13E를 참조할 것이다.
도 7(700)에 따르면, 도 6에 도시된 오프 상태(302)에서 모든 기구들(개별적으로 도시되지 않음)이 안전한 위치(702)에 존재하지 않는다. 도 2A 및 2B에 도시된 디스플레이(240)는 그 작동에 대한 정지(702) 원인을 나타내는 앞선 작동으로부터의 메시지를 표시한다. 또한, 주요 장치 동력 공급 릴레이(미도시)로부터 동력이 단절된다(702). 만일 연료 처리장치(102)의 밸브 설치와 스위치((개별적으로 도시되지 않음)가 적절히 설정되었다면(704), 자동화 제어 시스템(106)이 개시 버튼을 활성화시키고(706), 이것이 표시되지는 않지만 도 2A 및 2B에 도시된 키패드(205)의 부품이 될 수 있다. 사용자 인터페이스(245)는 수동 버튼을 포함하고, 이것이 표시되지는 않지만 키패드(250)의 부품이 될 수 있다. 만일 시작 버튼이 선택되면(708) 연료 처리장치(102)가 "자동화" 모드에서 운영을 시작하고(710), 디스플레이(240)상에 메시지를 재설정하고, 자동화 제어 시스템(106)의 정지 진단 성능을 활성화시킨다. 만일 시작 버튼과 수동 버튼이 동시에 선택되면(712) 연료 처리장치(102)가 수동 모드에서 운영을 개시하고(714), 디스플레이(240) 상의 메시지를 재설정하고, 자동화 제어 시스템(106)의 정지 진단 성능을 활성화시킨다. 수동모드라 할지라도 정지 진단 성능이 자동화상태로 유지된다는 것을(714) 주지하여야 한다.
결국, 전원을 켜거나 재설정시 연료 처리장치(102) 및 제어 시스템(500)은 입력된 운영자(operator)에 의존하여 도 6에 도시된 첫 번째 오프 상태(302)를 매니저 검사 상태(304) 또는 수동 상태(606)로 이행한다. 운영자가 수동 제어를 고려하지 않는다고 가정하면, 마스터 제어 매니저(502)는 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 매니저 검사 상태(304)로 이행하도록 하위시스템 매니저(504-514)에게 신호를 발신하고, 여기서 상기 하위시스템 매니저(504-514)는 각각의 물리적 하위시스템(402-412)의 운영 준비성을 검사한다. 각각의 물리적 하위시스템(402-412)은 매니저 검사 상태(304)에서 상이한 태스크를 수행한다. 이와 같은 태스크는 도 8A 내지 8G에 도시되어 있다.
도 8A는 매니저 검사 상태(304)에서 산화장치(404)에 대한 선택된 사건들을 도시하고 있다(800). 연료 처리장치(102)가 오프 상태(302)로부터 매니저 검사 상태(304)로 이행함에 따라, ATO 하위시스템 매니저(510)는 산화장치(404)에서 모든 기구들의 매니저 검사를 개시한다(802). 이후 ATO 하위시스템 매니저(510)는 마스터 제어 매니저(502)를 통하여 공기 하위시스템 매니저(508)로 부터 공기 유동을 요청하고, ATO 주입구(미도시) 온도를 측정하고, ATO 가열장치(미도시)가 충분히 주입구 온도를 가열시킬 수 있는지를 검증하기 위하여 검사한다(804). 만일 ATO 가열장치가 주입구 온도를 상승시킬 수 있으면(806), ATO 하위시스템 매니저(510)가 ATO 가열장치의 전원을 차단하고 공기 유동의 중지를 요청한다(808). 이후, 산화장치(404)는 예열 상태(308)로의 이행을 준비한다(810). 만일 ATO 가열장치가 주입구 온도를 충분히 상승시킬 수 없다면(806), ATO 하위시스템 매니저(510)는 마스터 제어 매니저(502)에게 ATO 가열장치의 기구 문제를 보고한다(812).
도 8B에는 ATR(402)에 대한 매니저 검사 상태(304)의 활동이 도시되어 있다. 연료 처리장치(102)가 오프 상태(302)로부터 매니저 검사 상태(304)로 이행함에 따라(814), ATR 하위시스템 매니저(512)가 ATR(402)의 모든 기구들의 매니저 검사를 개시한다(816). ATR 하위시스템 매니저(512)는 ATR 주입구(미도시) 온도를 측정하고 ATR 면(ATR face) 가열장치(미도시)가 가열될 수 있는지를 검증한다(818). 천연 기체 유동이 존재하지 않고, 유동 기체없이 전환 촉매를 가열하는 것이 손상을 초래하기 때문에 전환 가열장치(미도시)는 검사되지 않는다는 점을 주의하여야 한다. 만일 ATR 주입구 온도가 상승될 수 있으면(820), ATR 하위시스템 매니저(512)가 ATR 면(ATR face) 가열장치의 전원을 내리고 예열 상태(308)로의 이행을 준비한다(810). 만일 ATR 주입 온도가 상승될 수 없으면(820) ATR 하위시스템 매니저(512)는 마스터 제어 매니저(502)에게 ATR 면(ATR face) 가열장치의 기구 문제를 보고한다(824).
