JP6642254B2 - 水加温システム - Google Patents

Description

本発明は、加温容器と、加温容器を貫通する貫通管とを有する水加温ユニットを備える水加温システムに関する。

従来、電気駆動ヒータを加熱源として利用して純水を加温する純水加温装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。図４（ａ）に示すように、特許文献１に記載の純水加温装置５Ａは、内部に精製水Ｗ２（純水）が貯留される加温容器５１と、加温容器５１を貫通する複数本の貫通管５２と、複数本の貫通管５２に配置されるハロゲンヒータ（電気駆動ヒータの一種：不図示）と、を備える。このように構成される純水加温装置５Ａは、ハロゲンヒータを加熱源として、加温容器５１に貯留される精製水Ｗ２を加温して加温水Ｗ３を製造する。

また、従来、純水から純粋な蒸気を生成する純粋蒸気発生装置が知られている（例えば、下記特許文献２参照）。図４（ｂ）に示すように、特許文献２に記載の純粋蒸気発生装置５Ｂは、内部に精製水Ｗ２（純水）が貯留される加温容器５５と、加温容器５５を貫通する複数本の貫通管５７と、複数本の貫通管５７に配置されるハロゲンヒータ（電気駆動ヒータの一種：不図示）と、を備える。このように構成される純粋蒸気発生装置５Ｂは、ハロゲンヒータを加熱源として、加温容器５５に貯留される精製水Ｗ２から純粋な蒸気ＳＭを生成する。

特開平１１−８３１７５号公報 特開２０１５−４２９２５号公報

特許文献１に記載の純水加温装置や特許文献２に記載の純粋蒸気発生装置では、加熱源としてハロゲンヒータを利用している。そのため、ハロゲンヒータの消費電力が大きい場合には、加温水Ｗ３や蒸気ＳＭの単価が上昇する。また、ハロゲンヒータが断線した場合には、需要箇所（ユースポイント）で必要とする量の加温水Ｗ３や蒸気ＳＭを確保できなくなる。
そのため、従来の純水加温装置や純粋蒸気発生装置のような加熱源としてハロゲンヒータを利用する加温水システムにおいて、ハロゲンヒータを加熱源として利用しつつ、ハロゲンヒータ以外の加熱源も利用できることが望まれる。

本発明は、電気駆動ヒータを加熱源として利用しつつ、電気駆動ヒータ以外の加熱源も利用できる水加温システムを提供することを目的とする。

本発明は、水加温ユニットと、燃料電池ユニットと、を備え、前記水加温ユニットは、内部に水が貯留される加温容器と、前記加温容器を貫通し、管内に電気駆動ヒータが配置される一以上の第１貫通管と、前記加温容器を貫通し、管内に前記燃料電池ユニットから排出されるオフガスが流通される一以上の第２貫通管と、を有する、水加温システムに関する。

また、水処理ユニットを更に備え、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し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し、前記水加温ユニットは、前記水処理ユニットで製造された精製水の残部を前記加温容器に貯留すると共に、前記燃料電池ユニットで発電された電力を前記電気駆動ヒータの駆動電力として利用することが好ましい。

また、前記加温容器への精製水の供給流量を調節する空気作動弁と、前記燃料電池ユニットにアノードガスとしての空気を供給するブロワと、更に備え、前記ブロワにより送気される空気の一部を前記空気作動弁の駆動用流体として利用することが好ましい。
或いは、前記加温容器への精製水の供給流量を調節する空気作動弁と、前記空気作動弁の駆動用流体としての圧縮空気を生成する空気圧縮機と、を更に備え、前記空気圧縮機により生成される圧縮空気の一部を前記燃料電池ユニットのカソードガスとして利用することが好ましい。

また、前記水加温ユニットは、複数段の前記加温容器を有し、前段から後段に向けて順に水が流通するように、各段の前記加温容器どうしが連通されると共に、後段から前段に向けて順にオフガスが流通するように、各段の前記第２貫通管どうしが連通されていることが好ましい。

本発明によれば、電気駆動ヒータを加熱源として利用しつつ、電気駆動ヒータ以外の加熱源も利用できる水加温システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る水加温システム１の全体概略図である。 水加温システム１における水処理ユニット２の詳細図である。 第１の水加温ユニットである純水加温装置５Ａの構成を示す概略図である。 （ａ）は、純水加温装置５Ａの加温容器５１の断面図である。（ｂ）は、第２の水加温ユニットである純粋蒸気発生装置５Ｂの加温容器５５の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る水加温システム１Ａの一部を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る水加温システム１Ｂの一部を示す概略図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る水加温システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る水加温システム１の全体概略図である。図２は、水加温システム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（純水）を加温して、加温水Ｗ３又は蒸気ＳＭを製造する水加温システム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。

〔水加温システム１の全体構成〕
詳細には、図１に示すように、第１実施形態の水加温システム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を加温して加温水Ｗ３又は蒸気ＳＭを得る水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）と、水加温システム１の全体を制御するシステム制御部１５と、を備える。

第１実施形態の水加温システム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、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、を備える。

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、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。

