(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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、
請求項１に記載の加温水製造システム。
【請求項３】
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、
請求項１に記載の加温水製造システム。
【請求項４】
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、
請求項２又は請求項３に記載の加温水製造システム。
【請求項５】
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、
請求項１〜３のいずれかに記載の加温水製造システム。
【請求項６】
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、
請求項５に記載の加温水製造システム。
【請求項７】
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、
請求項１〜６のいずれかに記載の加温水製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−１８９７９６号公報（第２図）
【特許文献２】特開２０１３−２０２５８１号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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】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。
【図３】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）。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜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。
【００１５】
〔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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
〔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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
〔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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
〔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。
【００５８】
（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。
【００５９】
（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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
（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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
＜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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【符号の説明】
【００８９】
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
【図１】
0006638543.tif 000002
【図２】
0006638543.tif 000003
【図３】
0006638543.tif 000004