燃料電池システムにおける酸化脱硫に使用するための酸化マンガン含有材料

 

燃料電池システムに供給される燃料を脱硫するための脱硫材料であって、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能な脱硫材料。上記脱硫材料は、燃料電池システムの一部として使用される脱硫器アセンブリにおいて使用される。
【選択図】図1

 

 

本発明は燃料電池に関し、特に、燃料電池システムにおける酸化マンガン含有材料を用いた燃料の脱硫に関する。
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄えられた化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電したイオンを伝導する役割を果たす電解液によって隔てられたアノードとカソードとを備える。溶融炭酸塩型燃料電池は、反応燃料ガスがアノードを通過することにより稼働し、これに対し、酸化性ガスはカソードを通過する。有用な電力レベルをもたらすために、個々の燃料電池の多くは、各セルの間に導電性セパレータプレートを連続して積み重ねられている。
現在の燃料電池技術は、天然ガス、プロパン、嫌気性消化ガス、石油系の液体または石炭などの、炭化水素含有供給原料から改質プロセスを通じて生成できる水素あるいは水素と一酸化炭素の混合物から構成されるクリーンな燃料ガスを必要とする。炭化水素含有供給原料の多くは、改質触媒及びアノード触媒の活性低下を引き起こし、燃料電池のアノード及び改質触媒の性能を顕著に低下させることが知られている硫黄を含む。従って、改質プロセスに先立って、燃料ガスが燃料電池に入る前に硫黄及び硫黄含有化合物を10億分の1のレベルまで燃料ガスから除去しなければならない。
一般に使用される炭化水素含有供給原料に加えて、廃水処理、農業廃棄物、食品加工廃棄物、埋立地ガス等から生産されるバイオガスが、現在の北米における天然ガスの利用のうちのかなりの量(10〜15%)に取って代わる可能性がある。効率が高く、CO2及びNOXの排出が少ないために、発電にバイオガスを使用することは環境に優しい。しかし、種々のバイオガスは一般に、H2S、シロキサン及び有機硫黄化合物を含む、不純物を含有し、上記不純物はバイオガスの利用を制限し、特に、不純物に関しての要求が厳しい燃料電池の利用におけるバイオガスの使用を制限する。バイオガスの浄化に関する現在の技術には、内燃機関またはマイクロタービン用のバイオガスからのH2S及びシロキサンの除去が含まれるが、燃料電池用途に必要とされる低分子有機硫黄化合物の除去は含まれない。バイオガス中の含水率が高いため、燃料電池用途で天然ガスに対して一般に使用される調整技術及び調整手段は、バイオガスの使用には適切ではない。
さらに、一部の場合において、石炭層源由来の天然ガス及びメタンガスは、含有水分レベルが高く、また、除去が困難な硫黄化合物も含む可能性がある。バイオガスと同様に、従来の調整技術及び調整手段は、水で飽和した、除去が困難な硫黄化合物を含む天然ガス及びメタンの使用には適切ではない。
通常、バイオガスを使用する燃料電池用途では、プロセスガスの生産が不十分である場合または生産の中断に備えて、二元燃料オプションあるいは乾性天然ガスとバイオガスの混合が採用されている。しかし、このような二元燃料オプションまたは混合オプションは、天然ガス浄化処理システムを別途必要とし、上記システムは、追加の空間及び費用を必要とする。
本発明の目的は、燃料ガス中の含水率及び不純物に関係なく燃料ガスから有機硫黄化合物を効率よく除去できる脱硫材料及び脱硫システムを提供することである。本発明の別の目的は、異なる種類及び異なる濃度の硫黄化合物を有する異なる種類の燃料を処理できるように、ならびに乾性燃料ガスの浄化処理と湿性ガスの浄化処理とを組み合わせることを可能とするように燃料の面で柔軟性のある(fuel flexible)脱硫システムを提供することである。
本発明のこれらの目的及び他の目的は、燃料電池システムに供給される燃料を脱硫するための脱硫材料において実現され、上記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含む。上記脱硫材料は水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することができる。酸化マンガン材料のOMS構造は、OMS−1及びOMS−2のうちの一方であり、ここでOMS−1は3×3のトンネル構造を有し、そのトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、そのトンネルのサイズは約4.9Åである。酸化マンガン材料は混合原子価を有し、酸化マンガン材料のOMS構造中のMnの酸化状態は+3〜+4である。一部の実施形態において、酸化マンガン材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされている。上記1種以上のドーピング金属の量は、脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、上記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む。例えば、ドーピングされた酸化マンガン材料は、Cu−OMS−2、Co−OMS−2及びFe−OMS−2のうちの1つである。一部の実施形態において、酸化マンガン材料は、脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされている。
また、燃料電池システムにおいて使用するための燃料を脱硫するための、1つ以上の脱硫層を含む脱硫器アセンブリも開示される。上記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つは、上述の脱硫材料を含む。ある実施形態において、脱硫器アセンブリは、第1の脱硫層と第2の脱硫層とを含む、複数の脱硫層を含む。第1の脱硫層及び第2の脱硫層は同一の脱硫材料を含むか、または異なる脱硫材料を含む。
また、アノード面及びカソード面を含む燃料電池スタックと上述の脱硫器アセンブリとを備える燃料電池システムも開示される。一部の実施形態において、燃料電池システムは、脱硫器アセンブリに燃料が供給される前に燃料を浄化するための燃料浄化アセンブリを備え、上記燃料浄化アセンブリは、燃料からH2Sを除去するためのH2S除去ユニット、燃料から水分を除去するための水分調整ユニット及び燃料からシロキサンを除去するためのシロキサン除去ユニットのうちの1つ以上を備える。ある実施形態において、燃料電池システムは、バイオガス燃料を燃料浄化アセンブリに供給するバイオガス消化槽(biogas digester)の予熱及び脱硫器アセンブリから排出される脱硫された燃料の予熱のうちの少なくとも1つのための加熱アセンブリも備える。加熱アセンブリは、アノード排気及びカソード排気のうちの一方を用いて燃料を予熱し、加熱アセンブリはさらに、水を受け取るように、及び、受け取った水を用いて脱硫された燃料を加湿するように構成される。
