JP6638543B2 - Heated water production system - Google Patents
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Description
本発明は、水処理ユニットで得られる精製水を加熱して、加温水を製造する加温水製造システムに関する。 The present invention relates to a heated water production system that produces purified water by heating purified water obtained in a water treatment unit.
純水製造装置などの水処理ユニットで得られる精製水(純水)を加熱して、加温水を製造することが行われている(例えば、下記特許文献1,2参照)。加温水製造用の水処理ユニットの多くは、給水ポンプや電動バルブ等を備えた電気機器であり、停電の発生により電力供給が断たれると、加温水の製造という目的を達成できなくなる。加温水は、産業においても民生においても利用場面が非常に多いため、停電発生時にも加温水の製造を継続することのできる加温水製造システムが望まれている。
BACKGROUND ART Purified water (pure water) obtained by a water treatment unit such as a pure water production apparatus is heated to produce heated water (for example, see
本発明は、停電発生時にも加温水の製造を継続することのできる加温水製造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 heated water production system that can continue producing heated water even when a power failure occurs.
本発明は、水処理ユニットと、燃料電池ユニットと、前記水処理ユニットで製造された精製水と前記燃料電池ユニットから排出されるオフガスとの間で熱交換を行うことにより加温水を得る第1熱交換器と、を備え、前記水処理ユニットは、供給水から精製水を得る水精製部と、供給水を吸入して前記水精製部に向けて吐出するポンプと、を有し、前記燃料電池ユニットで発電された電力を前記ポンプの駆動電力として利用し、前記燃料電池ユニットは、燃料電池と、触媒上で燃料と改質水とを反応させて前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、を有し、前記水処理ユニットで製造された精製水の一部を改質水として利用する、加温水製造システムに関する。 The present invention provides a water treatment unit, a fuel cell unit, and a first method for obtaining heated water by performing heat exchange between purified water produced by the water treatment unit and off-gas discharged from the fuel cell unit. A heat exchanger, wherein the water treatment unit includes: a water purification unit that obtains purified water from supply water; and a pump that suctions supply water and discharges the water toward the water purification unit. Utilizing electric power generated by a battery unit as drive power for the pump, the fuel cell unit reacts fuel and reformed water on a fuel cell and a catalyst to form a reformed gas supplied to the fuel cell. And a reformer for producing a heated water, wherein a part of the purified water produced by the water treatment unit is used as reformed water.
また、前記水処理ユニットで製造された精製水を貯留する精製水タンクと、前記精製水タンクに貯留された精製水をユースポイントへ送る精製水往路、及び前記ユースポイントで使用されなかった精製水を前記精製水タンクへ戻す精製水復路からなる精製水循環ラインと、を更に備え、前記第1熱交換器は、前記精製水往路を流通している精製水の熱交換を行うことが好ましい。 Further, a purified water tank for storing the purified water produced by the water treatment unit, a purified water forward path for sending the purified water stored in the purified water tank to a use point, and purified water not used at the use point. And a purified water circulation line including a purified water return path for returning the purified water to the purified water tank, and the first heat exchanger preferably performs heat exchange of the purified water flowing through the purified water outward path.
また、前記水処理ユニットで製造された精製水を貯留する精製水タンクと、前記精製水タンクに貯留された精製水をユースポイントへ送る精製水往路、及び前記ユースポイントで使用されなかった精製水を前記精製水タンクへ戻す精製水復路からなる精製水循環ラインと、を更に備え、前記第1熱交換器は、前記精製水タンクに貯留されている精製水の熱交換を行うことが好ましい。 Further, a purified water tank for storing the purified water produced by the water treatment unit, a purified water forward path for sending the purified water stored in the purified water tank to a use point, and purified water not used at the use point. And a purified water circulation line including a purified water return path for returning the purified water to the purified water tank. The first heat exchanger preferably performs heat exchange of the purified water stored in the purified water tank.
また、前記精製水タンクの満水時に、精製水を前記精製水タンクに送ることなく前記水処理ユニットの供給水側に返送することが好ましい。 Preferably, when the purified water tank is full, the purified water is returned to the supply water side of the water treatment unit without being sent to the purified water tank.
また、前記水精製部は、供給水を透過水と第1濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールを有すると共に、透過水を精製水として得るものであり、前記燃料電池ユニットは、前記逆浸透膜モジュールで得られた透過水の一部を改質水として利用することが好ましい。 Further, the water purification section has a reverse osmosis membrane module for separating feed water into permeated water and first concentrated water, and obtains permeated water as purified water. It is preferable to use a part of the permeated water obtained by the membrane module as reforming water.
また、前記水精製部は、透過水を脱塩処理して脱塩水と第2濃縮水とを製造する電気脱イオンスタックを更に有すると共に、脱塩水を精製水として得るものであり、前記水処理ユニットは、前記燃料電池ユニットで発電された電力を前記電気脱イオンスタックの駆動電力として利用することが好ましい。 The water purification unit further includes an electrodeionization stack for desalinating the permeated water to produce demineralized water and a second concentrated water, and obtaining the demineralized water as purified water. It is preferable that the unit uses the electric power generated by the fuel cell unit as driving electric power of the electrodeionization stack.
また、前記水処理ユニットに供給される供給水と前記第1熱交換器を通過した後のオフガスとの間で熱交換を行うことにより供給水を予熱する第2熱交換器を更に備えることが好ましい。 The apparatus may further include a second heat exchanger for preheating the supply water by performing heat exchange between the supply water supplied to the water treatment unit and the off-gas after passing through the first heat exchanger. preferable.
本発明によれば、停電発生時にも加温水の製造を継続することのできる加温水製造システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a heated water production system that can continue producing heated water even when a power failure occurs.
