(57)【要約】燃料を改質することができる燃料処理装置に対する動作サイクルである動作サイクルを開示する。動作サイクルはオフ状態；オフ状態から入る管理プログラム検査状態であって、燃料処理装置の動作準備が検査される状態；管理プログラム検査状態から入る予熱状態であって、処理供給物流内に混合するために、燃料処理装置が燃料を含むガスを予熱する状態；予熱状態から入る起動状態であって、起動条件下で燃料処理装置が動作を開始する状態；起動状態から入る運転状態であって、定常状態の条件下で燃料処理装置が処理供給物流を改質燃料に改質する状態；管理プログラム検査状態、予熱状態、起動状態、及び、運転状態のいずれか１つから入る運転休止状態；を含む。この動作サイクルは、燃料電池又は燃料電池発電設備のための燃料処理装置において使用できる。
2006522455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質することができる燃料処理装置に対する動作サイクルであって、
オフ状態、
前記オフ状態から入り、かつ、前記燃料処理装置の動作準備が検査される管理プログラム検査状態、
前記管理プログラム検査状態から入り、かつ、処理供給物流内に混合するために、前記燃料処理装置が前記燃料を含むガスを予熱する予熱状態、
前記予熱状態から入り、かつ、前記燃料処理装置が起動条件下で動作を開始する起動状態、
前記起動状態から入り、かつ、前記燃料処理装置が定常状態条件下で前記処理供給物流を改質燃料に改質する運転状態、及び
前記管理プログラム検査状態、前記予熱状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから入る運転休止状態、
を含む上記動作サイクル。
【請求項２】
前記オフ状態から入り、かつ、オペレータがシステム全体の動作を指令することができる手動状態、
前記管理プログラム検査状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから入る緊急運転休止状態、
の少なくとも１つを更に含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項３】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、及び
前記手動状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項４】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、及び
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項５】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記予熱状態に移行するステップ、
を含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項６】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記検査の間に検出されたエラーを報告するステップ、及び
前記エラーが検出された場合に、前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項７】
前記予熱状態が、
空気、水、及び、前記燃料を酸化装置に供給するステップ、
前記酸化装置を着火するステップ、及び
改質装置の反応装置をパージするステップ、
を含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項８】
前記予熱状態が、前記起動状態に移行するステップを更に含む、請求項７に記載の動作サイクル。
【請求項９】
前記予熱状態が、
前記空気、水、及び、燃料を供給するステップにおいて、又は、前記酸化装置を着火するステップにおいて、又は、前記反応装置をパージするステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項７に記載の動作サイクル。
【請求項１０】
前記起動状態が、
処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、及び
前記処理供給物流をその前記生産の進行に従って改質するステップ、
を含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項１１】
前記起動状態が、運転状態に移行するステップを更に含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項１２】
前記起動状態が、
前記処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、又は、前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項１０に記載の動作サイクル。
【請求項１３】
前記運転状態が、
処理供給物流を生成するステップ、
前記処理供給物流を改質するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項１４】
前記運転状態が、前記処理供給物流を生成するステップにおいて、又は、前記運転休止状態に移行するステップ以前の前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップを更に含む、請求項１３に記載の動作サイクル。
【請求項１５】
前記運転休止状態が、
酸化装置及び改質装置をパージするステップ、及び
パージされた前記酸化装置及び前記改質装置を冷却するステップ、
を含む、請求項１に記載の動作サイクル。
【請求項１６】
燃料、空気、及び、水の供給源、
前記燃料、空気、及び、水を受け取り、かつ、処理供給物流を生成する酸化装置、
前記処理供給物流を富水素ガスに改質する改質装置、並びに
前記燃料、空気、及び、水の供給源の生成を指令し、前記処理供給物流を生成し、かつ、前記処理供給物を動作サイクルにより改質する自動制御システムであって、前記動作サイクルが、
オフ状態、
前記オフ状態から入り、かつ、前記燃料処理装置の動作準備が検査される管理プログラム検査状態、
前記管理プログラム検査状態から入り、かつ、処理供給物流内に混合するために、前記燃料処理装置が前記燃料を含むガスを予熱する予熱状態、
前記予熱状態から入り、かつ、前記燃料処理装置が起動条件下で動作を開始する起動状態、
前記起動状態から入り、かつ、前記燃料処理装置が定常状態条件下で前記処理供給物流を改質燃料に改質する運転状態、及び
前記管理プログラム検査状態、前記予熱状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから入る運転休止状態、
を含む、上記自動制御システム、
を含む、燃料処理装置。
【請求項１７】
前記動作サイクルが、
前記オフ状態から入り、かつ、オペレータがシステム全体の動作を指令することができる手動状態、
前記管理プログラム検査状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから入る緊急運転休止状態、
の少なくとも１つを更に含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項１８】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、及び
前記手動状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項１９】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２０】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記予熱状態に移行するステップ、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２１】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記検査の間に検出されたエラーを報告するステップ、及び
前記エラーが検出された場合に、前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２２】
前記予熱状態が、
空気、水、及び、前記燃料を酸化装置に供給するステップ、
前記酸化装置を着火するステップ、及び
改質装置の反応装置をパージするステップ、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２３】
前記予熱状態が前記起動状態に移行するステップを更に含む、請求項２２に記載の燃料処理装置。
【請求項２４】
前記予熱状態が、
前記空気、水、及び、燃料を供給するステップにおいて、又は、前記酸化装置を着火するステップにおいて、又は、前記反応装置をパージするステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項２２に記載の燃料処理装置。
【請求項２５】
前記起動状態が、
処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、及び
前記処理供給物流をその前記生産の進行に従って改質するステップ、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２６】
前記起動状態が、前記運転状態に移行するステップを更に含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２７】
前記起動状態が、
前記処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、又は、前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項２５に記載の燃料処理装置。
【請求項２８】
前記運転状態が、
処理供給物流を生成するステップ、
前記処理供給物流を改質するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項２９】
前記運転状態が、前記処理供給物流を生成するステップにおいて、又は、前記運転休止状態に移行するステップの前の前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップを更に含む、請求項２８に記載の燃料処理装置。
【請求項３０】
前記運転休止状態が、
酸化装置及び改質装置をパージするステップ、及び
パージされた前記酸化装置及び前記改質装置を冷却するステップ、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項３１】
前記燃料、空気、水の供給源が、
燃料サブシステム、
空気サブシステム、及び
水サブシステム、
を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項３２】
前記酸化装置が陽極テイルガス酸化装置を含む、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項３３】
前記改質装置がオートサーマル改質装置である、請求項１６に記載の燃料処理装置。
【請求項３４】
燃料処理装置であって、
燃料、空気、及び、水の供給源、
前記燃料、空気、及び、水を受け取り、かつ、処理供給物流を生成する酸化装置、
前記処理供給物流を富水素ガスに改質する改質装置、及び
前記燃料、空気、及び、水の供給源の生成を指令し、前記処理供給物流を生成し、かつ、前記処理供給物を動作サイクルにより改質する自動制御システムであって、前記動作サイクルが、
オフ状態、
前記オフ状態から入り、かつ、前記燃料処理装置の動作準備が検査される管理プログラム検査状態、