燃料の面での柔軟性(fuel flexibility)を付与するために、一部の実施形態における燃料電池システムは、異なる組成の2種以上の燃料で稼働するように構成される。このような実施形態において、燃料電池システムは、第1の燃料を燃料浄化アセンブリに供給するための第1の燃料供給アセンブリと、第1の燃料とは異なる組成の第2の燃料を脱硫器アセンブリに供給するための第2の燃料供給アセンブリとをさらに備え、ここで、第2の燃料は、燃料浄化アセンブリを通じては供給されない。この燃料電池システムにおいて、第1の燃料を燃料浄化アセンブリに供給するバイオガス消化槽を予熱するために、加熱アセンブリが供される。一部の実施形態において、燃料電池システムは、(a)それぞれ第1の供給アセンブリ及び第2の供給アセンブリ中での第1の燃料及び第2の燃料の流速、及び(b)脱硫器アセンブリ内の1つ以上の脱硫層中での第1の燃料及び第2の燃料のフロー、のうちの1つ以上を制御するための制御アセンブリをさらに備える。ある実施形態において、燃料電池システムは溶融炭酸塩型燃料電池システムであるが、他の実施形態において、燃料電池システムは、PEM、SOFCまたは他の種類の燃料電池システムである。
また、燃料電池システムにおいて使用するための1種以上の燃料を脱硫するための脱硫方法も開示される。上記脱硫方法において、酸化プロセスならびに触媒による酸化脱硫プロセスのうちの一方によって硫黄含有化合物の除去がおこなわれる。
本発明の上述の特徴及び態様ならびに他の特徴及び態様は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を閲覧することで、より明らかとなるであろう。
OMS材料の様々な構造を示す。 従来の吸着剤のDMS処理能力を本発明のOMS脱硫材料のDMS処理能力と比較した棒グラフを示す。 OMS−2脱硫材料のDMS処理能力と比較して、従来のゼオライトのDMS処理能力に対する燃料中の含水率の影響を示すグラフを示す。 バイオガス処理を利用する燃料電池システムを示す。 バイオガス及び天然ガスの使用のための燃料の面で柔軟性のある浄化を含む燃料電池システムを示す。
本発明は、様々な燃料ガスから硫黄含有化合物を除去するための脱硫材料であって、湿性燃料ガス及び乾性燃料ガスの両方の使用に適切な脱硫材料を目的とする。また、本発明は、含水率の高い燃料を洗練及び脱硫することが可能であり、燃料処理系列を別途必要とすることなく、乾性燃料及び湿性燃料を含む、二元ガスの処理が可能である燃料洗練脱硫アセンブリを備える燃料電池システムも目的とする。
本発明によれば、脱硫材料は八面体型分子ふるい(OMS)を含み、特にOMS構造を有する、ドーピングされていない酸化マンガン含有材料及びドーピングされた酸化マンガン含有材料を含む。OMS構造中のMnの酸化状態は通常、+3〜+4である。図1は、Na+/Rb+、K+及びMg+などの構造指向剤(structure director)によって制御されるOMS材料のトンネルのサイズと共に、異なる型のOMS構造を示す。本発明において、酸化マンガンOMS脱硫材料は、トンネルのサイズが約6.9Åであり3×3のトンネル構造を有するOMS−1及びトンネルのサイズが約4.9Åであり2×2のトンネル構造を有するOMS−2のうちの一方である。あるいは、マンガン脱硫材料はアモルファス構造を有し、そのMnの酸化状態は+3〜+4である。
酸化マンガンOMS脱硫材料は、混合原子価特性を有し、表面積が大きく、且つ、安定性が高く、これらの点が酸化マンガンOMS材料をMnO2及び過マンガン酸塩とは異なったものとしている。酸化マンガンOMS脱硫材料の混合原子価は、これらの材料の特性の改質を可能にする酸化−還元及びイオン交換能のための優れた機構をもたらす。さらに、酸化マンガンOMS脱硫材料は、脱硫される燃料中の水分に耐性であり、そのため、燃料中に存在する水分の有無によらず燃料を脱硫することが可能である。
上述のように、酸化マンガンOMS脱硫材料はドーピングされていなくてよく、またはドーピングされていてよい。ある実施形態において、酸化マンガンOMS脱硫材料は、結晶構造の骨格中に1種以上の遷移金属を用いることにより、あるいは、イオン交換によってOMS構造のトンネル内に遷移金属または非遷移金属を挿入することにより、ドーピングされている。例えば、Fe、Cu、Ag、Mg、及びCo等などの、大部分のカチオンが、酸化マンガンOMS脱硫材料をドーピングするためのドーピング材料として使用されてよい。ドーピング遷移金属は一般に、酸化マンガンOMS脱硫材料の硫黄処理能力を改善し、脱硫材料の総金属含有量の0〜50%(モル)の量で添加することができる。ドーピングされた酸化マンガンOMS脱硫材料の実例としては、限定されるものではないが、Cu−OMS−2、Co−OMS−2及びFe−OMS−2が挙げられる。他の実施形態において、酸化マンガンOMS脱硫材料をドーピングするために、遷移金属、アルカリ金属、及びアルカリ土類金属を含む、複数の金属種が使用されてよい。例えば、酸化マンガン脱硫材料をドーピングするために、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの少なくとも1つを含む、2種の異なる金属が使用されてよく、ここで第1のドーピング金属の量は脱硫材料の総金属含有量の約0〜50%(モル)であり、第2のドーピング金属の量は脱硫材料の総金属含有量の約0〜25%(モル)である。2種以上の金属でドーピングされた酸化マンガンOMS脱硫材料の実例としては、限定されるものではないが、K、Mg、Fe、Co、Ag、Cu、Zn、Ni及びこれらの混合物でドーピングされた酸化マンガンOMS材料が挙げられる。
本発明の酸化マンガンOMS脱硫材料は、天然ガス、嫌気性消化ガス(ADG)などのバイオガス、及び他の種類の燃料を含む、様々な燃料から硫黄を除去するために使用される。酸化マンガンOMS脱硫材料の耐湿性によって、含水率の高い燃料ならびに含水率の低い燃料の脱硫に酸化マンガンOMS脱硫材料を使用することが可能となる。一般に、酸化マンガンOMS脱硫材料は、酸化及び/または触媒による酸化脱硫によって燃料から硫黄含有化合物を除去し、有機硫黄化合物及びH2Sに対して有効である。種々の燃料の脱硫のために使用されることに加えて、これらの酸化マンガンOMS脱硫材料は、バイオガスから大部分のH2Sが除去された後に、バイオガスのための洗練媒体として使用され得る。
種々のドーピングされたOMS脱硫材料及びドーピングされていないOMS脱硫材料を、燃料からジメチルスルフィド(DMS)を除去するそれらの能力について試験し、様々な市販の脱硫剤と比較した。試験は周囲条件でおこなわれ、試験される脱硫材料を通じて供給される燃料は、70%のメタン及び30%のCO2を含んだ。燃料中の含水量は3000ppm、燃料中のDMS含有量は16ppmであり、ガスの空間速度(gas hourly space velocity)(GHSV)は全ての試験中において6600h-1であった。表1に試験結果をまとめ、図2に市販の脱硫剤/吸着剤と本発明のOMS脱硫材料との間でのDMS処理能力の比較を示す。図2では、試験された媒体または吸着剤がX軸に示され、Y軸はDMS処理能力(S %wt)を表す。

