控制燃料處理器的結構分層體系的製作方法
2023-05-28 18:07:41 2
專利名稱：控制燃料處理器的結構分層體系的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料處理器，更具體地說，是涉及燃料處理器的控制系統。
背景技術：
燃料電池技術是一種另外採用礦物燃料燃燒的更方便的能源。燃料電池通常從燃料和氧，產生電力、水、和熱。更準確地說，燃料電池從化學的氧化還原反應產生電力，並在清潔和效率方面，顯著優於其他電力的產生形式。通常，燃料電池採用氫作燃料和氧作氧化劑。產生的電力正比於反應物的消耗率。
妨礙燃料電池廣泛使用的顯著缺點，在於缺乏廣為分布的氫的基礎設施。氫有相對低的體積能量密度，和當前大多數電力產生系統使用的碳氫化合物燃料相比，更難貯存及運輸。克服這一困難的一種方式，是使用「燃料處理器」或「重整裝置」，把碳氫化合物轉化為富氫煤氣流，該富氫煤氣流可用作燃料電池的給料。為用作大多數燃料電池的燃料，要求把基於碳氫化合物的燃料，諸如天然氣、LPG、汽油、和柴油，進行轉化。目前的工藝使用多步處理過程，把初始的轉化處理過程與若干淨化處理過程組合。該初始處理過程最常見的是蒸氣重整(「SR」)、自供熱重整(「ATR」)、催化的部分氧化(「CPOX」)、或無催化的部分氧化(「POX」)。淨化處理過程常常包括脫硫、高溫水煤氣轉換、低溫水煤氣轉換、選擇性CO氧化、或選擇性CO甲烷化等的組合。另外的處理過程包括，氫選擇性薄膜反應器和過濾器。
因此，可以使用的燃料種類很多，其中一些與礦物燃料混合，但理想的燃料是氫。如果燃料是例如氫，那麼燃燒是非常清潔的，並且實際上，在耗散和/或消費了熱，和消費了電力之後，留下的只有水。大多數立刻可用的燃料(例如，天然氣、丙烷、汽油)和即使是不那麼普通的一種(例如，甲醇和乙醇)，也在它們的分子結構中包括氫。因此，一些燃料電池的實施方案，採用「燃料處理器」處理特定的燃料，產生相對純的氫氣流，用作燃料電池的燃料。
雖然燃料電池已有上百年歷史，但仍可認為其技術尚不成熟。這種狀態的原因有很多且都很難解決。然而，近年政策的、商業的、和環境的條件，已經激起對燃料電池技術興趣的增長。而該增長的興趣又產生技術發展的增大的空間。
無論增大的發展空間如何受歡迎，它仍有自身的問題。燃料電池的設計，特別是那些用燃料處理器的設計，通常都是複雜的。試考慮美國專利申請10/006,963說明的燃料處理器設計，該專利的標題是「Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen Rich Gas」，以發明人Curtis L.Krause等人的名義於2001年12月5日申請，並在2002年7月18日公開(公開No.US2002/009410 A1)。在該設計中，陽極尾氣氧化室溫度，是催化劑裝料、空氣流及其空間速度、和在給定空間速度下氧對碳比值的函數。光是因素的數量本身，足以使該溫度的控制成為困難的任務。此外，燃料類型的變化-例如，從天然氣到氫-極大地影響所有這些變數。因此，隨著燃料處理器設計的變化，加劇了難以控制的問題。
本發明的目標，是解決，或至少是減輕上述所有問題之一或全部。
發明內容
這裡公開一種燃料處理器中使用的控制技術。一方面，是一種控制系統，包括子系統管理器，對燃料處理器中多個物理子系統每一個的相應物理子系統的工作進行控制。這些子系統管理器，從主控制管理器取得對它們的指導。第二方面，這些子系統管理器，集體地形成與第二層聯合工作的層，該第二層能把子系統管理器與它們相應的物理子系統對接，第三層能把子系統管理器與第二層對接。第三方面，主控制管理器通過相應的子系統管理器，管理每一物理子系統的工作，指導子系統管理器狀態的轉移，和由主控制管理器搜尋各子系統管理器之間的互作用。
通過參照下面結合附圖的說明，可以了解本發明，附圖中，相同的參考數字表示相同的單元，附圖有圖1畫出按照本發明實現的控制系統的一個具體實施例；圖2A和圖2B，在概念上表明一種計算設備，可以在實施圖1實施例中使用；圖3畫出按照本發明控制的燃料處理器的一個具體實施例；圖4A-圖4F詳細表明圖3中的燃料處理器的物理子系統；圖5畫出圖1控制系統一個具體實施例，供圖3所示燃料處理器的控制使用；圖6對首次示於圖5的按照本發明的控制系統，畫出它的子系統管理器的結構分層體系；圖7是狀態機構，用於本發明一個具體實施例的物理子系統；和圖8示意畫出首次示於圖3的燃料處理器自供熱重整裝置的重整處理過程。
雖然本發明允許各種修改及另外的形式，但附圖僅以舉例方式畫出這裡詳細說明的具體實施例。然而應當指出，這裡說明的具體實施例，不表明把本發明限制於公開的具體形式，相反，本發明涵蓋所有修改的、等價的、和替代的實施例，這些實施例按照後面所附權利要求書的規定，包含在本發明的精神及範圍之內。
具體實施例方式
本發明出示的實施例，現在說明於下。為了清楚起見，在本說明書中，不是所有實際實施例的特徵都加以說明。顯而易見，在任何這種實際實施例的研發中，必須作出許多實施方案特有的決定，以達到研發者特定的目的，例如與系統有關的依從性和與商業有關的約束條件，這些都將隨實施例變化。此外，這種研發的努力，即使是複雜和費時的，也是照例必需完成的任務，本領域熟練人員可從這裡公開的內容獲益。
本發明一般針對控制「燃料處理器」，或「重整裝置」的方法和設備，就是說，把碳氫化合物燃料轉化為富氫煤氣的設備。本文將使用術語「燃料處理器」。本文出示的實施例中的方法和設備，控制緊湊的處理器，以便從碳氫化合物燃料生產富氫煤氣流，供燃料電池使用。但是，在另外的實施例中，可以使用其他的燃料處理器。再有，本文說明的設備和方法，還設想其他可能的應用，包括任何其中需要使用富氫流的應用。本方法和設備還可以在不能應用於煤氣流生產的實施例中使用。因此，雖然本文說明的本發明，是結合燃料電池使用的，但本發明的範圍不限於這種應用。
