KR20180130555A - 조합된 수동 및 능동 흡착제 베드들을 갖는 연료 전지 시스템 - Google Patents

조합된 수동 및 능동 흡착제 베드들을 갖는 연료 전지 시스템 Download PDF

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그레그 씨. 러쉬
마크 안소니 페르나
마크 빈센트 스카토
크리스 드벨리스
존 알. 버지
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Abstract

연료 전지 시스템은, 황 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 스트림; 상기 탄화수소 연료 스트림으로부터 황 화합물을 제거하도록 구성된 선택적 황 흡착제를 포함하는 수동 흡착제 베드; SCSO 반응기; 및 황 산화물 흡착제를 포함하는 능동 흡착제 베드를 포함하고, 이때 상기 능동 흡착제 베드는 상기 SCSO 반응기로부터 유출물 스트림을 수용하고 황 산화물 흡착제를 통해 황 산화물의 적어도 일부를 제거하도록 구성된다. 연료 전지 시스템의 시동 동안, 상기 탄화수소 연료 스트림은 제 1 시간 동안 상기 연료 스트림으로부터 황 화합물을 제거하기 위해 수동 흡착제 베드를 통해 제 1 유로를 따라 안내된 다음, 예를 들어, 일단 SCSO 반응기/능동 흡착제 베드가 작동 온도에 도달하면, 수동 흡착제 베드를 통과하지 않는 제 2 시간 동안 제 2 유로를 따라 안내된다.

Description

조합된 수동 및 능동 흡착제 베드들을 갖는 연료 전지 시스템
본원은 2016년 4월 13일자로 출원된 미국 가출원 제 62/322,065 호를 우선권으로 주장하며, 이를 그 전체로 본원에 참고로 인용한다.
본 발명은 일반적으로 연료 전지 시스템의 탈황기 서브시스템(desulfurizer subsystem)에 관한 것이다.
탄화수소 연료의 총 황 함량을 감소시키는 연료 전지 시스템 및 관련 탈황 서브시스템이 관심 영역이다. 일부 기존 시스템에는 특정 적용례들에 대해 여러 가지 단점, 결점 및 약점이 있다. 따라서, 이러한 기술 분야에 대한 추가적인 기여가 여전히 필요하다.
일부 예에서, 본 발명은, 예를 들어 탄화수소 연료 스트림이 연료 공급원으로서 사용하기 위해 연료 전지 스택에 전달되기 전에, 탄화수소 연료 스트림 예컨대 천연 가스로부터 황 화합물을 제거하기 위해 하나 이상의 탈황기 서브시스템을 사용하는 연료 전지 시스템 예컨대 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
예시적인 시스템은 능동 흡착제 베드 및 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기와 함께 탄화수소 연료 스트림으로부터 황 화합물을 제거하기 위한 수동 흡착제 베드 모두를 사용하는 탈황기 서브시스템을 포함할 수 있다. 연료 스트림은 예를 들어 연료 전지 시스템의 작동 상태에 따라 능동 흡착제 베드 및 수동 흡착제 베드 중 하나 또는 모두에 선택적으로 안내될 수 있다. 예를 들어, 시스템의 시동 동안, 탄화수소 연료 스트림은 예를 들어 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드가 가열되면서, 황 화합물(들)을 스트림으로부터 제거하기 위해 능동 흡착제 베드가 아닌 수동 흡착제 베드에 제 1 유로를 따라 공급될 수 있다. 일단 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드가 원하는 작동 온도에 도달하면, 연료 스트림은 수동 흡착제를 우회하도록 안내될 수 있고, 황 화합물들을 제거하기 위해 제 2 유로를 따라 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드에 공급될 수 있다. 일부 예들에서, SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드는, 예를 들어 서로 직렬 또는 병렬로, 연료 스트림으로부터 황 화합물들을 제거하기 위해 수동 흡착제 베드와 동시에 사용될 수 있다. 탈황된 연료 스트림은, 예를 들어 연료 전지 스택의 애노드/연료 측에 공급됨으로써, 연료 전지 시스템 내에서 필요에 따라 사용될 수 있다.
일 예에서, 본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 황 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 스트림; 탄화수소 연료 스트림으로부터 황 화합물을 제거하여 제 1 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 선택적 황 흡착제를 포함하는 수동 흡착제 베드(이때, 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 제 1 유로를 따라 수동 흡착제 베드를 통과하고 제 2 유로를 따라 수동 흡착제 베드를 통과하지 못하도록 구성되고, 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로 중 적어도 하나를 따라 선택적으로 안내되도록 구성됨); 산화제 스트림(이때, 상기 시스템은 상기 산화제 스트림이 상기 제 2 유로로부터의 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 유로로부터의 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나와 혼합되도록 구성됨); 상기 혼합된 산화제, 및 상기 탄화수소 연료 및 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나를 약 150℃ 초과의 온도로 가열하도록 구성된 가열 모듈; 적어도 하나의 황 산화 촉매를 포함하는 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기(이때, 상기 선택적 촉매적 황 산화 반응기는 상기 산화제 스트림과 상기 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 연료 스트림 중 적어도 하나의 가열된 혼합물을 수용하여 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매와 접촉하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매는 상기 수용된 스트림에서 적어도 하나의 황 함유 화합물을 산화시켜 황 산화물을 포함하는 SCSO 유출물 스트림을 형성하도록 구성됨); 황 산화물 흡착제를 포함하는 능동 흡착제 베드(이때, 상기 능동 흡착제 베드는 상기 SCSO 반응기로부터 상기 SCSO 유출물 스트림을 수용하고 상기 황 산화물 흡착제를 통해 상기 황 산화물의 적어도 일부를 제거하여 제 2 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성됨); 및 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지(이때, 상기 고체 산화물 연료 전지는 연료 공급원으로서 상기 제 2 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성됨)를 포함한다.
또 다른 예에서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 작동하기 위한 방법에 관한 것으로, 연료 전지 시스템은 황 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 스트림; 탄화수소 연료 스트림으로부터 황 화합물을 제거하여 제 1 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 선택적 황 흡착제를 포함하는 수동 흡착제 베드(이때, 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 제 1 유로를 따라 수동 흡착제 베드를 통과하고 제 2 유로를 따라 수동 흡착제 베드를 통과하지 못하도록 구성되고, 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로 중 적어도 하나를 따라 선택적으로 안내되도록 구성됨); 산화제 스트림(이때, 상기 시스템은 상기 산화제 스트림이 상기 제 2 유로로부터의 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 유로로부터의 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나와 혼합되도록 구성됨); 상기 혼합된 산화제, 및 상기 탄화수소 연료 및 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나를 약 150℃ 초과의 온도로 가열하도록 구성된 가열 모듈; 적어도 하나의 황 산화 촉매를 포함하는 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기(이때, 상기 선택적 촉매적 황 산화 반응기는 상기 산화제 스트림과 상기 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 연료 스트림 중 적어도 하나의 가열된 혼합물을 수용하여 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매와 접촉하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매는 상기 수용된 스트림에서 적어도 하나의 황 함유 화합물을 산화시켜 황 산화물을 포함하는 SCSO 유출물 스트림을 형성하도록 구성됨); 황 산화물 흡착제를 포함하는 능동 흡착제 베드(이때, 상기 능동 흡착제 베드는 상기 SCSO 반응기로부터 상기 SCSO 유출물 스트림을 수용하고 상기 황 산화물 흡착제를 통해 상기 황 산화물의 적어도 일부를 제거하여 제 2 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성됨); 및 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지(이때, 상기 고체 산화물 연료 전지는 연료 공급원으로서 상기 제 2 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성됨)를 포함하며, 연료전지 시스템을 작동하기 위한 방법은 첫번째 시간동안 탄화수소 연료 스트림을 제 1 유로를 따라 흐르게 하고, 첫번째 시간과는 다른 두번째 시간동안 탄화수소 연료 스트림을 제 2 유로를 따라 흐르게 함을 포함한다.