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。

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。

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。

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を複数のユースポイント６９（６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃ）へ送る精製水往路Ｌ６５１（第１精製水往路Ｌ６５１Ａ、第２精製水往路Ｌ６５１Ｂ、第３精製水往路Ｌ６５１Ｃ）、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。

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複数のユースポイント６９（６９Ａ，６９Ｂ，６９Ｃ）へ分岐する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。

本実施形態においては、３種類の精製水往路Ｌ６５１（第１精製水往路Ｌ６５１Ａ、第２精製水往路Ｌ６５１Ｂ、第３精製水往路Ｌ６５１Ｃ）が設けられている。第１精製水往路Ｌ６５１Ａの分岐路には、第１の水加温ユニット５Ａが設けられている。第２精製水往路Ｌ６５１Ｂの分岐路には、第２の水加温ユニット５Ｂが設けられている。第３精製水往路Ｌ６５１Ｃの分岐路には、分岐路を流通する精製水を加温する設備は設けられていない。

「水加温ユニット５」の表現は、第１の水加温ユニット５Ａ及び第２の水加温ユニット５Ｂの総称であり、両者に共通する説明をする場合や、両者を区別する必要がない場合に用いる。第１の水加温ユニット５Ａは、純水加温装置からなり、第１精製水往路Ｌ６５１Ａを流通する精製水Ｗ２を加熱源により加温して加温水Ｗ３を得る設備である。第２の水加温ユニット５Ｂは、純粋蒸気発生装置からなり、第２精製水往路Ｌ６５１Ｂを流通する精製水Ｗ２を加熱源により加温して純粋蒸気ＳＭを得る設備である。水加温ユニット５の詳細については後述する。

精製水往路Ｌ６５１における環状戻り路には、循環ポンプ６８が設けられているが、環状戻り路を流通する精製水を加温する設備は設けられていない。

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、下流側へ向けて圧送（吐出）する装置である。

水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）は、精製水往路Ｌ６５１を流通する精製水Ｗ２を、オフガスラインＬ７１を流通するオフガスＧ４との間の熱交換や、ハロゲンヒータ５３（詳細は後述）により加熱を行うことより、加温水Ｗ３又は純粋蒸気ＳＭを得る機器である。水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）は、燃料電池ユニット４から排出されるオフガスＧ４の廃熱及びハロゲンヒータ５３からの発熱を、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℃程度である。純水加温装置５Ａ９０℃）とされる。

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を介して戻された精製水Ｗ２を貯留する。
「加温水Ｗ３」とは、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ）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、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ）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を熱交換器７２で予熱するので、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ）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。

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。

第１実施形態の水加温システム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。水加温ユニット５は、水処理ユニット２で製造された精製水Ｗ２の残部を水加温ユニット５の加温容器５１に貯留すると共に、燃料電池ユニット４で発電された電力Ｅ１を水加温ユニット５の電気駆動ヒータ５３（ハロゲンヒータ）の駆動電力として利用する（詳細は後述する）。

〔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、改質水Ｗ４として利用される精製水Ｗ２（脱塩水；純水）及び水加温ユニット５で加熱される対象である精製水Ｗ２を製造する純水製造装置である。

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。

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。

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。

供給水ラインＬ１には、上流側から順に、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。
熱交換器７２は、供給水ラインＬ１を流通する供給水Ｗ１と、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）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）。熱交換器７２は、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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、ブロワ４３と、電池制御部４５と、燃料供給ラインＬ４１と、第１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。

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。

第１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。第１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に供給するための前記ブロワに接続されている。第１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。

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。

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。

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。

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。

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、分電盤７４に送電される。燃料電池４１から分電盤７４に送電された電力Ｅ１は、水処理ユニット２に供給されると共に、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）のハロゲンヒータ５３（図３参照）や空気圧縮機７１（図１及び図３参照）に供給される。分電盤７４には、水加温システム１の外部から電力Ｅ２が送電される。水加温システム１の外部から分電盤７４に送電された電力Ｅ２は、例えば、燃料電池ユニット４の起動時の電力や、燃料電池４１によって発電された電力が不足した場合の電力として利用される。

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、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）及び熱交換器７２が設けられている。水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）には、第２空気供給ラインＬ８１を介して、空気圧縮機７１が接続されている。

オフガスラインＬ７１を流通するオフガスＧ４の廃熱は、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）において、精製水循環ラインＬ６５の精製水往路Ｌ６５１（第１精製水往路Ｌ６５１Ａ、第２精製水往路Ｌ６５１Ｂ）を流通する精製水Ｗ２の加温に利用される。水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）を通過した後のオフガスＧ４の余熱は、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。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。

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。

〔水加温ユニット５〕
水加温ユニット５について、図面を参照して説明する。図３は、第１の水加温ユニットである純水加温装置５Ａの構成を示す概略図である。図４（ａ）は、純水加温装置５Ａの加温容器５１の断面図である。図４（ｂ）は、第２の水加温ユニットである純粋蒸気発生装置５Ｂの加温容器５５の断面図である。なお、図４は、前述の背景技術の説明で利用したが、第１実施形態の説明でも共用して利用する。また、図３は、主として、第１の水加温ユニット５Ａである純水加温装置を示すが、第２の水加温ユニット５Ｂである純粋蒸気発生装置の後述の説明にも援用する。図３において、［］で囲む部分は、第２の水加温ユニット５Ｂに関係する構成を示している。