圖1畫出按照本發明設計、構建、和工作的控制系統100的一個具體實施例。控制系統100包括主控制管理器102，和多個物理子系統管理器104。子系統管理器104的數量對本發明不是關鍵的。因此，圖1畫出N個子系統管理器104，以SUBSYSTEM MANAGER0-SUBSYSTEM MANAGERN標記。從理論上說，數量N可以是任何數，雖然得益於這裡公開的內容的本領域熟練人員應當清楚，在實施具體的細節時，會產生某些實際的限制。儘管如此，子系統管理器104的數量對實施本發明不是關鍵的。
控制系統100是在計算機上，例如由圖2A和圖2B所示安裝在機架上的計算設備200實施的大的軟體。應當指出，計算設備200不必在所有實施例中都是安裝在機架上的。事實上，就這一方面而言，任何給定的實施方案，對實現本發明不是關鍵的。計算設備200可以作為卓上個人計算機、工作站、筆記本、或膝上計算機，甚至是嵌入式處理器實現。
圖2A和圖2B所示計算設備200，包括在總線系統215上與存儲器210通信的處理器205。存儲器210可以包括硬碟和/或隨機存取存儲器(「RAM」)和/或可移動存儲器，例如軟磁碟217和光碟220。存儲器210使用存儲如上所述獲取的數據集的數據結構225、作業系統230、用戶接口軟體235、和應用程式265編碼。用戶接口軟體235與顯示器240結合，實現用戶接口245。用戶接口245可以包括外圍I/O裝置，例如按鍵或鍵盤250、滑鼠255、或操縱杆260。處理器205在作業系統230的控制下運行，該作業系統實際上可以是本領域熟知的任何作業系統。應用程式265在通電、復位、或兩者時被作業系統230調用，取決於作業系統230的實施方案。在圖示的實施例中，應用程式265包括示於圖1的控制系統100。
因此，至少本發明的一些方面，通常是作為適當編程的計算裝置，如圖2A和圖2B所示計算設備200上的軟體實施。指令可以在例如存儲器210、軟盤217、和/或光碟220上編碼。因此，本發明在一個方面，包括已編程的計算設備，用於實現本發明的方法。另一方面，本發明包括用指令編碼的程序存儲器裝置，這些指令在被計算設備執行時，實現本發明的方法。
這裡詳細說明的一些部分，因此以實施處理過程的軟體給出，該處理過程涉及計算系統或計算裝置的存儲器內對數據比特進行操作的符號表示。這些說明和表示，是本領域人員用於向本領域其他人員傳遞他們的工作實質最有效的手段。這些處理過程和操作，要求對物理量的物理處理。一般說來，雖然非必需，但這些量取電的、磁的、或光的信號形式，能夠被存儲、傳送、組合、比較、和別的處理。已經證明，主要是為共同使用的理由，把這些信號稱為比特、值、單元、符號、字符、術語、數，等等，常常是方便的。
但是，應當記住，所有這些和類似的術語，是與適當的物理量相聯繫的，且僅僅是便於對這些量進行標記。除非特別指出或顯而易見，在整個公開的內容中，這些說明是指電子裝置的作用和處理過程，是指操作和變換一些電子裝置的存儲器內表示物理量(電的、磁的、或光的)的數據，成為該存儲器內，或在傳輸或顯示裝置內同樣表示為物理量的其他數據。標記這種說明的術語的例子，不受限制地，如術語「處理」、「計算」、「運算」、「確定」、「顯示」，等等。
在圖示的實施例中，控制系統100控制燃料處理器，即圖3的燃料處理器300。燃料處理器300包括若干模塊化物理子系統，即自供熱重整裝置(「ATR」)302，該自供熱重整裝置施行氧化還原反應，把輸入燃料處理器300的燃料，重整為用於燃料電池303的重整產品；氧化室(「ox」)304，是在圖示實施例中的陽極尾氣氧化室(「ATO」)，該氧化室把蒸氣、燃料、和空氣混合，產生燃料混合物，作為生產過程給料流，送至ATR 302；燃料子系統306，把輸入燃料(在圖示實施例中是天然氣)送至氧化室304，以便混合為送至ATR 302的生產過程給料流；水子系統308，把水送至氧化室304，以便混合為送至ATR 302的生產過程給料流；空氣子系統310，把空氣送至氧化室304，以便混合為送至ATR302的生產過程給料流；和熱力子系統312，通過使冷卻劑(如水)在整個裝置中循環，控制ATR 302的工作溫度。
ATR 302、氧化室304、燃料子系統306、水子系統308、空氣子系統310、和熱力子系統312具體的實施方案，畫在圖4A-圖4F。
圖4A畫出燃料子系統306的一個具體實施例。燃料子系統306包括燃料源402，並向氧化室304兩個不同部分提供給料ATO1、ATO2。如前所述，圖示實施例中的燃料是天然氣，但可以是其他類型的碳氫化合物。碳氫化合物燃料在外界條件下，只要它能汽化，可以是液態或氣體。本文使用的術語「碳氫化合物」，包括有C-H鍵的有機複合物，它能從部分氧化或蒸氣的重整反應而產生氫。在該複合物的分子結構中，不排除存在碳和氫以外的原子。因此，適合本文公開的方法和設備使用的燃料，包括，但不限於碳氫化合物燃料，如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石腦油、汽油、和柴油燃料，以及酒精，如甲醇、乙醇、丙醇，等等。硫磺阱408通過止回閥404和電磁閥406，從燃料源402接受燃料。然後，去硫的燃料由過濾器410過濾，並通過兩根包括控制閥412和流量計414的管線411、413，饋送至氧化室304。
