JP2016019944A - Clear water and electrical power supplying system and method - Google Patents

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川島 政彦
Masahiko Kawashima
政彦 川島
武彦 大豊
Takehiko Otoyo
武彦 大豊
橋本 真一郎
Shinichiro Hashimoto
真一郎 橋本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for readily and efficiently supplying clear water and electrical power at low cost in a region where both clear water infrastructure and electrical power infrastructure are not developed.SOLUTION: The system includes a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit to supply clear water and electrical power. In the system, the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit exchange heat between them.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、浄水及び電力を供給するためのシステム及び方法に関する。詳しくは、浄水、発電設備等の基本的なインフラが整っていない僻地、未開地、新興国等において、容易、効率的、且つ安価に浄水及び電力を供給するためのシステム及び方法に関する。   The present invention relates to a system and method for supplying water and power. More specifically, the present invention relates to a system and method for supplying purified water and power easily, efficiently and inexpensively in remote areas, undeveloped land, emerging countries, etc. where basic infrastructure such as water purification and power generation facilities are not established.

水及び電力は、人が健康で文化的な生活を送るために重要である。特に医療現場においては、水は薬剤の調製、清潔の確保等のために;電力は照明、医療機器の動力源等として、それぞれ必須である。
生活のための基本的な設備が整っていない地域においては、水は例えば逆浸透膜を用いた海水の淡水化等により;電力は例えばディーゼル発電等により、それぞれ製造している。ここで、逆浸透膜を用いる浄水の製造では、送水ポンプの駆動電力の他に、逆浸透の駆動源となる圧力差を創出するために多大の電力を要するから、その浄水製造コストは決して安価なものではない。また、ディーゼル発電は、効率に欠けるとともに、化石燃料を使用している点で地球環境に対する負荷も大きい。
Water and electricity are important for people to live a healthy and cultural life. Especially in the medical field, water is indispensable for preparation of pharmaceuticals, ensuring cleanliness, etc .; electric power is indispensable as lighting, power source for medical devices, etc.
In areas where basic facilities for living are not available, water is produced, for example, by desalination of seawater using a reverse osmosis membrane; electricity is produced, for example, by diesel power generation. Here, in the production of purified water using a reverse osmosis membrane, in addition to the drive power of the water pump, a large amount of power is required to create a pressure difference that is the drive source of reverse osmosis, so the cost of water purification is never low. Not something. In addition, diesel power generation is inefficient and has a large impact on the global environment in that it uses fossil fuel.

浄水の製造方法としては、前記の逆浸透膜を用いる方法の他、正浸透技術が知られている(特許文献1、2等)。正浸透技術は、浄化すべき原水を、水と分離可能な溶質を高濃度で含有するドロー溶液と半透膜を介して接触させ、前記原水中の水のみを前記ドロー溶液中に抽出した後に、ドロー溶液から溶質を除去することによって、浄水を得る技術である。正浸透技術を用いる浄水システムにおいては、原水からドロー溶液への水の抽出は浸透圧差によって駆動されるから、人為的な圧力差を創出するための電力は不要である。しかしながら、このような浄水技術は、インフラの整った地域(先進国、都市部等)においてはメリットが少ない。   As a method for producing purified water, forward osmosis technology is known in addition to the above-described method using a reverse osmosis membrane (Patent Documents 1, 2, etc.). The forward osmosis technology is a method in which the raw water to be purified is brought into contact with a draw solution containing a high concentration of solute separable from water through a semipermeable membrane, and only the water in the raw water is extracted into the draw solution. It is a technique for obtaining purified water by removing solutes from a draw solution. In the water purification system using the forward osmosis technology, the extraction of water from the raw water into the draw solution is driven by the osmotic pressure difference, so that no electric power is required to create an artificial pressure difference. However, such water purification technology has little merit in areas with good infrastructure (developed countries, urban areas, etc.).

一方、電力の製造方法として、燃料電池が知られている(例えば特許文献3、4等)。燃料電池は、水素と酸素との化学反応によって生ずる電力を取り出す技術である。前記水素は原料ガス(例えば液化石油ガス、天然ガス等)の改質によって得ることができ、前記酸素は空気中から得ることができる。
燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等が知られている。燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合、70〜100℃程度の駆動温度を維持する必要がある。ここで、燃料電池反応は発熱反応である他、電池内の各種抵抗成分によっても熱を生ずるから、固体高分子型燃料電池を駆動させる時には冷却が必要となる。一方、固体酸化物型燃料電池の場合には、700〜1,000℃程度の高温稼働が前提であるため冷却は不要であるが、電池駆動によって生ずる熱を取り出して利用しないと、前記ディーゼル発電に比較した場合の効率面のメリットが希薄となる。
On the other hand, a fuel cell is known as a method for producing electric power (for example, Patent Documents 3 and 4). A fuel cell is a technique for extracting electric power generated by a chemical reaction between hydrogen and oxygen. The hydrogen can be obtained by reforming a raw material gas (for example, liquefied petroleum gas, natural gas, etc.), and the oxygen can be obtained from the air.
As the fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a solid oxide fuel cell, and the like are known. When a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, it is necessary to maintain a driving temperature of about 70 to 100 ° C. Here, the fuel cell reaction is an exothermic reaction, and heat is also generated by various resistance components in the battery. Therefore, cooling is required when driving the polymer electrolyte fuel cell. On the other hand, in the case of a solid oxide fuel cell, cooling is unnecessary because it is premised on high temperature operation of about 700 to 1,000 ° C. However, if the heat generated by driving the battery is not taken out and used, the diesel power generation The merit in terms of efficiency when compared to is diminished.

固体高分子型燃料電池の冷却用の冷媒、及び固体酸化物型燃料電池から熱を回収するための熱媒としては、通常、水が使用され、発生した熱は温水として回収される。ここで使用される冷却水は、配管内におけるファウリングの発生を可及的に抑制する要請から、浄水である必要がある。
なお、本明細書において「冷却」という用語は、以下、固体酸化物型燃料電池からの熱回収を含めた概念として使用される。
燃料電池は、環境的にクリーンな発電が可能である。しかしながら、発電容量が比較的小さいため、都市部における基幹的な発電設備としては不足である。例えば我が国における燃料電池は、電気自動車の駆動用電源、家庭用補助電源等の小規模利用がなされているに過ぎない。一方、電力インフラが整っていない地域(例えば新興国)では、燃料電池であっても、家庭用電源としての用途の他、例えば医療設備における主電源として十分に検討に値する容量を有する。しかしながら、燃料電池の駆動のために必要な冷却用浄水を安価に入手・供給することは、新興国においては容易ではない。
As a cooling medium for cooling the polymer electrolyte fuel cell and a heat medium for recovering heat from the solid oxide fuel cell, water is usually used, and the generated heat is recovered as hot water. The cooling water used here needs to be purified water from the request | requirement which suppresses generation | occurrence | production of fouling in piping as much as possible.
In the present specification, the term “cooling” is used as a concept including heat recovery from a solid oxide fuel cell.
The fuel cell can generate power that is environmentally clean. However, since the power generation capacity is relatively small, it is insufficient as a basic power generation facility in urban areas. For example, fuel cells in Japan are only used on a small scale, such as power sources for driving electric vehicles and auxiliary power sources for household use. On the other hand, in a region where power infrastructure is not established (for example, emerging countries), even a fuel cell has a capacity that is sufficiently worth considering as a main power source in a medical facility, for example, in addition to being used as a home power source. However, it is not easy in emerging countries to obtain and supply the cooling water necessary for driving the fuel cell at low cost.

更に、従来から浄水インフラ及び電力インフラは、それぞれ別々の事業者によって開発・供給されてきた経緯がある。両事業者間に積極的な協力体制はなく、従って従来技術において浄水及び電力をセットで供給しようとする意識は希薄である。   Furthermore, the water purification infrastructure and the power infrastructure have been developed and supplied by different operators. There is no active cooperative system between the two operators, and therefore, the consciousness of supplying purified water and electric power as a set in the prior art is scarce.

特表2014−512951号公報Special table 2014-512951 gazette 国際公開第2014/078415号パンフレットInternational Publication No. 2014/078415 Pamphlet 特開2013−101822号公報JP 2013-101822 A 特開2014−86130号公報JP 2014-86130 A

本発明は、前記の現状を打開しようとしてなされたものである。
本発明の目的は、浄水インフラ及び電力インフラの双方が整っていない地域において、容易、効率的、且つ安価に浄水及び電力を供給するためのシステム及び方法を提供することである。
The present invention has been made in order to overcome the above-described present situation.
An object of the present invention is to provide a system and method for supplying purified water and electric power easily, efficiently and inexpensively in an area where both the purified water infrastructure and the electric power infrastructure are not provided.

本発明者らは、前記の目的を達成すべく、検討を進めた。
本発明者らは、
正浸透システムによって得られる浄水の一部を、燃料電池の冷却用浄水として利用できること;及び
正浸透システムと燃料電池との間で熱交換が可能であること
に着目して調査・研究を行ったところ、正浸透システムと燃料電池とを有機的に結合することにより、他のインフラ設備から離隔した独立のシステムとして、浄水及び電力を同時に供給可能となることを見出し、本発明に至った。また、正浸透による浄水システムが比較的小さな電力で駆動可能であることも、本発明の実施に際しての有利な条件である。
The present inventors proceeded with studies to achieve the above object.
The inventors have
A survey and research was conducted focusing on the fact that part of the purified water obtained by the forward osmosis system can be used as purified water for cooling the fuel cell; and that heat exchange is possible between the forward osmosis system and the fuel cell. However, by organically coupling the forward osmosis system and the fuel cell, it has been found that it becomes possible to simultaneously supply purified water and electric power as an independent system separated from other infrastructure facilities, and the present invention has been achieved. It is also an advantageous condition for implementing the present invention that the water purification system by forward osmosis can be driven with relatively small electric power.

本発明は、以下の態様に具体化される。
[1]
正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有する、浄水及び電力を供給するためのシステムであって、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間で熱交換を行うことを特徴とする、前記システム。
The present invention is embodied in the following aspects.
[1]
A system for supplying purified water and power having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit,
The system according to claim 1, wherein heat exchange is performed between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit.

[2]
前記熱交換が、
前記正浸透浄水ユニットから供給される浄水を前記燃料電池ユニットの冷却水として使用すること、及び
前記燃料電池ユニットを冷却した後の浄水を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用すること
によって行われる、[1]に記載のシステム。
[2]
The heat exchange is
Using purified water supplied from the forward osmosis water purification unit as cooling water for the fuel cell unit, and using purified water after cooling the fuel cell unit as a heat source for the forward osmosis water purification unit, The system according to [1].

[3]
前記熱交換が、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間を循環する熱媒を用いて、
前記燃料電池ユニットから発生する熱を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用すること
によって行われる、[1]に記載のシステム。
[3]
The heat exchange is
Using a heat medium that circulates between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit,
The system according to [1], which is performed by using heat generated from the fuel cell unit as a heat source of the forward osmosis water purification unit.

[4]
前記正浸透浄水ユニットの駆動電力が、前記燃料電池ユニットから供給される電力である、[1]〜[3]のいずれか一項に記載のシステム。
[4]
The system according to any one of [1] to [3], wherein the drive power of the forward osmosis water purification unit is power supplied from the fuel cell unit.

[5]
前記正浸透浄水ユニットが、
浄化するべき原水が流通する供給側領域とドロー溶液が流通する引き抜き側領域とが半透膜を介して隣接する正浸透抽出部、及び
抽出後のドロー溶液から溶質を除去して浄水を分離回収する分離回収部
を有する、[1]に記載のシステム。
[5]
The forward osmosis water purification unit is
The osmosis extraction part adjacent to the supply side area through which the raw water to be circulated flows and the draw-out area through which the draw solution circulates through the semipermeable membrane, and the drawn solution after the extraction are separated and recovered. The system according to [1], including a separation and recovery unit.