<第1実施形態>
以下、本発明に係る加温水製造システムの第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る加温水製造システム1の全体概略図である。図2は、加温水製造システム1における水処理ユニット2の詳細図である。本発明は、水処理ユニット2で得られる精製水W2と燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4との間で熱交換を行うことにより加温水W3を製造する加温水製造システム1である。なお、図1では、水処理ユニット2の構成について一部のみ示している。
<First embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of a heated water production system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall schematic diagram of a heated
〔加温水製造システム1の全体構成〕
詳細には、図1に示すように、第1実施形態の加温水製造システム1は、水処理ユニット2と、燃料電池ユニット4と、燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4が流通するオフガスラインL71と、水処理ユニット2で製造された精製水W2と燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4との間で熱交換を行うことにより加温水W3を得る第1熱交換器71と、加温水製造システム1の全体を制御するシステム制御部15と、を備える。
[Overall Configuration of Heated Water Production System 1]
In detail, as shown in FIG. 1, the heated
第1実施形態の加温水製造システム1は、更に、水処理ユニット2の上流側に、供給水タンク73と、第2熱交換器72とを備えると共に、水処理ユニット2の下流側に、三方弁V61と、精製水W2を貯留する精製水タンク65と、精製水ラインL62と、返送ラインL64と、精製水循環ラインL65と、循環ポンプ68と、第1熱交換器71とを備える。
The warmed
供給水タンク73は供給水W1を貯留する。供給水タンク73に貯留される供給水W1は、第2熱交換器72で予熱された後、水処理ユニット2に供給される。水処理ユニット2で供給水W1から製造された精製水W2は、精製水タンク65に向けて送出される。
The
図2に示すように、水処理ユニット2は、水処理ユニット2で製造された精製水W2(詳細には、後述する脱塩水)が流通する精製水ラインL2(脱塩水ラインL24)を備える。脱塩水ラインL24の下流側の端部は、三方弁V61に接続されている。三方弁V61には、精製水ラインL2の下流側の端部と、精製水ラインL62の上流側の端部と、返送ラインL64の上流側の端部とが接続されている。三方弁V61は、精製水ラインL2を流通する精製水W2の流通先を、精製水ラインL62又は返送ラインL64に切り替える。
As shown in FIG. 2, the
精製水ラインL62の下流側の端部は、精製水タンク65に接続されている。返送ラインL64の下流側の端部は、供給水タンク73に接続されている。
The downstream end of the purified water line L62 is connected to a purified
つまり、水処理ユニット2で製造された精製水W2は、三方弁V61を切り換えることにより、精製水ラインL62又は返送ラインL64に選択的に送られる。精製水ラインL62に送られた精製水W2は、精製水タンク65に補給される。返送ラインL64に送られた精製水W2は、供給水タンク73に補給され、供給水W1の一部として再利用される。
That is, the purified water W2 produced by the
精製水タンク65には、精製水循環ラインL65が接続されている。精製水循環ラインL65は、精製水タンク65に貯留された精製水W2を1又は複数のユースポイント69へ送る精製水往路L651、及びユースポイント69で使用されなかった精製水W2を精製水タンク65へ戻す精製水復路L652からなる。精製水循環ラインL65には、精製水循環ラインL65の流通を制御するために、各種の弁など(図示せず)が設けられている。
A purified water circulation line L65 is connected to the purified
精製水循環ラインL65を別の見方をすると、精製水タンク65から排出された精製水W2が精製水タンク65へ戻される(循環される)環状戻り路、及び環状戻り路から1又は複数のユースポイント69へ分岐する1又は複数の分岐路からなる。つまり、精製水往路L651は、精製水タンク65からの排出部と分岐部(環状戻り路から分岐路への分岐部)との間の部分と、分岐路とからなる。精製水復路L652は、分岐部と精製水タンク65への導入部との間の部分からなる。
From another viewpoint of the purified water circulation line L65, the purified water W2 discharged from the purified
精製水往路L651における環状戻り路には、上流側から順に、循環ポンプ68と、第1熱交換器71とが設けられている。なお、第1熱交換器71は、精製水往路L651における分岐路に設けられてもよい。
A
循環ポンプ68は、精製水往路L651を流通する精製水W2を吸入し、下流側(第1熱交換器71の側)へ向けて圧送(吐出)する装置である。
The
第1熱交換器71は、精製水往路L651を流通する精製水W2と、オフガスラインL71を流通するオフガスG4との間で熱交換を行うことより加温水W3を得る機器である。第1熱交換器71は、燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4の廃熱を、精製水往路L651を流通する精製水W2に伝達させる。燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4の温度は、約300℃程度であり、第1熱交換器71での熱交換により生成される加温水W3の温度は、ユースポイント69での要求温度(例えば80〜90℃)とされる。
The
つまり、精製水タンク65は、精製水ラインL62を介して補給された未加温の精製水W2、又は精製水循環ラインL65の精製水往路L651で加温され且つ精製水復路L652を介して戻された精製水W2(加温水W3)を貯留する。
「加温水W3」とは、第1熱交換器71で加温された状態の精製水W2(脱塩水)をいう。「精製水W2」とは、第1熱交換器71や第2熱交換器72での加温の有無に関わらず、広く精製水W2を指す。本実施形態では、供給水ラインL1を流通する供給水W1を第2熱交換器72で予熱するので、第1熱交換器71で加温されるか否かに関わらず、精製水W2の温度が常温よりも高くなっている。そのため、「精製水」は、常温水に限定されない。
In other words, the purified
The “warmed water W3” refers to purified water W2 (desalinated water) heated in the
精製水タンク65には、貯留されている精製水W2の水位を検出する水位センサ66が設けられている。水位センサ66は、システム制御部15と電気的に接続され、その検出水位値は、システム制御部15へ検出信号として出力される。
The
第1実施形態の加温水製造システム1においては、水処理ユニット2は、供給水W1から精製水W2を得る水精製部21と、供給水W1を吸入して水精製部21に向けて吐出する加圧ポンプ26と、水処理ユニット2を制御する水処理制御部25と、を備え、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を加圧ポンプ26の駆動電力として利用する。燃料電池ユニット4は、燃料電池41と、触媒上で燃料G1と改質水W4とを反応させて、燃料電池41に供給される改質ガスG3を生成する改質器42と、燃料電池ユニット4を制御する電池制御部45と、を備え、水処理ユニット2で製造された精製水W2の一部を改質水W4として利用する。