圖4B畫出水子系統308的一個具體實施例。桶416通過止回閥404和電磁閥406，從水源418接受水。在圖示的實施例中，桶416還通過回流管420，從燃料電池303的陰極(未畫出)接受水。桶416中的壓力和體積，同樣通過減壓止回閥426和排放管417控制，其中的排放管417通過電磁閥406到達排放槽419。桶416中的水424，在控制器428的指導下，由泵浦421通過包括過濾器410和質量流量計427的管線425，抽運至氧化室304。阻尼器430抑制被抽運水424在運送至氧化室304途中的振蕩或起伏。空氣423也經管線427饋送氧化室304。
圖4C畫出空氣子系統310的一個具體實施例。包括電機434的壓縮機432，經空氣進口436、過濾器410、和流量計414，從外界大氣接受過濾的空氣，並把它壓進桶438。然後，來自桶438的空氣，通過包括流量計414和控制閥444、446的管線440、442上的兩個給料ATO6、ATO7，分送氧化室304。來自桶438的空氣，同樣通過包括流量計414和控制閥444、446的管線447上的給料ATR1，分配至ATR 302。
圖4D畫出氧化室304的一種具體實施方案。氧化室304如上所述，經管線413、440、427、429，通過給料ATO2、ATO3、ATO5、ATO7，從燃料子系統306、水子系統308、空氣子系統310、和ATR302，通過多個止回閥426，接受燃料、水、和空氣。給料ATO5來自與ATR 302結合的水分離系統(下面還要討論)。來自燃料電池303陰極(未畫出)的熱空氣429，也回流氧化室304。來自燃料電池303陽極(未畫出)的廢氣431，回流至水分離器448，水分離器448把水分離，經電磁閥406排放到排放槽419。然後，把脫水陽極的回流經止回閥426，通過管線450，輸送到氧化室304。於是，燃料、空氣、和脫水陽極的回流在引進氧化室304的桶454之前，在混合室452中混合。得到的混合物然後被電加熱器456加熱。
仍舊參考圖4D，氧化室304還分別通過管線411、442、和425上的給料ATO1、ATO6、和ATO3，從燃料子系統306、水子系統308、和空氣子系統310，接受燃料、空氣、和水。管線411和442有止回閥426保護。在管線411和442上接受的空氣和水，進入封閉的螺旋管458。在管線425上接受的水，進入封閉的螺旋管460。桶454中加熱的空氣、水、和燃料混合物，加熱封閉螺旋管458、460的內含物，這些內含物然後在混合器462中混合，並通過管線464上的給料ATR2，輸送至ATR 302。氧化室304通過管線465連至廢氣口463。
圖4E畫出熱力子系統312的一種具體實施方案。水466從水源468送進桶416。應當指出，水源468不同於圖4B所示水子系統308的水源418。從水源418送出的水424，在圖示的實施例中，是去離子的，而水466則否。水466通過管線471-475上的給料ATR3、PROX1、L1、L2，在ATR 302和與之有關的子系統各部分循環。先前循環至ATR 302的水466，通過管線476上的給料TS1，回流至熱力子系統312。ATR 302組件引進水466的熱，通過熱交換器478，被排向周圍環境。圖示實施例還採用風扇480，以利熱交換。
圖4F畫出ATR 302的一種具體實施方案。ATR 302包括若干級482a-482e，其中包括許多熱交換器478和電加熱器456。每一熱交換器478從管線470-472上的熱力子系統312(在圖4E畫得最清楚)，接受溫度控制的水466，並在管線476上使水回流。例外的是優先氧化(「prox」)級482中的熱交換器478，該熱交換器478從管線473上的熱力子系統312接受水466，並經管線476和給料TS1，使水回流至水桶416。離開ATR 302的重整產品煤氣，通過優先氧化室486，被熱交換器478加熱、被水分離器448去水、被過濾、最後輸送至燃料電池303(在圖3畫出)的陽極(未畫出)。圖示實施例還包括自裂放壓片484，當ATR 302過壓時，該自裂放壓片484破裂，使ATR302的內容物經管線440和給料ATO7，排放至氧化室304。
現在回到圖3，每一ATR 302、氧化室304、燃料子系統306、水子系統308、空氣子系統310、和熱力子系統312，構成受子系統管理器104之一控制的物理子系統。因此，一個與圖3具體燃料處理器300一起使用的控制系統100的具體實施方案，在圖5畫出，其中包括主控制管理器502，通過這些子系統管理器，管理燃料處理器300的控制燃料子系統管理器504，用於控制燃料向ATO 306的傳送，以便混合成傳送到ATR 302的生產過程給料流；水子系統管理器506，用於控制水向ATO 306的傳送，以便混合成傳送到ATR 302的生產過程給料流；空氣子系統管理器508，用於控制空氣向ATO 306的傳送，以便混合成傳送到ATR 302的生產過程給料流；ATO子系統管理器510，用於控制蒸氣、燃料、和空氣的混合，產生燃料混合物，作為生產過程給料流傳送至ATR 302；ATR子系統管理器512，用於控制ATR 302中的氧化還原反應，該ATR 302把輸入燃料處理器300的燃料，重整為供燃料電池303使用的重整產品；和熱力子系統管理器514，通過熱力子系統312，控制ATR 302中的工作溫度。
因此，每一子系統管理器504-514，控制相應物理子系統302、394-312的工作。