[6]
前記正浸透浄水ユニットにおけるドロー溶液の溶質が、ジオール(共)重合体から成る溶質、及び揮発性カチオン源と揮発性アニオン源との組み合わせから成る溶質から選択される、[1]〜[5]のいずれか一項に記載のシステム。
[6]
The solute of the draw solution in the forward osmosis water purification unit is selected from a solute consisting of a diol (co) polymer and a solute consisting of a combination of a volatile cation source and a volatile anion source, [1] to [5] The system according to any one of the above.

[7]
前記燃料電池ユニットが、
原料ガスを改質して水素を発生する改質器、及び
前記改質器から供給される水素と、空気と、の反応により発電を行う燃料電池
を有する、[1]に記載のシステム。
[7]
The fuel cell unit is
[1] The system according to [1], including a reformer that reforms a raw material gas to generate hydrogen, and a fuel cell that generates power by a reaction between hydrogen supplied from the reformer and air.

[8]
前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である、[7]に記載のシステム。
[8]
The system according to [7], wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell or a solid oxide fuel cell.

[9]
正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有するシステムを使用して浄水及び電力を供給するための方法であって、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間で熱交換を行うこと
を特徴とする、前記方法。
[9]
A method for supplying purified water and power using a system having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit,
The method according to claim 1, wherein heat exchange is performed between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit.

正浸透システムにより製造される浄水の一部を燃料電池の熱回収用浄水として利用することにより、浄水インフラを持たない地域においても燃料電池を効率良く稼働することが可能となる。また、燃料電池から温水の形態で回収された熱を正浸透システムの熱源として利用することにより、システム全体の稼働コストが重畳的に低廉化される。
更に、正浸透システムは比較的小さな電力で駆動することができるから、燃料電池が発電した電力の一部を正浸透システムに流用したとしても、得られた電力の大部分は、例えば新興国における家庭用電源、医療設備の主電源等として利用可能である。
そして、本発明のシステム及び方法は、他のインフラ設備から離隔した独立のシステムとして稼働して、浄水及び電力を供給することができる。従って、該システム及び方法は、浄水、発電設備等の基本的なインフラが整っていない僻地、未開地、新興国等における給水・給電に好適である。
By using a part of the purified water produced by the forward osmosis system as the purified water for heat recovery of the fuel cell, the fuel cell can be efficiently operated even in an area without a water purification infrastructure. Further, by using the heat recovered from the fuel cell in the form of hot water as a heat source for the forward osmosis system, the operating cost of the entire system is reduced in a superimposed manner.
Furthermore, since the forward osmosis system can be driven with relatively small electric power, even if a part of the electric power generated by the fuel cell is diverted to the forward osmosis system, most of the obtained electric power is, for example, in emerging countries. It can be used as a household power source, a main power source for medical equipment, and the like.
And the system and method of this invention can operate | move as an independent system separated from other infrastructure facilities, and can supply purified water and electric power. Therefore, the system and method are suitable for water supply / power supply in remote areas, undeveloped land, emerging countries, etc. where basic infrastructure such as water purification and power generation facilities is not established.

本実施の形態におけるシステムの一形態についての動作原理を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the operation principle about one form of the system in this Embodiment. 本実施の形態におけるシステムの別の形態についての動作原理を説明するための概略図。Schematic for demonstrating the principle of operation about another form of the system in this Embodiment. 本実施の形態におけるシステムの一態様を示す概略図。Schematic which shows the one aspect | mode of the system in this Embodiment. 本実施の別の形態におけるシステムの一態様を示す概略図。Schematic which shows the one aspect | mode of the system in another form of this Embodiment.

本発明のシステムは、
正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有する、浄水及び電力を供給するためのシステムであって、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間で熱交換を行うこと
を特徴とする。
The system of the present invention
A system for supplying purified water and power having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit,
Heat exchange is performed between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit.

<正浸透浄水ユニット>
本実施の形態における正浸透浄水ユニットは、浄化するべき原水が流通する供給側領域と、ドロー溶液が流通する引き抜き側領域と、が半透膜を介して隣接する正浸透抽出部、及び
抽出後のドロー溶液から溶質を除去して浄水を分離回収する分離回収部
を有する。
前記の浄化するべき原水としては、例えば海水、汽水、排水、汚染水、低質水道水、及びその他の水溶液であることができる。
以下、正浸透浄水ユニットに関連するドロー溶液、半透膜、及び分離回収部について説明する。
<Normal osmosis water purification unit>
The forward osmosis water purification unit in the present embodiment is a forward osmosis extraction unit in which a supply side region through which raw water to be circulated circulates and a draw-out side region through which a draw solution circulates are interposed via a semipermeable membrane, and after extraction A separation / recovery unit for removing solute from the draw solution and separating and recovering purified water.
Examples of the raw water to be purified include seawater, brackish water, drainage, contaminated water, low-quality tap water, and other aqueous solutions.
Hereinafter, the draw solution, semipermeable membrane, and separation / recovery unit related to the forward osmosis water purification unit will be described.

[ドロー溶液]
本実施の形態で用いられるドロー溶液は、水と分離可能な溶質を高濃度で含有する。溶質は、水に高濃度で溶解することが可能であるとともに、原水から水を抽出した後には容易に水から分離できることを要する。ここでいう「分離」とは、溶液から気体として離脱することによる分離、溶液が多層化することによる分離、固体として析出することによる分離、化学結合の形成によって拘束されることによる分離等のいずれであってもよい。
従って、本実施の形態で用いられる溶質としては、溶解度の温度依存性が大きい溶質、温度変化によって拘束・遊離状態が相互に変換し得る溶質、低温においてガス化する溶質、pH変化による溶解度の差が大きい溶質、磁気の印加によって分離可能な溶質等を例示することができる。
本実施の形態においては、燃料電池から回収された熱を利用することが可能であること;及び
後述の分離回収部による溶質回収の場面におけるハンドリング性
等の観点から、溶解度の温度依存性が大きい溶質、低温においてガス化する溶質、又は温度変化によって拘束・遊離状態が相互に変換し得る溶質を使用することが好ましい。このような溶質の具体例としては、例えば以下の溶質を挙げることができる。
[Draw solution]
The draw solution used in the present embodiment contains a solute separable from water at a high concentration. The solute needs to be able to dissolve in water at a high concentration and be easily separated from water after extracting the water from the raw water. The term “separation” as used herein refers to any of separation by separating from the solution as a gas, separation by multilayering of the solution, separation by precipitation as a solid, separation by restraint by formation of a chemical bond, etc. It may be.
Therefore, the solute used in the present embodiment includes a solute having a large temperature dependency of solubility, a solute that can be constrained and released by the temperature change, a solute that is gasified at a low temperature, and a difference in solubility due to pH change. Examples of solutes having a large size, solutes that can be separated by application of magnetism, and the like.
In the present embodiment, it is possible to use the heat recovered from the fuel cell; and the temperature dependency of the solubility is large from the viewpoint of handling property in the solute recovery scene by the separation recovery unit described later. It is preferable to use a solute, a solute that gasifies at a low temperature, or a solute that can be converted into a restraint / free state by a change in temperature. Specific examples of such solutes include the following solutes.

溶解度の温度依存性が大きい溶質としては、例えばジオール(共)重合体を挙げることができる。ジオール(共)重合体としては、例えば1,2−エタンジオール(エチレングリコール)、1,2−プロパンジオール(プロピレングリコール)、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,3−ペンタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,2−シクロヘキサンジオール、1,3−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−ヘプタンジオール、1,7−ヘプタンジオール、3,4−ヘプタンジオール、ジエチレングリコール、及びネオペンチルグリコールから成る群より選択されるジオールの単独重合体、並びに、これらジオールの2種以上の共重合体を例示することができる。これらのうち、プロピレングリコールの単独重合体、又はエチレングリコールとプロピレングリコールとの共重合体が好ましい。後者の場合、共重合の形式は、ランダム共重合、ブロック共重合、グラフト共重合等の他、これらの組み合わせであってもよい。   Examples of the solute having a large temperature dependency of solubility include a diol (co) polymer. Examples of the diol (co) polymer include 1,2-ethanediol (ethylene glycol), 1,2-propanediol (propylene glycol), 1,3-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3- Butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, 1,2-pentanediol, 1,3-pentanediol, 1,5-pentanediol, 1,2-hexanediol, 1,6-hexane Diol, 1,2-cyclohexanediol, 1,3-cyclohexanediol, 1,4-cyclohexanediol, 1,4-heptanediol, 1,7-heptanediol, 3,4-heptanediol, diethylene glycol, and neopentyl glycol Homopolymers of diols selected from the group consisting of, and these diols It can be exemplified a copolymer of two or more of. Among these, a homopolymer of propylene glycol or a copolymer of ethylene glycol and propylene glycol is preferable. In the latter case, the form of copolymerization may be random copolymerization, block copolymerization, graft copolymerization, or a combination thereof.

ジオール(共)重合体について、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定したポリスチレン換算の重量平均分子量は、好ましくは500〜10,000であり、より好ましくは500〜5,000であり、特に500〜3,000であることが好ましい。このような分子量のジオール(共)重合体は水に対する溶解度が高いから、本実施の形態において好適に使用できる高い浸透圧を示すドロー溶液を容易に調製することができる点で、好ましい。   For the diol (co) polymer, the weight average molecular weight in terms of polystyrene measured by gel permeation chromatography is preferably 500 to 10,000, more preferably 500 to 5,000, and particularly 500 to 3 ,. 000 is preferred. Since the diol (co) polymer having such a molecular weight has high solubility in water, it is preferable in that a draw solution showing a high osmotic pressure that can be suitably used in the present embodiment can be easily prepared.

これらのジオール(共)重合体は、低温においては高い水溶性を有するが、高温では水溶性が著しく下がり、水から分離して油滴を形成する。従って、原水から水を抽出した後のドロー溶液を加熱することによって、ジオール(共)重合体を分離し、浄水のみを容易に回収することが可能となる。   These diol (co) polymers have high water solubility at low temperatures, but the water solubility is significantly reduced at high temperatures and separate from water to form oil droplets. Therefore, by heating the draw solution after extracting water from the raw water, it becomes possible to separate the diol (co) polymer and easily recover only purified water.

低温においてガス化する溶質としては、例えば、揮発性カチオン源と、揮発性アニオン源と、の組み合わせから成る溶質を挙げることができる。前記揮発性カチオン源としては、例えばNH、R−NH、R−N(ここで、Rは炭素数1〜10のアルキル基である。)等を;
前記揮発性アニオン源としては、例えばCO、HS等を、
それぞれ挙げることができる。
これらの揮発性溶質の組み合わせは、低温においてはカチオン−アニオン対から成る塩を形成して水に高濃度で溶解するが、高温では元の揮発性ガスに戻る。従って、原水から水を抽出した後のドロー溶液を加熱することによって、これらの揮発性ガスを分離し、浄水のみを容易に回収することが可能となる。
Examples of the solute that gasifies at a low temperature include a solute composed of a combination of a volatile cation source and a volatile anion source. Examples of the volatile cation source include NH 3 , R—NH 2 , R 3 —N (where R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms) and the like;
Examples of the volatile anion source include CO 2 and H 2 S.
Each can be mentioned.
These volatile solute combinations form a salt consisting of a cation-anion pair at a low temperature and dissolve in water at a high concentration, but return to the original volatile gas at a high temperature. Therefore, by heating the draw solution after extracting the water from the raw water, it becomes possible to separate these volatile gases and easily recover only the purified water.

