(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流側処理部のために燃料からガスを生成するよう動作可能な燃料処理システムを制御するための制御システムであり、前記燃料処理システムは、複数の燃料処理要素と、燃料入力と、廃ガス入力と、を用い、前記各燃料処理要素は個々の出力を有し、かつ、前記複数の燃料処理要素は集合出力を有し、前記下流側処理部は、廃ガス出力と、動的な補給要求とを有し、
前記下流側処理部からの前記動的補給要求を示す通信を受けるための手段と、
前記動的補給要求に応答して前記ガスの集合出力レベルを制御するための制御手段と、を有し、この制御手段は、
前記各燃料処理要素からの前記個々の出力が互いに実質的に等しくなって前記集合出力が得られるように、前記動的な補給要求を前記複数の燃料処理要素に実質的に均等に配分する手段と、
前記個々の出力のうち少なくとも一つが集合出力に寄与するように、前記複数の燃料処理要素に対して最も効率的に前記動的な補給要求を配分する手段と、を有することを特徴とする制御システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記複数の燃料処理要素のそれぞれの内部の温度を検出する手段を有し、
前記複数の燃料処理要素のそれぞれに流入する前記燃料のフローレベルを、前記補給要求に応じて増加、減少、及び維持するための手段を有し、
前記燃料を処理して前記ガスを生成するように前記燃料処理要素それぞれの内部への廃ガスのフロー量を増加、減少、及び維持するための手段を有し、前記燃料入力への前記燃料のフローレベルが増加するにつれて、前記廃ガス入力への前記廃ガスのフローが増加することで、前記温度が、ある範囲内で上昇し、
前記廃ガスが、前記補給要求によって要求される前記集合出力レベルで前記燃料を処理するために要求される前記温度に到達して維持されるに十分であるかどうかを判定するための手段を有し、
前記廃ガスが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には、前記制御手段は、更に、前記燃料フローレベルを維持し、一方、前記廃ガスレベルが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分でない場合には、前記制御手段は、前記燃料の前記フローレベルを減少させて別のフローレベルとし、この別のフローレベルでは、前記廃ガスが十分なものとなり、かつ、他の廃ガス源から更なる廃ガスが回収されて前記温度が維持され、前記燃料フローレベルが得られるようにすることを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項３】
前記燃料フローレベル及び廃ガスのフローを増加、減少、及び維持させる手段は、燃料制御要素を有することを特徴とする請求項２記載の制御システム。
【請求項４】
前記燃料処理要素への空気及びスチームのフローを増加及び減少させるための手段を更に有し、前記空気及びスチームの前記フローは、前記廃ガスのフロー及び燃料フローレベルが増加するにつれて増加し、また、前記廃ガスのフロー及び燃料フローレベルが減少するにつれて減少することを特徴とする請求項３記載の制御システム。
【請求項５】
前記判定手段は、前記廃ガスの量及び成分を検出する手段を有し、前記量及び成分が、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には、前記  手段は、前記燃料フローレベルを維持し、前記量及び成分の一方が、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分でない場合には、前記制御手段は、前記フローレベルを減少させて他のレベルとし、この他のレベルでは、前記量及び成分が十分なものとなり、他の廃ガス源から更なる廃ガスが回収されて前記温度に到達及び維持されることを特徴とする請求項２記載の制御システム。
【請求項６】
前記各燃料処理要素は、動作範囲を有し、前記集合出力レベルを制御する制御手段は、更に、前記動的なガス補給要求に対応した累積的な動作レベル及び前記ガスの累積的な出力が得られるように前記各要素をそれぞれ実質的に等価な動作レベルで動作させるための手段を有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記補給要求により要求される集合出力レベルを示すコマンドを受けるために、前記通信を受けるための手段とのインターフェース手段を有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項８】
前記通信を受けるための手段は、セントラルコマンドコントロールユニットを有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項９】
