專利名稱：控制燃料處理器的結(jié)構(gòu)分層體系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料處理器，更具體地說(shuō)，是涉及燃料處理器的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池技術(shù)是一種另外采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(chǎn)生電力、水、和熱。更準(zhǔn)確地說(shuō)，燃料電池從化學(xué)的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電力，并在清潔和效率方面，顯著優(yōu)于其他電力的產(chǎn)生形式。通常，燃料電池采用氫作燃料和氧作氧化劑。產(chǎn)生的電力正比于反應(yīng)物的消耗率。
妨礙燃料電池廣泛使用的顯著缺點(diǎn)，在于缺乏廣為分布的氫的基礎(chǔ)設(shè)施。氫有相對(duì)低的體積能量密度，和當(dāng)前大多數(shù)電力產(chǎn)生系統(tǒng)使用的碳?xì)浠衔锶剂舷啾龋y貯存及運(yùn)輸?？朔@一困難的一種方式，是使用“燃料處理器”或“重整裝置”，把碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)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(shù)燃料電池的燃料，要求把基于碳?xì)浠衔锏娜剂?，諸如天然氣、LPG、汽油、和柴油，進(jìn)行轉(zhuǎn)化。目前的工藝使用多步處理過(guò)程，把初始的轉(zhuǎn)化處理過(guò)程與若干凈化處理過(guò)程組合。該初始處理過(guò)程最常見(jiàn)的是蒸氣重整(“SR”)、自供熱重整(“ATR”)、催化的部分氧化(“CPOX”)、或無(wú)催化的部分氧化(“POX”)。凈化處理過(guò)程常常包括脫硫、高溫水煤氣轉(zhuǎn)換、低溫水煤氣轉(zhuǎn)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(guò)程包括，氫選擇性薄膜反應(yīng)器和過(guò)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，那么燃燒是非常清潔的，并且實(shí)際上，在耗散和/或消費(fèi)了熱，和消費(fèi)了電力之后，留下的只有水。大多數(shù)立刻可用的燃料(例如，天然氣、丙烷、汽油)和即使是不那么普通的一種(例如，甲醇和乙醇)，也在它們的分子結(jié)構(gòu)中包括氫。因此，一些燃料電池的實(shí)施方案，采用“燃料處理器”處理特定的燃料，產(chǎn)生相對(duì)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(rèn)為其技術(shù)尚不成熟。這種狀態(tài)的原因有很多且都很難解決。然而，近年政策的、商業(yè)的、和環(huán)境的條件，已經(jīng)激起對(duì)燃料電池技術(shù)興趣的增長(zhǎng)。而該增長(zhǎng)的興趣又產(chǎn)生技術(shù)發(fā)展的增大的空間。
無(wú)論增大的發(fā)展空間如何受歡迎，它仍有自身的問(wèn)題。燃料電池的設(shè)計(jì)，特別是那些用燃料處理器的設(shè)計(jì)，通常都是復(fù)雜的。試考慮美國(guó)專利申請(qǐng)10/006,963說(shuō)明的燃料處理器設(shè)計(jì)，該專利的標(biāo)題是“Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen Rich Gas”，以發(fā)明人Curtis L.Krause等人的名義于2001年12月5日申請(qǐng)，并在2002年7月18日公開(kāi)(公開(kāi)No.US2002/009410 A1)。在該設(shè)計(jì)中，陽(yáng)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(duì)碳比值的函數(shù)。光是因素的數(shù)量本身，足以使該溫度的控制成為困難的任務(wù)。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(shù)。因此，隨著燃料處理器設(shè)計(jì)的變化，加劇了難以控制的問(wèn)題。
本發(fā)明的目標(biāo)，是解決，或至少是減輕上述所有問(wèn)題之一或全部。

發(fā)明內(nèi)容
這里公開(kāi)一種燃料處理器中使用的控制技術(shù)。一方面，是一種控制系統(tǒng)，包括子系統(tǒng)管理器，對(duì)燃料處理器中多個(gè)物理子系統(tǒng)每一個(gè)的相應(yīng)物理子系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制。這些子系統(tǒng)管理器，從主控制管理器取得對(duì)它們的指導(dǎo)。第二方面，這些子系統(tǒng)管理器，集體地形成與第二層聯(lián)合工作的層，該第二層能把子系統(tǒng)管理器與它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)對(duì)接，第三層能把子系統(tǒng)管理器與第二層對(duì)接。第三方面，主控制管理器通過(guò)相應(yīng)的子系統(tǒng)管理器，管理每一物理子系統(tǒng)的工作，指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，和由主控制管理器搜尋各子系統(tǒng)管理器之間的互作用。


通過(guò)參照下面結(jié)合附圖的說(shuō)明，可以了解本發(fā)明，附圖中，相同的參考數(shù)字表示相同的單元，附圖有圖1畫出按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)施例；圖2A和圖2B，在概念上表明一種計(jì)算設(shè)備，可以在實(shí)施圖1實(shí)施例中使用；圖3畫出按照本發(fā)明控制的燃料處理器的一個(gè)具體實(shí)施例；圖4A-圖4F詳細(xì)表明圖3中的燃料處理器的物理子系統(tǒng)；圖5畫出圖1控制系統(tǒng)一個(gè)具體實(shí)施例，供圖3所示燃料處理器的控制使用；圖6對(duì)首次示于圖5的按照本發(fā)明的控制系統(tǒng)，畫出它的子系統(tǒng)管理器的結(jié)構(gòu)分層體系；圖7是狀態(tài)機(jī)構(gòu)，用于本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的物理子系統(tǒng)；和圖8示意畫出首次示于圖3的燃料處理器自供熱重整裝置的重整處理過(guò)程。
雖然本發(fā)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里詳細(xì)說(shuō)明的具體實(shí)施例。然而應(yīng)當(dāng)指出，這里說(shuō)明的具體實(shí)施例，不表明把本發(fā)明限制于公開(kāi)的具體形式，相反，本發(fā)明涵蓋所有修改的、等價(jià)的、和替代的實(shí)施例，這些實(shí)施例按照后面所附權(quán)利要求書的規(guī)定，包含在本發(fā)明的精神及范圍之內(nèi)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明出示的實(shí)施例，現(xiàn)在說(shuō)明于下。為了清楚起見(jiàn)，在本說(shuō)明書中，不是所有實(shí)際實(shí)施例的特征都加以說(shuō)明。顯而易見(jiàn)，在任何這種實(shí)際實(shí)施例的研發(fā)中，必須作出許多實(shí)施方案特有的決定，以達(dá)到研發(fā)者特定的目的，例如與系統(tǒng)有關(guān)的依從性和與商業(yè)有關(guān)的約束條件，這些都將隨實(shí)施例變化。此外，這種研發(fā)的努力，即使是復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，也是照例必需完成的任務(wù)，本領(lǐng)域熟練人員可從這里公開(kāi)的內(nèi)容獲益。
