TW201144968A - Fluid balance control system and method for use in a fuel processor - Google Patents

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fuel
oxidizer
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Kevin H Nguyen
William S Wheat
Vesna R Mirkovic
Original Assignee
Texaco Development Corp
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Description

201144968 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於燃料處理器之流體供給，且更明確言 之，係關於使用於燃料，處理器中之流體平衡控制系統。 【先前技術】 燃料電池技術係使用礦物燃料燃燒的較習知能源之替代 能源。燃料電池通常自燃料與氧產生電、水及熱。更明確 言之’燃料電地自化學氧化還原反應提供電且在清潔度與 效率方面比其它發電形式具有顯著優勢。燃料電池通常使 用氫作為燃料且使用氧作為氧化劑。發電量與反應物的消 耗率成比例。 抑制燃料電池廣泛使用之一顯著劣勢在於缺乏廣泛分佈 的氫基本結構（hydrogen infrastructure)。氫具有相對較低 的體積能量密度並且比當前用於大多數發電系統中的碳氫 燃料更難儲存與運輸。克服此困難的一種方法是使用"燃 料處理器"或"重組器"來將碳氫化合物轉換成可用作燃料 電池之镄入料的富氫氣流（通常稱之為"重組產物"）。基於 碳氫化合物之燃料（諸如天然氣、LPG、汽油及柴油）需要 轉換處理以用作大多數燃料電池的燃料源。當前技術使用 將一初始轉換處理與若干淨化處理組合的多步驟處理。該 初始處理最通常為蒸汽重組（"SR")、自熱重組（"ATr")、催 化部分氧化（"CP0X")或非催化部分氧化（"Ρ〇χ")。淨化處 理通常由脫硫、高溫水氣轉化、低溫水氣轉化、選擇性 C0氧化或選擇性C0甲烷化之組合組成。替代處理包含氫 156384.doc 201144968 選擇性膜反應器與過濾器。 因此，可使用許多類型的燃料；其中一些與礦物燃料混 合，但是理想的燃料為氫。若燃料為（例如）氫，則燃燒很 清潔並且事實上在耗散及/或消耗熱及消耗電之後僅留下 水。大多數易於獲得的燃料（例如天然氣、丙烷及汽油）與 甚至不太通用的燃料（例如甲醇及乙醇）分子結構中均包含 氫。因此一些燃料電池實施例使用"燃料處理器"，其處理 特定燃料以產生用於為燃料電池供以燃料之重組產物流。 因此流體處理為燃料處理器設計之重要組份。舉例而 言，燃料處理器之運作的若干態樣通常需要空氣供給。因 此燃料處理器常常具有向燃料處理器中需要空氣之部分饋 入空氣的空氣供給。在典型的單源（single s〇urce)空氣供 給系統中，將自壓縮器件（吹風機或壓縮機）脫離的空氣分 裂以向燃料處理器中的各種子單元輸送部分供給。藉由一 個單元中的量控制器與流量計或兩者之組合來測量及監 控分又至每個子單元的每條空氣管線。然而，於此組態 中’當打開及關閉控制器時，流量控制器的上流壓力 縮器件的下流壓力）會發生波動。結果，流量發生波動> 從而導致吾人所不樂見〇氣燃料比料平衡。此不平衡 導致了進入各種下流子單元的空氣流量不一致，而可能導 :混亂狀態…些方法試圖藉由為每個子單元提供獨立空 氣源而補救此影響。然而，此導致了更昂責的組件、複雜 的控制方案並提高了額外組件發生故障的可能性。還有其 它方法使用孔板來測量進入各個單元的流量。一旦空氣需 156384.doc 201144968 要變化則必須調節孔板，所以易於使設計複雜化。處理其 它流體亦會遇到類似的問題。 