前記最も効率的に前記動的な補給要求を配分する手段は、前記補給要求に対応した前記集合出力が得られるように前記個々の燃料処理要素の最も効率的な組み合わせを決定する手段を有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項１０】
下流側処理部のために燃料からガスを生成するよう動作可能な燃料処理システムを制御するための制御方法であり、前記システムは、複数の燃料処理要素と、燃料入力と、廃ガス入力と、を用い、前記各燃料処理要素は個々の出力を有し、かつ、前記複数の燃料処理要素は集合出力を有し、前記下流側処理部は、廃ガス出力と、動的な補給要求とを有し、
前記下流側処理部からの前記動的補給要求を示す通信を受けるステップと、
前記通信に応答して前記ガスの集合出力レベルを制御するステップと、を有し、この制御ステップは、
前記各燃料処理要素からの前記個々の出力が互いに実質的に等しくなって前記集合出力が得られるように、前記動的な補給要求を前記複数の燃料処理要素に実質的に均等に配分するステップと、
前記個々の出力のうち少なくとも一つが集合出力に寄与するように、前記複数の燃料処理要素に対して最も効率的に前記動的な補給要求を配分するステップと、を有することを特徴とする制御方法。
【請求項１１】
前記制御ステップは、
前記複数の燃料処理要素のそれぞれの内部の温度を検出するステップを有し、
前記複数の燃料処理要素のそれぞれに流入する前記燃料のフローレベルを増加、減少、及び維持するステップを有し、
前記燃料を処理して前記ガスを生成するように前記燃料処理要素それぞれの内部への廃ガスのフロー量を増加、減少、及び維持するステップを有し、このステップでは、前記燃料入力への前記燃料のフローレベルが増加するにつれて、前記廃ガス入力への前記廃ガスのフローが増加することで、前記温度が上昇し、
前記廃ガスが、前記補給要求によって要求される前記集合出力レベルで前記燃料を処理するために要求される前記温度に到達して維持されるに十分であるかどうかを判定するステップを有し、
前記廃ガスが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には、更に、前記燃料フローレベルを維持するステップを更に有し、
前記廃ガスレベルが、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分でない場合には、前記燃料の前記フローレベルを減少させて別のフローレベルとし、この別のフローレベルでは、前記廃ガスが十分なものとなり、かつ、他の廃ガス源から更なる廃ガスが回収されて、前記補給要求に応答して決定される前記集合出力レベルとして前記燃料を処理するために必要な前記温度に到達及び維持されるようにすることを特徴とする請求項１０記載の制御方法。
【請求項１２】
前記燃料処理要素への空気及びスチームのフローを増加、減少及び維持するためのステップを更に有し、前記空気及びスチームの前記フローは、前記廃ガスのフロー及び燃料フローレベルが増加するにつれて増加し、また、前記廃ガスのフロー及び燃料フローレベルが減少するにつれて減少することを特徴とする請求項１１記載の制御方法。
【請求項１３】
前記判定するステップは、前記廃ガスの量及び成分を検出するステップを有し、前記量及び成分が、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分である場合には、前記燃料フローレベルを維持するステップを有し、前記量及び成分の一方が、前記燃料を前記補給要求に対応した前記フローレベルで処理するために要求される前記温度に到達及び維持するに十分でない場合には、前記フローレベルが他のレベルとなるよう減少させるステップを有し、この他のレベルでは、前記量及び成分が十分なものとなり、他の廃ガス源から更なる廃ガスが回収されて前記温度に到達及び維持されるステップことを特徴とする請求項１１記載の制御方法。
【請求項１４】
前記各燃料処理要素は、動作範囲を有し、前記集合出力レベルを制御するステップは、更に、前記動的なガス補給要求に対応した累積的な動作レベル及び前記ガスの累積的な出力が得られるように前記各要素をそれぞれ実質的に等価な動作レベルで動作させるステップを更に有することを特徴とする請求項１０記載の制御方法。
【請求項１５】
前記集合出力レベルを変化させるように前記制御手段にコマンドを送ることで、前記通信に応答して前記集合出力レベルを制御するステップを更に有することを特徴とする請求項１０に記載の制御方法。
【請求項１６】
前記最も効率的に前記動的な補給要求を配分するステップは、前記補給要求に対応した前記集合出力が得られるように前記個々の燃料処理要素の最も効率的な組み合わせを決定するステップを有することを特徴とする請求項１０記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、主に工業用ガスの生成に関し、特に、下流側処理部における動的な補給要求（ｌｏａｄ  ｄｅｍａｎｄ）に応じて炭化水素の供給原料油（燃料）から工業用ガスを生成する装置及び方法、並びにこの工業用ガスの生成を制御する制御システム及び制御方法に関する。