図2及び表1から分かるように、本発明のOMS−1脱硫材料、OMS−2脱硫材料及びドーピングされたOMS−2脱硫材料のDMS除去についての処理能力は、MnO2、活性炭、Cuでドーピングされた活性炭及びドーピングされたゼオライトなどの、従来使用される吸着剤のDMS処理能力よりも実質的に高い。特に、Feでドーピングされた酸化マンガンOMS−2脱硫材料のDMS処理能力は、最良の従来使用される製品であるKMnO4/ゼオライトの処理能力の6倍である。種々の酸化マンガンOMS脱硫材料の硫黄処理能力を周囲温度で試験したが、これらの材料の硫黄処理能力は高温で高くなる。従って、本発明の酸化マンガンOMS脱硫材料は、周囲条件ならびに高温で稼働する脱硫器において使用できる。さらに、種々の酸化マンガンOMS脱硫材料の処理能力をDMSに関して試験したが、これらの材料は、他の有機硫黄化合物及びH2Sの除去についても同様の処理能力またはより高い処理能力で機能する。
処理能力が高いことに加えて、酸化マンガンOMS脱硫材料は、従来使用される製品よりも耐湿性が実質的に高い。天然ガスの使用に最良であるDMS吸着剤であるCu−ゼオライトを含む、ほぼ全ての従来使用される製品が水分によって深刻な影響を受けた。対照的に、FeでドーピングされたOMS−2材料は、燃料中の含水率によって僅かに影響を受けたに過ぎず、従って、バイオガスの脱硫に必要な耐湿性をもたらした。図3は、従来のゼオライト及び酸化マンガンOMS−2脱硫材料の硫黄処理能力に対する燃料中の水分の影響を示すグラフである。図3では、X軸が周囲温度での燃料の相対湿度を表し、Y軸は脱硫材料の硫黄処理能力を表す。図3に見られるように、燃料の相対湿度が増加するにつれて、従来のゼオライトの硫黄除去能力は実質的に低下する。例えば、乾性ガス(含水率<200ppm)の脱硫に使用される従来のゼオライトの硫黄除去能力は約1.2%S(wt)であるが、相対湿度10%において、その硫黄除去能力は約0.1まで低下し、相対湿度が30%以上まで増加するとほぼ0までさらに低下する。対照的に、OMS−2材料の硫黄除去能力は、燃料中の水分の増加によって僅かに影響を受けたに過ぎず、乾性ガスを脱硫する場合、1.4%S(wt)から、相対湿度70において約0.9%S(wt)まで低下した。上述の通り、酸化マンガンOMS脱硫材料の耐湿性が実質的により高いことによって、加湿された天然ガス及びバイオガス燃料などの、含水率の高い燃料の脱硫に酸化マンガンOMS脱硫材料を使用することが可能となり、酸化マンガンOMS脱硫材料を二元燃料システムと共に使用することが可能となる。図4及び図5は、天然ガス及び/またはバイオガス燃料の脱硫のために酸化マンガンOMS脱硫材料を使用する燃料電池システムを示す。
図4は、バイオガス処理を利用する燃料電池システムを示し、上記システムは、乾性天然ガス、加湿された天然ガス、及び他の燃料を含む他の燃料と共に使用されてもよい。図4に示されるように、燃料電池システム100は、通常はアノード面112及びカソード面114を有する燃料電池スタックの形態の燃料電池110と、熱回収ユニット/加湿器アセンブリ118と、予備改質ユニット(pre-reforming unit)120及び一部の実施形態においては脱酸素ユニット122を含む前処理アセンブリ116と、バイオガス大量浄化アセンブリ(biogas bulky cleanup assembly)126と、燃料脱硫器(洗練)アセンブリ124と、を備える。また、図4の燃料電池システムは、アノード排気を空気で酸化し、燃料電池110のカソード面114に酸化性ガスを排出するための酸化器アセンブリ128も備える。
図4に示されるように、燃料電池システム100は、燃料ガス(バイオガス/ADGガスなど)を供給され、上記燃料ガスは、この例示的実施形態においては、バイオガス消化槽からバイオガス大量浄化アセンブリ126に供給される。バイオガス消化槽において、有機材料は酵素によって消化され、メタンバイオガス燃料を産生及び排出する。良好なバイオガス生産を達成するために、消化槽中の温度は、37〜40℃に維持される必要があり、従って、消化槽は、この温度を維持するために熱を必要とする。図4の例示的実施形態に示されるように、燃料電池の排気からの廃熱を、バイオガス消化槽に必要とされる熱の供給のために使用することができる。370℃の廃熱は、消化槽中の温度を最適なレベルに維持するのに適切である。
他のバイオガス燃料、湿性及び/または乾性天然ガス、石炭層メタン等などの他の燃料が燃料電池システム100によって使用されてよいこと、ならびに、ある実施形態においては、特定の燃料ガスの必要性に応じて、バイオガス大量浄化アセンブリ126が省略されるか、または燃料がバイオガス大量浄化アセンブリ126をバイパスしてよいことが理解される。さらに、システム100によって使用される燃料に応じて、大量浄化アセンブリ及び/または脱硫器に燃料を供給するために、別の適切な燃料供給がバイオガス消化槽の代わりに使用されてよい。燃料を大量浄化アセンブリ126または脱硫器124に供給する前に燃料を予熱するために、必要であれば、燃料電池からの廃熱が供給されてよい。
図4に示される例示的なバイオガス大量浄化アセンブリ126は、バイオガス燃料からH2Sを除去するためのH2S脱硫ユニット126aと、バイオガス燃料から水分の少なくとも一部を除去するための水分調整ユニット126bと、バイオガス燃料からシロキサンを除去するためのシロキサン除去ユニット126cと、を備える。H2S脱硫ユニット126aは、バイオガス燃料がそれを通じて供給される際に燃料からH2Sを除去するための脱硫材料を含む。H2S脱硫ユニット中の脱硫材料は、好ましくはバイオガス燃料中の水分に耐性であり、限定されるものではないが、鉄スポンジ、Sulfatreat、またはバイオガス燃料からH2Sを除去できる任意の媒体のうちの1つ以上を含んでよい。水分調整ユニット126bは、バイオガスから水分を除去するために圧縮及び冷却器を含む。シロキサン除去ユニット126cは、活性炭、シリカゲル、またはゼオライトなどの媒体を含む。一部の実施形態において、本発明の酸化マンガンOMS材料は、バイオガス浄化アセンブリ126の後に、洗練媒体として使用されてよい。
バイオガス燃料は、バイオガス浄化アセンブリ126によって浄化された後、バイオガスからの硫黄含有化合物の除去のために、本発明の脱硫器(洗練)アセンブリ124に供給される。脱硫器アセンブリ124は、上述の酸化マンガンOMS脱硫材料を含む少なくとも1つの脱硫層を備える。一部の実施形態において、脱硫器アセンブリは、2つ以上の脱硫層を備えてよく、上記層はそれぞれ、同一の酸化マンガンOMS脱硫材料または異なる酸化マンガンOMS脱硫材料を有する。さらに、2つ以上の脱硫層を備える一部の実施形態において、上記層のうちの少なくとも1つは、酸化マンガンOMS脱硫材料を含むが、上記層の別の1つ以上は、他のOMS材料または非OMS材料を含んでよい。脱硫器アセンブリ124の少なくとも1つの脱硫層はハウジング内に配置され、複数の脱硫層を備える脱硫器アセンブリの実施形態では、層はそれぞれ、異なるハウジング内に配置されてよいか、または2つ以上の層が共通のハウジング内に連続して配置されてよい。他の実施形態において、脱硫器アセンブリ124は、複数の脱硫層を備え、稼働状態の脱硫層と待機状態の脱硫層を切り替えるリードラグ脱硫器アセンブリとして配置されてよい。例示的なリードラグ脱硫器アセンブリの構成は、本願と同一の承継人に承継された米国特許第7,063,732号に開示されている。上述の通り、酸化マンガンOMS脱硫材料は、有機硫黄含有化合物及びH2Sを含む、硫黄含有化合物を燃料から除去し、燃料中に存在する水分に耐性である。