控制系統500還包括另外的層，該層對控制系統按分層體系方式的模塊性有幫助。更具體地說，控制系統500包括依賴硬體的層516和「兼容性」層518。依賴硬體的控制功能性的各方面，被分離出來，集中進該依賴硬體層516。例如，參考圖4A，為增加燃料402向氧化室304的流量，打開控制閥414之一或兩者。於是從控制系統500向控制閥414的致動器(未畫出)發射控制信號(也沒有畫出)，而該信號的特徵是依賴硬體的。實際產生和發射該控制信號的功能，被集中進依賴硬體層516。因此，如果，例如在燃料子系統306中的硬體需要從一種模型改變為另一種模型，那麼，只有依賴硬體層516必需修改。兼容性層518轉換子系統管理器504-514發出的指令，使它們能與燃料處理器300的硬體兼容。舉例說，一個子系統管理器504-514，可以用特定的量度單位，請求某一事件。需要實施該請求的硬體，可以在第二量度單位中取指令。兼容性層518將把子系統管理器504-514在第一量度單位中發出的指令，翻譯成該硬體採用的第二量度單位中的指令，使它能被依賴硬體層516實施。
圖示控制系統500的實施例，還再包括診斷層520，該診斷層同樣對控制系統按分層體系方式的模塊性有幫助。每一子系統管理器504-514為差錯條件監控它相應的物理子系統302、304-312。更具體說，子系統管理器504-514對「關閉」條件，即對值得關閉燃料處理器300的充分重要的差錯條件，進行監控。由子系統管理器504-514檢測的差錯條件，通過診斷層502，報告主控制管理器502。
每一子系統管理器504-514還含有模塊化內部結構600，在圖6中以概念方式畫出。每一子系統管理器504-514採用該模塊化內部結構600，指導它在相應物理子系統302、304-312中的業務。每一子系統管理器504-514包括信息交換模塊605，特定的子系統管理器504-514通過該信息交換模塊605，確定實施其他子系統管理器504-514通過主控制管理器502要求的事件的可行性，並確認實施該要求事件的措施；診斷模塊610，該診斷模塊610通過信息交換模塊605與診斷層520通信，以報告差錯條件；物理模塊615，信息交換模塊605與該物理模塊615磋商，以確認實施要求事件的措施，且診斷模塊與該物理模塊615通信，以獲得關於差錯條件的信息；和控制模塊620，物理模塊615與該控制模塊620磋商，以確定為實施請求的事件，應採取何種措施，且診斷模塊通過該控制模塊620，與依賴硬體層516通過兼容性層518通信，以獲得該確定的信息。
在控制系統500省略該診斷層520的另外的實施例中，可以從子系統管理器504-514中省去診斷模塊610。
回到圖5，在圖示的實施例中，子系統管理器504-514把它們信息交換模塊605的要求，通過主控制管理器502相互通信，從而彼此合作。例如，考慮如下的情況，其中首次示於圖3的氧化室304，感測到來自燃料子系統306給料壓力的下降，該燃料子系統306也首次示於圖3。那麼，ATO子系統管理器510可以要求增加燃料供應。按圖示實施例的說法，燃料增加應視為一「事件」。ATO子系統管理器510通過在圖6所示信息交換模塊605發出要求，該信息交換模塊605把該要求通知主控制管理器502。主控制管理器502向適當的物理子系統管理器-在本例中是燃料子系統管理器504，轉發該要求。
燃料子系統管理器504經它自己的信息交換模塊605，接受該要求，該燃料子系統管理器504校驗是否處於實施該要求的適當狀態(下面還要進一步討論)。如果要求的事件是允許的並可行的，那麼，燃料子系統管理器504實施該要求的事件。信息交換模塊605指令物理模塊615實施該要求的事件。信息交換模塊605詢問控制器模塊620，何種措施必須採取。然後，信息交換模塊605把必須採取的那些措施，通知物理模塊615。於是，物理模塊615通過依賴硬體層516經過兼容性層518，向硬體致動器(未畫出)發出與那些措施相應的指令。
主控制管理器502還通過子系統管理器504-514，控制整個系統300的工作狀態。試考慮，例如圖7的狀態圖700，該圖表示子系統管理器504-514的工作狀態和它們之間的轉移。每一子系統管理器504-514通過八種不同的狀態轉移，雖然在任一工作循環中不是通過所有八種狀態「斷路」狀態702；「管理器校驗」狀態704，在該狀態中，子系統管理器504-514校驗它們相應物理子系統302-312的工作準備；「手工操作」狀態706，在該狀態中，操作員能指導整個系統的工作；「預熱」狀態708，在該狀態中，把加熱單元和整個系統300的流體，預熱或預冷到它們正常工作指定的級別；「起動」狀態710，在該狀態中，整個系統300開始在起動條件下工作；「運行」狀態712，在該狀態中，整個系統300在穩態條件下工作；「關閉」狀態714，在該狀態中，整個系統的物理子系統把它們的工作關閉到工作循環計劃的終端；和「緊急關閉」狀態716，在該狀態中，響應一個或多個物理子系統中緊急條件的出現或檢測，關閉物理子系統。
雖然每一子系統管理器504-514通過相同的八種狀態轉移，但指配給每一子系統管理器504-514的任務，從它們相應的物理子系統302-312的要求來看，將是唯一的。例如，燃料子系統管理器504在運行狀態712中執行的任務，與ATR子系統管理器512在運行狀態中執行的任務不同，給出燃料子系統306和ATR 302的工作和功能中的差別，燃料子系統306和ATR 302兩者示於圖3。
現在回到圖7，從斷路狀態702出來，子系統管理器504-514要麼轉移進入管理器校驗狀態704，要麼進入手工操作狀態706。從手工操作狀態706，子系統管理器504-514隻能要麼轉移至關閉狀態714，要麼轉移至緊急關閉狀態716。從管理器校驗狀態704，子系統管理器504-514可以按以下次序通過預熱狀態708、起動狀態710、和運行狀態712轉移。子系統管理器504-514能夠從任何其他狀態，或者轉移進入關閉狀態714，或者進入緊急關閉狀態716。
