专利名称：控制燃料处理器的结构分层体系的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料处理器，更具体地说，是涉及燃料处理器的控制系统。
背景技术：
燃料电池技术是一种另外采用矿物燃料燃烧的更方便的能源。燃料电池通常从燃料和氧，产生电力、水、和热。更准确地说，燃料电池从化学的氧化还原反应产生电力，并在清洁和效率方面，显著优于其他电力的产生形式。通常，燃料电池采用氢作燃料和氧作氧化剂。产生的电力正比于反应物的消耗率。
妨碍燃料电池广泛使用的显著缺点，在于缺乏广为分布的氢的基础设施。氢有相对低的体积能量密度，和当前大多数电力产生系统使用的碳氢化合物燃料相比，更难贮存及运输。克服这一困难的一种方式，是使用“燃料处理器”或“重整装置”，把碳氢化合物转化为富氢煤气流，该富氢煤气流可用作燃料电池的给料。为用作大多数燃料电池的燃料，要求把基于碳氢化合物的燃料，诸如天然气、LPG、汽油、和柴油，进行转化。目前的工艺使用多步处理过程，把初始的转化处理过程与若干净化处理过程组合。该初始处理过程最常见的是蒸气重整(“SR”)、自供热重整(“ATR”)、催化的部分氧化(“CPOX”)、或无催化的部分氧化(“POX”)。净化处理过程常常包括脱硫、高温水煤气转换、低温水煤气转换、选择性CO氧化、或选择性CO甲烷化等的组合。另外的处理过程包括，氢选择性薄膜反应器和过滤器。
因此，可以使用的燃料种类很多，其中一些与矿物燃料混合，但理想的燃料是氢。如果燃料是例如氢，那么燃烧是非常清洁的，并且实际上，在耗散和/或消费了热，和消费了电力之后，留下的只有水。大多数立刻可用的燃料(例如，天然气、丙烷、汽油)和即使是不那么普通的一种(例如，甲醇和乙醇)，也在它们的分子结构中包括氢。因此，一些燃料电池的实施方案，采用“燃料处理器”处理特定的燃料，产生相对纯的氢气流，用作燃料电池的燃料。
虽然燃料电池已有上百年历史，但仍可认为其技术尚不成熟。这种状态的原因有很多且都很难解决。然而，近年政策的、商业的、和环境的条件，已经激起对燃料电池技术兴趣的增长。而该增长的兴趣又产生技术发展的增大的空间。
无论增大的发展空间如何受欢迎，它仍有自身的问题。燃料电池的设计，特别是那些用燃料处理器的设计，通常都是复杂的。试考虑美国专利申请10/006,963说明的燃料处理器设计，该专利的标题是“Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen Rich Gas”，以发明人Curtis L.Krause等人的名义于2001年12月5日申请，并在2002年7月18日公开(公开No.US2002/009410 A1)。在该设计中，阳极尾气氧化室温度，是催化剂装料、空气流及其空间速度、和在给定空间速度下氧对碳比值的函数。光是因素的数量本身，足以使该温度的控制成为困难的任务。此外，燃料类型的变化-例如，从天然气到氢-极大地影响所有这些变数。因此，随着燃料处理器设计的变化，加剧了难以控制的问题。
本发明的目标，是解决，或至少是减轻上述所有问题之一或全部。
发明内容
这里公开一种燃料处理器中使用的控制技术。一方面，是一种控制系统，包括子系统管理器，对燃料处理器中多个物理子系统每一个的相应物理子系统的工作进行控制。这些子系统管理器，从主控制管理器取得对它们的指导。第二方面，这些子系统管理器，集体地形成与第二层联合工作的层，该第二层能把子系统管理器与它们相应的物理子系统对接，第三层能把子系统管理器与第二层对接。第三方面，主控制管理器通过相应的子系统管理器，管理每一物理子系统的工作，指导子系统管理器状态的转移，和由主控制管理器搜寻各子系统管理器之间的互作用。
通过参照下面结合附图的说明，可以了解本发明，附图中，相同的参考数字表示相同的单元，附图有图1画出按照本发明实现的控制系统的一个具体实施例；图2A和图2B，在概念上表明一种计算设备，可以在实施图1实施例中使用；图3画出按照本发明控制的燃料处理器的一个具体实施例；图4A-图4F详细表明图3中的燃料处理器的物理子系统；图5画出图1控制系统一个具体实施例，供图3所示燃料处理器的控制使用；图6对首次示于图5的按照本发明的控制系统，画出它的子系统管理器的结构分层体系；图7是状态机构，用于本发明一个具体实施例的物理子系统；和图8示意画出首次示于图3的燃料处理器自供热重整装置的重整处理过程。
虽然本发明允许各种修改及另外的形式，但附图仅以举例方式画出这里详细说明的具体实施例。然而应当指出，这里说明的具体实施例，不表明把本发明限制于公开的具体形式，相反，本发明涵盖所有修改的、等价的、和替代的实施例，这些实施例按照后面所附权利要求书的规定，包含在本发明的精神及范围之内。
具体实施例方式
本发明出示的实施例，现在说明于下。为了清楚起见，在本说明书中，不是所有实际实施例的特征都加以说明。显而易见，在任何这种实际实施例的研发中，必须作出许多实施方案特有的决定，以达到研发者特定的目的，例如与系统有关的依从性和与商业有关的约束条件，这些都将随实施例变化。此外，这种研发的努力，即使是复杂和费时的，也是照例必需完成的任务，本领域熟练人员可从这里公开的内容获益。
本发明一般针对控制“燃料处理器”，或“重整装置”的方法和设备，就是说，把碳氢化合物燃料转化为富氢煤气的设备。本文将使用术语“燃料处理器”。本文出示的实施例中的方法和设备，控制紧凑的处理器，以便从碳氢化合物燃料生产富氢煤气流，供燃料电池使用。但是，在另外的实施例中，可以使用其他的燃料处理器。再有，本文说明的设备和方法，还设想其他可能的应用，包括任何其中需要使用富氢流的应用。本方法和设备还可以在不能应用于煤气流生产的实施例中使用。因此，虽然本文说明的本发明，是结合燃料电池使用的，但本发明的范围不限于这种应用。