脱硫器アセンブリ124での脱硫後、脱硫されたバイオガス燃料は、カソード排気及び/または酸化器からの廃熱を用いて上記バイオガス燃料が予熱される熱回収ユニット118を通じて供給される。また、熱回収ユニット118は加湿器としても機能し、脱硫されたバイオガス燃料を加湿するための水を受け取る。その後、予熱及び加湿されたバイオガス燃料は、バイオガス中の酸素を除去するために脱酸素器122においてバイオガス燃料が脱酸素され、予備改質ユニット120においてバイオガス燃料が少なくとも部分的に改質されてよい前処理アセンブリ116に供給される。その後、バイオガス燃料は、燃料電池110のアノード面112に供給される。
図4に示されるように、アノード排気は酸化器128内で空気と共に燃焼され、上記酸化器128は、加熱された酸化剤ガスを燃料電池110のカソード面114に排出する。その後、カソード排気は、カソード排気から廃熱を回収するために熱回収ユニット118に供給され、バイオガス消化槽を加熱するために上記廃熱を使用することができる。
図4に示されるシステムは、燃料電池110における使用に適切な燃料を供給するために、バイオガス浄化アセンブリ126及び脱硫アセンブリ124を用いて消化燃料及びバイオガス燃料に必要な処理を提供する。バイオガス浄化アセンブリ126及び脱硫アセンブリ124はバイオガス燃料を処理するために使用されると説明されているが、これらのアセンブリは、必要であれば、他の燃料と共に使用されてよい。燃料電池システム200の別の例が図5に示されており、上記例は、消化ガス、バイオ燃料、天然ガス等を含む、様々な燃料のための、燃料の面で柔軟な処理が可能となるよう改変されている。図5に示されるシステム200は、図4のシステムのものと同様の構成要素を備える。
図5に示されるように、燃料電池システム200は、通常はアノード面112及びカソード面114を有する燃料電池スタックの形態の燃料電池110と、熱回収ユニット/加湿器アセンブリ118と、予備改質ユニット120及び一部の実施形態においては脱酸素ユニット122を含む前処理アセンブリ116と、脱硫器アセンブリ124と、バイオガス大量浄化アセンブリ126と、を備える。また、図5の燃料電池システムは、アノード排気を空気で酸化し、燃料電池110のカソード面114に酸化性ガスを排出するための酸化器アセンブリ128も備える。図5において、これらの構成要素の構造及び配置は図4と同様であり、従って、これらの構成要素に同様の参照番号が使用され、それらの詳細な説明は省略する。
図5に示されるように、燃料電池システム200は、第1の流入アセンブリ130及びバイオガス大量浄化アセンブリ126を通じて第1の燃料(例えば、バイオガス)を供給されるように適合している。第1の燃料は、消化燃料ガス(ADG)、他のバイオガス燃料、混合燃料、石炭層メタン燃料または燃料の洗練が必要な他の燃料であってよい。上述の通り、バイオガス燃料は、バイオガス消化槽からバイオガス大量浄化アセンブリ126に供給されてよく、燃料電池の排気からの廃熱が、消化槽内の温度をメタン生産のために最適なレベルに維持するための消化槽の加熱のために使用されてよい。さらに、第1の燃料を予熱する必要がある場合、その際には、第1の燃料がバイオガス大量浄化アセンブリ126及び/または脱硫器アセンブリ124に供給される前に第1の燃料を予熱するために、燃料電池の排気からの廃熱が使用されてよい。示される実施形態において、ならびに図4のシステムにおけるように、熱回収ユニット118から流出するカソード排出燃料からの廃熱がバイオガス消化槽を加熱するために使用される。
図4のシステムにおけるように、図5における例示的なバイオガス大量浄化アセンブリ126は、第1の燃料からH2Sを除去するためのH2S脱硫ユニット126aと、第1の燃料から水分の少なくとも一部を除去するための水分調整ユニット126bと、第1の燃料からシロキサンを除去するためのシロキサン除去ユニット126cと、を備える。バイオガス大量浄化アセンブリ126において第1の燃料が浄化された後、第1の燃料は、第1の燃料から硫黄含有化合物を除去するために本発明の脱硫器アセンブリ124に供給される。上述の通り、脱硫器アセンブリ124は、上述の酸化マンガンOMS脱硫材料を含む少なくとも1つの脱硫層を備え、一部の実施形態においては、脱硫器アセンブリは、同一の脱硫材料または異なる脱硫材料を有する2つ以上の脱硫層を備えてよい。やはり上述の通り、酸化マンガンOMS脱硫材料はドーピングされていてよく、またはドーピングされていなくてよい。
図5に示されるように、システムは、第2の流入アセンブリ132を通じて第2の燃料を受け取るように、ならびに、第2の燃料をバイオガス浄化アセンブリ126に供給することなく脱硫器アセンブリ124に第2の燃料を供給するように適合している。第2の燃料は、第1の燃料とは異なってよく、湿性天然ガスまたは乾性天然ガスあるいは脱硫される前にシロキサンの除去を必要としない任意の他の燃料であってよい。図5に示される実施形態において、第2の流入アセンブリ132は、第1の流入アセンブリ130とは分離しており、第2の燃料を脱硫器アセンブリ124に直接供給する。しかし、他の実施形態において、第2の流入アセンブリ132は、バイオガス浄化アセンブリ126を迂回するバイパスアセンブリの形態であってよく、ここで、バイオガス浄化アセンブリ126を迂回して第2の燃料をバイパスさせるために、ならびに第2の燃料を脱硫器アセンブリ124に直接供給するために、第2の燃料は、第1の流入アセンブリ130を通じて供給され、第2の流入アセンブリ132に供給される。
図5に示される実施形態において、第1の燃料及び第2の燃料を、燃料電池システムの燃料要件に応じて別々に、あるいは同時に、燃料電池システム200に供給することができ、ここで、脱硫器アセンブリ124において脱硫される前に、第1の燃料はバイオガス浄化アセンブリにおける浄化を受け、第2の燃料はバイオガス浄化アセンブリにおける浄化を受けない。一部の実施形態において、所望の混合燃料組成または非混合燃料組成を達成することを目的として、それぞれ第1の流入アセンブリ及び第2の流入アセンブリ中での第1の燃料及び第2の燃料のそれぞれの量または流速を制御するために、それぞれ第1の流入アセンブリ及び第2の流入アセンブリを通じた第1の燃料及び第2の燃料の供給が制御される。第1の流入アセンブリ及び第2の流入アセンブリのそれぞれにおける、フロー制御バルブなどの、燃料フロー制御部材と、燃料フロー制御部材を制御するための制御器と、を備える制御アセンブリ(図示しない)が、それぞれ第1の流入アセンブリ及び第2の流入アセンブリを通じた第1の燃料及び第2の燃料の供給を制御するために利用される。制御器は、燃料電池システムの燃料組成要件、燃料の可用性、燃料電池システムに対する負荷、システムの燃料量要件、脱硫器の処理能力及び稼働、ならびに他の因子を含む、様々な因子に基づいて燃料フロー制御部材を制御する。