In the warmed
〔水処理ユニット2〕
水処理ユニット2の詳細について説明する。図1に示すように、水処理ユニット2は、供給水W1(例えば、水道水等の原水)から、精製水W2(脱塩水;純水)を製造する純水製造装置である。
[Water treatment unit 2]
The details of the
図2に示すように、水処理ユニット2は、プレフィルタ28と、加圧ポンプ26と、インバータ27と、RO膜モジュール(逆浸透膜モジュール)22と、EDIスタック(電気脱イオンスタック)23と、直流電源装置24と、水処理制御部25と、を備える。RO膜モジュール22及びEDIスタック23は、水精製部21を構成する。また、インバータ27及び直流電源装置24は、水処理制御部25と電気的に接続される。なお、図2においては、接続線のうち主な接続線のみを図示している。
As shown in FIG. 2, the
水処理ユニット2は、水精製部21の水導入又は水導出のため、供給水ラインL1と、透過水ラインL21と、RO濃縮水ラインL23と、脱塩水ラインL24と、EDI濃縮水ラインL25と、改質水供給ラインL5と、を備える。透過水ラインL21と脱塩水ラインL24とを併せて、「精製水ラインL2」ともいう。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、径路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
The
供給水ラインL1は、供給水W1をRO膜モジュール22(水精製部21)へ流通させるラインである。供給水ラインL1の上流側の端部は、供給水タンク73に接続されている。供給水ラインL1の下流側の端部は、RO膜モジュール22の一次側入口ポート(供給水の入口)に接続されている。
The supply water line L1 is a line that circulates the supply water W1 to the RO membrane module 22 (water purification unit 21). The upstream end of the supply water line L1 is connected to the
供給水ラインL1には、上流側から順に、第2熱交換器72、プレフィルタ28、及び加圧ポンプ26が設けられている。
第2熱交換器72は、供給水ラインL1を流通する供給水W1と、第1熱交換器71を通過した後のオフガスG4との間で熱交換を行うことにより供給水W1を予熱する(詳細については後述)。第2熱交換器72は、第1熱交換器71を通過した後のオフガスG4の余熱を、供給水ラインL1を流通する供給水W1に伝達させる。第2熱交換器72を通過した後のオフガスG4は、系外に排出される。第2熱交換器72で加温された供給水W1は、水処理ユニット2に導入される。
プレフィルタ28は、RO膜モジュール22へ供給される前の供給水W1に対して、簡易な濾過処理を行う。
In the supply water line L1, a
The
The pre-filter 28 performs a simple filtration process on the supply water W1 before being supplied to the
加圧ポンプ26は、供給水ラインL1を流通する供給水W1を吸入し、RO膜モジュール22へ向けて圧送(吐出)する装置である。加圧ポンプ26には、インバータ27から周波数が変換された駆動電力が入力される。加圧ポンプ26は、入力された駆動電力の周波数(以下、「駆動周波数」ともいう)に応じた回転速度で駆動される。
The pressurizing
インバータ27は、加圧ポンプ26に、周波数が変換された駆動電力を供給する電気回路(又はその回路を持つ装置)である。インバータ27には、水処理制御部25から周波数設定信号が入力される。インバータ27は、水処理制御部25により入力された周波数設定信号(例えば、4〜20mAの電流値信号又は0〜10Vの電圧値信号)に対応する駆動周波数の駆動電力を、加圧ポンプ26に出力する。
The
RO膜モジュール22は、加圧ポンプ26により圧送された供給水W1を、溶存塩類が除去された精製水W2(透過水)と、溶存塩類が濃縮された第1濃縮水W5と、に分離する。RO膜モジュール22は、単一又は複数のスパイラル型RO膜エレメントを圧力容器(ベッセル)に収容して構成される。当該RO膜エレメントに使用されるRO膜としては、架橋芳香族ポリアミド系複合膜などが例示される。
The
RO濃縮水ラインL23は、RO膜モジュール22で分離された第1濃縮水W5を水処理ユニット2の系外へ排出するラインである。RO濃縮水ラインL23の上流側の端部は、一次側出口ポート(濃縮水の出口)に接続されている。RO濃縮水ラインL23の下流側の端部は、例えば、排水ピット(不図示)に接続又は開口している。
The RO concentrated water line L23 is a line for discharging the first concentrated water W5 separated by the
透過水ラインL21は、RO膜モジュール22で分離された精製水W2(透過水)をEDIスタック23に流通させるラインである。透過水ラインL21の上流側の端部は、RO膜モジュール22の二次側ポート(透過水の出口)に接続されている。透過水ラインL21の下流側の端部は、分岐しており(分岐したラインについては不図示)、それぞれ、EDIスタック23の脱塩室の入口側と、濃縮室の入口側とに接続されている。
The permeated water line L21 is a line for flowing the purified water W2 (permeated water) separated by the
透過水ラインL21には、改質水供給ラインL5が接続されている。改質水供給ラインL5は、水精製部21で得られた精製水W2(透過水)の一部を改質水W4として改質器42(後述)に向けて流通させるラインである。改質水供給ラインL5には、透過水ラインL21側から順に、二方弁V25及びオリフィス29が設けられている。二方弁V25は、改質水W4の供給と停止を制御するものであり、システム制御部15からの開閉指令信号により制御される。オリフィス29は、改質水供給ラインL5を流通する改質水W4の流量を調節する流量調節器である。
The reformed water supply line L5 is connected to the permeated water line L21. The reformed water supply line L5 is a line that allows a part of the purified water W2 (permeated water) obtained in the
なお、オリフィス29は、容量係数(CV値)を次のように設定するのが好ましい。すなわち、8インチタイプのRO膜エレメントは1000L/h程度、4インチタイプのRO膜エレメントは500L/h程度の透過水を製造できる能力を持つが、改質器42で消費する改質水W4の量は、RO膜モジュール22で分離された透過水の全量に対して1%未満(例えば、2〜3L/h程度)であれば足りる。そのため、この1%未満の流量を確保できるように、オリフィス29の容量係数を設定する。
The
EDIスタック23は、RO膜モジュール22で分離された精製水W2(透過水)を脱塩処理(脱イオン処理)して、より精製された精製水W2(脱塩水)と、第2濃縮水W6とに分離する。EDIスタック23は、直流電源装置24と電気的に接続されている。EDIスタック23には、脱塩処理のための電力として、直流電源装置24から直流電圧が印加される。EDIスタック23は、直流電源装置24から印加された直流電圧により通電され、動作する。
The
直流電源装置24は、直流電圧をEDIスタック23の一対の電極間に印加する。直流電源装置24には、水処理制御部25から印加電圧設定信号が入力される。直流電源装置24は、水処理制御部25により入力された印加電圧設定信号(例えば、4〜20mAの電流値信号又は0〜10Vの電圧値信号)に対応する電圧値の直流電圧をEDIスタック23に供給する。