温度変化によって拘束・遊離状態が相互に変換し得る溶質としては、例えばジエン化合物等を挙げることができる。ジエン化合物は、高温においては遊離状態で溶媒中に溶解しているが、低温においてはジエノフィル(dienophile、親ジエン体)との間のディールスアルダー反応によって新規な結合を形成する。従って、ジエノフィルを適当な担体に担持した状態でジエン化合物と接触させることにより、ドロー溶液から該ジエン化合物を除去することができる。また、この反応は可逆であり、系を高温とすることによってジエン化合物が遊離するから、容易にドロー溶液を再生することができる。
このようなジエン化合物としては、例えばシクロペンタジエン等を;
前記ジエノフィルとしては、例えばマレイン酸等を;
前記担体としては、例えばシリカ等を、それぞれ挙げることができる。
Examples of solutes whose restraint / free state can be mutually converted by temperature change include diene compounds. The diene compound is dissolved in the solvent in a free state at a high temperature, but forms a new bond by a Diels-Alder reaction with a dienophile (parent diene body) at a low temperature. Therefore, the diene compound can be removed from the draw solution by bringing the dienophile into contact with the diene compound in a state of being supported on a suitable carrier. Further, this reaction is reversible, and the draw solution can be easily regenerated because the diene compound is liberated by raising the temperature of the system.
Examples of such diene compounds include cyclopentadiene and the like;
Examples of the dienophile include maleic acid;
Examples of the carrier include silica.

本実施の形態で用いられるドロー溶液は、低温において溶質を高濃度で含有する溶液であって高温において溶液から溶質が除去される方が、高温において高濃度溶液であって低温において溶液から溶質が除去されるよりも有利である。その理由は、このような溶質は相転移によって溶解度が変化するため、溶質の分離点が明確に表れ、従ってドロー溶液からの溶質の分離が容易且つ確実・完全に行われ得るからである。このような理由により、本実施の形態で用いられるドロー溶液の溶質としては、上記のうち、溶解度の温度依存性が大きく、ただし、低温における溶解性の方が大きい溶質、又は低温においてガス化する溶質であることが好ましい。
本実施の形態で用いられるドロー溶液は、上記のような溶質以外に、例えばpH調整剤、粘度調整剤、色素、防かび剤、防錆剤等のその他の成分を更に含有していてもよい。しかしながら、得られる浄水の純度を可及的に向上するためには、これらその他の成分を含有しないことが好ましい。
The draw solution used in the present embodiment is a solution containing a high concentration of solute at a low temperature, and the solute is removed from the solution at a high temperature. It is more advantageous than being removed. The reason for this is that the solubility of such a solute changes due to the phase transition, so that the separation point of the solute appears clearly, so that the separation of the solute from the draw solution can be performed easily, reliably and completely. For these reasons, as the solute of the draw solution used in the present embodiment, among the above, the solubility has a large temperature dependency, but the solute has a higher solubility at a low temperature, or gasifies at a low temperature. Preferably it is a solute.
In addition to the solute as described above, the draw solution used in the present embodiment may further contain other components such as a pH adjusting agent, a viscosity adjusting agent, a pigment, a fungicide, and a rust inhibitor. . However, in order to improve the purity of the purified water obtained as much as possible, it is preferable not to contain these other components.

本実施の形態で用いられるドロー溶液の浸透圧は、水の抽出能力及び抽出速度を高くするとの観点から、抽出温度(例えば25℃)において、10kgf/cm以上とすることが好ましい。一方で、浸透圧を半透膜が耐え得る範囲に抑制するために、抽出温度において、200kgf/cm以下とすることが好ましい。ドロー溶液の浸透圧の範囲は、30〜150kgf/cmとすることがより好ましく、特に50〜100kgf/cmとすることが好ましい。
このような浸透圧を示すための溶質濃度は、溶質が例えば揮発性カチオン源と揮発性アニオン源との組み合わせから成る場合には、van’t Hoff式を用いる計算により、容易に求めることができる。溶質がジオール(共)重合体である場合、ドロー溶液の浸透圧は、重合体の構造及び分子量に依存して広い範囲の値を採りうる。しかしながらこの場合の適当な溶質濃度は、当業者による少しの予備実験により、容易に決定することができる。
The osmotic pressure of the draw solution used in the present embodiment is preferably 10 kgf / cm 2 or more at the extraction temperature (for example, 25 ° C.) from the viewpoint of increasing the water extraction capability and the extraction speed. On the other hand, in order to suppress the osmotic pressure within a range that the semipermeable membrane can withstand, it is preferable that the extraction temperature is 200 kgf / cm 2 or less. Range of osmolality draw solution, more preferably, to 30~150kgf / cm 2, it is preferable that the particular 50~100kgf / cm 2.
The solute concentration for indicating such osmotic pressure can be easily obtained by calculation using the van't Hoff equation when the solute is composed of, for example, a combination of a volatile cation source and a volatile anion source. . When the solute is a diol (co) polymer, the osmotic pressure of the draw solution can take a wide range of values depending on the structure and molecular weight of the polymer. However, the appropriate solute concentration in this case can be readily determined by a few preliminary experiments by those skilled in the art.

[半透膜]
本実施の形態で用いられる半透膜は、例えば酢酸セルロース、芳香族ポリアミド、芳香族スルホン、ポリベンゾイミダゾール、グラフェン等から成る膜であることができる。これらの半透膜は、親水性のイオン(例えばスルホン酸イオン等)によって修飾されていてもよい。
半透膜の形状としては、例えば平膜、スパイラル型平膜、中空糸膜等の適宜の形状であることができる。
半透膜は、適宜のモジュールに収納された状態で使用されることが好ましい。ここで使用されるモジュールとしては、例えば円筒形モジュール、かせ型モジュール、スタック型モジュール等を挙げることができる。
[Semipermeable membrane]
The semipermeable membrane used in the present embodiment can be a membrane made of, for example, cellulose acetate, aromatic polyamide, aromatic sulfone, polybenzimidazole, graphene, or the like. These semipermeable membranes may be modified with hydrophilic ions (for example, sulfonate ions).
The shape of the semipermeable membrane may be an appropriate shape such as a flat membrane, a spiral flat membrane, or a hollow fiber membrane.
The semipermeable membrane is preferably used in a state of being accommodated in an appropriate module. Examples of the module used here include a cylindrical module, a skein module, and a stack module.

[分離回収部]
本実施の形態における分離回収部は、抽出後のドロー溶液から、浄水と溶質とを分離する機能を有する。
供給された原水から水を抽出した後の水リッチドロー溶液は、後述のように昇温された状態で分離回収部に供給される。昇温によってドロー溶液中の溶質は水溶性が著しく減じるから、供給液中の溶質は分離回収部内で溶液から分離する。ここで、溶質が例えばジオール(共)重合体である場合には、供給液は、溶質を実質的に含有しない水リッチな部分と、溶質を高濃度で含有する溶質リッチな部分と、が分散した状態となる。溶質が、例えば揮発性カチオン源と揮発性アニオン源とから成る場合には、昇温によって溶質は気化して、溶液から離脱する。
そこで、適当な分離回収手段により、溶質リッチな部分を(必要に応じてこれを凝集させたうえで)水リッチな部分と分離することにより、溶質及び(粗)浄水を、それぞれ回収することができる。
[Separation and recovery unit]
The separation and recovery unit in the present embodiment has a function of separating purified water and solute from the extracted draw solution.
The water-rich draw solution after extracting water from the supplied raw water is supplied to the separation and recovery unit in a heated state as will be described later. Since the water solubility of the solute in the draw solution is remarkably reduced by increasing the temperature, the solute in the feed solution is separated from the solution in the separation and recovery unit. Here, when the solute is, for example, a diol (co) polymer, the supply liquid is dispersed with a water-rich portion substantially containing no solute and a solute-rich portion containing the solute at a high concentration. It will be in the state. In the case where the solute is composed of, for example, a volatile cation source and a volatile anion source, the solute is vaporized by the temperature rise and detached from the solution.
Therefore, by separating the solute-rich part from the water-rich part (after aggregating it if necessary) by appropriate separation and recovery means, the solute and (crude) purified water can be recovered respectively. it can.

分離回収部における分離回収手段としては、例えば分離槽、コアレッサ、遠心分離器、ナノフィルター等を挙げることができる。
分離槽は、浄水と溶質とを比重差により分離する機能を有する。この分離槽は、供給液が溶質リッチ層と(粗)浄水層とに分離し、各層からの流れを生成するような大きさ及び滞留時間を持つタンクであることが好ましい。
コアレッサは、溶液から分離した溶質リッチな部分が層を形成して明確な2層をなすに至らない状態を示す場合に好ましく使用される。このような状態としては、例えば、溶質リッチな部分が(粗)浄水中に油滴として分散している状態等を挙げることができる。コアレッサとしては、溶質リッチな小滴を、(粗)浄水から分離した層を形成する程度に成長させるための油分分離フィルター(例えばガラス製のクロス、不織布等)を内包したタンク、チューブ等であることができる。このコアレッサは、水リッチドロー溶液から溶質を分離して、溶質リッチ流と(粗)浄水流とを生成するような大きさ及び滞留時間を持つように設計される。
遠心分離器は、溶質がドロー溶液から固体として析出する場合に好ましく使用される。
Examples of the separation / recovery means in the separation / recovery unit include a separation tank, a coalescer, a centrifuge, and a nanofilter.
The separation tank has a function of separating purified water and solute by specific gravity difference. This separation tank is preferably a tank having a size and a residence time such that the feed liquid is separated into a solute-rich layer and a (coarse) purified water layer, and a flow from each layer is generated.
The coalescer is preferably used when the solute-rich portion separated from the solution shows a state in which the layer does not form two distinct layers. As such a state, for example, a state where a solute-rich portion is dispersed as oil droplets in (coarse) purified water can be exemplified. The coalescer is a tank or tube containing an oil separation filter (for example, a glass cloth, non-woven fabric, etc.) for growing solute-rich droplets to the extent that a layer separated from (coarse) purified water is formed. be able to. The coalescer is designed to have a size and residence time that separates the solute from the water-rich draw solution to produce a solute-rich stream and a (coarse) purified water stream.
The centrifuge is preferably used when the solute is precipitated as a solid from the draw solution.

前記ナノフィルターは、例えば孔径5〜50nmの微細孔を有するフィルターから成ることが好ましい。このようなフィルターは、通過する水溶液中の溶質を捕捉して、水だけを通過させることができる。
分離回収手段としては、前記のうちのいずれか1種のみを使用してもよいし、2種以上を接続して使用してもよい。同種の分離回収手段は、1個だけを使用してもよいし、2個以上を接続して使用してもよい。複数の分離回収手段を接続して使用する場合には、直列及び並列のどちらであってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。
本実施形態の正浸透浄水ユニットにおける分離回収手段としては、溶質リッチな部分の分離の状態に応じて、分離槽、コアレッサ、及び遠心分離器のいずれかを使用するか、或いはこれらのいずれかとナノフィルターとを直列に接続して使用することが好ましい。
The nanofilter is preferably a filter having fine pores with a pore diameter of 5 to 50 nm, for example. Such a filter can capture the solute in the aqueous solution passing therethrough and allow only water to pass through.
As the separation and recovery means, only one of the above may be used, or two or more may be connected and used. Only one separation / collection means of the same kind may be used, or two or more may be connected and used. When a plurality of separation and recovery means are connected and used, they may be in series or in parallel, or a combination thereof.
As the separation and recovery means in the forward osmosis water purification unit of this embodiment, either a separation tank, a coalescer, or a centrifuge is used according to the state of separation of the solute-rich portion, or one of these is nano-sized. It is preferable to use a filter connected in series.

