(57)【要約】  硫黄化合物を含有する炭化水素燃料ストリームを備えてなる燃料電池システムであって、炭化水素燃料ストリームから硫黄化合物を除去するように構成された、選択的硫黄吸着材を含んでなる不活性吸着床と、ＳＣＳＯリアクターと、硫黄酸化物収着材を備えた活性吸着床とを備えてなり、前記活性吸着床が、前記ＳＣＳＯリアクターからの排出ストリームを受け取り、かつ、前記硫黄酸化物収着材を介して前記硫黄酸化物の少なくとも一部を除去するように構成されてなるものである。前記燃料電池システムの始動中に、前記炭化水素燃料ストリームは、第１期間の間に、前記不活性吸着床を介して第１流路に沿って導入され、そして、その後に、例えば、前記ＳＣＳＯリアクター／前記活性吸着床が一旦作動温度に到達達すると、前記不活性吸着床を通過しない第２期間の間に、第２流路に沿って導入される。  【選択図】  図１
2019514174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
硫黄化合物を含んでなる炭化水素燃料ストリーム；
少なくとも１つの選択的硫黄吸着材を含んでなる不活性吸着床；
前記不活性吸着床は、前記炭化水素燃料ストリームから前記硫黄化合物を除去し、第１脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが第１流路に沿って前記不活性吸着床を介して通過し、かつ、前記炭化水素燃料ストリームが第２流路に沿って前記不活性吸着床を介して通過しないように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが、前記第１流路又は前記第２流路の少なくとも１つに沿って選択的に導入されるように構成されてなり、
酸化剤ストリーム；
前記システムは、前記酸化剤ストリームが、前記第２流路からの前記炭化水素燃料ストリーム、又は、前記第１流路からの前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つと混合するように構成されてなり、
加熱モジュール；
前記過熱モジュールは、前記混合した酸化剤と、前記炭化水素燃料又は前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つとを約１５０℃超過の温度で加熱するように構成されてなり、
少なくとも１つの硫黄酸化触媒を含んでなる選択的触媒硫黄酸化（ＳＣＳＯ）リアクター；
前記選択的触媒硫黄酸化リアクターは、前記酸化剤ストリームと、及び、前記炭化水素燃料ストリーム又は前記第１脱硫炭化水素燃料ストリームの少なくとも１つとの前記加熱した混合物を受け取り、かつ、前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒と接触するように構成されてなり、
前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒は、前記受け取ったストリームにおける少なくとも１つの硫黄‐含有化合物を酸化し、硫黄酸化物を包含したＳＣＳＯ流出ストリームを形成するように構成されてなり、
硫黄酸化物吸着材を備えた活性吸着床；及び、
前記活性吸着床は、前記ＳＣＳＯリアクターから前記ＳＣＳＯ流出ストリームを受け取り、及び、前記硫黄酸化物吸着材を介して少なくとも一部の硫黄酸化物を除去し、第２脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
少なくとも１つの電気化学セルを包含する固体酸化物燃料電池；を備えてなるものであり、
前記固体酸化物燃料電池は、燃料源として、前記第２脱硫炭化水素ストリームの少なくとも一部を受け取るように構成されてなるものである、燃料電池システム。
【請求項２】
前記システムは、前記第１流路から前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも第１部分が、前記ＳＣＳＯリアクターを介して流れないように構成されてなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記脱硫炭化水素ストリームの前記第１部分は、前記固体酸化物燃料電池を介して通過しないものである、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記脱硫炭化水素ストリームの前記第１部分が、前記燃料源として、前記固体酸化物燃料電池に供給されてなるものである、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームの実質的に全てが、前記第２流路に沿って導入されるように構成されてなり、前記ＳＣＳＯが閾値動作温度に到達する際に、前記炭化水素燃料ストリームの実質的に全てが、前記不活性吸着床を介して通過しないように構成されてなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２脱硫炭化水素ストリームの少なくとも一部が前記固体酸化物燃料電池を介して通過しないものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記炭化水素燃料ストリームが天然ガスを含んでなり、
前記天然ガスが前記硫黄化合物を包含してなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤入力部が空気を含んでなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記活性吸着床が、硫黄酸化物吸着材の第１層と、硫黄酸化物吸着材の第２層とを備えてなり、
前記第２層が前記活性吸着床における前記第１層から下流にあり、
前記第１層が三酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなり、
前記第２層が二酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記活性吸着床が、前記第１層及び前記第２層の下流に、硫黄酸化物吸着材の第３層と、及び硫黄酸化物吸着材の第４層を備えてなり、
前記第４層が前記活性吸着床における前記第３層から下流にあり、
前記第３層が三酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなり、
前記第４層が二酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱モジュールは、前記混合した酸化剤と、及び前記少なくとも１つの前記炭化水素燃料又は前記第１脱硫炭化水素ストリームとを約２５０℃及び約３５０℃の温度に加熱するように構成されてなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池システムを動作する方法であって、
前記燃料電池システムは、
硫黄化合物を含んでなる炭化水素燃料ストリーム；
少なくとも１つの選択的硫黄吸着材を含んでなる不活性吸着床；
前記不活性吸着床は、前記炭化水素燃料ストリームから前記硫黄化合物を除去し、第１脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが第１流路に沿って前記不活性吸着床を介して通過し、かつ、前記炭化水素燃料ストリームが第２流路に沿って前記不活性吸着床を介して通過しないように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが、前記第１流路又は前記第２流路の少なくとも１つに沿って選択的に導入されるように構成されてなり、
酸化剤ストリーム；
前記システムは、前記酸化剤ストリームが、前記第２流路からの前記炭化水素燃料ストリーム、又は、前記第１流路からの前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つと混合するように構成されてなり、