The
EDIスタック23においては、一対の電極間に、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜(不図示)が交互に配置される。EDIスタック23の内部は、これらイオン交換膜により、脱塩室及び濃縮室(陽極室及び陰極室を含む)に区画される。脱塩室には、イオン交換体(不図示)が充填される。脱塩室に充填されるイオン交換体としては、例えば、イオン交換樹脂又はイオン交換繊維等が用いられる。
In the
脱塩室の入口側には、透過水ラインL21の下流側の分岐した一方の端部が接続されている。脱塩室の出口側には、脱塩処理された精製水W2(脱塩水;純水)を流通させる脱塩水ラインL24が接続されている。濃縮室の入口側には、透過水ラインL21の下流側の分岐した他方の端部が接続されている。一方、濃縮室の出口側には、イオンが濃縮された第2濃縮水W6を流通させるEDI濃縮水ラインL25の上流側の端部が、接続されている。EDI濃縮水ラインL25の下流側の端部は、例えば、排水ピット(不図示)に接続又は開口している。 One end of the downstream side of the permeated water line L21 is connected to the inlet side of the desalination chamber. A desalinated water line L24 for flowing the desalinated purified water W2 (desalinated water; pure water) is connected to the outlet side of the desalination chamber. The other end of the permeated water line L21 that is branched downstream is connected to the inlet side of the concentration chamber. On the other hand, an upstream end of an EDI concentrated water line L25 through which the second concentrated water W6 in which ions are concentrated flows is connected to the outlet side of the concentration chamber. The downstream end of the EDI concentrated water line L25 is connected or opened to, for example, a drain pit (not shown).
水処理ユニット2は、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を加圧ポンプ26の駆動電力として利用する。そのため、水処理ユニット2は、燃料電池ユニット4からの電力E1を内蔵された受電盤(不図示)を介してインバータ27に供給する。インバータ27は、供給された電力E1を周波数変換し、その電力を使って加圧ポンプ26を駆動する。
また、水処理ユニット2は、燃料電池ユニット4で発電された電力E1をEDIスタック23の駆動電力として利用する。そのため、水処理ユニット2は、燃料電池ユニット4からの電力E1を内蔵された受電盤を介して直流電源装置24に供給する。直流電源装置24は、供給された電力E1(交流電力)を直流変換し、その電力を使ってEDIスタック23を駆動する。
The
Further, the
〔燃料電池ユニット4〕
図1に示すように、燃料電池ユニット4は、燃料電池41と、改質器42と、電池制御部45と、燃料供給ラインL41と、空気供給ラインL42と、改質ガス供給ラインL43と、改質水供給ラインL5と、オフガスラインL71と、を備える。
[Fuel cell unit 4]
As shown in FIG. 1, the fuel cell unit 4 includes a
燃料供給ラインL41は、燃料供給部(図示せず)からの燃料としての原燃料ガスG1を改質器42へ流通させる。燃料供給ラインL41の上流側の端部は、都市ガス等の原燃料ガスG1を供給可能な燃料供給部(図示せず)に接続されており、燃料供給ラインL41の下流側の端部は、改質器42に接続されている。
The fuel supply line L41 allows the raw fuel gas G1 as a fuel from a fuel supply unit (not shown) to flow to the reformer. The upstream end of the fuel supply line L41 is connected to a fuel supply unit (not shown) capable of supplying a raw fuel gas G1 such as city gas, and the downstream end of the fuel supply line L41 is It is connected to a
空気供給ラインL42は、ブロワ(図示せず)及びエアフィルタ(図示せず)を通過した空気G2を、燃料電池41に流通させる。空気供給ラインL42の上流側の端部は、空気G2を燃料電池ユニット4に供給するためのブロワに接続されている。空気供給ラインL42の下流側の端部は、燃料電池41のカソード側に接続されている。
The air supply line L42 allows the air G2 that has passed through the blower (not shown) and the air filter (not shown) to flow through the
改質ガス供給ラインL43には、改質器42で生成された水素を含む改質ガスG3が、燃料電池41に向けて流通する。改質ガス供給ラインL43の上流側の端部は、改質器42に接続されており、改質ガス供給ラインL43の下流側の端部は、燃料電池41のアノード側に接続されている。
In the reformed gas supply line L43, the reformed gas G3 containing hydrogen generated in the
改質器42の内部には、触媒が収容されている。改質器42は、触媒上において、改質水供給ラインL5を通して供給される改質水W4の蒸気と、燃料供給ラインL41を通して供給される原燃料ガスG1とを反応させる。この反応を水蒸気改質反応といい、改質器42において、改質ガスG3(水素含有ガス)が生成される。生成された改質ガスG3は、改質ガス供給ラインL43を通して燃料電池41に供給される。
A catalyst is housed inside the
本実施形態においては、燃料電池41は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)により構成されている。固体酸化物形燃料電池は、複数の単セルが積層されたセルスタック構造を有している。具体的には、セルスタックは、アノード(燃料極)、カソード(空気極)、及び電解質からなるセラミックス製の単セルがインターコネクタを介して連結された構造となっている。セルスタックに組み込まれた各単セルにおいては、アノード側に改質ガスG3(水素含有ガス)を、カソード側に空気G2(酸化剤ガス)を供給し、内部で水素と酸素を反応させることにより発電が行われる。
In the present embodiment, the
電池制御部45は、燃料電池ユニット4内に収容された補機群を制御することにより発電を行う。補機群とは、発電動作及び電力供給等に必要な機器の総称である。電池制御部45は、システム制御部15からの運転指令信号に基づいて、水処理ユニット2で必要な量の電力E1を発電するように補機群を制御する。
The