本發(fā)明一般針對(duì)控制“燃料處理器”，或“重整裝置”的方法和設(shè)備，就是說(shuō)，把碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)化為富氫煤氣的設(shè)備。本文將使用術(shù)語(yǔ)“燃料處理器”。本文出示的實(shí)施例中的方法和設(shè)備，控制緊湊的處理器，以便從碳?xì)浠衔锶剂仙a(chǎn)富氫煤氣流，供燃料電池使用。但是，在另外的實(shí)施例中，可以使用其他的燃料處理器。再有，本文說(shuō)明的設(shè)備和方法，還設(shè)想其他可能的應(yīng)用，包括任何其中需要使用富氫流的應(yīng)用。本方法和設(shè)備還可以在不能應(yīng)用于煤氣流生產(chǎn)的實(shí)施例中使用。因此，雖然本文說(shuō)明的本發(fā)明，是結(jié)合燃料電池使用的，但本發(fā)明的范圍不限于這種應(yīng)用。
圖1畫出按照本發(fā)明設(shè)計(jì)、構(gòu)建、和工作的控制系統(tǒng)100的一個(gè)具體實(shí)施例?？刂葡到y(tǒng)100包括主控制管理器102，和多個(gè)物理子系統(tǒng)管理器104。子系統(tǒng)管理器104的數(shù)量對(duì)本發(fā)明不是關(guān)鍵的。因此，圖1畫出N個(gè)子系統(tǒng)管理器104，以SUBSYSTEM MANAGER0-SUBSYSTEM MANAGERN標(biāo)記。從理論上說(shuō)，數(shù)量N可以是任何數(shù)，雖然得益于這里公開(kāi)的內(nèi)容的本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)清楚，在實(shí)施具體的細(xì)節(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生某些實(shí)際的限制。盡管如此，子系統(tǒng)管理器104的數(shù)量對(duì)實(shí)施本發(fā)明不是關(guān)鍵的。
控制系統(tǒng)100是在計(jì)算機(jī)上，例如由圖2A和圖2B所示安裝在機(jī)架上的計(jì)算設(shè)備200實(shí)施的大的軟件。應(yīng)當(dāng)指出，計(jì)算設(shè)備200不必在所有實(shí)施例中都是安裝在機(jī)架上的。事實(shí)上，就這一方面而言，任何給定的實(shí)施方案，對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明不是關(guān)鍵的。計(jì)算設(shè)備200可以作為卓上個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、筆記本、或膝上計(jì)算機(jī)，甚至是嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)。
圖2A和圖2B所示計(jì)算設(shè)備200，包括在總線系統(tǒng)215上與存儲(chǔ)器210通信的處理器205。存儲(chǔ)器210可以包括硬盤和/或隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(“RAM”)和/或可移動(dòng)存儲(chǔ)器，例如軟磁盤217和光盤220。存儲(chǔ)器210使用存儲(chǔ)如上所述獲取的數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)225、操作系統(tǒng)230、用戶接口軟件235、和應(yīng)用程序265編碼。用戶接口軟件235與顯示器240結(jié)合，實(shí)現(xiàn)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、鼠標(biāo)255、或操縱桿260。處理器205在操作系統(tǒng)230的控制下運(yùn)行，該操作系統(tǒng)實(shí)際上可以是本領(lǐng)域熟知的任何操作系統(tǒng)。應(yīng)用程序265在通電、復(fù)位、或兩者時(shí)被操作系統(tǒng)230調(diào)用，取決于操作系統(tǒng)230的實(shí)施方案。在圖示的實(shí)施例中，應(yīng)用程序265包括示于圖1的控制系統(tǒng)100。
因此，至少本發(fā)明的一些方面，通常是作為適當(dāng)編程的計(jì)算裝置，如圖2A和圖2B所示計(jì)算設(shè)備200上的軟件實(shí)施。指令可以在例如存儲(chǔ)器210、軟盤217、和/或光盤220上編碼。因此，本發(fā)明在一個(gè)方面，包括已編程的計(jì)算設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。另一方面，本發(fā)明包括用指令編碼的程序存儲(chǔ)器裝置，這些指令在被計(jì)算設(shè)備執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。
這里詳細(xì)說(shuō)明的一些部分，因此以實(shí)施處理過(guò)程的軟件給出，該處理過(guò)程涉及計(jì)算系統(tǒng)或計(jì)算裝置的存儲(chǔ)器內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)比特進(jìn)行操作的符號(hào)表示。這些說(shuō)明和表示，是本領(lǐng)域人員用于向本領(lǐng)域其他人員傳遞他們的工作實(shí)質(zhì)最有效的手段。這些處理過(guò)程和操作，要求對(duì)物理量的物理處理。一般說(shuō)來(lái)，雖然非必需，但這些量取電的、磁的、或光的信號(hào)形式，能夠被存儲(chǔ)、傳送、組合、比較、和別的處理。已經(jīng)證明，主要是為共同使用的理由，把這些信號(hào)稱為比特、值、單元、符號(hào)、字符、術(shù)語(yǔ)、數(shù)，等等，常常是方便的。
但是，應(yīng)當(dāng)記住，所有這些和類似的術(shù)語(yǔ)，是與適當(dāng)?shù)奈锢砹肯嗦?lián)系的，且僅僅是便于對(duì)這些量進(jìn)行標(biāo)記。除非特別指出或顯而易見(jiàn)，在整個(gè)公開(kāi)的內(nèi)容中，這些說(shuō)明是指電子裝置的作用和處理過(guò)程，是指操作和變換一些電子裝置的存儲(chǔ)器內(nèi)表示物理量(電的、磁的、或光的)的數(shù)據(jù)，成為該存儲(chǔ)器內(nèi)，或在傳輸或顯示裝置內(nèi)同樣表示為物理量的其他數(shù)據(jù)。標(biāo)記這種說(shuō)明的術(shù)語(yǔ)的例子，不受限制地，如術(shù)語(yǔ)“處理”、“計(jì)算”、“運(yùn)算”、“確定”、“顯示”，等等。
在圖示的實(shí)施例中，控制系統(tǒng)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(tǒng)，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(yīng)，把輸入燃料處理器300的燃料，重整為用于燃料電池303的重整產(chǎn)品；氧化室(“ox”)304，是在圖示實(shí)施例中的陽(yáng)極尾氣氧化室(“ATO”)，該氧化室把蒸氣、燃料、和空氣混合，產(chǎn)生燃料混合物，作為生產(chǎn)過(guò)程給料流，送至ATR 302；燃料子系統(tǒng)306，把輸入燃料(在圖示實(shí)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(chǎn)過(guò)程給料流；水子系統(tǒng)308，把水送至氧化室304，以便混合為送至ATR 302的生產(chǎn)過(guò)程給料流；空氣子系統(tǒng)310，把空氣送至氧化室304，以便混合為送至ATR302的生產(chǎn)過(guò)程給料流；和熱力子系統(tǒng)312，通過(guò)使冷卻劑(如水)在整個(gè)裝置中循環(huán)，控制ATR 302的工作溫度。
ATR 302、氧化室304、燃料子系統(tǒng)306、水子系統(tǒng)308、空氣子系統(tǒng)310、和熱力子系統(tǒng)312具體的實(shí)施方案，畫在圖4A-圖4F。