본원의 설명은 다수의 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조번호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 연료 전지 시스템의 예시적인 탈황기 서브시스템을 예시하는 개략도이다.
도 2는 연료 전지 시스템의 다른 예시적인 탈황기 서브시스템을 예시하는 개략도이다.
도 3은 연료 전지 시스템의 또 다른 예시적인 탈황기 서브시스템을 예시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 예에 따라 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 기술의 일례를 예시하는 흐름도이다.
본 발명의 하나 이상의 구현예의 세부사항은 첨부된 도면 및 이하의 설명에서 개시된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명 및 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지 시스템과 같은 연료 전지 시스템은 하나 이상의 전기화학 전지를 사용하여 전기를 발생시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 천연 가스 스트림과 같은 탄화수소-함유 공급물 스트림은 연료 전지 시스템에 의해 전기화학 전지를 위한 연료 공급원으로서 사용될 수 있다. 그러나, 일부 예들에서, 탄화수소-함유 공급물 스트림은 또한 예를 들어 천연 가스 중에 자연적으로 발생하거나 또는 방취제(odorant)로서 첨가될 수 있는 황화수소와 같은 유기 및/또는 무기 황 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 황 화합물은 연료 전지 시스템의 전기화학 전지의 애노드를 독성화하여 애노드의 효율 및/또는 수명을 감소시킬 수 있다.
일부 예들에서, 연료 전지 시스템은 예를 들어 하나 이상의 분리 공정을 통해 전기화학 전지의 애노드 측으로 공급되기 전에 탄화수소 공급물 스트림으로부터 황을 제거하도록 구성된 탈황 서브시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탈황 서브시스템은 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기 및 능동 흡착제 베드를 사용하여 탄화수소 공급물 스트림 중의 황의 적어도 일부를 제거할 수 있다. SCSO 반응기는 촉매적 산화 공정을 통해 탄화수소 공급물 스트림 중의 황의 적어도 일부를 전환시켜 하나 이상의 황 산화물을 형성할 수 있다. 능동 흡착제는 SCSO 반응기로부터 유출물 스트림을 수용할 수 있고 황 산화물 흡착제를 통해 하나 이상의 황 산화물을 제거할 수 있다. 그러나, 이러한 설정에서, SCSO 반응기는 상승된 작동 온도에 도달하기 위해 시간(시동 시간)이 필요할 수 있다. 유사하게, 능동 흡착제 베드는 상기 베드가 바람직한 양의 황 산화물을 SCSO 반응기 유출물 스트림으로부터 제거하기 전에 최소 온도에 도달해야 할 필요가 있을 수 있다. 또한, SCSO 반응기 및/또는 능동 흡착제 베드의 정비가 필요한 경우 시스템을 정지시켜야 할 필요가 있을 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 예에 따르면, 본 발명의 예들은 SCSO 반응기와 조합된 수동 흡착제 베드 및 탈황 서브시스템의 능동 흡착제 베드를 사용할 수 있는 연료 전지 시스템을 포함한다. 본원에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 구성에서, 발열 SCSO 반응기는 능동 흡착제 베드의 가열을 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 대안적으로 능동 흡착제 베드를 가열하는 데 사용될 수 있는 버너, 송풍기 및 제어 기능들에 대한 필요를 제거할 수 있다. SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드의 가열 동안, 황 화합물을 포함하는 천연 가스 스트림은 수동 흡착제 베드를 통해 공급되어 천연 가스 스트림을 탈황시킬 수 있다. 수동 흡착제 베드의 탈황 천연 가스(DNG)는 또한 연료 전지 용기(FCV) 및 기타 시스템 구성요소에 직접 공급되어 SCSO 흡착제 베드가 가열될 때까지 기다릴 필요 없이 "인스턴트-온(instant-on)" 기능을 제공할 수 있다. 능동 흡착제 베드가 작동 온도에 도달하면, 황 화합물을 포함한 천연 가스 스트림의 전부 또는 일부가 수동 흡착제 베드를 통과하지 않는 유로를 따라 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드에 공급되어 천연 가스를 탈황시킬 수 있다. 수동 흡착제 베드는 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드에 추가로 또는 대안으로 사용되어 천연 가스 스트림으로부터 황을 제거하고 예를 들어 연료 공급원으로서 FCV에 공급되는 DNG 스트림을 형성할 수 있다. 일부 예들에서, "인스턴트-온" 기능은 또한 SCSO 반응기 및/또는 능동 흡착제 베드가 시스템을 정지시키지 않고 시스템 작동 중에 정비를 위해 라인에서 분리되는 경우, 예를 들어 NG 스트림의 탈황을 위한 수동 흡착제 베드를 사용하여, 연료 전지 시스템의 작동을 중단시키지 않고도 SCSO 서브-시스템에서 정비를 수행할 수 있게 한다.
후술하는 바와 같이, 수동 흡착제 베드는 수동 흡착제(들)를 사용하여 상기 흡착제에 의한 황 화합물의 우선적인 물리적 흡착에 기초하여 가스 스트림 예를 들어 천연 가스 스트림으로부터 실질적으로 전부 또는 일부의 유기 및/또는 무기 황 화합물을 제거할 수 있다. 제올라이트, 금속 함침 탄소 및 알루미나와 같은 흡착제가 이러한 수동 흡착제의 예이다. 천연 가스 스트림 또는 다른 연료 스트림으로부터 황을 제거하기 위한 수동 흡착제 베드를 사용하는 접근법의 상대적 단순성은 낮은 자본 투자 및 최소 제어 요건으로 인해 유리할 수 있다. 그러나, 수동 흡착제는 상대적으로 낮은 황 용량을 가질 수 있으며, 그 유효성은 존재하는 황 종 및 흡착된 황 화합물을 대체할 수 있는 다른 경쟁 종(예컨대, H2O)의 존재에 의존할 수 있다. 본 발명의 예는 SCSO 및 수동 흡착제의 장점을 결합하여 연료 전지 시스템에서 하나 이상의 가스 스트림으로부터 황 화합물을 관리 예를 들어 제거하기 위한 보다 효과적인 해결책을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 예시적인 고체 산화물 연료 전지 시스템(10)을 예시한 간략화된 개략도이다. 연료 전지 시스템 (10)은 연료 전지 용기(FCV)(12), 탄화수소 연료 스트림(14), 산화제 스트림(18), 수동 흡착제 베드(16), SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)를 포함한다. 수동 흡착제 베드(16), SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22) 및 FCV(12)는 도 1에 도시된 유로, 예를 들어 유로(24, 26, 28 및 32)에 따라 예를 들어 적절한 파이프, 덕트 등과 같은 임의의 적합한 구성을 사용하여 서로 유체 연결된다.