〔第１の水加温ユニット５Ａ〕
第１の水加温ユニット５Ａは、加温容器５１に貯留された精製水Ｗ２（純水）を加熱源により所定の温度（例えば、８０℃）まで加温する設備であり、「純水加温装置」とも呼称される。本実施形態においては、加熱源は、少なくとも、電気駆動ヒータ及びオフガスであり、電気駆動ヒータとしてハロゲンヒータ５３を使用している。

本願において「電気駆動ヒータ」とは、電気エネルギーを他の種類のエネルギー、典型的には電磁波エネルギーや熱エネルギーに変換して対象物を加熱する機器である。電気駆動ヒータによる加熱方法としては、赤外線（放射）加熱、誘電加熱、マイクロ波加熱、誘導加熱、抵抗加熱、アーク加熱などが挙げられ、精製水Ｗ２のエネルギー吸収に伴う発熱又は吸熱を利用してその温度を上昇させる。なお、ハロゲンヒータ５３は、赤外線（放射）加熱に分類される。

第１の水加温ユニット５Ａは、図３に示すように、加温部５０Ａと、内部加温水ラインＬ５１と、オフガスラインとしての内部ガスラインＬ５２と、加温制御部５１０と、を有する。
加温部５０Ａは、複数の加温容器５１を有する。加温容器５１それぞれの内部には、精製水Ｗ２が貯留される。第１の水加温ユニット５Ａは、加温容器５１に貯留される水を加熱源により加温する。本実施形態においては、図３に示すように、内部加温水ラインＬ５１には、３つの加温容器５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃが直列に３段で設けられている。加温容器５１は、内部加温水ラインＬ５１における上流側から下流側に向けて、第１加温容器５１Ａ、第２加温容器５１Ｂ、第３加温容器５１Ｃの順に配置されている。なお、以下の説明において、第１加温容器５１Ａ、第２加温容器５１Ｂ、第３加温容器５１Ｃを特に区別する必要がない場合には、単に、「加温容器５１」と記載する。

第１の水加温ユニット５Ａには、内部加温水ラインＬ５１における水の流通方向の上流側から下流側に向けて、精製水ラインとしての第１内部加温水ラインＬ５１ａ、第１加温容器５１Ａ、第２内部加温水ラインＬ５１ｂ、第２加温容器５１Ｂ、第３内部加温水ラインＬ５１ｃ、第３加温容器５１Ｃ、第４内部加温水ラインＬ５１ｄがこの順に設けられている。
これにより、第１の水加温ユニット５Ａは、第１内部加温水ラインＬ５１ａを流通する精製水Ｗ２が、前段の第１加温容器５１Ａから、中段の第２加温容器５１Ｂを通り、後段の第３加温容器５１Ｃに向けて順に流通するように構成される。

また、第１の水加温ユニット５Ａには、内部ガスラインＬ５２におけるオフガスＧ４の流通方向の上流側から下流側に向けて、第１内部ガスラインＬ５２ａ、第３加温容器５１Ｃ、第２内部ガスラインＬ５２ｂ、第２加温容器５１Ｂ、第３内部ガスラインＬ５２ｃ、第１加温容器５１Ａ、第４内部ガスラインＬ５２ｄがこの順に設けられている。
これにより、第１の水加温ユニット５Ａは、複数の加温容器５１の貫通管５２に対し、後段の第３加温容器５１Ｃから、中段の第２加温容器５１Ｂを通り、前段の第１加温容器５１Ａに向けて順にオフガスＧ４が流通するように構成される。

このように、前段から後段に向けて順に水が流通するように、各段の加温容器５１どうしが連通されると共に、後段から前段に向けて順にオフガスが流通するように、各段の第２貫通管５２ｂどうしが連通されている。

第１の水加温ユニット５Ａの第１加温容器５１Ａ、第２加温容器５１Ｂ及び第３加温容器５１Ｃに配置されたハロゲンヒータ５３には、燃料電池ユニット４の燃料電池４１で発電された電力Ｅ１が供給される。

このように、水加温ユニット５は、水処理ユニット２で製造された精製水Ｗ２の残部を水加温ユニット５の加温容器５１に貯留すると共に、燃料電池ユニット４で発電された電力Ｅ１を水加温ユニット５のハロゲンヒータ５３の駆動電力として利用する。

第１の水加温ユニット５Ａにおいて、第１内部加温水ラインＬ５１ａには、空気作動弁Ｖ５１が設けられている。空気作動弁Ｖ５１は、加温容器５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃへの精製水Ｗ２の供給流量を調節する弁である。空気作動弁Ｖ５１は、構造が簡易で、応答速度が速いという利点を有している。また、空気作動弁Ｖ５１は、接液部を非金属材料で構成しやすいという利点もある。

空気作動弁Ｖ５１のアクチュエータ部には、圧縮空気Ａ２が流通する第２空気供給ラインＬ８１の下流側の端部が接続されている。第２空気供給ラインＬ８１の上流側の端部には、空気圧縮機７１が接続されている。空気圧縮機７１は、空気作動弁Ｖ５１を駆動させる圧縮空気Ａ２を生成する。空気圧縮機７１は、燃料電池４１で発電された電力Ｅ１を駆動電力源として利用する。そのため、燃料電池ユニット４からの電力Ｅ１を、分電盤７４を介して空気圧縮機７１に供給する。