圖4A畫出燃料子系統(tǒng)306的一個(gè)具體實(shí)施例。燃料子系統(tǒng)306包括燃料源402，并向氧化室304兩個(gè)不同部分提供給料ATO1、ATO2。如前所述，圖示實(shí)施例中的燃料是天然氣，但可以是其他類型的碳?xì)浠衔?。碳?xì)浠衔锶剂显谕饨鐥l件下，只要它能汽化，可以是液態(tài)或氣體。本文使用的術(shù)語(yǔ)“碳?xì)浠衔铩?，包括有C-H鍵的有機(jī)復(fù)合物，它能從部分氧化或蒸氣的重整反應(yīng)而產(chǎn)生氫。在該復(fù)合物的分子結(jié)構(gòu)中，不排除存在碳和氫以外的原子。因此，適合本文公開(kāi)的方法和設(shè)備使用的燃料，包括，但不限于碳?xì)浠衔锶剂?，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(guò)止回閥404和電磁閥406，從燃料源402接受燃料。然后，去硫的燃料由過(guò)濾器410過(guò)濾，并通過(guò)兩根包括控制閥412和流量計(jì)414的管線411、413，饋送至氧化室304。
圖4B畫出水子系統(tǒng)308的一個(gè)具體實(shí)施例。桶416通過(guò)止回閥404和電磁閥406，從水源418接受水。在圖示的實(shí)施例中，桶416還通過(guò)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(guò)減壓止回閥426和排放管417控制，其中的排放管417通過(guò)電磁閥406到達(dá)排放槽419。桶416中的水424，在控制器428的指導(dǎo)下，由泵浦421通過(guò)包括過(guò)濾器410和質(zhì)量流量計(jì)427的管線425，抽運(yùn)至氧化室304。阻尼器430抑制被抽運(yùn)水424在運(yùn)送至氧化室304途中的振蕩或起伏?？諝?23也經(jīng)管線427饋送氧化室304。
圖4C畫出空氣子系統(tǒng)310的一個(gè)具體實(shí)施例。包括電機(jī)434的壓縮機(jī)432，經(jīng)空氣進(jìn)口436、過(guò)濾器410、和流量計(jì)414，從外界大氣接受過(guò)濾的空氣，并把它壓進(jìn)桶438。然后，來(lái)自桶438的空氣，通過(guò)包括流量計(jì)414和控制閥444、446的管線440、442上的兩個(gè)給料ATO6、ATO7，分送氧化室304。來(lái)自桶438的空氣，同樣通過(guò)包括流量計(jì)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(shí)施方案。氧化室304如上所述，經(jīng)管線413、440、427、429，通過(guò)給料ATO2、ATO3、ATO5、ATO7，從燃料子系統(tǒng)306、水子系統(tǒng)308、空氣子系統(tǒng)310、和ATR302，通過(guò)多個(gè)止回閥426，接受燃料、水、和空氣。給料ATO5來(lái)自與ATR 302結(jié)合的水分離系統(tǒng)(下面還要討論)。來(lái)自燃料電池303陰極(未畫出)的熱空氣429，也回流氧化室304。來(lái)自燃料電池303陽(yáng)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(jīng)電磁閥406排放到排放槽419。然后，把脫水陽(yáng)極的回流經(jīng)止回閥426，通過(guò)管線450，輸送到氧化室304。于是，燃料、空氣、和脫水陽(yáng)極的回流在引進(jìn)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電加熱器456加熱。
仍舊參考圖4D，氧化室304還分別通過(guò)管線411、442、和425上的給料ATO1、ATO6、和ATO3，從燃料子系統(tǒng)306、水子系統(tǒng)308、和空氣子系統(tǒng)310，接受燃料、空氣、和水。管線411和442有止回閥426保護(hù)。在管線411和442上接受的空氣和水，進(jìn)入封閉的螺旋管458。在管線425上接受的水，進(jìn)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(nèi)含物，這些內(nèi)含物然后在混合器462中混合，并通過(guò)管線464上的給料ATR2，輸送至ATR 302。氧化室304通過(guò)管線465連至廢氣口463。
圖4E畫出熱力子系統(tǒng)312的一種具體實(shí)施方案。水466從水源468送進(jìn)桶416。應(yīng)當(dāng)指出，水源468不同于圖4B所示水子系統(tǒng)308的水源418。從水源418送出的水424，在圖示的實(shí)施例中，是去離子的，而水466則否。水466通過(guò)管線471-475上的給料ATR3、PROX1、L1、L2，在ATR 302和與之有關(guān)的子系統(tǒng)各部分循環(huán)。先前循環(huán)至ATR 302的水466，通過(guò)管線476上的給料TS1，回流至熱力子系統(tǒng)312。ATR 302組件引進(jìn)水466的熱，通過(guò)熱交換器478，被排向周圍環(huán)境。圖示實(shí)施例還采用風(fēng)扇480，以利熱交換。
圖4F畫出ATR 302的一種具體實(shí)施方案。ATR 302包括若干級(jí)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(tǒng)312(在圖4E畫得最清楚)，接受溫度控制的水466，并在管線476上使水回流。例外的是優(yōu)先氧化(“prox”)級(jí)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(tǒng)312接受水466，并經(jīng)管線476和給料TS1，使水回流至水桶416。離開(kāi)ATR 302的重整產(chǎn)品煤氣，通過(guò)優(yōu)先氧化室486，被熱交換器478加熱、被水分離器448去水、被過(guò)濾、最后輸送至燃料電池303(在圖3畫出)的陽(yáng)極(未畫出)。圖示實(shí)施例還包括自裂放壓片484，當(dāng)ATR 302過(guò)壓時(shí)，該自裂放壓片484破裂，使ATR302的內(nèi)容物經(jīng)管線440和給料ATO7，排放至氧化室304。
現(xiàn)在回到圖3，每一ATR 302、氧化室304、燃料子系統(tǒng)306、水子系統(tǒng)308、空氣子系統(tǒng)310、和熱力子系統(tǒng)312，構(gòu)成受子系統(tǒng)管理器104之一控制的物理子系統(tǒng)。因此，一個(gè)與圖3具體燃料處理器300一起使用的控制系統(tǒng)100的具體實(shí)施方案，在圖5畫出，其中包括主控制管理器502，通過(guò)這些子系統(tǒng)管理器，管理燃料處理器300的控制燃料子系統(tǒng)管理器504，用于控制燃料向ATO 306的傳送，以便混合成傳送到ATR 302的生產(chǎn)過(guò)程給料流；水子系統(tǒng)管理器506，用于控制水向ATO 306的傳送，以便混合成傳送到ATR 302的生產(chǎn)過(guò)程給料流；空氣子系統(tǒng)管理器508，用于控制空氣向ATO 306的傳送，以便混合成傳送到ATR 302的生產(chǎn)過(guò)程給料流；ATO子系統(tǒng)管理器510，用于控制蒸氣、燃料、和空氣的混合，產(chǎn)生燃料混合物，作為生產(chǎn)過(guò)程給料流傳送至ATR 302；ATR子系統(tǒng)管理器512，用于控制ATR 302中的氧化還原反應(yīng)，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(chǎn)品；和熱力子系統(tǒng)管理器514，通過(guò)熱力子系統(tǒng)312，控制ATR 302中的工作溫度。
因此，每一子系統(tǒng)管理器504-514，控制相應(yīng)物理子系統(tǒng)302、394-312的工作。