탄화수소 연료 스트림(14)은 탄화수소(들)를 포함하는 가스 스트림일 수 있다. 설명의 용이를 위해, 탄화수소 연료 스트림(14)이 천연 가스 스트림과 관련하여 본원에서 주로 기술되지만, 다른 적합한 연료 스트림이 고려될 수 있다. 이러한 연료에는 압축 천연 가스(CNG), 액화 석유 가스(LPG) 또는 합성 천연 가스 및 원하는 열 함량을 갖는 가스 혼합물을 제공하기 위해 맞춤화된 연료 블렌드가 포함된다.
탄화수소 연료 스트림(14)은 수동 흡착제 베드(16) 및/또는 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)에 의해 처리되기 전에 메탄, 에탄, 프로판 및 다른 고급 탄화수소뿐만 아니라 이산화탄소, 질소, 산소 및 다른 성분들을 포함할 수 있다. 또한, 탄화수소 연료 스트림(14)은 예를 들어 H2S, COS, CS2, 머캅탄, 설파이드 및 티오펜과 같은 하나 이상의 유기 및/또는 무기 황 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 황 성분들은 가용한 파이프라인 천연 가스(PNG) 스트림에 자연적으로 존재하거나 안전 문제를 해결하기 위해 방취제로서 첨가될 수 있다. 일부 예들에서, 탄화수소 연료 스트림(14)은 약 0.05 내지 약 200 ppm-부피(ppm-V) 기준 이상의 황을 포함할 수 있다. 천연 가스는 전형적으로 본원에서 기술된 방식으로 탈황되기 전에 예를 들어 약 0.1 내지 약 10 ppm-V의 황을 함유할 수 있지만, LPG는 더 높은 황 수준 예를 들어 약 10 내지 약 170 ppm-V의 황을 함유할 수 있다.
전술한 바와 같이, 탄화수소 연료 스트림(14) 내의 황의 존재는 시스템(10)의 작동에 유해할 수 있다. 예를 들어, 황은 FCV(12)에서 탈황된 연료 스트림(14)의 전부 또는 일부를 일산화탄소 및 수소로 전환시키기 위한 스팀 개질 촉매의 효과를 감소시킬 수 있다. 또한, 황은 애노드에서의 전기화학 공정에 부정적인 영향을 미치므로 연료 전지 성능 및 연료 전지의 수명을 감소시킨다.
수동 흡착제 베드(16)는 연료 스트림(14) 내에 존재하는 유기 및/또는 무기 황 화합물의 적어도 일부를 제거함으로써 탄화수소 연료 스트림(14)을 탈황시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 수동 흡착제 베드(16)는 연료 스트림(14)이 수동 흡착제 베드(16) 내의 흡착제 물질 상을 유동하는 경우 연료 스트림(14) 내에 유기 및/또는 무기 황 화합물을 흡착시키는 하나 이상의 흡착제 물질을 함유하는 용기를 포함할 수 있다. 수동 흡착제 베드(16)에 적합한 흡착제 물질의 예는 제올라이트 및 금속 함침된 탄소 및 알루미나를 포함한다. 흡착제 베드(16)에 대한 특정 흡착제 물질의 선택은 또한 연료 스트림(14) 내의 황 화합물의 유형에 의존할 것이다. 일부 수동 흡착제는 무기 황 화합물에 대해 높은 친화성을 가지지만 다른 흡착제는 유기 황 화합물을 우선적으로 흡착한다. 또한, 물과 같은 연료 스트림(14)에서의 경쟁 흡착물의 존재는 존재하는 황 화합물에 따라 수동 흡착제 베드의 흡착 능력을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 다이에틸 설파이드 및 에틸 메틸 설파이드와 같은 부피가 큰 황 화합물은 보다 약하게 흡착되어 물과 같은 경쟁 흡착물에 의해 보다 쉽게 대체된다. 일부 경우에, 연료 스트림(14)을 건조제 베드를 통과시켜 가스의 수분 함량을 낮추고 이에 의해 수동 흡착제 베드의 흡착 능력을 증가시키는 것이 유리하다.
일부 예들에서, 수동 흡착제 베드(16)는 연료 스트림(14) 내에 존재하는 약 99% 내지 약 99.99%의 황 화합물을 제거하도록 설계될 수 있다. 일부 예들에서, 수동 흡착제 베드(16)는 연료 스트림(14) 내에 존재하는 소정량의 황 화합물을 제거하여 수동 흡착제 베드(16)로부터의 배출 가스 스트림이 약 100 ppb-V 미만의 황 예를 들어 약 50 ppb-V 미만의 황을 포함하도록 설계될 수 있다. 수동 흡착제 베드(16)에 대한 설계 고려사항은 가스 시간당 공간 속도, 흡착제 베드의 길이에 대한 직경의 비, 온도 및 작동 압력, 흡착제 황 용량, 및 연료 스트림(14)의 평균 황 및 수분 수준을 포함할 수 있다. 수동 흡착제 베드(16)는 또한 베드의 유효 황 용량을 개선하고 황-포화된 수동 흡착제의 교환을 용이하게 하기 위해 예를 들어 리드-래그(lead-lag) 구성으로 연결된 다수의 흡착제 베드를 포함할 수 있다.
유사하게, SCSO(20) 및 능동 흡착제 베드(22)는 추가로 또는 대안적으로 연료 스트림(14) 내에 존재하는 유기 및/또는 무기 황 화합물의 적어도 일부를 제거함으로써 연료 스트림(14)을 탈황시킬 수 있다. 예를 들어, SCSO 반응기(20)는 반응기 용기 내에 하나 이상의 황 산화 촉매를 포함할 수 있다. SCSO 반응기(20)는 (산화제 스트림(14)과 혼합될 수 있는) 연료 스트림(14)을 수용할 수 있고, 적어도 하나의 황 산화 촉매는 수용된 스트림에서 하나 이상의 황-함유 화합물을 산화시켜 황 산화물을 포함하는 SCSO 유출물 스트림을 형성할 수 있다. 적합한 황 산화 촉매의 예는 우세한 반응 조건 하에서 탄화수소 공급물에 함유된 황 화합물의 황 산화물로의 산화를 촉매할 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 바람직한 산화 촉매는 촉매 활성 성분으로서 원소 주기율표의 VIII 족으로부터 선택된 금속 및/또는 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 및 아연의 산화물과 같은 베이스 금속 산화물을 포함한다. 본 방법에 사용하기에 보다 바람직한 촉매는 팔라듐, 백금 및 로듐으로부터 선택된 금속 및/또는 철, 코발트 및 구리의 산화물과 같은 베이스 금속 산화물을 포함한다. 바람직한 촉매는 백금을 포함하고 특히 바람직한 촉매는 백금 및 철을 포함한다.
SCSO 반응기(22)로부터의 황 산화물을 포함하는 유출물 스트림은 그 후 능동 흡착제 베드(22)로 공급될 수 있다. 능동 흡착제 베드(22)는 유출물 스트림이 능동 흡착제 베드(22) 내의 흡착제 물질 위로 유동하는 경우에 예를 들어 금속 산화물과 황 산화물의 반응에 기초하여 유출물 스트림 내의 황 산화물과 반응하여 금속 설파이트 또는 금속 설페이트를 생성하는 하나 이상의 흡착제 물질을 함유하는 용기를 포함할 수 있다. 적합한 흡착제 물질의 예는 우세한 조건에서 황 산화물과 반응할 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다; 황 산화물 흡착제는 바람직하게는 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물 및/또는 베이스 금속(Fe, Ni, Cu, Zn) 산화물을 포함하며, 이러한 산화물은 바람직하게는 실리카, 알루미나 등과 같은 다공성 물질 상에 지지된다.