前記管理プログラム検査状態から入り、かつ、処理供給物流内に混合するために、前記燃料処理装置が前記燃料を含むガスを予熱する予熱状態、
前記予熱状態から入り、かつ、前記燃料処理装置が起動条件下で動作を開始する起動状態、
前記起動状態から入り、かつ、前記燃料処理装置が定常状態条件下で前記処理供給物流を改質燃料に改質する運転状態、
前記管理プログラム検査状態、前記予熱状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから入る運転休止状態、
を含む、上記自動制御システム、
を含む燃料処理装置、並びに
前記富水素ガスを受け取る燃料電池、
を含む、発電設備。
【請求項３５】
前記動作サイクルが、
前記オフ状態から入り、かつ、オペレータがシステム全体の動作を指令することができる手動状態、
前記管理プログラム検査状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから入る緊急運転休止状態、
の少なくとも１つを更に含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項３６】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、及び
前記手動状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項３７】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、及び
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項３８】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記予熱状態に移行するステップ、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項３９】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記検査の間に検出されたエラーを報告するステップ、及び
前記エラーが検出された場合に、前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項４０】
前記予熱状態が、
空気、水、及び、前記燃料を酸化装置に供給するステップ、
前記酸化装置を着火するステップ、及び
改質装置の反応装置をパージするステップ、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項４１】
前記予熱状態が、前記起動状態に移行するステップを更に含む、請求項４０に記載の発電設備。
【請求項４２】
前記予熱状態が、
前記空気、水、及び、燃料を供給するステップにおいて、又は、前記酸化装置を着火するステップにおいて、又は、前記反応装置をパージするステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項４０に記載の発電設備。
【請求項４３】
前記起動状態が、
処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、及び
前記処理供給物流をその前記生産の進行に従って改質するステップ、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項４４】
前記起動状態が、運転状態に移行するステップを更に含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項４５】
前記起動状態が、
前記処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、又は、前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項４３に記載の発電設備。
【請求項４６】
前記運転状態が、
処理供給物流を生成するステップ、
前記処理供給物流を改質するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項４７】
前記運転状態が、前記処理供給物流を生成するステップにおいて、又は、前記運転休止状態に移行するステップの前の前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップを更に含む、請求項４６に記載の発電設備。
【請求項４８】
前記運転休止状態が、
酸化装置及び改質装置をパージするステップ、及び
パージされた前記酸化装置及び前記改質装置を冷却するステップ、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項４９】
前記燃料、空気、水の供給源が、
燃料サブシステム、
空気サブシステム、及び
水サブシステム、
を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項５０】
前記酸化装置が陽極テイルガス酸化装置を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項５１】
前記改質装置がオートサーマル改質装置である、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項５２】
燃料電池がイオン交換膜燃料電池を含む、請求項３４に記載の発電設備。
【請求項５３】
燃料処理装置を動作させるための方法であって、
オフ状態から、燃料処理装置の動作準備が検査される管理プログラム検査状態に移行するステップ、
前記管理プログラム検査状態から、処理供給物流内に混合するために、前記燃料処理装置が前記燃料を含むガスを予熱する予熱状態に移行するステップ、
前記予熱状態から、前記燃料処理装置が起動条件下で動作を開始する起動状態に移行するステップ、
前記起動状態から、前記燃料処理装置が定常状態条件下で前記処理供給物流を改質燃料に改質する運転状態に移行するステップ、及び
前記管理プログラム検査状態、前記予熱状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれかの１つから、運転休止状態に移行するステップ、
を含む方法。
【請求項５４】
前記オフ状態から手動状態に移行するステップであって、かつ、その手動状態においてはオペレータがシステム全体の動作を指令することができる上記ステップ、及び
前記管理プログラム検査状態、前記起動状態、及び、前記運転状態のいずれか１つから緊急運転休止状態に移行するステップ、
の少なくとも１つを更に含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、及び
前記手動状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
前記オフ状態が、
それ以前の動作サイクルの運転休止の原因を示すメッセージを表示するステップ、
前記動作サイクルの開始を可能にするステップ、及び
前記管理プログラム検査状態に移行するステップ、
の少なくとも２つを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記予熱状態に移行するステップ、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
前記管理プログラム検査状態が、
前記燃料処理装置の構成要素の動作上の準備を検査するステップ、
前記検査の間に検出されたエラーを報告するステップ、及び
前記エラーが検出された場合に、前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５９】
前記予熱状態が、
空気、水、及び、前記燃料を酸化装置に供給するステップ、
前記酸化装置を着火するステップ、及び
改質装置の反応装置をパージするステップ、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６０】
前記予熱状態が、前記起動状態に移行するステップを更に含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記予熱状態が、
前記空気、水、及び、燃料を供給するステップにおいて、又は、前記酸化装置を着火するステップにおいて、又は、前記反応装置をパージするステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記起動状態が、
処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、及び
前記処理供給物流をその前記生産の進行に従って改質するステップ、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６３】
前記起動状態が、運転状態に移行するステップを更に含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６４】
前記起動状態が、
前記処理供給物流の生産に傾斜を付けるステップ、又は、前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を更に含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
前記運転状態が、
処理供給物流を生成するステップ、
前記処理供給物流を改質するステップ、及び
前記運転休止状態に移行するステップ、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６６】
前記運転状態が、前記処理供給物流を生成するステップにおいて、又は、前記運転休止状態に移行するステップの前の前記処理供給物流を改質するステップにおいて、エラーを検出するステップを更に含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記運転休止状態が、
酸化装置及び改質装置をパージするステップ、及び
パージされた前記酸化装置及び前記改質装置を冷却するステップ、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料処理装置に関し、より詳細には、燃料処理装置の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、化石燃料の燃焼を採用しているより従来型のエネルギー源に対する代替エネルギー源である。燃料電池は典型的には燃料及び酸素から電気、水、及び、熱を生成する。より詳細には、燃料電池は化学的酸化還元反応から電気を供給し、かつ、クリーンさ及び効率に関して発電の他の形態に対する大きな長所を持つ。典型的には、燃料電池は燃料として水素を、及び、酸化剤として酸素を採用している。発電は反応物質の消費速度に比例する。
【０００３】
燃料電池のより広範な利用を阻害する重大な短所は普及した水素インフラストラクチャの欠如である。水素は比較的小さな体積エネルギー密度を有し、かつ、ほとんどの発電システムで現在使用されている炭化水素燃料よりも保存及び輸送が困難である。この困難を克服する１つの方法は、燃料電池に対する供給物として使用することができる富水素ガス流に、炭化水素を変換するための「燃料処理装置」又は「改質装置」の使用である。天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、及び、ジーゼルなどの炭化水素系燃料はほとんどの燃料電池に対する燃料として使用するために変換が必要である。現在の技術は初期変換工程をいくつかの清浄化工程と組み合わせた多段階工程を使用している。初期工程は最もしばしば水蒸気改質（「ＳＲ」）、オートサーマル改質（「ＡＴＲ」）、触媒部分酸化（「ＣＰＯＸ」）、又は、非触媒部分酸化（「ＰＯＸ」）である。清浄化工程は通常は脱硫、高温水性ガス転化、低温水性ガス転化、選択ＣＯ酸化、又は、選択ＣＯメタン化を含む。代案工程は水素選択膜反応装置及びフィルターを含む。