加熱モジュール；
前記過熱モジュールは、前記混合した酸化剤と、前記炭化水素燃料又は前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つとを約１５０℃超過の温度で加熱するように構成されてなり、
少なくとも１つの硫黄酸化触媒を備えてなる選択的触媒硫黄酸化（ＳＣＳＯ）リアクター；
前記選択的触媒硫黄酸化リアクターは、前記酸化剤ストリームと、及び、前記炭化水素燃料ストリーム又は前記第１脱硫炭化水素燃料ストリームの少なくとも１つとの前記加熱した混合物を受け取り、かつ、前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒と接触するように構成されてなり、
前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒は、前記受け取ったストリームにおける少なくとも１つの硫黄‐含有化合物を酸化し、硫黄酸化物を包含したＳＣＳＯ流出ストリームを形成するように構成されてなり、
硫黄酸化物吸着材を備えてなる活性吸着床；及び、
前記活性吸着床は、前記ＳＣＳＯリアクターから前記ＳＣＳＯ流出ストリームを受け取り、及び、前記硫黄酸化物吸着材を介して少なくとも一部の硫黄酸化物を除去し、第２脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
少なくとも１つの電気化学セルを包含する固体酸化物燃料電池；を備えてなるものであり、
前記固体酸化物燃料電池は、燃料源として、前記第２脱硫炭化水素ストリームの少なくとも一部を受け取るように構成されてなるものであり、
前記燃料電池システムを動作する方法は、
第１期間内に、前記第１流路に沿って前記炭化水素燃料ストリームを導入し；及び、
前記第１期間とは異なる第２期間内に、前記第２流路に沿って前記炭化水素燃料ストリームを導入することを含んでなる、燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１３】
前記システムは、前記第１期間内に、前記第１流路から前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも第１部分が、前記ＳＣＳＯリアクターを介して流れないように構成されてなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１４】
前記脱硫炭化水素ストリームの前記第１部分は、前記固体酸化物燃料電池を介して通過しないものである、請求項１３に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１５】
前記脱硫炭化水素ストリームの前記第１部分が、前記燃料源として、前記固体酸化物燃料電池に供給されてなるものである、請求項１３に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１６】
前記システムは、前記第２期間内に、前記炭化水素燃料ストリームの実質的に全てのものが、前記第２流路に沿って導入されるように構成されてなり、前記ＳＣＳＯが閾値動作温度に到達する際に、前記炭化水素燃料ストリームの実質的に全てのものが、前記不活性吸着床を介して通過しないように構成されてなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１７】
前記第２脱硫炭化水素ストリームの少なくとも一部が前記固体酸化物燃料電池を介して通過しないものである、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１８】
前記炭化水素燃料ストリームが天然ガスを含んでなり、
前記天然ガスが前記硫黄化合物を包含してなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項１９】
前記酸化剤入力部が空気を含んでなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項２０】
前記活性吸着床が、硫黄酸化物吸着材の第１層と、硫黄酸化物吸着材の第２層とを備えてなり、
前記第２層が前記活性吸着床における前記第１層から下流にあり、
前記第１層が三酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなり、
前記第２層が二酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項２１】
前記活性吸着床が、前記第１層及び前記第２層の下流に、硫黄酸化物吸着材の第３層と、及び硫黄酸化物吸着材の第４層を備えてなり、
前記第４層が前記活性吸着床における前記第１層から下流にあり、
前記第３層が三酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなり、
前記第４層が二酸化硫黄に対して優先的親和性を有する硫黄酸化物吸着材を備えてなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項２２】
前記加熱モジュールは、前記混合した酸化剤と、及び前記少なくとも１つの前記炭化水素燃料又は前記第１脱硫炭化水素ストリームとを約２５０℃及び約３５０℃の温度に加熱するように構成されてなる、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項２３】
前記第１期間が前記第２期間の前である、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【請求項２４】
前記第２期間が前記第１期間の前である、請求項１２に記載の燃料電池システムを動作する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
本願は、２０１６年４月１３日に出願された米国仮出願第６２／３２２，０６５号の利益を主張するものであり、当該米国仮出願の内容は、本願明細書に包摂され、参考とされる。
【０００２】
本開示（本発明）は、一般的に、燃料電池システムにおける脱硫装置（脱硫器；脱硫化）サブシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
炭化水素燃料の全硫黄含有量を低減する燃料電池システム、及びそれに関連する脱硫装置サブシステムは、注目されている分野である。既存のシステムの幾つかは、特定用途に関連して、様々な欠点、不備、及び不利益が存在する。従って、本技術分野における更なる貢献が求められている。
【発明の概要】
【０００４】
幾つかの諸例によれば、本開示は、燃料電池システム、例えば固体酸化物燃料電池システムに関するものであり、前記（固体酸化物）燃料電池システムは、１つ以上の脱硫装置サブシステムを採用し、燃料源として使用するために、燃料電池スタックに導入される炭化水素燃料ストリーム（流）に先行して、例えば、天然ガス等の前記炭化水素燃料ストリーム（流）から硫黄化合物を除去するものである。例示的なシステムは、脱硫装置サブシステムを包含することができ、前記脱硫装置サブシステムは、活性吸着（剤；材）床及び選択的触媒硫黄酸化（ＳＣＳＯ）リアクター（反応器）と組み合わせて、炭化水素燃料ストリームから硫黄化合物を除去する不活性吸着（剤；材）床の両方を採用する。前記燃料ストリームは、例えば、前記燃料電池システムの動作状態に応じて（依拠して）、前記活性吸着床及び前記不活性吸着床の一方又は両方に選択的に導入されても（向けられても）よい。例えば、前記システムの始動中、前記炭化水素燃料ストリームは、第１流路を沿って前記不活性吸着床に供給され、前記ストリームから硫黄化合物を除去するが、しかし、例えば、ＳＣＳＯリアクター及び活性吸着材床が加熱されている間は、前記活性吸着材床には供給されない。前記ＳＣＳＯリアクター及び前記活性吸着床が所望の動作温度に到達したときには、前記燃料ストリームは、前記不活性吸着床をバイパスするように導入され（導かれ）、第２流路に沿って前記ＳＣＳＯリアクター及び前記活性吸着床に供給され、硫黄化合物を除去する。幾つかの諸例では、前記ＳＣＳＯリアクター及び前記活性吸着床は、前記不活性吸着床と同じ時間で使用されてよく、例えば、お互いに直列又は並列に燃料ストリームから硫黄化合物を除去する。前記脱硫（化）燃料ストリームは、例えば、燃料電池スタックのアノード側／燃料側に供給されることによって、前記燃料電池システム内で必要に応じて使用されてもよい。