固体酸化物形燃料電池のセルスタックは、発電中の動作温度が高く、その温度は600〜1000℃にも達する。発電中のセルスタックでは、電気学反応の副生成物としてオフガスG4が発生し、このオフガスG4は、燃料電池ユニット4の外部へ排出される。燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4の温度は、約300℃程度である。燃料電池41によって発電された電力E1は、パワーコンディショナ(図示せず)に送られ、AC電圧に変換された後に、又は、変圧されずにDC電圧のまま、水処理ユニット2に供給される。
The operating temperature of the cell stack of the solid oxide fuel cell during power generation is high, and the temperature reaches as high as 600 to 1000 ° C. In the cell stack during power generation, off-gas G4 is generated as a by-product of the electrical reaction, and this off-gas G4 is discharged outside the fuel cell unit 4. The temperature of the off-gas G4 discharged from the fuel cell unit 4 is about 300 ° C. The electric power E1 generated by the
オフガスラインL71は、燃料電池ユニット4(燃料電池41)から排出されるオフガスG4が流通するラインである。オフガスラインL71の上流側の端部は、燃料電池41のカソード側及び改質器42に附属する燃焼器に接続されている。オフガスラインL71の下流側の端部は、大気に開放されている。オフガスラインL71には、上流側から順に、第1熱交換器71及び第2熱交換器72が設けられている。
The off-gas line L71 is a line through which the off-gas G4 discharged from the fuel cell unit 4 (fuel cell 41) flows. The upstream end of the off-gas line L71 is connected to the cathode side of the
オフガスラインL71を流通するオフガスG4の廃熱は、第1熱交換器71において、精製水循環ラインL65の精製水往路L651を流通する精製水W2の加温に利用される。第1熱交換器71を通過した後のオフガスG4の余熱は、第2熱交換器72において、供給水ラインL1を流通する供給水W1の予熱に利用される。第2熱交換器72を通過した後のオフガスG4は、回収できる熱量がほとんどないので、系外に排出される。
The waste heat of the off-gas G4 flowing through the off-gas line L71 is used in the
燃料電池ユニット4は、改質水供給ラインL5を流通する精製水W2を改質水W4として利用する。すなわち、燃料電池ユニット4は、逆浸透膜モジュール22で得られた精製水W2(透過水)から水蒸気を得て、改質器42における水蒸気改質反応で利用する。
The fuel cell unit 4 uses the purified water W2 flowing through the reformed water supply line L5 as the reformed water W4. That is, the fuel cell unit 4 obtains steam from the purified water W2 (permeated water) obtained by the reverse
〔システム制御部15〕
システム制御部15は、加温水製造システム1の全体を制御する。システム制御部15は、水処理ユニット2の水処理制御部25及び燃料電池ユニット4の電池制御部45と電気的に接続されている。以下、システム制御部15による制御状態について詳細に説明する。
[System control unit 15]
The
(1)燃料電池ユニット4及び水処理ユニット2の運転
固体酸化物形燃料電池に限らず各種の燃料電池は、起動・停止を繰り返すとセルスタックの劣化が起こり、発電能力が低下することが知られている。そのため、システム制御部15は、燃料電池ユニット4を停止させることなく連続的に発電させるように、電池制御部45に対して運転指令信号を送信する。一方、システム制御部15は、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を水処理ユニット2で連続的に消費させるように、水処理制御部25に対して運転指令信号を送信する。運転指令信号の受信中、水処理制御部25は、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を利用して、加圧ポンプ26及びEDIスタック23を駆動する。これにより、燃料電池ユニット4からの電力供給と水処理ユニット2での電力消費とが同時に行われながら、精製水W2が連続的に製造される。
(1) Operation of the fuel cell unit 4 and the
(2)給水停止モード
水位センサ66の検出水位値が上限設定水位値(給水停止水位H)を上回っている場合(精製水タンク65の満水時)、システム制御部15は、三方弁V61を切り換えて、流通先として返送ラインL64を選択する。これにより、供給水ラインL1、透過水ラインL21、脱塩水ラインL24、及び返送ラインL64からなる水循環ラインが形成される。
(2) Water supply stop mode When the detected water level value of the
この制御モードでは、供給水タンク73に貯留された供給水W1が第2熱交換器72に向けて供給される。第2熱交換器72では、供給水W1とオフガスG4との熱交換により、加温された供給水W1が生成される。この加温された供給水W1は、水処理ユニット2に導入され、RO膜モジュール22及びEDIスタック23で膜分離処理されることにより精製水W2(脱塩水)が製造される。水処理ユニット2で製造された精製水W2の全量は、精製水タンク65に送られることなく、脱塩水ラインL24、及び返送ラインL64を流通して、供給水タンク73に送られる。
In this control mode, the supply water W1 stored in the
なお、第2熱交換器72に供給されるオフガスG4は、第1熱交換器71で熱回収されていない高温状態(約300℃程度)である。そのため、水処理ユニット2に導入される供給水W1の温度がRO膜モジュール22の耐熱温度(例えば、40℃)を超えるおそれがある場合には、オフガスG4の一部が第2熱交換器72をバイパスするように操作するのが望ましい。
The off-gas G4 supplied to the
給水停止モードにおいては、精製水W2の全量が供給水W1として水処理ユニット2の一次側に循環されながら、オフガスG4の廃熱により加温される。精製水W2の循環は、希釈により供給水W1の塩類濃度を経時的に低下させる効果がある。供給水W1の塩類濃度の低下は、精製水W2(脱塩水)の水質を向上させるので、給水開始時に高品質の精製水W2を供給することが可能になる。また、供給水W1の加温は、RO膜モジュール22での水透過量を増加させると共に、EDIスタック23でのイオン移動量を増加させる効果がある。水透過量の増加は加圧ポンプ26の消費電力を低減させる一方、イオン移動量の増加はEDIスタック23の消費電力を低減させるので、余剰の電力E1を他の工場設備の駆動電力として有効利用することが可能になる。
In the water supply stop mode, the entire amount of the purified water W2 is heated by the waste heat of the off-gas G4 while being circulated as the supply water W1 to the primary side of the
(3)精製水供給モード