능동 흡착제 베드(22)는 황 화합물(예를 들어, 황 산화물)이 활성 황 흡착제와 반응하는 가스 스트림에서 흡착제가 황 화합물의 반응성 흡착에 의존하기 때문에 "능동(active)"이라고 할 수 있다. 반대로, 수동 흡착제 베드(16)는 베드 내의 흡착제가 공정 스트림으로부터 황 화합물을 제거하기 위한 물리적 흡착에 의존하기 때문에 "수동(passive)"이라고 할 수 있다.
이러한 방식으로, SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)는 탄화수소 연료 스트림(14)으로부터 황 화합물을 제거하여 수동 흡착제 베드(16)와 같은 DNG 스트림을 형성할 수 있다. 일부 예들에서, SCSO 반응기(20)/능동 흡착제 베드(22)는 연료 스트림(14) 내에 존재하는 약 99% 내지 약 99.99%의 황 화합물을 제거하도록 설계될 수 있다. 일부 예들에서, SCSO 반응기(20)/능동 흡착제 베드(22)는 연료 스트림(14) 내에 존재하는 소정량의 황 화합물을 제거하여 SCSO 반응기(20)/능동 흡착제 베드(22)로부터의 배출 가스 스트림이 약 100 ppb-V 미만의 황 예를 들어 약 50 ppb-V 미만의 황을 포함하도록 설계될 수 있다. SCSO 반응기(20)/능동 흡착제 베드(22)에 대한 설계 고려사항은 SCSO 반응기에 대한 가스 시간당 공간 속도, 능동 흡착제 베드에 대한 가스 시간당 공간 속도, 온도 및 작동 압력, 능동 흡착제의 황 용량, 산소 대 탄화수소 연료 비 및 연료 스트림 내의 평균 황 수준을 포함할 수 있다.
적합한 SCSO 반응기 및 흡착제 베드를 포함하는 예시적인 탈황 시스템은 버지(Budge)에게 2015년 5월 19일에 허여된 미국 특허 제 9,034,527 호에 기술된 하나 이상의 예들을 포함할 수 있다. 미국 특허 제 9,034,527 호의 전체 내용은 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.
시스템(10)은 작동 중에 탄화수소 연료 스트림(14)이 수동 흡착제 베드(16) 및/또는 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드(22)를 선택적으로 통과하여 연료 스트림(14)으로부터 황을 제거한 후 이를 DNG 스트림으로서 FCV(12)에 공급하도록 구성될 수 있다. FCV(12)는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 데 사용되는 예를 들어 연료 전지 스택 형태의 하나 이상의 전기화학 전지를 포함할 수 있다. FCV(12)는 또한 DNG 스트림(14)을 추가로 처리하도록 구성된 하나 이상의 서브-시스템을 포함할 수 있다.
하나 이상의 전기화학 전지를 포함하는 임의의 적합한 연료 전지 시스템이 FCV(12)에 의해 본 발명에 이용될 수 있다. 적합한 예는 전체 내용이 본원에 참고로 인용된, 2013년 5월 16일자로 공개된 류(Liu) 등의 미국 특허 출원 공개 제 2013/0122393 호에 기재된 예들을 포함한다. 미국 특허 출원 공개 제 2013/0122393 호는 하나 이상의 예시적인 고체 산화물 연료 전지 시스템을 기술하고 있지만, FCV(12)는 또한 인산, 용융 카보네이트 및/또는 양성자 교환 막과 같은 다른 유형의 연료 전지들을 포함할 수 있다. FCV(12)의 전기화학 전지는 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 포함할 수 있고, FCV(12)의 연료 전지 스택은 애노드(연료) 측 및 캐쏘드(산화제) 측을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템(10)의 작동 중에, (예를 들어, 공기 형태의) 산화제 스트림이 캐쏘드 측에 공급될 수 있다. 유사하게, DNG 스트림(14)은 하나 이상의 탄화수소 개질기에서 추가로 처리된 다음 연료 전지 스택의 애노드 측으로 공급될 수 있다. 탄화수소 개질기는 연료 스트림으로부터 보다 고급 탄화수소를 제거하기 위한 예비-개질기 및 탄화수소의 전부 또는 일부를 일산화탄소 및 수소로 전환시키기 위한 스팀 개질기를 포함할 수 있다. 개질기에 필요한 스팀은 애노드 측 배출 스트림의 일부를 재순환시키고 DNG 스트림(14)과 혼합함으로써 편리하게 수득될 수 있다.
수동 흡착제 베드(16) 및 SCSO 반응기(20)/능동 흡착제 베드(22)는 서로 임의의 조합으로 사용되어 작동 중에 FCV(12)에 적합한 DNG 스트림을 제공할 수 있다. 예를 들어, 시동 중에(예를 들어, SCSO 반응기(20)/능동 흡착제 베드(22)가 적합한 작동 온도에 도달하기 전에), 탄화수소 연료 스트림(14)의 전부 또는 일부(예를 들어, 실질적으로 전부)는 유로(24)를 따라 수동 흡착제 베드(16)에 선택적으로 공급되고, 수동 흡착제 베드(16)를 통해 유동하고, 이어서 DNG 스트림으로서 유로(28)를 따라 수동 흡착제 베드(16)를 빠져나간다. 일부 예들에서, 실질적으로 모든 연료 스트림(14)은 예를 들어 SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드(22)의 가열 동안 수동 흡착제 베드(16)에 공급될 수 있다. 도시된 바와 같이, 수동 흡착제 베드(16)로부터의 출구 스트림은 임의적으로 수동 흡착제 베드(16)를 통해 흐르지 않고 또한 산화제 스트림(18)(예를 들어, 공기 또는 다른 적합한 산화제의 형태)과 혼합되지 않도록 유로(26)를 따라 안내되는 탄화수소 연료 스트림(14)의 일부와 혼합될 수 있다. 혼합된 스트림은 가열 모듈(21)에 의해 가열되어 가열된 부분적으로 탈황된 NG 스트림을 제공하고, 이는 그 후 예를 들어 시동 중에 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)에 공급되어 흡착제 베드(22)를 가열한다. 능동 흡착제 베드(22)로부터의 배출 스트림은 유로(32)를 따라 FCV(12)에 공급될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 흡착제 베드(22)로부터의 배출 DNG 스트림이 배기될 수 있고/있거나 다른 시스템 작동에 사용될 수 있다.