【０００５】
一の態様によれば、本開示（本発明）は、燃料電池システムであって、
硫黄化合物を含んでなる炭化水素燃料ストリーム；
少なくとも１つの選択的硫黄吸着材を含んでなる不活性吸着床；
前記不活性吸着床は、前記炭化水素燃料ストリームから前記硫黄化合物を除去し、第１脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが第１流路に沿って前記不活性吸着床を介して（通じて）通過し、かつ、前記炭化水素燃料ストリームが第２流路に沿って前記不活性吸着床を介して（通じて）通過しないように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが、前記第１流路又は前記第２流路の少なくとも１つに沿って選択的に導入されるように構成されてなり、
酸化剤ストリーム；
前記システムは、前記酸化剤ストリームが、前記第２流路からの前記炭化水素燃料ストリーム、又は、前記第１流路からの前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つと混合するように構成されてなり、
加熱モジュール；
前記過熱モジュールは、前記混合した酸化剤と、前記炭化水素燃料又は前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つとを約１５０℃超過（以上）の温度で加熱するように構成されてなり、
少なくとも１つの硫黄酸化触媒を含んでなる選択的触媒硫黄酸化（ＳＣＳＯ）リアクター；
前記選択的触媒硫黄酸化リアクターは、前記酸化剤ストリームと、及び、前記炭化水素燃料ストリーム又は前記第１脱硫炭化水素燃料ストリームの少なくとも１つとの前記加熱した混合物を受け取り、かつ、前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒と接触するように構成されてなり、
前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒は、前記受け取ったストリームにおける少なくとも１つの硫黄‐含有化合物を酸化し、硫黄酸化物を包含したＳＣＳＯ流出ストリームを形成するように構成されてなり、
硫黄酸化物吸着材を備えた活性吸着床；及び、
前記活性吸着床は、前記ＳＣＳＯリアクターから前記ＳＣＳＯ流出ストリームを受け取り、及び、前記硫黄酸化物吸着材を介して（通じて）少なくとも一部の硫黄酸化物を除去し、第２脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
少なくとも１つの電気化学セルを包含する固体酸化物燃料電池；を備えてなるものであり、
前記固体酸化物燃料電池は、燃料源として、前記第２脱硫炭化水素ストリームの少なくとも一部を受け取るように構成されてなるものである。
【０００６】
別の一の態様によれば、本開示（本発明）は、燃料電池システムの動作（運転；操作；稼働）方法であって、
前記燃料電池システムは、
硫黄化合物を含んでなる炭化水素燃料ストリーム；
少なくとも１つの選択的硫黄吸着材を含んでなる不活性吸着床；
前記不活性吸着床は、前記炭化水素燃料ストリームから前記硫黄化合物を除去し、第１脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが第１流路に沿って前記不活性吸着床を介して（通じて）通過し、かつ、前記炭化水素燃料ストリームが第２流路に沿って前記不活性吸着床を介して（通じて）通過しないように構成されてなり、
前記システムは、前記炭化水素燃料ストリームが、前記第１流路又は前記第２流路の少なくとも１つに沿って選択的に導入されるように構成されてなり、
酸化剤ストリーム；
前記システムは、前記酸化剤ストリームが、前記第２流路からの前記炭化水素燃料ストリーム、又は、前記第１流路からの前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つと混合するように構成されてなり、
加熱モジュール；
前記過熱モジュールは、前記混合した酸化剤と、前記炭化水素燃料又は前記第１脱硫炭化水素ストリームの少なくとも１つとを約１５０℃超過（以上）の温度で加熱するように構成されてなり、
少なくとも１つの硫黄酸化触媒を備えてなる選択的触媒硫黄酸化（ＳＣＳＯ）リアクター；
前記選択的触媒硫黄酸化リアクターは、前記酸化剤ストリームと、及び、前記炭化水素燃料ストリーム又は前記第１脱硫炭化水素燃料ストリームの少なくとも１つとの前記加熱した混合物を受け取り、かつ、前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒と接触するように構成されてなり、
前記少なくとも１つの硫黄酸化触媒は、前記受け取ったストリームにおける少なくとも１つの硫黄‐含有化合物を酸化し、硫黄酸化物を包含したＳＣＳＯ流出ストリームを形成するように構成されてなり、
硫黄酸化物吸着材を備えてなる活性吸着床；及び、
前記活性吸着床は、前記ＳＣＳＯリアクターから前記ＳＣＳＯ流出ストリームを受け取り、及び、前記硫黄酸化物吸着材を介して（通じて）少なくとも一部の硫黄酸化物を除去し、第２脱硫炭化水素ストリームを形成するように構成されてなり、
少なくとも１つの電気化学セルを包含する固体酸化物燃料電池；を備えてなるものであり、
前記固体酸化物燃料電池は、燃料源として、前記第２脱硫炭化水素ストリームの少なくとも一部を受け取るように構成されてなるものであり、
前記燃料電池システムを動作する方法は、
第１期間（周期、時間、時間周期）内に、前記第１流路に沿って前記炭化水素燃料ストリームを導入し；及び、
前記第１期間（周期、時間、時間周期）とは異なる第２期間（周期、時間、時間周期）内に、前記第２流路に沿って前記炭化水素燃料ストリームを導入することを含んでなるものである。
【０００７】
本開示（本発明）の一以上の実施形態の詳細は、添付図面及び以下の発明の詳細な説明に記載されている。本開示（発明）の他の特徴、目的、及び利点は、本明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本明細書の記述（説明）は、添付された図面を参考例として採用してなり、ここで、幾つかの図面を介して、同様の参照番号は、同様の部品について言及するものである。
【図１】図１は、燃料電池システムにおける脱硫装置サブシステムの一例を示す概略図である。
【図２】図２は、燃料電池システムにおける脱硫装置サブシステムの別の例を示す概略図である。
【図３】図３は、燃料電池システムにおける脱硫装置サブシステムのまた別の例を示す概略図である。
【図４】図４は、本開示（本発明）の一以上の諸例に従って燃料電池システムを動作させる技巧（テクニック）の諸例を示すフロー概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
燃料電池システム、例えば、固体酸化物燃料電池システムは、一（以上）又は複数の電気化学セルを使用して、電気を生成することを実行することができる。炭化水素−含有供給ストリーム、例えば、天然ガスストリームは、前記電気化学セル用の燃料源として、前記燃料電池システムにより使用することができる。しかしながら、幾つかの諸例において、前記炭化水素−含有供給ストリームはまた、有機硫黄化合物及び／又は無機硫黄化合物、例えば、硫化水素、即ち、例えば、天然ガス中に天然に生じ得るようなもの、を包含してもよく、又は、付臭剤（付着剤）として添加されてもよい。このような硫黄化合物は、燃料電池システムの電気化学セルの前記アノードを被毒し、前記アノードの実効（効率）及び／又は寿命を低下させることがある。