控制系統(tǒng)500還包括另外的層，該層對(duì)控制系統(tǒng)按分層體系方式的模塊性有幫助。更具體地說(shuō)，控制系統(tǒng)500包括依賴硬件的層516和“兼容性”層518。依賴硬件的控制功能性的各方面，被分離出來(lái)，集中進(jìn)該依賴硬件層516。例如，參考圖4A，為增加燃料402向氧化室304的流量，打開(kāi)控制閥414之一或兩者。于是從控制系統(tǒng)500向控制閥414的致動(dòng)器(未畫出)發(fā)射控制信號(hào)(也沒(méi)有畫出)，而該信號(hào)的特征是依賴硬件的。實(shí)際產(chǎn)生和發(fā)射該控制信號(hào)的功能，被集中進(jìn)依賴硬件層516。因此，如果，例如在燃料子系統(tǒng)306中的硬件需要從一種模型改變?yōu)榱硪环N模型，那么，只有依賴硬件層516必需修改。兼容性層518轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出的指令，使它們能與燃料處理器300的硬件兼容。舉例說(shuō)，一個(gè)子系統(tǒng)管理器504-514，可以用特定的量度單位，請(qǐng)求某一事件。需要實(shí)施該請(qǐng)求的硬件，可以在第二量度單位中取指令。兼容性層518將把子系統(tǒng)管理器504-514在第一量度單位中發(fā)出的指令，翻譯成該硬件采用的第二量度單位中的指令，使它能被依賴硬件層516實(shí)施。
圖示控制系統(tǒng)500的實(shí)施例，還再包括診斷層520，該診斷層同樣對(duì)控制系統(tǒng)按分層體系方式的模塊性有幫助。每一子系統(tǒng)管理器504-514為差錯(cuò)條件監(jiān)控它相應(yīng)的物理子系統(tǒng)302、304-312。更具體說(shuō)，子系統(tǒng)管理器504-514對(duì)“關(guān)閉”條件，即對(duì)值得關(guān)閉燃料處理器300的充分重要的差錯(cuò)條件，進(jìn)行監(jiān)控。由子系統(tǒng)管理器504-514檢測(cè)的差錯(cuò)條件，通過(guò)診斷層502，報(bào)告主控制管理器502。
每一子系統(tǒng)管理器504-514還含有模塊化內(nèi)部結(jié)構(gòu)600，在圖6中以概念方式畫出。每一子系統(tǒng)管理器504-514采用該模塊化內(nèi)部結(jié)構(gòu)600，指導(dǎo)它在相應(yīng)物理子系統(tǒng)302、304-312中的業(yè)務(wù)。每一子系統(tǒng)管理器504-514包括信息交換模塊605，特定的子系統(tǒng)管理器504-514通過(guò)該信息交換模塊605，確定實(shí)施其他子系統(tǒng)管理器504-514通過(guò)主控制管理器502要求的事件的可行性，并確認(rèn)實(shí)施該要求事件的措施；診斷模塊610，該診斷模塊610通過(guò)信息交換模塊605與診斷層520通信，以報(bào)告差錯(cuò)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(rèn)實(shí)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(guān)于差錯(cuò)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(shí)施請(qǐng)求的事件，應(yīng)采取何種措施，且診斷模塊通過(guò)該控制模塊620，與依賴硬件層516通過(guò)兼容性層518通信，以獲得該確定的信息。
在控制系統(tǒng)500省略該診斷層520的另外的實(shí)施例中，可以從子系統(tǒng)管理器504-514中省去診斷模塊610。
回到圖5，在圖示的實(shí)施例中，子系統(tǒng)管理器504-514把它們信息交換模塊605的要求，通過(guò)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，其中首次示于圖3的氧化室304，感測(cè)到來(lái)自燃料子系統(tǒng)306給料壓力的下降，該燃料子系統(tǒng)306也首次示于圖3。那么，ATO子系統(tǒng)管理器510可以要求增加燃料供應(yīng)。按圖示實(shí)施例的說(shuō)法，燃料增加應(yīng)視為一“事件”。ATO子系統(tǒng)管理器510通過(guò)在圖6所示信息交換模塊605發(fā)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(dāng)?shù)奈锢碜酉到y(tǒng)管理器-在本例中是燃料子系統(tǒng)管理器504，轉(zhuǎn)發(fā)該要求。
燃料子系統(tǒng)管理器504經(jīng)它自己的信息交換模塊605，接受該要求，該燃料子系統(tǒng)管理器504校驗(yàn)是否處于實(shí)施該要求的適當(dāng)狀態(tài)(下面還要進(jìn)一步討論)。如果要求的事件是允許的并可行的，那么，燃料子系統(tǒng)管理器504實(shí)施該要求的事件。信息交換模塊605指令物理模塊615實(shí)施該要求的事件。信息交換模塊605詢問(wèn)控制器模塊620，何種措施必須采取。然后，信息交換模塊605把必須采取的那些措施，通知物理模塊615。于是，物理模塊615通過(guò)依賴硬件層516經(jīng)過(guò)兼容性層518，向硬件致動(dòng)器(未畫出)發(fā)出與那些措施相應(yīng)的指令。
主控制管理器502還通過(guò)子系統(tǒng)管理器504-514，控制整個(gè)系統(tǒng)300的工作狀態(tài)。試考慮，例如圖7的狀態(tài)圖700，該圖表示子系統(tǒng)管理器504-514的工作狀態(tài)和它們之間的轉(zhuǎn)移。每一子系統(tǒng)管理器504-514通過(guò)八種不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，雖然在任一工作循環(huán)中不是通過(guò)所有八種狀態(tài)“斷路”狀態(tài)702；“管理器校驗(yàn)”狀態(tài)704，在該狀態(tài)中，子系統(tǒng)管理器504-514校驗(yàn)它們相應(yīng)物理子系統(tǒng)302-312的工作準(zhǔn)備；“手工操作”狀態(tài)706，在該狀態(tài)中，操作員能指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)的工作；“預(yù)熱”狀態(tài)708，在該狀態(tài)中，把加熱單元和整個(gè)系統(tǒng)300的流體，預(yù)熱或預(yù)冷到它們正常工作指定的級(jí)別；“起動(dòng)”狀態(tài)710，在該狀態(tài)中，整個(gè)系統(tǒng)300開(kāi)始在起動(dòng)條件下工作；“運(yùn)行”狀態(tài)712，在該狀態(tài)中，整個(gè)系統(tǒng)300在穩(wěn)態(tài)條件下工作；“關(guān)閉”狀態(tài)714，在該狀態(tài)中，整個(gè)系統(tǒng)的物理子系統(tǒng)把它們的工作關(guān)閉到工作循環(huán)計(jì)劃的終端；和“緊急關(guān)閉”狀態(tài)716，在該狀態(tài)中，響應(yīng)一個(gè)或多個(gè)物理子系統(tǒng)中緊急條件的出現(xiàn)或檢測(cè)，關(guān)閉物理子系統(tǒng)。
雖然每一子系統(tǒng)管理器504-514通過(guò)相同的八種狀態(tài)轉(zhuǎn)移，但指配給每一子系統(tǒng)管理器504-514的任務(wù)，從它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)302-312的要求來(lái)看，將是唯一的。例如，燃料子系統(tǒng)管理器504在運(yùn)行狀態(tài)712中執(zhí)行的任務(wù)，與ATR子系統(tǒng)管理器512在運(yùn)行狀態(tài)中執(zhí)行的任務(wù)不同，給出燃料子系統(tǒng)306和ATR 302的工作和功能中的差別，燃料子系統(tǒng)306和ATR 302兩者示于圖3。
現(xiàn)在回到圖7，從斷路狀態(tài)702出來(lái)，子系統(tǒng)管理器504-514要么轉(zhuǎn)移進(jìn)入管理器校驗(yàn)狀態(tài)704，要么進(jìn)入手工操作狀態(tài)706。從手工操作狀態(tài)706，子系統(tǒng)管理器504-514只能要么轉(zhuǎn)移至關(guān)閉狀態(tài)714，要么轉(zhuǎn)移至緊急關(guān)閉狀態(tài)716。從管理器校驗(yàn)狀態(tài)704，子系統(tǒng)管理器504-514可以按以下次序通過(guò)預(yù)熱狀態(tài)708、起動(dòng)狀態(tài)710、和運(yùn)行狀態(tài)712轉(zhuǎn)移。子系統(tǒng)管理器504-514能夠從任何其他狀態(tài)，或者轉(zhuǎn)移進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)714，或者進(jìn)入緊急關(guān)閉狀態(tài)716。