图1画出按照本发明设计、构建、和工作的控制系统100的一个具体实施例。控制系统100包括主控制管理器102，和多个物理子系统管理器104。子系统管理器104的数量对本发明不是关键的。因此，图1画出N个子系统管理器104，以SUBSYSTEM MANAGER0-SUBSYSTEM MANAGERN标记。从理论上说，数量N可以是任何数，虽然得益于这里公开的内容的本领域熟练人员应当清楚，在实施具体的细节时，会产生某些实际的限制。尽管如此，子系统管理器104的数量对实施本发明不是关键的。
控制系统100是在计算机上，例如由图2A和图2B所示安装在机架上的计算设备200实施的大的软件。应当指出，计算设备200不必在所有实施例中都是安装在机架上的。事实上，就这一方面而言，任何给定的实施方案，对实现本发明不是关键的。计算设备200可以作为卓上个人计算机、工作站、笔记本、或膝上计算机，甚至是嵌入式处理器实现。
图2A和图2B所示计算设备200，包括在总线系统215上与存储器210通信的处理器205。存储器210可以包括硬盘和/或随机存取存储器(“RAM”)和/或可移动存储器，例如软磁盘217和光盘220。存储器210使用存储如上所述获取的数据集的数据结构225、操作系统230、用户接口软件235、和应用程序265编码。用户接口软件235与显示器240结合，实现用户接口245。用户接口245可以包括外围I/O装置，例如按键或键盘250、鼠标255、或操纵杆260。处理器205在操作系统230的控制下运行，该操作系统实际上可以是本领域熟知的任何操作系统。应用程序265在通电、复位、或两者时被操作系统230调用，取决于操作系统230的实施方案。在图示的实施例中，应用程序265包括示于图1的控制系统100。
因此，至少本发明的一些方面，通常是作为适当编程的计算装置，如图2A和图2B所示计算设备200上的软件实施。指令可以在例如存储器210、软盘217、和/或光盘220上编码。因此，本发明在一个方面，包括已编程的计算设备，用于实现本发明的方法。另一方面，本发明包括用指令编码的程序存储器装置，这些指令在被计算设备执行时，实现本发明的方法。
这里详细说明的一些部分，因此以实施处理过程的软件给出，该处理过程涉及计算系统或计算装置的存储器内对数据比特进行操作的符号表示。这些说明和表示，是本领域人员用于向本领域其他人员传递他们的工作实质最有效的手段。这些处理过程和操作，要求对物理量的物理处理。一般说来，虽然非必需，但这些量取电的、磁的、或光的信号形式，能够被存储、传送、组合、比较、和别的处理。已经证明，主要是为共同使用的理由，把这些信号称为比特、值、单元、符号、字符、术语、数，等等，常常是方便的。
但是，应当记住，所有这些和类似的术语，是与适当的物理量相联系的，且仅仅是便于对这些量进行标记。除非特别指出或显而易见，在整个公开的内容中，这些说明是指电子装置的作用和处理过程，是指操作和变换一些电子装置的存储器内表示物理量(电的、磁的、或光的)的数据，成为该存储器内，或在传输或显示装置内同样表示为物理量的其他数据。标记这种说明的术语的例子，不受限制地，如术语“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“显示”，等等。
在图示的实施例中，控制系统100控制燃料处理器，即图3的燃料处理器300。燃料处理器300包括若干模块化物理子系统，即自供热重整装置(“ATR”)302，该自供热重整装置施行氧化还原反应，把输入燃料处理器300的燃料，重整为用于燃料电池303的重整产品；氧化室(“ox”)304，是在图示实施例中的阳极尾气氧化室(“ATO”)，该氧化室把蒸气、燃料、和空气混合，产生燃料混合物，作为生产过程给料流，送至ATR 302；燃料子系统306，把输入燃料(在图示实施例中是天然气)送至氧化室304，以便混合为送至ATR 302的生产过程给料流；水子系统308，把水送至氧化室304，以便混合为送至ATR 302的生产过程给料流；空气子系统310，把空气送至氧化室304，以便混合为送至ATR302的生产过程给料流；和热力子系统312，通过使冷却剂(如水)在整个装置中循环，控制ATR 302的工作温度。
ATR 302、氧化室304、燃料子系统306、水子系统308、空气子系统310、和热力子系统312具体的实施方案，画在图4A-图4F。
图4A画出燃料子系统306的一个具体实施例。燃料子系统306包括燃料源402，并向氧化室304两个不同部分提供给料ATO1、ATO2。如前所述，图示实施例中的燃料是天然气，但可以是其他类型的碳氢化合物。碳氢化合物燃料在外界条件下，只要它能汽化，可以是液态或气体。本文使用的术语“碳氢化合物”，包括有C-H键的有机复合物，它能从部分氧化或蒸气的重整反应而产生氢。在该复合物的分子结构中，不排除存在碳和氢以外的原子。因此，适合本文公开的方法和设备使用的燃料，包括，但不限于碳氢化合物燃料，如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、汽油、和柴油燃料，以及酒精，如甲醇、乙醇、丙醇，等等。硫磺阱408通过止回阀404和电磁阀406，从燃料源402接受燃料。然后，去硫的燃料由过滤器410过滤，并通过两根包括控制阀412和流量计414的管线411、413，馈送至氧化室304。
