JP2006299322A - Water electrolytic device, power plant and power generating system provided with hot water storage tank - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水電解装置と、該水電解装置から発生する水素を使用する燃料電池、ガスエンジン等の発電装置と、発電装置から回収された熱によって製造された温水を貯湯するための貯湯槽とを備える発電システムに関する。 The present invention relates to a water electrolysis device, a fuel cell using hydrogen generated from the water electrolysis device, a power generation device such as a gas engine, and a hot water storage tank for storing hot water produced by heat recovered from the power generation device And a power generation system.
近年、昼夜の電力需要格差が拡大しており、電力負荷の平準化が求められている。この電力負荷の平準化手段の一つとして、夜間電力を利用して水電解により水素を製造・貯蔵し、電力需要のピーク時に貯蔵水素を利用する発電装置により発電及び温水製造するシステムがある。 In recent years, the difference in power demand between day and night has increased, and there has been a demand for leveling the power load. As one of the means for leveling the electric power load, there is a system in which hydrogen is produced and stored by water electrolysis using nighttime electric power, and electric power is generated and hot water is produced by a power generation device using the stored hydrogen at the peak of electric power demand.
例えば、夜間の夜間電力によって水電解を行い、水素と酸素を発生させる水電解装置と、燃料電池と、水素貯蔵装置と、酸素貯蔵装置とを備えるエネルギー貯蔵システムが、特許文献1に従来技術として開示されている。そして、この特許文献1に係る発明は、水電解装置と、燃料電池と、水素貯蔵手段及び冷媒供給手段を備えたエネルギー貯蔵装置であって、水電解装置において発生する熱の一部を熱交換器によって回収する装置を開示している。この装置は、さらに燃料電池において発生する熱の一部を回収する熱交換器を設け、水素貯蔵手段に供給することもできる。 For example, Patent Document 1 discloses an energy storage system including a water electrolysis device that performs water electrolysis with nighttime electric power at night to generate hydrogen and oxygen, a fuel cell, a hydrogen storage device, and an oxygen storage device. It is disclosed. The invention according to Patent Document 1 is an energy storage device including a water electrolysis device, a fuel cell, a hydrogen storage means, and a refrigerant supply means, and exchanges a part of the heat generated in the water electrolysis device. An apparatus for collecting by a vessel is disclosed. This apparatus can further be provided with a heat exchanger for recovering a part of the heat generated in the fuel cell, and supplied to the hydrogen storage means.
また、昼間は燃料電池としてとして発電を行い、夜間には水素発生装置として作動する可逆型燃料電池を用いることにより、発電コストが安く、電力負荷の平準化機能を有する燃料電池システムが、特許文献2に開示されている。
Further, by using a reversible fuel cell that generates electricity as a fuel cell during the daytime and operates as a hydrogen generator at night, a fuel cell system that has a low power generation cost and that has a power load leveling function is disclosed in
水電解・燃料電池システムを経済的に成り立たせるためには、水電解及び燃料電池の効率を向上させることが不可欠である。水電解は、所定の電圧下で所定の電流を通電することにより行われており、水電解時の消費電力を減少するにはエネルギー効率(電圧効率×電流効率)を高くすることが好ましい。ここで、電流効率は温度に無関係で、約90〜98%の範囲にあり、一方、電圧効率は、理論稼働電圧/実際電解電圧で示されるもので、温度依存性があり、電解温度を比較的高めに維持しないと、電圧効率は低下してしまう。 In order to make a water electrolysis / fuel cell system economically feasible, it is essential to improve the efficiency of water electrolysis and fuel cells. Water electrolysis is performed by applying a predetermined current under a predetermined voltage, and it is preferable to increase energy efficiency (voltage efficiency × current efficiency) in order to reduce power consumption during water electrolysis. Here, the current efficiency is independent of the temperature and is in the range of about 90 to 98%. On the other hand, the voltage efficiency is indicated by the theoretical operating voltage / actual electrolysis voltage, and is temperature-dependent, comparing the electrolysis temperature. Otherwise, the voltage efficiency will decrease.
しかし、水電解の効率を上げるために電解水加熱用の加熱器を使用すれば、加熱専用のエネルギーが別途必要となり、省エネルギーの観点からは好ましくない。 However, if a heater for heating electrolyzed water is used in order to increase the efficiency of water electrolysis, energy dedicated to heating is required separately, which is not preferable from the viewpoint of energy saving.