現(xiàn)在參考圖5和圖7，操作員在通電時(shí)或使系統(tǒng)初始化時(shí)，即離開(kāi)斷路狀態(tài)702時(shí)，可以選擇是否進(jìn)入手工操作狀態(tài)706。如果操作員不選擇手工操作狀態(tài)706，則主控制管理器502擔(dān)任控制。在手工操作狀態(tài)706中，操作員可以選擇一定的工作負(fù)載量的百分比，系統(tǒng)逐漸升至指定級(jí)別的設(shè)定點(diǎn)，但仍然施行控制邏輯。就是說(shuō)，子系統(tǒng)管理器504-514依舊如上所述，通過(guò)主控制管理器500彼此合作。
現(xiàn)在假定操作員不承擔(dān)手工操作控制，主控制管理器502向每一子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出轉(zhuǎn)移至管理器校驗(yàn)狀態(tài)704的信號(hào)。于是，每一子系統(tǒng)管理器504-514執(zhí)行與管理器校驗(yàn)狀態(tài)704有關(guān)的任務(wù)。當(dāng)各個(gè)子系統(tǒng)管理器504-514已經(jīng)完成它們與管理器校驗(yàn)狀態(tài)704有關(guān)的任務(wù)時(shí)，它們把該事實(shí)以信號(hào)發(fā)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(tǒng)管理器504-514已經(jīng)發(fā)送信號(hào)，表明它們已經(jīng)完成，然后，主控制管理器502發(fā)出信號(hào)，令子系統(tǒng)管理器504-514轉(zhuǎn)移至預(yù)熱狀態(tài)708。
當(dāng)子系統(tǒng)管理器504-514通過(guò)剩余狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程。應(yīng)當(dāng)指出，只當(dāng)主控制管理器502發(fā)出信號(hào)，令子系統(tǒng)管理器504-514轉(zhuǎn)移至下一個(gè)狀態(tài)時(shí)，子系統(tǒng)管理器504-514才轉(zhuǎn)移至下一個(gè)狀態(tài)。還應(yīng)當(dāng)指出，只當(dāng)所有子系統(tǒng)管理器504-514已經(jīng)準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)移時(shí)，主控制管理器502才發(fā)出令子系統(tǒng)管理器504-514轉(zhuǎn)移的信號(hào)。因此，子系統(tǒng)管理器504-514是在主控制管理器502指導(dǎo)下，以同步方式轉(zhuǎn)移它們的狀態(tài)的。
現(xiàn)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(gè)子系統(tǒng)管理器504-514之間的通信，是通過(guò)主控制管理器502路由的。第二，主控制管理器502控制子系統(tǒng)管理器504-514的工作狀態(tài)。
現(xiàn)在參考圖3和圖5，說(shuō)明燃料處理器300在控制系統(tǒng)500控制下的工作。在通電或復(fù)位時(shí)，燃料處理器300和控制系統(tǒng)500，要么從斷路狀態(tài)702轉(zhuǎn)移至管理器校驗(yàn)狀態(tài)704，要么轉(zhuǎn)移至手工操作狀態(tài)706，取決于操作員的輸入。再次假定操作員不承擔(dān)手工操作控制，主控制管理器502向子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)送轉(zhuǎn)移至管理器校驗(yàn)狀態(tài)704的信號(hào)，在該管理器校驗(yàn)狀態(tài)中，子系統(tǒng)管理器504-514校驗(yàn)它們各自物理子系統(tǒng)的工作準(zhǔn)備。一旦各子系統(tǒng)管理器504-514向主控制管理器502發(fā)出信號(hào)，表明它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)管理器校驗(yàn)，主控制器502向子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出轉(zhuǎn)移至預(yù)熱狀態(tài)708的信號(hào)，在該預(yù)熱狀態(tài)708中，相應(yīng)物理子系統(tǒng)的加熱單元或流體，被預(yù)熱或預(yù)冷到它們正常工作指定的級(jí)別。
一旦所有子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出信號(hào)，表明它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)已經(jīng)完成預(yù)熱任務(wù)，主控制管理器502發(fā)出令它們轉(zhuǎn)移至起動(dòng)狀態(tài)710的信號(hào)，在起動(dòng)狀態(tài)710中，整個(gè)系統(tǒng)300在起動(dòng)條件下開(kāi)始工作。從本公開(kāi)內(nèi)容得益的本領(lǐng)域熟練人員顯然知道，燃料處理器300不能簡(jiǎn)單地投入生產(chǎn)。例如，氧化室304不能開(kāi)始混合生產(chǎn)過(guò)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(kāi)始重整燃料，直到它已經(jīng)從氧化室304接受足夠的生產(chǎn)過(guò)程給料流。因此，在起動(dòng)狀態(tài)710中，超出范圍的壓力、體積、等等不會(huì)觸發(fā)，關(guān)閉差錯(cuò)條件被容忍，直到燃料處理器300到達(dá)穩(wěn)態(tài)工作。
一旦所有子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出信號(hào)，表明它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作條件，主控制管理器502發(fā)出令它們轉(zhuǎn)移至運(yùn)行狀態(tài)712的信號(hào)。在運(yùn)行狀態(tài)712中，整個(gè)系統(tǒng)300在穩(wěn)態(tài)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(示于圖4A)、空氣(示于圖4C)、及水(示于圖4B)，從燃料子系統(tǒng)306、水子系統(tǒng)308、及空氣子系統(tǒng)310輸送到ATR 302的工作為中心。
圖8畫出一般處理過(guò)程的流程圖，表明包括在本發(fā)明圖示實(shí)施例中的處理步驟。下面結(jié)合圖8的說(shuō)明，摘自美國(guó)專利申請(qǐng)10/006,963，標(biāo)題為“Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen RichGas”，以發(fā)明人Curtis L.Krause等人的名義于2001年12月5日申請(qǐng)，并在2002年7月18日公開(kāi)(公開(kāi)No.US2002/009410 A1)。本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)明白，在本文公開(kāi)的通過(guò)反應(yīng)釜的反應(yīng)物的流動(dòng)中，必需漸進(jìn)過(guò)程的某些量。燃料處理器300的給料，包括碳?xì)浠衔锶剂?、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(fā)明的燃料處理器的排出物流，包括氫和二氧化碳，并還能包括一些水、未轉(zhuǎn)化的碳?xì)浠衔铩⒁谎趸?、雜質(zhì)(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(jìn)行兩種反應(yīng)，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(zhuǎn)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(yīng)方程式，其中考慮的碳?xì)浠衔锸羌淄?