도 8C에 따르면, 연료 처리장치(102)가 오프 상태(302)로부터 매니저 검사 상태(304)로 이행되면(826), 공기 하위시스템 매니저(508)가 공기 하위시스템(410)의 모든 기구들의 매니저 검사를 개시한다(828). 공기 하위시스템 매니저(508)는 모든 공기 밸브들(미도시)이 폐쇄되어 있다는 것을 보증하며, 최대 성능보다 낮게 공기 압축장치(미도시)를 가동하기 시작한다(830). 만일 용적 탱크(미도시)의 압력이 과도하면(832), 공기 하위시스템 매니저(508)는 산화장치(404) 쪽으로 공기 밸브(미도시)를 부분적으로 개방한다(834). 만일 산화장치(404)로의 공기 유동이 과도하면(836) 공기 하위시스템 매니저(508)는 압축장치의 전원을 내리고 초기에 개방되어 있던 ATO 밸브쪽으로 향하는 공기(409)를 폐쇄한다. 이후, 공기 하위시스템(410)은 예열 상태(308)로의 이행을 준비한다(810). 그러나 만일 산화장치(404)로의 공기 유동이 지나치지 않으면(836), 공기 하위시스템 매니저(508)는 마스터 제어 매니저(502)에게 ATO 밸브 및 플로우미터쪽의 공기에 대한 기구 문제를 보고한다(840). 이와 유사하게, 만일 용적 탱크의 압력이 과도하지 않으면(832), 공기 하위시스템 매니저(508)는 마스터 제어 매니저(502)에게 공기 압축장치쪽의 공기에 대한 기구 문제를 보고한다(842).
도 8D는 연료 하위시스템(406)에 대한 매니저 검사 상태(304)의 활동을 도시하고 있다. 연료 처리장치(102)가 오프 상태(302)로부터 매니저 검사 상태(304)로 이행되면(844), 연료 하위시스템 매니저(504)가 연료 하위시스템(406)의 모든 기구들의 매니저 검사를 개시한다(846). 연료 하위시스템 매니저(504)는 연료(403)를 전달받는 천연 기체 라인(미도시) 방향의 수동 공급 밸브(미도시)를 개방한다(848). 만일 천연 기체 라인의 압력이 적당하면(850), 연료 하위시스템 매니저(406)는 예열 상태(308)로의 이행을 준비한다(810). 만일 천연 기체 라인의 압력이 적당하지 않으면(850) 연료 하위시스템 매니저(504)는 마스터 제어 매니저(502)에게 천연 기체 공급 솔레노이드에 대한 기구 문제를 보고한다(852).
도 8E에는 물 하위시스템(408)에 대한 매니저 검사 상태(304) 활동이 도시되어 있다. 연료 처리장치(102)가 오프 상태(302)로부터 매니저 검사 상태(304)로 이행됨에 따라(854), 물 하위시스템 매니저(506)는 물 하위시스템(408)의 모든 기구들의 매니저 검사를 개시한다(856). 만일 물(407)을 수용하고 있는 탱크(미도시)의 낮은 수준의 스위치(미도시)가 탱크가 비어있지 않음을 표시한다면(858) 물 하위시스템 매니저(506)는 물 펌프(미도시)의 전원을 켠다(860). 만일 물이 유동하면(862), 물 하위시스템 매니저(506)는 물 펌프의 전원을 끄고(864), 물 하위시스템(408)은 예열 상태로의 이행을 준비한다(810). 만일 물 펌프의 전원이 켜질때 물(407)이 유동하지 않으면(862), 물 하위시스템 매니저(506)가 마스터 제어 매니저(502)에게 펌프 기구 문제를 보고한다(866). 만일 물 탱크가 비어 있으면(858), 물 하위시스템 매니저(506)가 마스터 제어 매니저(502)에게 탱크가 비었다는 것을 보고하고(868), 자동 재충전을 요청한다.
도 8F에 따르면, 연료 처리장치(102)가 오프 상태(302)로부터 매니저 검사 상태(304)로 이행됨에 따라(870), 열 하위시스템 매니저(514)가 열 하위시스템(412)의 모든 기구들의 매니저 검사를 개시한다(872). 만일 물(407)을 수용하는 탱크(미도시)의 낮은 수준의 스위치(미도시)가 탱크가 비어있지 않음을 나타낼 경우(874), 열 하위시스템 매니저(514)가 물 펌프(미도시)의 전원을 켜고(876), 냉각 밸브(미도시)를 개방한다(876). 만일 물이 유동하면(878), 열 하위시스템 매니저(514)가 물 펌프의 전원을 차단하고(864), 냉각 밸브를 폐쇄하고(864), 열 하위시스템 매니저(514)가 예열 상태로의 이행을 준비한다(810). 만일 물 펌프의 전원이 켜졌을때 물(407)이 유동하지 않으면(876), 열 하위시스템 매니저(514)는 마스터 제어 매니저(502)에게 펌프 기구사용 문제를 보고한다(882). 만일 물탱크가 비어 있으면(874), 물 하위시스템 매니저(506)는 마스터 제어 매니저(502)에게 탱크가 비어 있음을 보고하고(884), 자동 재충전을 요구한다.
일단 각각의 하위시스템 매니저들(504-514)이 각각의 물리적 하위시스템(402-412)이 매니저 검사를 통과하였다는 신호를 마스터 제어 매니저(502)에게 발신하면, 마스터 제어장치(502)는 각각의 물리적 하위시스템(402-412)을 예열 상태(308)로 이행하도록 하위시스템 매니저(504-514)에게 신호를 발신한다. 예열 상태(308)에서 각각의 물리적 하위시스템들의 가열 요소 및 유체들이 정상적인 운영을 위한 기설정된 수준까지 예열되거나 미리 냉각되어 진다. 그러나 만일 하위시스템 매니저(504-514)가 매니저 검사 상태(304)에서 마스터 제어 매니저(502)에게 에러를 보고하면(도 8A에서 812; 도 8B에서 824; 도 8C에서 840, 842; 도 8D에서 852; 도 8E에서 866; 도 8F에서 882) 마스터 제어 매니저(502)는 앞서 언급하였듯이 하위시스템 매니저들(504-514)에게 각각의 물리적 하위시스템(402-412)의 정지 상태(314) 및 오프 상태(302)로의 이행 신호를 발신하고, 사건에 대한 적절한 진단 명령을 제공한다.