【０００４】
従って、多くのタイプの燃料を使用することができ、それらのいくつかは化石燃料と混成しているが理想的な燃料は水素である。もし燃料が例えば水素であれば、燃焼は非常にクリーンになり、かつ、実際問題として、熱の消散及び／又は消費並びに電気の消費の後には水のみが残される。最も容易に利用可能な燃料（例えば、天然ガス、プロパン、及び、ガソリン）、並びに、さほど一般的ではない燃料（例えば、メタノール及びエタノール）はそれらの分子構造中に水素を含む。従って、いくつかの燃料電池実施方法は、燃料電池に燃料を供給するために使用される比較的純粋な水素流を生成するために特定の燃料を処理する「燃料処理装置」を採用する。
【０００５】
しかし、燃料処理装置及び燃料電池の動作は高度に複雑である。この複雑さは、改質工程及び燃料電池の動作の精巧さからだけでなく、燃料処理装置及び燃料の動作が典型的に高度に相互関連しているために生じている。燃料処理装置と燃料電池の一方又は他方におけるパラメータの動作状態における変化は、良くも悪くも、しばしば、なしくずし的に他方における変化を起こす。これらの変化は、そのような発電設備（すなわち、燃料処理装置及び燃料電池）が典型的に使用している自動制御装置に対してさえ比較的急速に起こることがある。動作の複雑さ及び相互関連性は、典型的には自動制御装置が迅速に対処しなければならない大量のデータを発生する。従って、自動制御装置によるデータ管理の組織化及び効率は重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記に述べた問題の１つ又は全てを解決又は少なくとも低減することを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明は、燃料を改質することができる燃料処理装置のための動作サイクルを含み、該動作サイクルは、オフ状態；オフ状態から入る管理プログラム検査状態であって、燃料処理装置の動作準備が検査される状態；管理プログラム検査状態から入る予熱状態であって、処理供給物流内に混合するために、燃料処理装置が燃料を含むガスを予熱する状態；予熱状態から入る起動状態であって、起動条件下で燃料処理装置が動作を開始する状態；起動状態から入る運転状態であって、定常状態の条件下で燃料処理装置が処理供給物流を改質燃料に改質する状態；並びに、管理プログラム検査状態、予熱状態、起動状態、及び、運転状態のいずれか１つから入る運転休止状態；を含む。別の側面において、動作サイクルは、燃料電池及び燃料電池発電設備に対する燃料処理装置において使用される。
【０００８】
本発明は、同じ参照番号が同じ要素を特定する添付の図面と関連してなされる以下の説明を参照することにより理解することができる。
【０００９】
本発明には様々な修正例及び代案形態の余地があるが、図面は例示により本明細書に詳細に説明されている特定の実施形態を示す。しかし、特定の実施形態についての本明細書における説明は、本発明を、開示されている特定の形態に限定することを意図するものではなく、反対に、意図するところは、添付した特許請求の範囲により定義されたとおりの本発明の要旨及び範囲内に入る全ての修正、均等物、及び、代案を網羅することであることは理解されなければならない。
【００１０】
発明の詳細な説明
本発明の例示的実施形態は以下に説明される。明確を期すために、実際の実施態様の全ての特徴がこの明細書に説明されているわけではない。いかなるそのような実際の実施形態の開発においても、実施態様間で異なるシステム関連及びビジネス関連の制約への対応などの開発者に固有の目標を達成するために、実施態様に応じた数多くの決定を行なわなければならないことは当然理解されよう。更に、例え複雑で、かつ、時間がかかっても、そのような開発努力が、この開示の恩恵を受ける当業者にとってのルーチン作業であろうことが理解されよう。
【００１１】
図１は、燃料処理装置１０２、燃料電池１０４、及び、自動制御システム１０６を含む燃料電池発電設備１００を概念的に示す。燃料処理装置１０２は、例示の実施形態において、パイプライン級品質の天然ガスを燃料電池等級の燃料に変換する自蔵式オートサーマル改質（「ＡＴＲ」）燃料処理装置である。すなわち、発電設備１００は天然ガス発電設備であるが、本発明は代案燃料及び最終用途について実施することができる。例示の実施形態において、燃料電池１０４はポリマー電解質膜燃料電池（「ＰＥＦＣ」）としても知られている慣用のイオン交換膜燃料電池（「ＰＥＭＦＣ」）である。しかし、他のタイプの燃料電池も使用することができる。燃料処理装置１０２は燃料電池、例えば燃料電池１０４と共に使用されるようには限定されないことにも注意すること。改質燃料１０８の生成物ガスは、示されているように、燃料電池に対する供給物として、又は、富水素供給物流が所望される他の用途に対して使用することができる。任意選択的に、生成物ガスは、例えば、二酸化炭素、水分、又は、他の成分を除去するために、さらなる処理に送ることができる。従って、本発明は燃料電池発電設備における使用、又は、発電設備にさえおける使用にも限定されない。
【００１２】
既に述べたように、例示の実施形態における燃料は天然ガスであるが、別の何らかのタイプの炭化水素とすることもできる。炭化水素燃料は、気化できるものである限り、周囲条件において液体又はガスとすることができる。本明細書において使用されている如く、「炭化水素」は部分酸化又は水蒸気改質反応から水素を生成することができるＣ−Ｈ結合を有する有機化合物を含む。この化合物の分子構造における炭素及び水素以外の原子の存在は排除されない。従って、本明細書に開示された方法及び装置における使用のために適した燃料は天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ、ガソリン、及び、ジーゼル燃料などの炭化水素燃料、並びに、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類などを含むが、これらに限定されない。
【００１３】
燃料処理装置１０２及び燃料電池１０４の動作は例示の実施形態において相互関連している。燃料処理装置１０２は図形表示１０８により示された如くの富水素排気流すなわち「改質燃料」を燃料電池１０４に供給する。例示の実施形態において、改質燃料１０８は水素及び二酸化炭素を含み、かつ、幾分かの水、未変換炭化水素、一酸化炭素、不純物（例えば、硫化水素及びアンモニア）、及び、不活性成分（例えば、特に空気が供給物流の成分であった場合に窒素及びアルゴン）も含むことができる。しかし、改質燃料１０８の精密な組成は実行に特異的であり、本発明の実施には重要ではないことに注意すること。
【００１４】
自動制御装置１０６は図形表示１１０により示されたように、燃料処理装置１０２の動作を制御する。いくつかの実施形態において、自動制御システム１０６は燃料処理装置１０２に加えて燃料電池１０４の動作も制御することができる。自動制御システム１０６は図２Ａ及び図２Ｂに示されたラック搭載型計算装置２００などの計算装置上にソフトウェアで主として実行される。計算装置２００が全ての実施形態においてラック搭載型である必要はないことに注意すること。確かに、与えられたいずれの実行のこの側面も本発明の実施には重要ではない。計算装置２００はデスクトップパーソナルコンピューター、ワークステーション、ノート型又はラップトップ型コンピューター、内蔵プロセッサなどとして実行することができる。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂに示された計算装置２００は、バスシステム２１５により記憶装置２１０と連絡しているプロセッサ２０５を含む。記憶装置２１０はハードディスク並びに／又はランダムアクセスメモリー（「ＲＡＭ」）並びに／又はフロッピー（登録商標）磁気ディスク２１７及び光ディスク２２０などの取外し可能な記憶装置を含むことができる。記憶装置２１０は、上記に検討されたように獲得されたデータセットを記憶するデータ構造２２５、動作システム２３０、ユーザインターフェイスソフトウェア２３５、及び、アプリケーション２６５を使用してエンコードされる。ユーザインターフェイスソフトウェア２３５はディスプレー２４０と一緒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はキーパッド若しくはキーボード２５０、マウス２５５、又は、ジョイスティック２６０などの周辺Ｉ／Ｏデバイスを含むことができる。プロセッサ２０５は動作システム２３０の制御下で実行されるが、この動作システム２３０は実際には当技術分野に知られている任意の動作システムとすることができる。アプリケーション２６５は、動作システム２３０の実行に依存して、通電、リセット、又は、その両者の際に、動作システム２３０により呼び出される。例示の実施形態において、アプリケーション２６５は図１に示された制御システム１００を含む。
【００１６】
従って、本発明の少なくともいくつかの側面は、例えば図２Ａ及び図２Ｂの計算装置２００などの適切にプログラムされた計算デバイス上でのソフトウェアとして典型的に実行される。指示は、例えば記憶装置２１０、フロッピー（登録商標）ディスク２１７、及び／又は、光ディスク２２０上などにエンコードすることができる。従って、本発明は、１つの側面において、本発明の方法を行なうようにプログラムされた計算装置を含む。他の側面において、本発明は、計算装置により実行されるとき本発明の方法を行なうという指示をエンコードされたプログラム記憶デバイスを含む。
【００１７】
かくして、本明細書の詳細な説明のいくつかの部分は、計算システム又は計算デバイスのメモリ内部のデータビット上の操作の記号表現を含む、ソフトウェアにより実行される工程として表すことができる。これらの説明及び表現は、当業者の作業の実体を他の当業者に最も効果的に伝えるために、当業者により使用される手段である。工程及び動作は物理的な数量の物理的な操作を必要とする。必須ではないが、通常、これらの数量は、記憶、転送、組合せ、比較、及び、その他で操作することができる電気、磁気、又は、光の信号の形態を取る。これらの信号をビット、値、要素、シンボル、文字、用語、数などと呼ぶことは、主に一般的な使用という理由で、時に便利であることが判明している。
【００１８】
しかし、これら、及び、類似の用語の全ては、適切な物理量と関連されるべきものであり、かつ、これらの量に貼付された便利なラベルに過ぎないことを心に留めること。特に断らない限り、又は、そうではないことが明らかである場合を除き、本開示の全体を通じて、これらの記載は、何らかの電子デバイスの記憶装置内の物理（電子的、磁気的、又は、光学的）量として表されたデータを、同じくその記憶装置内、又は、伝送中若しくは表示デバイスにおける物理量として表された他のデータに操作及び変換する電子デバイスの作用及び処理を指す。そのような記述を指す用語の例示は、限定されるものではないが、「処理」、「計算」、「算出」、「決定」、「表示」などの語である。
【００１９】
ここで図１に戻ると、自動制御システム１０６は燃料処理装置１０２の動作を支配する図３に示す動作サイクル３００を実行する。より詳細には、燃料処理装置１０２を動作させ、起動させ、かつ、停止させるうえでの様々なステップを管理するために、動作サイクル３００は複数の動作状態に区分されている。動作状態は反応装置の動作を模倣し、かつ、各制御のための組織的又は階層的アーキテクチャを可能とする。例示の実施形態において、状態は以下の綱領に照らして規定されている。
・全ての状態は能動的徴候を継続的にモニタする。
・全ての状態は１つの状態から次の状態に進むための通知を受信する。
・全ての状態は１つの状態から次の状態に進むための条件ステートメントを満たす。