[正浸透浄水ユニットの規模]
正浸透浄水ユニットにおける浄水の規模は、前記半透膜の面積によって概ね定まる。
ここで、一般的に先進的な生活をするために必要な浄水の量は、1日1世帯当たり約300Lと概算されている。この量の浄水を確保するためには、1世帯当たり30L/時間の浄水規模を要する。
本実施形態のシステムの利益を享受する地域単位の世帯数を1〜20世帯程度と見積もると、浄水規模として30〜600L/時間の能力を要することとなる。また、病院使用については、本実施形態のシステムの設置が想定される地域における病院の規模を考慮すると、標準世帯の5〜10世帯程度に相当する浄水を要すると思われるから、その浄水規模は前記の範囲に包含される。前記の規模の浄水を可能とするための半透膜の面積は、50〜2,000m程度と計算できる。本実施形態の正浸透浄水ユニットにおけるより好ましい半透膜の面積として、例えば80〜1,000mとの数値範囲を例示することができる。しかしながら、所望の浄水規模に対応する半透膜の面積については、ドロー溶液及び半透膜それぞれの性能、及び両者の相性、並びに浄化すべき原水の水質レベル(例えば塩濃度)等の寄与が大きいから、上記の数値範囲に限定されるものではない。
[Scale of forward osmosis water purification unit]
The scale of the purified water in the forward osmosis water purification unit is generally determined by the area of the semipermeable membrane.
Here, the amount of purified water generally required for an advanced life is estimated to be about 300 L per household per day. In order to secure this amount of purified water, a water purification scale of 30 L / hour per household is required.
If the number of households in the region unit that enjoys the benefits of the system of the present embodiment is estimated to be about 1 to 20 households, a capacity of 30 to 600 L / hour is required as the water purification scale. In addition, regarding hospital use, considering the scale of the hospital in the area where the system of the present embodiment is assumed, it is thought that clean water equivalent to about 5 to 10 standard households is required. Included in the above range. The area of the semipermeable membrane for enabling the above-described water purification can be calculated to be about 50 to 2,000 m 2 . As a more preferable area of the semipermeable membrane in the forward osmosis water purification unit of the present embodiment, for example, a numerical range of 80 to 1,000 m 2 can be exemplified. However, as for the area of the semipermeable membrane corresponding to the desired water purification scale, the contributions of the performance of the draw solution and the semipermeable membrane, the compatibility of both, and the water quality level of the raw water to be purified (eg salt concentration) are large. Therefore, the present invention is not limited to the above numerical range.

<燃料電池ユニット>
本実施の形態における燃料電池ユニットは、
原料ガスを改質して水素を発生する改質器、及び
前記改質器から供給される水素と、空気と、の反応により発電を行う燃料電池
を有する。これら以外に、例えば脱硫器、加湿器、選択酸化器等を更に有していてもよい。
<Fuel cell unit>
The fuel cell unit in the present embodiment is
It has a reformer that reforms the raw material gas to generate hydrogen, and a fuel cell that generates power by reaction of hydrogen supplied from the reformer and air. In addition to these, for example, a desulfurizer, a humidifier, a selective oxidizer, and the like may be further included.

[改質器]
改質器は、原料ガスを改質して水素を発生する機能を有する。
原料ガスとしては、例えばメタンガス、エタンガス、プロパンガス、ブタンガス、一酸化炭素ガス、石炭ガス、天然ガス、バイオガス、メタノール、エタノール等を使用することができる。これらのうち、メタンガスは都市ガスとして、その他の液化石油ガスはボンベの充填された形態で、それぞれ供給される。
このような原料ガスを改質するには、例えば水蒸気改質、部分酸化改質、オートサーマル改質、熱分解等の適宜の方法によることができる。
前記水蒸気改質は、原料ガスと水蒸気とを適当な触媒上に供給することにより、行われる。改質触媒としては、例えばニッケル、ニッケル−カリウム、貴金属(例えば白金、ロジウム、ルテニウム等)等を、適当な担体(例えばアルミナ等)に担持した触媒を挙げることができる。作動温度は、例えば700〜1,200℃とすることができる。
[Reformer]
The reformer has a function of reforming the raw material gas to generate hydrogen.
As source gas, methane gas, ethane gas, propane gas, butane gas, carbon monoxide gas, coal gas, natural gas, biogas, methanol, ethanol etc. can be used, for example. Of these, methane gas is supplied as city gas, and other liquefied petroleum gas is supplied in the form of filled cylinders.
Such a raw material gas can be reformed by an appropriate method such as steam reforming, partial oxidation reforming, autothermal reforming, or thermal decomposition.
The steam reforming is performed by supplying a raw material gas and steam onto a suitable catalyst. Examples of the reforming catalyst include a catalyst in which nickel, nickel-potassium, noble metal (eg, platinum, rhodium, ruthenium, etc.) is supported on an appropriate carrier (eg, alumina, etc.). The operating temperature can be, for example, 700 to 1,200 ° C.

前記部分酸化改質は、原料ガスを適当量の酸素(空気)とともに無触媒で高温(例えば1,200〜1,500℃)に加熱することによって行われる。
前記オートサーマル改質は、原料ガスと水蒸気と酸化剤(酸素、空気等)とを適当な触媒上に供給することにより、行われる。この場合の触媒としては、例えばニッケル、貴金属(例えば白金、ロジウム等)等を、適当な担体(例えばアルミナ、ジルコニア、セリア等、或いはこれらの複数から成る固溶体等)に担持した触媒を挙げることができる。作動温度は、例えば150〜400℃とすることができる。
このような改質を行う改質器は、1個のみを使用してもよいし、或いは複数個を並列又は直列に接続して使用してもよい。
The partial oxidation reforming is performed by heating the raw material gas together with an appropriate amount of oxygen (air) to a high temperature (for example, 1,200 to 1,500 ° C.) without a catalyst.
The autothermal reforming is performed by supplying a raw material gas, water vapor, and an oxidizing agent (oxygen, air, etc.) onto a suitable catalyst. Examples of the catalyst in this case include a catalyst in which nickel, a noble metal (eg, platinum, rhodium, etc.) is supported on an appropriate carrier (eg, alumina, zirconia, ceria, etc., or a solid solution composed of a plurality of these). it can. The operating temperature can be, for example, 150 to 400 ° C.
Only one reformer that performs such reforming may be used, or a plurality of reformers may be connected in parallel or in series.

[燃料電池]
本実施の形態における燃料電池は、前記の改質器から供給される水素と、酸素と、の反応により発電を行う機能を有する。この燃料電池は、
前記の改質器によって発生した水素が供給されるアノードと、
酸素が供給されるカソードと、
前記アノード及びカソードに挟持された電解質と、
を有する。前記の酸素は、空気として供給されてもよい。
本実施の形態における燃料電池は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、アルカリ燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等の適宜の方式であることができる。これらのうち、発電量、メンテナンスの容易性、作動温度等の観点から、固体高分子型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池を使用することが好ましい。
[Fuel cell]
The fuel cell in the present embodiment has a function of generating electric power by a reaction between hydrogen supplied from the reformer and oxygen. This fuel cell
An anode supplied with hydrogen generated by the reformer;
A cathode to which oxygen is supplied;
An electrolyte sandwiched between the anode and the cathode;
Have The oxygen may be supplied as air.
The fuel cell in the present embodiment can be of an appropriate system such as a solid polymer fuel cell, a solid oxide fuel cell, an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, or a molten carbonate fuel cell. Among these, it is preferable to use a polymer electrolyte fuel cell or a solid oxide fuel cell from the viewpoint of power generation, ease of maintenance, operating temperature, and the like.

前記固体高分子型燃料電池は、電解質としてイオン伝導性を有する高分子膜(イオン交換膜)を用いる燃料電池である。本実施の態様における固体高分子型燃料電池の電解質としては、例えばスルホン化されたフッ素系ポリマー等が好ましい。具体的には、例えばスルホン化ポリテトラフルオロエチレン等を挙げることができる。
固体高分子型燃料電池のアノードとしては、例えばカーボンブラック上に、白金触媒、又はルテニウム−白金合金触媒を担持したものを;
カソードとしては、例えばカーボンブラック上に白金触媒を担持したものを
それぞれ用いることができる。
固体高分子型燃料電池の作動温度としては、電池の耐久性の観点から比較的低温に設定することが好ましく、例えば70〜100℃とすることができ、好ましくは80〜90℃である。固体高分子型燃料電池をこのような温度範囲において作動させることにより、高い発電効率と、浄水・電力供給システム全体としての高い熱効率を同時に実現することができ、好ましい。
The polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using an ion conductive polymer membrane (ion exchange membrane) as an electrolyte. As the electrolyte of the solid polymer fuel cell in the present embodiment, for example, a sulfonated fluorine-based polymer is preferable. Specific examples include sulfonated polytetrafluoroethylene.
As an anode of a polymer electrolyte fuel cell, for example, a catalyst in which a platinum catalyst or a ruthenium-platinum alloy catalyst is supported on carbon black;
As the cathode, for example, carbon black carrying a platinum catalyst can be used.
The operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is preferably set to a relatively low temperature from the viewpoint of battery durability, and can be set to, for example, 70 to 100 ° C, and preferably 80 to 90 ° C. By operating the polymer electrolyte fuel cell in such a temperature range, high power generation efficiency and high thermal efficiency as a whole water purification / power supply system can be realized at the same time, which is preferable.

前記固体酸化物型燃料電池は、電解質としてイオン伝導性セラミクスを用いる燃料電池である。本実施の態様における固体酸化物型燃料電池の電解質としては、例えば安定化ジルコニア、ペロブスカイト等を挙げることができる。
固体酸化物型燃料電池のアノードとしては、例えばジルコニアサーメット(金属成分は好ましくはニッケル)等を;
カソードとしては、例えば貴金属(例えば白金等)、電子伝導性酸化物、電子・イオン伝導性セラミクス(例えばストロンチウムをドープしたランタン−マンガン複合酸化物等)を、それぞれ挙げることができる。
固体酸化物型燃料電池の作動温度は、好ましくは800〜1,000℃であり、より好ましくは800〜900℃である。
The solid oxide fuel cell is a fuel cell using ion conductive ceramics as an electrolyte. Examples of the electrolyte of the solid oxide fuel cell in the present embodiment include stabilized zirconia and perovskite.
As an anode of a solid oxide fuel cell, for example, zirconia cermet (metal component is preferably nickel) or the like;
Examples of the cathode include noble metals (for example, platinum), electron conductive oxides, and electron / ion conductive ceramics (for example, lanthanum-manganese composite oxide doped with strontium).
The operating temperature of the solid oxide fuel cell is preferably 800 to 1,000 ° C, more preferably 800 to 900 ° C.

本実施の形態において、燃料電池は、単セルとして使用してもよいし、或いは例えばバイポーラープレートの複数を積層して成るスタックとして使用してもよい。
単セルの起電力は、固体高分子型燃料電池の場合約0.75Vであり、固体酸化物型燃料電池の場合約0.8Vである。本実施の形態の用途においては、15〜100V程度の起電力が必要となることが想定されるため、20〜120個程度のバイポーラープレートを積層したスタックとして使用することが好ましい。
燃料電池は、適当なマニホールド内に収納された状態で使用されることが好ましい。
In the present embodiment, the fuel cell may be used as a single cell, or may be used as a stack formed by stacking a plurality of bipolar plates, for example.
The electromotive force of a single cell is about 0.75 V in the case of a polymer electrolyte fuel cell, and about 0.8 V in the case of a solid oxide fuel cell. In the application of the present embodiment, it is assumed that an electromotive force of about 15 to 100 V is required. Therefore, it is preferable to use the stack as a stack of about 20 to 120 bipolar plates.
The fuel cell is preferably used in a state of being housed in a suitable manifold.