本發明係關於解決或至少減少上述問題中之一個或所有 問題》 【發明内容】 本發明揭示一種用於藉由多個饋入器來提供平衡之流體 供給的方法及裝置。該方法包括：藉由複數個饋入器自^ 同流體積蓄器供給流體；測定共同流體積蓄器中的流體壓 力；及響應共同流體積蓄器中感應的流體壓力而控制其中 的流體壓力以將流體壓力保持於一預定範圍中。平衡之流 體供給包括：—共同流體積蓄器；來自共同流體積蓄器的 複數個饋入器；及一控制系，统，其能夠響應共同流體積蓄 器中的預定流體壓力而控制自#同流體積蓄器向饋入器供 給的流體壓力。 【實施方式】 下文描述本發明之說明性實施例。為了清晰起見，本說 明書中並不描述-實際實施例之所有特徵。當然應瞭解在 任何此實際實施例之開發中’必須作出很多特定建構的決 定以達成開發者之特定目標，例如服從與系統相關的及與 業務相關的條件，該等條件在不同實施例間變化。此外， 應瞭解對享有本揭示案之益處的熟悉此項技術者而言，該 開發努力（即使為複雜的且耗時的）將是例行任務。 圖1說明根據本發明組裝及運作的裝置1〇〇之-實施例。 該裝置⑽包括燃料處理器】01、燃料電池103及控制系統 J56384.doc 201144968 107。燃料電池i〇3較佳為質子交換膜（"pem")燃料電池， 但亦可使用其它類型的燃料電池。本發明並不受燃料電池 103之建構所限制。更明確言之’於所說明之實施例中， 燃料處理器100包括若干模組實體次系統，即： 一自熱重組器（，，ATR”）l〇2，其執行氧化還原反應，該反 應將輸入至燃料處理器1〇〇的燃料重組為用於燃料電池1〇3 的氣體，且因此該自熱重組器102使用優先氧化器105 ; 一氧化器104，其在所說明之實施例中係陽極尾氣氧化 器（anode taUgas oxidizer)("AT〇")，其將蒸汽燃料及空 氣混合以生成作為重組產物而輸送至ATR丄〇2的燃料混合 物中； 一燃料次系統106 ,其將輸入燃料（於所說明之實施例中 為天然氣）輸送至氧化器i 〇4以混合入輸送至ATR【〇2的重 组產物中； 一水次系統108，其將水輸送至氧化器1〇4以混合入輸送 至ATR 1〇2的重組產物中； 一空氣次系統，其使用封閉迴路、反饋控制技術以保持 自共同空氣源供給至ATR 1〇2、優先氧化器105及氧化器 104之空氣的恒定壓力； 一熱次系統112，其調節ATR 1〇2及氧化器1〇4之運作溫 度，及 一控制系統107，其能夠控制ATR 1〇2、氧化器1〇4、燃 料次系統106、水次系統1〇8、空氣次系統11〇及熱次系統 112的運作。 、 156384.doc 201144968 圖2說明了空氣次系統110之特定建構β 圖2描繪空氣次系統11〇之一特定建構。包含馬達2〇2之 壓縮機200藉由空氣進口 204、過濾器206及流量計208a自 環境大氣接收過濾後的空氣並將其壓縮至積蓄器21 〇中β 隨後來自積蓄器210之空氣經由管線212、214(包含流量計 208b、208c及控制閥216、218a在内）穿過兩個饋入器 ΑΤΟ、ATR而分配至氧化Si〇4及ATR 1 02。來自積蓄器 21 0之空氣亦經由管線220(包含流量計208d及控制閥21 8b 在内）穿過饋入器PrOx而分配至優先氧化器1〇5。由於積蓄 器210向馈入器ΑΤΟ、ATR及PrOx中的每一個供給空氣， 所以空氣次系統11 〇為該等三個饋入器提供一共同空氣 源。 流量計208a-208d中的每一個包含各自的儀錶感應器 222a-222d ’其藉由該等儀錶感應器來測量流經的空氣流 S °應注意的是一些實施例可省略儀錶感應器222a-222d。積蓄器210包含壓力感應器224 »馬達202、控制閥 216、控制閥21 8a-2 18b中的每一個均包含各自致動器226a-226d。在所說明之實施例中，壓縮機2〇〇與積蓄器2丨〇之間 的管線228包含用於量測管線228中空氣溫度的診斷感應器 230。