【００１０】
幾つかの諸例では、燃料電池システムは、脱硫サブシステムを包含してもよく、前記脱硫サブシステムは、例えば１つ又は複数の分離プロセスを介して（通じて）、電気化学セルの前記アノード側に供給される前に、炭化水素供給ストリームから硫黄を除去するように構成されている。例えば、脱硫サブシステムは、選択的触媒硫黄酸化（ＳＣＳＯ）リアクター及び活性吸着床を用いて、炭化水素供給ストリーム中の硫黄の少なくとも一部を除去することができる。前記ＳＣＳＯリアクターは、触媒酸化プロセスを介して前記炭化水素供給ストリーム中の前記硫黄の少なくとも一部を変換して、一又は複数の硫黄酸化物を形成することができる。前記活性吸着材は、前記ＳＣＳＯリアクターから前記流出ストリームを受け取り、硫黄酸化物吸着材を介して一又は複数の硫黄酸化物を除去することができる。しかしながら、このような始動にあっては、前記ＳＣＳＯリアクターは、高い動作温度に到達するまでの期間（時間、周期、周期時間、始動時間）を必要とすることがある。同様に、前記活性吸着床は、前記ＳＣＳＯリアクター流出ストリームから所望の量の硫黄酸化物を除去する前に、前記活性吸着床を最低温度に到達させる必要があり得る。さらに、前記ＳＣＳＯリアクター及び／又は活性吸着床のメンテナンスが必要な場合には、前記システムはシャットダウンを要求されてもよい。
【００１１】
本開示の一又は複数の諸例によれば、本開示の諸例は、燃料電池システムを包含するものであり、前記燃料電池システムは、前記ＳＣＳＯリアクター及び脱硫サブシステムにおける活性吸着床との組み合わせにおいて、不活性吸着床を採用することが可能である。本明細書でさらに詳細に説明するように、このような構成においては、前記発熱性ＳＣＳＯリアクターは、前記活性吸着床の加熱に使用してもよく、それによって、代替的に、前記活性吸着床を加熱するのに使用されてよい、バーナー、ブロワー（送風機）、及び制御機能等の前記必要性を排除してもよい。前記ＳＣＳＯリアクター及び前記活性吸着床の前記加熱中に、前記不活性吸着床を介して（通じて）、硫黄化合物を包含する天然ガスストリームを供給し、前記天然ガスストリームを脱硫することができる。前記不活性吸着床からの前記脱硫天然ガス（ＤＮＧ）は、前記燃料電池ベッセル（ＦＣＶ）及び他のシステム構成に直接供給されてもよく、前記ＳＣＳＯ吸着床を加熱すべきことを待たずに「インスタント−オン」能力（可能性）を提供することができる。前記活性吸着床が動作温度に到達した時には、硫黄化合物を包含する前記天然ガスストリームの全部又は一部が、流路に沿って供給されてよく、前記流路は、不活性吸着床を介して（通じて）前記ＳＣＳＯリアクター及び前記活性吸着床に通過せずに、前記天然ガスを脱硫する。前記不活性吸着床は、前記ＳＣＳＯリアクター及び前記活性吸着床に追加して、又は代替として使用され、天然ガスストリームから硫黄を除去し、ＤＮＧストリームを形成し、例えば、即ち、燃料源として、前記ＦＣＶに供給される。幾つかの諸例では、前記システムを停止（シャットダウン）するよりはむしろ、前記システムの動作中に、前記ＳＣＳＯリアクター及び／又は前記活性吸着床が維持管理のためにオフラインにされている際に、例えば、ＮＧストリームの脱硫のための前記不活性吸着床を使用することにより、前記「インスタント−オン」能力はまた、前記燃料電池システムの前記動作を中断することなく、前記ＳＣＳＯサブ−システム上で実行されるべきメンテナンスを許容する。
【００１２】
以下に説明するように、前記吸着材により、前記硫黄化合物の優先的な物理的吸着に基づいて、不活性吸着床は、不活性吸着材を用いて、ガスストリーム、例えば、天然ガスストリームから有機硫黄化合物及び／又は無機硫黄化合物の実質的に全て又は一部を除去することができる。ゼオライト、金属含浸炭素、及びアルミナなどの吸着材は、そのような不活性吸着材の諸例である。不活性吸着床を使用し、天然ガスストリーム又は他の燃料ストリームから硫黄を除去するという提案の比較的簡便性は、設備投資が低く、及び制御要件が最小であるという理由から、有利である。しかしながら、不活性吸着材は比較的低い硫黄容量を有し、及び、これらの有効性は、存在する硫黄種、及び吸着された硫黄化合物を置換可能な他の競合種（例えば、Ｈ2Ｏ）の存在に依存し得る。本開示の諸例は、前記ＳＣＳＯと不活性吸着材の利点を組み合わせて、管理、例えば、燃料電池システム内の一又は複数のガスストリームから硫黄化合物を除去するためのより効果的な解決策を提供することができる。
【００１３】
図１は、本開示の一実施形態による具体例の固体酸化物燃料電池システム１０を示す簡略化された概略図である。図示のように、燃料電池システム１０は、燃料電池ベッセル〔容器〕（ＦＣＶ）１２、炭化水素燃料ストリーム１４、酸化剤ストリーム１８、不活性吸着床１６、ＳＣＳＯリアクター２０、及び活性吸着床２２を備えてなる。不活性吸着床１６、ＳＣＳＯリアクター２０、及び活性吸着床２２、及びＦＣＶ１２は、例えば、適切な配管、ダクト及びその他のような、任意の適切な構成を使用して、図１に示される前記流路、例えば、流路２４，２６，２８、及び３２のようなものに従って、互いに流れるように接続されてなる。
【００１４】
炭化水素燃料ストリーム１４は、炭化水素を含むガスストリームであってもよい。説明を容易にするために、炭化水素燃料ストリーム１４は、天然ガスストリームに関して本明細書で主として記載されるが、他の適切な燃料ストリームが考慮される。これらの燃料は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）又は合成天然ガス、並びに所望の熱容量を有するガス混合物を提供するように調整された燃料混合物を包含する。
【００１５】
炭化水素燃料ストリーム１４は、不活性吸着床１６及び／又はＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２によって処理される前に、メタン、エタン、プロパン、及びその他の高級炭化水素、並びに、二酸化炭素、窒素、酸素、及び他の成分を包含してもよい。また、炭化水素燃料ストリーム１４は、一又は複数の有機硫黄化合物及び／又は無機硫黄化合物、例えば、Ｈ2Ｓ、ＣＯＳ、ＣＳ2、メルカプタン（類）、スルフィド（類）、及びチオフェン（類）等、を包含してもよい。そのような硫黄成分は、利用可能なパイプライン天然ガス（ＰＮＧ）ストリームにおいて天然に存在してもよく、又は、安全上の懸念に対処するために付臭材（着臭剤）として添加されてもよい。幾つかの諸例では、炭化水素燃料ストリーム１４は、約０．０５〜約２００パーツ  パー  ミリオン−ボリューム  ベイシス（ｐｐｍ−Ｖ）の硫黄又はそれ以上の硫黄分を含有することができる。天然ガスは、典型的には、例えば、約０．１〜約１０ｐｐｍ−Ｖの硫黄を含有することができ、他方、ＬＰＧは、本明細書に開示した方法により脱硫される前に、より高い硫黄レベル、例えば、約１０〜約１７０ｐｐｍ−Ｖの硫黄を含有することができる。
【００１６】
上述したように、炭化水素燃料ストリーム１４内の硫黄の存在は、システム１０の動作（操作；運転）に有害であり得る。例えば、硫黄は、水蒸気改質触媒の有効性を低下させて、脱硫燃料ストリーム１４の全部又は一部を、ＦＣＶ−１２中において、一酸化炭素及び水素に転換する。さらに、硫黄は、アノードにおける前記電気化学的プロセスに悪影響を与え、前記燃料電池の性能及び前記燃料電池の寿命を低下させる。
【００１７】