도 9A 내지 9E에는 산화장치(404), ATR(402), 공기 하위시스템(410), 물 하위시스템(408) 및 열 하위시스템(412)에 대한 각각의 예열 상태(308)의 선택적 활동들이 도시되어 있다. 앞서 언급하였듯이, 예열 상태(308)의 주요 기능은 산화장치(404)로부터 ATR(402)로 주입되는 기체를 예열하는 것이다. 본 기술의 이익을 갖는 당업자에게 이해되는 바와 같이, 연료 처리장치(102)는 단순하게 생산으로 상태를 옮기지 못한다. 예를 들면, 산화장치(404)는 연료(403), 물(407) 및 예열 공기(409)를 보유할때까지 공급원료를 예열하지 못한다. 이와 유사하게, ATR(402)은 산화장치(404)로부터 충분한 공급원료를 수용할때까지 예열 공급원료(도 4에 이와 같이 결합된 공급원료에 대한 화살표에 숫자가 기재되어 있지않다)를 개질할 수 없다. 공기 하위시스템(410), 연료 하위시스템(406), 물 하위시스템(408), 및 열 하위시스템(412)은 이와 같은 목적의 증진을 위해 공기(409)(도 9C에서 910), 연료(403)(도 9B에서 928), 물(407)(도 9D에서 912), 및 열 제어(도 9E에서 914)를 산화장치(404) 및 ATR(402)에 제공한다.
예열 상태(308)로 이행되면(도 9A에서 920), 산화장치(404)는 소등하기 시작한다(도 9A에서 922). "소등"은 본질적으로 산화장치(404)가 주어진 온도하에서 연료(403) 및 공기(409)를 이용하여 촉매 반응을 진행하는 조건이다. 이것을 일반적으로 산화장치(404) 반응기(미도시)를 통하여 촉매를 가열하고(미도시) 공기(409)를 유동시키는 과정을 포함한다. 일단 촉매가 개시되고, 산화장치(404) 반응기가 안정화되면(도 9A에서 924), 연료(403)는 ATR(402)로 점차적으로 스위치된다(도 9A에서 926). ATR(402)는 반응기를 세척하기 위하여 연료(403)를 사용한다(도 9B에서 928). 산화장치(404)의 소등이 완료되었을때(도 9A에서 930), 산화장치(404)는 요청이 있을때 다른 하위시스템(402, 406-412)에게 공정 공급물 스트림(411)(즉, 물(407), 공기(409) 및 연료 혼합물)을 제공한다. 만일 산화장치(404) 소등 공정이 개시되고 완료되지 않거나 또는 완료가 너무 느리게 된다면 중지가 개시된다.
일단 모든 하위시스템 매니저(504-514)가 그들 각각의 물리적 하위시스템(402-412)이 자신들의 예열 태스크를 완료하였다는 신호를 발신하면, 마스터 제어 매니저(502)는 이들에게 시동 상태(310)로의 이행 신호를 발신하며, 여기서 연료 처리장치(102)는 시동 조건하에서 운영을 개시한다. 도 10A-10E에 시동 상태(310) 활동들이 개시되어 있다. 공기 하위시스템(410), 물 하위시스템(408) 및 열 하위시스템(412)는 산화장치(404) 및 ATR(402)에게 공기(409)(도 10C에서 1010), 물(407)(도 10D에서 1012) 및 온도 조절(도 10E에서 1014)을 계속적으로 제공한다. 산화장치(404)는 둘 모두가 정상상태 운영조건에 도달할때까지 ATR(402)이 이의 가열장치, 냉각 및 연료 유동을 유지함에 따라(도 10B에서 1022) 공정 공급물 스트림(411)의 준비 및 제공을 개시한다( 도 10A에서 1020).
보다 상세하게는, 시동 상태(310)는 산화장치(404)의 예열 섹션(미도시)를 통하여 천연기체 또는 기타 연료(403)를 유동시킴으로써 개시된다. 이와 같은 기체는 이후 ATR(402)의 개질장치를 통하여 열을 전달하는데 사용되며, 온도와 내부 반응을 유지하기 위하여 산화장치(404)로 복귀된다. 산화장치(404)는 직접 천연기체 공급물로부터 ATR(404)로부터 예열된 복귀 오프 기체로 이행된다. 일단 ATR(404)의 반응기 섹션이 소등 온도에 도달하면, 공기(409)가 예열을 통하여 공급되고 이후 반응기로 공급된다. 공기와 연료가 혼합되고 이를 ATR(404)의 개질장치가 소등되는 곳인 ATR 표면으로 전달한다.ATR(404)의 이와 같은 섹션에서 발생된 열은 잔여 ATR(404)을 통하여 전달되고, 잔존 반응기층(미도시)를 워밍업시킨다. 일단 반응기층이 특정 온도에 도달하면, 반응물 공기(409) 및 연료(403)와 물(407)을 혼합하고, 이를 ATR로 전달된다. 이와 같은 공정은 반응기 내부에서 생성되어질 다양한 등급의 수소 기반 개질유를 유발하고, 예열 기능을 계속하도록 산화장치(404)로 다시 전달된다. 일단 개질유, 즉 개질유(405)가 연료 전지 품질이라고 인정되는 안정한 조성에 도달하면, 작동 상태(312)로의 진행조건이 충족된다.