背景技術
水素などの工業用ガスを生成するための反応装置は、従来技術において周知である。このような燃料処理装置は、天然ガスやナフサなどの炭化水素燃料から水素を生成する最も一般的な方法として水蒸気改質を利用する。従来の商業サイズの燃料生成装置（改質装置）は、通常、出力が大変大きくかつ一定であるユニットであり、変動する需要や流量要求に応じてその出力を調整する能力が限られている。
燃料電池発電装置として知られている発電装置は、その燃料電池スタックアセンブリ（ＣＳＡ）の陽極で水素を消費することによって作動する電気化学的装置である。燃料電池発電装置の水素需要は、動的であるので、このような装置を一定の出力特性を有する従来の商業サイズの改質装置に容易に適応させることができない。このために、出願人は、小型の改質装置及び関連する技術の開発を行った。発電装置と一体に機能する本発明の小型の改質装置は、発電装置の水素消費に応じて水素リッチ蒸気の生成量を変動することが可能であることによって特徴づけられる。この技術は、出願人が有する米国特許第４，０９８，８５８号及び第４，０９８，５８９号に開示されている。
また、燃料発電装置で使用されている従来の商業サイズ設計や小型改質装置などの燃料処理装置によって通常生成される水素純度では、工業用ガスの他の必要条件を満たすことができない状況もある。このような高純度の水素に対する要求を満たすには、圧力スイング吸着（pressure swing adsorption:ＰＳＡ）ユニット、低温ユニットや膜ユニットなどの二次的な装置によって追加の処理を行うこともできる。
しかし、純度を高くするという要求に加えて需要量の変動が求められる場合、燃料電池発電装置で使用されるタイプの小型改質装置以外には、これを実質的に満足させるものはみあたらない。残念ながら、改質ユニットの作動制御装置に対して大きな変更を加えることなく、ＰＳＡ装置などの二次的なユニットに小型の改質装置を直接連結することはできない。
本発明の燃料電池改質装置は、燃料電池の総電流即ち電力に比例する水素消費に応じてＣＳＡに水素リッチガスを供給することを目的としている。この燃料電池発電装置から排出される、水素が消費されたガス（廃ガス）は、水蒸気改質処理用の熱を供給するために改質バーナに与えられる。改質処理燃料及び蒸気供給物は、燃料電池の総電流に比例して調整されるが、一定の改質温度を維持する必要性もある。
安定点において一定の水素消費で作動する燃料電池発電装置では、改質装置への燃料供給を増加することによって改質装置の温度を上昇させることができる。これは、燃料供給量が増加すると、改質装置のバーナに供給される廃ガスの量が直接かつ急速に増加するからである。この手段によって、改質装置へのエネルギ入力が増加し、これに伴って改質装置の温度が上昇する。逆に、安定した動作点において燃料供給を減少すると、改質装置の温度は低下する。
小型の改質装置がＰＳＡ装置などの他の水素消費装置即ち水素抽出装置と直列に接続されている場合には、燃料電池発電装置において、改質装置への燃料供給と改質装置の加熱とを上述のように直接的リンクさせることはできない。ＰＳＡの廃ガス即ちブローダウンパージガスは、改質装置のバーナによってユニットを加熱するために利用されることに変わりはない。しかし、この廃ガスの流量と発熱量は、ＰＳＡの特定の動作によって決まり、改質装置への燃料供給量と改質装置のバーナへと戻るように供給される廃ガスの質及び量とを直接的にはリンクしない。
従って、ガスを生成する装置及び方法、及びそのために温度及び流れを制御する装置及び方法において、供給ガスと、ＰＳＡのような下流側ユニットから改質装置のバーナへと供給される廃ガスと、を直接的に関連づけることができないことを補うことができる方法や装置が求められている。また、容量の増加のために単一の動作ユニットとなるように接続した複数のユニットであって、各ユニットがそれぞれのユニットに対応する廃ガス供給をＰＳＡから受け、かつそれぞれ個々の温度制御が必要となるものがあり、これらの方法や装置のなかでも、このようなユニットに対しても適応可能なものが求められている。
発明の開示
本発明は、下流側の処理部における動的な補給要求に応じて、ガス生成システムを制御する、動作範囲が広くフレキシブルである制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、更に、燃料処理システムの制御システム及び方法であって、複数の個々の燃料処理システムを単一ユニットをして作動させ、かつ、下流側処理部でのダイナミックな補給要求に効率的かつ迅速に応答するものを提供することを目的とする。
上述の目的及び利点は、燃料から下流側での処理のためのガスを生成するよう動作可能である燃料処理システムを制御するための、本発明に係る制御システム及び制御方法により達成される。このシステム及び方法では、上述の燃料処理システムは、複数の燃料処理要素、燃料入力、及び廃ガス入力を有し、各燃料処理要素は、個々の出力を有し、上述の複数の燃料処理要素は、集合的出力を有し、下流側処理部は、廃ガス出力と動的ガス補給要求を有する。