利用儀錶感應器222a-222d、壓力感應器224及致動 器226a-226d來以下文將更全面描述之方式來控制空氣次 系統110之運作。 裝置100亦包含控制系統1〇7。圖3A與圖3B說明了最初 展不於圖1中之控制系統1〇7之一特定建構3〇〇。應注意的 156384.doc 201144968 是，於一些實施例中，諸如控制系統1〇7之控制系統可在 包括终多電腦的計算系統上建構’每台電腦可控制燃料處 理器101運作的某個指定方面。然而，在所說明之實施例 中，計算裝置300將對燃料處理器1〇1不在手動控制下之運 作的所有態樣進行控制。計算裝置3〇〇係機架式（rack_ mouTUed)的，但並非在所有實施例中都必須是機架式的。 實際上，任何給定建構之此態樣對實施本發明而言並非重 要的。計算裝置300可建構成桌上型個人電腦、工作站.、 筆記型或膝上型電腦、嵌入式處理器或其類似物。 圖3A及圖3B所說明的計算裝置綱包含經由匯流排系統 315而與儲存器310通信的處理器3〇5 β儲存器31〇可包含硬 碟及/或隨機存取記憶體（"RAM")及/或諸如軟性磁碟317與 光碟320之可移除儲存器。儲存器31〇藉由儲存有所述獲得 的資料集之資料結構325、作業系統33〇、使用者介面軟體 335及應用程式365來編碼。使用者介面軟體335連同顯示 器340建構使用者介面345。使用者介面345可包含週邊 器件，諸如小鍵盤（key pad)或鍵盤35〇、鼠標355或操縱桿 (j〇yStiCk)36〇e處理器305在作業系統33〇的控制下運行， 該作業系統實際上其可為此項技術中熟知的任何作業系 統》—經加電、重設或既加電又重設後（此視作業系統33〇 之建構而定）’作業系統330即調用應用程式365。 本發明對壓縮機2〇〇(或者’在一些實施例中為空氣吹風 機）使用具有自積蓄器210中之壓力感應器224的反饋之迴 路控制以保持饋入至ATR 1〇2、優先氧化器1〇5及氧化器 156384.doc 201144968 104的固定壓力。每個個別空氣供給管線212、214及220由 流量控制器（意即：控制閥216、218a-218b)與流量計208b-208d控制及監控。該等流量控制器216、218a-218b中每一 個的入口壓力保持恒定，藉此消除了流速波動。該方法使 得能夠快速滿足對處理單元的空氣流量要求而不會交叉干 擾及負面影響其它處理單元。 更明確言之，位於儲存器310中的應用程式365(圖3B所 示）為軟體建構的控制系統。應用程式365讀取壓力感應器 224產生的指示積蓄器21〇中之壓力的訊號。在一些實施例 中，應用程式365亦可讀取儀錶感應器222a-222d產生之分 別指示供給管線212、214及220中的壓力之訊號，即使該 壓力應與積蓄器210中的壓力相同。一些替代實施例亦可 讀取空氣進口 204上之儀錶感應器壓力感應器222a產生的 訊號。 應用程式365向致動器226a-226d發出訊號以打開及關閉 控制閥216、218a-218b，從而將所要體積與壓力之空氣分 別提供至氧化器104、ATR 102及優先氧化器105。如享有 本揭示案之益處的熟悉此項技術者所瞭解，該等所要壓力 與體積應為氧化器104、ATR 102及優先氧化器1〇5之運作 特徵的函數《因此，精確值將是特定建構的，且與本發明 之實施並非關係密切。類似地，儘管對氧化器丨〇4、atr 1〇2及優先氧化器1〇5中的每一個而言單一壓力可能為較佳 的，但是壓力規格通常為壓力範圍。因此，目標不是僅僅 達成特定壓力，而是將至控制閥216、2l8a_218b的入口壓 156384.doc -10- 201144968 力保持於規定範圍内。 應用程式365亦向致動器226d發出訊號以使耦接至壓縮 機200之馬達202循環，從而將壓力感應器224所量測之積 蓄器210中的壓力及供給管線212、214與22〇中的壓力保持 在適當壓力。在所說明之實施例中，此測定係藉由感應積 蓄益210中的壓力而作出的，正如上文所述。