不活性吸着床１６は、燃料ストリーム１４内に存在する有機硫黄化合物及び／又は無機硫黄化合物の少なくとも一部を除去することにより、炭化水素燃料ストリーム１４を脱硫するように構成されてなることができる。例えば、不活性吸着床１６は、一又は複数の吸着材物質を含有するベッセル（容器）を包含してよく、それは、燃料ストリーム１４が不活性吸着床１６における前記吸着材物質の上を流れる際に、前記一又は複数の吸着材物質が燃料ストリーム１４内にある有機硫黄化合物及び／又は無機硫黄化合物を吸着する。不活性吸着床１６用の好適な前記吸着材物質の諸例は、ゼオライト、及び、金属含浸炭素、及びアルミナが包含される。吸着床１６用の特定の吸着材物質の選択はまた、燃料ストリーム１４における硫黄化合物の種類に依存してもよい。幾つかの不活性吸着材は無機硫黄化合物に対して高い親和性を有し、しかしながら、他の吸着材は有機硫黄化合物を優先的に吸着する。さらに、燃料ストリーム１４における競合吸着物、例えば、水等の存在は、前記硫黄化合物の存在に依存して、前記不活性吸着床の前記吸着能力を低下させる可能性がある。バルキー（嵩高）な硫黄化合物、例えば、ジエチルスルフィド、及びエチルメチルスルフィド等は、より脆弱的吸着とされ、その結果、競合吸着物、例えば、水等により、より容易（迅速）に置換される。幾つかの例証によれば、前記燃料ストリーム１４を乾燥材床に通して前記ガスの水分含有量をより低下させ、そして、それによって、前記不活性吸着床の吸着能力を高めることが有利な点である。
【００１８】
幾つかの諸例では、不活性吸着床１６は、燃料ストリーム１４内に存在する硫黄化合物の約９９％〜約９９．９９％を除去するように設計することができる。幾つかの諸例では、不活性吸着床１６は、燃料ストリーム１４内に存在する硫黄化合物の量を除去し、不活性吸着床１６からの出口ガスストリームは、例えば、約１００ｐｐｂ−Ｖ未満の硫黄、例えば、約５０ｐｐｂ−Ｖ未満の硫黄を含有することとなる。不活性吸着床１６の設計上の考慮事項は、ガス時間空間速度、前記吸着床の長さに対する直径の比、温度及び運転圧力、前記吸着材硫黄容量、及び燃料ストリーム１４における平均硫黄及び水分レベルであってよい。不活性吸着床１６はまた、例えば、リード・ラグ構成に接続された複数の吸着床を備えてよく、前記吸着床の有効硫黄容量を改善し、硫黄飽和不活性吸着の交換を容易にする。
【００１９】
同様に、ＳＣＳＯ２０及び活性吸着床２２は、燃料ストリーム１４内に存在する有機硫黄化合物及び／又は無機硫黄化合物の少なくとも一部を除去することにより、燃料ストリーム１４を追加的又は代替的に脱硫することができる。例えば、ＳＣＳＯリアクター２０は、リアクターベッセル内に、一又は複数の硫黄酸化触媒を含むことができる。ＳＣＳＯリアクター２０は、燃料ストリーム１４（酸化剤ストリーム１４と混合することができる）を受け取り、少なくとも１つの硫黄酸化触媒は、前記受け取ったストリーム中の少なくとも１つの硫黄含有化合物を酸化して、硫黄酸化物を含むＳＣＳＯ流出ストリームを形成する。適切な硫黄酸化触媒の例は、その組成物が、一般的な反応条件下で、前記炭化水素供給に含有された硫黄化合物を、硫黄酸化物へ酸化するのを触媒可能である限り、特に限定されるものではない。好ましい酸化触媒には、前記触媒活性成分として、元素周期律表第ＶＩＩＩ族から選択される金属、及び／又は、例えば、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、及び亜鉛の酸化物のような卑金属酸化物が含まれる。本方法において使用されるのにより好ましい触媒は、パラジウム、白金、及びロジウムから選択される金属、及び／又は、例えば、鉄、コバルト、及び銅の酸化物のような卑金属酸化物を含んでなる。好ましい触媒は白金を含んでなり、特に好ましい触媒は白金及び鉄を含んでなる。
【００２０】
次に、ＳＣＳＯリアクター２２からの硫黄酸化物を含む前記流出ストリームは活性吸着床２２に供給されてよい。活性吸着床２２は、一又は複数の吸着剤物質を含有するベッセル（容器）を包含してもよく、前記一又は複数の吸着剤物資は、前記流出ストリーム内の前記硫黄酸化物と反応するものであってよく、例えば、前記流出ストリームが前記活性吸着床２２内の前記吸着材物質の上を流れる際に、金属酸化物と硫黄酸化物との反応に基づいて金属亜硫酸塩又は金属硫酸塩を生成してよい。適切な吸着材物質の諸例は、前記一般的な条件で、硫黄酸化物と反応可能なものである限り、特に限定されるものではなく、前記硫黄酸化物吸着材は、好ましくは、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物及び／又は卑金属（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ）酸化物を含んでなり、ここで、酸化物は、例えば、シリカ、アルミナなどの多孔質材料に好ましくは担持されてなる。
【００２１】
活性吸着材床２２は、前記吸着材がガスストリーム中の硫黄化合物の反応性吸着に依存するので、「活性」であると言及されてよく、これは、前記硫黄化合物（例えば、硫黄酸化物）が活性硫黄吸着材と反応することによる。逆に、不活性吸着床１６は、前記吸着床における吸着材がプロセスストリームからの硫黄化合物の除去のための物理的吸着に依存しているので、「不活性的」と呼ばれてよい。
【００２２】
このようにして、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２は、炭化水素燃料ストリーム１４から硫黄化合物を除去して、不活性吸着床１６のようなＤＮＧストリームを形成することができる。幾つかの諸例によれば、ＳＣＳＯリアクター２０／活性吸着床２２は、燃料ストリーム１４内に存在する硫黄化合物の約９９％〜約９９．９９％を除去するように設計（設定）することができる。幾つかの例では、ＳＣＳＯリアクター２０／活性吸着床２２は、燃料ストリーム１４内に存在する或る量の硫黄化合物を除去し、ＳＣＳＯリアクター２０／活性吸着床２２からの前記出口ガスストリームは、約１００ｐｐｂ−Ｖ未満の、例えば約５０ｐｐｂ−Ｖ未満の、硫黄を包含するように設計（設定）することが可能である。ＳＣＳＯリアクター２０／活性吸着床２２の設計上の考慮は、前記ＳＣＳＯリアクターの前記ガス時間空間速度、前記活性吸着床のガス時間空間速度、前記温度、前記動作（運転、操作）圧力、前記活性吸着材の前記硫黄容量、前記酸素／炭化水素燃料比、及び前記燃料ストリーム中の平均硫黄レベルが包摂される。
【００２３】
適切なＳＣＳＯリアクター及び吸着材床を包含する例示的な脱硫システムは、２０１５年５月１９日にＢｕｄｇｅ氏に特許許可された、米国特許第９，０３４，５２７号に開示されている一又は複数のそのような諸例を包摂することができる。当該米国特許第９，０３４，５２７号に開示された全ての内容は、参考のために、本明細書に全て包摂される。
【００２４】
システム１０は、燃料ストリーム１４から硫黄を除去し、これは、その後に、ＤＮＧストリームとしてＦＣＶ１２に供給されてもよい、という動作（運転、操作）中に、前記炭化水素燃料ストリーム１４を不活性吸着床１６及び／又はＳＣＳＯリアクター及び活性吸着床２２を介して（通じて）選択的に通過させることができるように構成することができる。ＦＣＶ１２は、例えば、燃料電池スタックの一態様として、一又は複数の電気化学セルを含むことができ、これは、化学反応を介して電気を発生させるのに使用されてよい。ＦＣＶ１２はまた、ＤＮＧストリーム１４をさらに処理するように構成された一又は複数のサブ−システムを包含してもよい。
【００２５】
