2024-167521 水供給システム、及び、その運転制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024167521

(43)【公開日】2024-12-04

(54)【発明の名称】水供給システム、及び、その運転制御方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/44 20230101AFI20241127BHJP

   B01D 61/58 20060101ALI20241127BHJP

   B01D 69/02 20060101ALI20241127BHJP

   B01D 71/02 20060101ALI20241127BHJP

【ＦＩ】

C02F1/44 A

C02F1/44 D

B01D61/58

B01D69/02

B01D71/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023083653

(22)【出願日】2023-05-22

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 広貴

(72)【発明者】

【氏名】隅倉 みさき

【テーマコード（参考）】

4D006

【Ｆターム（参考）】

4D006GA03

4D006GA32

4D006JA53Z

4D006KA53

4D006KA55

4D006KA57

4D006KE04P

4D006KE05Q

4D006KE16P

4D006KE23Q

4D006MB09

4D006MB10

4D006MC03

4D006MC05

4D006MC18

4D006MC23

4D006MC29

4D006MC30

4D006MC54

4D006PA01

4D006PB02

4D006PB08

4D006PC80

(57)【要約】

【課題】低品質な水源から効率的に純水を製造して水素製造装置に供給する。
【解決手段】水供給システム１０は、水素製造装置１００に水素製造用水１２０を供給するためのシステムであって、原水１１０から水素製造用水１２０を製造する水処理システム２０と、水処理システムから排出される濃縮水３２から水素製造用水をさらに製造する濃縮装置３０と、水処理システムの内部と濃縮装置の内部とを結ぶ濃縮水の送出ルート５０上に、水素製造装置で発生する廃熱を用いて濃縮水を温める加温部５１と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素製造装置に水素製造用水を供給するための水供給システムであって、
原水から前記水素製造用水を製造する水処理システムと、
前記水処理システムから排出される濃縮水から前記水素製造用水をさらに製造する濃縮装置と、
前記水処理システムの内部と前記濃縮装置の内部とを結ぶ前記濃縮水の送出ルート上に、前記水素製造装置で発生する廃熱を用いて前記濃縮水を温める加温部と、を備える、
ことを特徴とする水供給システム。

【請求項2】

前記水処理システムと前記濃縮装置の動作を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記水素製造装置の稼働率に応じて前記水処理システムと前記濃縮装置の造水量比率を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の水供給システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記水素製造装置の稼働率が任意の閾値以上になる場合に、前記濃縮装置の造水量比率を増やし、また、前記水素製造装置の稼働率が任意の閾値未満になる場合に、前記水処理システムの造水量比率を増やすように、前記水処理システムと前記濃縮装置の動作を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の水供給システム。

【請求項4】

前記水処理システムは、原水を濃縮水と第１透過水とに分離する第１水処理膜モジュールと、前記第１透過水を濃縮水と第２透過水とに分離する第２水処理膜モジュールと、を備え、
前記第１水処理膜モジュールは、親水性の第１水処理膜を有し、
前記第１水処理膜は、ナノカーボン構造体で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の水供給システム。

【請求項5】

前記第２水処理膜モジュールは、前記第１水処理膜よりも目が細かい、親水性の第２水処理膜を有し、
前記第２水処理膜は、ナノカーボン構造体で構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の水供給システム。

【請求項6】

前記濃縮装置は、膜蒸留装置を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の水供給システム。

【請求項7】

前記膜蒸留装置は、疎水性膜を有し、
前記疎水性膜は、グラフェンで構成された膜が積層された構造になっている、又は、グラフェンで構成された膜に複数の孔が形成された構造になっている
ことを特徴とする請求項６に記載の水供給システム。