第２空気供給ラインＬ８１の途中には、電磁弁Ｖ５２が設けられている。電磁弁Ｖ５２を加温制御部５１０により開閉制御することで、空気作動弁Ｖ５１の流量調節状態を２段階で切り替える。
具体的には、加温制御部５１０により電磁弁Ｖ５２が開放されると、空気作動弁Ｖ５１のアクチュエータ部に圧縮空気Ａ２が送られ、主弁の開口面積が縮小される。その結果、第１内部加温水ラインＬ５１ａを流通する精製水Ｗ２の流量が減少する。一方、加温制御部５１０により電磁弁Ｖ５２が閉鎖されると、空気作動弁Ｖ５１のアクチュエータ部に圧縮空気Ａ２が送られなくなり、主弁の開口面積が拡大される。その結果、第１内部加温水ラインＬ５１ａを流通する精製水Ｗ２の流量が増加する。空気作動弁Ｖ５１の設定流量は、主弁に連結された調整ロッド（不図示）などにより手動で調整される。

加温制御部５１０は、水加温ユニット５の各機器を制御する。例えば、加温制御部５１０は、空気作動弁Ｖ５１の流量調節状態を切り替えるため、開閉制御信号を電磁弁Ｖ５２に出力する。

第１の水加温ユニット５Ａの各構成について説明する。第１の水加温ユニット５Ａは、図３に示すように、加温部５０Ａにおいて、複数の加温容器５１と、複数の貫通管５２と、複数の電気駆動ヒータとしてのハロゲンヒータ５３と、を備える。本実施形態においては、図３に示すように、内部ガスラインＬ５２は、オフガスＧ４が、３段で直列に設けられた３つの加温容器５１の貫通管５２に対し、後段側から前段側に向けて順に流通するように接続されている。

第１の水加温ユニット５Ａ（純水加温装置）は、背景技術で説明した特開平１１−８３１７５号公報に開示されている純水加温装置と同様の構成を有している。第１の水加温ユニット５Ａの複数本の貫通管５２は、加温容器５１を貫通し、図４（ａ）に示すように、ハロゲンヒータ５３（図３参照）が配置される４本の第１貫通管５２ａと、ハロゲンヒータ５３が配置されずにオフガスＧ４が流通する２本の第２貫通管５２ｂと、を有する。ハロゲンヒータ５３が配置される４本の第１貫通管５２ａは、６本の貫通管５２のうちの上方に位置する。ハロゲンヒータ５３が配置されない２本の第２貫通管５２ｂは、６本の貫通管５２のうちの下方に位置する。

ハロゲンヒータ５３は、燃料電池ユニット４の燃料電池４１（図１参照）から電力Ｅ１が供給されることにより近赤外線を放射する。加温容器５１内の精製水Ｗ２は、赤外線エネルギーを吸収して発熱し、その温度が上昇する。本実施形態においては、第１貫通管５２ａの１本当たりにおけるハロゲンヒータ５３の出力は、例えば、４ｋＷ程度である。
ハロゲンヒータ５３が配置されていない２本の第２貫通管５２ｂには、内部ガスラインＬ５２（オフガスライン）が接続されている。第２貫通管５２ｂに高温のオフガスＧ４を連続的に供給することにより、オフガスＧ４から精製水Ｗ２に熱伝達される。加温容器５１内の精製水Ｗ２は、オフガスＧ４からの熱エネルギーを吸収し、その温度が上昇する。本実施形態においては、第２貫通管５２ｂの１本当たりにおけるオフガスＧ４の熱量は、例えば、４ｋＷ程度である。

第１の水加温ユニット５Ａは、以下のようにして使用される。
第１の水加温ユニット５Ａにおいては、図３に示すように、３段で直列に設けられた３つの加温容器５１に、前段の加温容器５１から後段の加温容器５１に向けて順に精製水Ｗ２（純水）が流通する。これにより、第１の水加温ユニット５Ａの各加温容器５１においては、加温容器５１の内部に精製水Ｗ２が導入される。第１の水加温ユニット５Ａは、加温容器５１の内部に所定量の精製水Ｗ２が貯留された状態で使用される。

第１の水加温ユニット５Ａにおいて、燃料電池ユニット４の燃料電池４１から、第１貫通管５２ａに挿入されたハロゲンヒータ５３に電力Ｅ１を供給することで、ハロゲンヒータ５３から近赤外線が放射される。また、第２貫通管５２ｂにオフガスＧ４を流通させることにより、オフガスＧ４から精製水Ｗ２への熱伝達が行われる。

加温容器５１の内部に貯留された精製水Ｗ２は、第１貫通管５２ａに挿入されたハロゲンヒータ５３の放射エネルギーにより加熱されると共に、第２貫通管５２ｂを流通するオフガスＧ４の廃熱により加熱される。加温容器５１の内部で生成された加温水Ｗ３は、加温容器５１の外部に排出され、内部加温水ラインＬ５１を介して、第１精製水往路Ｌ６５１Ａに送出される。