現在參考圖5和圖7，操作員在通電時或使系統初始化時，即離開斷路狀態702時，可以選擇是否進入手工操作狀態706。如果操作員不選擇手工操作狀態706，則主控制管理器502擔任控制。在手工操作狀態706中，操作員可以選擇一定的工作負載量的百分比，系統逐漸升至指定級別的設定點，但仍然施行控制邏輯。就是說，子系統管理器504-514依舊如上所述，通過主控制管理器500彼此合作。
現在假定操作員不承擔手工操作控制，主控制管理器502向每一子系統管理器504-514發出轉移至管理器校驗狀態704的信號。於是，每一子系統管理器504-514執行與管理器校驗狀態704有關的任務。當各個子系統管理器504-514已經完成它們與管理器校驗狀態704有關的任務時，它們把該事實以信號發送至主控制管理器502。主控制管理器502等待，直到所有子系統管理器504-514已經發送信號，表明它們已經完成，然後，主控制管理器502發出信號，令子系統管理器504-514轉移至預熱狀態708。
當子系統管理器504-514通過剩餘狀態轉移時，重複上述過程。應當指出，只當主控制管理器502發出信號，令子系統管理器504-514轉移至下一個狀態時，子系統管理器504-514才轉移至下一個狀態。還應當指出，只當所有子系統管理器504-514已經準備好轉移時，主控制管理器502才發出令子系統管理器504-514轉移的信號。因此，子系統管理器504-514是在主控制管理器502指導下，以同步方式轉移它們的狀態的。
現在參考圖5，主控制管理器502是以兩種方式控制燃料處理器300的全部工作的。第一，各個子系統管理器504-514之間的通信，是通過主控制管理器502路由的。第二，主控制管理器502控制子系統管理器504-514的工作狀態。
現在參考圖3和圖5，說明燃料處理器300在控制系統500控制下的工作。在通電或復位時，燃料處理器300和控制系統500，要麼從斷路狀態702轉移至管理器校驗狀態704，要麼轉移至手工操作狀態706，取決於操作員的輸入。再次假定操作員不承擔手工操作控制，主控制管理器502向子系統管理器504-514發送轉移至管理器校驗狀態704的信號，在該管理器校驗狀態中，子系統管理器504-514校驗它們各自物理子系統的工作準備。一旦各子系統管理器504-514向主控制管理器502發出信號，表明它們相應的物理子系統已經通過管理器校驗，主控制器502向子系統管理器504-514發出轉移至預熱狀態708的信號，在該預熱狀態708中，相應物理子系統的加熱單元或流體，被預熱或預冷到它們正常工作指定的級別。
一旦所有子系統管理器504-514發出信號，表明它們相應的物理子系統已經完成預熱任務，主控制管理器502發出令它們轉移至起動狀態710的信號，在起動狀態710中，整個系統300在起動條件下開始工作。從本公開內容得益的本領域熟練人員顯然知道，燃料處理器300不能簡單地投入生產。例如，氧化室304不能開始混合生產過程給料流，直到它有燃料、水、和空氣可以混合。同樣，ATR 302不能開始重整燃料，直到它已經從氧化室304接受足夠的生產過程給料流。因此，在起動狀態710中，超出範圍的壓力、體積、等等不會觸發，關閉差錯條件被容忍，直到燃料處理器300到達穩態工作。
一旦所有子系統管理器504-514發出信號，表明它們相應的物理子系統已經達到穩態工作條件，主控制管理器502發出令它們轉移至運行狀態712的信號。在運行狀態712中，整個系統300在穩態條件下工作。燃料處理器300的全部功能，是如圖4A所示，重整燃料402，供燃料電池303使用。因此，燃料處理器300的工作，圍繞ATR302的工作，和把燃料(示於圖4A)、空氣(示於圖4C)、及水(示於圖4B)，從燃料子系統306、水子系統308、及空氣子系統310輸送到ATR 302的工作為中心。
圖8畫出一般處理過程的流程圖，表明包括在本發明圖示實施例中的處理步驟。下面結合圖8的說明，摘自美國專利申請10/006,963，標題為「Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen RichGas」，以發明人Curtis L.Krause等人的名義於2001年12月5日申請，並在2002年7月18日公開(公開No.US2002/009410 A1)。本領域熟練人員應當明白，在本文公開的通過反應釜的反應物的流動中，必需漸進過程的某些量。燃料處理器300的給料，包括碳氫化合物燃料、氧、和水。氧可以按空氣的形式、富氧的空氣、或基本上是純氧。水可以作為液體或蒸氣引入。給料成分的組成百分比，由需要的操作條件確定，下面還要討論。按照本發明的燃料處理器的排出物流，包括氫和二氧化碳，並還能包括一些水、未轉化的碳氫化合物、一氧化碳、雜質(如硫化氫和氨)、和嵌入的組分(如氮和氬，特別是在用空氣作為給料流組分的情形)。
處理步驟A是自供熱重整處理，在該處理中，組合圖4A模塊482a和482b中進行兩種反應，即部分氧化(下面的方程式I)和可選的蒸氣重整(下面的方程式II)，把給料流F轉化為包含氫和一氧化碳的合成煤氣。下面的方程式I和II是示例性反應方程式，其中考慮的碳氫化合物是甲烷
(I)(II)ATR 302在管線434上從氧化室304接受燃料流F，如圖4D和圖4F所示。在給料流中更高的氧濃度，有利於部分氧化，而更高的水蒸氣濃度，有利於蒸氣重整。因此，氧對碳氫化合物和水對碳氫化合物的比值，是表徵影響工作溫度和氫產量的參數。