图4B画出水子系统308的一个具体实施例。桶416通过止回阀404和电磁阀406，从水源418接受水。在图示的实施例中，桶416还通过回流管420，从燃料电池303的阴极(未画出)接受水。桶416中的压力和体积，同样通过减压止回阀426和排放管417控制，其中的排放管417通过电磁阀406到达排放槽419。桶416中的水424，在控制器428的指导下，由泵浦421通过包括过滤器410和质量流量计427的管线425，抽运至氧化室304。阻尼器430抑制被抽运水424在运送至氧化室304途中的振荡或起伏。空气423也经管线427馈送氧化室304。
图4C画出空气子系统310的一个具体实施例。包括电机434的压缩机432，经空气进口436、过滤器410、和流量计414，从外界大气接受过滤的空气，并把它压进桶438。然后，来自桶438的空气，通过包括流量计414和控制阀444、446的管线440、442上的两个给料ATO6、ATO7，分送氧化室304。来自桶438的空气，同样通过包括流量计414和控制阀444、446的管线447上的给料ATR1，分配至ATR 302。
图4D画出氧化室304的一种具体实施方案。氧化室304如上所述，经管线413、440、427、429，通过给料ATO2、ATO3、ATO5、ATO7，从燃料子系统306、水子系统308、空气子系统310、和ATR302，通过多个止回阀426，接受燃料、水、和空气。给料ATO5来自与ATR 302结合的水分离系统(下面还要讨论)。来自燃料电池303阴极(未画出)的热空气429，也回流氧化室304。来自燃料电池303阳极(未画出)的废气431，回流至水分离器448，水分离器448把水分离，经电磁阀406排放到排放槽419。然后，把脱水阳极的回流经止回阀426，通过管线450，输送到氧化室304。于是，燃料、空气、和脱水阳极的回流在引进氧化室304的桶454之前，在混合室452中混合。得到的混合物然后被电加热器456加热。
仍旧参考图4D，氧化室304还分别通过管线411、442、和425上的给料ATO1、ATO6、和ATO3，从燃料子系统306、水子系统308、和空气子系统310，接受燃料、空气、和水。管线411和442有止回阀426保护。在管线411和442上接受的空气和水，进入封闭的螺旋管458。在管线425上接受的水，进入封闭的螺旋管460。桶454中加热的空气、水、和燃料混合物，加热封闭螺旋管458、460的内含物，这些内含物然后在混合器462中混合，并通过管线464上的给料ATR2，输送至ATR 302。氧化室304通过管线465连至废气口463。
图4E画出热力子系统312的一种具体实施方案。水466从水源468送进桶416。应当指出，水源468不同于图4B所示水子系统308的水源418。从水源418送出的水424，在图示的实施例中，是去离子的，而水466则否。水466通过管线471-475上的给料ATR3、PROX1、L1、L2，在ATR 302和与之有关的子系统各部分循环。先前循环至ATR 302的水466，通过管线476上的给料TS1，回流至热力子系统312。ATR 302组件引进水466的热，通过热交换器478，被排向周围环境。图示实施例还采用风扇480，以利热交换。
图4F画出ATR 302的一种具体实施方案。ATR 302包括若干级482a-482e，其中包括许多热交换器478和电加热器456。每一热交换器478从管线470-472上的热力子系统312(在图4E画得最清楚)，接受温度控制的水466，并在管线476上使水回流。例外的是优先氧化(“prox”)级482中的热交换器478，该热交换器478从管线473上的热力子系统312接受水466，并经管线476和给料TS1，使水回流至水桶416。离开ATR 302的重整产品煤气，通过优先氧化室486，被热交换器478加热、被水分离器448去水、被过滤、最后输送至燃料电池303(在图3画出)的阳极(未画出)。图示实施例还包括自裂放压片484，当ATR 302过压时，该自裂放压片484破裂，使ATR302的内容物经管线440和给料ATO7，排放至氧化室304。
现在回到图3，每一ATR 302、氧化室304、燃料子系统306、水子系统308、空气子系统310、和热力子系统312，构成受子系统管理器104之一控制的物理子系统。因此，一个与图3具体燃料处理器300一起使用的控制系统100的具体实施方案，在图5画出，其中包括主控制管理器502，通过这些子系统管理器，管理燃料处理器300的控制燃料子系统管理器504，用于控制燃料向ATO 306的传送，以便混合成传送到ATR 302的生产过程给料流；水子系统管理器506，用于控制水向ATO 306的传送，以便混合成传送到ATR 302的生产过程给料流；空气子系统管理器508，用于控制空气向ATO 306的传送，以便混合成传送到ATR 302的生产过程给料流；ATO子系统管理器510，用于控制蒸气、燃料、和空气的混合，产生燃料混合物，作为生产过程给料流传送至ATR 302；ATR子系统管理器512，用于控制ATR 302中的氧化还原反应，该ATR 302把输入燃料处理器300的燃料，重整为供燃料电池303使用的重整产品；和热力子系统管理器514，通过热力子系统312，控制ATR 302中的工作温度。
因此，每一子系统管理器504-514，控制相应物理子系统302、394-312的工作。