特に、冬季等で気温が低い場合、水電解装置及び給水配管等を断熱して放熱を最小限としても、水電解装置を起動させた後、昇温に時間がかかる又は所定温度に到達できないために、電解効率が低下するという問題が生じることもある。 In particular, when the temperature is low in winter, etc., even if the water electrolysis device and the water supply piping are insulated to minimize heat dissipation, it takes a long time to increase the temperature after starting the water electrolysis device, or the predetermined temperature cannot be reached. In addition, there may be a problem that the electrolytic efficiency is lowered.
この補給水の加温の問題を解決する発明として、水電解装置の水素側放出ラインに熱交換器を設け、酸素分離タンクへの補給水と熱交換する水電解装置が、特許文献3に開示されている。この熱交換器の設置により、水電解装置から発生する熱エネルギーによって、水電解装置へ供給水を、加熱専用のエネルギーを用いることなく加熱することができる。
しかし、特許文献1に開示されるエネルギー貯蔵装置では、水電解装置において発生する熱を、水素貯蔵装置冷却用の冷媒の冷却に利用しており、電解水の温度を高温に保つ工夫はなされていない。 However, in the energy storage device disclosed in Patent Document 1, the heat generated in the water electrolysis device is used for cooling the refrigerant for cooling the hydrogen storage device, and a device for keeping the temperature of the electrolysis water at a high temperature has been made. Absent.
また、特許文献2に開示されている電力供給システムでは、発電の際に、可逆型燃料電池において発生する熱を、熱回収水を循環させることによって回収し、家庭内で温水として利用するシステムとなっているが、水電解の際に、可逆型燃料電池の電解水温度を高温に保つ工夫はなされていない。
Further, in the power supply system disclosed in
また、特許文献3に開示されている水電解装置では、運転継続中は、酸素分離タンク及び水素分離タンク内の高温純水(約85〜120℃)、並びに含湿水素ガス(約85〜120℃)の熱と、補給純水を熱交換し、補給純水を高温に維持することができるが、水電解装置を起動した直後は、電解水の温度は低いためにエネルギー効率が低い。
Further, in the water electrolysis apparatus disclosed in
本発明は、起動直後のエネルギー効率が低いという従来技術の欠点を克服した、水電解装置と発電装置を備える発電システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a power generation system including a water electrolysis device and a power generation device, which overcomes the disadvantage of the prior art that energy efficiency immediately after startup is low.
本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討した結果、水電解装置と、水電解装置から発生する水素を使用する燃料電池、ガスエンジン等の発電装置と、発電装置が発電する電力又は発電装置から回収された熱エネルギーによって加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを組み合わせ、貯湯槽内の温水の熱エネルギーを利用することにより、水電解装置の起動時においても電解水を高温に維持し、エネルギー効率が高い発電システムを発明するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that a water electrolysis device, a power generation device such as a fuel cell using hydrogen generated from the water electrolysis device, a gas engine, and the power generated by the power generation device or Combined with a hot water storage tank that stores hot water heated by the thermal energy recovered from the power generator, and using the thermal energy of the hot water in the hot water tank, the electrolyzed water is maintained at a high temperature even when the water electrolysis device is started. The inventors have invented a power generation system with high energy efficiency.
具体的に、本発明は、水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、前記貯湯槽内の温水と、前記水電解装置との間で熱交換を行うための第一熱交換手段を備える発電システムに関する(請求項1)。このような構成とすることにより、水電解装置を起動した際に、貯湯槽内の温水の熱を用いて、水電解装置の電解水を高温にすることが可能となり、水電解装置のエネルギー効率を、起動直後から高く維持することが可能となる。 Specifically, the present invention includes a water electrolysis device, a power generation device using hydrogen generated from the water electrolysis device, and a hot water storage tank for storing hot water heated using heat recovered from the power generation device. It is an electric power generation system, Comprising: It is related with an electric power generation system provided with the 1st heat exchange means for performing heat exchange between the warm water in the said hot water storage tank, and the said water electrolysis apparatus (Claim 1). With such a configuration, when the water electrolysis apparatus is started, it becomes possible to make the electrolyzed water of the water electrolysis apparatus high temperature by using the heat of hot water in the hot water tank, and the energy efficiency of the water electrolysis apparatus Can be kept high immediately after startup.