・状態は次の状態を飛ばさず、又は、運転休止状態及びオフ状態（両者とも以下に更に検討される）を通過せずに以前の状態には戻らない。
・全ての状態は運転休止状態、そしてまたオフ状態への経路を有する。
・必要に応じて燃料処理装置１０２の構成部分及び区分を初期化し、他のデバイスの動作を必要となるまで防止するための多数の副状態を、説明されたこれらの状態の各々は含むことができる。かつ、
・オフ状態において行なわれる動作は直前の状態の関数として変化する。
代案実施形態において、上記に述べられた綱領に加えて、又は、それらの代わりに他の設計綱領が使用できることに注意すること。
【００２０】
これらの設計綱領に照らして、例示の実施形態において、図３に示された以下の状態が実行される。
・オフ状態３０２：動作のシーケンスにおける第１の状態。オフ状態３０２は燃料処理装置１０２のハードウェアを同ハードウェアの常時開又は常時閉の位置、すなわち、通電されていない時の結果的な位置に待機させる。図３に示されたように、既に説明された制御装置が初期化するか、又は、（以下に更に検討される）運転休止状態３１４からオフ状態に入ると、燃料処理装置１０２はオフ状態から開始する。
・管理プログラム検査状態３０４：動作のシーケンスにおける第２の状態であり、かつ、オフ状態３０２から入る。管理プログラム検査状態３０４は燃料処理装置１０２の起動するための準備完了について検査する。管理プログラム検査状態３０４において、動作に不可欠な特定の条件項目が満たされていることを検証するために、発電設備１００の反応装置のバランスが操作される。
・予熱状態３０８：動作のシーケンスにおける第３の状態であり、かつ、管理プログラム検査状態３０４から入る。予熱状態３０８は図６に示された酸化装置４０４の安定した動作を開始及び管理し、ならびに、燃料処理装置１０２により改質されることになる処理供給物流に対する投入ガスを予熱するために、テイルガス燃焼器から発生された熱を使用する。
・起動状態３１０：動作のシーケンスにおける第４の状態であり、かつ、予熱状態３０８から入る。起動状態３１０は起動条件下で燃料処理装置１０２の動作を開始させ、かつ、運転状態３１２における動作のために燃料処理装置１０２を準備する。
・運転状態３１２：動作のシーケンスにおける第５の状態であり、かつ、起動状態３１０から入る。運転状態３１２において、燃料処理装置１０２は投入ガスを富水素改質燃料１０８に改質するように管理される。
・運転休止状態３１４：この状態において、発電設備１００の物理的な各サブシステムは自身の動作を運転休止し、かつ、この状態へは、燃料処理装置１０２は他の状態３０４、２０８、３１０、及び、３１２のいずれからも移行することができる。
代案実施形態においては、追加の状態が採用できることに注意すること。いくつかの代案実施形態においては、動作状態３０２から３１４の１つ又は複数を結合できる、又は、更に区分できることにも注意すること。例えば、管理プログラム検査状態３０４と予熱状態３０８は単一の起動前動作状態に結合することができる。
【００２１】
既に述べたように、動作状態３０２から３１４は１つの状態から次に進むための通知を受信し、全ての状態は１つの状態から次に進むための付帯条件のステートメントを満たし、かつ、状態は次の状態を飛ばさず、又は、以前の状態に戻らない。例示の実施形態において、自動制御システム１０６はこのプロトコルを実行する。自動制御システム１０６は、各状態において命令された可能な動作の関数として、燃料処理装置１０２の様々な構成部分への、及び、これらからの信号を発生し、かつ、受信する。各構成部分は、その特定の状態に対して指定されたいかなるタスクも行い、かつ、自動制御システム１０６に、関連センサ及びフィードバック機構によりタスクの条件について信号を送信する。
【００２２】
全ての構成部分がその特定の段階の完了について信号を送信するや否や、自動制御システム１０６は、動作の次の状態の関数として、新しいセットのコマンドを開始する。燃料処理装置１０２の各構成部分と関連したアクティビティ、及び、次の状態に移行するために満足されなければならない条件は、工程の状態及びその結果となる状態により変化することになる。自動制御システム１０６及び燃料処理装置１０２は、自動制御システム１０６又は説明された入力デバイスが運転休止状態３１４への移行について信号を送るまで、上記に説明され、かつ、図３に示された状態により処理を進める。従って、例示の実施形態において、動作状態の各々は他の状態とは別個であり、かつ、様々な動作状態を介した構成部分の移行は同期されている。
【００２３】
本発明のさらなる理解のために、例示の実施形態の１つの特定の実行をここで開示しよう。燃料処理装置１０２は、燃料電池１０４をも示す図４に示されたように実行される。自動制御システム１０６のハードウェア側は図２Ａ及び図２Ｂに示され、かつ、上記に検討されたように実行される。自動制御システム１０６のソフトウェア側は図５に示されたように実行され、図６に示された動作サイクルを実行する。
【００２４】
ここで図４に戻ると、例示の実施形態の燃料処理装置１０２は数個のモジュール式物理的サブシステム、すなわち、
・燃料処理装置１０２に投入された燃料４０３を燃料電池１０４のための改質燃料４０５に改質する酸化還元反応を行なうオートサーマル改質装置（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｆｏｒｍｅｒ，ＡＴＲ）、
・水４０７、燃料４０３、及び、空気４０９を混合して、ＡＴＲ４０２に送達される燃料混合物すなわち「処理供給物流」４１１を作り出す、例示の実施形態における陽極テイルガス酸化装置（ａｎｏｄｅ  ｔａｉｌｇａｓｏｘｉｄｉｚｅｒ，ＡＴＯ）である、酸化装置（「Ｏｘ」）４０４、
・ＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１中に混合するために、ＡＴＯ４０４に投入燃料４０３（例示の実施形態においては天然ガス）を送達する燃料サブシステム４０６、
・ＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１中に混合するために、ＡＴＯ４０４に水４０７を送達する水サブシステム４０８、
・ＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１中に混合するために、ＡＴＯ４０４に空気４０９を送達する空気サブシステム４１０、及び
・冷媒４１３を循環することによりＡＴＲ４０２の動作中の温度を制御する熱サブシステム４１２、
を含む。
【００２５】
更に図４を参照すると、例示の実施形態において、自動制御システム１０６は図５に示された階層的制御システム５００によりＡＴＲ４０２、酸化装置４０４、燃料サブシステム４０６、水サブシステム４０８、空気サブシステム４１０、及び、熱サブシステム４１２の動作を制御し、
・以下に規定するサブシステム管理プログラムにより燃料処理装置１０２の制御を管理するマスター制御管理プログラム５０２、
・ＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１中に混合するために、燃料サブシステム４０６からＡＴＯ４０４への燃料４０３の送達を制御する燃料サブシステム管理プログラム５０４、
・ＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１中に混合するために、水サブシステム４０８からＡＴＯ４０４への水４０７の送達を制御する水サブシステム管理プログラム５０６、
・ＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１中に混合するために、空気サブシステム４１０からＡＴＯ４０４への空気４０９の送達を制御する空気サブシステム管理プログラム５０８、
・水４０７からの水蒸気、燃料４０３、及び、空気４０９の混合を制御して、改質のためにＡＴＲ４０２に送達される処理供給物流４１１を作り出すＡＴＯサブシステム管理プログラム５１０、
・燃料処理装置１０２に投入された燃料４０３を燃料電池１０４のための改質燃料４０５に改質するＡＴＲ４０２における酸化還元反応を制御するＡＴＲサブシステム管理プログラム５１２、及び
・熱サブシステム４１２によりＡＴＲ４０２及びＡＴＯ４０４の動作における温度を制御する熱サブシステム管理プログラム５１４
を含む。
従って、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々はマスター制御管理プログラム５０２の指令に基づき燃料処理装置１０２の個々の物理的サブシステム４０２から４１２の動作を制御する。
【００２６】
例示の実施形態は、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の動作状態及び同状態間での移行を表す、図６の動作サイクル６００を実行する。動作サイクル６００は図３の動作サイクル３００における動作状態以外の動作状態を含むことに注意すること。サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々は、この特定の実施形態における８つの、各動作サイクルにおいて８つ全てではないが、異なった状態を通じて移行する。すなわち、
・「オフ」状態３０２、
・「管理プログラム検査」状態３０４であって、サブシステム管理プログラム５０４から５１４が、それらの各物理的サブシステム４０２から４１２の動作上の準備を検査する状態、
・「手動」状態６０６であって、オペレータが全体的なシステムの動作を指示できる状態、
・「予熱」状態３０８であって、燃料処理装置１０２の加熱要素及び流体が、それらの正常な動作のために指定されたレベルに予熱されるか、又は、予冷される状態、
・「起動」状態３１０であって、燃料処理装置１０２が起動条件下で動作を開始する状態、
・「運転」状態３１２であって、燃料処理装置１０２が定常条件下で動作する状態、
・「運転休止」状態３１４であって、システム全体の物理的サブシステム４０２から４１２がそれらの動作を動作サイクルの計画された終了点へと運転休止する状態、
・「緊急運転休止」状態６１６であって、物理的サブシステムの１つ又は複数における緊急状況の発生及び検出に応じて、物理的サブシステム４０２から４１２が運転休止される状態である。
サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々は同じ８つの状態を通じて移行するが、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々に割当てられたタスクは、同プログラムの個々の物理的サブシステム４０２から４１２の要件に照らして一意となろう。例えば、双方とも図４に示されている燃料サブシステム４０６及びＡＴＲ４０２の動作及び機能の差が与えられれば、運転状態３１２において燃料サブシステム管理プログラム５０４により行なわれるタスクは、運転状態におけるＡＴＲサブシステム管理プログラム５１２のタスクとは異なる。
【００２７】
図６を参照すると、オフ状態６０２は自動制御システム１０６の初期化（例えば、自動制御システム１０６への電力の供給）から、又は、運転休止状態３１４から、若しくは、緊急運転休止状態６１６から到達することができる。燃料処理装置１０２のＡＴＲ４０２は、ユーザの入力又はオフ状態６０２から出る進行するための指示を受信するまで、オフ状態６０２に留まる。アーキテクチャの流れは、１つの動作状態から次への移行に先立って付帯条件の特定のステートメントが満たされなければならないことを指令する。この例において、オフ状態６０２と管理プログラム検査状態６０４の間の付帯条件は、（図示されていない）反応装置の外部の（同じく図示されていない）有線スイッチにより、又は、ソフトウェアにより初期化された開始点から開始される。
【００２８】