[脱硫器]
前記した原料ガスのうち、天然由来のものは有機硫黄化合物を含有している場合がある。有機硫黄化合物は、燃料電池の触媒毒として働くことが多い。従って、燃料電池ユニットが脱硫器を備えることには意味がある。原料ガスが有機硫黄化合物を含有している場合には、前記の改質器による処理に先立って、或いは改質器による処理の後に、脱硫器によって脱硫処理されることが好ましい。
脱硫は、適当な触媒の存在下における水素化脱硫反応によって有機硫黄化合物を硫化水素に変換した後、該硫化水素を適当な吸収剤に吸収させて除去する方法によることが好ましい。水素化脱硫触媒としては、例えばニッケル−モリブデン複合酸化物、コバルト−モリブデン複合酸化物等を;
吸収剤としては、例えば酸化亜鉛等を、それぞれ挙げることができる。
[Desulfurizer]
Of the above-described source gases, naturally derived ones may contain an organic sulfur compound. Organic sulfur compounds often act as catalyst poisons for fuel cells. Therefore, it is meaningful that the fuel cell unit includes a desulfurizer. When the raw material gas contains an organic sulfur compound, it is preferably desulfurized by a desulfurizer prior to the treatment by the reformer or after the treatment by the reformer.
The desulfurization is preferably performed by a method in which an organic sulfur compound is converted into hydrogen sulfide by a hydrodesulfurization reaction in the presence of a suitable catalyst, and then the hydrogen sulfide is absorbed and removed by a suitable absorbent. Examples of the hydrodesulfurization catalyst include nickel-molybdenum composite oxide and cobalt-molybdenum composite oxide;
Examples of the absorbent include zinc oxide and the like.

[燃料電池ユニットの規模]
燃料電池ユニットにおける発電量の規模は、電力量(単位:Wh)で表される。
ここで、新興国における電力の必要量は、1日1世帯当たり約300〜400Whと見積もられている。
本実施の形態によるシステムを新興国に適用する場合、その発電量を設定する際には、新興国における以下の電力事情が考慮されるべきである。即ち、新興国の電力事情は;
(1)もともとの発電能力の絶対量が少ないこと、
(2)電力需要が多く、電力の供給が追い付かないこと、及び
(3)発電してもグリッド(電力配送システム)が脆弱であるため、効率よく送電できないこと
を特徴とする。
[Scale of fuel cell unit]
The scale of the power generation amount in the fuel cell unit is represented by the amount of power (unit: Wh).
Here, the required amount of electric power in the emerging countries is estimated to be about 300 to 400 Wh per household per day.
When the system according to the present embodiment is applied to an emerging country, the following power situation in the emerging country should be considered when setting the amount of power generation. That is, the power situation in emerging countries:
(1) The original absolute amount of power generation capacity is small,
(2) Power demand is large and power supply cannot catch up. (3) Even if power is generated, the grid (power distribution system) is fragile, so it cannot transmit power efficiently.

上記の理由より、電力の需給バランスが崩れ易く、従って停電が起こり易い。特に夏場は、電力需要が増大し、頻繁に長時間停電する傾向がある。新興国における停電時の対策としては、停電が復活するまで待つか、或いは電力を別ルートから得ることによっている。富裕層は、一般送電以外の電力源を持つことは可能であるが、この場合であっても、扇風機及び照明用の補助電源として鉛蓄電池を保有するにすぎない。
本実施形態のシステムは、既存の配電グリッドに頼らずに、供給が比較的安定している燃料ガスを原料とした分散発電が可能である点で優れている。そのため、一般家庭のみならず、電力を安定的に受けるべき例えば病院等に対しても、必要量の電力を安定的に供給できるのである。
For the above reasons, the power supply / demand balance is likely to be disrupted, and therefore a power failure is likely to occur. Especially in the summer, there is a tendency for power demand to increase and frequent power outages. As countermeasures in the event of a power failure in emerging countries, it is possible to wait until the power failure is restored or to obtain power from another route. It is possible for the wealthy to have a power source other than general power transmission, but even in this case, they only have lead-acid batteries as an auxiliary power source for the fan and lighting.
The system of the present embodiment is excellent in that it can perform distributed power generation using fuel gas whose supply is relatively stable without relying on an existing distribution grid as a raw material. Therefore, it is possible to stably supply the necessary amount of power not only to ordinary households but also to hospitals and the like that should receive power stably.

本実施形態のシステムは、独立した戸建住宅であっても、戸建住宅がある程度集まったコニュニティーであっても、世帯が数家族集まったアパートメントであっても、発電及び浄水の必要量に合わせて規模を選択して設置すればよい。例えば、本実施形態のシステムの利益を享受する地域単位の世帯数を1〜20世帯程度と見積もると、発電量の規模として300〜8,000Wh/日の能力を要することとなる。病院使用については、本実施形態のシステムの設置が想定される地域における病院の規模を考慮すると、その必要電力は標準世帯の5〜10世帯分程度と考えられるから、前記の範囲に包含される。発電規模は、好ましくは500〜3,000Wh/日である。   The system of this embodiment can be adapted to the required amount of power generation and water purification, whether it is an independent detached house, a community where detached houses are gathered to some extent, or an apartment where several households are gathered. Select the scale and install. For example, if the number of households in the region unit that enjoys the benefits of the system of the present embodiment is estimated to be about 1 to 20 households, a capacity of 300 to 8,000 Wh / day is required as the scale of power generation. Regarding hospital use, considering the scale of the hospital in the area where the system of the present embodiment is assumed, the necessary power is considered to be about 5 to 10 households of standard households, and thus is included in the above range. . The power generation scale is preferably 500 to 3,000 Wh / day.

<正浸透浄水ユニットの規模と燃料電池ユニットの規模との組み合わせ>
正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとは、これらの規模が授受する熱量の点で適合する組み合わせを選択することが好ましい。即ち、正浸透浄水ユニットは、燃料電池ユニットを十分に冷却し得る程度には大きい必要がある反面、燃料電池ユニットからの熱によって稼働し得る程度には小さい必要がある。
以下に、両者の好ましい組み合わせについて、稼働温度が異なる固体高分子型燃料電池の場合と固体酸化物型燃料電池の場合とに分けて、順に説明する。
燃料電池として固体高分子型燃料電池を用いる場合、その発電能力は、正浸透浄水ユニットの浄水生産量1Lに対する燃料電池の発電量として、50W以上とすることが好ましく、1,200〜1,800Wとすることがより好ましい。この場合、浄水1m当たりの発電量は、40〜60kWh程度になる。
<Combination of scale of forward osmosis water purification unit and fuel cell unit>
For the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit, it is preferable to select a combination that is suitable in terms of the amount of heat that these scales give and receive. That is, the forward osmosis water purification unit needs to be large enough to sufficiently cool the fuel cell unit, but needs to be small enough to operate with heat from the fuel cell unit.
In the following, preferred combinations of the two will be described in order for a polymer electrolyte fuel cell and a solid oxide fuel cell having different operating temperatures.
When a polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell, the power generation capacity is preferably 50 W or more as the power generation amount of the fuel cell with respect to 1 L of the purified water production amount of the forward osmosis water purification unit, and 1,200 to 1,800 W More preferably. In this case, the power generation amount per purified water 1 m 3 becomes approximately 40~60KWh.

一方、燃料電池として固体酸化物型燃料電池を用いる場合、燃料電池ユニットの冷却は本来的に不要であるからこれと適合する正浸透浄水ユニットの規模を、冷却能力基準で考える必要はない。また、固体酸化物型燃料電池の稼働温度は十分に高いから、前記した能力(規模)の範囲内の正浸透浄水ユニット及び燃料電池ユニットの組み合わせであれば、前者の稼働に必要な熱量は確実に確保される。従ってこの場合には、燃料電池ユニットの規模を、正浸透浄水ユニットの耐熱性の観点からのみ考えれば足りる。正浸透浄水ユニットの耐熱温度は、一般には200℃程度であるから、熱授受後の正浸透浄水ユニットがこの温度に至らない程度の組み合わせを採用することが好ましい。   On the other hand, when a solid oxide fuel cell is used as the fuel cell, cooling of the fuel cell unit is essentially unnecessary, and therefore it is not necessary to consider the scale of the forward osmosis water purification unit that meets this requirement based on the cooling capacity standard. In addition, since the operating temperature of the solid oxide fuel cell is sufficiently high, the amount of heat required for the former operation is certain if the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit are combined within the range of the capacity (scale) described above. Secured. Therefore, in this case, it is sufficient to consider the scale of the fuel cell unit only from the viewpoint of heat resistance of the forward osmosis water purification unit. Since the heat resistance temperature of the forward osmosis water purification unit is generally about 200 ° C., it is preferable to employ a combination in which the forward osmosis water purification unit after heat transfer does not reach this temperature.

<本実施の形態におけるシステム>
本実施の形態におけるシステムは、上記のような各ユニットを具備する。しかしこれら以外に、所定のポンプ、熱交換器等を具備すべきことは、当業者には自明であろう。
本実施の形態におけるシステムは、これら以外に、任意的にその他のユニットを更に有していてもよい。
前記その他のユニットとしては、例えば
供給される原水から水不溶性の固形分を除去するための濾過機、
抽出後の水リッチなドロー溶液を一時的に貯蔵しておくためのドロー溶液タンク、
得られた浄水を一時的に貯蔵しておくための貯水タンク、
熱交換器の熱量では温度が不足する場合に補助的に使用される追加加熱器、
発電された電力を所望の態様に調整するためのパワーコンディショナー(例えばDC−DC昇電器、DC−AC変換器等)、
システムの動作状態を示す表示灯
等を挙げることができる。
<System in the present embodiment>
The system in the present embodiment includes each unit as described above. However, it will be apparent to those skilled in the art that in addition to these, a predetermined pump, heat exchanger, and the like should be provided.
In addition to these, the system in the present embodiment may optionally further include other units.
As the other unit, for example, a filter for removing water-insoluble solids from the supplied raw water,
A draw solution tank for temporarily storing the water-rich draw solution after extraction,
A water storage tank for temporarily storing the obtained purified water,
An additional heater that is used as an auxiliary when the temperature is insufficient for the heat quantity of the heat exchanger,
A power conditioner (for example, a DC-DC booster, a DC-AC converter, etc.) for adjusting the generated power to a desired mode;
An indicator lamp indicating the operating state of the system can be mentioned.

前記濾過機は、供給される原水から、正浸透浄水ユニットの稼働を阻害する水不溶性の固形分を除去するために用いられる。この濾過機としては、例えば0.01〜1μm程度の孔径を有するフィルターユニットであることが好ましい。フィルターユニットは、孔径の異なる複数種類のもの、又は孔径の同じ複数個のものを、直列又は並列に接続して使用してもよい。フィルターの閉塞する頻度を減少し、メンテナンスを容易化するためには、孔径の大きいフィルター、及び孔径の小さいフィルターを、この順で直列に接続して使用することが好ましく;
原水の流通量を確保するためには、孔径の同じフィルターの複数を並列に接続して使用することが好ましい。
前記追加加熱器は、安価なガスによって駆動するタイプであることが好ましい。このガスとしては、燃料電池ユニットに供給される原料ガスと同じものを使用することができる。
The said filter is used in order to remove the water-insoluble solid content which inhibits operation | movement of a forward osmosis water purification unit from the raw | natural water supplied. As this filter, it is preferable that it is a filter unit which has a hole diameter of about 0.01-1 micrometer, for example. A plurality of filter units having different hole diameters or a plurality of filter units having the same hole diameter may be connected in series or in parallel. In order to reduce the frequency of filter clogging and facilitate maintenance, it is preferable to use a filter with a large pore diameter and a filter with a small pore diameter connected in series in this order;
In order to ensure the flow rate of raw water, it is preferable to use a plurality of filters having the same pore diameter connected in parallel.
The additional heater is preferably of a type driven by inexpensive gas. As this gas, the same raw material gas supplied to the fuel cell unit can be used.