図5を再度参照するが、脱硫器アセンブリ124は、第1の燃料及び/または第2の燃料をそれぞれ第1の流入アセンブリ及び/または第2の流入アセンブリから受け取り、燃料から硫黄含有化合物を除去する。本明細書において上述したように、脱硫器アセンブリ124は、1つ以上の脱硫層を備える。一部の実施形態において、第1の燃料及び第2の燃料の両方が同一の脱硫層において、同時に、あるいは別々に脱硫される。しかし、他の実施形態において、脱硫器アセンブリ124は、1つ以上の第1の脱硫層と1つ以上の第2の脱硫層とを備え、1つ以上の第1の脱硫層は第1の燃料のみを脱硫するために使用されるが、1つ以上の第2の脱硫層は第2の燃料を脱硫するために使用される。このような実施形態において、1つ以上の第1の脱硫層において使用される脱硫剤は、1つ以上の第2の脱硫層において使用される脱硫剤と同一であってよいか、または異なってよい。この構造により、脱硫器アセンブリによって脱硫される燃料の種類及び組成に対して脱硫層を最適化することが可能となる。さらに他の実施形態において、脱硫器アセンブリは、同一の脱硫剤または異なる脱硫剤を有する複数の脱硫層を備え、第1の燃料及び第2の燃料のそれぞれが、最適な脱硫条件を目的として脱硫器アセンブリの適切な脱硫層を通じて供給されるように、脱硫器アセンブリを通じた第1の燃料及び第2の燃料のフローが制御される。この制御は、第1の燃料及び第2の燃料のそれぞれの組成、第1の燃料及び第2の燃料のそれぞれの流速、脱硫層のそれぞれの組成等を含む、様々な因子に基づいて達成されてよい。上記の制御アセンブリの一部であるか、それとは分離している脱硫器制御アセンブリが、脱硫層を通じた第1の燃料及び第2の燃料のフローを制御するために使用されてよい。このような脱硫器制御アセンブリは、適切な脱硫層を通じた第1の燃料及び第2の燃料のフローを制御するための複数のフロー制御部材と、上述の制御器とは分離した制御器であってよいか、または上述の制御器に実装されてよい、フロー制御部材を制御するための制御器と、を備える。
脱硫器アセンブリ124における脱硫後に、脱硫された第1の燃料及び/または脱硫された第2の燃料を含む、脱硫された燃料は、カソード排気及び/または酸化器からの廃熱を用いて上記脱硫された燃料が予熱される熱回収ユニット118を通じて供給される。また、熱回収ユニット118は加湿器としても機能し、脱硫された燃料を加湿するための水を受け取る。その後、予熱及び加湿された燃料は、脱酸素器122において燃料が脱酸素され、予備改質ユニット120において燃料が少なくとも部分的に改質されてよい前処理アセンブリ116に供給される。その後、燃料は、燃料電池110のアノード面112に供給される。
図5の上述のシステムは、1種類の乾性燃料ガス及び1種類の湿性燃料ガスなどの二元燃料で稼働するシステムと共に使用することができる。例えば、図5のシステムは、パイプライン乾性天然ガス及び湿性バイオガスで稼働するシステムと共に使用されてよい。このように、図5のシステムは、燃料の硫黄化合物含有量、含水率及び他の不純物含有量に関係なく、電力を生成するために使用される燃料の種類に柔軟性を付与する。
全ての場合において、上述の構成は、本発明の用途を表す多くの可能な特定の実施形態を例示するに過ぎないことが理解される。数多くの様々な他の構成を、本発明の精神ならびに範囲から逸脱することなく、本発明の原理に従って容易に考案することができる。
全ての場合において、上述の構成は、本発明の用途を表す多くの可能な特定の実施形態を例示するに過ぎないことが理解される。数多くの様々な他の構成を、本発明の精神ならびに範囲から逸脱することなく、本発明の原理に従って容易に考案することができる。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
1. 燃料電池システムに供給される燃料を脱硫するための脱硫材料であって、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、脱硫材料。
2. 前記酸化マンガン材料のOMS構造はOMS−1及びOMS−2のうちの一方であり、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、上記1に記載の脱硫材料。
3. 前記酸化マンガン材料は混合原子価を有し、前記酸化マンガン材料のOMS構造中のMnの酸化状態は+3〜+4である、上記1に記載の脱硫材料。
4. 前記酸化マンガン材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされており、
前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
上記1に記載の脱硫材料。
5. 前記ドーピングされた酸化マンガン材料は、Cu−OMS−2、Co−OMS−2及びFe−OMS−2のうちの1つを含む、上記4に記載の脱硫材料。
6. 前記酸化マンガン材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされている、上記4に記載の脱硫材料。
7. 燃料電池システムにおいて使用するための燃料を脱硫するための脱硫器アセンブリであって、1つ以上の脱硫層を備え、
前記1つ以上の脱硫層はそれぞれ、前記脱硫層を通じて供給される燃料を脱硫するための脱硫材料を含み、
前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、
前記1種以上の酸化マンガン材料は、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、
脱硫器アセンブリ。
8. 前記酸化マンガン材料はOMS−1及びOMS−2のうちの1つ以上を含み、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、上記7に記載の脱硫器アセンブリ。
9. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含み、
前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
上記7に記載の脱硫器アセンブリ。
10. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含む、上記9に記載の脱硫器アセンブリ。
11. 第1の脱硫層と第2の脱硫層とを含む複数の脱硫層を備え、
前記第1の脱硫層及び前記第2の脱硫層は、同一の脱硫材料及び異なる脱硫材料のうちの一方を含む、
上記7に記載の脱硫器アセンブリ。