일단 모든 하위시스템 매니저(504-514)가 그들 각각의 물리적 하위시스템들이 정상상태 운영 조건에 도달하였다는 신호를 발신하면, 마스터 제어 매니저(502)는 이들에게 작동 상태(312)로의 이행 신호를 발신한다. 도 11A-11E에 작동 상태(312) 활동이 도시되어 있다. 작동 상태(312)에서, 연료 처리장치(102)는 정상상태 조건하에서 운영된다. 연료 처리장치(102)의 전체적인 기능은 연료 전지(104)에 사용하도록 도 4에 도시된 연료(403)를 개질하는 것이다. 결국, 연료 처리장치(102)의 운영은 ATR(402)의 운영 및 연료 하위시스템(406), 물 하위시스템(408) 및 공기 하위시스템(410)으로부터 ATR(402)로의 연료(403), 공기(409) 및 물(407)(도 4에 모두 도시되어 있음)의 전달에 초점이 맞추어져 있다. 공기 하위시스템(410), 물 하위시스템(408) 및 열 하위시스템(412)은 산화장치(404) 및 ATR(402)에게 공기(409)(도 11C에서 1110), 물(407)(도 11D에서 1112) 및 열 조절(도 11E에서 1114)을 계속적으로 공급한다. 산화장치(404)(도 11A에서 1120)는 ATR(402)(도 11B에서 1122)이 공정 공급물 스트림(411)을 개질유(405)로 개질하도록 하는 요청이 있을 때 ATR(402)에게 공정 공급물 스트림(411)을 공급한다.
운영시, ATR(404)의 처리장치 반응기(미도시)는 공정 공급물 스트림(411)을 수소, 또는 수소가 풍부한 기체 스트림 및 물과 같은 유출 부산물로 개질한다. 본 실시예의 공정 공급물 스트림(411)은 도 4에 도시된 바와 같이 산화장치(404)로부터 연료, 공기 및 물 혼합물을 운반한다. 도 12는 본 발명의 실시예에 포함된 공정 상태를 기술하고 있는 일반적인 공정 흐름 다이어그램을 도시하고 있다. 도 12와 연관된 하기의 설명은 미국 특허출원번호 10/006,963("수소가 풍부한 기체를 제조하는 콤팩트한 연료 처리장치", 2001년 12월 5일 출원, Curtis L. Krause 등, 2002년 7월 18일자로 공개번호 US2002/0094310 A1으로 공개)에서 채용하였다.
연료 처리장치(102) 공정 공급물 스트림(411)은 앞서 기술한 바와 같이 탄화수소 연료, 산소 및 물 혼합물을 포함한다. 산소는 공기, 강화 공기(enriched air) 또는 실질적으로 순수한 산소의 형태일 수 있다. 공급물 성분의 조성 분율은 하기에 논의된 바와 같이 바람직한 운영 조건에 의해 결정된다. 본 발명의 연료 처리장치 유출물 스트림은 수소 및 이산화탄소를 포함하고, 일부의 물, 비전환 탄화수소, 일산화탄소, 불순물(예를 들면 황화수소 및 암모니아) 및 불활성 성분(예를 들면 질소 및 아르곤, 특히 만일 공기가 공급물 스트림의 한 성분일 경우)을 또한 포함할 수 있다.
공정 상태 A는 자열 개질 공정으로서, 일 실시예에서 공급물 스트림(411)을 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 기체로 전환하기 위하여 2개의 반응, 즉, 부분 산화반응(하기의 반응식 I) 및 선택적 증기 개질반응(하기의 반응식 II)을 수행한다. 반응식 I 및 II는 반응식의 예이며, 여기서 메탄은 탄화수소로 간주된다:
CH4 + 1/2O2 → 2H2 + CO (I)
CH4 + H2O → 3H2 + CO (II)
도 4에 도시된 산화장치(404)로부터 처리장치 반응기에 의해 공정 공급물 스트림(411)이 얻어진다. 공정 공급물 스트림(411)의 고농도의 산소는 부분 산화가 바람직한 반면에 고농도의 물 증기는 증기 개질이 바람직하다. 그러므로 탄화수소에 대한 산소 비율 및 탄화수소에 대한 물 비율은 운영 온도 및 수소 수율에 영향을 주는 매개변수라는 특징이 있다.
자열 개질상태 A의 운영 온도는 공급물 조건 및 촉매에 따라서 약 550℃ 내지 약 900℃의 범위일 수 있다. 비율, 온도 및 공급물 조건들은 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어되는 모든 매개변수의 예이다. 실시예는 증기 개질 촉매를 사용하거나 사용하지 않는 개질장치에서의 부분 산화 촉매의 촉매층을 사용한다.
공정 단계 B는 공정 단계 C(하기에 논의됨)에 대한 합성 기체 유출물 온도를 준비하기 위하여 공정 단계 A로부터의 합성 기체 스트림을 약 200℃ 내지 600℃, 바람직하게는 약 375℃ 내지 약 425℃의 온도로 냉각시키는 냉각단계이다. 이와 같은 냉각은 설계 설명서 및 어떠한 적당한 형태의 냉매를 사용한 기체 스트림의 열 용량을 회복/재순환하려는 요구에 의존하여 열 싱크대(sink), 열 파이프 또는 열 교환기를 사용하여 달성된다. 예를 들면, 공정 단계 B에 대한 냉매는 열 하위시스템(412)의 냉매(43)일 수 있다.