<本実施の形態におけるシステムの動作原理>
本実施の形態におけるシステムは、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとが相互補完的に共働する。具体的には、前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間で熱交換を行うことを特徴とする。好ましくは更に、前記正浸透浄水ユニットの駆動電力は、前記燃料電池ユニットから供給される電力である。
前記の熱交換は、
前記正浸透浄水ユニットから供給される浄水を、前記燃料電池ユニットの冷却水として使用すること、及び
前記燃料電池ユニットを冷却した後の浄水を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用すること
によって行われるか、或いは
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間を循環する熱媒を用いて、
前記燃料電池ユニットから発生した熱を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用すること
によって行われる。
<System Operation Principle in this Embodiment>
In the system according to the present embodiment, the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit cooperate in a complementary manner. Specifically, heat exchange is performed between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit. Preferably, the drive power of the forward osmosis water purification unit is power supplied from the fuel cell unit.
The heat exchange is
The purified water supplied from the forward osmosis water purification unit is used as cooling water for the fuel cell unit, and the purified water after cooling the fuel cell unit is used as a heat source for the forward osmosis water purification unit. Or using a heat medium circulating between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit,
The heat generated from the fuel cell unit is used as a heat source for the forward osmosis water purification unit.

本実施の一態様における燃料電池ユニットの冷却水は、前記正浸透浄水ユニットから供給される浄水であることができる。冷却用の浄水としては、ドロー溶液の溶質分離温度に加熱された後、コアレッサから得られた浄水を使用することが好ましい。この浄水は、配管からの放熱による自然放冷以外の冷却処理が施されていないから、前記溶媒分離温度から若干低い温度を示す。しかし、本実施の形態における好ましい溶質を使用した場合、溶媒分離温度は65〜80℃程度である、一方、燃料電池の駆動温度は、固体高分子型燃料電池の場合は好ましくは80〜100℃程度、固体酸化物型燃料電池の場合には800〜1,000℃程度である。従って、前記の冷却用浄水は、前記の温度のままで、燃料電池ユニットの冷却水として十分に機能するのである。
燃料電池ユニットを冷却した後の浄水は温度が上昇するから、正浸透浄水ユニットの熱源として使用することができる。ここで、正浸透浄水ユニットにおいて加熱が必要な個所は、正浸透抽出部において原水から水を抽出した後の、水リッチなドロー溶液を溶質分離温度まで昇温する箇所(のみ)である。ここで、本実施の形態の好ましい態様では、水抽出温度と溶質分離温度との差は10〜30℃程度と些少である。従って、前記の冷却後の浄水による加熱で十分なのである。
The cooling water of the fuel cell unit according to one embodiment of the present invention may be purified water supplied from the forward osmosis water purification unit. As purified water for cooling, it is preferable to use purified water obtained from coalescer after being heated to the solute separation temperature of the draw solution. Since this purified water is not subjected to cooling treatment other than natural cooling by heat radiation from the pipe, it shows a temperature slightly lower than the solvent separation temperature. However, when the preferred solute in the present embodiment is used, the solvent separation temperature is about 65 to 80 ° C., while the driving temperature of the fuel cell is preferably 80 to 100 ° C. in the case of a polymer electrolyte fuel cell. In the case of a solid oxide fuel cell, the temperature is about 800 to 1,000 ° C. Therefore, the purified water for cooling functions sufficiently as the cooling water for the fuel cell unit while maintaining the temperature.
Since the temperature of the purified water after cooling the fuel cell unit rises, it can be used as a heat source for the forward osmosis purified water unit. Here, the part which needs to be heated in the forward osmosis water purification unit is a place (only) where the water-rich draw solution is heated to the solute separation temperature after the water is extracted from the raw water in the forward osmosis extraction unit. Here, in a preferable aspect of the present embodiment, the difference between the water extraction temperature and the solute separation temperature is as small as about 10 to 30 ° C. Therefore, heating with purified water after cooling is sufficient.

本実施の別の一態様においては、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間を循環する熱媒を用いて、両者間の熱交換を行う。具体的には、前記燃料電池ユニットから発生する熱を前記熱媒によって回収し、該熱媒を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用するのである。
ここで使用される熱媒としては、例えば水、オイル、シリコンオイル等の他、ダウサムA(Dowtherm A、ダウケミカル登録商標、ビフェニルとジフェニルエーテルとの混合物である液体、混合比概ね3:7)等を使用することができる。
この熱媒は、正浸透浄水ユニットにおける水の流れとは別個独立の配管中を循環する形態とすることが好ましい。
In another aspect of the present embodiment, heat exchange between the two is performed using a heat medium circulating between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit. Specifically, the heat generated from the fuel cell unit is recovered by the heat medium, and the heat medium is used as a heat source for the forward osmosis water purification unit.
Examples of the heat medium used here include water, oil, silicon oil, and the like, as well as Dowsum A (Dowtherm A, a liquid that is a mixture of biphenyl and diphenyl ether, a mixing ratio of approximately 3: 7), and the like. Can be used.
The heat medium is preferably circulated in a pipe independent of the water flow in the forward osmosis water purification unit.

燃料電池ユニットの冷却(熱回収)のために、正浸透浄水ユニットから得た浄水の一部と、前記の熱媒とを併用してもよい。この場合であっても、熱媒は、正浸透浄水ユニットにおける水の流れとは別個独立の配管中を循環する形態とすることが好ましい。   For cooling (heat recovery) of the fuel cell unit, a part of the purified water obtained from the forward osmosis water purification unit and the heat medium may be used in combination. Even in this case, it is preferable that the heat medium be circulated in a pipe independent of the water flow in the forward osmosis water purification unit.

本実施の態様における正浸透浄水ユニットの駆動電力は、前記燃料電池ユニットから供給される電力から得ることが好ましい。正浸透浄水ユニットの駆動に電力が必要な装置としては、送水のためのポンプが主である。この他に、本実施の形態におけるシステムが、表示灯等の他の電気設備を有する場合には、これらも電力によって駆動される。しかしながら本実施の形態における正浸透浄水ユニットは、後述するように、燃料電池ユニットを冷却した後の浄水を主たる熱源として使用する。従って、正浸透浄水ユニットを稼働させるための電力は、極めて少なくてよいのである。
例えば、送水のためのポンプの消費電力は小さいから、正浸透浄水ユニット及び燃料電池ユニットの希望が上記の好ましい範囲内であれば、正浸透浄水ユニットの稼働に必要なポンプの総電力は、燃料電池ユニットの発電量のごく一部に留まる。表示灯の使用電力も極めて小さい。
以上の通り、本実施の形態における正浸透浄水ユニットは、少ない電力で稼働することができるから、燃料電池ユニットから供給される電力の大部分を、本来企図するシステム外用途に使用することができるのである。
The driving power of the forward osmosis water purification unit in this embodiment is preferably obtained from the power supplied from the fuel cell unit. As a device that requires electric power to drive the forward osmosis water purification unit, a pump for water supply is mainly used. In addition, when the system according to the present embodiment has other electrical equipment such as an indicator lamp, these are also driven by electric power. However, the forward osmosis water purification unit in the present embodiment uses the purified water after cooling the fuel cell unit as a main heat source, as will be described later. Therefore, very little electric power is required to operate the forward osmosis water purification unit.
For example, since the power consumption of the pump for water supply is small, if the hope of the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit is within the above preferred range, the total power of the pump required for the operation of the forward osmosis water purification unit is the fuel Only a small part of the power generation of the battery unit. The power used by the indicator lamp is also extremely small.
As described above, the forward osmosis water purification unit according to the present embodiment can be operated with a small amount of electric power, and therefore, most of the electric power supplied from the fuel cell unit can be used for an intended use outside the system. It is.

更に、燃料電池として固体高分子型燃料電池を採用する場合には、電池セパレータの加湿用水源として、正浸透浄水ユニットから得られた浄水の一部を利用してもよい。
以上説明してきたとおり、実施の形態におけるシステムは、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとが相互補完的に共働して、浄水及び電力を同時に効率的に供給することができる。
Furthermore, when a polymer electrolyte fuel cell is employed as the fuel cell, a part of the purified water obtained from the forward osmosis water purification unit may be used as a humidifying water source for the battery separator.
As described above, in the system according to the embodiment, the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit cooperate with each other in a complementary manner, and can efficiently supply water purification and electric power simultaneously.

以下、図を参照して本実施の形態における浄水・電力供給システムの動作について説明する。
図1は、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有する浄水・電力供給システムの一態様の概念図である。
正浸透浄水ユニットは、供給領域側と引き抜き側とが正浸透膜(FO膜)を介して隣接する正浸透抽出部、及び抽出後のドロー溶液から溶質を除去して浄水を分離回収する分離回収部を有する。燃料電池ユニットは、燃料電池の他、改質器を有する。この浄水・電力供給システムは、得られた浄水の一部を燃料電池の冷却水として循環するための水循環機構、及び送水に必要な複数のポンプ(図示せず)を更に有する。
原水(未精製水)は、正浸透抽出部の供給領域側に導入される。一方、正浸透抽出部の引き抜き側には、ドロー溶液が流通している。この正浸透抽出部において、原水中の水は、半透膜を通過してドロー溶液(DS)中に抽出される。この抽出の駆動源は、原水とドロー溶液との浸透圧差である。
Hereinafter, the operation of the water purification / power supply system in the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram of one embodiment of a water purification / power supply system having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit.
The forward osmosis water purification unit separates and collects purified water by removing the solute from the forward osmosis extraction unit where the supply region side and the withdrawal side are adjacent to each other via the forward osmosis membrane (FO membrane) and the drawn solution after extraction. Part. The fuel cell unit has a reformer in addition to the fuel cell. This water purification / power supply system further includes a water circulation mechanism for circulating a part of the obtained purified water as cooling water for the fuel cell, and a plurality of pumps (not shown) necessary for water supply.
Raw water (unpurified water) is introduced into the supply region side of the forward osmosis extraction unit. On the other hand, the draw solution circulates on the drawing side of the forward osmosis extraction unit. In this forward osmosis extraction unit, water in the raw water passes through the semipermeable membrane and is extracted into the draw solution (DS). The driving source for this extraction is the osmotic pressure difference between the raw water and the draw solution.

水を抽出除去され、不純物が濃縮された原水は、排水処理される。一方、吸収して水リッチとなったドロー溶液は、熱交換器により溶質分離温度まで昇温されたうえで、分離回収部に送られる。ドロー溶液中の溶質は高温状態において水溶性が著しく減じている。従って、分離回収部内の適宜の分離回収手段により、水リッチドロー溶液中の浄水及び溶質が、それぞれ回収される。回収された浄水は、先ず水循環機構に送られる。そして、浄水は、その一部が燃料電池の冷却水として循環利用される他は、浄水製品として供給される。回収された溶質は、ドロー溶液の再調製に供される。   The raw water from which water has been extracted and concentrated with impurities is subjected to wastewater treatment. On the other hand, the water-rich draw solution absorbed is heated to the solute separation temperature by a heat exchanger and then sent to the separation and recovery unit. The solute in the draw solution is significantly less water soluble at high temperatures. Therefore, the purified water and the solute in the water rich draw solution are respectively recovered by appropriate separation and recovery means in the separation and recovery unit. The collected purified water is first sent to the water circulation mechanism. The purified water is supplied as a purified water product except that a part of the purified water is circulated and used as cooling water for the fuel cell. The collected solute is subjected to re-preparation of the draw solution.