この制御システムの好適実施形態では、下流側処理部からの動的補給要求を示す通信を受けるためのデバイスと、この動的補給要求に応答してガスの集合出力レベルを制御する制御デバイスとが含まれる。この制御デバイスは、各燃料処理要素からの個々の出力が互いに実質的に等しくなって集合的出力が得られるように、動的な補給要求を複数の燃料処理要素に実質的に均等に配分するように動作可能である。この制御デバイスは、個々の出力のうち少なくとも一つが集合的出力に寄与するように、複数の燃料処理要素に対して最も効率的に上述の動的な補給要求を配分するようにも動作可能である。
この方法の好適な実施形態では、下流側処理部からの動的補給要求を示す通信を受けるステップと、この動的補給要求に応答してのガスの集合アウトプットレベルを制御する制御ステップとが含まれる。この制御ステップは、各燃料処理要素からの個々の出力が互いに実質的に等しくなって集合的に出力されるように、動的な補給要求を複数の燃料処理要素に実質的に均等に配分するステップと、個々の出力のうち少なくとも一つが集合的出力に寄与するように、複数の燃料処理要素に対して最も効率的に上述の動的な補給要求を配分するステップと、のいずれか一方のステップを有する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る相互に作用する燃料処理ユニット及び制御装置を有する燃料処理装置の概略図である。
図２は、本発明に係る関連する種々の供給及びアウトプットを示した単一の燃料処理ユニットのより詳細な概略図である。
図３は、装置の種々の制御要素を示した図１の装置のより詳細な概略図である。
図４は、本発明に係る制御機構を示した概略図である。
図５は、本発明の装置を配置するためのモジュール式パレット設計の概略図である。
発明を実施するための最良の形態
詳細な図面を参照すると、図１には本発明に係る燃料生成及び制御装置の概略図全体を符号１０として示している。装置１０は、動的な補給要求信号（load demand signal:ＬＳ）を含む下流側ガス消費処理部１２とともに使用するように示されており、装置１０は、この補給要求ＬＳに対して応答する。下流側処理部１２は、例えば、低温処理、膜処理、燃料ステーション、水素化処理、圧力スイング吸着処理、などのガス消費処理部であってもよい。概略すると、装置１０は、下流側処理部１２の動的な補給要求を検出するように機能するとともに、下流側処理部用の所望のガスＳを効率的かつ最大限に生成するように燃料Ｆを処理する。
図１では、装置１０は、燃料処理ユニット１４を含む複数の主要コンポーネントを用いている。図３で示した燃料処理要素の数は、単に例示的であり、従って、装置及び下流側処理部の要求を満たすのに必要な数の燃料ユニットを用いることができる。この装置は、以下でより詳細に説明するように、更に、処理方法全体及びそこで使用される種々の要素を制御するための制御装置１６、換気装置１７、及び種々の制御要素１８を含む。
図３に示した複合型燃料処理要素１４ａ〜１４ｃは、それぞれ制御装置１６が制御する同比率もしくは独立した作動機構として構成することができる。同比率の機構では、各燃料処理要素１４ａ〜１４ｃは、それぞれその全作動容量の所定の割合で下流側処理部１２で使用される所望のガスＳを実質的に同程度生成する。一方、独立した作動機構では、制御装置１６によって、下流側処理部の要求に従って装置のガス生成効率を最大化することができ、これに従って、燃料処理要素１４ａ〜１４ｃは、全作動容量に対する作動割合の所定の範囲において作動するが、必ずしも全て一度に作動する必要はない。好適な作動機構は、同比率機構であり、この機構では、制御装置１６は、下流側処理部１２の要求に応じて燃料処理要素１４ａ〜１４ｃの作動割合を減少及び増加するように機能するとともに、下流側処理部１２の動的な補給要求に応じて個々の要素を停止したり個々の要素を起動したりする必要性がないように機能する。特定の下流側処理部の要求に対して、最も効率的な作動モードを切り換えて使用することもできる。
装置１０で使用される燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、燃料電池発電装置でも使用されているインターナショナル  フューエル  セルズ  コーポレイションのユニットであることが望ましい。このような処理ユニットは、ブッシュウェル等に付与された米国特許第４，０９８，５８８号及び第４，０９８，５９９号、ファンシウッロに付与された米国特許第４，０９８，９５９号に開示されており、これらの特許の詳細な説明は、参照文献として本出願に含まれる。これらの特許は、インターナショナル  フューエル  セルズ  コーポレイションの親会社であるユナイテッド  テクノロジーズ  コーポレイションに譲渡されている。