また、内部ガスラインＬ５２（オフガスライン）は、オフガスＧ４が、複数の加温容器５１の貫通管５２に対し、後段側から前段側に向けて順に流通するように接続されている。そのため、オフガスＧ４と精製水Ｗ２とが対向流で複数段の加温容器５１を流通しながら、精製水Ｗ２が所定の温度まで加温される。

〔第２の水加温ユニット５Ｂ〕
第２の水加温ユニット５Ｂの構成について、図３を援用すると共に、図４（ｂ）を参照して説明する。図４（ｂ）は、第２の水加温ユニット５Ｂの加温容器５５の断面図である。なお、図３は、第１の水加温ユニット５Ａを示しているが、加温部５０Ａの外側の構成は、第２の水加温ユニット５Ｂと同様であるため、第２の水加温ユニット５Ｂの説明に、図３を援用して用いる。図４（ｂ）は、前述の背景技術の説明で利用したが、第２の水加温ユニット５Ｂの説明でも共用して利用する。

第２の水加温ユニット５Ｂは、純粋蒸気発生装置からなり、は、図４（ｂ）に示すように、主な構成要素として、図３の第１の水加温ユニット５Ａの加温部５０Ａに代えて、加温部５０Ｂを備える。加温部５０Ｂは、単一の加温容器５５を有する。第２の水加温ユニット５Ｂは、第１の水加温ユニット５Ａが複数の加温容器５１で構成されているのに対して、単一の加温容器５５を備えて構成される。また、第２の水加温ユニット５Ｂにおいては、第２の水加温ユニット５Ｂから蒸気使用設備（ユースポイント６９Ｂ）に蒸気ＳＭが送出される。

第２の水加温ユニット５Ｂは、背景技術で説明した特開２０１５−４２９２５号公報に開示されている純粋蒸気発生装置と同様の構成を有している。具体的に例示すると、第２の水加温ユニット５Ｂ（純粋蒸気発生装置）の複数本の貫通管５７は、図４（ｂ）に示すように、ハロゲンヒータ（電気駆動ヒータ）が配置される２本の第１貫通管５７ａと、ハロゲンヒータが配置されずにオフガスＧ４が流通する１本の第２貫通管５７ｂと、ハロゲンヒータが配置されずにオフガスＧ４も流通しない２本の貫通管５７ｃと、を有する。ハロゲンヒータが配置される２本の第１貫通管５７ａは、５本の貫通管５７のうちの中段に位置する。ハロゲンヒータが配置されずにオフガスＧ４が流通する１本の第２貫通管５７ｂは、５本の貫通管５７のうちの下段に位置する。ハロゲンヒータが配置されずにオフガスＧ４も流通しない２本の貫通管５７ｃは、５本の貫通管５７のうちの上段に位置する。この貫通管５７ｃは、単に加温容器５５の強度を保つために設けられている。

第２の水加温ユニット５Ｂによれば、第１の水加温ユニット５Ａと同様に作動し、同様に作用する（加温による結果物は異なる）。
つまり、燃料電池ユニット４の燃料電池４１で発電された電力Ｅ１を第２の水加温ユニット５Ｂのハロゲンヒータの駆動電力源として活用できると共に、燃料電池４１からのオフガスＧ４を第２の水加温ユニット５Ｂの加熱源として活用できる。そのため、ハロゲンヒータを蒸気発生用の第２の水加温ユニット５Ｂの加熱源として利用しつつ、ハロゲンヒータ以外の加熱源も第２の水加温ユニット５Ｂの加熱源として利用できる。その結果、ハロゲンヒータの消費電力が大きい場合には、蒸気ＳＭの単価をより低価格にすることができる。また、ハロゲンヒータが断線しても、需要箇所（ユースポイント６９Ｂ）で必要とする量の蒸気ＳＭを確保することができる。

なお、本明細書において、第１の水加温ユニット５Ａにおける加温水の加温に関する説明は、第２の水加温ユニット５Ｂにおける純粋蒸気の発生に、適宜援用される。

〔システム制御部１５〕
システム制御部１５は、水加温システム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。

（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。

（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。

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が熱交換器７２に向けて供給される。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。

なお、熱交換器７２に供給されるオフガスＧ４は、水加温ユニット５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。

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。

（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。

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が熱交換器７２に向けて供給される。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。

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。そのため、精製水タンク６５に貯留された精製水Ｗ２は、ユースポイント６９の負荷に応じて、第１精製水往路Ｌ６５１Ａ、第２精製水往路Ｌ６５１Ｂ、及び第３精製水往路Ｌ６５１Ｃに送られる。ユースポイント６９に送られなかった精製水Ｗ２は、精製水復路Ｌ６５２を介して精製水タンク６５に戻される。

精製水供給モードにおいては、第１精製水往路Ｌ６５１Ａ及び第２精製水往路Ｌ６５１Ｂを流通する精製水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）や純粋蒸気ＳＭ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。精製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。

（３−１）ユースポイント６９Ａへの高温純水の供給
第１精製水往路Ｌ６５１Ａに設けられる第１の水加温ユニット５Ａでは、精製水Ｗ２とオフガスＧ４との熱交換やハロゲンヒータ５３からの発熱により、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６９Ａへ送られる。なお、加温水Ｗ３は、水加温ユニット５の空気作動弁Ｖ５１で精製水Ｗ２の流量を調節することにより、ユースポイント６９Ａでの要求水量に調節される。