가열 모듈(21)은 본원에 기재된 바와 같이 혼합된 스트림을 가열하는 임의의 적합한 장치를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 가열 모듈(21)은 SCSO 반응기(20)에 공급된 혼합된 스트림을 약 150℃ 이상, 바람직하게는 일부 예들에서는 약 250℃ 내지 약 350℃의 온도로 가열하도록 구성될 수 있다. 적합한 가열 장치는 예를 들어 하나 이상의 열 교환기, 전기 히터 및/또는 가스-연소된 비접촉식 히터(in-direct heater)를 포함할 수 있다. 스트림은 SCSO 반응기(20) 내의 촉매가 황 종의 효율적인 산화를 수행하기에 충분한 온도가 되도록 가열될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 또한 탄화수소 연료 스트림(14)의 실질적으로 전부 또는 일부가 예를 들어 밸브, 파이프, 덕트 등의 적절한 구성을 사용하여 수동 흡착제 베드(16)를 통과하지 않는 유로(26)를 따라 안내되도록 하고, 황 제거를 위해 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)에 공급되도록 한다. 예를 들어, 능동 흡착제 베드(22)가 시스템(10)의 시동 후 최소 작동 온도(예를 들어, 약 300℃ 이상의 온도)에 도달하면, 탄화수소 연료 스트림(14)의 전부 또는 일부(예를 들어, 실질적으로 전부)는, 연료 스트림(14)으로부터 황을 제거하기 위해 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)에 유입되어 FCV(12)에 공급되는 DNG 스트림을 형성하기 전에, 유로(24)로부터 수동 흡착제 베드(16)를 통해 수동 흡착제 베드(16)로 흐르지 않는 유로(26)로 전환될 수 있다. 이러한 방식으로, 연료 스트림(14) 내의 황 화합물을 제거하기 위한 수동 흡착제 베드(16)의 사용은 (예를 들어, 흡착제의 양 및/또는 흡착제 베드(16)의 크기를 최소화하기 위해) 감소되면서도, 여전히 연료 스트림(14)의 탈황을 허용할 수 있고, SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)가 예를 들어 시동 중에 작동 온도까지 가열되고/되면서, SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)가 오프라인(offline)으로 되어 예를 들어 정비 중에 FCV(12)에 공급되는 탈황 연료 스트림을 생성하지 않도록 할 수 있다.
일부 예들에서, 능동 흡착제 베드(22)는 유효 가열 시간을 감소시키기 위해 다층 SCSO 흡착제 베드의 형태를 취할 수 있다. 2층 흡착제 베드에서, 상부 절반에 있는 흡착제는 SO3 제거에 보다 효과적이어야 하고 하부 섹션은 SO2 및 SO3 제거에 모두 효과적이어야 한다. SO3가 SO2보다 상당히 반응성이 높고 실제로 흡착된 SO2를 대체할 수 있기 때문에 단계적 베드 접근법을 사용하는 것이 바람직하다. 완전한 황 제거를 위해, 두 베드 모두 최소 온도보다 높아야 한다. 능동 흡착제 베드(22)의 가열이 상부로부터 하부로 진행되기 때문에, 다층 흡착제 세트의 사용은 흡착제 베드의 하부가 요구되는 필요한 최소 온도보다 낮을 때 효과적인 황 제거를 가능하게 하여 필요한 작동 가열 시간을 감소시킨다. 임의의 적합한 개수의 층이 능동 흡착제 베드(22)의 다층 구성에 사용되어 시동 시간을 감소시킬 수 있다. 일부 예들에서, 4층 베드는 상기 개시된 바와 같은 2층 베드의 것과 비교하여 초기에 유효 시동 시간을 50% 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 흡착제 베드(22)가 4개의 층으로 구성되는 경우(층 1 및 3은 "상부" 흡착제 물질로 구성되는 반면, 층 2 및 4는 "하부" 흡착제 물질로 구성됨), 각각의 상부 및 하부 흡착제 물질의 하나의 층을 가열하는 데 필요한 가열 시간은 반으로 감소될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이러한 공정은 시스템(10)의 시동 중에 유리하게 사용될 수 있다. 유사하게, 이러한 공정은 시스템(10)을 정지시키지 않고 SCSO 반응기(20) 및/또는 능동 흡착제 베드(22)에 대한 정비를 수행하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우에, 수동 흡착제 베드로부터 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)로 DNG 스트림을 공급하기보다는, DNG 스트림은 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)를 통과하지 않고 FCV(12)에 직접 공급되거나 예를 들어 도 2 및 3에 도시된 시스템 구성에서의 다른 시스템 작동에 사용될 수 있다. 어느 경우에도, 수동 흡착제 베드(16)는 비교적 짧은 시간 동안 예를 들어 SCSO 반응기의 시동 또는 정비 중에 사용될 수 있기 때문에, 수동 흡착제 베드(16)는 시스템(10)의 모든 작동 중에 탄화수소 연료 스트림(14)을 탈황시키기 위한 수동 흡착제 베드(16)에 의존하는 시스템에 비해 크기가 작고 흡착제 물질을 덜 함유할 수 있다.
도 2은 본 발명의 일 구현예에 따른 예시적인 다른 고체 산화물 연료 전지 시스템(30)을 예시한 간략화된 개략도이다. 시스템(30)은 시스템(10)과 실질적으로 유사하며 유사한 특징들은 유사하게 넘버링된다. 그러나, 시스템(10)과 달리, 시스템(30)은 수동 흡착제 베드(36)를 빠져나가는 DNG 가스 스트림을 위한 유로(36)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 이러한 구성에서 유로(36)를 사용함으로써, 수동 흡착제 베드(16)를 빠져나가는 탄화수소 연료 스트림(14)으로부터의 DNG는 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)를 우회하거나 달리 통과하지 않고 FCV(12) 및/또는 시스템(30)의 다른 공정 구성요소(42)에 직접 공급될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 능동 흡착제 베드(22)로부터의 DNG는 FCV(12)에 추가로 또는 FCV(12)의 대안으로서 다른 공정 구성요소(42)에 공급될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 시스템(30)은 추가로 또는 대안적으로 수동 흡착제 베드(16) 및/또는 능동 흡착제 베드(22)로부터 DNG 스트림의 전부 또는 일부를 배기하도록 구성될 수 있다.
DNG를 수용할 수 있는 시스템(30)의 다른 공정 구성요소(42)의 예는 연료 전지 시스템을 위한 열을 발생시키는 데 사용되는 균질한 촉매적 연소 유닛을 포함한다. 수동 흡착제 베드(16) 및/또는 능동 흡착제 베드(22)로부터의 DNG는, 예를 들어 FCV(12)에 의한 DNG에 대한 요구가 낮은 경우 예컨대 시동, 대기 또는 저-부하 작동 중에, 시스템(30) 내의 상기 구성요소(42)로 전달되어 열을 발생시킬 수 있다. 따라서, DNG는 전력 발생이 없거나 낮은 전력으로 이들 기간 동안 효과적으로 사용되어 연료 전지 시스템에서 가열 또는 열적 균형을 유지하고, 이에 따라 시스템(30)에 의한 오염 물질 예컨대 탄화수소, 일산화탄소 및 황 산화물의 바람직하지 않은 배출을 감소시킬 수 있다.
도 3은 도 2의 예시적인 고체 산화물 연료 전지 시스템(30)을 보다 상세히 예시하는 개략도이다. 유사한 특징들은 유사하게 넘버링된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 탄화수소 연료 스트림(14)은 NG 스트림이고 산화제 스트림(18)은 공기 스트림이다. 도시된 바와 같이, 시스템(30)은 열 교환기(23) 및 히터(25)를 포함한다. 히터(25)는 예를 들어 약 150℃ 이상의 온도로 혼합된 연료-공기 스트림을 가열하는 데 사용될 수 있지만, 일단 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)가 적절한 작동 온도 예컨대 약 300℃ 이상의 온도에 도달하면 작동 중에는 사용되지 않는다. 정상 작동 중에, 열 교환기 (23)에서 회수된 열은 유입되는 연료-공기 혼합물을 예열하는 데 충분하다.