オフ状態６０２から出ると、サブシステム管理プログラム５０４から５１４は、それらの個々の物理的サブシステム４０２から４１２を管理プログラム検査状態６０４又は手動状態６０６のいずれか内に移行させることができる。手動状態６０６から、サブシステム管理プログラム５０４から５１４は、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を、運転休止状態６１４又は緊急運転休止状態６１６のいずれかに移行させる。管理プログラム検査状態６０４から、システム管理プログラム５０４から５１４は、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を予熱状態６０８、起動状態６１０、及び、運転状態６１２を通じて移行させることができる。サブシステム管理プログラム５０４から５１４は、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を、運転休止状態６１４及び緊急運転休止状態６１６のいずれかに他の動作状態のいずれかから移行させることができる。
【００２９】
ここで図５及び図６を参照すると、オペレータは、システムの通電又は初期化、すなわち、オフ状態３０２から出る際に手動状態６０６に入るかどうかを選択する。もしオペレータが手動状態６０６を選択しなければ、マスター制御管理プログラム５０２は制御を引き受ける。手動状態６０６において、オペレータは、動作上の最大生産量の割合及びシステムの生産量上昇の傾斜を、指定されたレベルだが、それでも制御論理が適用される設定点にまで選択することができる。すなわち、サブシステム管理プログラム５０４から５１４はまた、上記に説明されたように、マスター制御管理プログラム５００により互いと共働する。
【００３０】
ここで、オペレータが手動制御を引き受けないと仮定すると、マスター制御管理プログラム５０２は、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々に、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を管理プログラム検査状態３０４に移行させるように信号を送信する。続いて、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々は自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を管理プログラム検査状態３０４に移行させる。続いて、サブシステム管理プログラム５０４から５１４は管理プログラム検査状態３０４に関連した自身の個々のタスクを行なう。管理プログラム検査状態３０４に対する出口付帯条件は、適切な処理ガス送達圧力を確保すること、（図示されていない）送風機がサイクルを繰り返し続けることができ、かつ、流量を記録することができること、及び、（同じく図示されていない）加熱器が熱量の何らかの漸増的増加を作り出せることを含むが、これらに限定されない。管理プログラム検査状態３０４において、サブシステム管理プログラム５０４から５１４は、特定の条件を満たすために燃料処理装置１０２の動作をバランスさせるために、マスター制御管理プログラム５０２により適切なサブシステム管理プログラム５０４から５１４への要求を開始する。管理プログラム検査状態３０４と予熱状態３０８の間の付帯条件は、管理プログラム検査状態３０４内に設置された各付帯条件が満たされていることの検証である。
【００３１】
もし管理プログラム検査付帯条件が満たされていなければ、図６に示された動作サイクル６００は運転休止状態３１４に進行し、かつ、続いて、オフ状態３０２に戻る。一方、図５に示された個別のサブシステム管理プログラム５０４から５１４が管理プログラム検査状態３０４に関連した自身のタスクを完了すると、同プログラム５０４から５１４はその事実をマスター制御管理プログラム５０２に個別に信号で送信する。マスター制御管理プログラム５０２は、全てのサブシステム管理プログラム５０４から５１４が、同プログラム５０４から５１４が終了したと信号を送信するまで待ち、かつ、続いて、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を予熱状態３０８に移行させるように信号を送信する。
【００３２】
なお図６を参照すると、予熱状態３０８は図４に示された酸化装置４０４を起動し始め、かつ、ＡＴＲ内に供給されるガスを予熱するためにこの希薄燃焼反応で発生された熱を使用し始める。予熱状態３０８は酸化装置４０４において着火シーケンスを開始し、かつ、一旦反応が安定化されれば、起動状態３１０に進むための付帯条件が満足される。もし着火の付帯条件が満たされなければ、動作サイクル６００は運転休止状態３１４に進み、かつ、続いて、オフ状態３０２に戻る。さもなくば、図５に示された個別のサブシステム管理プログラム５０４から５１４が酸化装置４０４の着火を含めて予熱状態３０８に関連した自身のタスクを完了すると、同プログラム５０４から５１４はマスター制御管理プログラム５０２にその事実を信号で送信する。マスター制御管理プログラム５０２は全てのサブシステム管理プログラム５０４から５１４が自身が終了したことを信号で送信するまで待ち、かつ、続いて、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を起動状態３１０に移行させるように信号を送信する。
【００３３】
図６に示された動作のシーケンスにおける第４の状態は起動状態３１０である。起動状態３１０は、燃料サブシステム４０６から図４に示された酸化装置４０４の（図示されていない）予熱区間を通じて燃料４０３（例えば、天然ガス）を流すことにより開始する状態として記述することができる。続いて、この燃料４０３はＡＴＲ４０２により熱を搬送するために使用され、かつ、酸化装置４０４の温度及び内部反応を維持するために同装置４０４に戻される。酸化装置４０４は、直接燃料４０３（例えば、天然ガス）供給物から、ＡＴＲ４０２からの予熱された戻りオフガスに移行させ、その反応に燃料を供給する。一旦ＡＴＲ４０２の（図示されていない）改質装置区間が着火温度に到達すれば、空気サブシステム４１０からの空気４０９も酸化装置４０４の予熱区間を通じて、ＡＴＲ４０２に供給される。
【００３４】
空気４０９と燃料４０３は混合し、かつ、両者が改質装置を「着火」する改質装置の表面に送達される。ＡＴＲ４０２のこの区間における反応により発生された熱は反応装置により搬送され、それにより、（図示されていない）残りの反応装置床を「暖める」。一旦反応装置床が所望の温度に到達すれば、水サブシステム４０８からの水４０７が反応物質空気４０９及び燃料４０３と混合され、かつ、ＡＴＲ４０２の改質装置に送達される。この工程はＡＴＲ４０２の内部に発生される、様々な程度の水素系改質燃料４０５をもたらし、かつ、予熱機能を継続するために酸化装置４０４に送達し戻される。
【００３５】
もし起動付帯条件が満たされないか、又は、能動的診断が起動されたなら、図６に示す動作サイクル６００は運転休止状態３１４に進み、かつ、続いて、オフ状態３０２に戻る。しかし、一旦改質燃料が燃料電池用品質であると考えられる安定した組成に到達すれば、運転状態３１２に進むための付帯条件は満足される。図５に示す個別のサブシステム管理プログラム５０４から５１４は起動状態３１０に関連した自身のタスクを完了し、マスター制御管理プログラム５０２にその事実を信号で送信する。マスター制御管理プログラム５０２は、全てのサブシステム管理プログラム５０４から５１４が、同プログラム５０４から５１４が終了したと信号を送信するまで待ち、かつ、続いて、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に運転状態３１２に移行させるように信号を送信する。
【００３６】
図６をなお参照すると、運転状態３１２は動作のシーケンスにおける第５の状態である。運転状態は、図４に示された酸化装置４０４から推奨される改質燃料供給源に徐々に改質燃料流の方向を変えることにより開始する状態として記述することができる。供給位置への過剰な化学量又は流量からもたらされるいずれのオフガスも予熱機能を持続させるために酸化装置４０４に再び戻される。補充の燃料は、改質燃料の供給源へのこの移行段階中に酸化装置４０４に必要となることがある。この状態の間、反応装置は動作中又は「運転中」であると考えられる。
【００３７】
従って、状態移行の全般的過程は、図５に示されたサブシステム管理プログラム５０４から５１４が図６に示された動作状態、すなわち移行、により個々の物理的サブシステム４０２から４１２を移行させ、状態及びサブシステムに特異的なタスクを行い、完了を信号で送信し、マスター制御管理プログラム５０２からの移行への信号を待ちつつ、繰り返される。次の状態に移行させるようにマスター制御管理プログラム５０２により信号を送信された時にのみ、サブシステム管理プログラム５０４から５１４が自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を次の状態に移行させることに注意すること。マスター制御管理プログラム５０２は、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の全てが移行するための準備ができた時に、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に対して移行するように信号を送信するのみであることにも注意すること。従って、サブシステム管理プログラム５０４から５１４はマスター制御管理プログラム５０２の指令に基づき同期した形で自身の状態を移行させる。
【００３８】
ここで、制御システム５００の制御に基づく燃料処理装置１０２の動作をより詳細に説明する。以下の討論は、
・図４、すなわち、燃料処理装置１０２のサブシステム４０２から４１２、
・図５、すなわち、自動制御システム１０６に対する階層的制御システム５００におけるソフトウェア実施管理プログラム５０２から５１４、及び、
・図６、すなわち、動作状態３０２から３１４、６０６、及び、６１６であって、それらを通じてサブシステム４０６から４１２が移行する、
に示された本発明の様々な要素を参照する。
加えて、議論は、例示の実施形態の様々な動作状態３０２から３１４、６０６、及び、６１６の間に発生する選択されたイベントを示す図７、図８Ａから図８Ｅ、図９Ａから図９Ｅ、図１０Ａから図１０Ｅ、図１１Ａから図１１Ｅ、及び、図１３Ａから図１３Ｅを参照する。
【００３９】
ここで、図７を参照すると（７００において）、（図６に示された）オフ状態３０２において、（個別には示されていない）全ての機器は（７０２において）自身のフェールセーフ位置にある。図２Ａ、図２Ｂに示されているディスプレー２４０は直前の運転に対する（７０２における）運転休止の原因を示す同運転からのメッセージを表示している。電源も（図示されていない）本体ユニット電源リレーから（７０２において）切断されている。もし燃料処理装置１０２の（個別には図示されていない）弁調節及びスイッチが（７０４において）適切に設定されていれば、指し示されてはいないが図２Ａ、図２Ｂに示されたキーパッド２５０の一部とすることができるＳＴＡＲＴ（開始）ボタンを自動制御システム１０６が（７０６において）可能にする。ユーザインターフェイス２４５は、指し示されてはいないがキーパッド２５０の一部とすることができるＭＡＮＵＡＬ（手動）ボタンも含む。もし開始ボタンが（７０８において）選択されれば、燃料処理装置１０２は（７１０において）「自動」モードで動作を開始し、ディスプレー２４０上のメッセージをリセットし、かつ、自動制御システム１０６の運転休止診断機能を活性化する。もしＳＴＡＲＴボタンとＭＡＮＵＡＬボタンの双方が（７１２において）選択されれば、燃料処理装置１０２は（７１４において）手動モードで動作を開始し、ディスプレー２４０上のメッセージをリセットし、かつ、自動制御システム１０６の運転休止診断機能を活性化する。例え手動モードであっても、運転休止診断機能は（７１４において）自動のままとされることに注意すること。