공정 단계 C는 정제 단계이며, 황화수소 흡착제로 산화아연(ZnO)을 사용한다. 탄화수소 스트림의 주요 불순물중 하나는 황이며, 이것은 자열 개질단계 A에 의해 황화수소로 전환된다. 공정 단계 C에서 사용되는 공정의 핵심은 산화 아연 및/또는 황화수소를 흡수 및 전환시킬 수 있는 다른 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 지지체(예를 들면 모놀리스(monolith), 압출물(extrudate), 펠릿(pellet) 등)를 포함할 수도 있다. 탈황화반응은 하기의 반응식 III에 따라 황화수소를 물로 전환시킴으로써 달성된다:
H2S + ZnO → H2O + ZnS (III)
상기 반응은 바람직하게는 약 300℃ 내지 약 500℃, 보다 바람직하게는 약 375℃ 내지 425℃에서 수행된다.
도 12에 따르면, 이후 유출물 스트림은 혼합 단계 D로 이송될 수 있으며, 여기서 도 4에 도시된 물 하위시스템(408)으로부터 전달받은 물(407)은 선택적으로 기체 스트림에 첨가된다. 물 첨가는 증기화되고 공정 단계 E(하기에 기술됨)의 물 기체 전환 반응에게 보다 많은 물을 공급함으로써 반응물 스트림의 온도를 낮추어 준다. 물 증기 및 다른 유출물 스트림 성분들은 세라믹 비드(beads)와 같은 불활성 물질 또는 효과적으로 혼합하고 물의 증기화를 도울 수 있는 기타 유사 물질들의 처리 중심(core)에 통과시켜 혼합한다. 다른 방법으로, 어떠한 추가의 물을 공급물에 주입할 수 있으며, CO 산화 단계 G(하기에 기술됨)에서 산화제 기체의 우수한 혼합을 제공하기 위하여 혼합 단계를 재배치할 수 있다. 이와 같은 온도는 본 발명의 제어 시스템에 의해 또한 제어된다.
공정 단계 E는 하기의 반응식 IV에 따른 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하는 물 기체 전환반응이다:
H2O + CO → H2 + CO2 (IV)
일산화탄소의 농도는 연료 전지가 견딜 수 있는 수준까지 낮추는 것이 바람직하며, 일반적으로 50 ppm 이하이다. 일반적으로 물 기체 전환 반응은 사용된 촉매에 따라서 150℃ 내지 600℃에서 일어날 수 있다. 이와 같은 조건하에서, 대부분의 기체 스트림에 존재하는 일산화탄소가 이 단계에서 전환된다. 이와 같은 온도 및 농도는 본 발명의 제어 시스템에 의해 제어되는 추가의 매개변수들이다.
도 12에 따르면, 공정 단계 F는 냉각 단계이다. 공정 단계 F는 기체 스트림의 온도는 감소시켜 바람직하게는 약 90℃ 내지 약 150℃의 온도를 갖는 유출물을 생성한다. 공기 하위시스템(미도시)으로부터의 산소를 공정 단계 F에 첨가한다. 산소는 하기에 기술되는 공정 단계 G의 반응에 의해 소모된다.
공정 단계 G는 산화 단계로서, 유출물 스트림에 존재하는 거의 모든 잔존 일산화탄소가 이산화탄소로 전환된다. 일산화탄소의 산화를 위한 촉매의 존재하에 공정이 수행된다. 공정 단계 G에는 2개의 반응이 일어난다: 바람직한 일산화탄소의 산화반응(반응식 V) 및 바람직하지않은 수소의 산화반응(반응식 VI):
CO + 1/2O2 → CO2 (V)
H2 + 1/2O2 → H2O (VI)
바람직한 일산화탄소의 산화반응은 저온에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 2개의 반응이 열을 생성하기 때문에 공정내에 배치된 냉각 코일과 같은 냉각 요소를 선택적으로 포함하는 것이 유리할 수 있다. 공정의 운영 온도는 바람직하게는 약 90℃ 내지 약 150℃ 유지한다. 공정 단계 G는 바람직하게는 50 ppm 이하로 일산화탄소 수준을 감소시키며, 이와 같은 수준은 연료 전지에서 사용하기에 적당한 수준이다.
연료 처리장치를 빠져나오는 개질유(405)는 이산화탄소 및 물, 불활성 성분(예를 들면 질소, 아르곤), 잔류 탄화수소 등과 같은 존재 가능한 기타 구성물을 포함하는 수소가 풍부한 기체이다. 생성물 기체는 연료 전지용 또는 수소가 풍부한 공급물 스트림이 바람직한 다른 어플리케이션에 대한 공급물로 사용될 수 있다. 선택적으로, 생성물 기체는 예를 들면 이산화탄소, 물 또는 다른 성분들을 제거하기 위한 추가의 공정으로 전달될 수 있다.
결국, 운영 사이클이 종료된다. 만일 종료가 계획된다면, 도 5에 도시된 마스터 제어 매니저(502)가 하위시스템 매니저들(504-514)에게 도 4에 도시된 그들의 각각의 물리적 하위시스템들(402-412)이 적당한 시기에 정지 상태(314)로 이행하도록 신호를 발신한다. 앞서 언급하였듯이, 하위시스템 매니저들(504-514)은 도 6에 도시된 그들의 진단 모듈(610)을 통하여 에러 조건 발생에 대하여 그들의 각각의 물리적 하위시스템들을 모니터링한다. 일부의 에러 조건들은 연료 처리장치(102)의 운영 정지를 정당화한다. 만일 이와 같은 "정지" 에러 조건이 검출되면, 이를 검출한 하위시스템 매니저(504-514)가 진단 모듈(610) 및 도 5에 도시된 진단층(520)을 통하여 이를 마스터 제어 매니저(502)에게 보고한다. 이후, 마스터 제어 모듈(502)은 하위시스템 매니저(504-514)에게 응급 정지 상태(616)로의 이행 신호를 발신한다.