본원 명세서로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 일부 예들은 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 본 발명의 하나 이상의 예에 따른 연료 처리/탈황 서브시스템은 시동 시간을 현저히 감소시켜 공정 하드웨어를 제거하고, 수동 황 제거 흡착제 시스템의 사용을 통해 DNG(탈황 천연 가스)에 대한 "인스턴트-온" 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, "인스턴트-온" 기능은 SCSO 흡착제 베드가 SCSO 반응기에 의해 발생된 열만을 사용하여 점진적으로 가열될 수 있게 하고 DNG에 대한 FCV(12) 요구에 의해 부과된 시간 제약과는 무관하게 할 수 있다. 따라서, SCSO 흡착제 베드 및 관련 제어 및 안전 하드웨어의 가열을 가속화하는 데 필요한 임의의 추가적인 하드웨어(송풍기, 천연 가스 버너)를 제거하여 비용/복잡성을 줄이고 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또 다른 예로서, 본 발명의 예는 예를 들어 시동 시간을 감소시키고 FCV(12) 가열에 요구되는 연소 서브-시스템으로부터의 황 배출을 제공하지 않는 "인스턴트-온" 기능으로 인해, 시동 중의 방출을 감소시킬 수 있다.
도 4는 하나 이상의 황 화합물을 함유하는 천연 가스 스트림의 탈황을 위한 수동 흡착제 베드, SCSO 반응기 및 능동 흡착제 베드를 포함하는 연료 전지 시스템을 작동시키기 위한 예시적인 기술을 나타내는 흐름도이다. 예시의 용이함을 위해, 도 4의 예시적인 기술은 도 1에 도시된 연료 전지 시스템(10)의 작동과 관련하여 기술된다. 그러나, 이러한 기술은 예를 들어 도 2 및 3의 시스템(30)과 같은 임의의 적합한 연료 전지 시스템, 또는 연료 스트림(예컨대, 천연 가스 스트림)의 탈황을 위한 수동 흡착제 베드 및 SCSO 반응기/능동 흡착제 베드를 모두 포함하는 다른 연료 전지 시스템을 사용하여 이용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 시간 동안, 시스템(10)은 제 1 유로(24)를 따라 탄화수소 연료 스트림(14)을 안내하여 수동 흡착재 베드(24)를 통해 스트림(14)을 공급하고 DNG 스트림(50)으로서 유로(28)를 빠져나가도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, DNG 스트림은 유로(28)를 따라 산화제 스트림과 혼합되고, 가열 모듈(21)을 통해 가열되고, SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)에 공급된 다음, 유로(32)를 따라 FCV(12)에 공급될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 수동 흡착제 베드(16)를 빠져나가는 DNG 스트림은 예를 들어 도 2의 유로(36)를 따라 가열 모듈(21), SCSO 반응기(20) 및/또는 능동 흡착제 베드(22) 중 하나 이상을 통과하지 않는 유로를 따라 안내될 수 있으며, 여기서, 수동 흡착제 베드(16)를 빠져나가는 DNG 스트림은 가열 모듈(21), SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)를 통과하지 않고 FCV(12) 및/또는 다른 공정(들)(42)에 공급된다. 일부 예들에서, 실질적으로 모든 탄화수소 연료 스트림(14)(예를 들어, 모두)은 제 1 시간 동안 제 2 유로(26)를 따르기보다는 제 1 유로(24)를 따라 수동 흡착제 베드(16)에 공급될 수 있다.
제 2 시간 동안(예를 들어, 도 4에 따른 제 1 시간 이후), 시스템(10)은 수동 흡착제 베드(16)에 공급되기보다는 제 2 유로(26)를 따라 탄화수소 연료 스트림(14)(예를 들어, 연료 스트림(14)의 전부 또는 실질적으로 모두)을 안내하도록 구성될 수 있다. 제 1 유로(24)와 제 2 유로(26) 사이의 연료 스트림(14)의 방향은 3-방향 밸브 또는 다른 적절한 메카니즘을 사용하여 달성될 수 있다. 제 2 유로(26)를 따라 안내되는 탄화수소 연료 스트림(14)은 산화제 스트림(18)과 혼합되고, SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)에 공급된 다음, 유로(32)를 따라 FCV(12)에 공급될 수 있다. 일부 예들에서, 산화제/수소 연료 스트림 혼합물은 가열 모듈(21)을 통해 가열될 수 있는 반면, 다른 것들에서는 상기 스트림이 가열되지 않을 수 있다. 일부 예들에서, 실질적으로 모든 탄화수소 연료 스트림(14)(예를 들어, 모두)은 제 2 시간 동안 제 2 유로(26)를 따르기보다는 제 1 유로(24)를 따라 수동 흡착제 베드(16)에 공급될 수 있다.
도 4의 예시적인 공정과 같은 일부 예들에서, 연료 스트림의 유량은 FCV(12)로부터의 요구에 의해 제어되지만, 연료 스트림(14)의 유로(예를 들어, 제 1 유로(24) 대 제 2 유로(26))는 능동 흡착제 베드(22)의 온도에 의해 제어된다. 능동 흡착제 베드(22)가 약 300℃와 같은 최소 작동 온도에 도달하면, 연료 흐름(14)은 제 1 유로(24)로부터 수동 흡착제 베드(16)를 우회하기 위해 제 2 유로(26)로 안내될 수 있다.
일부 예들에서, 제 1 시간은 시스템(10)에 대한 시동 시간일 수 있으며, 이때 수동 흡착제 베드(16)는 수소 연료 스트림(14)을 탈황시키는 데 사용되는 한편, SCSO 반응기(20) 및/또는 능동 흡착제 베드(22)는 작동 온도까지 가열된다. 이러한 예에서, 도 4의 제 2 시간은 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)가 제 1 시간 이후의 작동 온도 이상인 경우에 상응한다. 제 2 시간 동안, 탄화수소 연료 스트림(14)은 유로(24)보다는 유로(26)를 따라 안내되어 탄화수소 연료 스트림(14)이 수동 흡착제 베드(16)를 통해 공급되지 않도록 한다.
일부 예들에서, 시스템(10)은 능동 흡착제 베드(22)가 예를 들어 제 1 시간 동안 2가지 작동 모드로 가열되도록 작동된다. 더 낮은 온도의 가열은 가열 모듈을 사용하여 탄화수소 연료 스트림(14)을 예를 들어 약 150℃와 같은 제 1 온도로 가열하고, 연료 스트림(14)은 SCSO 반응기(20)가 아직 활성화되어 있지 않은 상태에서 제 1 유로(24)를 따라 안내된다. 제 1 가열 모드의 목적은 능동 흡착제 베드 출구에서 능동 흡착제 베드(22)의 온도를 임계 온도 예를 들어 약 55℃ 이상으로 상승시켜 SCSO를 활성화시킨 후 생성되는 스팀의 응축을 피하는 것이다. 스팀은 SCSO 반응의 부산물이고 전형적으로 생성물 가스에서 약 55℃의 이슬점(dew point) 온도를 산출하는 양으로 생성된다. 그러나, 다른 이슬점이 고려된다. 요약하면, 작동 모드 1은 제 1 연료 유로(24)를 사용할 수 있는 반면, 가열 모듈(21)은 연료 스트림을 제 1 온도 예컨대 약 150℃로 가열한다. 시스템(10)은 능동 흡착제 베드의 출구 온도가 능동 흡착제 베드(22)를 빠져나가는 흐름의 이슬점 온도 이상 예를 들어 약 55℃ 이상에 도달할 때까지 작동 모드 1에서 계속 작동한다.