12. アノード面及びカソード面を含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記アノード面に燃料が供給される前に前記燃料を脱硫するための脱硫器アセンブリであって、1つ以上の脱硫層を備える脱硫器アセンブリと、
を備える燃料電池システムであって、
前記1つ以上の脱硫層はそれぞれ、前記脱硫層を通じて供給される燃料を脱硫するための脱硫材料を含み、
前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、
前記1種以上の酸化マンガン材料は、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、
燃料電池システム。
13. 前記酸化マンガン材料はOMS−1及びOMS−2のうちの一方を含み、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、上記12に記載の燃料電池システム。
14. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含み、
前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
上記12に記載の燃料電池システム。
15. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含む、上記14に記載の燃料電池システム。
16. 前記脱硫器アセンブリは、第1の脱硫層と第2の脱硫層とを含む複数の脱硫層を備え、 前記第1の脱硫層及び前記第2の脱硫層は、同一の脱硫材料及び異なる脱硫材料のうちの一方を含む、
上記12に記載の燃料電池システム。
17. 前記脱硫器アセンブリに燃料が供給される前に前記燃料を処理するための浄化アセンブリをさらに備え、
前記浄化アセンブリは、前記燃料からH2Sを除去するためのH2S除去ユニット、前記燃料から水分を除去するための水分調整ユニット及び前記燃料からシロキサンを除去するためのシロキサン除去ユニットのうちの1つ以上を備える、
上記12に記載の燃料電池システム。
18. 前記浄化アセンブリに燃料を供給するバイオガス消化槽の加熱及び前記脱硫器アセンブリから排出される脱硫された燃料の予熱のうちの少なくとも1つのための加熱アセンブリをさらに備える、上記17に記載の燃料電池システム。
19. 前記加熱アセンブリは、アノード排気及びカソード排気のうちの一方を用いて前記脱硫された燃料を予熱し、前記加熱アセンブリはさらに、水を受け取るように、ならびに受け取った水で前記脱硫された燃料を加湿するように構成される、上記18に記載の燃料電池システム。
20. 異なる組成の2種以上の燃料で稼働するように構成され、
第1の燃料を燃料洗練アセンブリに供給するための第1の燃料供給アセンブリと、前記第1の燃料とは異なる組成を有する第2の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給するための第2の燃料供給アセンブリと、をさらに含み、
前記第2の燃料は、前記浄化アセンブリを通じては供給されない、
上記17に記載の燃料電池システム。
21. 前記第1の燃料は、バイオガス消化槽から排出されるバイオガス燃料であり、
前記燃料電池システムは、前記バイオガス消化槽内の温度を所定の温度に維持するために前記バイオガス消化槽を加熱するための加熱アセンブリをさらに備える、
上記20に記載の燃料電池システム。
22. (a)それぞれ前記第1の供給アセンブリ及び前記第2の供給アセンブリ中での第1の燃料及び第2の燃料の流速、及び
(b)前記脱硫器アセンブリ内の前記1つ以上の脱硫層を通じた第1の燃料及び第2の燃料のフロー、
のうちの少なくとも1つを制御するための制御アセンブリをさらに備える、上記20に記載の燃料電池システム。
23. 燃料電池システムにおいて使用するための1種以上の燃料を脱硫するための脱硫方法であって、
前記1種以上の燃料のそれぞれを1つ以上の脱硫層を備える脱硫器アセンブリに供給することであって、前記1つ以上の脱硫層はそれぞれ脱硫材料を含む、供給することと、
前記脱硫材料を用いて前記1種以上の燃料から硫黄含有化合物を除去することと、
を含み、
前記脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、
前記1種以上の酸化マンガン材料は、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、
脱硫方法。
24. 硫黄含有化合物を除去するステップは、酸化プロセスならびに触媒による酸化脱硫プロセスのうちの一方により実施される、上記23に記載の脱硫方法。
25. 前記1つ以上の脱硫層に前記1種以上の燃料を供給する前に前記1種以上の燃料を加熱することをさらに含む、上記23に記載の脱硫方法。
26. 前記酸化マンガン材料はOMS−1及びOMS−2のうちの一方を含み、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、上記25に記載の脱硫方法。
27. 前記脱硫層のうちの1つ以上における前記脱硫材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含み、
前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
上記25に記載の脱硫方法。
28. 前記脱硫層のうちの1つ以上における前記脱硫材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含む、
上記27に記載の脱硫方法。
29. 供給するステップは、第1の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給すること及び第2の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給することを含み、前記第1の燃料は、前記第2の燃料とは異なる組成を有し、
前記燃料電池システムから排出される廃熱を用いてバイオガス消化槽を加熱することと、
前記バイオガス消化槽においてバイオガス燃料を生成することと、
前記第1の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給する前に、前記バイオガス燃料を処理して、処理されたバイオガス燃料を含む前記第1の燃料を排出することであって、前記処理は、前記バイオガス燃料からH2Sを除去すること、前記バイオガス燃料から水分を除去すること及び前記バイオガス燃料からシロキサンを除去することのうちの1つ以上を含む、排出することと、
をさらに含む、上記23に記載の脱硫方法。
30. (a)前記脱硫器アセンブリに向かう第1の燃料及び第2の燃料の流速、及び
(b)前記脱硫器アセンブリ内の前記1つ以上の脱硫層を通じた第1の燃料及び第2の燃料のフロー、
のうちの少なくとも1つを制御することをさらに含む、上記29に記載の脱硫方法。