控制系统500还包括另外的层，该层对控制系统按分层体系方式的模块性有帮助。更具体地说，控制系统500包括依赖硬件的层516和“兼容性”层518。依赖硬件的控制功能性的各方面，被分离出来，集中进该依赖硬件层516。例如，参考图4A，为增加燃料402向氧化室304的流量，打开控制阀414之一或两者。于是从控制系统500向控制阀414的致动器(未画出)发射控制信号(也没有画出)，而该信号的特征是依赖硬件的。实际产生和发射该控制信号的功能，被集中进依赖硬件层516。因此，如果，例如在燃料子系统306中的硬件需要从一种模型改变为另一种模型，那么，只有依赖硬件层516必需修改。兼容性层518转换子系统管理器504-514发出的指令，使它们能与燃料处理器300的硬件兼容。举例说，一个子系统管理器504-514，可以用特定的量度单位，请求某一事件。需要实施该请求的硬件，可以在第二量度单位中取指令。兼容性层518将把子系统管理器504-514在第一量度单位中发出的指令，翻译成该硬件采用的第二量度单位中的指令，使它能被依赖硬件层516实施。
图示控制系统500的实施例，还再包括诊断层520，该诊断层同样对控制系统按分层体系方式的模块性有帮助。每一子系统管理器504-514为差错条件监控它相应的物理子系统302、304-312。更具体说，子系统管理器504-514对“关闭”条件，即对值得关闭燃料处理器300的充分重要的差错条件，进行监控。由子系统管理器504-514检测的差错条件，通过诊断层502，报告主控制管理器502。
每一子系统管理器504-514还含有模块化内部结构600，在图6中以概念方式画出。每一子系统管理器504-514采用该模块化内部结构600，指导它在相应物理子系统302、304-312中的业务。每一子系统管理器504-514包括信息交换模块605，特定的子系统管理器504-514通过该信息交换模块605，确定实施其他子系统管理器504-514通过主控制管理器502要求的事件的可行性，并确认实施该要求事件的措施；诊断模块610，该诊断模块610通过信息交换模块605与诊断层520通信，以报告差错条件；物理模块615，信息交换模块605与该物理模块615磋商，以确认实施要求事件的措施，且诊断模块与该物理模块615通信，以获得关于差错条件的信息；和控制模块620，物理模块615与该控制模块620磋商，以确定为实施请求的事件，应采取何种措施，且诊断模块通过该控制模块620，与依赖硬件层516通过兼容性层518通信，以获得该确定的信息。
在控制系统500省略该诊断层520的另外的实施例中，可以从子系统管理器504-514中省去诊断模块610。
回到图5，在图示的实施例中，子系统管理器504-514把它们信息交换模块605的要求，通过主控制管理器502相互通信，从而彼此合作。例如，考虑如下的情况，其中首次示于图3的氧化室304，感测到来自燃料子系统306给料压力的下降，该燃料子系统306也首次示于图3。那么，ATO子系统管理器510可以要求增加燃料供应。按图示实施例的说法，燃料增加应视为一“事件”。ATO子系统管理器510通过在图6所示信息交换模块605发出要求，该信息交换模块605把该要求通知主控制管理器502。主控制管理器502向适当的物理子系统管理器-在本例中是燃料子系统管理器504，转发该要求。
燃料子系统管理器504经它自己的信息交换模块605，接受该要求，该燃料子系统管理器504校验是否处于实施该要求的适当状态(下面还要进一步讨论)。如果要求的事件是允许的并可行的，那么，燃料子系统管理器504实施该要求的事件。信息交换模块605指令物理模块615实施该要求的事件。信息交换模块605询问控制器模块620，何种措施必须采取。然后，信息交换模块605把必须采取的那些措施，通知物理模块615。于是，物理模块615通过依赖硬件层516经过兼容性层518，向硬件致动器(未画出)发出与那些措施相应的指令。
主控制管理器502还通过子系统管理器504-514，控制整个系统300的工作状态。试考虑，例如图7的状态图700，该图表示子系统管理器504-514的工作状态和它们之间的转移。每一子系统管理器504-514通过八种不同的状态转移，虽然在任一工作循环中不是通过所有八种状态“断路”状态702；“管理器校验”状态704，在该状态中，子系统管理器504-514校验它们相应物理子系统302-312的工作准备；“手工操作”状态706，在该状态中，操作员能指导整个系统的工作；“预热”状态708，在该状态中，把加热单元和整个系统300的流体，预热或预冷到它们正常工作指定的级别；“起动”状态710，在该状态中，整个系统300开始在起动条件下工作；“运行”状态712，在该状态中，整个系统300在稳态条件下工作；“关闭”状态714，在该状态中，整个系统的物理子系统把它们的工作关闭到工作循环计划的终端；和“紧急关闭”状态716，在该状态中，响应一个或多个物理子系统中紧急条件的出现或检测，关闭物理子系统。
虽然每一子系统管理器504-514通过相同的八种状态转移，但指配给每一子系统管理器504-514的任务，从它们相应的物理子系统302-312的要求来看，将是唯一的。例如，燃料子系统管理器504在运行状态712中执行的任务，与ATR子系统管理器512在运行状态中执行的任务不同，给出燃料子系统306和ATR 302的工作和功能中的差别，燃料子系统306和ATR 302两者示于图3。