그러나 정지 상태(310)의 표준 정지에서, 산화장치(404) 및 ATR(402) 반응기(미도시)는 일반적인 용어로 청소되고 냉각된다. 정지 상태(310)로 이행되면, 공기 하위시스템(410), 물 하위시스템(408) 및 열 하위시스템(412)이 산화장치(404) 및 ATR(402)에게 공기(409)(도 13C에서 1310), 물(407)(도 13D에서 1312) 및 열 제어(도 13E에서 1314)를 제공한다. 본 실시예에서, ATR(402)은 일차적으로 세척 및 정지되고, 이후 산화장치(404)가 세척 및 정지된다.
ATR(402)를 정지하고 세척하기 위하여, 공기 하위시스템(410)이 ATR(402) 반응기로의 공기(409) 유동을 차단하고(도 13C에서 1320), 이후 물 하위시스템(408)이 ATR(402) 반응기로의 물(407) 유동을 차단한다(도 13D에서 1322). 이후 연료 하위시스템(406)은 ATR(402) 반응기가 연료(406)를 사용하여 세척하기 때문에 연료(406) 유동을 계속적으로 유지한다(미도시)(도 13B에서 1324). 이후, 열 하위시스템 매니저(514)는 반응기를 포함하는 ATR(402)의 다양한 성분들을 냉각시키기 위하여 냉각 코일(미도시)의 전원을 켠다(도 13E에서 1326). 상기 성분들은 실온까지 냉각되며(도 13B에서 1328), 그 후 열 하위시스템 매니저(514)가 냉각 코일의 전원을 끊는다(도 13E에서 1330).
산화장치(404)를 정지하고 세척하기 위하여, 연료 하위시스템(406)이 산화장치(404) 반응기로의 연료(403) 유동을 차단하고, 그 후 공기 하위시스템(410)으로부터의 공기(409)를 사용하여 산화장치(404) 반응기를 세척한다(도 13A에서 1332). ATR(402) 반응기의 반대편에 있기 때문에 기설정된 온도에 도달할때까지 산화장치(404) 반응기를 세척하며, 용적 세척된다. 상이한 부분의 층에 적용되는 촉매의 차이가 다른 것들 보다 활성이 더욱 있을 수 있기 때문에 산화장치(404) 반응기 세척에서 이와 같은 접근이 이용된다. 본 실시예에 있어서, 산화장치(404) 반응기는 실온까지 세척된다. 일단 산화장치(404) 반응기가 세척되면, 공기 하위시스템(410)이 산화장치(404)로의 공기 공급을 중단하고(도 13C에서 1334), 공기 하위시스템(410)의 성분들(예를 들면 압축장치)을 정지시킨다(도 13C에서 1336). 물 하위시스템(408)(도 13C에서 1338), 연료 하위시스템(406) 및 열 하위시스템(도 13C에서 1340)이 또한 물 하위시스템(408), 연료 하위시스템(406) 및 열 하위시스템(412)의 구성성분들을 정지시킨다.
결국, 본 발명은 도 1에 도시된 연료 처리장치의 운영 사이클(300)을 복수의 운영 상태, 즉 도 3에 도시된 오프 상태(302), 매니저 검사 상태(304), 예열 상태(308), 시동 상태(310), 작동 상태(312) 및 정지 상태(314)로 분리하여 나타냈다. 도 6에 도시된 수동 상태(606) 및 응급 정지 상태(616)와 같은 추가의 상태가 사용될 수 있다. 본 실시예에서 운영 사이클(300)은 자동화 제어장치(106)에 의해 소프트웨어적으로 제어된다. 연료 처리장치(102)는 개질유(108)를 예를 들면 연료 전지(104)에 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 연료 처리장치(102) 및 연료 전지(104)는 동력 플랜트로 통합될 수 있다. 그러나 연료 처리장치(102)가 수소가 풍부한 기체 스트림이 바람직할 수 있는 어떠한 종료시까지 사용될 수 있다.
상이하지만 본 명세서에 교시된 이점을 갖는 당업자에게 명백한 등가의 방식으로 본 발명이 변형 및 실시될 수 있기 때문에 상기 기술된 특정 실시예는 오직 기술을 위한 것이다. 또한, 청구범위에 기술된 내용 이외에도 본 명세서에 상세하게 나타낸 구조물 또는 설계를 제한할 의도는 없다. 그러므로 앞서 기술된 특정 실시예들이 변경 또는 변형될 수 있으며, 이와 같은 변형들은 본 발명의 범위 및 사상안에 포함된다고 간주하는 것은 명백하다. 따라서, 본 명세서에서 보호받고자 하는 내용은 하기의 청구범위에서 기술될 것이다.

Claims (67)

  1. 오프(off) 상태;
    연료 처리장치의 운영 용이성을 검사하는, 오프 상태로부터 진입된 매니저 검사 상태;
    공정 공급물 스트림으로 혼합하기 위하여 연료 처리장치가 연료를 포함한 기체를 예열하는, 매니저 검사 상태로부터 진입된 예열 상태;
    연료 처리장치가 시동조건하에서 운영을 개시하는, 예열 상태로부터 진입된 시동 상태;
    연료 처리장치가 정상상태 조건하에서 공정 공급물 스트림을 개질유로 개질하는, 시동 상태로부터 진입된 작동 상태; 및
    매니저 검사 상태, 예열 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중 어느 하나로 진입된 정지 상태를 포함하는 연료를 개질할 수 있는 연료 처리장치용 운영 사이클.