然而，在一 些替代實施例中，該測定可藉由感應壓縮機22〇與積蓄器 210之間的任何位置（意即：饋入積蓄器21〇之管線228中的 任何位置）中的壓力而作出。若積蓄器21〇中感應的壓力下 降至低於預定水平，或者更精確地說，在規定壓力範圍之 外，則應用程式365致動馬達202以提升積蓄器210中的壓 力。 因此’在運作中’應用程式365可感知積蓄器210中的所 要壓力與待經由供給管線212、214及220輸送至ATR 102、 優先氧化盜105及氧化益104的空氣體積。舉例而言，此資 訊可自資料結構325(圖3B所示）擷取。藉由儀錶感應器 222b-222d，應用程式365監控供給管線212、214及220中 的空氣流量。向ATR 102、氧化器104及PrOx 105供給空氣 會導致積蓄器210中的壓力下降。壓力感應器224偵測壓力 波動並向應用程式365發送輸出訊號。當應用程式365須測 到來自壓力感應器224的訊號並確定積蓄器210中的壓力已 偏離了所要之壓力設定點時，應用程式365向致動器226d 發出訊號以提高馬達202的速度。此使得進入積蓄器21〇之 空氣流量改變^此可將積蓄器210中的壓力保持在所要之 156384.doc 201144968 壓力設定點。因為積蓄器210中的壓力保持在所要設定 點，所以不管管線212、214及220中的空氣流速如何，控 制閥216、218a-218b的入口上之壓力保持穩定。 因此，以使用自壓力感應器224之反鑛的封閉迴路方式 來控制壓縮機200藉由積蓄器210之空氣供給。空氣供給次 系統110使用此閉合迴路、反饋控制以保持進入控制閥 216、218a-218b之空氣的恒定壓力。因此，穿過控制閥 216、218a-218b之孔的壓力降亦保持恒定。如上所述，積 蓄器210經由管線228自壓縮機200接收空氣並向饋入器 ΑΤΟ、ATR及PrOx中的每一個供給空氣。 在此情形下’積蓄器210充當空氣歧管。然而，儘管歧 管具有零死體積（zero dead volume)，但是積蓄器21〇被設 計為具有足夠的死體積’以當積蓄器210内發生壓力波動 時處理壓力波動並提供致動器226d接收由壓力感應器2 24 發送之訊號的時間及發生封閉迴路、反饋控制的時間。壓 力波動是較緩和的且不會極大影響管線212、214及220中 的流量。 應注意所說明之實施例處理之空氣是一種特定氣態流 體°本發明亦可應用於其它類型之流體，諸如水或用於燃 料處理器之燃料。流體本質之差異可允許建構中存在差異 或使建構中必需存在差異。舉例而言，為了處理流體（例 如水），可用泵置換圖2中的壓縮機200 ^因此，壓縮機200 僅係視待處理之流體而定的可用於建構各種替代實施例之 流體移動器件的一實例。可能亦須要對所說明之實施例進 156384.doc •12· 201144968 行其匕修改及/或替代以使本發明可應用於其它流體。 [實施方式]至此結束。上文揭示之特定實施例僅為說明 性的，此是因為本發明可以不同但等價的方式來修改及實 施，該等方式對享有本文教示之益處的熟悉此項技術者而 =係明顯的。此外’除了如下之申請專利範圍中所描述内 容之外，並不意欲對本文所示之構建或設計的詳細資料進 灯限制。因此顯然可對上文揭示之特定實施例進行更改或 修改並認為所有該等變化均屬於本發明之範疇與精神。因 此，本文所尋求之保護將陳述於下文之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖1說明根據本發明組裝i運作的燃料處理器之一特定 實施例； 圖2詳述圖1中燃料處理器之空氣次系統；及 圖3A及圖3B概念性地說明在實施本發明之—特定實施 例中可使用的計算裝置。 儘管本發明容許各種修改及替代形式，但是圖式只說明 了本文中以㈣詳細描述的特定實施例。然而，應理解本 文特疋實㈣之描述並非意欲將本發明限制於所揭示的特 定形式’而正相反，本發明覆蓋屬於附加申請專利範圍所 界定的本發明之精神與範疇的所有修改、等價物及替代 物。 