이어서, 시스템(10)은 작동 모드 2에서 작동할 수 있다. 작동 모드 2는 SCSO 반응기(20)를 활성화시켜 능동 흡착제 베드(22)를 필요한 작동 온도로 가열함으로써 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)로 수용된 연료 흐름을 효과적으로 탈황시킨다. 따라서, 작동 모드 2 동안, 연료 흐름(14)은 제 1 유로(24)를 따라 여전히 안내되어 수동 흡착제 베드(24)에 의해 탈황되어 정상적인 연료 전지 작동 중에 능동 흡착제 베드(22)의 가열을 허용한다. SCSO 반응기(20)를 활성화시키기 위한 두 가지 요건이 있을 수 있다. 먼저, 능동 흡착제 베드(22)는 작동 온도 이상 예를 들어 약 225℃ 초과이고, 둘째, 탄화수소 연료 스트림(14)에 대한 발전 플랜트의 요구량은 SCSO 반응기(20)의 효과적인 활성화를 달성하기에 충분하다. 연료 전지 발전 플랜트의 가열의 특정 단계에서, SCSO 반응기(20)의 활성화를 효과적으로 제어하기에 불충분한 흐름이 있을 수 있다. 따라서, 활성화하기 전에, 시스템(10)(도시되지 않음)의 제어 시스템은 충분한 흐름이 존재하는지를 확인해야 한다.
이어서, 시스템(10)은 작동 모드 3에서 작동할 수 있다. 작동 모드 3에서, 시스템(10)은 능동 흡착제 베드 출구 온도가 작동 온도 이상 예를 들어 약 225℃ 초과인 경우 탄화수소 연료 흐름(14)을 제 2 연료 유로(26)를 따라 안내한다. 예를 들어, 능동 흡착제 베드(22)가 수소 연료 스트림(14)을 효과적으로 탈황시킬 수 있기 때문에, 제어 시스템은 3-방향 밸브에 에너지를 가함으로써 제 1 유로(24)보다는 제 2 유로(26)를 따라 연료 흐름(14)을 안내하여 수동 흡착제 베드(16)를 우회할 수 있다.
본원에 기술된 바와 같이, 작동 공정의 또 다른 구현예는 시스템(10)이, 예를 들어 시동 후, 작동하는 동안 탄화수소 연료 스트림(14)의 탈황을 위해 수동 흡착제 베드(16)를 사용하는 것으로 다시 전환될 수 있는 시스템(10)의 능력이다. 예를 들어, SCSO 반응기(20)가 SCSO 반응기(20) 로의 공기 흐름의 종료를 야기하는 작동 불능을 겪는 경우, FCV(12)에 공급되는 DNG의 갑작스런 정지는 연료 전지 발전 플랜트의 긴급 정지를 일으켜 연료 전지를 심각한 작동 온도 전이 상태로 전환시켜 연료 전지의 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 그러나, 능동 탈황 시스템이 고장났을 경우에 수동으로 탈황된 연료를 이용할 수 있게 되면, 설비는 정상적인 냉각을 사용하여 정지될 수 있으며, 예를 들어 이 시간 동안에는 DNG가 SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제 베드(22)가 아닌 수동 흡착제 베드(16)를 통해 공급된다. 추가로 또는 대안적으로, 수동 흡착제 베드(16)는 시스템(10)의 작동 중에 주기적으로 사용되어, 시스템(10)을 정지시키지 않고, 예를 들어 SCSO 반응기(20) 및/또는 능동 흡착제(22)의 정비 동안, SCSO 반응기(20) 및 능동 흡착제(22)보다는 FCV(12)에 DNG를 공급할 수 있다.
임의의 적합한 제어 시스템은 본원에 기술된 방식으로 시스템(10) 또는 임의의 다른 적절한 연료 전지 시스템의 작동을 제어하는 데 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 적절한 온도 센서 및/또는 유동 센서를 사용하여 연료 전지 시스템의 작동이 본원에 기재된 바와 같이 작동하도록 허용할 수 있다. 제어 시스템은 본원에 기재된 예시적인 공정들을 제어하기 위해 제어 모듈을 사용할 수 있다. 일부 예들에서, 제어 모듈은 수신 및/또는 저장된 데이터에 응답하여 명령 신호를 실행 및/또는 출력할 수 있는 마이크로프로세서 또는 다중 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 제어 모듈은 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 주문형 집적 회로(ASIC), 현장 프로그램가능한 게이트 어레이(FPGA), 또는 임의의 다른 등가의 집적 또는 이산(discrete) 논리 회로뿐만 아니라 이들 구성요소들의 임의의 조합을 포함하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. "프로세서" 또는 "프로세싱 회로"라는 용어는 일반적으로 전술한 논리 회로 중 임의의 것을 단독으로 또는 다른 논리 회로 또는 임의의 다른 등가 회로와 조합한 것을 지칭할 수 있다. 제어 모듈은 판독-전용 메모리(ROM), 랜덤-액세스 메모리(RAM) 및/또는 플래시 메모리와 같은 컴퓨터-판독가능한 스토리지, 또는 애플리케이션을 실행하고, 시스템(10), 시스템(30) 또는 다른 적절한 시스템과 관련된 동작을 제어하기 위한 데이터를 처리하기 위한 임의의 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. 따라서, 일부 예들에서, 제어기 모듈은 하나 이상의 메모리, 저장 장치 및/또는 마이크로프로세서 내에 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어로서 저장된 명령 및/또는 데이터를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제어기는 마이크로제어기 상에서 실행되는 컴퓨터-보조 제조(CAM) 소프트웨어 패키지를 사용하여 프린트 헤드(66)를 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예가 기술되었다. 이들 및 다른 구현예들은 하기 청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (24)

  1. 연료 전지 시스템으로서,
    황 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 스트림;
    상기 탄화수소 연료 스트림으로부터 상기 황 화합물을 제거하여 제 1 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 선택적 황 흡착제를 포함하는 수동 흡착제 베드(passive sorbent bed)로서, 이때 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 제 1 유로를 따라 상기 수동 흡착제 베드를 통과하고 제 2 유로를 따라 상기 수동 흡착제 베드를 통과하지 못하도록 구성되고, 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로 중 적어도 하나를 따라 선택적으로 안내되도록 구성된, 수동 흡착제 베드;
    산화제 스트림으로서, 이때 상기 시스템은 상기 산화제 스트림이 상기 제 2 유로로부터의 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 유로로부터의 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나와 혼합되도록 구성된, 산화제 스트림;
    상기 혼합된 산화제, 및 상기 탄화수소 연료 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나를 약 150℃ 초과의 온도로 가열하도록 구성된 가열 모듈;
    적어도 하나의 황 산화 촉매를 포함하는 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기로서, 이때 상기 선택적 촉매적 황 산화 반응기는 상기 산화제 스트림과 상기 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 연료 스트림 중 적어도 하나의 가열된 혼합물을 수용하여 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매와 접촉하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매는 상기 수용된 스트림에서 적어도 하나의 황-함유 화합물을 산화시켜 황 산화물을 포함하는 SCSO 유출물 스트림을 형성하도록 구성된, 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기;
    황 산화물 흡착제를 포함하는 능동 흡착제 베드(active sorbent bed)로서, 이때 상기 능동 흡착제 베드는 상기 SCSO 반응기로부터 상기 SCSO 유출물 스트림을 수용하고 상기 황 산화물 흡착제를 통해 상기 황 산화물의 적어도 일부를 제거하여 제 2 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성된, 능동 흡착제 베드; 및 적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지로서, 이때 상기 고체 산화물 연료 전지는 연료 공급원으로서 상기 제 2 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성된, 고체 산화물 연료 전지를