【請求項8】

原水から水素製造用水を製造する水処理システムと、前記水処理システムから排出される濃縮水から前記水素製造用水をさらに製造する濃縮装置と、前記水処理システムの内部と前記濃縮装置の内部とを結ぶ前記濃縮水の送出ルート上に、水素製造装置で発生する廃熱を用いて前記濃縮水を温める加温部と、を備え、かつ、前記水素製造装置に前記水素製造用水を供給するための水供給システムの運転制御方法であって、
水供給システムでの消費エネルギーができるだけ小さくになるように、前記水素製造装置の水素製造用水の需要、廃熱量、廃熱の温度、利用可能電力量から、前記水処理システムと前記濃縮装置の造水量比率を決定する
ことを特徴とする水供給システムの運転制御方法。

【請求項9】

原水から水素製造用水を製造する水処理システムと、前記水処理システムから排出される濃縮水から前記水素製造用水をさらに製造する濃縮装置と、前記水処理システムの内部と前記濃縮装置の内部とを結ぶ前記濃縮水の送出ルート上に、水素製造装置で発生する廃熱を用いて前記濃縮水を温める加温部と、を備え、かつ、前記水素製造装置に前記水素製造用水を供給するための水供給システムの運転制御方法であって、
前記水素製造装置から前記加温部に供給される廃熱の温度、前記濃縮装置に供給される冷却水の温度、前記濃縮装置で製造される水の造水量から、前記濃縮装置の内部に設けられた膜蒸留装置への前記水処理システムからの濃縮水の流入流速を決定する
ことを特徴とする水供給システムの運転制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水供給システム、及び、その運転制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

太陽光や風力等の再生可能エネルギーを利用した水電解によって製造された水素は、カーボンニュートラルなエネルギーとして注目されている。その水素を製造する水素製造装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された水素製造装置は、再生可能エネルギー設備で発電した変動電力から水素を製造するものであって、酸素発生極がＩｒとＭｎの合金酸化物であることを特徴とするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１３６８０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、水素製造装置は、原料として高純度の純水を要する。近隣に河川、湖沼等の淡水源がある場合は、その淡水源から水を確保することができる。しかしながら、淡水源は、飲料水や農業用水として利用されている場合が多く、十分な量の水を確保することが難しい。そのため、低品質な水源から効率的に純水を製造して水素製造装置に供給することができる水供給システムの提供が望まれる。

【0005】

また、一般的に、再生可能エネルギーの代表である太陽光や風力等の発電設備の設置に適した場所は、淡水資源に恵まれていない場所が多い。そのため、水供給システムは、産業の排水処理水や、かん水、随伴水処理水等の低品質の原水から純水を製造することが望まれており、低品質の原水から純水を製造する場合に要するエネルギーが多くなる傾向にあるため、純水の製造に要するエネルギーを抑制（低減）することが望まれる。さらに低品質の原水から純水を製造する際に、多くの不純物が残留する濃縮水が発生するが、その濃縮水には水成分が含まれているため、その濃縮水からも純水をできるだけ多く得ることが望まれる。

【0006】

本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、低品質な水源から効率的に純水を製造して水素製造装置に供給する水供給システム、及び、その運転制御方法を提供することを主な目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成するため、本発明は、水素製造装置に水素製造用水を供給するための水供給システムであって、原水から前記水素製造用水を製造する水処理システムと、前記水処理システムから排出される濃縮水から前記水素製造用水をさらに製造する濃縮装置と、前記水処理システムの内部と前記濃縮装置の内部とを結ぶ前記濃縮水の送出ルート上に、前記水素製造装置で発生する廃熱を用いて前記濃縮水を温める加温部と、を備える、構成とする。
その他の手段は、後記する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、低品質な水源から効率的に純水を製造して水素製造装置に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係る水供給システムの概略構成を示すブロック図である。

【図2】本実施形態に係る水供給システムに用いる濃縮装置の膜蒸留装置の模式図である。

【図3】本実施形態に係る水供給システムに用いる濃縮装置の膜蒸留装置の変形例の模式図である。

【図4】本実施形態に係る水供給システムにおける第１運転制御方法の動作を示すフローチャートである。

【図5】本実施形態に係る水供給システムにおける第２運転制御方法の動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）について詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示しているに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。また、本発明は、以下に説明する実施形態に限るものではなく、異なる構成同士を組み合わせたり、任意に変形したりすることができる。