自供熱重整步驟A的工作溫度，可以在約550℃到約900℃的範圍，取決於給料條件和催化劑。這些比值、溫度、和給料條件，是受本發明控制系統控制的參數的所有例子。圖示實施例在模塊482a中，使用部分氧化催化劑的催化劑床，用或不用蒸氣重整催化劑。
現在回到圖8，處理步驟B是冷卻步驟，在圖4F的模塊482c中進行，用於把來自步驟A的合成煤氣流，冷卻到溫度從約200℃至600℃，最好是從約375℃至425℃，以便為下一步驟優化合成煤氣排出物的溫度。這一冷卻方法可以用散熱片、熱管、或熱交換器實現，取決於設計的指標，和使用任何適當類型冷卻劑來回收/再利用煤氣流熱量的需要。圖示實施例使用從管線470上的水466接受的水466，如圖4E和圖4F所示。
再回到圖8，處理步驟C是提純步驟，在模塊482c中進行，並採用氧化鋅作硫化氫吸收劑。碳氫化合物流的主要雜質之一是硫，它被自供熱重整步驟A轉化為硫化氫。處理步驟C使用的處理中心部分，最好包括氧化鋅和/或其他能吸收並轉化硫化氫的材料，也可以包括支承(如整塊石料、壓出型材、顆粒材料，等等)。去硫是按照下面的反應方程式III，把硫化氫轉化為水實現的(III)該反應最好在從約300℃至500℃，從約375℃至425℃的溫度上完成更好。該溫度同樣由本發明的控制系統控制。
再次參考圖8，排出物流然後送至模塊482d實施的混合步驟D，在混合步驟中，從水子系統308接受的水，可供選擇地加到煤氣流中。水的添加，隨著水的蒸發和為處理步驟E(下面討論)的水煤氣轉換反應供給更多的水，使反應物流的溫度降低。水蒸氣和其他排出物流組分，在通過嵌入材料中心部分時被混合，這些嵌入材料如陶瓷珠或其他高效混合和/或幫助水蒸發的類似的材料。另外，任何增加的水可以與給料一起引入，而混合步驟可以反覆進行，以提供CO氧化步驟G(下面討論)中氧化劑煤氣更好的混合。本步驟D的溫度同樣由本發明的控制系統控制。
回到圖8，在模塊482e中進行的處理步驟E，是水煤氣轉換反應，該反應按照方程式IV把一氧化碳轉化為二氧化碳(IV)一氧化碳的濃度最好低於燃料電池能夠忍受的濃度，通常在50ppm以下。一般說，水煤氣轉換反應可以在從150℃到600℃的溫度發生，取決於使用的催化劑。在這種條件下，煤氣流中大部分一氧化碳在該步驟中被轉化。該溫度和濃度是本發明控制系統控制的更多的參數。
再回到圖8，在模塊482e中進行的處理步驟F，是在圖示實施例中由熱交換器478執行的冷卻步驟。熱交換器478降低煤氣流的溫度，以產生最好在約90℃到約150℃溫度範圍的排出物。在步驟F的處理中，在管線498上還添加來自空氣子系統310的氧，如圖4C和圖4F所示。氧被下面說明的處理步驟G的反應消耗。
在模塊482g中進行的處理步驟G，是氧化步驟，其中，在排出物流中，幾乎所有剩餘的一氧化碳，都轉化為二氧化碳。處理是在有催化劑使一氧化碳氧化情形下完成的。處理步驟G中有兩種反應需要的一氧化碳氧化(方程式V)和不需要的氫氧化(方程式VI)，列舉於後(V)(VI)低溫有利於優先的一氧化碳氧化。因為兩種反應都產生熱，可供選擇地包括冷卻單元，如在處理過程中放置冷卻螺旋管，是有利的。處理過程的工作溫度最好保持在約90℃到約150℃的範圍。處理步驟G把一氧化碳的濃度降低到最好小與50ppm，這是適合燃料電池使用的濃度。
離開燃料處理器的排出物，是包含二氧化碳和可能存在的其他組分的富氫煤氣，其他組分如水、嵌入的組分(如氮、氬)、剩餘的碳氫化合物等等。生產的煤氣可以用作燃料電池的給料，或用作其他需要富氫給料流的應用的給料。生產的煤氣可選擇地轉送進一步處理，例如除去二氧化碳、水、或其他組分。
終於，工作循環結束。如果結束是計劃之內的，那麼，主控制管理器502在適當的時間，向子系統管理器504-514發出轉移到關閉狀態714的信號。如上所述，子系統管理器504-514通過它們在圖6所示的診斷模塊610，監控它們各自物理子系統差錯條件的出現。一些差錯條件準許關閉燃料處理器300的工作。如果檢測到該種「關閉」的差錯條件，檢測它的子系統管理器504-514，通過示於圖5的診斷模塊610和診斷層520，向主控制管理器502報告該差錯。然後，主控制模塊502向子系統管理器504-514發出轉移到緊急關閉狀態716的信號。
從本發明的分層體系本性得到的模塊性設計，具有允許控制系統擴大的靈活性。整個子系統可以被除去、添加、和/或替代，以便測試、評估、和修改子系統設計，不必對控制系統作主要調整。控制算法沒有依賴硬體的，但依賴硬體層除外，該依賴硬體層包含儀表校準數據。因此，可以添加、除去、或替換各種類型的儀表，不影響作為一個整體的控制系統，也不要求進行許多重新編程工作。因而，本發明允許快速並容易地擴大本處理控制系統，還有利於新子系統的緊密插入。本發明還允許研發者獨立的或不同的隊伍，為各種性能相對簡單的物理子系統，迅速建立控制軟體。這一優點在快速演變的技術中，例如用複雜控制系統的燃料處理器/燃料電池設計中，特別有用。
最後結束本詳細說明。上面公開的具體實施例是演示性的，因為從本文的教導得益的本領域熟練人員顯然明白，本發明可以修改和按不同的但等價的方式實施。再者，本文出示的結構或設計細節，除下面權利要求書說明外，不受限制。因此顯然，上面公開的具體實施例可以改變或修改，且所有這些變化都被認為在本發明的範圍和精神之內。所以，本文尋求的保護，在下面權利要求書中闡明。
權利要求