また、本発明は、水電解装置と、前記水電解装置から発生する水素を使用する発電装置と、前記発電装置から回収した熱を用いて加熱された温水を貯湯する貯湯槽とを備える発電システムであって、前記貯湯槽内の温水を、前記水電解装置の補給水(電解水)を製造するための原水として使用することを特徴とする発電システムに関する(請求項2)。貯湯槽内の温水を、水道水と混合し又はそのまま補給水を製造するための原水として直接使用する構成としても、水電解装置を起動した際に、電解水を高温にすることが可能であるため、水電解装置のエネルギー効率を、定常運転に到達する前から高く維持することが可能となる。 The present invention also provides a power generation system comprising a water electrolysis device, a power generation device using hydrogen generated from the water electrolysis device, and a hot water storage tank for storing hot water heated using heat recovered from the power generation device. The hot water in the hot water storage tank is used as raw water for producing makeup water (electrolyzed water) for the water electrolysis device (claim 2). Even when the hot water in the hot water tank is directly mixed with tap water or used directly as raw water for producing make-up water, the electrolyzed water can be heated to a high temperature when the water electrolysis device is started. Therefore, the energy efficiency of the water electrolysis device can be maintained high before reaching the steady operation.
前記水電解装置の水素放出ラインに、放出される水素の熱を前記補給水に供給するための第二熱交換手段を設けることが好ましい(請求項3)。このような構成とすることにより、水電解装置から外部に放出される水素ガスの熱エネルギーを、補給水(電解水)を加熱する熱源として回収することにより、水電解装置の定常運転時においては、貯湯槽内の温水を消費しないで済む。 It is preferable to provide a second heat exchange means for supplying heat of the released hydrogen to the makeup water in the hydrogen discharge line of the water electrolysis device. By adopting such a configuration, the heat energy of hydrogen gas released from the water electrolysis device to the outside is recovered as a heat source for heating makeup water (electrolysis water), so that the water electrolysis device can be operated in a steady state. The hot water in the hot water tank is not consumed.
前記水電解装置の酸素放出ラインに、放出される酸素の熱を前記補給水に供給するための第三熱交換手段を設けることも好ましい(請求項4)。このような構成とすることによっても、水電解装置から外部に放出される酸素ガスの熱エネルギーを、補給水(電解水)を加熱する熱源として回収することにより、水電解装置の定常運転時においては、貯湯槽内の温水を消費しないで済む。 It is also preferable to provide a third heat exchange means for supplying heat of the released oxygen to the makeup water in the oxygen release line of the water electrolysis device. Even with such a configuration, by recovering the thermal energy of the oxygen gas released from the water electrolysis device to the outside as a heat source for heating the makeup water (electrolysis water), the water electrolysis device can be operated in a steady state. Does not consume hot water in the hot water tank.
前記水電解装置の水素分離タンクから系外に排出される電解水の熱を、前記補給水に供給するための第四熱交換手段をさらに備えることが好ましい(請求項5)。このような構成とすることにより、水電解装置から排出される高温純水の熱エネルギーを、補給水(電解水)を加熱する熱源として回収することにより、水電解装置の定常運転時においては、貯湯槽内の温水を消費しないで済む。 It is preferable that the apparatus further includes fourth heat exchange means for supplying heat of the electrolyzed water discharged from the hydrogen separation tank of the water electrolysis apparatus to the makeup water. By adopting such a configuration, by recovering the thermal energy of the high-temperature pure water discharged from the water electrolysis device as a heat source for heating the makeup water (electrolysis water), during the steady operation of the water electrolysis device, It is not necessary to consume hot water in the hot water tank.
前記水電解装置としては、水電解装置から発生した水素ガス及び酸素ガスを用いて発電する燃料電池であることが好ましい(請求項6)。 The water electrolysis device is preferably a fuel cell that generates power using hydrogen gas and oxygen gas generated from the water electrolysis device.
本発明の発電システムは、貯湯槽内の温水の熱エネルギーを有効利用することにより、起動直後から水電解装置のエネルギー効率が高い。また、熱交換手段を設置することにより、水電解装置のガス分離タンクから放出される高温ガス又は高温電解水の熱エネルギーを、酸素分離タンクへと供給される電解水の加熱に有効利用することができる。その結果、貯湯槽の温水を利用して加熱された補給水を、さらに水電解に好ましい温度に加熱することもできる。 In the power generation system of the present invention, the energy efficiency of the water electrolysis apparatus is high immediately after startup by effectively using the thermal energy of the hot water in the hot water tank. Also, by installing heat exchange means, the thermal energy of the high temperature gas or high temperature electrolyzed water released from the gas separation tank of the water electrolysis device should be effectively used for heating the electrolyzed water supplied to the oxygen separation tank. Can do. As a result, the makeup water heated using the hot water in the hot water tank can be further heated to a temperature preferable for water electrolysis.