装置を容易に説明するために、ここでは図２を参照して処理ユニット１４ａ〜１４ｃの概要を説明するが、ユニットの詳細については、上述の文献を参照されたい。
ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれ水蒸気改質装置２０及びバーナ２３を有することが望ましい。バーナ２３は、供給部２１より供給されるバーナ燃料Ｇを燃焼することができ、供給部２２から水蒸気改質装置２０へ供給される燃料Ｆと供給部２４から供給される水蒸気ＳＴとの混合物を改質するために水蒸気改質装置２０によって用いられる熱の要求される量を提供する。供給部２１，２２に加えて、燃料のために必要となる空気Ａが、供給部２４を通してバーナセクション２３に供給される。
図１及び図３で示したように、装置１０の作動機構は、制御装置１６，制御要素１８、及び複数の流体接続部即ちライン２６によって容易となっており、ライン２６によって、ユニット（要素）１４ａ〜１４ｃは、外部の流体の供給物、下流側処理部１２への排出物、及び下流側処理部からの供給物と接続される。制御装置１６は、装置の種々の要素を制御するためのソフトウェアに基づいたアルゴリズムであることが望ましい。しかし、電子的な装置を使用することもできる。
接続部２６は、それぞれの処理ユニットから出入りする複数のラインを含む。図２及び、更に詳細には図３で示したように、各燃料処理ユニットは、ライン３０を含み、このライン３０によってその改質装置部分２０に燃料Ｆが供給される。水蒸気は、ライン３４を通して改質装置に供給される。この水蒸気は、ガスＳを望ましくは水素リッチガスとして生成するために水蒸気改質装置で利用される。別のライン３２が、装置を冷却するための冷却液Ｃを各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃ内に導入するために設けられている。また他のライン３９が、続いてバーナ燃料Ｇと混合される水蒸気ＳＴを装置のバーナ部分２３に導入し、ライン６１が燃焼で使用される空気Ａを供給する。下流側処理部１２からの廃ガス即ちオフガス（ｏｆｆ−ｇａｓ）であるバーナ燃料Ｇは、ライン３６を通って各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃの各バーナに導入される。各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、また、下流側処理部１２へ導入するための共通ライン３８へ生成ガスＳを排出する排出ライン３８ａ，３８ｂ，３８ｃを含む。燃料処理ユニットからライン３８に排出されるガスＳの量及び種類は、下流側処理部１２の要求及び装置に供給される燃料Ｆの量及び種類によって決まる。好適な実施例では、下流側処理部１２は、圧力スイング吸着処理部であり、所望のガスＳは、水素リッチガスであり、供給燃料Ｆは、天然ガスである。各ユニットは、所望のガスＳを排出するのに加えて、ライン４０ａ，４０ｂ，４０ｃを通して冷却液Ｃを再冷却及び再循環のために排出する。従って、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、下流側処理部１２からの廃ガスＧを利用して、改質装置２０に熱を提供するバーナ２３に燃料を供給する。低流量における炭素の析出を防止するとともにバーナによるＮＯＸの形成を減少するために、燃焼の前に水蒸気ＧＴを廃ガスＧと混合することで燃料を安定化させる。制御ユニット１６は、制御要素１８を介して作動可能となっており、動的な補給要求ＬＳに応じるように下流側処理部１２での要求に従って廃ガスＧ、水蒸気ＳＴ、冷却液Ｃ、及び燃料Ｆの流れを制御する。実際の制御方法に関しては、以下でより詳細に説明する。
燃料処理ユニット１４ａの制御用を１８は、燃料処理ユニットへの燃料Ｆ、水蒸気ＳＴ、及び廃ガスの流れをそれぞれ制御するためのバルブ４２ａ〜４２ｃである。同様のバルブ４４ａ〜４４ｃが、ユニット１４ｂ用に設けられており、また、同様のバルブ４６ａ〜４６ｃがユニット１４ｃ用に設けられている。追加の制御要素１８には、燃料ライン３０の供給部におけるバルブ５０、水蒸気ライン３４の供給部におけるバルブ５２、背圧が過剰な場合にガスＳを排出する排出ライン５６におけるバルブ５４、下流側処理部１２に導入されるガスＳを制御するためのライン３８の排出部におけるバルブ５８、及び下流側処理部１２から供給される廃ガスＧの量を計測及び制御するための流量計５９が含まれる。更に、燃焼を促進するために、ライン６１を通して各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃのバーナ部分２３に空気Ａを導入するためのブロア６０が設けられている。全ての要素１８は、制御装置１６によって制御されており、装置１０が下流側処理部１２の動的な補給要求ＬＳに対して直接的に応答するようになっている。