(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，有利于部分氧化，而更高的水蒸氣濃度，有利于蒸氣重整。因此，氧對(duì)碳?xì)浠衔锖退畬?duì)碳?xì)浠衔锏谋戎?，是表征影響工作溫度和氫產(chǎn)量的參數(shù)。
自供熱重整步驟A的工作溫度，可以在約550℃到約900℃的范圍，取決于給料條件和催化劑。這些比值、溫度、和給料條件，是受本發(fā)明控制系統(tǒng)控制的參數(shù)的所有例子。圖示實(shí)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(xiàn)在回到圖8，處理步驟B是冷卻步驟，在圖4F的模塊482c中進(jìn)行，用于把來(lái)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(yōu)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(shí)現(xiàn)，取決于設(shè)計(jì)的指標(biāo)，和使用任何適當(dāng)類型冷卻劑來(lái)回收/再利用煤氣流熱量的需要。圖示實(shí)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(jìn)行，并采用氧化鋅作硫化氫吸收劑。碳?xì)浠衔锪鞯闹饕s質(zhì)之一是硫，它被自供熱重整步驟A轉(zhuǎn)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/或其他能吸收并轉(zhuǎn)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(yīng)方程式III，把硫化氫轉(zhuǎn)化為水實(shí)現(xiàn)的(III)該反應(yīng)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(fā)明的控制系統(tǒng)控制。
再次參考圖8，排出物流然后送至模塊482d實(shí)施的混合步驟D，在混合步驟中，從水子系統(tǒng)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(fā)和為處理步驟E(下面討論)的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)供給更多的水，使反應(yīng)物流的溫度降低。水蒸氣和其他排出物流組分，在通過(guò)嵌入材料中心部分時(shí)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(fā)的類似的材料。另外，任何增加的水可以與給料一起引入，而混合步驟可以反復(fù)進(jìn)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(fā)明的控制系統(tǒng)控制。
回到圖8，在模塊482e中進(jìn)行的處理步驟E，是水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，該反應(yīng)按照方程式IV把一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳(IV)一氧化碳的濃度最好低于燃料電池能夠忍受的濃度，通常在50ppm以下。一般說(shuō)，水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)可以在從150℃到600℃的溫度發(fā)生，取決于使用的催化劑。在這種條件下，煤氣流中大部分一氧化碳在該步驟中被轉(zhuǎn)化。該溫度和濃度是本發(fā)明控制系統(tǒng)控制的更多的參數(shù)。
再回到圖8，在模塊482e中進(jìn)行的處理步驟F，是在圖示實(shí)施例中由熱交換器478執(zhí)行的冷卻步驟。熱交換器478降低煤氣流的溫度，以產(chǎn)生最好在約90℃到約150℃溫度范圍的排出物。在步驟F的處理中，在管線498上還添加來(lái)自空氣子系統(tǒng)310的氧，如圖4C和圖4F所示。氧被下面說(shuō)明的處理步驟G的反應(yīng)消耗。
在模塊482g中進(jìn)行的處理步驟G，是氧化步驟，其中，在排出物流中，幾乎所有剩余的一氧化碳，都轉(zhuǎn)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(yīng)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)，列舉于后(V)(VI)低溫有利于優(yōu)先的一氧化碳氧化。因?yàn)閮煞N反應(yīng)都產(chǎn)生熱，可供選擇地包括冷卻單元，如在處理過(guò)程中放置冷卻螺旋管，是有利的。處理過(guò)程的工作溫度最好保持在約90℃到約150℃的范圍。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(kāi)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)、剩余的碳?xì)浠衔锏鹊?。生產(chǎn)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(yīng)用的給料。生產(chǎn)的煤氣可選擇地轉(zhuǎn)送進(jìn)一步處理，例如除去二氧化碳、水、或其他組分。
終于，工作循環(huán)結(jié)束。如果結(jié)束是計(jì)劃之內(nèi)的，那么，主控制管理器502在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，向子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出轉(zhuǎn)移到關(guān)閉狀態(tài)714的信號(hào)。如上所述，子系統(tǒng)管理器504-514通過(guò)它們?cè)趫D6所示的診斷模塊610，監(jiān)控它們各自物理子系統(tǒng)差錯(cuò)條件的出現(xiàn)。一些差錯(cuò)條件準(zhǔn)許關(guān)閉燃料處理器300的工作。如果檢測(cè)到該種“關(guān)閉”的差錯(cuò)條件，檢測(cè)它的子系統(tǒng)管理器504-514，通過(guò)示于圖5的診斷模塊610和診斷層520，向主控制管理器502報(bào)告該差錯(cuò)。然后，主控制模塊502向子系統(tǒng)管理器504-514發(fā)出轉(zhuǎn)移到緊急關(guān)閉狀態(tài)716的信號(hào)。
從本發(fā)明的分層體系本性得到的模塊性設(shè)計(jì)，具有允許控制系統(tǒng)擴(kuò)大的靈活性。整個(gè)子系統(tǒng)可以被除去、添加、和/或替代，以便測(cè)試、評(píng)估、和修改子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不必對(duì)控制系統(tǒng)作主要調(diào)整。控制算法沒(méi)有依賴硬件的，但依賴硬件層除外，該依賴硬件層包含儀表校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。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(gè)整體的控制系統(tǒng)，也不要求進(jìn)行許多重新編程工作。因而，本發(fā)明允許快速并容易地?cái)U(kuò)大本處理控制系統(tǒng)，還有利于新子系統(tǒng)的緊密插入。本發(fā)明還允許研發(fā)者獨(dú)立的或不同的隊(duì)伍，為各種性能相對(duì)簡(jiǎn)單的物理子系統(tǒng)，迅速建立控制軟件。這一優(yōu)點(diǎn)在快速演變的技術(shù)中，例如用復(fù)雜控制系統(tǒng)的燃料處理器/燃料電池設(shè)計(jì)中，特別有用。
最后結(jié)束本詳細(xì)說(shuō)明。上面公開(kāi)的具體實(shí)施例是演示性的，因?yàn)閺谋疚牡慕虒?dǎo)得益的本領(lǐng)域熟練人員顯然明白，本發(fā)明可以修改和按不同的但等價(jià)的方式實(shí)施。再者，本文出示的結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，除下面權(quán)利要求書說(shuō)明外，不受限制。因此顯然，上面公開(kāi)的具體實(shí)施例可以改變或修改，且所有這些變化都被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。所以，本文尋求的保護(hù)，在下面權(quán)利要求書中闡明。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括包含多個(gè)物理子系統(tǒng)的燃料處理器；控制系統(tǒng)，包括第一層，包含多個(gè)子系統(tǒng)管理器，每一子系統(tǒng)管理器能控制相應(yīng)的一個(gè)物理子系統(tǒng)；第二層，能把子系統(tǒng)管理器與它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)對(duì)接；第三層，能把子系統(tǒng)管理器與第二層對(duì)接；和主控制管理器，能通過(guò)子系統(tǒng)管理器，控制燃料處理器。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的物理子系統(tǒng)包括第一子系統(tǒng)，能重整燃料、空氣、和蒸氣混合物；第二子系統(tǒng)，能把燃料、空氣、和蒸氣，與煤氣、空氣混合，產(chǎn)生混合物并把該混合物傳送至第一子系統(tǒng)；第三子系統(tǒng)，能把燃料傳送至第二子系統(tǒng)；第四子系統(tǒng)，能把水傳送至第二子系統(tǒng)；第五子系統(tǒng)，能把空氣傳送至第二子系統(tǒng)；和第六子系統(tǒng)，能管理第一子系統(tǒng)的工作溫度。
3.按照權(quán)利要求2的設(shè)備，其中的燃料是碳?xì)浠衔铩?br> 4.按照權(quán)利要求3的設(shè)備，其中的碳?xì)浠衔锸敲簹饣蛞后w。