また、水電解装置が定常状態に到達した後、長時間運転する場合、水電解装置には継続的に補給水を供給する必要があるが、水道水から製造した低温の補給水を、熱交換手段によって水電解装置の内部で加熱することができるため、貯湯槽の温水を使用しなくとも、電解水の急激な温度変化が起こりにくい。この場合、起動時以外には貯湯槽の温水を電解水の加温に使用しないで済むため、貯湯槽の温水を一般的用途に自由に利用することができる。 In addition, when the water electrolysis device has been operating for a long time after reaching a steady state, it is necessary to continuously supply makeup water to the water electrolysis device, but heat exchange is performed on low-temperature makeup water produced from tap water. Since it can be heated inside the water electrolysis device by means, rapid temperature change of the electrolyzed water is unlikely to occur without using hot water in the hot water tank. In this case, it is not necessary to use the hot water in the hot water tank for heating the electrolyzed water except at the time of start-up, so the hot water in the hot water tank can be freely used for general purposes.
さらに、熱交換手段が回収した熱を、貯湯槽内の温水の加熱にも利用することができるため、発電装置からの排熱のみを利用して製造された温水の温度(約60℃)を、さらに高温(約80℃程度)に加熱することも可能となる。 Furthermore, since the heat recovered by the heat exchange means can be used to heat the hot water in the hot water storage tank, the temperature of the hot water produced using only the exhaust heat from the power generator (about 60 ° C) Further, it can be heated to a higher temperature (about 80 ° C.).
以下に、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. The present invention is not limited to these.
図1は、本発明の一実施形態である実施例1に係る発電システムの概略構成図である。図1を参照しつつ、実施例1の発電システムの概念を説明する。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to Example 1 which is an embodiment of the present invention. The concept of the power generation system of Example 1 will be described with reference to FIG.
この発電システムは、貯湯槽1、水電解装置2、燃料電池6及び熱回収経路11を備える。燃料電池6は、水電解装置2の電解セル4において、電解水(純水)を電気分解して得られる水素ガス(H2)及び酸素ガス(O2)を使用し、燃料電池6が発電を行う。このとき、燃料電池6の作動時に発生する熱は、冷却水10を用いて熱回収される。温水となった冷却水10は、熱回収経路11を経由して貯湯槽1に貯湯される。
This power generation system includes a hot water tank 1, a
また、この発電システムでは、水電解装置2を起動させると、貯湯槽1の温水と、水電解装置2への補給水8を、第一熱交換器7を用いて熱交換し、補給水8を加熱することができる。
Further, in this power generation system, when the
図2は、本発明の一実施形態である実施例2に係る発電システムの概略構成図である。図2を参照しつつ、実施例2の発電システムの概念を説明する。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a power generation system according to Example 2, which is an embodiment of the present invention. The concept of the power generation system of Example 2 will be described with reference to FIG.
実施例2の発電システムの基本的構成も、実施例1と同じであるが、第一熱交換器7は有さない。そして、この発電システムにおいては、貯湯槽1の温水9を水道水12と混合し、又は混合せずに直接純水装置13に供給する構成としている。温水9と水道水12を混合し、又は温水9を直接純水装置13へと供給することで、純水装置13に供給する原水を加熱し、純水装置13が温度の高い純水を製造することが可能となる。この温度の高い純水を補給水8として酸素分離タンク3に供給することにより、水電解装置2の起動直後であっても、電解水の温度が高いため、エネルギー効率が高い。
The basic configuration of the power generation system of the second embodiment is also the same as that of the first embodiment, but the
なお、純水装置13は、逆浸透膜(RO膜)、イオン交換樹脂又はこれらを組み合わせて、純水を製造する装置である。
The
実施例1又は2における水電解装置2として、図3に示すような構成の装置を使用することもできる。次に、図3に示す水電解装置の各構成の機能を具体的に説明する。
As the
図3において、21はプレフィルター、22は昇圧ポンプ、23は第一逆浸透膜、24は第二逆浸透膜である。プレフィルター21から酸素分離タンク30までの純水補給ライン25は、水素分離タンク26の水素排出ライン27に設置した第二熱交換器28を経て、さらに、第四熱交換器29を通過して酸素分離タンク30に達する。酸素分離タンク30の底部に繋がる純水循環ライン31は、ポンプ32、第一熱交換器33、温度指示調節計34、イオン交換樹脂35、ファイナルフィルター36、電解セル37を経て、再び酸素分離タンク30に戻るように構成されている。
In FIG. 3, 21 is a pre-filter, 22 is a booster pump, 23 is a first reverse osmosis membrane, and 24 is a second reverse osmosis membrane. The pure water supply line 25 from the prefilter 21 to the oxygen separation tank 30 passes through the second heat exchanger 28 installed in the hydrogen discharge line 27 of the hydrogen separation tank 26 and further passes through the fourth heat exchanger 29. The oxygen separation tank 30 is reached. The pure
電解セル37から発生する水素を運ぶための水素供給ライン38は、水素分離タンク26に達している。
A hydrogen supply line 38 for carrying hydrogen generated from the
水素分離タンク26に繋がる水素排出ライン27の第二熱交換器28の後段には、除湿器42が配置されている。 A dehumidifier 42 is disposed downstream of the second heat exchanger 28 in the hydrogen discharge line 27 connected to the hydrogen separation tank 26.