【００４０】
従って、通電又はリセットの際に、燃料処理装置１０２及び制御システム５００は先ず図６に示されたオフ状態３０２から、オペレータの入力に従って管理プログラム検査状態３０４又は手動状態６０６のいずれかに移行する。オペレータが手動制御を引き受けないと再び仮定すると、マスター制御管理プログラム５０２は、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を管理プログラム検査状態３０４に移行させるように信号を送信する。ここで、サブシステム管理プログラム５０４から５１４は、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２の動作上の準備を検査する。物理的サブシステム４０２から４１２の各々は管理プログラム検査状態３０４において異なったタスクを行なう。これらのタスクは図８Ａから図８Ｇに示されている。
【００４１】
図８Ａは管理プログラム検査状態３０４における酸化装置４０４に対する（８００において）選択されたイベントを示す。燃料処理装置１０２がオフ状態３０２から管理プログラム検査状態３０４に移行すると、ＡＴＯサブシステム管理プログラム５１０は（８０２において）酸化装置４０４の全ての機器の管理プログラム検査を開始する。続いて、ＡＴＯサブシステム管理プログラム５１０は（８０４において）マスター制御管理プログラム５０２により空気サブシステム管理プログラム５０８からの空気流を要求し、（図示されていない）ＡＴＯ取入れ口温度を測定し、（図示されていない）ＡＴＯ加熱器を試験してそれが取入れ口温度を十分に加熱できることを検証する。もしＡＴＯ加熱器が（８０６において）取入れ口温度を上昇させることができれば、続いて、ＡＴＯサブシステム管理プログラム５１０は（８０８において）ＡＴＯ加熱器の電源を切り、かつ、空気流が終結されることを要求する。続いて、酸化装置４０４は（８１０において）予熱状態３０８に移行する態勢を整える。もしＡＴＯ加熱器が（８０６において）取入れ口温度を十分に上昇させることができなければ、ＡＴＯサブシステム管理プログラム５１０は（８１２において）マスター制御管理プログラム５０２にＡＴＯ加熱器についての機器の問題を報告する。
【００４２】
ＡＴＲ４０２に対する管理プログラム検査状態３０４のアクティビティは図８Ｂに示されている。燃料処理装置１０２が（８１４において）オフ状態３０２から管理プログラム検査状態３０４に移行すると、ＡＴＲサブシステム管理プログラム５１２は（８１６において）ＡＴＲ４０２における全ての機器の管理プログラム検査を開始する。ＡＴＲサブシステム管理プログラム５１２は（８１８において）（図示されていない）ＡＴＲ取入れ口の温度を測定し、かつ、（図示されていない）ＡＴＲ面加熱器を加熱できることを検証する。天然ガス流がなく、かつ、ガスを流さずにシフト触媒を加熱すると損傷を招くかもしれないので、（図示されていない）シフト加熱器が検査されないことに注意すること。もしＡＴＲ取入れ口温度を（８２０において）上昇させることができれば、ＡＴＲサブシステム管理プログラム５１２はＡＴＲ面加熱器の電源を切り、かつ、（８１０において）予熱状態３０８への移行態勢を整える。もしＡＴＲ取入れ口温度を（８２０において）上昇させることができなければ、ＡＴＲサブシステム管理プログラム５１２は（８２４において）マスター制御管理プログラム５０２にＡＴＲ面加熱器についての機器の問題を報告する。
【００４３】
図８Ｃを参照すると、燃料処理装置１０２が（８２６において）オフ状態３０２から管理プログラム検査状態３０４に移行すると、空気サブシステム管理プログラム５０８は（８２６において）空気サブシステム４１０における全ての機器の管理プログラム検査を開始する。空気サブシステム管理プログラム５０８は（８３０において）（図示されていない）全ての空気弁が閉鎖されていることを確保し、かつ、（図示されていない）空気圧縮器を最高能力未満で起動させる。もし（図示されていない）容積タンク内の圧力が（８３２において）高すぎれば、空気サブシステム管理プログラム５０８は酸化装置４０４への（図示されていない）空気弁を（８３４において）部分的に開く。もし酸化装置４０４への空気流量が（８３６において）過剰であれば、空気サブシステム管理プログラム５０８は（８３８において）圧縮器の電源を切り、かつ、自身が以前に開いた空気４０９をＡＴＯへ送る弁を閉鎖する。続いて、空気サブシステム４１０は（８１０において）予熱状態３０８に移行する態勢を整える。しかし、もし酸化装置４０４への空気流量が（８３６において）過剰でなければ、空気サブシステム管理プログラム５０８は（８４０において）マスター制御管理プログラム５０２に空気をＡＴＯへ送る弁及び流量計についての機器の問題を報告する。同様に、もし容積タンク内の圧力が（８３２において）過剰でなければ、空気サブシステム管理プログラム５０８は（８４２において）マスター制御管理プログラム５０２に空気圧縮器に送る空気に関する機器の問題を報告する。
【００４４】
図８Ｄは（８４４における）燃料サブシステム４０６に対する管理プログラム検査状態３０４のアクティビティを示す。燃料処理装置１０２が（８４４において）オフ状態３０２から管理プログラム検査状態３０４に移行すると、燃料サブシステム管理プログラム５０４は（８４６において）燃料サブシステム４０６における全ての機器の管理プログラム検査を開始する。続いて、燃料サブシステム管理プログラム５０４は（８４８において）燃料４０３が受入れられる（図示されていない）天然ガスラインへの（図示されていない）手動供給弁を開放する。もし天然ガスラインの圧力が（８５０において）適切であれば、燃料サブシステム４０６は（８１０において）予熱状態３０８に移行する態勢を整える。もし天然ガスラインの圧力が（８５０において）適切でなければ、燃料サブシステム管理プログラム５０４は（８５２において）マスター制御管理プログラム５０２に天然ガス供給の電磁弁についての機器の問題を報告する。
【００４５】
水サブシステム４０８に対する管理プログラム検査状態３０４のアクティビティは図８Ｅに示されている。燃料処理装置１０２が（８５４において）オフ状態３０２から管理プログラム検査状態３０４に移行すると、水サブシステム管理プログラム５０６は（８５６において）水サブシステム４０８の全ての機器の管理プログラム検査を開始する。もし水４０７を保持している（図示されていない）タンク内の（図示されていない）低レベルスイッチが（８５８において）タンクが空ではないことを示せば、水サブシステム管理プログラム５０６は（８６０において）（図示されていない）水ポンプの電源を入れる。もし（８６２において）水が流れれば、水サブシステム管理プログラム５０６は（８６４において）水ポンプの電源を切り、水サブシステム４０８は（８１０において）予熱状態に移行する態勢を整える。もし（８６０において）水ポンプの電源が入れられても（８６２において）水４０７が流れなければ、水サブシステム管理プログラム５０６は（８６６において）マスター制御管理プログラム５０２にポンプ機器の問題を報告する。もし（８５８において）水タンクが空であれば、水サブシステム管理プログラム５０６は（８６８において）マスター制御管理プログラム５０２にタンクが空であることを報告し、かつ、自動再充填を要求する。
【００４６】
図８Ｆを参照すると、燃料処理装置１０２が（８７０において）オフ状態３０２から管理プログラム検査状態３０４に移行すると、熱サブシステム管理プログラム５１４は（８７２において）熱サブシステム４１２の全ての機器の管理プログラム検査を開始する。もし水４０７を保持している（図示されていない）タンク内の（図示されていない）低レベルスイッチが（８７４において）タンクが空ではないことを示せば、熱サブシステム管理プログラム５１４は（８７６において）（図示されていない）水ポンプの電源を入れ、かつ、（８７６において）（同じく図示されていない）冷却弁を開放する。もし（８７８において）水が流れれば、熱サブシステム管理プログラム５１４は（８６４において）水ポンプの電源を切り、（８６４において）冷却弁を閉鎖し、かつ、熱サブシステム管理プログラム５１４は（８１０において）予熱状態に移行する態勢を整える。もし（８７６において）水ポンプの電源が入れられても（８７８において）水４０７が流れなければ、熱サブシステム管理プログラム５１４は（８８２において）マスター制御管理プログラム５０２にポンプ機器の問題を報告する。もし（８７４において）水タンクが空であれば、水サブシステム管理プログラム５０６は（８８４において）マスター制御管理プログラム５０２にタンクが空であることを報告し、かつ、自動再充填を要求する。
【００４７】
一旦、サブシステム管理プログラム５０４から５１４の各々が（８１０において）、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２が管理プログラム検査をパスしたことをマスター制御管理プログラム５０２に信号で送信すれば、マスター制御装置５０２は、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を予熱状態３０８に移行させるように信号を送信する。予熱状態３０８において、個々の物理的サブシステムの加熱要素及び流体は、正常な動作のために自身に指定されたレベルに予熱されるか、又は、予冷される。しかし、もしサブシステム管理プログラム５０４から５１４が管理プログラム検査状態３０４においてマスター制御管理プログラム５０２に（図８Ａの８１２において、図８Ｂの８２４において、図８Ｃの８４０、８４２において、図８Ｄの８５２において、図８Ｅの８６６において、図８Ｆの８８２において）エラーを報告すれば、上記に検討したように、マスター制御管理プログラム５０２は、サブシステム管理プログラム５０４から５１４に、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を運転休止状態３１４及びオフ状態３０２に移行させるように信号を送信し、問題の適切な診断通知を提供する。
【００４８】
予熱状態３０８の選択されたアクティビティは、酸化装置４０４、ＡＴＲ４０２、空気サブシステム４１０、水サブシステム４０８、及び、熱サブシステム４１２に対してそれぞれ図９Ａから図９Ｅに示されている。既に述べたように、予熱状態３０８の主要な機能は酸化装置４０４からＡＴＲ４０２に供給されることになるガスを予熱することである。この開示の恩恵を受ける当業者により理解されるように、燃料処理装置１０２は単純に生産に進むことはできない。例えば、酸化装置４０４は予熱するための燃料４０３、水４０７、及び、空気４０９を有するまでは供給原料を予熱し始めることができない。同様に、ＡＴＲ４０２は酸化装置４０４から十分な供給原料を受入れるまで、予熱された供給原料（図４におけるこの組み合わせ供給に対する矢印には番号がない）を改質し始めることができない。空気サブシステム４１０、燃料サブシステム４０６、水サブシステム４０８、及び、熱サブシステム４１２は、この目標の促進において、酸化装置４０４及びＡＴＲ４０２に（図９Ｃの９１０において）空気４０９を、（図９Ｂの９２８において）燃料４０３を、（図９Ｄの９１２において）水４０７を、及び、（図９Ｅの９１４において）熱制御を提供する。
【００４９】