加温水Ｗ３の温度制御の第１の例は以下の通りである。オフガスＧ４を流通させる一以上の第２貫通管５２ｂ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の第１精製水往路Ｌ６５１Ａの分岐路において、第１の水加温ユニット５Ａの二次側には、温度センサ（図示せず）を設ける。ハロゲンヒータ５３の全数をオンとし、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２貫通管５２ｂを流通するオフガスＧ４の流量を制御する）。ハロゲンヒータ５３でベースとなる加熱量を確保しつつ、オフガスＧ４の流量の増減で加熱量を微調節する。

加温水Ｗ３の温度制御の第２の例は以下の通りである。加温容器５１の二次側には、温度センサ（図示せず）を設ける。第２貫通管５２ｂに流通させるオフガスＧ４の流量を一定に維持し、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、ハロゲンヒータ５３のオン数を切り替える。すなわち、オフガスＧ４でベースとなる加熱量を確保しつつ、ハロゲンヒータ５３の出力の増減で加熱量を微調節する。

（３−２）ユースポイント６９Ｂへの純粋蒸気の供給
第２精製水往路Ｌ６５１Ｂに設けられる第２の水加温ユニット５Ｂでは、精製水Ｗ２とオフガスＧ４との熱交換やハロゲンヒータ５３からの発熱により、純粋蒸気ＳＭが発生する。この純粋蒸気ＳＭは、ユースポイント６９Ｂへ送られる。

純粋蒸気ＳＭの発生量は、第２の水加温ユニット５Ｂにおける加熱量に依存する。従って、純粋蒸気ＳＭの制御例は、前述の加温水Ｗ３の温度制御の第１の例及び第２の例を援用できる。具体的には、純粋蒸気ＳＭの制御の第１の例では、ハロゲンヒータ５３でベースとなる加熱量を確保しつつ、オフガスＧ４の流量の増減で加熱量を微調節することで、純粋蒸気ＳＭの発生量を制御する。純粋蒸気ＳＭの制御の第２の例では、オフガスＧ４でベースとなる加熱量を確保しつつ、ハロゲンヒータ５３の出力の増減で加熱量を微調節することで、純粋蒸気ＳＭの発生量を制御する。

（３−３）ユースポイント６９Ｃへの低温純水の供給
第３精製水往路Ｌ６５１Ｃに流入した精製水Ｗ２は、加熱されずにユースポイント６９Ｃへ送られる。なお、精製水Ｗ２は、第３精製水往路Ｌ６５１Ｃに設けた流量調整弁等により、ユースポイント６９Ｃでの要求水量に調節される。

（４）改質水Ｗ４の連続供給
上述した（２），（３）のモードにおいて、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。

第１実施形態に係る水加温システム１によれば、例えば、以下のような効果が奏される。
本実施形態に係る水加温システム１は、水加温ユニット５（純水加温装置５Ａ及び純粋蒸気発生装置５Ｂ）と、燃料電池ユニット４と、を備え、水加温ユニット５は、内部に水が貯留される加温容器５１と、加温容器５１を貫通し、管内に電気駆動ヒータ５３が配置される一以上の第１貫通管（５２ａ，５７ｂ）と、加温容器５１を貫通し、管内に燃料電池ユニット４から排出されるオフガスＧ４が流通される一以上の第２貫通管（５２ｂ，５７ｂ）と、を有する。

そのため、本実施形態によれば、電気駆動ヒータ５３を加熱源として利用しつつ、電気駆動ヒータ５３以外の加熱源である燃料電池ユニット４から排出されるオフガスＧ４も、有効に利用できる。

また、本実施形態に係る水加温システム１は、水処理ユニット２を更に備え、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で発電した電力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、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。水加温ユニット５は、水処理ユニット２で製造された精製水Ｗ２の残部を加温容器５１に貯留すると共に、燃料電池ユニット４で発電された電力Ｅ１を電気駆動ヒータ５３の駆動電力として利用する。

そのため、燃料電池ユニット４の燃料電池４１で発電された電力Ｅ１を、水加温ユニット５のハロゲンヒータ５３の駆動電力源として活用できると共に、燃料電池４１からのオフガスＧ４を、水加温ユニット５の加熱源として活用できる。これにより、ハロゲンヒータ５３を水加温ユニット５の加熱源として利用しつつ、ハロゲンヒータ５３以外の加熱源も水加温ユニット５の加熱源として利用できる。その結果、ハロゲンヒータ５３の消費電力が大きい場合には、加温水Ｗ３の単価をより低価格にすることができる。また、ハロゲンヒータ５３が断線しても、需要箇所（ユースポイント６９Ａ，６９Ｂ）で必要とする量の加温水Ｗ３を確保することができる。

また、水加温ユニット５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。また、水処理ユニット２においては、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。更に、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の製造や純粋蒸気ＳＭの製造を継続することができる。