水位センサ66の検出水位値が下限設定水位値(給水開始水位L)を下回っている場合、システム制御部15は、三方弁V61を切り換えて、流通先として精製水ラインL62を選択する。これにより、供給水ラインL1、透過水ラインL21、脱塩水ラインL24、及び精製水ラインL62からなる水供給ラインが形成される。
(3) Purified water supply mode When the detected water level value of the
この制御モードでは、供給水タンク73に貯留された供給水W1が第2熱交換器72に向けて供給される。第2熱交換器72では、供給水W1とオフガスG4との熱交換により、加温された供給水W1が生成される。この加温された供給水W1は、水処理ユニット2に導入され、RO膜モジュール22及びEDIスタック23で膜分離処理されることにより、精製水W2(脱塩水)が製造される。水処理ユニット2で製造された精製水W2の全量は、精製水タンク65に向けて供給される。
In this control mode, the supply water W1 stored in the
また、精製水循環ラインL65に設けられた循環ポンプ68は、連続的に駆動されている。ユースポイント69への精製水往路L651に設けられる第1熱交換器71では、精製水W2とオフガスG4との熱交換により、精製水W2が加温され、加温水W3(高温純水)が生成される。この加温水W3は、ユースポイント69へ送られる。ユースポイント69に送られなかった精製水W2(加温水W3)は、精製水復路L652を介して精製水タンク65に戻される。
The
加温水W3の温度制御の一例は以下の通りである。第1熱交換器71に対し、オフガスG4をバイパスさせるオフガスバイパスライン(図示せず)を接続し、当該ラインに流量調節弁(例:比例制御弁)を設ける。精製水循環ラインL65の精製水往路L651において、第1熱交換器71の二次側には、温度センサ(図示せず)を設ける。温度センサの検出温度(加温水W3の温度)が目標温度になるように、流量調節弁によりオフガスG4のバイパス流量を制御する(すなわち、第1熱交換器71を流通するオフガスG4の流量を制御する)。ユースポイント69で加温水W3を使用しない場合や加温水W3の使用量が少ない場合には、精製水タンク65に貯留される精製水W2の温度が上昇するので、オフガスG4のバイパス流量を増やすことになる。
An example of the temperature control of the heating water W3 is as follows. An off-gas bypass line (not shown) for bypassing the off-gas G4 is connected to the
加温水供給モードにおいては、精製水W2がオフガスG4の廃熱により加温されると共に、供給水W1の全量がオフガスG4の余熱により加温される。これにより、高温状態(約300℃程度)のオフガスG4を利用して、加温水W3(高温純水)が連続的に生成される。その結果、オフガスG4の廃熱が無駄なく回収され、燃料電池ユニット4の総合効率(=発電効率+熱回収効率)が高められる。加温水供給モードで達成可能な総合効率は、例えば90%以上である。 In the heated water supply mode, the purified water W2 is heated by the waste heat of the off-gas G4, and the entire amount of the supply water W1 is heated by the residual heat of the off-gas G4. Thereby, the heated water W3 (high-temperature pure water) is continuously generated using the off-gas G4 in a high-temperature state (about 300 ° C.). As a result, waste heat of the off-gas G4 is recovered without waste, and the overall efficiency (= power generation efficiency + heat recovery efficiency) of the fuel cell unit 4 is increased. The overall efficiency achievable in the heated water supply mode is, for example, 90% or more.
(4)改質水W4の連続供給
上述した給水停止モード、及び加温水供給モードにおいて、システム制御部15は、二方弁V25を開放して、改質水供給ラインL5に改質水W4(透過水)を連続的に流通させる。これにより、改質器42では燃料電池41の発電に必要な改質ガスG3が連続的に生成される。
(4) Continuous supply of reformed water W4 In the above-described water supply stop mode and the heated water supply mode, the
第1実施形態に係る加温水製造システム1によれば、例えば、以下のような効果が奏される。
第1実施形態に係る加温水製造システム1は、水処理ユニット2と、燃料電池ユニット4と、水処理ユニット2で製造された精製水W2と燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4との間で熱交換を行うことにより加温水W3を得る第1熱交換器71と、を備える。水処理ユニット2は、供給水W1から精製水W2を得る水精製部21と、供給水W1を吸入して水精製部21に向けて吐出する加圧ポンプ26と、を有し、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を加圧ポンプ26の駆動電力として利用し、燃料電池ユニット4は、燃料電池41と、触媒上で燃料G1と改質水W4とを反応させて燃料電池41に供給される改質ガスG3を生成する改質器42と、を有し、水処理ユニット2で製造された精製水W2の一部を改質水W4として利用する。
According to the heated
The heated
この構成では、水処理ユニット2においては、精製水W2の加熱源として燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4の廃熱を活用すると共に、加圧ポンプ26の駆動電力として、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を利用する。また、燃料電池ユニット4においては、改質水W4として水処理ユニット2で製造された精製水W2を利用する。そのため、燃料電池41の発電中はいつでも加温水W3を製造することができると共に、停電発生時にもシステム内で自立的に生成した電力E1と精製水W2を使って加温水W3の製造を継続することができる。
In this configuration, the
第1実施形態に係る加温水製造システム1は、水処理ユニット2で製造された精製水W2を貯留する精製水タンク65と、精製水タンク65に貯留された精製水W2をユースポイント69へ送る精製水往路L651、及びユースポイント69で使用されなかった精製水W2を精製水タンク65へ戻す精製水復路L652からなる精製水循環ラインL65と、を更に備え、第1熱交換器71は、精製水往路L651を流通している精製水W2の熱交換を行う。
The heated
この構成では、精製水循環ラインL65において精製水W2を加熱循環させつつ、精製水タンク65に加温水W3を蓄積するようになっている。そのため、所定温度の加温水W3を速やかにユースポイント69に供給することができると共に、加温水W3の消費量の増減に柔軟に対応することができる。
With this configuration, the heated water W3 is accumulated in the purified
第1実施形態に係る加温水製造システム1は、精製水タンク65の満水時に、精製水W2を精製水タンク65に送ることなく水処理ユニット2の供給水側(供給水タンク73)に返送する。