现在回到图7，从断路状态702出来，子系统管理器504-514要么转移进入管理器校验状态704，要么进入手工操作状态706。从手工操作状态706，子系统管理器504-514只能要么转移至关闭状态714，要么转移至紧急关闭状态716。从管理器校验状态704，子系统管理器504-514可以按以下次序通过预热状态708、起动状态710、和运行状态712转移。子系统管理器504-514能够从任何其他状态，或者转移进入关闭状态714，或者进入紧急关闭状态716。
现在参考图5和图7，操作员在通电时或使系统初始化时，即离开断路状态702时，可以选择是否进入手工操作状态706。如果操作员不选择手工操作状态706，则主控制管理器502担任控制。在手工操作状态706中，操作员可以选择一定的工作负载量的百分比，系统逐渐升至指定级别的设定点，但仍然施行控制逻辑。就是说，子系统管理器504-514依旧如上所述，通过主控制管理器500彼此合作。
现在假定操作员不承担手工操作控制，主控制管理器502向每一子系统管理器504-514发出转移至管理器校验状态704的信号。于是，每一子系统管理器504-514执行与管理器校验状态704有关的任务。当各个子系统管理器504-514已经完成它们与管理器校验状态704有关的任务时，它们把该事实以信号发送至主控制管理器502。主控制管理器502等待，直到所有子系统管理器504-514已经发送信号，表明它们已经完成，然后，主控制管理器502发出信号，令子系统管理器504-514转移至预热状态708。
当子系统管理器504-514通过剩余状态转移时，重复上述过程。应当指出，只当主控制管理器502发出信号，令子系统管理器504-514转移至下一个状态时，子系统管理器504-514才转移至下一个状态。还应当指出，只当所有子系统管理器504-514已经准备好转移时，主控制管理器502才发出令子系统管理器504-514转移的信号。因此，子系统管理器504-514是在主控制管理器502指导下，以同步方式转移它们的状态的。
现在参考图5，主控制管理器502是以两种方式控制燃料处理器300的全部工作的。第一，各个子系统管理器504-514之间的通信，是通过主控制管理器502路由的。第二，主控制管理器502控制子系统管理器504-514的工作状态。
现在参考图3和图5，说明燃料处理器300在控制系统500控制下的工作。在通电或复位时，燃料处理器300和控制系统500，要么从断路状态702转移至管理器校验状态704，要么转移至手工操作状态706，取决于操作员的输入。再次假定操作员不承担手工操作控制，主控制管理器502向子系统管理器504-514发送转移至管理器校验状态704的信号，在该管理器校验状态中，子系统管理器504-514校验它们各自物理子系统的工作准备。一旦各子系统管理器504-514向主控制管理器502发出信号，表明它们相应的物理子系统已经通过管理器校验，主控制器502向子系统管理器504-514发出转移至预热状态708的信号，在该预热状态708中，相应物理子系统的加热单元或流体，被预热或预冷到它们正常工作指定的级别。
一旦所有子系统管理器504-514发出信号，表明它们相应的物理子系统已经完成预热任务，主控制管理器502发出令它们转移至起动状态710的信号，在起动状态710中，整个系统300在起动条件下开始工作。从本公开内容得益的本领域熟练人员显然知道，燃料处理器300不能简单地投入生产。例如，氧化室304不能开始混合生产过程给料流，直到它有燃料、水、和空气可以混合。同样，ATR 302不能开始重整燃料，直到它已经从氧化室304接受足够的生产过程给料流。因此，在起动状态710中，超出范围的压力、体积、等等不会触发，关闭差错条件被容忍，直到燃料处理器300到达稳态工作。
一旦所有子系统管理器504-514发出信号，表明它们相应的物理子系统已经达到稳态工作条件，主控制管理器502发出令它们转移至运行状态712的信号。在运行状态712中，整个系统300在稳态条件下工作。燃料处理器300的全部功能，是如图4A所示，重整燃料402，供燃料电池303使用。因此，燃料处理器300的工作，围绕ATR302的工作，和把燃料(示于图4A)、空气(示于图4C)、及水(示于图4B)，从燃料子系统306、水子系统308、及空气子系统310输送到ATR 302的工作为中心。
图8画出一般处理过程的流程图，表明包括在本发明图示实施例中的处理步骤。下面结合图8的说明，摘自美国专利申请10/006,963，标题为“Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen RichGas”，以发明人Curtis L.Krause等人的名义于2001年12月5日申请，并在2002年7月18日公开(公开No.US2002/009410 A1)。本领域熟练人员应当明白，在本文公开的通过反应釜的反应物的流动中，必需渐进过程的某些量。燃料处理器300的给料，包括碳氢化合物燃料、氧、和水。氧可以按空气的形式、富氧的空气、或基本上是纯氧。水可以作为液体或蒸气引入。给料成分的组成百分比，由需要的操作条件确定，下面还要讨论。按照本发明的燃料处理器的排出物流，包括氢和二氧化碳，并还能包括一些水、未转化的碳氢化合物、一氧化碳、杂质(如硫化氢和氨)、和嵌入的组分(如氮和氩，特别是在用空气作为给料流组分的情形)。
处理步骤A是自供热重整处理，在该处理中，组合图4A模块482a和482b中进行两种反应，即部分氧化(下面的方程式I)和可选的蒸气重整(下面的方程式II)，把给料流F转化为包含氢和一氧化碳的合成煤气。下面的方程式I和II是示例性反应方程式，其中考虑的碳氢化合物是甲烷