一又は複数の電気化学セルを備えた任意の適切な燃料電池システムは、本開示においてＦＣＶ１２によって利用することができる。適切な諸例には、２０１３年１２月１６日に公開された米国特許公開第２０１３／０１２２３９３号（Ｌｉｕ等）に開示されたものが挙げられ、当該公開公報に開示された全ての事項は、参考のために本明細書に全て包摂される。米国特許公開第２０１３／０１２２３９３号は、一又は複数の固体酸化型燃料電池システムの諸例を開示しており、ＦＣＶ１２はまた、その他のタイプの燃料電池、例えば、リン酸、溶融炭酸塩、及び／又はプロトン交換膜等の燃料電池を含有してもよい。ＦＣＶ１２の前記電気化学セルは、アノード、カソード、及び電解質を備えてなり、かつ、ＦＣＶ１２の前記燃料電池スタックは、アノード（燃料）側、及びカソード（酸化剤）側を備えることができる。燃料電池システム１０の動作中、酸化剤ストリーム（例えば、空気の形態において）をカソード側に供給することができる。同様に、ＤＮＧストリーム１４は、一又は複数の炭化水素リフォーマー（改質器）によりさらに処理され、そして、その後、前記燃料電池スタックの延期アノード側に供給されてもよい。炭化水素改質器は、前記燃料ストリームから高級炭化水素を除去するためのプレ−リフォーマー〔予備；予め；事前〕改質器と、前記炭化水素の全部又は一部を一酸化炭素及び水素に変換するためのスチームリフォーマー（水蒸気改質器）を備えることができる。これらのリフォーマーに必要な前記スチームは、前記アノード側排気ストリームの一部とＤＮＧストリーム１４とを混合し再循環（リサイクル）することにより好都合に得ることができる。
【００２６】
不活性吸着床１６及びＳＣＳＯリアクター２０／活性吸着床２２は、お互いに幾つかの組み合わせとして使用することができ、動作中にＦＣＶ１２に適切なＤＮＧストリームを提供する。例えば、起動（始動）中に（例えば、ＳＣＳＯリアクター２０／活性吸着床２２が適切な動作温度に到達する以前に）、炭化水素燃料ストリーム１４の全て又は一部（例えば、実質的に全て）を流路２４に沿って不活性吸着床に選択的に供給することができ、それは、不活性吸着床１６を介して（通じて）流れて、そして、その後に、流路２８に沿ってＤＮＧストリームとして不活性吸着床１６を出る。幾つかの諸例では、実質的に全ての燃料ストリーム１４は、例えば、ＳＣＳＯリアクター及び活性吸着床２２の加熱中に、不活性吸着床１６に供給されてもよい。図示の通り、不活性吸着床１６からの前記出口ストリームは、炭化水素燃料ストリーム１４の一部分と必要に応じて混合されてよく、それば、流路２６に沿って導入されるが、不活性吸着床１６を介して（通じて）流れず、そして、酸化剤ストリーム１８（例えば、空気又は他の適切な酸化剤の形態として）と混合されてもよい。前記混合ストリームは、加熱モジュール２１により加熱され、加熱された部分的に脱硫されたＮＧストリームとして付与（提供）されて、その後に、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２に供給されて、例えば始動の間に、吸着床２２を加熱する。前記活性吸着床２２からの前記出口ガスストリームは、流路３２に沿ってＦＣＶ１２に供給されてもよい。付加的又は代替的に、吸着床２２からの前記出口ＤＮＧストリームは、放出（通気）され、及び／又は他のシステム動作（操作、運転）で使用されてもよい。
【００２７】
加熱モジュール２１は、幾つかの適切な装置を備えてなり、本明細書に開示されたように前記混合ストリームを加熱する。幾つかの諸例では、加熱モジュール２１は、ＳＣＳＯリアクター２０に供給される前記混合ストリームを、約１５０℃以上、好ましくは、幾つかの諸例では、約２５０℃〜約３５０℃の温度で加熱するように構成することができる。適切な加熱装置は、例えば、一又は複数の熱交換器、電気ヒーター、及び／又はガス燃焼式直接ヒーターを包含してよい。前記ストリームは加熱されて、ＳＣＳＯリアクター２０内の前記触媒が、前記硫黄種の効率的な酸化効果的に実行するのに十分な温度とする。
【００２８】
図１に示すように、システム１０は、炭化水素燃料ストリーム１４の実質的に全部又は一部を流路２６に沿って導入することを可能とし、それは、不活性吸着床１６を介して（通じて）通過させることなしに、例えば、バルブ、パイプ、ダクト等の適切な構成を使用することにより、そして、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２に供給され、硫黄を除去する。例えば、活性吸着床２２がシステム１０の始動後に最低作動温度（例えば、約３００℃以上の温度）に到達する際に、炭化水素燃料ストリーム１４の全部又は一部（例えば実質的に全部）が、不活性吸着床１６を介して（通じて）流路２４から流路２６に迂回（転換）させ、これは、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２に入る前に、不活性吸着床１６を介して（通じて）流れるものではなく、燃料ストリーム１４から硫黄を除去し、ＤＮＧストリームを形成し、これはＦＣＶ１２に供給される。このようにして、燃料ストリーム１４中の硫黄化合物を除去する不活性吸着床１６の使用は減少され（例えば、吸着床１６の吸着量及び／又はサイズを最小限抑制する為に）、燃料ストリーム１４の脱硫が未だ許されている際に、例えば、始動中に、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２が作動温度にまで昇温する際に、及び／又は、例えば、メンテナンス中に、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２がオフラインであり、脱硫燃料ストリームを生成しない際に、ＦＣＶ１２に供給される。
【００２９】
幾つかの諸例では、活性吸着床２２は、多層ＳＣＳＯ吸着床の形態を採用し、効率的な加熱（昇温）時間を短縮することができる。２層吸着床では、前記上部半分の前記吸着材はＳＯ3除去に対してより効果的であり、他方、前記下部はＳＯ2除去とＳＯ3除去の両方に有効でなければならない。段階的床法の使用が好ましいのは、ＳＯ3がＳＯ2よりも実質的により反応性が高く、実際に、吸着されたＳＯ2を置換することが可能という点にある。完全な硫黄除去のためには、両方の床が最低温度以上でなければならない。活性吸着床２２床の前記加熱が上部から下部に進行することにより、吸着床の底（部）が要求される最低温度を下回る際（場合）に、前記多層吸着装置セットの使用が効果的な硫黄除去を強要し、それによって、要求される動作（運転）上の加熱時間が短縮されることとなる。起動時間を短縮するために、任意の適切な数の層を前記活性吸着床２２の多層構成に使用されてよい。幾つかの諸例では、４層床は、上記したような２層床のようなものと比較して、初期的に、有効始動時間を５０％減少させることができると考えられる。例えば、吸着材床２２が４つの層により構成されてなる場合（層１及び層３は「上部」吸着材物質（材料）により構成されてなり、層２及び層４は「底部」吸着材物質（材料）により構成されてなる）、前記要求される加熱時間は、前記上部又は底部の吸着材物質（材料）のそれぞれの或る一つの層を加熱するための時間の半分に短縮することが可能となる。
【００３０】
上記した通り、このようなプロセスは、システム１０の始動中において有利に使用されてなる。同様に、このようなプロセスは、システム１０を停止させることなく、有効に活用され、ＳＣＳＯリアクター２０及び／又は活性吸着材床２２のメンテナンスを行うことができる。例えば、そのような場合には、不活性吸着床からＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２にＤＮＧストリームを供給するのみならず、前記ＤＮＧストリームがＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２を介して（通じて）通過することなく、ＦＣＶ１２に直接供給されるか、又は、他のシステム動作において、例えば、図２及び図３に示すシステム構成において、使用されてもよい。いずれの場合においても、不活性吸着床１６は、例えば、ＳＣＳＯリアクターの始動又は保守の間に、比較的短時間（期間）としてのみ使用され得ることから、システム１０の全ての運転中に、炭化水素燃料ストリーム１４を脱硫する不活性吸着床１６に依存するシステムと比較して、不活性吸着床１６は、サイズをより小さくし、かつ、吸着材物質（材料）の量を少なくすることが可能となる。
【００３１】