各ラインに設置された46、47は、それぞれ流量制御弁、オンオフ弁を示す。 46 and 47 installed in each line indicate a flow control valve and an on / off valve, respectively.
以上のように構成される図3の水電解装置において、純水補給ライン25のプレフィルター21に達した水道水は、プレフィルター21において予備濾過され、全開のオンオフ弁44を経て昇圧ポンプ22により昇圧されて、第一逆浸透膜23、第二逆浸透膜24を経て所定の高純度に精製された後、酸素分離タンク30へ供給される。その際に、第二熱交換器28において、水素分離タンク26から排出される高温(約60〜100℃)の含湿水素ガスとの間で間接的に熱交換が行われて、補給純水は一定温度だけ昇温されて、当初10〜25℃であったものが、数℃昇温される。
In the water electrolysis apparatus of FIG. 3 configured as described above, the tap water that has reached the prefilter 21 of the pure water supply line 25 is preliminarily filtered by the prefilter 21, and is opened by the
一方、水素分離タンク26から排出される含湿水素ガスは、第二熱交換器28において、補給純水により冷却されて凝縮水が生成する。第二熱交換器28の下部から上部へ含湿水素ガスが流れるようにしておき、第二熱交換器28から水素分離タンク26へ向かって下り勾配となるように水素排出ライン27を形成することにより、生成した凝縮水は、水素分離タンク26へ流れ落ちるようになる。このようにして、除湿器42への水分の持ち込み量が減少するので、除湿器42における除湿が容易になる。除湿器42において除湿された水素ガスは、水素分離タンク26内の圧力を監視する圧力指示調節計46の指示に応じて、水素排出ライン27に設けた流量制御弁43の開度が適宜調節されながら、高純度水素ガスはユースポイントへ供給される。
On the other hand, the wet hydrogen gas discharged from the hydrogen separation tank 26 is cooled by makeup pure water in the second heat exchanger 28 to generate condensed water. The wet hydrogen gas flows from the lower part to the upper part of the second heat exchanger 28, and the hydrogen discharge line 27 is formed so as to have a downward gradient from the second heat exchanger 28 toward the hydrogen separation tank 26. Thus, the produced condensed water flows down to the hydrogen separation tank 26. In this way, since the amount of moisture brought into the dehumidifier 42 is reduced, dehumidification in the dehumidifier 42 is facilitated. The hydrogen gas dehumidified in the dehumidifier 42 is appropriately adjusted in the opening degree of the
一方、第二熱交換器28において、一定温度だけ昇温された補給純水は、第四熱交換器29において、第二純水排出ライン41を経て排出される高温(約50〜100℃)の純水との間で間接的に熱交換が行われた結果、さらに、約40℃以上(例えば、40〜60℃)に昇温されて酸素分離タンク30に達する。 On the other hand, the supplementary pure water that has been heated by a certain temperature in the second heat exchanger 28 is discharged at a high temperature (about 50 to 100 ° C.) through the second pure water discharge line 41 in the fourth heat exchanger 29. As a result of indirectly performing heat exchange with the pure water, the temperature is further raised to about 40 ° C. or higher (for example, 40 to 60 ° C.) and reaches the oxygen separation tank 30.