(I)(II)ATR 302在管线434上从氧化室304接受燃料流F，如图4D和图4F所示。在给料流中更高的氧浓度，有利于部分氧化，而更高的水蒸气浓度，有利于蒸气重整。因此，氧对碳氢化合物和水对碳氢化合物的比值，是表征影响工作温度和氢产量的参数。
自供热重整步骤A的工作温度，可以在约550℃到约900℃的范围，取决于给料条件和催化剂。这些比值、温度、和给料条件，是受本发明控制系统控制的参数的所有例子。图示实施例在模块482a中，使用部分氧化催化剂的催化剂床，用或不用蒸气重整催化剂。
现在回到图8，处理步骤B是冷却步骤，在图4F的模块482c中进行，用于把来自步骤A的合成煤气流，冷却到温度从约200℃至600℃，最好是从约375℃至425℃，以便为下一步骤优化合成煤气排出物的温度。这一冷却方法可以用散热片、热管、或热交换器实现，取决于设计的指标，和使用任何适当类型冷却剂来回收/再利用煤气流热量的需要。图示实施例使用从管线470上的水466接受的水466，如图4E和图4F所示。
再回到图8，处理步骤C是提纯步骤，在模块482c中进行，并采用氧化锌作硫化氢吸收剂。碳氢化合物流的主要杂质之一是硫，它被自供热重整步骤A转化为硫化氢。处理步骤C使用的处理中心部分，最好包括氧化锌和/或其他能吸收并转化硫化氢的材料，也可以包括支承(如整块石料、压出型材、颗粒材料，等等)。去硫是按照下面的反应方程式III，把硫化氢转化为水实现的(III)该反应最好在从约300℃至500℃，从约375℃至425℃的温度上完成更好。该温度同样由本发明的控制系统控制。
再次参考图8，排出物流然后送至模块482d实施的混合步骤D，在混合步骤中，从水子系统308接受的水，可供选择地加到煤气流中。水的添加，随着水的蒸发和为处理步骤E(下面讨论)的水煤气转换反应供给更多的水，使反应物流的温度降低。水蒸气和其他排出物流组分，在通过嵌入材料中心部分时被混合，这些嵌入材料如陶瓷珠或其他高效混合和/或帮助水蒸发的类似的材料。另外，任何增加的水可以与给料一起引入，而混合步骤可以反复进行，以提供CO氧化步骤G(下面讨论)中氧化剂煤气更好的混合。本步骤D的温度同样由本发明的控制系统控制。
回到图8，在模块482e中进行的处理步骤E，是水煤气转换反应，该反应按照方程式IV把一氧化碳转化为二氧化碳(IV)一氧化碳的浓度最好低于燃料电池能够忍受的浓度，通常在50ppm以下。一般说，水煤气转换反应可以在从150℃到600℃的温度发生，取决于使用的催化剂。在这种条件下，煤气流中大部分一氧化碳在该步骤中被转化。该温度和浓度是本发明控制系统控制的更多的参数。
再回到图8，在模块482e中进行的处理步骤F，是在图示实施例中由热交换器478执行的冷却步骤。热交换器478降低煤气流的温度，以产生最好在约90℃到约150℃温度范围的排出物。在步骤F的处理中，在管线498上还添加来自空气子系统310的氧，如图4C和图4F所示。氧被下面说明的处理步骤G的反应消耗。
在模块482g中进行的处理步骤G，是氧化步骤，其中，在排出物流中，几乎所有剩余的一氧化碳，都转化为二氧化碳。处理是在有催化剂使一氧化碳氧化情形下完成的。处理步骤G中有两种反应需要的一氧化碳氧化(方程式V)和不需要的氢氧化(方程式VI)，列举于后(V)(VI)低温有利于优先的一氧化碳氧化。因为两种反应都产生热，可供选择地包括冷却单元，如在处理过程中放置冷却螺旋管，是有利的。处理过程的工作温度最好保持在约90℃到约150℃的范围。处理步骤G把一氧化碳的浓度降低到最好小与50ppm，这是适合燃料电池使用的浓度。
离开燃料处理器的排出物，是包含二氧化碳和可能存在的其他组分的富氢煤气，其他组分如水、嵌入的组分(如氮、氩)、剩余的碳氢化合物等等。生产的煤气可以用作燃料电池的给料，或用作其他需要富氢给料流的应用的给料。生产的煤气可选择地转送进一步处理，例如除去二氧化碳、水、或其他组分。
终于，工作循环结束。如果结束是计划之内的，那么，主控制管理器502在适当的时间，向子系统管理器504-514发出转移到关闭状态714的信号。如上所述，子系统管理器504-514通过它们在图6所示的诊断模块610，监控它们各自物理子系统差错条件的出现。一些差错条件准许关闭燃料处理器300的工作。如果检测到该种“关闭”的差错条件，检测它的子系统管理器504-514，通过示于图5的诊断模块610和诊断层520，向主控制管理器502报告该差错。然后，主控制模块502向子系统管理器504-514发出转移到紧急关闭状态716的信号。
从本发明的分层体系本性得到的模块性设计，具有允许控制系统扩大的灵活性。整个子系统可以被除去、添加、和/或替代，以便测试、评估、和修改子系统设计，不必对控制系统作主要调整。控制算法没有依赖硬件的，但依赖硬件层除外，该依赖硬件层包含仪表校准数据。因此，可以添加、除去、或替换各种类型的仪表，不影响作为一个整体的控制系统，也不要求进行许多重新编程工作。因而，本发明允许快速并容易地扩大本处理控制系统，还有利于新子系统的紧密插入。本发明还允许研发者独立的或不同的队伍，为各种性能相对简单的物理子系统，迅速建立控制软件。这一优点在快速演变的技术中，例如用复杂控制系统的燃料处理器/燃料电池设计中，特别有用。
最后结束本详细说明。上面公开的具体实施例是演示性的，因为从本文的教导得益的本领域熟练人员显然明白，本发明可以修改和按不同的但等价的方式实施。再者，本文出示的结构或设计细节，除下面权利要求书说明外，不受限制。因此显然，上面公开的具体实施例可以改变或修改，且所有这些变化都被认为在本发明的范围和精神之内。所以，本文寻求的保护，在下面权利要求书中阐明。