図２は、本開示の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム３０の別の例を示す簡略化された概略図である。システム３０は、システム１０のシステムと実質的に同様であり、同様の特徴には同様の番号が付されている。しかしながら、システム１０のシステムとは異なり、システム３０は、不活性吸着床３６を出る前記ＤＮＧガスストリームのための流路３６を含んでなる。上記のように、このような構成で流路３６を使用する際、不活性吸着床１６を出る炭化水素燃料ストリーム１４からの前記ＤＮＧは、バイパスされ、或は、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２を介して（通じて）通過せず、ＦＣＶ１２及び／又はシステム３０の他のプロセス構成要素４２に直接供給されてもよい。さらに、図２に示すように、活性吸着床２２からの前記ＤＮＧは、ＦＣＶ１２に加えて、又は、ＦＣＶ１２に代えて、その他の処理構成要素（部材）４２に供給されてもよい。図示しないが、システム３０は、不活性吸着床１６及び／又は活性吸着床２２から前記ＤＮＧストリームの全て又は一部を排出（ベント）するように付加的又は代替的に構築されてもよい。
【００３２】
前記ＤＮＧを受け取ることの可能なシステム３０内のその他の処理構成要素（部材）４２の諸例は、均質燃焼装置及び触媒燃焼装置を包含し、前記燃料電池システム為の熱を発生させるために使用されるものである。例えば、始動時、待機時、又は低負荷動作（操作、運用）のように、ＦＣＶ１２によるＤＮＧの要求が低い際に、不活性吸着床１６及び／又は活性吸着床２２からの前記ＤＮＧがシステム３０内のそのような構成要素（部材）４２に配送されて熱を発生する。従って、ＤＮＧは、無発電又は低発電とのこれらの期間中に効果的に使用することができ、前記燃料電池システムにおける前記熱バランスを加熱し又は維持し、そして、それによって、炭化水素、一酸化炭素、及び硫黄酸化物のような汚染物質の望ましくない排出をシステム３０によって減少させることが可能となる。
【００３３】
図３は、更なる詳細について、図２の例示的な固体酸化物燃料電池システム３０を示す概略図である。類似の特徴は同様に番号が付けられている。図３において示されているように、炭化水素燃料ストリーム１４はＮＧストリームであり、酸化剤ストリーム１８は空気ストリームである。図示されているように、システム３０は、熱交換器２３及びヒーター２５を含んでなる。ヒーター２５が使用され、前記混合燃料−空気ストリームを、例えば約１５０℃以上の温度に加熱することができるがしかし、動作中においては使用されることがなく、前記ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２が、適切な動作（操作、運転、調整）温度、例えば約３００℃以上の温度に到達する。通常動作（操作、運転）中に、前記熱交換器２３において前記回収された熱は、前記入ってくる燃料−空気混合物を予熱するのに十分である。
【００３４】
本明細書から明らかなように、本開示の幾つかの諸例は、一又は複数の利点を提供することができる。例えば、幾つかの例証では、本開示の一又は複数の諸例による燃料処理／脱硫サブシステムは、著しく、開始時間を短縮し、プロセスハードウェアを排除し、不活性的な硫黄除去吸着システムの使用によって、ＤＮＧ（脱硫天然ガス）の「インスタント−オン（瞬時ＯＮ：早期起動）」能力を提供しうる。例えば、前記「インスタント−オン」能力は、前記ＳＣＳＯ吸着床を前記ＳＣＳＯリアクターによって発生させた熱のみを用いてより徐々に加熱されてなり、及び、ＤＮＧ用の要求であるＦＣＶ‐１２によって課される前記時間制限とは無関係であるとされる。従って、前記ＳＣＳＯ吸着床及び関連する制御及び安全ハードウェアの前記加熱を加速するのに必要とされる任意の追加ハードウェア（送風機、天然ガスバーナー）が排除され、コスト／複雑性を低減し、信頼性を向上させることができる。別の例として、本開示の諸例は、始動中に、例えば、「インスタント−オン」能力のために、排出物の減少を可能とし、これは、ＦＣＶ１２を加熱するのに必要な前記燃焼サブ−システムからの、始動時間の短縮及び無硫黄排出を付与する。
【００３５】
図４は、一又は複数の硫黄化合物を含有する天然ガスストリームの脱硫のための、不活性吸着床、ＳＣＳＯリアクター、及び活性吸着床を含む燃料電池システムを動作（運転、操作）する例証技術を示すフロー図である。例示を容易にするために、図４に示す例示技術は、図１に示す燃料電池システム１０の前記動作に関して開示されたものである。しかしながら、そのような技術は、任意の適切な燃料電池システム、例えば、図２及び図３のようなシステム３０、又はその他の燃料電池システムを使用して実行されてもよく、このようなものは、燃料ストリーム（例えば、天然ガスストリーム）の脱硫のための不活性吸着床及びＳＣＳＯリアクター／活性吸着床の両方を包含するものである。
【００３６】
図４に示すように、第１期間（周期時間；始動時間）中、システム１０は、第１流路２４に沿って炭化水素燃料ストリーム１４を導入し、不活性吸着床２４を介して（通じて）ストリーム１４を供給し、そして、ＤＮＧストリーム（５０）として、流路２８に沿って出るように構成されてよい。上記の通り、前記ＤＮＧストリームは、流路２８に沿って酸化剤ストリームと混合され、加熱モジュール２１を介して加熱され、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２に供給され、次いで流路３２に沿ってＦＣＶ１２に供給される。追加的に又は代替的に、不活性吸着床１６を出るＤＮＧストリームは、流路に沿って導入され、これは、例えば、図２の流路３６に沿ったように、一又は複数の、加熱モジュール２１、ＳＣＳＯリアクター２０、及び／又は活性吸着床２２を介して（通じて）通過しないものであり、これは、不活性吸着床１６を出るＤＮＧストリームが、加熱モジュール２１、ＳＣＳＯリアクター２０、及び活性吸着床２２を介して（通じて）通過することなく、ＦＣＶ１２及び／又は他の諸プロセス４２に供給される場合である。幾つかの諸例では、炭化水素燃料ストリーム１４（例えば、全て）の実質的に全ては、第１期間中に第２流路２６に沿ってというよりも、第１流路２４に沿って不活性吸着床１６に供給されてもよい。
【００３７】
第２期間（周期時間；始動時間）中に（例えば、図４に従って第１期間に続いて）、システム１０は、不活性吸着床１６に供給されるべきよりも、第２流路２６に沿って、炭化水素燃料ストリーム１４（例えば、燃料ストリーム１４の全て又は実質的に全て）を導入するように構成されてよい。第１流路２４と第２流路２６との間の燃料ストリーム１４の導入は、三方弁又は他の適切な機構を用いて達成されてよい。第２流路２６に沿って導入された炭化水素燃料ストリーム１４は、酸化剤ストリーム１８と混合され、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２に供給されてよく、次いで、流路３２に沿ってＦＣＶ１２に供給される。幾つかの諸例において、前記酸化剤／炭化水素燃料ストリーム混合物は、加熱モジュール２１を介して加熱されてもよく、一方で、前記ストリームは加熱されなくてもよい。幾つかの諸例では、炭化水素燃料ストリーム１４（例えば、全て）の実質的に全てが、第２期間中に、第２流路２６に沿ってよりもむしろ、第１流路２４に沿って不活性吸着床１６に供給されてよい。
【００３８】
幾つかの諸例によれば、図４の前記例の処理のように、燃料ストリームにおけるフロー（流）量は、ＦＣＶ１２からの要求によって制御され、他方、燃料ストリーム１４の前記流路（例えば、第１流路２４に対する第２制御路２６）は、活性吸着床２２の温度によって制御される。活性吸着床２２が最低作動温度、例えば、約３００℃に到達すると、前記燃料ストリーム１４は第１流路２４から第２流路２６に導入され、不活性吸着床１６をバイパスすることができる。