燃料電池のアノードには改質器によって燃料ガスから得られた水素(H)が、カソードには空気(酸素)が、それぞれ送られ、これらを用いた燃料電池反応によって電気が発生する。この燃料電池反応は発熱反応であるから、安定運転には冷却を要する。冷却には、前記正浸透浄水ユニットから得られた浄水の一部を循環使用する。
分離回収部から得られた浄水の一部は、水循環機構によって燃料電池に送られる。燃料電池を冷却した後の浄水は、温度の高い温水となる。この温水は、熱交換器に送られて、前記水リッチドロー溶液を溶質分離温度まで昇温する熱源として用いられる。熱交換後の温水は、熱の収受がある以外は、燃料電池の動作から独立した配管中を移動するから、その水純度が劣化することはない。従って、この熱交換後の温水は、そのまま前記水循環機構に戻され、分離回収部から得られた浄水と合流することとなる。合流後の浄水は、その一部が燃料電池の冷却水として循環利用される他は、浄水製品として供給される。
Hydrogen (H 2 ) obtained from the fuel gas by the reformer is sent to the anode of the fuel cell, and air (oxygen) is sent to the cathode, and electricity is generated by the fuel cell reaction using these. Since this fuel cell reaction is an exothermic reaction, cooling is required for stable operation. A part of the purified water obtained from the forward osmosis water purification unit is circulated for cooling.
A part of the purified water obtained from the separation and recovery unit is sent to the fuel cell by the water circulation mechanism. The purified water after cooling the fuel cell becomes hot water having a high temperature. This hot water is sent to a heat exchanger and used as a heat source for raising the temperature of the water-rich draw solution to the solute separation temperature. Since the hot water after heat exchange moves through the piping independent of the operation of the fuel cell except for the receipt of heat, the water purity does not deteriorate. Therefore, the hot water after the heat exchange is returned to the water circulation mechanism as it is and joined with the purified water obtained from the separation and recovery unit. The purified water after joining is supplied as a purified water product except that a part of the purified water is circulated and used as cooling water for the fuel cell.

図2は、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有する浄水・電力供給システムの別の一態様の概念図である。
図2のシステムは、図1のシステムと概ね同様であるが、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間の熱交換を、両システムから独立した熱媒が司る点で異なる。
図2のシステムにおいては、水リッチドロー溶液から回収され、分離回収部を通過して得られた浄水は、そのすべてが浄水製品として供給される。熱媒は、熱媒循環機構によって循環して正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間の熱交換を司る。低温で燃料電池に送られた熱媒は、燃料電池から熱を受け取って温度の高い状態となる。この温度の高い熱媒は、熱交換器に送られて、水リッチドロー溶液を溶質分離温度まで昇温する熱源として用いられる。熱交換後の温水は、再び低温となり、熱媒戻りラインに沿って前記熱媒循環機構に戻されて、循環利用されることとなる。この熱媒は、前記正浸透浄水ユニットにおける水の流れとは独立した配管中を循環するにすぎないから、正浸透浄水ユニットから得られる浄水が汚染されることはない。
FIG. 2 is a conceptual diagram of another aspect of a water purification / power supply system having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit.
The system of FIG. 2 is substantially the same as the system of FIG. 1, but differs in that heat exchange between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit is governed by a heat medium independent from both systems.
In the system of FIG. 2, all of the purified water recovered from the water-rich draw solution and obtained through the separation and recovery unit is supplied as a purified water product. The heat medium is circulated by a heat medium circulation mechanism to control heat exchange between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit. The heat medium sent to the fuel cell at a low temperature receives heat from the fuel cell and is in a high temperature state. This high-temperature heat medium is sent to a heat exchanger and used as a heat source for raising the temperature of the water-rich draw solution to the solute separation temperature. The hot water after the heat exchange becomes a low temperature again, is returned to the heat medium circulation mechanism along the heat medium return line, and is recycled. Since this heat medium only circulates in the pipe independent of the flow of water in the forward osmosis water purification unit, the purified water obtained from the forward osmosis water purification unit is not contaminated.

そして、前記いずれの場合であっても、送水に必要なポンプの駆動源には、前記燃料電池から得られた電気の一部を使用することが好ましい。送水のためのポンプの消費電力は小さいから、得られた電気の一部を送水ポンプに融通したとしても、前記燃料電池は十分な量の電気を供給することができる。
このように、本実施の形態における浄水・電力供給システムは、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとが相互補完的に機能することにより、燃料ガス(通常、安価である)及び空気を用いて、浄水及び電力をそれぞれ効率的に供給することができるのである。
In any case, it is preferable to use a part of electricity obtained from the fuel cell as a pump drive source necessary for water supply. Since the power consumption of the pump for water supply is small, the fuel cell can supply a sufficient amount of electricity even if part of the obtained electricity is accommodated in the water pump.
Thus, the water purification / power supply system in the present embodiment uses fuel gas (usually inexpensive) and air by the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit functioning in a complementary manner, Purified water and electric power can be supplied efficiently.

以下、本実施の形態についてより具体的に説明し、コンピュータシミュレーションによってその効果を検証する。
第一の検証例は、図3に示した浄水・電力供給システムについて行った。図3中、菱形で囲った数字は、マスバランス測定のサンプリングポイントである。これらサンプリングポイントのそれぞれから得た水試料は、以下、「試料1」等として参照する。例えば菱形囲みの数字「1」のポイントでサンプリングされた水試料は、「試料1」と呼ぶことにする。
正浸透浄水ユニットにおけるドロー溶液の溶質はポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール共重合体(第一工業製薬社製、品名「エパン450」、重量平均分子量2,400)とし、正浸透抽出部(FO)入口における溶質濃度が90.0質量%となるように調整して使用することとした。
原水として、0.3質量%の塩分を含む低質水道水(インド国ターネー(Thane)市の上水道)を供給することとした。供給温度は25℃とした。
Hereinafter, the present embodiment will be described more specifically, and the effect will be verified by computer simulation.
The first verification example was performed for the water purification / power supply system shown in FIG. In FIG. 3, the numbers surrounded by diamonds are sampling points for mass balance measurement. The water samples obtained from each of these sampling points are hereinafter referred to as “Sample 1” or the like. For example, a water sample sampled at the point of the number “1” in the diamond box will be referred to as “sample 1”.
The solute of the draw solution in the forward osmosis water purification unit is a polyethylene glycol-polypropylene glycol copolymer (manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd., product name “Epan 450”, weight average molecular weight 2,400), and at the forward osmosis extraction unit (FO) inlet. The solute concentration was adjusted to 90.0% by mass for use.
As raw water, it was decided to supply low quality tap water (water supply in Thane, India) containing 0.3% by mass of salt. The supply temperature was 25 ° C.

原水は、先ず濾過機に導入され、水不溶性の固形分が除去される(試料1)。ここで、原水の供給流量が不足してシステムが不安定になることを予防するため、濾過機を通過した供給水の一部を濾過機に戻す循環を行って、供給流量が一定になるように配慮した。
濾過機通過後の原水は、次いで正浸透抽出部(FO)の供給側領域に導入される。正浸透浄水ユニット内は、供給側領域とドロー溶液が流通する引き抜き側領域とが半透膜(面積100m)を介して隣接している。この正浸透抽出部において、原水中の水は、半透膜を通過してドロー溶液(DS)中に抽出される。ここで水流は、抽出水を含む水リッチなドロー溶液(試料2)の流れと、水の一部が抽出除去されて塩が濃縮された濃縮ブライン(試料3)の流れと、に分かれる。濃縮ブラインは排水処理される。
Raw water is first introduced into a filter to remove water-insoluble solids (sample 1). Here, in order to prevent the system from becoming unstable due to the supply flow rate of the raw water being insufficient, circulation is performed to return a part of the supply water that has passed through the filter to the filter so that the supply flow rate becomes constant. Considered.
The raw water after passing through the filter is then introduced into the supply side region of the forward osmosis extraction unit (FO). In the forward osmosis water purification unit, the supply side region and the drawing side region through which the draw solution flows are adjacent to each other via a semipermeable membrane (area 100 m 2 ). In this forward osmosis extraction unit, water in the raw water passes through the semipermeable membrane and is extracted into the draw solution (DS). Here, the water flow is divided into a flow of a water-rich draw solution (sample 2) containing extraction water and a flow of concentrated brine (sample 3) in which a part of the water is extracted and removed to concentrate the salt. The concentrated brine is drained.

次いで、水リッチドロー溶液は、ドロー溶液タンクに送られ、後述の回収ドロー溶液(回収DS)と合流した後に次工程に送られる(試料4)。この時点の試料の温度は37.2℃であった。水リッチドロー溶液流は、2つの熱交換器(エコマイザ1及び2)に並列に送られて加熱される。再合流後の溶液流温度は59.0℃であった。更にドロー溶液の溶質分離温度まで加熱するための熱交換器(分離熱交)によって、70.0℃まで加熱される。加熱後の水リッチドロー溶液は、コアレッサに導入される。   Next, the water-rich draw solution is sent to a draw solution tank, and after being merged with a later-described recovered draw solution (recovered DS), it is sent to the next step (sample 4). The temperature of the sample at this point was 37.2 ° C. The water rich draw solution stream is sent to two heat exchangers (Ecomizers 1 and 2) in parallel and heated. The solution flow temperature after recombination was 59.0 ° C. Furthermore, it heats to 70.0 degreeC with the heat exchanger (separation heat exchange) for heating to the solute separation temperature of a draw solution. The water-rich draw solution after heating is introduced into the coalescer.

コアレッサ内において、水リッチドロー溶液は、
塩分が除去され、更に、溶質であるポリプロピレングリコールを実質的に含有しない上部からの流れと、
ポリプロピレングリコールを高濃度で含有する下部からの流れと、
に分離する。この下部からの流れ(試料6)は、熱交換器(エコマイザ1)に送られ、水リッチドロー溶液流を加熱するための熱を放出した後に、正浸透抽出部(FO)の引き抜き側領域に導入され、供給原水中の水の抽出に供される。
一方、コアレッサの上部からの流れ(試料5)は、塩分及びポリプロピレングリコールを実質的に含有しない粗浄水である。この粗浄水は、熱交換器(エコマイザ2)に送られ、水リッチドロー溶液流を加熱するための熱を放出した後に、ナノフィルター(NF)に送られる。
In the coalescer, the water rich draw solution is
A stream from the top where the salinity is removed and further substantially free of solute polypropylene glycol;
A flow from the bottom containing a high concentration of polypropylene glycol;
To separate. This flow (sample 6) from the lower part is sent to the heat exchanger (Ecomizer 1), and after releasing the heat for heating the water-rich draw solution stream, it enters the extraction side region of the forward osmosis extraction unit (FO). Introduced and used for extraction of water in the raw feed water.
On the other hand, the flow (sample 5) from the top of the coalescer is crude purified water substantially free of salt and polypropylene glycol. This crude purified water is sent to a heat exchanger (Ecomizer 2), which releases heat for heating the water-rich draw solution stream and then sent to the nanofilter (NF).