酸素分離タンク30に補給された純水は、純水循環ライン31を通り、電解セル37へと供給される。この電解セル37において純水は電気分解され、陽極側で酸素、陰極側で水素が発生する。酸素と電気分解されなかった純水は、酸素分離タンク30で気液分離され、酸素ガスは系外に放出され、純水は純水循環ライン31を再循環することとなる。
The pure water supplied to the oxygen separation tank 30 passes through the pure
このとき、純水循環ライン31を流れる純水は、第一熱交換器33において、燃料電池6の運転により得られる排熱を利用して製造された温水を貯湯する貯湯槽1からの温水と熱交換される。
At this time, the deionized water flowing through the deionized
水電解装置2の運転初期においては、純水循環ライン31及び第二純水排出ライン41の純水、並びに水素排出ライン27の水素ガスの温度が低いため、第二熱交換器28と第四熱交換器29による熱交換のみでは補給水の温度を充分に高くすることができない。このため、従来の発電システムであれば運転初期の水電解装置のエネルギー効率が低くなるおそれがあるが、図3に示す水電解装置を備える本発明の発電システムでは、第一熱交換器33を利用して純水循環ライン31の純水を加温するため、運転初期から水電解装置のエネルギー効率を高くすることが可能である。
In the initial operation of the
また、図3に示す水電解装置では、純水循環ライン31の純水を、電解セル37に供給する手前で加温するために、加温した純水が冷却されることなく、直接電解セル37に供給することができる。
Further, in the water electrolysis apparatus shown in FIG. 3, since the pure water in the pure
一方、通常、水電解装置においては、後述する理由により循環純水(電解セルに供給される純水)の温度を所定の温度以下(例えば、90℃)に保つ必要がある。燃料電池からの排熱利用により得られる貯湯槽の温水は、一般的には約60℃前後であることから、循環純水が所定温度を超える高温となった場合、図3に示す水電解装置では、第一熱交換器33を利用して純水循環ライン31を流れる循環純水の冷却を行うこともできる。
On the other hand, normally, in a water electrolysis apparatus, it is necessary to keep the temperature of circulating pure water (pure water supplied to an electrolysis cell) at a predetermined temperature or lower (for example, 90 ° C.) for the reason described later. The hot water in the hot water tank obtained by using the exhaust heat from the fuel cell is generally around 60 ° C. Therefore, when the circulating pure water becomes a high temperature exceeding a predetermined temperature, the water electrolysis apparatus shown in FIG. Then, it is possible to cool the circulating pure water flowing through the pure
すなわち、図3に示す水電解装置を備える本発明の水電解装置においては、貯湯槽1の温水を、水電解装置2の運転初期には循環純水の加温用として用いるが、水電解装置2の定常運転時には循環純水の冷却用として用いることから、燃料電池からの排熱利用により得られる通常得られる温水(約60℃前後)よりも高温の温水を得ることができる。
That is, in the water electrolysis apparatus of the present invention provided with the water electrolysis apparatus shown in FIG. 3, the hot water in the hot water tank 1 is used for heating circulating pure water in the initial operation of the
ここで、純水循環ライン31を循環する純水の温度が90℃以上になると、電解セル37のモジュール構成部品であるシール材料のOリングやガスケットの寿命が短くなる又はチタン電極材の水素脆化が加速する等の不都合が生じるので、温度指示調節器34で検知した純水温度が90℃以下になるように、温度指示調節器34の指示に応じて流量制御弁43の開度を適宜調節し、貯湯水供給ライン47より第一熱交換器33に貯湯水を供給し、純水循環ライン31を循環する純水の温度を90℃以下に調節するのが好ましい。純水循環ライン31内のファイナルフィルター36は、必ずしも必要なものではなく、純水循環ライン31中に一切異物が混入しないということが保証されれば、省略することも可能である。
Here, when the temperature of the pure water circulating through the pure
なお、図3では、貯湯水供給ライン47は、第一熱交換器33にのみ接続されているが、別の貯湯水供給ラインを第二熱交換器28、後述する第三熱交換器(図示せず)、第四熱交換器29へとさらに接続し、水電解装置のガス分離タンクから放出される高温ガス又は高温電解水の熱エネルギーを、補給水を加熱しない時には、貯湯槽内の温水の加熱に利用する構成とすることも可能である。
In FIG. 3, the hot
酸素分離タンク30内の圧力は、圧力指示調節計46で検知して、この圧力が一定以上になれば、酸素分離タンク30内の酸素を、流量制御弁43を経て大気に放出することにより、酸素分離タンク30内の圧力を一定以下に保持するように制御することができる。
The pressure in the oxygen separation tank 30 is detected by the
図3に示した水電解装置においては、水素ガスと補給純水とを第二熱交換器28により熱交換する構成としたが、これに限定されず、酸素ガスと補給純水とを、酸素分離タンク30に接続される酸素排出ラインに設けた第三熱交換器(図示せず)により熱交換する構成としてもよい。このように、酸素ガスと補給純水とを熱交換することにより、酸素ガスの排熱を有効に利用できると同時に、酸素ガスに同伴して系外へ放出される純水量を低減することができる。 In the water electrolysis apparatus shown in FIG. 3, the hydrogen gas and the supplementary pure water are configured to exchange heat with the second heat exchanger 28, but the present invention is not limited thereto, and the oxygen gas and the supplemental pure water are exchanged with oxygen. It is good also as a structure which heat-exchanges with the 3rd heat exchanger (not shown) provided in the oxygen exhaust line connected to the separation tank 30. FIG. As described above, by exchanging heat between the oxygen gas and the supplemental pure water, the exhaust heat of the oxygen gas can be used effectively, and at the same time, the amount of pure water released outside the system accompanying the oxygen gas can be reduced. it can.