また、第１の水加温ユニット５Ａは、複数段の加温容器５１を有し、前段から後段に向けて順に精製水Ｗ２が流通するように、各段の加温容器５１どうしが連通されると共に、後段から前段に向けて順にオフガスＧ４が流通するように、各段の第２貫通管５２ｂどうしが連通されている。

そのため、本実施形態によれば、オフガスＧ４と精製水Ｗ２とが対向流で複数段の加温容器５１を流通しながら、精製水Ｗ２が所定の温度まで加温される。よって、オフガスＧ４の廃熱を無駄なく有効活用できる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態では、主に第１実施形態との相違点について説明する。他の実施形態では、第１実施形態と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、他の実施形態では、第１実施形態と重複する説明を適宜に省略する。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る水加温システム１Ａの構成について、図５を参照して説明する。図５は、第２実施形態に係る水加温システム１Ａの一部を示す構成図である。
図５に示すように、第２実施形態に係る水加温システム１Ａは、第１実施形態と比べて、空気圧縮機７１を備えていない点、及び、第１空気供給ラインＬ４２において燃料電池ユニット４のブロワ４３と燃料電池４１との間の接続部Ｊ４１から第１分岐空気供給ラインＬ４２１が分岐される点において、第１実施形態の水加温システム１と主に異なる。

第２実施形態の水加温システム１Ａは、第１空気供給ラインＬ４２と、接続部Ｊ４１から分岐する第１分岐空気供給ラインＬ４２１と、第１内部加温水ラインＬ５１ａ（精製水ライン）に設けられる空気作動弁Ｖ５１（図３参照）と、燃料電池４１にアノードガスとしての空気Ａ１を供給するブロワ４３と、を備える。第１分岐空気供給ラインＬ４２１の下流側の端部は、水加温ユニット５の電磁弁Ｖ５２（図３参照）に接続されている。また、第２実施形態の水加温システム１Ａは、第１実施形態における空気圧縮機７１（図１参照）及び第２空気供給ラインＬ８１（図１及び図３参照）を備えていない。

これにより、第２実施形態においては、燃料電池ユニット４のブロワ４３により供給される空気Ａ１の一部を、第１空気供給ラインＬ４２及び第１分岐空気供給ラインＬ４２１を介して、水加温ユニット５の空気作動弁Ｖ５１に供給できる。そして、空気作動弁Ｖ５１では、この圧縮空気Ａ２をアクチュエータ部の駆動用流体として利用する。
このように、第２実施形態においては、燃料電池ユニット４のブロワ４３からの空気Ａ１の一部を、第１空気供給ラインＬ４２を介して燃料電池４１に供給すると共に、第１分岐空気供給ラインＬ４２１を介して水加温ユニット５の空気作動弁Ｖ５１の駆動に使用する。

第２実施形態に係る水加温システム１Ａによれば、ブロワ４３から供給される空気Ａ１の一部を、水加温ユニット５に組み込まれた空気作動弁Ｖ５１の駆動用の空気Ａ２として利用する。そのため、空気作動弁Ｖ５１を駆動させる圧縮空気Ａ２を生成する空気圧縮機等を省略でき、水加温システム１Ａを簡素化できる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る水加温システム１Ｂの構成について、図６を参照して説明する。図６は、第３実施形態に係る水加温システム１Ｂの一部を示す構成図である。
図６に示すように、第３実施形態に係る水加温システム１Ｂは、第１実施形態と比べて、燃料電池ユニット４がブロワ４３を備えていない点、及び、第２空気供給ラインＬ８１において空気圧縮機７１と水加温ユニット５との間の接続部Ｊ８１から第２分岐空気供給ラインＬ８２が分岐される点において、第１実施形態に係る水加温システム１と主に異なる。

第３実施形態の水加温システム１Ｂは、第２空気供給ラインＬ８１と、接続部Ｊ８１から分岐する第２分岐空気供給ラインＬ８２と、第１内部加温水ラインＬ５１ａ（精製水ライン）に設けられる空気作動弁Ｖ５１（図３参照）と、空気作動弁Ｖ５１を駆動させる駆動用流体としての圧縮空気Ａ２を生成する空気圧縮機７１（図３参照）と、を備える。第２分岐空気供給ラインＬ８２の下流側の端部は、燃料電池ユニット４の燃料電池４１に接続されている。また、第３実施形態の水加温システム１Ｂにおいては、第１実施形態におけるブロワ４３（図１参照）及び第１空気供給ラインＬ４２（図１参照）を備えていない。

これにより、第３実施形態においては、空気圧縮機７１により生成される圧縮空気Ａ２の一部を、第２空気供給ラインＬ８１及び第２分岐空気供給ラインＬ８２を介して、燃料電池４１に供給できる。そして、燃料電池４１では、この圧縮空気Ａ２をカソードガス（空気Ａ１）として利用する。また、燃料電池ユニット４は、燃料電池４１で発電した電力Ｅ１を空気圧縮機７１へ供給する。
このようにして、第３実施形態においては、空気圧縮機７１からの圧縮空気を、第２空気供給ラインＬ８１を介して水加温ユニット５に供給すると共に、第２分岐空気供給ラインＬ８２を介して燃料電池ユニット４に供給する。