図１，図２及び図４を参照すると、制御装置１６は、下流側処理部１２から起動／停止信号ＳＴＳ及び補給要求信号ＬＳをを受信し、これに対して下流側処理部１２の制御装置（図示省略）に作動状態信号ＳＳを提供する。装置１６の制御は、望ましくは流量もしくは圧力レベルである下流側処理部１２からの補給信号に基づいている。１つの実施例では、下流側処理部１２の受入れタンクに圧力変換器を備えることもできる。これにより、この変換器からの補給信号ＬＳは、圧力が低下して下流側処理部１２からの要求が増加したことが示されると処理燃料Ｆ及び水蒸気ＳＴの増加を要求し、圧力が上昇して処理部１２からの要求が減少したことが示されると処理燃料Ｆ及び水蒸気ＳＴの減少を要求する。他の場合には、下流側の要求を示す信号であれば、どのようなものでも利用可能である。補給信号ＬＳは、燃料処理ユニット１４、特に改質装置２０への燃料Ｆの供給レベルとともに、各燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃ内の温度を制御するために利用される。
図２及び図４を参照して、特に燃料処理ユニット１４ａに関して装置１０の制御機構を説明するが、以下の説明は、装置の全ての燃料処理ユニットに該当するものである。
図示したように、装置の制御は、流量もしくは圧力として下流側処理部１２から受信された補給信号ＬＳに基づいている。この補給信号ＬＳは、改質装置２０への燃料Ｆの供給及び燃料処理ユニット１４の改質装置の温度Ｔを調整するために装置１０及び制御装置１６によって利用される。図２及び図４を参照すると、改質装置２０の温度Ｔが、制御装置によって考慮される主なパラメータとなっている。つまり、制御装置１６は、下流側処理部１２の動的な補給要求とこの要求を満たすために要求される燃料Ｆの流れとに基づいて、改質装置の温度Ｔを一定レベルに保つように作動する。従って、例えばユニット１４ａに関して、改質装置温度Ｔを一定レベルに維持するための装置１６の制御アルゴリズムは、改質装置温度Ｔ、バーナ燃料流れバルブ４２ａの位置ＰＶ42a、及びバーナ空気流バルブ６７ａの位置ＰＶ67aを参照して、動的な補給要求及び燃料Ｆの要求される流れに従って温度Ｔが一定に維持されるようにバーナ空気及び燃料流量の調整を行う。
下流側処理部への所望のガスＳの供給量を増加させるために燃料Ｆの量を増加した場合に、燃料Ｆの化学反応即ち燃料のＨ2リッチ生成物への転化が容易となるように改質装置温度Ｔを所望のレベルに維持するためには、改質装置の温度を維持するための熱を提供するように改質装置バーナ２３に充分な量の廃ガスＧを供給することができる必要がある。下流側処理部１２から充分な廃ガスＧが得られず、もしくは廃ガスの成分が変動して要求される改質装置温度を達成するのに影響があり、これにより、所定の量の燃料Ｆを改質してガスＳを生成するために要求される改質装置バーナ２３の改質装置温度を維持することができない場合には、燃料Ｆの流れを減少するように燃料制御バルブ４２ａに制御装置１６から信号が提供される。従って、この方法では、続いて燃料Ｆの流れを減少されることによって、廃ガスＧの成分変化や量に関する変動を許容することができる。
シーケンスに従って、引き続き例えばユニット１４ａを関して説明していくと、補給信号ＬＳは、制御装置１６によって受信され、続いて、改質装置２０への燃料Ｆの流れが調整される。改質装置への燃料Ｆの流れ及び水蒸気の流れＳＴが増加し、要求される化学反応を容易にするためにバーナの熱出力を増加する必要がある場合には、改質装置のバーナ燃料が増加し、続いてバーナの熱出力が増加するように、燃料計５９及びバルブ４２Ｃを介して下流側処理部１２からの廃ガスＧの流れが増加される。廃ガスＧの流れの増減と同時に、水蒸気ＳＴの流れもバルブ５２及びユニット１４ａの独立したバルブ即ちバルブ４２ｂによって増減される。他のユニット１４ｂ及び１４ｃも、１４ａに関して説明したのと同様に働く。
制御装置１６とその制御機構は、装置１０が接続された下流側処理部１２から背圧を受けることのないように、安全排出弁５４の圧力センサを利用して装置１０を保護している。よって、制御装置１６は、背圧が生じてしまった場合に、安全弁５４を作動して装置を停止される信号を特定の時間にわたって監視している。
装置１０の制御装置は、少なくとも２つの作動モードを有する。好適な同比率作動モードは、独立した各燃料処理装置１４ａ〜１４ｃを含む装置１０全体が１つの大きな装置として作動するように機能する。つまり、下流側処理部が補給調整を要求する場合には、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが等しい作動レベルで作動するように制御装置１６によって調整され、これらの処理ユニット１４ａ〜１４は、補給要求ＬＳに対して集合的に応じるような累積レベルを提供する。例えば、下流側処理部１２からの補給要求によって装置が５０％の容量で作動することが要求される場合には、各燃料処理装置１４ａ〜１４ｃは、制御装置１６によって５０％の容量で作動するように制御される。この方法によって、制御装置は、燃料処理ユニット１４ａに関して上述したように燃料の流れを調整し、これに従って各ユニット１４ａ〜１４ｃの所望のガスＳの排出レベルが調整される。