The heated
この構成では、精製水タンク65が満水になると、精製水タンク65への補給が中止され、精製水W2の供給水側への返送がなされる。これにより、供給水W1の塩類濃度が低下し、精製水W2の水質が向上する。その結果、精製水タンク65の減水による給水開始時には、高品質の精製水W2を供給することができる。
In this configuration, when the
また、第1実施形態においては、水精製部21は、供給水W1を透過水と第1濃縮水W5とに分離する逆浸透膜モジュール22を備えると共に、透過水を精製水W2として得るものであり、燃料電池ユニット4は、逆浸透膜モジュール22で得られた透過水の一部を改質水W4として利用する。
In the first embodiment, the
水精製部21は、より精製された精製水W2を得るために、RO膜モジュール22以外にも、別の水精製部(例えば、本実施形態におけるEDIスタック23)を備えることがある。しかし、改質水W4の純度としては透過水の水質で十分である。そこで、本実施形態においては、EDIスタック23で製造される脱塩水ではなく、RO膜モジュール22で製造される透過水を改質水W4として利用している。そのため、付加価値の高い脱塩水を消費することなく、発電を行うことができる。
The
第1実施形態においては、水精製部21は、透過水を脱塩処理して脱塩水と第2濃縮水W6とを製造する電気脱イオンスタック23を更に備えると共に、脱塩水を精製水W2として得るものであり、水処理ユニット2は、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を電気脱イオンスタック23の駆動電力として利用する。
In the first embodiment, the
この構成では、水処理ユニット2においては、精製水W2の加熱源として燃料電池ユニット4から排出されるオフガスG4の廃熱を活用すると共に、加圧ポンプ26に加えて電気脱イオンスタック23の駆動電力として、燃料電池ユニット4で発電された電力E1を利用する。そのため、燃料電池41の発電中はいつでも高純度の脱塩水から加温水W3を製造することができる。
In this configuration, the
第1実施形態においては、水処理ユニット2に供給される供給水W1と第1熱交換器71を通過した後のオフガスG4との間で熱交換を行うことにより供給水W1を予熱する第2熱交換器72を更に備える。
In the first embodiment, a heat exchange is performed between the supply water W1 supplied to the
この構成では、精製水W2がオフガスG4の廃熱により加温されると共に、供給水W1の全量がオフガスG4の余熱により加温される。これにより、オフガスG4の廃熱が無駄なく回収され、燃料電池ユニット4の総合効率が高められる。また、供給水W1の加温により加圧ポンプ26とEDIスタック23の消費電力が低減するので、余剰の電力E1を他の設備で有効利用することができる。
In this configuration, the purified water W2 is heated by the waste heat of the off-gas G4, and the entire amount of the supply water W1 is heated by the residual heat of the off-gas G4. Thereby, the waste heat of the off-gas G4 is recovered without waste, and the overall efficiency of the fuel cell unit 4 is improved. Further, since the power consumption of the pressurizing
<第2実施形態>
本発明に係る加温水製造システムの第2実施形態について、図面を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係る加温水製造システム1Aの全体概略図である(図1対応図)。第2実施形態では、主に第1実施形態との相違点について説明する。そのため、第1実施形態と同一(又は同等)の構成については、詳細な説明を省略する。また、第2実施形態において特に説明しない点については、第1実施形態の説明が適宜に適用される。
<Second embodiment>
A second embodiment of the heated water production system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is an overall schematic diagram of a heated
第1実施形態の加温水製造システム1においては、第1熱交換器71は、精製水往路L651を流通している精製水W2の熱交換を行う。これに対して、図3に示すように、第2実施形態の加温水製造システム1Aにおいては、第1熱交換器71Aは、精製水タンク65に貯留されている精製水W2の熱交換を行う。第2実施形態における第1熱交換器71Aは、例えば、精製水タンク65の貯留部に配置したコイル状の伝熱管からなる。
In the warmed
第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が奏される。特に、第1熱交換器71Aは、精製水タンク65に貯留されている精製水W2の熱交換を行うため、精製水タンク65に第1熱交換器71を組み込むことができ、これにより第1熱交換器71の設置スペースが縮小される。
According to the second embodiment, effects similar to those of the first embodiment are achieved. In particular, since the
以上、本発明の一実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態では、改質水W4の流量を調節する流量調節器として、オリフィス29を使用したが、これに制限されない。流量調節器と二方弁V25に替わる流路開閉器を併せ持つ機器として、弁開度を制御可能なニードル弁やボール弁を使用してもよい。
Hereinabove, one embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in various forms.
In the above-described embodiment, the
前記実施形態では、給水停止モードにおいて、精製水W2を供給水タンク73に返送しているが、これに制限されない。精製水W2を供給水ラインL1、例えば、第2熱交換器72よりも上流側の供給水ラインL1に返送してもよい。
In the above-described embodiment, in the water supply stop mode, the purified water W2 is returned to the
前記実施形態では、流路を切り換える構成として三方弁が用いられているが、これに制限されず、三方弁と同様の機能を達成できる各種構成を採用することができる。例えば、2個の二方弁を用いて、1個の三方弁と同様の機能を達成することができる。 In the above-described embodiment, a three-way valve is used as a configuration for switching the flow path. However, the present invention is not limited thereto, and various configurations that can achieve the same function as the three-way valve can be adopted. For example, two two-way valves can be used to achieve the same function as one three-way valve.