5.按照權(quán)利要求3的設(shè)備，其中的碳?xì)浠衔锇ㄌ烊粴狻⒚簹?、液態(tài)石油氣、汽油、和柴油之一。
6.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中每一子系統(tǒng)管理器包括信息交換模塊，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該模塊確定請(qǐng)求事件的可行性，并確認(rèn)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)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(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的事件而確認(rèn)措施；和控制模塊，物理模塊與該控制模塊磋商，以確定為實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的事件，應(yīng)采取何種措施。
7.按照權(quán)利要求6的設(shè)備，其中的控制系統(tǒng)還包括第四層，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該第四層，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理模塊中的差錯(cuò)條件。
8.按照權(quán)利要求7的設(shè)備，其中每一子系統(tǒng)管理器，還包括診斷模塊，該診斷模塊為差錯(cuò)條件而查閱控制模塊和物理模塊，以監(jiān)控物理子系統(tǒng)。
9.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的控制系統(tǒng)還包括第四層，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該第四層，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理模塊中的差錯(cuò)條件。
10.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中的主控制管理器，能通過(guò)指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，和由主控制管理器搜尋各子系統(tǒng)管理器之間的互作用，控制燃料處理器。
11.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括燃料電池。
12.按照權(quán)利要求11的設(shè)備，其中的燃料電池，包括PEM燃料電池。
13.一種設(shè)備，包括包含多個(gè)物理子系統(tǒng)的燃料處理器；控制系統(tǒng)，包括多個(gè)各自控制物理子系統(tǒng)的裝置；第一裝置，用于把多個(gè)各自控制裝置與相應(yīng)的物理子系統(tǒng)對(duì)接；第二裝置，用于把多個(gè)各自控制裝置與第一裝置對(duì)接；和通過(guò)該多個(gè)各自控制裝置，控制燃料處理器的裝置。
14.按照權(quán)利要求13的設(shè)備，其中的物理子系統(tǒng)包括第一子系統(tǒng)，能重整燃料、空氣、和蒸氣混合物；第二子系統(tǒng)，能把燃料、空氣、和蒸氣，與煤氣、空氣混合，產(chǎn)生混合物并把該混合物傳送至第一子系統(tǒng)；第三子系統(tǒng)，能把燃料傳送至第二子系統(tǒng)；第四子系統(tǒng)，能把水傳送至第二子系統(tǒng)；第五子系統(tǒng)，能把空氣傳送至第二子系統(tǒng)；和第六子系統(tǒng)，能管理第一子系統(tǒng)的工作溫度。
15.按照權(quán)利要求13的設(shè)備，其中該多個(gè)各自控制裝置的每一個(gè)交換信息裝置，各自控制裝置通過(guò)該交換信息裝置，確定請(qǐng)求事件的可行性，并確認(rèn)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)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(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的事件而確認(rèn)措施；和措施確認(rèn)裝置向之查閱的裝置，以確定為實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的事件，應(yīng)采取何種措施。
16.按照權(quán)利要求15的設(shè)備，其中的控制系統(tǒng)，還包括一種裝置，各自控制裝置通過(guò)該裝置，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理模塊中的差錯(cuò)條件。
17.按照權(quán)利要求13的設(shè)備，其中的控制系統(tǒng)，還包括一種裝置，各自控制裝置通過(guò)該裝置，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理模塊中的差錯(cuò)條件。
18.按照權(quán)利要求13的設(shè)備，其中的燃料處理器控制裝置，通過(guò)指導(dǎo)各自控制裝置狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(quán)利要求13的設(shè)備，還包括燃料電池。
20.一種控制包括多個(gè)物理子系統(tǒng)的燃料處理器的方法，本方法包括通過(guò)相應(yīng)子系統(tǒng)管理器，管理每一物理子系統(tǒng)的工作；由主控制管理器指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移；和由主控制管理器搜尋子系統(tǒng)管理器之間的互作用。
21.按照權(quán)利要求20的方法，其中，每一物理子系統(tǒng)工作的管理，包括調(diào)用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊。
22.按照權(quán)利要求21的方法，其中的工作管理，還包括調(diào)用診斷模塊。
23.按照權(quán)利要求20的方法，其中，指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，包括指導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到斷路狀態(tài)；從斷路狀態(tài)到至少一種工作狀態(tài)；和從任一工作狀態(tài)到至少一種關(guān)閉狀態(tài)。
24.按照權(quán)利要求23的方法，其中的至少一種工作狀態(tài)，包括至少如下的一種手工操作狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；管理器校驗(yàn)狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；預(yù)熱狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從管理器校驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；起動(dòng)狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從預(yù)熱狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；和運(yùn)行狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)。
25.按照權(quán)利要求23的方法，其中的至少一種關(guān)閉狀態(tài)，包括至少如下的一種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)閉狀態(tài)；和緊急關(guān)閉狀態(tài)。
26.一種控制包括多個(gè)物理子系統(tǒng)的燃料處理器的設(shè)備，本設(shè)備包括通過(guò)相應(yīng)子系統(tǒng)管理器，管理每一物理子系統(tǒng)工作的裝置；由主控制管理器指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)轉(zhuǎn)移的裝置；和由主控制管理器搜尋子系統(tǒng)管理器之間互作用的裝置。
27.按照權(quán)利要求26的設(shè)備，其中管理每一物理子系統(tǒng)工作的裝置，包括調(diào)用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊的裝置。
28.按照權(quán)利要求27的設(shè)備，其中管理工作的裝置，還包括調(diào)用診斷模塊的裝置。
29.按照權(quán)利要求26的設(shè)備，其中指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)轉(zhuǎn)移的裝置，包括用于指導(dǎo)如下?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)移的裝置到達(dá)斷路狀態(tài)；從斷路狀態(tài)到達(dá)至少一種工作狀態(tài)；和從任一工作狀態(tài)到達(dá)至少一種關(guān)閉狀態(tài)。
30.按照權(quán)利要求29的設(shè)備，其中的至少一種工作狀態(tài)，包括至少如下的一種手工操作狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；管理器校驗(yàn)狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；預(yù)熱狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從管理器校驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；起動(dòng)狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從預(yù)熱狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；和運(yùn)行狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)。