一般の装置設計では、必要に応じて余剰な容量が存在するように、定常の運転において個々のユニットが全容量よりもかなり小さな容量で作動するようになっている。第２のモードでは、複合型燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれ独立して作動するようになっている。よって、下流側処理部１２によって、装置が部分的な容量で作動することが要求される補給要求ＬＳが発せられた場合には、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、それぞれの最適な点で作動するいくつかの独立したユニットの排出のみを最大化するように調整される。この構成即ちモードでは、燃料処理ユニットの１つが破損した場合に、余剰な装置として作動していないもしくはアイドリング状態である燃料処理サブシステムを補充することができる。例えば、３つの燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃからなる装置１０では、補給要求が５０％の容量である場合に、バーナ燃料、バーナ空気、処理燃料、及び処理水蒸気のバルブを閉じることによって１つのユニット１４ａを停止し、ユニット１４ｂ，１４ｃをそれぞれ７５％の容量で作動させることができる。
上述した装置１０は、装置をモジュール化して出力要求の所定範囲を満たすコスト効率の良い方法を提供するようにことができるように、単一のパレット１００上に構成することが望ましい。図５は、４つの燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｄがパレット１００上に配置されているのを示している。パレット１００は、各セクションに１つの燃料処理ユニットが設けられるように、４つのセクションもしくは区画に分離することが望ましい。セクション１１０は、第１の燃料処理ユニット１４ａと制御装置１６とを含み、区画１１１は、装置１６で利用する電子制御装置を含む。セクション１１２，１１４，１１６は、それぞれ燃料処理ユニット１４ｂ〜１４ｄを含む。セクション１１２には、電子制御装置１１３の残る部分１１８を含む区画１１７も含まれる。これらのユニットは、互換性があり、かつ除去可能である複数の同一パネル１２２を含む格納装置１２０に格納されることが望ましい。装置内の燃料処理ユニットの数の変更に伴って、パレットに加えられる変更は、種々の液体を運搬する上述したライン即ち管路２６の配置と、各ユニット１４用の燃料区画における換気ファン装置の交換のみである。例えば、上述した３つの燃料処理ユニットを含む装置では、最後のセクション１１６を取り除き、新しい装置の比較的低い流れ要求に適応するように管路即ちラインを調整する。そして、燃料区画における換気装置用の取付部を、適切な空気流を区画へ提供するように調整する。各ユニットの室の換気は、全ての電気的なコンポーネントが、それぞれ換気された区画内に設けられるかもしくは外部の空気が直接その上を流れる領域に設けられるように設置することが望ましい。好適な実施例では、電気的な区画１１１，１１７は、燃料処理ユニットの区画１１０，１１２から壁１２４，１２６によって分離されている。これらの電気的な区画は、制御装置１６を含むとともに使用されるユニット１４の全高さにわたって延在することが望ましい。また、区画１１１，１１７は、燃料区画用の換気ファンと改質装置のバーナに空気を供給する空気ブロア用のモータを含むことが望ましい。
図１〜図４を参照すると、装置１０は、作動時に下流側処理部１２の動的な補給要求に応答して、下流側処理部１２に要求される量のガスを供給する。従って、制御装置１６は、補給要求信号とともに起動／停止信号ＳＴＳを下流側処理部１２から受信する。この信号が起動信号であれは、圧力もしくは流量である補給要求が制御装置１６から送信され、個々の燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが選択された装置モードに従って起動される。このモードは、全ての燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃが単一のユニットとして装置１０の制御要素１８や制御装置１６とともに機能する同比率モードであることが望ましい。これにより、補給信号ＬＳに応答して、ユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃのそれぞれのバルブ４２ａ，４６ａ，４８ａを介して燃料Ｆの流れが調整されるとともに、バルブ４２ｂ，４６ｂ，４８ｂを介して水蒸気ＳＴ、バルブ６７ａ〜６７ｃを介して空気Ａがそれぞれ調整される。下流側処理部１２へのガスＳの排出を増加させるために燃料の流れを増加することが望ましいと仮定すると、各バルブ４２ａ，４６ａ，４８ａが燃料Ｆの流れを増加するように開く。また、バルブ４２ｂ，４６ｂ，４８ｂ及びバルブ６７ａ〜６７ｃも、水蒸気及び空気の流れをそれぞれ増加するように調整される。調整された燃料Ｆの量に対して、要求される化学反応が容易となるように温度が充分に高く、所望の量のアウトプットガス（排出ガス）Ｓが生成されることを確認するために、改質装置２０の温度Ｔが点検される。改質装置の温度Ｔは、それぞれのユニット１４ａ，１４ｂ，１４ｃのバルブ４２ｃ，４６ｃ，４８ｃを介して装置２０のバーナ部分２３への廃ガスＧの流れを増加することによって調整される。必要量の廃ガスＧが利用可能であれば、調整された量の燃料の流れに関して要求される熱及び化学反応を容易とするための要求温度Ｔを得ることができる。