1.一種設備，包括包含多個物理子系統的燃料處理器；控制系統，包括第一層，包含多個子系統管理器，每一子系統管理器能控制相應的一個物理子系統；第二層，能把子系統管理器與它們相應的物理子系統對接；第三層，能把子系統管理器與第二層對接；和主控制管理器，能通過子系統管理器，控制燃料處理器。
2.按照權利要求1的設備，其中的物理子系統包括第一子系統，能重整燃料、空氣、和蒸氣混合物；第二子系統，能把燃料、空氣、和蒸氣，與煤氣、空氣混合，產生混合物並把該混合物傳送至第一子系統；第三子系統，能把燃料傳送至第二子系統；第四子系統，能把水傳送至第二子系統；第五子系統，能把空氣傳送至第二子系統；和第六子系統，能管理第一子系統的工作溫度。
3.按照權利要求2的設備，其中的燃料是碳氫化合物。
4.按照權利要求3的設備，其中的碳氫化合物是煤氣或液體。
5.按照權利要求3的設備，其中的碳氫化合物包括天然氣、煤氣、液態石油氣、汽油、和柴油之一。
6.按照權利要求1的設備，其中每一子系統管理器包括信息交換模塊，子系統管理器通過該模塊確定請求事件的可行性，並確認實現請求的事件的措施；和物理模塊，信息交換模塊與該物理模塊磋商，以便為實現請求的事件而確認措施；和控制模塊，物理模塊與該控制模塊磋商，以確定為實現請求的事件，應採取何種措施。
7.按照權利要求6的設備，其中的控制系統還包括第四層，子系統管理器通過該第四層，能報告在它們相應物理模塊中的差錯條件。
8.按照權利要求7的設備，其中每一子系統管理器，還包括診斷模塊，該診斷模塊為差錯條件而查閱控制模塊和物理模塊，以監控物理子系統。
9.按照權利要求1的設備，其中的控制系統還包括第四層，子系統管理器通過該第四層，能報告在它們相應物理模塊中的差錯條件。
10.按照權利要求1的設備，其中的主控制管理器，能通過指導子系統管理器狀態的轉移，和由主控制管理器搜尋各子系統管理器之間的互作用，控制燃料處理器。
11.按照權利要求1的設備，還包括燃料電池。
12.按照權利要求11的設備，其中的燃料電池，包括PEM燃料電池。
13.一種設備，包括包含多個物理子系統的燃料處理器；控制系統，包括多個各自控制物理子系統的裝置；第一裝置，用於把多個各自控制裝置與相應的物理子系統對接；第二裝置，用於把多個各自控制裝置與第一裝置對接；和通過該多個各自控制裝置，控制燃料處理器的裝置。
14.按照權利要求13的設備，其中的物理子系統包括第一子系統，能重整燃料、空氣、和蒸氣混合物；第二子系統，能把燃料、空氣、和蒸氣，與煤氣、空氣混合，產生混合物並把該混合物傳送至第一子系統；第三子系統，能把燃料傳送至第二子系統；第四子系統，能把水傳送至第二子系統；第五子系統，能把空氣傳送至第二子系統；和第六子系統，能管理第一子系統的工作溫度。
15.按照權利要求13的設備，其中該多個各自控制裝置的每一個交換信息裝置，各自控制裝置通過該交換信息裝置，確定請求事件的可行性，並確認實現請求的事件的措施；和信息交換裝置與之磋商的裝置，以便為實現請求的事件而確認措施；和措施確認裝置向之查閱的裝置，以確定為實現請求的事件，應採取何種措施。
16.按照權利要求15的設備，其中的控制系統，還包括一種裝置，各自控制裝置通過該裝置，能報告在它們相應物理模塊中的差錯條件。
17.按照權利要求13的設備，其中的控制系統，還包括一種裝置，各自控制裝置通過該裝置，能報告在它們相應物理模塊中的差錯條件。
18.按照權利要求13的設備，其中的燃料處理器控制裝置，通過指導各自控制裝置狀態的轉移，和搜尋各自控制裝置之間的互作用，控制燃料處理器。
19.按照權利要求13的設備，還包括燃料電池。
20.一種控制包括多個物理子系統的燃料處理器的方法，本方法包括通過相應子系統管理器，管理每一物理子系統的工作；由主控制管理器指導子系統管理器的狀態轉移；和由主控制管理器搜尋子系統管理器之間的互作用。
21.按照權利要求20的方法，其中，每一物理子系統工作的管理，包括調用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊。
22.按照權利要求21的方法，其中的工作管理，還包括調用診斷模塊。
23.按照權利要求20的方法，其中，指導子系統管理器的狀態轉移，包括指導狀態轉移到斷路狀態；從斷路狀態到至少一種工作狀態；和從任一工作狀態到至少一種關閉狀態。
24.按照權利要求23的方法，其中的至少一種工作狀態，包括至少如下的一種手工操作狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；管理器校驗狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；預熱狀態，子系統可以從管理器校驗狀態轉移，進入該狀態；起動狀態，子系統可以從預熱狀態轉移，進入該狀態；和運行狀態，子系統可以從起動狀態轉移，進入該狀態。
25.按照權利要求23的方法，其中的至少一種關閉狀態，包括至少如下的一種標準關閉狀態；和緊急關閉狀態。
26.一種控制包括多個物理子系統的燃料處理器的設備，本設備包括通過相應子系統管理器，管理每一物理子系統工作的裝置；由主控制管理器指導子系統管理器狀態轉移的裝置；和由主控制管理器搜尋子系統管理器之間互作用的裝置。
27.按照權利要求26的設備，其中管理每一物理子系統工作的裝置，包括調用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊的裝置。
28.按照權利要求27的設備，其中管理工作的裝置，還包括調用診斷模塊的裝置。
29.按照權利要求26的設備，其中指導子系統管理器狀態轉移的裝置，包括用於指導如下狀態轉移的裝置到達斷路狀態；從斷路狀態到達至少一種工作狀態；和從任一工作狀態到達至少一種關閉狀態。