（図９Ａの９２０における）予熱状態３０８への移行の時点で、酸化装置４０４は（図９Ａの９２２において）着火を開始する。「着火」は、本質的には、酸化装置４０４が与えられた温度下での燃料４０３と空気４０９を使用した進行中の触媒反応を有するための条件である。「着火」は、典型的には、（図示されていない）触媒を加熱する工程、及び、（同じく図示されていない）酸化装置４０４の反応装置を通じて空気４０９を流す工程を含む。一旦（図９Ａの９２４において）触媒が開始し、酸化装置４０４の反応装置が安定すれば、燃料４０３は（図９Ａの９２６において）徐々にＡＴＲ４０２に移される。ＡＴＲ４０２は（図９Ｂの９２８において）自身の反応装置をパージするために燃料４０３を使用する。酸化装置４０４の着火が（図９Ａの９３０において）完了されると、酸化装置４０４は、他のサブシステム４０２、４０６から４１２に要求されれば、それらのシステムに処理供給物流４１１（すなわち、水４０７、空気４０９、及び、燃料の混合物）を提供する。もし酸化装置４０４着火工程が開始し、しかも、完了しなければ、又は、非常に緩慢にしか完了しなければ、運転休止が開始される。
【００５０】
一旦、全てのサブシステム管理プログラム５０４から５１４が、自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２がそれらのシステムの予熱タスクを完了したことを信号で送信すれば、マスター制御管理プログラム５０２は同管理プログラム５０４から５１４に、燃料処理装置１０２が起動条件下で動作を開始する起動状態３１０に移行するように信号を送信する。起動状態３１０のアクティビティは図１０Ａから図１０Ｅに示されている。空気サブシステム４１０、水サブシステム４０８、及び、熱サブシステム４１２は酸化装置４０４及びＡＴＲ４０２に（図１０Ｃの１０１０において）空気４０９を、（図１０Ｄの１０１２において）水４０７を、及び、（図１０Ｅの１０１４において）熱制御を提供する。酸化装置４０４は、ＡＴＲ４０２が（図１０Ｂの１０２２において）自身の加熱器、冷却、及び、燃料流量を維持すると、（図１０Ａの１０２０において）処理供給物流４１１を準備し始め、かつ、供給し始め、ついには双方とも定常状態の動作条件に到達する。
【００５１】
より詳細には、起動状態３１０は酸化装置４０４の（図示されていない）予熱区間を通じて天然ガス又は他の燃料４０３を流すことにより開始する。続いて、このガスはＡＴＲ４０２の改質装置を通じて熱を搬送するために使用され、かつ、温度及び内部反応を維持するために同装置４０４に戻される。酸化装置４０４は、直接の天然ガス供給物から、予熱されたＡＴＲ４０４からの戻りオフガスへの移行である。一旦ＡＴＲ４０４の反応装置区間が着火温度に到達すれば、空気４０９も予熱により、かつ、続いて、反応装置内に供給される。空気と燃料は混合し、かつ、それらがＡＴＲ４０４の改質装置を「着火」させるＡＴＲ表面に送達される。ＡＴＲ４０４のこの区間で発生された熱はＡＴＲ４０４の残り部分を通じて搬送され、（図示されていない）残りの反応装置床を「暖める」。一旦反応装置床が指定温度に到達すれば、水４０７が反応物質空気４０９及び燃料４０３と混合され、かつ、ＡＴＲに送達される。この工程は反応装置の内部で発生される様々な程度の水素系改質燃料をもたらし、かつ、予熱機能を継続するために酸化装置４０４に送達し戻される。一旦、改質燃料、すなわち、改質燃料４０５が、燃料電池用品質のものであると考えられる安定した組成に到達すれば、運転状態３１２に進むための付帯条件は満足される。
【００５２】
一旦、全てのサブシステム管理プログラム５０４から５１４が、自身の個々の物理的サブシステムが定常状態の動作条件に到達したことを信号で送信すれば、マスター制御管理プログラム５０２は、同管理プログラム５０４から５１４に、運転状態３１２に移行するように信号を送信する。運転状態３１２のアクティビティは図１１Ａから図１１Ｅに示されている。運転状態３１２において、燃料処理装置１０２は定常状態の条件下で動作する。燃料処理装置１０２の全体的な機能は燃料電池１０４による使用のために図４に示された燃料４０３を改質することである。従って、燃料処理装置１０２の動作はＡＴＲ４０２の動作、ならびに、燃料サブシステム４０６、水サブシステム４０８、及び、空気サブシステム４１０からＡＴＲ４０２への（全てが図４に示された）燃料４０３、空気４０９、及び、水４０７の送達を中心としている。空気サブシステム４１０、水サブシステム４０８、及び、熱サブシステム４１２は酸化装置４０４及びＡＴＲ４０２に（図１１Ｃの１１１０において）空気４０９を、（図１１Ｄの１１１２において）水４０７を、及び、（図１１Ｅの１１１４において）熱制御を提供し続ける。ＡＴＲ４０２が処理供給物流４１１を改質燃料４０５に（図１１Ｂの１１２２において）改質する間、酸化装置４０４は、要求に応じて、ＡＴＲ４０２に処理供給物流４１１を（図１１Ａの１１２０において）提供する。
【００５３】
動作において、ＡＴＲ４０４の（図示されていない）処理装置の反応装置は処理供給物流４１１を水素又は富水素、ガス流、及び、水などの排気副生成物に改質する。例示の実施形態における処理供給物流４１１は図４に示された酸化装置４０４から燃料、空気、及び、水の混合物を搬送する。図１２は本発明の例示的実施形態に含まれている処理ステップを示す一般的な処理フロー図を示す。図１２に関連した以下の説明は、発明者Ｃｕｒｔｉｓ  Ｌ．  Ｋｒａｕｓｅ他の名義で２００１年１２月５日に出願され、かつ、２００２年７月１８日に公告された（公告番号第ＵＳ２００２／００９４３１０Ａ１）、「富水素ガスを製造するための小型燃料処理装置（Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｆｕｅｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ａ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｒｉｃｈ  Ｇａｓ）」と題された米国特許出願第１０／００６９６３号明細書から採用される。
【００５４】
燃料処理装置１０２の処理供給物流４１１は上述したように炭化水素燃料、酸素、及び、水の混合物を含む。酸素は空気、酸素強化空気、又は、実質的に純粋な酸素の形態とすることができる。水は液体又は蒸気として導入することができる。供給物成分の組成割合は以下に検討される所望の動作状態により決定される。本発明からの燃料処理装置排気流は水素及び二酸化炭素を含み、かつ、幾分かの水、未変換の炭化水素、一酸化炭素、不純物（例えば、硫化水素及びアンモニア）、ならびに、不活性成分（例えば、特に空気が供給物流の成分であった場合は窒素及びアルゴン）も含むことができる。
【００５５】
処理装置ステップＡはオートサーマル改質工程であり、この工程では、１つの特定の実施形態において、供給物流４１１を水素及び一酸化炭素を含む合成ガスに変換するために、２つの反応、部分酸化（以下の化学式Ｉ）及び任意選択的な水蒸気改質（以下の化学式ＩＩ）が行なわれる。化学式Ｉ及びＩＩは、炭化水素としてメタンを考えた場合の例示的な反応化学式である。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２  →  ２Ｈ２＋ＣＯ  （Ｉ）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ３Ｈ２＋ＣＯ  （ＩＩ）
処理供給物流４１１は図４に示された酸化装置４０４から処理装置の反応装置により受入れられる。処理供給物流４１１において、酸素濃度が高い方が部分酸化に有利であるのに対し、水蒸気濃度が高い方が水蒸気改質に有利である。従って、炭化水素に対する酸素の比及び炭化水素に対する水の比は動作温度及び水素生産量に影響を及ぼす特徴パラメータである。
【００５６】
オートサーマル改質ステップＡの動作温度は、供給物の状態及び触媒により、約５５０℃から約９００℃の範囲とすることができる。各比、温度、及び、供給物条件は、全て本発明の制御システムにより制御されるパラメータの例である。例示の実施形態は、水蒸気改質触媒を伴う、又は、伴わない改質装置における部分酸化触媒の触媒層を使用する。
【００５７】
処理ステップＢは、処理ステップＡからの合成ガス流を、約２００℃から約６００℃、好ましくは約３７５℃から約４２５℃の温度に冷却し、（以下に検討する）処理ステップＣのための合成ガス排気の温度を整えるための冷却ステップである。この冷却は、設計仕様、及び、任意の適当なタイプの冷媒を使用してガス流の熱含有量を回収／リサイクルさせるための必要性に応じて、吸熱器、ヒートパイプ、又は、熱交換器を使用して達成することができる。例えば、処理ステップＢに対する冷媒は熱サブシステム４１２の冷媒４１３とすることができる。
【００５８】
処理ステップＣは精製ステップであり、硫化水素吸収体として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用している。炭化水素流の主な不純物の１つは硫黄であり、硫黄はオートサーマル改質ステップＡにより硫化水素に変換される。処理ステップＣで使用される処理芯材は、好ましくは酸化亜鉛及び／又は硫化水素を吸収及び変換することができる他の材料を含み、かつ、支持体（例えば、モノリス、押出物、ペレットなど）を含むことができる。脱硫は以下の反応化学式ＩＩＩにより硫化水素を水に変換することにより達成される。
Ｈ２Ｓ＋ＺｎＯ  →  Ｈ２Ｏ＋ＺｎＳ  （ＩＩＩ）
この反応は、好ましくは約３００℃から約５００℃、より好ましくは約３７５℃から約４２５℃の温度で行なわれる。
【００５９】
図１２をなお参照すると、続いて、排気流は混合ステップＤに送出される。混合ステップＤおいては、水サブシステム４０８から受入れられた水４０７が任意選択的にガス流に加えられる。これらは双方とも図４に示されている。水を追加すると、水が気化し、かつ、（以下に検討される）処理ステップＥの水性ガスシフト反応に対してより多くの水を供給するので、反応物質流の温度が下がる。効果的に水を混合し、及び／又は、水の気化を促進するセラミックビーズ又は他の同様の材料などの不活性材料の処理芯材を通過させることにより、水蒸気と他の排気流成分は混合される。代案として、任意の追加の水を供給物と共に導入したり、混合ステップを再配置して、（以下に検討される）ＣＯ酸化ステップＧにおける酸化剤ガスのより良好な混合を提供したりすることができる。この温度も本発明の制御システムにより制御される。
【００６０】
処理ステップＥは化学式ＩＶにより一酸化炭素を二酸化炭素に変換する水性ガスシフト反応である。
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ  →  Ｈ２＋ＣＯ２  （ＩＶ）
一酸化炭素の濃度は、好ましくは、燃料電池に許容され得るレベル、典型的には５０ｐｐｍ未満に下げるべきである。一般に、水性ガスシフト反応は、使用される触媒によっては、１５０℃から６００℃の温度で起こり得る。このような条件下で、ガス流中の一酸化炭素の過半はこのステップで変換される。温度及び濃度は本発明の制御システムにより制御される更なるパラメータである。
【００６１】
再び図１２に戻ると、処理ステップＦは冷却ステップである。処理ステップＦは、ガス流の温度を下げて、好ましくは約９０℃から約１５０℃の範囲の温度を有する排気を生産する。（図示されていない）空気サブシステムからの酸素もステップＦで処理に加えられる。この酸素は以下に説明されるステップＧの反応により消費される。
【００６２】
処理ステップＧは、排気流中の残存一酸化炭素のほとんど全てが二酸化炭素に変換される酸化ステップである。この処理は一酸化炭素の酸化のための触媒の存在下に行なわれる。処理ステップＧにおいては、２つの反応、すなわち以下の如くの一酸化炭素の望ましい酸化（化学式Ｖ）及び水素の望ましくない酸化（化学式ＶＩ）が起こる。
ＣＯ＋１／２Ｏ２  →  ＣＯ２  （Ｖ）
Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  （ＶＩ）
一酸化炭素の優先的な酸化は低い温度により有利となる。双方の反応が熱を産出するため、処理内に配置された冷却コイルなどの冷却要素を任意選択的に含めることが有利である。処理の動作温度は、好ましくは、約９０℃から約１５０℃の範囲に保たれる。処理ステップＧは、一酸化炭素のレベルを、好ましくは、燃料電池における使用に適するレベルである５０ｐｐｍ未満に低減する。