第３実施形態に係る水加温システム１Ｂによれば、燃料電池ユニット４に空気Ａ１（カソードガス）を圧送するためのブロワ等を省略でき、燃料電池ユニット４の構造を簡素化できる。また、燃料電池４１で発電された電力Ｅ１を空気圧縮機７１の駆動電力源として活用するので、空気圧縮機７１のランニングコストを最小化することができる。

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。
例えば、第１の水加温ユニット５Ａでは、加温容器５１を３段で直列に設ける構成としたが、これに制限されない。加温容器５１を１段の単一の構成としてもよいし、２段又は４段以上で直列に設ける構成としてもよい。

第１の水加温ユニット５Ａでは、直列に設けた３段の加温容器５１の全てにオフガスＧ４を流通させたが、これに制限されない。例えば、３段の加温容器５１のうちの１つ又は２つの加温容器５１にオフガス４を流通させてもよい。

第１の水加温ユニット５Ａでは、複数の貫通管５２のうち、ハロゲンヒータ５３を配置する第１貫通管５２ａを４本とし、オフガスＧ４を流通させる第２貫通管５２ｂの数を２本とした。また、第２の水加温ユニット５Ｂは、複数の貫通管５７のうち、ハロゲンヒータを配置する第１貫通管５７ａを２本とし、オフガスＧ４を流通させる第２貫通管５７ｂの数を１本とした。しかし、ハロゲンヒータ、オフガスを流通させる貫通管の数は限定されない。ハロゲンヒータが配置される貫通管及びオフガスを流通させる貫通管の数は、適宜設定される。

前記第１実施形態では、空気作動弁Ｖ５１を水加温ユニット５の内部の第１内部加温水ラインＬ５１ａに設けたが、これに制限されない。空気作動弁Ｖ５１を水加温ユニット５の内部に設けなくてもよく、例えば、水加温システム１における第１精製水往路Ｌ６５１Ａ又は第２精製水往路Ｌ６５１Ｂに設けてもよい。

前記各実施形態では、水処理ユニットで製造された精製水Ｗ２の一部を改質水Ｗ４として利用したが、これに制限されない。水加温ユニット５や熱交換器７２で熱利用した後のオフガスＧ４を例えば４０℃以下に冷却し、得られた凝縮水を改質水Ｗ４として利用することにより、燃料電池ユニット４の水自立を行ってもよい。

１ 水加温システム
２ 水処理ユニット
４ 燃料電池ユニット
５ 水加温ユニット
５Ａ 第１の水加温ユニット（純水加温装置）
５Ｂ 第２の水加温ユニット（純粋蒸気発生装置）
２１ 水精製部
２６ 加圧ポンプ（ポンプ）
４１ 燃料電池
４２ 改質器
５１，５５ 加温容器
５３，５８ ハロゲンヒータ（電気駆動ヒータ）
５２，５７ 貫通管
５２ａ，５７ｂ 第１貫通管
５２ｂ，５７ｂ 第２貫通管
７１ 空気圧縮機
Ａ１ 空気（カソードガス）
Ａ２ 圧縮空気
Ｅ１ 電力
Ｇ１ 原燃料ガス（燃料）
Ｇ３ 改質ガス
Ｇ４ オフガス
Ｌ５ 改質水供給ライン
Ｌ４３ 改質ガス供給ライン
Ｌ５１ａ 第１内部加温水ライン（精製水ライン）
Ｌ７１ オフガスライン
Ｖ５１ 空気作動弁
Ｗ１ 供給水
Ｗ２ 精製水
Ｗ４ 改質水

Claims (5)

1. 水加温ユニットと、
   燃料電池ユニットと、を備え、
   前記水加温ユニットは、内部に水が貯留される加温容器と、前記加温容器を貫通し、管内に電気駆動ヒータが配置される一以上の第１貫通管と、前記加温容器を貫通し、管内に前記燃料電池ユニットから排出されるオフガスが流通される一以上の第２貫通管と、を有する、
   水加温システム。
2. 水処理ユニットを更に備え、
   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し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し、
   前記水加温ユニットは、前記水処理ユニットで製造された精製水の残部を前記加温容器に貯留すると共に、前記燃料電池ユニットで発電された電力を前記電気駆動ヒータの駆動電力として利用する、
   請求項１に記載の水加温システム。
3. 前記加温容器への精製水の供給流量を調節する空気作動弁と、
   前記燃料電池ユニットにアノードガスとしての空気を供給するブロワと、更に備え、
   前記ブロワにより送気される空気の一部を前記空気作動弁の駆動用流体として利用する、
   請求項１又は２に記載の水加温システム。
4. 前記加温容器への精製水の供給流量を調節する空気作動弁と、
   前記空気作動弁の駆動用流体としての圧縮空気を生成する空気圧縮機と、を更に備え、
   前記空気圧縮機により生成される圧縮空気の一部を前記燃料電池ユニットのカソードガスとして利用する、
   請求項１又は２に記載の水加温システム。
5. 前記水加温ユニットは、複数段の前記加温容器を有し、
   前段から後段に向けて順に水が流通するように、各段の前記加温容器どうしが連通されると共に、後段から前段に向けて順にオフガスが流通するように、各段の前記第２貫通管どうしが連通されている、
   請求項２〜４のいずれか１項に記載の水加温システム。

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