    포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 제 1 유로로부터의 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 제 1 부분이 상기 SCSO 반응기를 통해 흐르지 않도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탈황 탄화수소 스트림의 제 1 부분은 상기 고체 산화물 연료 전지를 통과하지 않는, 연료 전지 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 탈황 탄화수소 스트림의 제 1 부분은 상기 고체 산화물 연료 전지에 연료 공급원으로서 공급되는, 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림의 실질적으로 전부가 상기 제 2 유로를 따라 안내되어 상기 탄화수소 연료 스트림의 실질적으로 전부가, 상기 SCSO가 임계 작동 온도에 도달하는 경우에, 상기 수동 흡착제 베드를 통과하지 않도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 일부는 상기 고체 산화물 연료 전지를 통과하지 않는, 연료 전지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화수소 연료 스트림은 천연 가스를 포함하고, 상기 천연 가스는 상기 황 화합물을 포함하는, 연료 전지 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화제 입력은 공기를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 흡착제 베드는 황 산화물 흡착제의 제 1 층 및 황 산화물 흡착제의 제 2 층을 포함하고, 상기 제 2 층은 상기 흡착제 베드 내의 상기 제 1 층의 하류에 위치하고, 상기 제 1 층은 삼산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하고, 상기 제 2 층은 이산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 흡착제 베드는 황 산화물 흡착제의 제 3 층 및 상기 제 1 및 제 2 층의 하류에 위치한 황 산화물 흡착제의 제 4 층을 포함하고, 상기 제 4 층은 상기 흡착제 베드 내의 상기 제 3 층의 하류에 위치하고, 상기 제 3 층은 삼산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하고, 상기 제 4 층은 이산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하는, 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 모듈은 상기 혼합된 산화제, 및 상기 탄화수소 연료 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나를 약 250℃ 내지 약 350℃의 온도로 가열하도록 구성된, 연료 전지 시스템.
  12. 연료 전지 시스템의 작동 방법으로서,
    상기 연료 전지 시스템은,
    황 화합물을 포함하는 탄화수소 연료 스트림;
    상기 탄화수소 연료 스트림으로부터 상기 황 화합물을 제거하여 제 1 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 선택적 황 흡착제를 포함하는 수동 흡착제 베드로서, 이때 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 제 1 유로를 따라 상기 수동 흡착제 베드를 통과하고 제 2 유로를 따라 상기 수동 흡착제 베드를 통과하지 못하도록 구성되고, 상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림이 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로 중 적어도 하나를 따라 선택적으로 안내되도록 구성된, 수동 흡착제 베드;
    산화제 스트림으로서, 이때 상기 시스템은 상기 산화제 스트림이 상기 제 2 유로로부터의 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 유로로부터의 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나와 혼합되도록 구성된, 산화제 스트림;
    상기 혼합된 산화제, 및 상기 탄화수소 연료 및 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나를 약 150℃ 초과의 온도로 가열하도록 구성된 가열 모듈;
    적어도 하나의 황 산화 촉매를 포함하는 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기로서, 이때 상기 선택적 촉매적 황 산화 반응기는 상기 산화제 스트림과 상기 탄화수소 연료 스트림 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 연료 스트림 중 적어도 하나의 가열된 혼합물을 수용하여 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매와 접촉하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 황 산화 촉매는 상기 수용된 스트림에서 적어도 하나의 황-함유 화합물을 산화시켜 황 산화물을 포함하는 SCSO 유출물 스트림을 형성하도록 구성된, 선택적 촉매적 황 산화(SCSO) 반응기;
    황 산화물 흡착제를 포함하는 능동 흡착제 베드로서, 이때 상기 능동 흡착제 베드는 상기 SCSO 반응기로부터 상기 SCSO 유출물 스트림을 수용하고 상기 황 산화물 흡착제를 통해 상기 황 산화물의 적어도 일부를 제거하여 제 2 탈황 탄화수소 스트림을 형성하도록 구성된, 능동 흡착제 베드; 및
    적어도 하나의 전기화학 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지로서, 이때 상기 고체 산화물 연료 전지는 연료 공급원으로서 상기 제 2 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성된, 고체 산화물 연료 전지를 포함하고,
    상기 방법은,
    제 1 시간 동안 상기 탄화수소 연료 스트림을 상기 제 1 유로를 따라 안내하는 단계; 및
    상기 제 1 시간과 상이한 제 2 시간 동안 상기 탄화수소 연료 스트림을 상기 제 2 유로를 따라 안내하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 제 1 유로로부터의 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 제 1 부분이 제 1 시간 동안 상기 SCSO 반응기를 통해 흐르지 않도록 구성된, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 탈황 탄화수소 스트림의 제 1 부분은 상기 고체 산화물 연료 전지를 통과하지 않는, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 탈황 탄화수소 스트림의 제 1 부분은 상기 고체 산화물 연료 전지에 연료 공급원으로서 공급되는, 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 탄화수소 연료 스트림의 실질적으로 전부가 제 2 시간 동안 상기 제 2 유로를 따라 안내되어 상기 탄화수소 연료 스트림의 실질적으로 전부가, 상기 SCSO가 임계 작동 온도에 도달하는 경우에, 상기 수동 흡착제 베드를 통과하지 않도록 구성된, 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 탈황 탄화수소 스트림의 적어도 일부는 상기 고체 산화물 연료 전지를 통과하지 않는, 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 탄화수소 연료 스트림은 천연 가스를 포함하고, 상기 천연 가스는 상기 황 화합물을 포함하는, 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 산화제 입력은 공기를 포함하는, 방법.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 능동 흡착제 베드는 황 산화물 흡착제의 제 1 층 및 황 산화물 흡착제의 제 2 층을 포함하고, 상기 제 2 층은 상기 흡착제 베드 내의 상기 제 1 층의 하류에 위치하고, 상기 제 1 층은 삼산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하고, 상기 제 2 층은 이산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하는, 방법.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 능동 흡착제 베드는 황 산화물 흡착제의 제 3 층 및 상기 제 1 및 제 2 층의 하류에 위치한 황 산화물 흡착제의 제 4 층을 포함하고, 상기 제 4 층은 상기 흡착제 베드 내의 상기 제 3 층의 하류에 위치하고, 상기 제 3 층은 삼산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하고, 상기 제 4 층은 이산화황에 대해 우선적인 친화성을 갖는 황 산화물 흡착제를 포함하는, 방법.
  22. 제 12 항에 있어서,
    상기 가열 모듈은 상기 혼합된 산화제, 및 상기 탄화수소 연료 또는 상기 제 1 탈황 탄화수소 스트림 중 적어도 하나를 약 250℃ 내지 약 350℃의 온도로 가열하도록 구성된, 방법.
  23. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 시간은 상기 제 2 시간 전인, 방법.
  24. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 시간은 상기 제 1 시간 전인, 방법.

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