  2. 제 1항에 있어서, 오프(off) 상태로부터 진입되고, 운영자가 전체 시스템의 운영을 지시할 수 있는 수동 상태; 및
    매니저 검사 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중 어느 하나로부터 진입된 응급 정지 상태 중에서 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부;
    매니저 검사 상태로의 이행부; 및
    수동 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부 ; 및
    매니저 검사 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    예열 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    상기 검사 동안 검출된 에러 기록부; 및
    에러가 검출된 경우에 정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 예열 상태는
    산화장치에 공기, 물 및 연료의 공급부;
    상기 산화장치 소등부; 및
    개질 장치의 반응기 세척부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 예열 상태는 시동 상태로의 이행부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 공기, 물 및 연료 공급부 또는 산화장치의 점등부 또는 반응기의 세척부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부(ramping); 및
    상기 공정 공급물 스트림을 그들의 생산 빌드(builds)로의 개질부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 시동 상태는 작동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부 또는 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 작동 상태는
    공정 공급물 스트림 생성부;
    상기 공정 공급물 스트림 개질부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 작동 상태는 공정 공급물 스트림 생성부 또는
    상기 정지 상태로의 이행 이전에 상기 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 정지 상태는
    산화 장치 및 개질 장치의 세척부; 및
    상기 세척된 산화 장치 및 개질 장치의 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운영 사이클.
  16. 연료, 공기 및 물의 서플라이(supply);
    연료, 공기 및 물을 수급 받아서, 공정 공급물 스트림을 생성하는 산화 장치;
    수소가 풍부한 기체로 상기 공정 공급물 스트림을 개질하는 개질 장치; 및
    오프(off) 상태;
    연료 처리장치의 운영 용이성을 검사하는, 오프 상태로부터 진입된 매니저 검사 상태;
    공정 공급물 스트림으로 혼합하기 위하여 연료 처리장치가 연료를 포함한 기체를 예열하는, 매니저 검사 상태로부터 진입된 예열 상태;
    연료 처리장치가 시동조건하에서 운영을 개시하는, 예열 상태로부터 진입된 시동 상태;
    연료 처리장치가 정상상태 조건하에서 공정 공급물 스트림을 개질유로 개질하는, 시동 상태로부터 진입된 작동 상태; 및
    매니저 검사 상태, 예열 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중 어느 하나로 진입된 정지 상태를 포함하는 운영사이클을 통하여
    연료, 공기 및 물의 상기 서플라이의 생성부, 상기 공정 공급물 스트림의 생성부, 및 상기 공정 공급물의 개질부를 지휘하는 자동화 제어 시스템을 포함하는 연료 처리장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 운영 사이클은
    오프 상태로 부터 진입되고, 운영자가 전체 시스템의 운영을 지시할 수 있는 수동 상태; 및
    매니저 검사 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중에서 선택된 어느 하나로부터 진입된 응급 정지 상태 중에서 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부;
    매니저 검사 상태로의 이행부; 및
    수동 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부; 및
    매니저 검사 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    예열 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  21. 제 16항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    상기 검사 동안 검출된 에러 기록부; 및
    상기 에러가 검출된 경우에 정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  22. 제 16항에 있어서, 상기 예열 상태는
    산화장치에 공기, 물 및 연료의 공급부;
    상기 산화장치 소등부; 및
    개질 장치의 반응기 세척부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 예열 상태는 시동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 예열 상태는 공기, 물 및 연료 공급부 또는 산화장치의 점등부 또는 반응기의 세척부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  25. 제 16항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부(ramping); 및
    상기 공정 공급물 스트림을 그들의 생산 빌드(builds)로의 개질부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  26. 제 16항에 있어서, 상기 시동 상태는 작동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  27. 상기 제25항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부 또는 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  28. 제 16항에 있어서, 상기 작동 상태는
    공정 공급물 스트림 생성부;
    상기 공정 공급물 스트림 개질부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 작동 상태는 공정 공급물 스트림 생성부 또는
    상기 정지 상태로의 이행 이전에 상기 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  30. 제 16항에 있어서, 상기 정지 상태는
    산화 장치 및 개질 장치의 세척부; 및
    상기 세척된 산화 장치 및 개질 장치의 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  31. 제 16항에 있어서, 상기 연료, 공기 및 물의 서플라이는
    연료 하위시스템;
    공기 하위시스템; 및
    물 하위시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  32. 제 16항에 있어서, 상기 산화 장치는 아노드 테일 기체(anode tailgas) 산화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  33. 제 16항에 있어서, 상기 개질장치는 자열 개질장치인 것을 특징으로 하는 연료 처리장치.