【００３９】
幾つかの諸例では、ＳＣＳＯリアクター２０及び／又は活性吸着床２２が動作温度に加熱されている際に、第１期間は、システム１０の始動時間であってよく、それにおいて、不活性吸着床１６が水素燃料ストリーム１４の脱硫を実行する。このような例では、図４の第２期間は、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２が、第１期間に続く動作温度又はその超過である場合に対応する。第２期間中、炭化水素燃料ストリーム１４は流路２４よりはむしろ流路２６に沿って導入され、炭化水素燃料ストリーム１４は不活性吸着床１６を介して供給されない。
【００４０】
幾つかの諸例では、システム１０が動作し、前記活性吸着床２２が二つの動作モード、例えば、第１期間中に加熱される。より低い加熱温度は、加熱モジュールを使用し、炭化水素燃料ストリーム１４を第１温度、例えば、約１５０℃に加熱し、他方、燃料ストリーム１４は第１流路２４に沿って導入されてなり、ＳＣＳＯリアクター２０は未だリットーオフ（lit-off：着火、動作、点火）していない。第１ヒートアップ（加熱；昇温）モードの目的は、前記活性吸着床出口において、活性吸着床２２の前記温度を、閾値温度、例えば、約５５℃に、又はそれ以上（超過）に昇温（上昇）させ、スチームの凝縮（濃縮）を回避するものであり、これは、ＳＣＳＯが消灯した後に発生しうるものであり、これは、ＳＣＳＯ反応の副産物であり、かつ、典型的には生成ガス中において、約５５℃の露点温度において生じうる量で生成される。しかしながら、その他の露点も考えられる。要約すると、動作モード１は、第１燃料流路２４を使用しうるものであり、他方、加熱モジュール２１は前記燃料ストリームを、第１温度、例えば、約１５０℃に加熱する。システム１０は、前記活性吸着床の出口温度が、活性吸着床２２を出る前記ストリームの露点温度に、又はそれ以上（超過）に、例えば、約５５℃以上等に到達するまで、動作モード１として動作し続ける。
【００４１】
その後、システム１０は次に動作モード２で動作することができる。動作モード２は、ＳＣＳＯリアクター２０を点火（着火；動作）させて、前記活性吸着床２２を所望の動作温度まで加熱して、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２を用いて前記受け取った燃料ストリームを効果的に脱硫することを可能とする。従って、動作モード２中に、燃料ストリーム１４は未だ第１流路２４に沿って導入され、不活性吸着床２４によって脱硫され、通常の燃料電池動作（操作；運転）中に、前記活性吸着床２２を加熱してよい。ＳＣＳＯリアクター２０を消灯するためには、２つの要件があってよい。第１に、活性吸着床２２は動作温度又はそれ以上の温度、例えば、摂氏約２２５度以上（超過）であってよく、及び、第２に、炭化水素燃料ストリーム１４に要求される前記発電所は、ＳＣＳＯリアクター２０の効果的な点火（動作）を達成する。燃料電池発電所の加熱における特定の段階において、ＳＣＳＯリアクター２０の点火（動作）を効果的に制御するには不十分なストリーム（流れ）が存在しうる。従って、点火（動作）前に、システム１０（図示せず）の前記制御システムは、十分なストリーム（流れ）があることを確認しなければならない。
【００４２】
システム１０は、次に動作モード３で動作することができる。運転モード３では、前記活性吸着床出口温度が作動温度又はそれ以上（超過）、例えば約２２５℃超過の際に、システム１０は、炭化水素燃料ストリーム１４を第２燃料流路２６に沿って導入する。例えば、前記制御システムは、不活性吸着床１６をバイパス通過する三方弁に通電することによる第１流路２４よりはむしろ、第２流路２６に沿って、燃料ストリーム１４を導入しうる。これは、活性吸着床２２が水素燃料ストリーム１４を効果的に脱硫することによるものである。
【００４３】
本明細書に開示した通りに、動作（操作；運転）プロセスの別の実施態様は、システム１０が、例えば動作し、例えば、始動後に動作している際に、炭化水素燃料ストリーム１４を脱硫する不活性吸着床１６を用いることをスイッチバック（もう一度、元に戻す）するというシステム１０の能力である。例えば、仮に、ＳＣＳＯリアクター２０がＳＣＳＯリアクター２０へ空気フローを停止させる動作不良を被る場合、ＦＣＶ１２に供給されるＤＮＧの突然の停止は、燃料電池発電所の緊急停止を引き起こし、燃料電池の健全性に重大なリスクを与える過酷な動作温度過渡状態に陥る可能性がある。しかしながら、前記活性脱硫システムが故障した場合に不活性的に脱硫された燃料が利用可能であることにより、前記プラントは通常の冷却を使用して、例えば、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着床２２よりはむしろ、不活性吸着床１６を介して（通じて）、ＤＮＧが供給される時（期間中）に、停止することができる。追加的又は代替的に、不活性吸着床１６は、例えば、システム１０を停止させる必要がなく、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着材２２のメンテナンス中に、ＳＣＳＯリアクター２０及び活性吸着材２２よりはむしろ、ＦＣＶ１２にＤＮＧを供給するシステム１０の運転中に定期的に使用されてもよい。
【００４４】
任意の適切な制御システムを使用して、本明細書に記載された方法において、システム１０又は任意の他の適切な燃料電池システムの動作を制御することができる。幾つかの諸例では、適切な温度センサ及び／又はフローセンサを使用して、燃料電池システムの動作を本明細書で開示した通りに動作させることができる。前記制御システムは、制御モジュールを使用して、本明細書に開示された例示的なプロセスを制御することができる。幾つかの諸例では、前記制御モジュールは、受信及び／又は格納されたデータに応答してコマンド信号を実行及び／又は出力することができるマイクロプロセッサ又は複数のマイクロプロセッサを含むことができる。前記制御モジュールは、一又は複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマーブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又は任意の他の同等の集積回路又は個別論理回路、又は、これらの構成要素（部材）の任意の組合せを備えた、一又は複数のプロセッサを含むことができる。前記用語「プロセッサ」又は前記用語「処理回路」という用語は、一般に、前述の論理回路の何れかを、単独で、又は他の論理回路又は任意の他の等価回路と組み合わせ等というものであってよい。制御モジュールは、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び／又はフラッシュメモリ等のコンピュータ可読記憶装置、又は、システム１０、システム３０、又は他の適切なシステムと連関する動作を制御する処理データを包含するものである。従って、幾つかの諸例では、前記コントローラモジュールは、一又は複数のメモリ、記憶装置、及び／又はマイクロプロセッサ内に、ハードウェア、ソフトウェア、及び／又はファームウェアとして格納された、命令及び／又はデータを含むことができる。幾つかの諸例では、コントローラは、マイクロコントローラ上で動作するコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ソフトウェアパッケージを使用してプリントヘッド６６を制御することができる。
【００４５】
本発明の様々な実施態様については既に本明細書及び図面によって説明した。これら及び他の実施態様は、以下の請求項の範囲内に当然に包含されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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