酸素排出ラインのガス配管には、ガスの品質管理及び安全上の観点から、酸素ガス中の水素濃度を測定するための水素濃度計(検知器)が通常設けられるが(図示せず)、上述したとおり、熱交換の際、水分が凝縮することにより酸素ガスが除湿されため、水素濃度計に水分が侵入することを防止できる。 The gas pipe of the oxygen discharge line is usually provided with a hydrogen concentration meter (detector) for measuring the hydrogen concentration in the oxygen gas from the viewpoint of quality control and safety of the gas (not shown). As described above, the oxygen gas is dehumidified by the condensation of moisture during heat exchange, so that moisture can be prevented from entering the hydrogen concentration meter.
従来の水電解装置では、酸素分離タンク内の純水は、上述したように酸素ガスに同伴して系外へと放出されている。その量は、大気開放(大気圧)、運転時の酸素分離タンクの純水温度80℃のシステムでは、水電解装置の純水消費量の約44%にも達する。 In the conventional water electrolysis apparatus, the pure water in the oxygen separation tank is discharged out of the system accompanying the oxygen gas as described above. In a system with an open atmosphere (atmospheric pressure) and a pure water temperature of 80 ° C in the oxygen separation tank during operation, the amount reaches about 44% of the pure water consumption of the water electrolyzer.
しかし、酸素排出ラインに第三熱交換器を設けた水電解装置を備えた本発明の発電システムでは、系外へ放出される純水量を低減することができるため、純水製造のためのコストを削減できる。 However, in the power generation system of the present invention provided with a water electrolysis apparatus provided with a third heat exchanger in the oxygen discharge line, the amount of pure water released outside the system can be reduced, so the cost for producing pure water Can be reduced.
なお、図3に示した水電解装置では、貯湯槽の温水と、純水循環ライン31の純水とを、純水循環ライン31に設けた熱交換器(第一熱交換器33)により熱交換する構成としたが、これに限定されず、例えば、酸素分離タンク30に貯湯槽の温水と純水を熱交換するための熱交換器を設けてもよく、これと第一熱交換器33を組み合わせてもよい。
In the water electrolysis apparatus shown in FIG. 3, the hot water in the hot water tank and the pure water in the pure
また、貯湯槽の温水を熱交換することなく、プレフィルター21を通じて直接水電解装置に供給する構成としてもよい。 Alternatively, the hot water in the hot water tank may be directly supplied to the water electrolysis apparatus through the prefilter 21 without exchanging heat.
以上、図3に示す水電解装置について説明した。 The water electrolysis apparatus shown in FIG. 3 has been described above.
なお、実施例1及び2においては、水素ガスを使用する発電装置の例として、燃料電池6を選択しているが、燃料電池6に代えて、水素ガスを使用するガスエンジンを発電装置とすることもできる。
In Examples 1 and 2, the
また、図3に示した水電解装置においては、酸素分離タンク内の圧力を保持する構成としているが、これに限定されず、水素側(水素分離タンク及び水素排出ライン)のみ圧力を保持し、酸素側(酸素分離タンク及び酸素排出ライン)については、大気圧開放としてもよい。 In the water electrolysis apparatus shown in FIG. 3, the pressure in the oxygen separation tank is maintained, but the present invention is not limited to this, and only the hydrogen side (hydrogen separation tank and hydrogen discharge line) holds the pressure. The oxygen side (oxygen separation tank and oxygen discharge line) may be opened to atmospheric pressure.