  1. 燃料電池システムに供給される燃料を脱硫するための脱硫材料であって、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、脱硫材料。

  2. 前記酸化マンガン材料のOMS構造はOMS−1及びOMS−2のうちの一方であり、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、請求項1に記載の脱硫材料。

  3. 前記酸化マンガン材料は混合原子価を有し、前記酸化マンガン材料のOMS構造中のMnの酸化状態は+3〜+4である、請求項1に記載の脱硫材料。

  4. 前記酸化マンガン材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされており、
    前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
    前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
    請求項1に記載の脱硫材料。

  5. 前記ドーピングされた酸化マンガン材料は、Cu−OMS−2、Co−OMS−2及びFe−OMS−2のうちの1つを含む、請求項4に記載の脱硫材料。

  6. 前記酸化マンガン材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされている、請求項4に記載の脱硫材料。

  7. 燃料電池システムにおいて使用するための燃料を脱硫するための脱硫器アセンブリであって、1つ以上の脱硫層を備え、
    前記1つ以上の脱硫層はそれぞれ、前記脱硫層を通じて供給される燃料を脱硫するための脱硫材料を含み、
    前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、
    前記1種以上の酸化マンガン材料は、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、
    脱硫器アセンブリ。

  8. 前記酸化マンガン材料はOMS−1及びOMS−2のうちの1つ以上を含み、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、請求項7に記載の脱硫器アセンブリ。

  9. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含み、
    前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
    前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
    請求項7に記載の脱硫器アセンブリ。

  10. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含む、請求項9に記載の脱硫器アセンブリ。

  11. 第1の脱硫層と第2の脱硫層とを含む複数の脱硫層を備え、
    前記第1の脱硫層及び前記第2の脱硫層は、同一の脱硫材料及び異なる脱硫材料のうちの一方を含む、
    請求項7に記載の脱硫器アセンブリ。

  12. アノード面及びカソード面を含む燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの前記アノード面に燃料が供給される前に前記燃料を脱硫するための脱硫器アセンブリであって、1つ以上の脱硫層を備える脱硫器アセンブリと、
    を備える燃料電池システムであって、
    前記1つ以上の脱硫層はそれぞれ、前記脱硫層を通じて供給される燃料を脱硫するための脱硫材料を含み、
    前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、
    前記1種以上の酸化マンガン材料は、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、
    燃料電池システム。

  13. 前記酸化マンガン材料はOMS−1及びOMS−2のうちの一方を含み、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、請求項12に記載の燃料電池システム。

  14. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含み、
    前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
    前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
    請求項12に記載の燃料電池システム。

  15. 前記1つ以上の脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含む、請求項14に記載の燃料電池システム。

  16. 前記脱硫器アセンブリは、第1の脱硫層と第2の脱硫層とを含む複数の脱硫層を備え、
    前記第1の脱硫層及び前記第2の脱硫層は、同一の脱硫材料及び異なる脱硫材料のうちの一方を含む、
    請求項12に記載の燃料電池システム。

  17. 前記脱硫器アセンブリに燃料が供給される前に前記燃料を処理するための浄化アセンブリをさらに備え、
    前記浄化アセンブリは、前記燃料からH2Sを除去するためのH2S除去ユニット、前記燃料から水分を除去するための水分調整ユニット及び前記燃料からシロキサンを除去するためのシロキサン除去ユニットのうちの1つ以上を備える、
    請求項12に記載の燃料電池システム。

  18. 前記浄化アセンブリに燃料を供給するバイオガス消化槽の加熱及び前記脱硫器アセンブリから排出される脱硫された燃料の予熱のうちの少なくとも1つのための加熱アセンブリをさらに備える、請求項17に記載の燃料電池システム。

  19. 前記加熱アセンブリは、アノード排気及びカソード排気のうちの一方を用いて前記脱硫された燃料を予熱し、前記加熱アセンブリはさらに、水を受け取るように、ならびに受け取った水で前記脱硫された燃料を加湿するように構成される、請求項18に記載の燃料電池システム。

  20. 異なる組成の2種以上の燃料で稼働するように構成され、
    第1の燃料を燃料洗練アセンブリに供給するための第1の燃料供給アセンブリと、前記第1の燃料とは異なる組成を有する第2の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給するための第2の燃料供給アセンブリと、をさらに含み、
    前記第2の燃料は、前記浄化アセンブリを通じては供給されない、
    請求項17に記載の燃料電池システム。