しかし、バーナの燃料ガスが燃料電池から排出される廃ガスとしてしか供給されない一般の燃料電池発電装置とは異なり、この装置では、例えば図３に示した追加のもしくは他の供給源７０からの下流側廃ガスを利用することもできる。このため、バーナへの燃料供給部は、必ずしも下流側処理部のみに接続されるわけではない。この装置では、廃ガスＧの量が不充分であるか、もしくはその組成が燃料Ｓを改質するのに要求される温度を維持することができない場合には、制御装置１６は、燃料流れバルブ４２ａ，４６ａ，４８ａの位置を再度調整して、廃ガスＧの所定の供給量及び組成で適切な温度Ｔを得ることができるレベルまで燃料Ｆの流れを減少させるか、もしくは他の供給源のガスＧが利用可能であればこの供給源から追加のガスＧの供給を受ける。水蒸気ＳＴ及び空気Ａの流れも、これに従って調整される。この処理は、補給要求が変化するのに従って所望のガスＳの排出量を調整するために、所望の改質装置温度Ｔ及び燃料Ｆの流れを維持するように作動する点で動的である。
本発明の所望の実施例の１つでは、下流側処理部は、圧力スイング吸着装置であり、燃料Ｆは、天然ガスであり、ガスＳは、水素リッチガスの流れである。圧力スイング吸着装置は、高純度の水素を生成するように作動可能である。
装置１０の他のモードでは、燃料処理ユニット１４ａ〜１４ｃは、制御装置１６によって独立した作動機構とすることができる。この機構では、制御装置１６が、作動時において装置効率が最大となるように個々の燃料処理ユニットの作動容量を調整することができる。例えば、要求量が低いときには、２つの燃料処理ユニットを全容量の所定の割合で作動させ、第３即ち残りのユニットを例えばアイドリング状態に維持することが最も効率的であり得る。また、他のユニットに対する特定のユニットの既知の性能に従って、異なるユニットを異なる容量で作動させることが望ましいこともあり得る。１つのユニットの燃料転化効率が時間が経つにつれて低下する場合には、このユニットの貢献割合を他のユニットに対して減少させることもできる。
所望の同比率作動モードでは、下流側処理部１２の要求に対して全ての燃料処理改質装置ユニットが協調して迅速に応答することができる。この装置は、全てのユニットを高温に保つとともに、全ての出力レベルで実質的に一定である熱損失に対応しなければならないので、低出力のときには効率が低下する。しかし、このような場合には、全出力で作動する単一の燃料処理ユニットによって下流側処理部１２の要求に対して効率的に応じることができる。これに従って、残りのユニットを停止するか、流れのないもしくは最低限の流れで温度が低下した待機状態に維持することができる。この作動モードでは、装置の完全な出力を得るためにはアイドリング状態のユニットを完全な作動温度まで再加熱してその設計出力を得る必要があるために、迅速な応答能力に欠ける。装置を最も効率的に作動するためには、特定の用途に対して他方よりも効率的となるモードを選択することが望ましいであろう。
上述の装置、システム、及び方法では、装置１０で燃料処理ユニット１４をいくつ用いても良く、ここでは、３つ及び４つユニットを含む燃料処理ユニットを開示したが、これは本発明の一実施例に過ぎない。下流側処理部１２の要求に従って、燃料処理ユニットの数を実質的に増加もしくは減少させることができ、よって、上述の装置１０を、種々の装置に対して容易に適用することができる。
本発明の主な利点は、下流側処理部の動的な補給要求に応答するとともに柔軟な作動範囲を有するガス生成システムを制御するための制御システム及び制御方法が得られる点である。
本発明の他の特徴は、燃料処理システム及び燃料処理方法のための制御システム及び制御方法が得られる点であり、これらの制御システム及び方法は、複数の個々の燃料処理システムを、下流の処理部における補給要求に対して効率的かつ迅速に応答する単一のユニットとして、作動させることができる。
本発明を好適実施例に基づいて開示及び説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その形態及び詳細に関して上記及びその他の変更、省略、追加を行うことができるということは当業者であれば分かるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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