权利要求
1.一种设备，包括包含多个物理子系统的燃料处理器；控制系统，包括第一层，包含多个子系统管理器，每一子系统管理器能控制相应的一个物理子系统；第二层，能把子系统管理器与它们相应的物理子系统对接；第三层，能把子系统管理器与第二层对接；和主控制管理器，能通过子系统管理器，控制燃料处理器。
2.按照权利要求1的设备，其中的物理子系统包括第一子系统，能重整燃料、空气、和蒸气混合物；第二子系统，能把燃料、空气、和蒸气，与煤气、空气混合，产生混合物并把该混合物传送至第一子系统；第三子系统，能把燃料传送至第二子系统；第四子系统，能把水传送至第二子系统；第五子系统，能把空气传送至第二子系统；和第六子系统，能管理第一子系统的工作温度。
3.按照权利要求2的设备，其中的燃料是碳氢化合物。
4.按照权利要求3的设备，其中的碳氢化合物是煤气或液体。
5.按照权利要求3的设备，其中的碳氢化合物包括天然气、煤气、液态石油气、汽油、和柴油之一。
6.按照权利要求1的设备，其中每一子系统管理器包括信息交换模块，子系统管理器通过该模块确定请求事件的可行性，并确认实现请求的事件的措施；和物理模块，信息交换模块与该物理模块磋商，以便为实现请求的事件而确认措施；和控制模块，物理模块与该控制模块磋商，以确定为实现请求的事件，应采取何种措施。
7.按照权利要求6的设备，其中的控制系统还包括第四层，子系统管理器通过该第四层，能报告在它们相应物理模块中的差错条件。
8.按照权利要求7的设备，其中每一子系统管理器，还包括诊断模块，该诊断模块为差错条件而查阅控制模块和物理模块，以监控物理子系统。
9.按照权利要求1的设备，其中的控制系统还包括第四层，子系统管理器通过该第四层，能报告在它们相应物理模块中的差错条件。
10.按照权利要求1的设备，其中的主控制管理器，能通过指导子系统管理器状态的转移，和由主控制管理器搜寻各子系统管理器之间的互作用，控制燃料处理器。
11.按照权利要求1的设备，还包括燃料电池。
12.按照权利要求11的设备，其中的燃料电池，包括PEM燃料电池。
13.一种设备，包括包含多个物理子系统的燃料处理器；控制系统，包括多个各自控制物理子系统的装置；第一装置，用于把多个各自控制装置与相应的物理子系统对接；第二装置，用于把多个各自控制装置与第一装置对接；和通过该多个各自控制装置，控制燃料处理器的装置。
14.按照权利要求13的设备，其中的物理子系统包括第一子系统，能重整燃料、空气、和蒸气混合物；第二子系统，能把燃料、空气、和蒸气，与煤气、空气混合，产生混合物并把该混合物传送至第一子系统；第三子系统，能把燃料传送至第二子系统；第四子系统，能把水传送至第二子系统；第五子系统，能把空气传送至第二子系统；和第六子系统，能管理第一子系统的工作温度。
15.按照权利要求13的设备，其中该多个各自控制装置的每一个交换信息装置，各自控制装置通过该交换信息装置，确定请求事件的可行性，并确认实现请求的事件的措施；和信息交换装置与之磋商的装置，以便为实现请求的事件而确认措施；和措施确认装置向之查阅的装置，以确定为实现请求的事件，应采取何种措施。
16.按照权利要求15的设备，其中的控制系统，还包括一种装置，各自控制装置通过该装置，能报告在它们相应物理模块中的差错条件。
17.按照权利要求13的设备，其中的控制系统，还包括一种装置，各自控制装置通过该装置，能报告在它们相应物理模块中的差错条件。
18.按照权利要求13的设备，其中的燃料处理器控制装置，通过指导各自控制装置状态的转移，和搜寻各自控制装置之间的互作用，控制燃料处理器。
19.按照权利要求13的设备，还包括燃料电池。
20.一种控制包括多个物理子系统的燃料处理器的方法，本方法包括通过相应子系统管理器，管理每一物理子系统的工作；由主控制管理器指导子系统管理器的状态转移；和由主控制管理器搜寻子系统管理器之间的互作用。
21.按照权利要求20的方法，其中，每一物理子系统工作的管理，包括调用控制模块、信息交换模块、和控制模块。
22.按照权利要求21的方法，其中的工作管理，还包括调用诊断模块。
23.按照权利要求20的方法，其中，指导子系统管理器的状态转移，包括指导状态转移到断路状态；从断路状态到至少一种工作状态；和从任一工作状态到至少一种关闭状态。
24.按照权利要求23的方法，其中的至少一种工作状态，包括至少如下的一种手工操作状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；管理器校验状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；预热状态，子系统可以从管理器校验状态转移，进入该状态；起动状态，子系统可以从预热状态转移，进入该状态；和运行状态，子系统可以从起动状态转移，进入该状态。
25.按照权利要求23的方法，其中的至少一种关闭状态，包括至少如下的一种标准关闭状态；和紧急关闭状态。
26.一种控制包括多个物理子系统的燃料处理器的设备，本设备包括通过相应子系统管理器，管理每一物理子系统工作的装置；由主控制管理器指导子系统管理器状态转移的装置；和由主控制管理器搜寻子系统管理器之间互作用的装置。
27.按照权利要求26的设备，其中管理每一物理子系统工作的装置，包括调用控制模块、信息交换模块、和控制模块的装置。
28.按照权利要求27的设备，其中管理工作的装置，还包括调用诊断模块的装置。