30.按照權利要求29的設備，其中的至少一種工作狀態，包括至少如下的一種手工操作狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；管理器校驗狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；預熱狀態，子系統可以從管理器校驗狀態轉移，進入該狀態；起動狀態，子系統可以從預熱狀態轉移，進入該狀態；和運行狀態，子系統可以從起動狀態轉移，進入該狀態。
31.按照權利要求29的設備，其中的至少一種關閉狀態，包括至少如下的一種標準關閉狀態；和緊急關閉狀態。
32.一種用指令編碼的程序存儲媒體，當這些指令被計算機執行時，實施一種控制包括多個物理子系統的燃料處理器的方法，該方法包括通過相應子系統管理器，管理每一物理子系統的工作；由主控制管理器指導子系統管理器狀態的轉移；和由主控制管理器搜尋子系統管理器之間的互作用。
33.按照權利要求32的程序存儲媒體，其中，在該編碼方法中，每一物理子系統工作的管理，包括調用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊。
34.按照權利要求32的程序存儲媒體，其中，在該編碼方法中，指導子系統管理器狀態的轉移包括指導如下狀態的轉移到達斷路狀態；從斷路狀態到達至少一種工作狀態；和從任一工作狀態到達至少一種關閉狀態。
35.一種已編程的計算機，用於實施控制包括多個物理子系統的燃料處理器的方法，該方法包括通過相應子系統管理器，管理每一物理子系統的工作；由主控制管理器指導子系統管理器狀態的轉移；和由主控制管理器搜尋子系統管理器之間的互作用。
36.按照權利要求35的已編程的計算機，其中，在該編程方法中，每一物理子系統工作的管理，包括調用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊。
37.按照權利要求35的已編程的計算機，其中，在該編程方法中，指導子系統管理器狀態的轉移，包括指導如下狀態的轉移到達斷路狀態；從斷路狀態到達至少一種工作狀態；和從任一工作狀態到達至少一種關閉狀態。
38.一種用於燃料處理器的控制系統，包括多個子系統管理器，各子系統管理器能控制燃料處理器多個物理子系統中相應的一個；主控制管理器，能通過這些子系統管理器，控制燃料處理器。
39.按照權利要求38的控制系統，還包括第一層，能把子系統管理器與它們相應的物理子系統對接；第二層，能把子系統管理器與第一層對接。
40.按照權利要求39的控制系統，其中的控制系統，還包括第三層，子系統管理器通過該第三層，能報告在它們相應物理子系統中的差錯條件。
41.按照權利要求38的控制系統，其中的控制系統，還包括一層，子系統管理器通過該層，能報告在它們相應物理子系統中的差錯條件。
42.按照權利要求39的控制系統，其中，每一子系統管理器包括信息交換模塊，子系統管理器通過該模塊取得請求事件的可行性的確定，並確認實現請求的事件的措施；和物理模塊，信息交換模塊與該物理模塊磋商，以便為實現請求的事件而確認措施；和控制模塊，物理模塊與該控制模塊磋商，以確定為實現請求的事件，應採取何種措施。
43.按照權利要求42的控制系統，其中的控制系統，還包括一層，子系統管理器通過該層，能報告在它們相應物理子系統中的差錯條件。
44.按照權利要求42的控制系統，其中，每一子系統管理器包括診斷模塊，該診斷模塊為差錯條件而查閱控制模塊和物理模塊，以監控物理子系統。
45.按照權利要求38的控制系統，其中的主控制管理器，能通過指導子系統管理器狀態的轉移，和搜尋各子系統管理器之間的互作用，控制燃料處理器。
46.按照權利要求45的控制系統，其中，子系統管理器在多個狀態之間轉移，該多個狀態包括斷路狀態；至少一種工作狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；和至少一種關閉狀態，子系統可以從任一工作狀態轉移，進入該狀態。
47.按照權利要求46的控制系統，其中的至少一種工作狀態，包括至少如下的一種手工操作狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；管理器校驗狀態，子系統可以從斷路狀態轉移，進入該狀態；預熱狀態，子系統可以從管理器校驗狀態轉移，進入該狀態；起動狀態，子系統可以從預熱狀態轉移，進入該狀態；和運行狀態，子系統可以從起動狀態轉移，進入該狀態。
48.按照權利要求46的控制系統，其中的至少一種關閉狀態，包括至少如下的一種標準關閉狀態；和緊急關閉狀態。
全文摘要
本文公開一種用於燃料處理器控制的技術。一方面，該控制系統包括子系統管理器，對燃料處理器中多個物理子系統每一個相應物理子系統的工作，進行控制。這些子系統管理器，從主控制管理器取得對它們的指導。第二方面，這些子系統管理器，集體地形成與第二層聯合工作的層，該第二層能把子系統管理器與它們相應的物理子系統對接，第三層能把子系統管理器與第二層對接。第三方面，主控制管理器通過相應的子系統管理器，管理每一物理子系統的工作，指導子系統管理器狀態的轉移，和由主控制管理器搜尋各子系統管理器之間的互作用。
文檔編號G05B15/00GK1791992SQ200480013523
公開日2006年6月21日 申請日期2004年3月30日 優先權日2003年4月4日
發明者維斯納·R.·米爾考維克, 威廉·S.·惠特, 休·N.·託, 丹尼斯·J.·本德託 申請人:德士古發展公司