EDIスタック23の代わりに、非再生型の混床式イオン交換塔を設けてもよい。この場合には、前段のRO膜モジュールで分離された透過水をイオン交換樹脂床により脱イオン処理して精製水W2(脱塩水)を得ることができる。また、イオン交換塔を用いることにより、透過水から脱塩水を得るための処理に掛かる電力をほぼゼロにすることができる。なお、脱塩水を改質水W4として利用してもよい。
Instead of the
RO膜モジュールは、直列に複数段設けることができる。すなわち、前段のRO膜モジュールで得た透過水を後段のRO膜モジュールの供給水とし、より精製された透過水を得る。また、RO膜モジュール22と、EDIスタック23又は非再生型の混床式イオン交換塔との間に、脱炭酸装置を設けてもよい。その場合、透過水ラインL21からの改質水供給ラインL5の分岐部は、RO膜モジュール22と脱炭酸装置との間に配置される。
A plurality of RO membrane modules can be provided in series. That is, the permeated water obtained in the first-stage RO membrane module is used as the supply water for the second-stage RO membrane module to obtain more purified permeated water. Further, a decarbonation device may be provided between the
1 加温水製造システム
2 水処理ユニット
4 燃料電池ユニット
21 水精製部
22 RO膜モジュール(逆浸透膜モジュール)
23 EDIスタック(電気脱イオンスタック)
26 加圧ポンプ(ポンプ)
41 燃料電池
65 精製水タンク
71 第1熱交換器
72 第2熱交換器
E1 電力
G1 原燃料ガス(燃料)
G3 改質ガス
G4 オフガス
L1 供給水ライン
L5 改質水供給ライン
L43 改質ガス供給ライン
L62 精製水ライン
L64 返送ライン
L65 精製水循環ライン
L651 精製水往路
L652 精製水復路
L71 オフガスライン
W1 供給水
W2 精製水(透過水,脱塩水)
W3 加温水
W4 改質水
W5 第1濃縮水
W6 第2濃縮水
23 EDI Stack (Electric Deionization Stack)
26 Pressurizing pump (pump)
41
G3 Reformed gas G4 Off gas L1 Supply water line L5 Reformed water supply line L43 Reformed gas supply line L62 Purified water line L64 Return line L65 Purified water circulation line L651 Purified water forward path L652 Purified water return path L71 Off gas line W1 Supply water W2 Purified water (Permeated water, demineralized water)
W3 Heated water W4 Reformed water W5 First concentrated water W6 Second concentrated water
Claims (7)
燃料電池ユニットと、
前記水処理ユニットで製造された精製水と前記燃料電池ユニットから排出されるオフガスとの間で熱交換を行うことにより加温水を得る第1熱交換器と、を備え、
前記水処理ユニットは、供給水から精製水を得る水精製部と、供給水を吸入して前記水精製部に向けて吐出するポンプと、を有し、前記燃料電池ユニットで発電された電力を前記ポンプの駆動電力として利用し、
前記燃料電池ユニットは、燃料電池と、触媒上で燃料と改質水とを反応させて前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、を有し、前記水処理ユニットで製造された精製水の一部を改質水として利用する、加温水製造システム。 A water treatment unit;
A fuel cell unit,
A first heat exchanger that obtains heated water by performing heat exchange between purified water produced by the water treatment unit and off-gas discharged from the fuel cell unit,
The water treatment unit has a water purification unit that obtains purified water from supply water, and a pump that sucks in the supply water and discharges the water toward the water purification unit, and supplies the electric power generated by the fuel cell unit. Utilizing as drive power for the pump,
The fuel cell unit includes a fuel cell, a reformer that reacts fuel and reformed water on a catalyst to generate a reformed gas supplied to the fuel cell, and the water treatment unit includes: A heated water production system that uses part of the produced purified water as reforming water.
前記精製水タンクに貯留された精製水をユースポイントへ送る精製水往路、及び前記ユースポイントで使用されなかった精製水を前記精製水タンクへ戻す精製水復路からなる精製水循環ラインと、を更に備え、
前記第1熱交換器は、前記精製水往路を流通している精製水の熱交換を行う、
請求項1に記載の加温水製造システム。 A purified water tank for storing purified water produced by the water treatment unit,
A purified water circulation line including a purified water forward path for sending purified water stored in the purified water tank to a use point, and a purified water return path for returning purified water not used at the use point to the purified water tank. ,
The first heat exchanger performs heat exchange of purified water flowing through the purified water outward path,
The heated water production system according to claim 1.
前記精製水タンクに貯留された精製水をユースポイントへ送る精製水往路、及び前記ユースポイントで使用されなかった精製水を前記精製水タンクへ戻す精製水復路からなる精製水循環ラインと、を更に備え、
前記第1熱交換器は、前記精製水タンクに貯留されている精製水の熱交換を行う、
請求項1に記載の加温水製造システム。 A purified water tank for storing purified water produced by the water treatment unit,
A purified water circulation line including a purified water forward path for sending purified water stored in the purified water tank to a use point, and a purified water return path for returning purified water not used at the use point to the purified water tank. ,
The first heat exchanger performs heat exchange of purified water stored in the purified water tank.
The heated water production system according to claim 1.
請求項2又は請求項3に記載の加温水製造システム。 When the purified water tank is full, return the purified water to the supply water side of the water treatment unit without sending the purified water to the purified water tank,
The heated water production system according to claim 2 or 3.
前記燃料電池ユニットは、前記逆浸透膜モジュールで得られた透過水の一部を改質水として利用する、
請求項1〜3のいずれかに記載の加温水製造システム。 The water purification unit has a reverse osmosis membrane module for separating feed water into permeated water and first concentrated water, and obtains permeated water as purified water,
The fuel cell unit uses a part of the permeated water obtained by the reverse osmosis membrane module as reformed water,
The heated water production system according to claim 1.
前記水処理ユニットは、前記燃料電池ユニットで発電された電力を前記電気脱イオンスタックの駆動電力として利用する、
請求項5に記載の加温水製造システム。 The water purification unit further includes an electrodeionization stack for desalinating the permeated water to produce demineralized water and a second concentrated water, and obtains the demineralized water as purified water.
The water treatment unit uses power generated by the fuel cell unit as driving power for the electrodeionization stack,
The heated water production system according to claim 5.
請求項1〜6のいずれかに記載の加温水製造システム。 The apparatus further includes a second heat exchanger that preheats the supply water by performing heat exchange between supply water supplied to the water treatment unit and off-gas after passing through the first heat exchanger.
The heated water production system according to claim 1.
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