ナノフィルターにより、粗浄水中の残存ポリプロピレングリコールが除去されて、精製水を得る(試料7)。この精製水は、貯水タンクに送られ、一旦貯蔵された後、例えば飲料水として供給される(試料11)他、その一部は後述のように燃料電池ユニットの冷却水に流用される。ナノフィルターから回収された、微量のポリプロピレングリコールを含む溶液(試料8)は、回収ドロー溶液としてドロー溶液タンクに送られ、前記の水リッチドロー溶液と合流する。   The nanofilter removes the remaining polypropylene glycol in the crude purified water to obtain purified water (sample 7). This purified water is sent to a water storage tank, temporarily stored, then supplied as, for example, drinking water (sample 11), and a part thereof is diverted to the cooling water of the fuel cell unit as will be described later. A solution (sample 8) containing a small amount of polypropylene glycol collected from the nanofilter is sent to a draw solution tank as a collected draw solution, and merges with the water-rich draw solution.

本検証例では、電解質としてスルホ系イオン交換樹脂を;
アノードとしてルテニウム−白金合金触媒を担持したカーボンブラックを;そして
カソードとして白金を担持したカーボンブラックを、
それぞれ有する固体高分子型燃料電池を使用したこととした。
燃料電池の作動温度は80℃とし、原料ガスとしては液化プロパンガス(LPG)及び空気を使用した。
In this verification example, sulfo ion exchange resin is used as the electrolyte;
Carbon black carrying a ruthenium-platinum alloy catalyst as the anode; and carbon black carrying platinum as the cathode,
It was decided to use the polymer electrolyte fuel cell that each had.
The operating temperature of the fuel cell was 80 ° C., and liquefied propane gas (LPG) and air were used as the raw material gas.

液化天然ガスはニッケル系触媒を具備した改質器に送られる。該改質器によって発生した水素は燃料電池(PEFC)のアノード側に、空気はカソード側に、それぞれ送られて発電が行われる。
この燃料電池ユニットの冷却水としては、前記の正浸透浄水ユニットで得られた精製水の一部を使用した。冷却用精製水の温度は58.1℃であった(試料9)。冷却用精製水は、燃料電池の発電熱を冷却した後は75.0℃まで昇温する。冷却用精製水は、次いで、熱交換器(分離熱交)に送られ、水リッチドロー溶液流の加熱熱源として用いられた後、精製水と合流して(試料10)貯水タンクに送られる。冷却用精製水は、熱の収受がある以外は、燃料電池の動作から独立した配管中を循環しているだけであるから、水純度が劣化することはない。従って、使用後の冷却用精製水は、そのまま精製水と合流させて使用することができるのである。
なお、このシステムは、原料ガスによって駆動する追加加熱器(Boost Heater)を備えているが、本検証例においては該追加加熱器を稼働させる必要はなかった。
The liquefied natural gas is sent to a reformer equipped with a nickel-based catalyst. The hydrogen generated by the reformer is sent to the anode side of the fuel cell (PEFC) and the air is sent to the cathode side to generate electricity.
As the cooling water for the fuel cell unit, a part of the purified water obtained by the forward osmosis water purification unit was used. The temperature of the purified water for cooling was 58.1 ° C. (Sample 9). The purified water for cooling is heated to 75.0 ° C. after cooling the power generated by the fuel cell. The purified water for cooling is then sent to a heat exchanger (separation heat exchange), used as a heating heat source for the water-rich draw solution flow, and then merged with purified water (sample 10) and sent to a water storage tank. The purified water for cooling is only circulated in the pipe independent from the operation of the fuel cell except for the receipt of heat, so the water purity does not deteriorate. Therefore, the purified water for cooling after use can be used as it is with the purified water.
This system is provided with an additional heater (Boost Heater) driven by a raw material gas, but it was not necessary to operate the additional heater in this verification example.

以上の浄水・電力供給システムの運転条件を表1〜5に、
マスバランスを表6に、それぞれ示した。
Tables 1 to 5 show the operating conditions for the above water purification and power supply systems.
The mass balance is shown in Table 6, respectively.

Figure 2016019944
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上記の表及び図のとおり、本検証例における浄水・電力供給システムは、原水(低質水道水)及び0.41kg/hのLPGを用いて、30kg/hの浄水(飲料水)と1,834kWhの電力とを得ることができた。   As shown in the above table and diagram, the water purification / power supply system in this verification example uses 30 kg / h purified water (drinking water) and 1,834 kWh using raw water (low quality tap water) and 0.41 kg / h LPG. Was able to get the power.

次に、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間を循環する熱媒を用いて熱交換を行うシステムについて、同様にコンピュータシミュレーションによる検証を行った。この検証例は、図4に示した浄水・電力供給システムについて行った。
図4のシステムは、前記の図3のシステムと概ね同様であるが、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間との間の熱の流れを、正浸透浄水ユニットにおける水の流れとは別個独立の配管中を循環する熱媒が司る点において異なっている。この熱媒としては、本システムの稼働とは無関係に製造された浄水を用いることとした。
コアレッサの上部から得られ、ナノフィルターを通過した精製水(試料7)は、貯水タンクに送られ、専ら所定の用途(例えば飲料水)に使用される。
Next, a system that performs heat exchange using a heat medium circulating between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit was similarly verified by computer simulation. This verification example was performed for the water purification / power supply system shown in FIG.
The system of FIG. 4 is generally similar to the system of FIG. 3 described above, but the heat flow between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit is separate from the water flow in the forward osmosis water purification unit. The difference is that the heat medium that circulates in the independent pipes controls. As this heat medium, purified water produced regardless of the operation of this system was used.
Purified water (sample 7) obtained from the upper part of the coalescer and passed through the nanofilter is sent to a water storage tank and used exclusively for a predetermined application (for example, drinking water).

このシステムにおける燃料電池ユニットの冷却には、独立して循環する熱媒を使用した。
この熱媒の温度は62.7℃であった(試料9)。熱媒は、燃料電池の発電熱を冷却した後、75.0℃まで昇温し、次いで、熱交換器(分離熱交)に送られて、水リッチドロー溶液流の加熱熱源として用いられる。分離熱交出口の熱媒温度は63.5℃であった。この熱媒は、精製水と合流することなく、ポンプDによって循環を継続し、燃料電池ユニットの冷却に供される。
なお、このシステムも、原料ガスによって駆動する追加加熱器(Boost Heater)を備えているが、本検証例においても該追加加熱器を稼働させる必要はなかった。
An independent circulating heat medium was used for cooling the fuel cell unit in this system.
The temperature of this heating medium was 62.7 ° C. (Sample 9). The heat medium is cooled to the power generated by the fuel cell, then heated to 75.0 ° C., and then sent to a heat exchanger (separation heat exchange) to be used as a heating heat source for the water-rich draw solution flow. The heat medium temperature at the separation heat exchange outlet was 63.5 ° C. This heating medium continues to circulate by the pump D without joining with purified water, and is used for cooling the fuel cell unit.
This system also includes an additional heater (Boost Heater) driven by the raw material gas, but it was not necessary to operate the additional heater in this verification example.

以上の浄水・電力供給システムの運転条件を表7〜11に、
マスバランスを表12に、それぞれ示した。
Tables 7 to 11 show the operating conditions for the above water purification and power supply systems.
The mass balance is shown in Table 12, respectively.

Figure 2016019944
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本検証例における浄水・電力供給システムは、原水(低質水道水)及び0.299kg/hのLPGを用いて、30kg/hの浄水(飲料水)と1,339kWhの電力とを得ることができた。   The water purification and power supply system in this verification example can obtain 30 kg / h of purified water (drinking water) and 1,339 kWh of power using raw water (low quality tap water) and 0.299 kg / h of LPG. It was.

これらの結果から理解されるように、本実施の形態における浄水・電力供給システムは、正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとが相互補完的に機能し、独立したシステムとして、浄水及び電力をそれぞれ効率的に供給することができる。従って、これらの浄水・電力供給システムは、基本的なインフラが整っていない僻地、未開地、新興国等における生活基盤の確立のために有効に適用可能であることが検証された。   As understood from these results, in the water purification / power supply system in the present embodiment, the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit function in a complementary manner, and each of the water purification and electric power efficiency is achieved as an independent system. Can be supplied automatically. Therefore, it was verified that these water purification and power supply systems can be effectively applied to establish living infrastructures in remote areas, undeveloped land, and emerging countries where basic infrastructure is not established.

Claims (9)

正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有する、浄水及び電力を供給するためのシステムであって、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間で熱交換を行うことを特徴とする、前記システム。
A system for supplying purified water and power having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit,
The system according to claim 1, wherein heat exchange is performed between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit.
前記熱交換が、
前記正浸透浄水ユニットから供給される浄水を前記燃料電池ユニットの冷却水として使用すること、及び
前記燃料電池ユニットを冷却した後の浄水を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用すること
によって行われる、請求項1に記載のシステム。
The heat exchange is
Using purified water supplied from the forward osmosis water purification unit as cooling water for the fuel cell unit, and using purified water after cooling the fuel cell unit as a heat source for the forward osmosis water purification unit, The system of claim 1.
前記熱交換が、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間を循環する熱媒を用いて、
前記燃料電池ユニットから発生する熱を前記正浸透浄水ユニットの熱源として使用すること
によって行われる、請求項1に記載のシステム。
The heat exchange is
Using a heat medium that circulates between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit,
The system according to claim 1, wherein the system is performed by using heat generated from the fuel cell unit as a heat source of the forward osmosis water purification unit.
前記正浸透浄水ユニットの駆動電力が、前記燃料電池ユニットから供給される電力である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステム。   The system according to any one of claims 1 to 3, wherein the drive power of the forward osmosis water purification unit is power supplied from the fuel cell unit. 前記正浸透浄水ユニットが、
浄化するべき原水が流通する供給側領域とドロー溶液が流通する引き抜き側領域とが半透膜を介して隣接する正浸透抽出部、及び
抽出後のドロー溶液から溶質を除去して浄水を分離回収する分離回収部
を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシステム。
The forward osmosis water purification unit is
The osmosis extraction part adjacent to the supply side area through which the raw water to be circulated flows and the draw-out area through which the draw solution circulates through the semipermeable membrane, and the drawn solution after the extraction are separated and recovered. The system as described in any one of Claims 1-4 which has a separation-and-recovery part to perform.
前記正浸透浄水ユニットにおけるドロー溶液の溶質が、ジオール(共)重合体から成る溶質、及び揮発性カチオン源と揮発性アニオン源との組み合わせから成る溶質から選択される、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシステム。   The solute of the draw solution in the forward osmosis water purification unit is selected from a solute consisting of a diol (co) polymer and a solute consisting of a combination of a volatile cation source and a volatile anion source. A system according to claim 1. 前記燃料電池ユニットが、
原料ガスを改質して水素を発生する改質器、及び
前記改質器から供給される水素と、空気と、の反応により発電を行う燃料電池
を有する、請求項1に記載のシステム。
The fuel cell unit is
The system according to claim 1, further comprising: a reformer that reforms a source gas to generate hydrogen; and a fuel cell that generates power by a reaction between hydrogen supplied from the reformer and air.
前記燃料電池が、固体高分子型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である、請求項7に記載のシステム。   The system according to claim 7, wherein the fuel cell is a solid polymer fuel cell or a solid oxide fuel cell. 正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとを有するシステムを使用して浄水及び電力を供給するための方法であって、
前記正浸透浄水ユニットと燃料電池ユニットとの間で熱交換を行う
ことを特徴とする、前記方法。
A method for supplying purified water and power using a system having a forward osmosis water purification unit and a fuel cell unit,
The method according to claim 1, wherein heat exchange is performed between the forward osmosis water purification unit and the fuel cell unit.
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