29.按照权利要求26的设备，其中指导子系统管理器状态转移的装置，包括用于指导如下状态转移的装置到达断路状态；从断路状态到达至少一种工作状态；和从任一工作状态到达至少一种关闭状态。
30.按照权利要求29的设备，其中的至少一种工作状态，包括至少如下的一种手工操作状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；管理器校验状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；预热状态，子系统可以从管理器校验状态转移，进入该状态；起动状态，子系统可以从预热状态转移，进入该状态；和运行状态，子系统可以从起动状态转移，进入该状态。
31.按照权利要求29的设备，其中的至少一种关闭状态，包括至少如下的一种标准关闭状态；和紧急关闭状态。
32.一种用指令编码的程序存储媒体，当这些指令被计算机执行时，实施一种控制包括多个物理子系统的燃料处理器的方法，该方法包括通过相应子系统管理器，管理每一物理子系统的工作；由主控制管理器指导子系统管理器状态的转移；和由主控制管理器搜寻子系统管理器之间的互作用。
33.按照权利要求32的程序存储媒体，其中，在该编码方法中，每一物理子系统工作的管理，包括调用控制模块、信息交换模块、和控制模块。
34.按照权利要求32的程序存储媒体，其中，在该编码方法中，指导子系统管理器状态的转移包括指导如下状态的转移到达断路状态；从断路状态到达至少一种工作状态；和从任一工作状态到达至少一种关闭状态。
35.一种已编程的计算机，用于实施控制包括多个物理子系统的燃料处理器的方法，该方法包括通过相应子系统管理器，管理每一物理子系统的工作；由主控制管理器指导子系统管理器状态的转移；和由主控制管理器搜寻子系统管理器之间的互作用。
36.按照权利要求35的已编程的计算机，其中，在该编程方法中，每一物理子系统工作的管理，包括调用控制模块、信息交换模块、和控制模块。
37.按照权利要求35的已编程的计算机，其中，在该编程方法中，指导子系统管理器状态的转移，包括指导如下状态的转移到达断路状态；从断路状态到达至少一种工作状态；和从任一工作状态到达至少一种关闭状态。
38.一种用于燃料处理器的控制系统，包括多个子系统管理器，各子系统管理器能控制燃料处理器多个物理子系统中相应的一个；主控制管理器，能通过这些子系统管理器，控制燃料处理器。
39.按照权利要求38的控制系统，还包括第一层，能把子系统管理器与它们相应的物理子系统对接；第二层，能把子系统管理器与第一层对接。
40.按照权利要求39的控制系统，其中的控制系统，还包括第三层，子系统管理器通过该第三层，能报告在它们相应物理子系统中的差错条件。
41.按照权利要求38的控制系统，其中的控制系统，还包括一层，子系统管理器通过该层，能报告在它们相应物理子系统中的差错条件。
42.按照权利要求39的控制系统，其中，每一子系统管理器包括信息交换模块，子系统管理器通过该模块取得请求事件的可行性的确定，并确认实现请求的事件的措施；和物理模块，信息交换模块与该物理模块磋商，以便为实现请求的事件而确认措施；和控制模块，物理模块与该控制模块磋商，以确定为实现请求的事件，应采取何种措施。
43.按照权利要求42的控制系统，其中的控制系统，还包括一层，子系统管理器通过该层，能报告在它们相应物理子系统中的差错条件。
44.按照权利要求42的控制系统，其中，每一子系统管理器包括诊断模块，该诊断模块为差错条件而查阅控制模块和物理模块，以监控物理子系统。
45.按照权利要求38的控制系统，其中的主控制管理器，能通过指导子系统管理器状态的转移，和搜寻各子系统管理器之间的互作用，控制燃料处理器。
46.按照权利要求45的控制系统，其中，子系统管理器在多个状态之间转移，该多个状态包括断路状态；至少一种工作状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；和至少一种关闭状态，子系统可以从任一工作状态转移，进入该状态。
47.按照权利要求46的控制系统，其中的至少一种工作状态，包括至少如下的一种手工操作状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；管理器校验状态，子系统可以从断路状态转移，进入该状态；预热状态，子系统可以从管理器校验状态转移，进入该状态；起动状态，子系统可以从预热状态转移，进入该状态；和运行状态，子系统可以从起动状态转移，进入该状态。
48.按照权利要求46的控制系统，其中的至少一种关闭状态，包括至少如下的一种标准关闭状态；和紧急关闭状态。
全文摘要
本文公开一种用于燃料处理器控制的技术。一方面，该控制系统包括子系统管理器，对燃料处理器中多个物理子系统每一个相应物理子系统的工作，进行控制。这些子系统管理器，从主控制管理器取得对它们的指导。第二方面，这些子系统管理器，集体地形成与第二层联合工作的层，该第二层能把子系统管理器与它们相应的物理子系统对接，第三层能把子系统管理器与第二层对接。第三方面，主控制管理器通过相应的子系统管理器，管理每一物理子系统的工作，指导子系统管理器状态的转移，和由主控制管理器搜寻各子系统管理器之间的互作用。
文档编号G05B15/00GK1791992SQ200480013523
公开日2006年6月21日 申请日期2004年3月30日 优先权日2003年4月4日
发明者维斯纳·R.·米尔考维克, 威廉·S.·惠特, 休·N.·托, 丹尼斯·J.·本德托 申请人:德士古发展公司