  21. 前記第1の燃料は、バイオガス消化槽から排出されるバイオガス燃料であり、
    前記燃料電池システムは、前記バイオガス消化槽内の温度を所定の温度に維持するために前記バイオガス消化槽を加熱するための加熱アセンブリをさらに備える、
    請求項20に記載の燃料電池システム。

  22. (a)それぞれ前記第1の供給アセンブリ及び前記第2の供給アセンブリ中での第1の燃料及び第2の燃料の流速、及び
    (b)前記脱硫器アセンブリ内の前記1つ以上の脱硫層を通じた第1の燃料及び第2の燃料のフロー、
    のうちの少なくとも1つを制御するための制御アセンブリをさらに備える、請求項20に記載の燃料電池システム。

  23. 燃料電池システムにおいて使用するための1種以上の燃料を脱硫するための脱硫方法であって、
    前記1種以上の燃料のそれぞれを1つ以上の脱硫層を備える脱硫器アセンブリに供給することであって、前記1つ以上の脱硫層はそれぞれ脱硫材料を含む、供給することと、
    前記脱硫材料を用いて前記1種以上の燃料から硫黄含有化合物を除去することと、
    を含み、
    前記脱硫層のうちの少なくとも1つにおける前記脱硫材料は、八面体型分子ふるい(OMS)構造を有する1種以上の酸化マンガン材料を含み、
    前記1種以上の酸化マンガン材料は、水分に耐性であり、有機硫黄含有化合物及びH2Sを除去することが可能である、
    脱硫方法。

  24. 硫黄含有化合物を除去するステップは、酸化プロセスならびに触媒による酸化脱硫プロセスのうちの一方により実施される、請求項23に記載の脱硫方法。

  25. 前記1つ以上の脱硫層に前記1種以上の燃料を供給する前に前記1種以上の燃料を加熱することをさらに含む、請求項23に記載の脱硫方法。

  26. 前記酸化マンガン材料はOMS−1及びOMS−2のうちの一方を含み、OMS−1は3×3のトンネル構造を有し、OMS−1のトンネルのサイズは約6.9Åであり、OMS−2は2×2のトンネル構造を有し、OMS−2のトンネルのサイズは約4.9Åである、請求項25に記載の脱硫方法。

  27. 前記脱硫層のうちの1つ以上における前記脱硫材料は、OMS構造のトンネル内に挿入された1種以上のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含み、
    前記1種以上のドーピング金属の量は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%であり、
    前記1種以上のドーピング金属は、遷移金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属のうちの1つ以上を含む、
    請求項25に記載の脱硫方法。

  28. 前記脱硫層のうちの1つ以上における前記脱硫材料は、前記脱硫材料の総金属含有量の0〜50%の量の第1のドーピング金属及び前記脱硫材料の総金属含有量の0〜25%の量の第2のドーピング金属でドーピングされた前記酸化マンガン材料を含む、
    請求項27に記載の脱硫方法。

  29. 供給するステップは、第1の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給すること及び第2の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給することを含み、前記第1の燃料は、前記第2の燃料とは異なる組成を有し、
    前記燃料電池システムから排出される廃熱を用いてバイオガス消化槽を加熱することと、
    前記バイオガス消化槽においてバイオガス燃料を生成することと、
    前記第1の燃料を前記脱硫器アセンブリに供給する前に、前記バイオガス燃料を処理して、処理されたバイオガス燃料を含む前記第1の燃料を排出することであって、前記処理は、前記バイオガス燃料からH2Sを除去すること、前記バイオガス燃料から水分を除去すること及び前記バイオガス燃料からシロキサンを除去することのうちの1つ以上を含む、排出することと、
    をさらに含む、請求項23に記載の脱硫方法。

  30. (a)前記脱硫器アセンブリに向かう第1の燃料及び第2の燃料の流速、及び
    (b)前記脱硫器アセンブリ内の前記1つ以上の脱硫層を通じた第1の燃料及び第2の燃料のフロー、
    のうちの少なくとも1つを制御することをさらに含む、請求項29に記載の脱硫方法。

 

 

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様々な態様において、鉄および/または鉄鋼製造のためのプロセスとともに溶融炭酸塩形燃料電池を作動するためのシステムおよび方法が提供される。このシステムおよび方法は、効率の増加、製造される生成物のトンあたりの炭素排出の減少、または集積化されたシステムの一部分として炭素排出の単純化された捕捉などのプロセス改善を提供することができる。燃料供給資源における適応性、ならびにプロセスに動力を与えるために必要とされる様々な化学、熱および電気アウトプットを提供しながら、別々のプロセスの数および全体的な製造システムの複雑さを減少させることができる。
様々な態様において、セメント製造のためのプロセスとともに溶融炭酸塩形燃料電池を作動するためのシステムおよび方法が提供される。このシステムおよび方法は、効率の増加、製造される生成物のトンあたりの炭素排出の減少、および集積化されたシステムの一部分として炭素排出の単純化された捕捉を含むプロセス改善を提供することができる。燃料供給資源における適応性、ならびにプロセスに動力を与えるために必要とされる様々な化学、熱および電気アウトプットを提供しながら、別々のプロセスの数および全体的な製造システムの複雑さを減少させることができる。
様々な態様において、発電のためのタービンとの溶融炭酸塩形燃料電池の集積化された作動のためのシステムおよび方法が提供される。燃料電池の電気効率を改善するか、または最大化するために燃料電池の作動条件を選択する代わりに、改質可能燃料の過剰量を燃料電池のアノードに通過させ、燃料電池の化学エネルギーアウトプットを増加させることができる。増加した化学エネルギーアウトプットは、燃料を水素タービンに提供することなどによる追加的な発電のために使用することができる。
溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)を使用して、燃焼供給源からのCOを捕捉するためのシステムおよび方法が提供される。燃料電池は、低下されたアノード燃料利用を有するように作動される。任意に、アノード排出物の少なくとも一部分は、燃焼供給源の燃料として使用するためにリサイクルされる。任意に、アノード排出物の第2の部分は、アノードインプット流の一部分として使用するためにリサイクルされる。これによって、燃焼供給源排出物からCOを分離するために必要とされる燃料電池の面積の量の減少、および/または燃料電池を作動させる方法の変更が可能となる。
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