酸素側を大気圧開放することにより、補給水ポンプ22の能力が小さくてもよくなり、場合によっては不要にもなる。また、圧力制御(差圧制御)が簡単になるため、機械類や配管等を減らすことができ、装置サイズを小型化することが可能となる。従来は、差圧制御を行うために、ある程度の大きさの酸素分離タンクが必要であり、また、付帯設備、配管等の関係から、酸素分離タンク内(純水循環ライン等を含む)の純水量も多かった。その結果、純水の加熱にかかる総熱量が大きかったが、上記のように装置サイズを小型化することにより、純水量を少なくすることができ、純水の加熱にかかる総熱量も小さくすることが可能となる。
By opening the oxygen side to atmospheric pressure, the capacity of the
以上、説明したように、本発明の発電システムは、貯湯槽内の温水の熱エネルギーを有効利用することにより、起動直後においてもエネルギー効率が高いことを特徴とする。また、図3に示す水電解装置を使用することにより、電解温度を適切な温度に維持することもできる。 As described above, the power generation system of the present invention is characterized by high energy efficiency even immediately after startup by effectively using the thermal energy of hot water in the hot water tank. Moreover, the electrolysis temperature can be maintained at an appropriate temperature by using the water electrolysis apparatus shown in FIG.
本発明の発電システムは、クリーンで、しかも、高エネルギー効率の発電システムとして有用である。 The power generation system of the present invention is useful as a clean and high energy efficiency power generation system.
1:貯湯槽
2:水電解装置
3:酸素分離タンク
4:電解モジュール
5:純水循環経路
6:燃料電池
7:第一熱交換器
8:補給水
9:温水
10:冷却水
11:熱回収経路
12:水道水
13:純水装置
21:プレフィルター
22:昇圧ポンプ
23:第一逆浸透膜
24:第二逆浸透膜
25:純水補給ライン
26:水素分離タンク
27:水素排出ライン
28:第二熱交換器
29:第四熱交換器
30:酸素分離タンク
31:純水循環ライン
32:ポンプ
33:第一熱交換器
34:温度指示調節器
35:イオン交換樹脂
36:ファイナルフィルター
37:電解セル
38:水素供給ライン
39:第一純水排出ライン
40:流量指示調節計
41:第二純水排出ライン
42:除湿器
43:流量制御弁
44:オンオフ弁
45:水位計
46:圧力計
47:貯湯水供給ライン
1: Hot water storage tank 2: Water electrolysis device 3: Oxygen separation tank 4: Electrolysis module 5: Pure water circulation path 6: Fuel cell 7: First heat exchanger 8: Makeup water 9: Hot water 10: Cooling water 11: Heat recovery Path 12: Tap water 13: Pure water device 21: Prefilter 22: Booster pump 23: First reverse osmosis membrane 24: Second reverse osmosis membrane 25: Pure water supply line 26: Hydrogen separation tank 27: Hydrogen discharge line 28: Second heat exchanger 29: Fourth heat exchanger 30: Oxygen separation tank 31: Pure water circulation line 32: Pump 33: First heat exchanger 34: Temperature indication controller 35: Ion exchange resin 36: Final filter 37: Electrolysis cell 38: Hydrogen supply line 39: First pure water discharge line 40: Flow rate indicating controller 41: Second pure water discharge line 42: Dehumidifier 43: Flow control valve 44: On / off valve 45: Water level gauge 46: Pressure gauge 47: Hot water storage Supply line
Claims (6)
前記貯湯槽内の温水と、前記水電解装置との間で熱交換を行う第一熱交換手段を備える発電システム。 A power generation system comprising a water electrolysis device, a power generation device using hydrogen generated from the water electrolysis device, and a hot water storage tank for storing hot water heated using heat recovered from the power generation device,
A power generation system comprising first heat exchanging means for exchanging heat between the hot water in the hot water storage tank and the water electrolysis apparatus.
前記貯湯槽内の温水を、前記水電解装置の補給水の原水として使用することを特徴とする発電システム。 A power generation system comprising a water electrolysis device, a power generation device using hydrogen generated from the water electrolysis device, and a hot water storage tank for storing hot water heated using heat recovered from the power generation device,
A power generation system using hot water in the hot water tank as raw water for makeup water of the water electrolysis device.
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