【主要元件符號說明】 燃料處理器 156384.doc -13· 201144968 102 自熱重組器（"ATR") 103 燃料電池 104 氧化器 105 優先氧化器（PrOx) 106 燃料次系統 107 控制系統 108 水次系統 110 空氣次系統 112 熱次系統 200 壓縮機 202 馬達 204 空氣進口 206 過濾器 208a ' 208b、208c、208d 流量計 210 積蓄器 212 、 214 、 220 、 228 管線 216、218a、218b 控制閥/流量控制器 222a-222d 儀錶感應器 224 壓力.感應器 226a-226d 致動器 230 診斷感應器 300 計算裝置 305 處理器 310 儲存器 156384.doc -14. 201144968 315 匯流排系統 317 軟性磁碟 320 光碟 325 資料結構 330 作業系統 335 使用者介面軟體 340 顯示器 345 使用者介面 350 小鍵盤或鍵盤 355 鼠標 360 控制桿 365 應用程式 156384.doc -15-

Claims (1)

  1. 201144968 七、申請專利範圍： 1. 一種燃料處理器，其包括： 一自熱重組器’其包括—優先氧化器並能夠重組-過程饋入流； -氧化器，其能夠將燃料、流體及蒸汽混合以生成 該過程饋入流並將該過程饋入流輸送至該自熱重組 器； 燃料次系統，其能夠向該氧化器次系統輸送該燃 料； 一水次系統，其能夠向該氧化器輸送水； 空軋次系統，其能夠使用一封閉迴路、反饋控制 f術來保持一自一共同空氣積蓄器供給至該自熱重組 器、該優先氧化器及該氧化器的恒定空氣壓力； 熱-人系統，其能夠調節該自熱重組器與該氧化器 之運作溫度；及 —控制系統，其能夠控制該自熱重組器、該氧化 盗、該燃料次系統、該水次系統、該流體次系統及該 熱次系統的運作。 2. 如申請專利範圍第i項之燃料處理器，其中採用該閉合 迴路、反饋控制技術包含：響應在該共同流體積蓄器 中別疋之流體壓力而控制自該共同流體積蓄器供給 至該等饋入器的流體之壓力。 3. 如申請專利範圍第2項之燃料處理器，其中該共同空氣 積蓄器中的空氣壓力藉由感測該共同空氣積蓄器中的 156384.doc 201144968 壓力而測定。
    一饋入器中的壓力而測定。 其中該共同空氣 同空氣積蓄器之 進一步包括： 如申請專利範圍第2項之燃料處理 一空氣進口； 響應該共同空氣 向該共同空氣積 一壓縮機，其由該控制系統致動以響應該共 積蓄器中感測的壓力而自該空氣進 蓄器提供空氣。 其進一步包括一 6.如申請專利範圍第5項之燃料處理器， 位於該空氣進口上之空氣流量感應器。 7.如申請專利範圍第2項之燃料處理器，其中該控制系統 包含一能夠讀取一指示該共同空氣積蓄器中的空氣壓 力之訊號並發出訊號以保持該空氣壓力的程式化計算 裝置。 ° 8·如申請專利範圍第2項之燃料處理器，其中每個饋入器 包含： 一供給管線； 一流量控制器，其能夠控制自該共同空氣積蓄器通 過該個別供給管線的空氣流量；及 一感應器’其量測至該個別流量控制器的入口壓 9.如申請專利範圍第8項之燃料處理器，其中該控制系統 能夠致動每個镄入器中的流量控制器。 156384.doc 201144968 ίο 11. 12. 如申請專利範圍第8項之燃料處理器，其中該控制系統 能夠響應該感應器所感測的每個饋入器中之空氣屬力 而控制自該共同空氣積蓄器供給之空氣之磨力。 如申請專利範圍第1項之燃料處理器，其中該水欠系矣 能夠使用一封閉迴路、反饋控制技術來保持自一共: 水積蓄器供給至該氧化器的水之一恒定壓力。 同 如申請專利範圍第!項之燃料處理器’其中 統能夠使用一封閉迴路、反饋控制技術來保’·人、 同燃料積蓄器供給至該氧化器的燃料：夺自-共 包弋壓力。 156384.doc
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