  34. 연료, 공기 및 물의 서플라이(supply);
    연료, 공기 및 물을 수급받아서, 공정 공급물 스트림을 생성하는 산화 장치;
    수소가 풍부한 기체로 상기 공정 공급물 스트림을 개질하는 개질 장치; 및
    오프(off) 상태;
    연료 처리장치의 운영 용이성을 검사하는, 오프 상태로부터 진입된 매니저 검사 상태;
    공정 공급물 스트림으로 혼합하기 위하여 연료 처리장치가 연료를 포함한 기체를 예열하는, 매니저 검사 상태로부터 진입된 예열 상태;
    연료 처리장치가 시동조건하에서 운영을 개시하는, 예열 상태로부터 진입된 시동 상태;
    연료 처리장치가 정상상태 조건하에서 공정 공급물 스트림을 개질유로 개질하는, 시동 상태로부터 진입된 작동 상태;
    매니저 검사 상태, 예열 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중 어느 하나로 진입된 정지 상태를 포함하는 운영 사이클을 통하여
    연료, 공기 및 물의 상기 서플라이의 생성부, 상기 공정 공급물 스트림의 생성부, 및 상기 공정 공급물의 개질부를 지휘하는 자동화 제어 시스템; 및
    산소가 풍부한 기체를 수급받는 연료전지를 포함하는 동력 플랜트.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 운영 사이클은
    오프 상태로부터 진입되고, 운영자가 전체 시스템의 운영을 지시할 수 있는 수동 상태; 및
    매니저 검사 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중에서 선택된 어느 하나로 부터 진입된 응급 정지 상태 중에서 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  36. 제 34항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부;
    매니저 검사 상태로의 이행부; 및
    수동 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  37. 제 34항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부 ; 및
    매니저 검사 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  38. 제 34항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    예열 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  39. 제 34항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    상기 검사 동안 검출된 에러 기록부; 및
    상기 에러가 검출된 경우에 정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  40. 제 34항에 있어서, 상기 예열 상태는
    산화장치에 공기, 물 및 상기 연료의 공급부;
    상기 산화장치 소등부; 및
    개질 장치의 반응기 세척부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  41. 제 40항에 있어서, 상기 예열 상태는 시동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  42. 제 40항에 있어서, 상기 예열 상태는
    공기, 물 및 연료 공급부 또는 산화장치의 점등부 또는 반응기의 세척부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  43. 제 34항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부(ramping); 및
    상기 공정 공급물 스트림을 그들의 생산 빌드(builds)로의 개질부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  44. 제 34항에 있어서, 상기 시동 상태는 작동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  45. 제 43항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부 또는 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  46. 제 34항에 있어서, 상기 작동 상태는
    공정 공급물 스트림 생성부;
    상기 공정 공급물 스트림 개질부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  47. 제 46항에 있어서, 상기 작동 상태는 공정 공급물 스트림 생성부 또는
    상기 정지 상태로의 이행 이전에 상기 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  48. 제 34항에 있어서, 상기 정지 상태는
    산화 장치 및 개질 장치의 세척부; 및
    상기 세척된 산화 장치 및 개질 장치의 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  49. 제 34항에 있어서, 상기 연료, 공기 및 물의 서플라이는
    연료 하위시스템;
    공기 하위시스템; 및
    물 하위시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  50. 제 34항에 있어서, 상기 산화 장치는 아노드 테일 기체 산화장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  51. 제 34항에 있어서, 상기 개질 장치는 자열 개질장치인 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  52. 제 34항에 있어서, 상기 연료 전지는 양성자 교환 막 연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 플랜트.
  53. 오프 상태에서 연료 처리장치의 운영의 용이성을 검사하는 매니저 검사 상태로의 이행 단계;
    매니저 검사 상태에서 연료 처리장치가 공정 공급물 스트림으로 혼합하기 위하여 연료를 포함한 기체를 예열하는 예열 상태로의 이행 단계;
    예열 상태에서 연료 처리장치가 시동조건하에서 운영을 개시하는 시동 상태로의 이행 단계;
    시동 상태에서 연료 처리장치가 정상상태 조건하에서 공정 공급물 스트림을 개질유로 개질하는 작동 상태로의 이행 단계; 및
    매니저 검사 상태, 예열 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중 어느 하나의 상태에서 정지상태로의 이행 단계를 포함하는 연료 처리장치 운영 방법.
  54. 제 53항에 있어서,
    오프 상태에서 운영자가 전체 시스템의 운영을 지시할 수 있는 수동 상태로의 이행 단계; 및
    매니저 검사 상태, 시동 상태 및 작동 상태 중에서 선택된 어느 하나의 상태로부터 응급 정지 상태로의 이행 단계 중에서 적어도 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 53항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부;
    매니저 검사 상태로의 이행부; 및
    수동 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제 53항에 있어서, 상기 오프 상태는
    이전 운영 사이클의 정지의 원인을 나타내는 메시지 표시부;
    운영 사이클의 개시 작동부 ; 및
    매니저 검사 상태로의 이행부 중에서 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제 53항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    예열 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제 53항에 있어서, 상기 매니저 검사 상태는
    상기 연료 처리장치의 구성 요소의 운영 용이성 검사부;
    상기 검사 동안 검출된 에러 기록부; 및
    상기 에러가 검출된 경우에 정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  59. 제 53항에 있어서, 상기 예열 상태는
    산화장치에 공기, 물 및 상기 연료의 공급부;
    상기 산화장치 소등부; 및
    개질 장치의 반응기 세척부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  60. 제 59항에 있어서, 상기 예열 상태는 시동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  61. 제 59항에 있어서, 상기 예열 상태는
    공기, 물 및 연료 공급부 또는 산화장치의 점등부 또는 반응기의 세척부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  62. 제 53항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부(ramping); 및
    상기 공정 공급물 스트림을 그들의 생산 빌드(builds)로의 개질부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  63. 제 53항에 있어서, 상기 시동 상태는 작동 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제 62항에 있어서, 상기 시동 상태는
    공정 공급물 스트림의 생산 램핑부 또는 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부; 및
    정지 상태로의 이행부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제 53항에 있어서, 상기 작동 상태는
    공정 공급물 스트림 생성부;
    상기 공정 공급물 스트림 개질부; 및
    정지 상태로의 이행부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제 65항에 있어서, 상기 작동 상태는 공정 공급물 스트림 생성부 또는
    상기 정지 상태로의 이행 이전에 상기 공정 공급물 스트림 개질부에 있는 에러 검출부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  67. 제 53항에 있어서, 상기 정지 상태는
    산화 장치 및 개질 장치의 세척부; 및
    상기 세척된 산화 장치 및 개질 장치의 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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