【００６３】
燃料処理装置から出る改質燃料４０５は、二酸化炭素、及び、水、不活性成分（例えば、窒素、アルゴン）、残存炭化水素などの存在する可能性のある他の構成成分を含む富水素ガスである。生成物ガスは燃料電池のための、又は、富水素供給物流が所望される他の用途のための供給物として使用することができる。任意選択的に、生成物ガスは、例えば二酸化炭素、水、又は、他の成分を除去するために、さらなる処理に送出することができる。
【００６４】
最終的に、動作サイクルは終了する。もし終了が計画されていれば、マスター制御管理プログラム５０２は、全てが図５に示されたサブシステム管理プログラム５０４から５１４に、図４に示された自身の個々の物理的サブシステム４０２から４１２を適切な時点で運転休止状態３１４に移行させるように信号を送信する。上記に述べたように、サブシステム管理プログラム５０４から５１４は、図６に示された自身の診断モジュール６１０により、エラー条件の発生に対して自身の個々の物理的サブシステムをモニタする。いくつかのエラー条件は燃料処理装置１０２の動作の運転休止を保証する。もしそのような「運転休止」エラー条件が検出されれば、その状態を検出したサブシステム管理プログラム５０４から５１４は、図５に示された診断モジュール６１０及び診断層５２０によりマスター制御管理プログラム５０２にそのことを報告する。続いて、マスター制御管理プログラム５０２はサブシステム管理プログラム５０４から５１４に緊急運転休止状態６１６に移行するように信号を送信する。
【００６５】
しかし、運転休止状態３１０での標準的な運転休止においては、酸化装置４０４及び（図示されていない）ＡＴＲ４０２の反応装置は、一般的な用語で言えば、パージされ、かつ、冷却される。運転休止状態３１０への移行の際、空気サブシステム４１０、水サブシステム４０８、及び、熱サブシステム４１２は、酸化装置４０４及びＡＴＲ４０２に（図１３Ｃの１３１０において）空気４０９を、（図１３Ｄの１３１２において）水４０７を、及び、（図１３Ｅの１３１４において）熱制御を提供している。例示の実施形態において、ＡＴＲ４０２は先ずパージされ、かつ、運転休止され、酸化装置４０４がその後に続く。
【００６６】
ＡＴＲ４０２を運転休止し、かつ、パージするために、（図１３Ｃの１３２０において）空気サブシステム４１０はＡＴＲ４０２の反応装置への空気４０９の流れを終結し、その後に（図１３Ｄの１３２２における）水サブシステム４０８の水４０７の流れの終結が続く。続いて、燃料サブシステム４０６は、ＡＴＲ４０２の反応装置が（図１３Ｂの１３２４において）燃料４０６を使用してパージする間、燃料４０６の流れを（図示されていない）継続する。続いて、熱サブシステム管理プログラム５１４は、反応装置を含めたＡＴＲ４０２の様々な構成部分を冷却するために、（図１３Ｅの１３２６において）（図示されていない）冷却コイルの電源を入れる。構成部分は（図１３Ｂの１３２８において）室温にまで冷却され、その時点で、次に、熱サブシステム管理プログラム５１４は（図１３Ｅの１３３０において）冷却コイルの電源を切る。
【００６７】
酸化装置４０４を運転休止し、かつ、パージするために、燃料サブシステム４０６は酸化装置４０４の反応装置への燃料４０３の流れを終結し、その時点で、酸化装置４０４の反応装置は（図１３Ａの１３３２において）空気サブシステム４１０からの空気４０９を使用してパージされる。ＡＴＲ４０２の反応装置は容積によりパージされるのであるが、これとは逆に、酸化装置４０４の反応装置は所定の温度に到達するまでパージされる。この手法は酸化装置４０４の反応装置のパージにおいて採用される。なぜなら、床の異なった部分における触媒の搭載における差が他方より活発になり得るからである。例示の実施形態において、酸化装置４０４の反応装置は室温にまでパージされる。一旦、酸化装置４０４の反応装置がパージされれば、空気サブシステム４１０は（図１３Ｃの１３３４において）酸化装置４０４への空気の供給を終結し、かつ、（図１３Ｃの１３３６において）空気サブシステム４１０の構成部分（例えば、圧縮器）を運転休止する。（図１３Ｃの１３３８において）水サブシステム４０８、（図１３Ｃの１３４０において）燃料サブシステム４０６、及び、熱サブシステム４１２も、水サブシステム４０８、燃料サブシステム４０６、及び、熱サブシステム４１２の構成部分を運転休止する。
【００６８】
従って、本発明は図１に示された燃料処理装置１０２の動作サイクル３００を複数の動作状態、すなわち、全てが図３に示されたオフ状態３０２、管理プログラム検査状態３０４、予熱状態３０８、起動状態３１０、運転状態３１２、及び、運転休止状態３１４に分離する。図６に示された手動状態６０６及び緊急運転休止状態６１６などの追加の動作状態も使用することができる。動作サイクル３００は、例示の実施形態において、自動制御装置１０６により制御されるソフトウェアである。燃料処理装置１０２は、例えば燃料電池１０４に改質燃料１０８を供給するために使用することができる。そのような実施形態において、燃料処理装置１０２及び燃料電池１０４は発電設備に一体化することができる。しかし、燃料処理装置１０２は、富水素ガス流が所望される可能性があるいかなる最終用途にも使用することができる。
【００６９】
上記に説明された特定の実施形態は単に説明目的のものである。というのは、本発明は本明細書における教示の恩恵を受ける当業者には明らかな、異なるが均等な形で修正し、かつ、実施することができるからである。更に、以下の特許請求の範囲に記載されたもの以外に、本明細書に示された構造又は設計の細部には何らの限定も意図されていない。従って、上記に説明された特定の実施形態が改変又は修正され得ることは明らかであり、全てのそのような変形例は本発明の範囲及び要旨の内であると考えられる。従って、本明細書において求められている保護内容は以下の特許請求の範囲に記載されるとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明により構成及び動作される燃料処理装置を使用した燃料電池発電設備を概念的に示す図である。
【図２Ａ】図１の実施形態の自動制御システムを実施することができる計算装置を概念的に示す図である。
【図２Ｂ】図１の実施形態の自動制御システムを実施することができる計算装置を概念的に示す図である。
【図３】図１に示された燃料処理装置のための、本発明による動作サイクルを示す図である。
【図４】本発明により動作及び制御される図１の発電設備の燃料処理装置の１つの特定の実施形態を示す図である。
【図５】図１に最初に示された燃料処理装置の制御における使用のための図１の自動制御システムの１つの特定の実施形態を示す図である。
【図６】図４から図５に示された１つの特定の実施形態の動作サイクルのための状態機械の図である。
【図７】図４から図６に例示の実施形態の「オフ」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図８Ａ】図４から図６に例示の実施形態の「管理プログラム検査」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図８Ｂ】図４から図６に例示の実施形態の「管理プログラム検査」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図８Ｃ】図４から図６に例示の実施形態の「管理プログラム検査」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図８Ｄ】図４から図６に例示の実施形態の「管理プログラム検査」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図８Ｅ】図４から図６に例示の実施形態の「管理プログラム検査」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図８Ｆ】図４から図６に例示の実施形態の「管理プログラム検査」動作状態において発生する選択されたイベントを示す図である。
【図９Ａ】図４から図６に例示の実施形態の「予熱」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図９Ｂ】図４から図６に例示の実施形態の「予熱」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図９Ｃ】図４から図６に例示の実施形態の「予熱」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図９Ｄ】図４から図６に例示の実施形態の「予熱」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図９Ｅ】図４から図６に例示の実施形態の「予熱」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１０Ａ】図４から図６に例示の実施形態の「起動」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１０Ｂ】図４から図６に例示の実施形態の「起動」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１０Ｃ】図４から図６に例示の実施形態の「起動」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１０Ｄ】図４から図６に例示の実施形態の「起動」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１０Ｅ】図４から図６に例示の実施形態の「起動」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１１Ａ】図４から図６に例示の実施形態の「運転」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１１Ｂ】図４から図６に例示の実施形態の「運転」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１１Ｃ】図４から図６に例示の実施形態の「運転」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１１Ｄ】図４から図６に例示の実施形態の「運転」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１１Ｅ】図４から図６に例示の実施形態の「運転」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１２】例示の実施形態における運転状態中の図４に最初に示された燃料処理装置の自動改質装置の改質工程を図表として示す図である。
【図１３Ａ】図４から図６に例示の実施形態の「運転休止」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１３Ｂ】図４から図６に例示の実施形態の「運転休止」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１３Ｃ】図４から図６に例示の実施形態の「運転休止」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１３Ｄ】図４から図６に例示の実施形態の「運転休止」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１３Ｅ】図４から図６に例示の実施形態の「運転休止」状態の選択されたアクティビティを示す図である。
【図１】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【国際調査報告】
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