31.按照權(quán)利要求29的設(shè)備，其中的至少一種關(guān)閉狀態(tài)，包括至少如下的一種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)閉狀態(tài)；和緊急關(guān)閉狀態(tài)。
32.一種用指令編碼的程序存儲(chǔ)媒體，當(dāng)這些指令被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，實(shí)施一種控制包括多個(gè)物理子系統(tǒng)的燃料處理器的方法，該方法包括通過(guò)相應(yīng)子系統(tǒng)管理器，管理每一物理子系統(tǒng)的工作；由主控制管理器指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移；和由主控制管理器搜尋子系統(tǒng)管理器之間的互作用。
33.按照權(quán)利要求32的程序存儲(chǔ)媒體，其中，在該編碼方法中，每一物理子系統(tǒng)工作的管理，包括調(diào)用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊。
34.按照權(quán)利要求32的程序存儲(chǔ)媒體，其中，在該編碼方法中，指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移包括指導(dǎo)如下?tīng)顟B(tài)的轉(zhuǎn)移到達(dá)斷路狀態(tài)；從斷路狀態(tài)到達(dá)至少一種工作狀態(tài)；和從任一工作狀態(tài)到達(dá)至少一種關(guān)閉狀態(tài)。
35.一種已編程的計(jì)算機(jī)，用于實(shí)施控制包括多個(gè)物理子系統(tǒng)的燃料處理器的方法，該方法包括通過(guò)相應(yīng)子系統(tǒng)管理器，管理每一物理子系統(tǒng)的工作；由主控制管理器指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移；和由主控制管理器搜尋子系統(tǒng)管理器之間的互作用。
36.按照權(quán)利要求35的已編程的計(jì)算機(jī)，其中，在該編程方法中，每一物理子系統(tǒng)工作的管理，包括調(diào)用控制模塊、信息交換模塊、和控制模塊。
37.按照權(quán)利要求35的已編程的計(jì)算機(jī)，其中，在該編程方法中，指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，包括指導(dǎo)如下?tīng)顟B(tài)的轉(zhuǎn)移到達(dá)斷路狀態(tài)；從斷路狀態(tài)到達(dá)至少一種工作狀態(tài)；和從任一工作狀態(tài)到達(dá)至少一種關(guān)閉狀態(tài)。
38.一種用于燃料處理器的控制系統(tǒng)，包括多個(gè)子系統(tǒng)管理器，各子系統(tǒng)管理器能控制燃料處理器多個(gè)物理子系統(tǒng)中相應(yīng)的一個(gè)；主控制管理器，能通過(guò)這些子系統(tǒng)管理器，控制燃料處理器。
39.按照權(quán)利要求38的控制系統(tǒng)，還包括第一層，能把子系統(tǒng)管理器與它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)對(duì)接；第二層，能把子系統(tǒng)管理器與第一層對(duì)接。
40.按照權(quán)利要求39的控制系統(tǒng)，其中的控制系統(tǒng)，還包括第三層，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該第三層，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理子系統(tǒng)中的差錯(cuò)條件。
41.按照權(quán)利要求38的控制系統(tǒng)，其中的控制系統(tǒng)，還包括一層，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該層，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理子系統(tǒng)中的差錯(cuò)條件。
42.按照權(quán)利要求39的控制系統(tǒng)，其中，每一子系統(tǒng)管理器包括信息交換模塊，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該模塊取得請(qǐng)求事件的可行性的確定，并確認(rèn)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)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(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的事件而確認(rèn)措施；和控制模塊，物理模塊與該控制模塊磋商，以確定為實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的事件，應(yīng)采取何種措施。
43.按照權(quán)利要求42的控制系統(tǒng)，其中的控制系統(tǒng)，還包括一層，子系統(tǒng)管理器通過(guò)該層，能報(bào)告在它們相應(yīng)物理子系統(tǒng)中的差錯(cuò)條件。
44.按照權(quán)利要求42的控制系統(tǒng)，其中，每一子系統(tǒng)管理器包括診斷模塊，該診斷模塊為差錯(cuò)條件而查閱控制模塊和物理模塊，以監(jiān)控物理子系統(tǒng)。
45.按照權(quán)利要求38的控制系統(tǒng)，其中的主控制管理器，能通過(guò)指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，和搜尋各子系統(tǒng)管理器之間的互作用，控制燃料處理器。
46.按照權(quán)利要求45的控制系統(tǒng)，其中，子系統(tǒng)管理器在多個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移，該多個(gè)狀態(tài)包括斷路狀態(tài)；至少一種工作狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；和至少一種關(guān)閉狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從任一工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)。
47.按照權(quán)利要求46的控制系統(tǒng)，其中的至少一種工作狀態(tài)，包括至少如下的一種手工操作狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；管理器校驗(yàn)狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；預(yù)熱狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從管理器校驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；起動(dòng)狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從預(yù)熱狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)；和運(yùn)行狀態(tài)，子系統(tǒng)可以從起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，進(jìn)入該狀態(tài)。
48.按照權(quán)利要求46的控制系統(tǒng)，其中的至少一種關(guān)閉狀態(tài)，包括至少如下的一種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)閉狀態(tài)；和緊急關(guān)閉狀態(tài)。
全文摘要
本文公開(kāi)一種用于燃料處理器控制的技術(shù)。一方面，該控制系統(tǒng)包括子系統(tǒng)管理器，對(duì)燃料處理器中多個(gè)物理子系統(tǒng)每一個(gè)相應(yīng)物理子系統(tǒng)的工作，進(jìn)行控制。這些子系統(tǒng)管理器，從主控制管理器取得對(duì)它們的指導(dǎo)。第二方面，這些子系統(tǒng)管理器，集體地形成與第二層聯(lián)合工作的層，該第二層能把子系統(tǒng)管理器與它們相應(yīng)的物理子系統(tǒng)對(duì)接，第三層能把子系統(tǒng)管理器與第二層對(duì)接。第三方面，主控制管理器通過(guò)相應(yīng)的子系統(tǒng)管理器，管理每一物理子系統(tǒng)的工作，指導(dǎo)子系統(tǒng)管理器狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，和由主控制管理器搜尋各子系統(tǒng)管理器之間的互作用。
文檔編號(hào)G05B15/00GK1791992SQ200480013523
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者維斯納·R.·米爾考維克, 威廉·S.·惠特, 休·N.·托, 丹尼斯·J.·本德托 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司