【0011】

＜水供給システムの構成＞
以下、図１乃至図３を参照して、本実施形態１に係る水供給システム１０の構成について説明する。図１は、水供給システム１０の概略構成を示すブロック図である。図２は、水供給システム１０に用いる濃縮装置３０の膜蒸留装置３１の模式図である。図３は、水供給システム１０に用いる濃縮装置３０の膜蒸留装置３１Ａの変形例の模式図である。

【0012】

図１に示すように、本実施形態係る水供給システム１０は、原水１１０から不純物を除去する処理を行って純水化された水素製造用水１２０を製造し、水素製造装置１００に供給するシステムである。水供給システム１０は、原水１１０から純水を製造する水処理システム２０と、水処理システム２０から排出される濃縮水３２をさらに濃縮して純水を製造する濃縮装置３０と、を備える。また、水供給システム１０は、水処理システム２０の内部と濃縮装置３０の内部とを結ぶ濃縮水３２の送出ルート５０上に、水素製造装置１００で発生する排水や排気の廃熱を用いて濃縮水３２を温める加温部５１を備える。

【0013】

本実施形態では、加温部５１がヒートパイプ５２（図２及び図３参照）を有する構成になっているものとして説明する。ヒートパイプ５２（図２及び図３参照）は、水素製造装置１００で水素製造の際に発生した排水や排気を流動させる流路である。ヒートパイプ５２（図２及び図３参照）は、濃縮水３２の送出ルート５０に配置された配管に接触しながら、その配管の周囲を複数回巻くように配置されている。図１に示す例では、加温部５１が水処理システム２０の内部から濃縮装置３０の内部に亘って設けられている。しかしながら、加温部５１は、水処理システム２０の内部にのみ、又は、濃縮装置３０の内部にのみ、又は、水処理システム２０と濃縮装置３０との間に、設けるようにしてもよい。ヒートパイプ５２（図２及び図３参照）を流動した排水や排気は、水供給システム１０の外部に排出される。

【0014】

水供給システム１０は、水素製造装置１００に対して製造した水素製造用水１２０を供給し、水素製造装置１００での水素製造の際に発生した排水や排気の廃熱１３０を受け取る。受け取った廃熱１３０は、濃縮水３２を加熱するために用いられる。

【0015】

原水１１０については、特に限定しないが、水素製造装置１００の設置場所付近で利用可能な水源から取水されるとよい。本実施形態係る水供給システム１０は、水処理システム２０と濃縮装置３０で、不純物を多く含む低品質な水から純水を得ることができる。そのため、水供給システム１０は、例えば、産業の排水処理水や、かん水、随伴水処理水等の低品質な水を原水１１０として用いることができる。

【0016】

水処理システム２０は、原水１１０を水処理システム２０に取り込むポンプ２０ａと、原水１１０を第１濃縮水２４と第１透過水２３とに分離する第１水処理膜モジュール２１と、第１透過水２３を第２濃縮水２６と純水化された第２透過水２５とに分離する第２水処理膜モジュール２２と、を備える。原水１１０は、第１水処理膜モジュール２１に供給されて、第１透過水２３と第１濃縮水２４に分離される。第１透過水２３は、第２水処理膜モジュール２２に供給されて、第２透過水２５と第２濃縮水２６に分離される。ただし、水処理システム２０は、３つ以上の水処理膜モジュールを備える構成であってもよい。

【0017】

第１水処理膜モジュール２１は、内部に、親水性で、かつ、多孔質の第１水処理膜２１ａを有している。第１水処理膜２１ａは、ナノカーボン構造体で構成されている。第１水処理膜モジュール２１は、第１水処理膜２１ａで、原水１１０から、膜ファウリングの要因となる有機物や、配管の内部に固着するスケール（湯垢）の要因となる２価イオン（例えばＣａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）を除去（分離）する。これにより、水処理システム２０は、第２水処理膜モジュール２２への膜ファウリングやスケール付着等による処理効率や第２透過水２５の水質の低下を抑制することができる。さらに、水処理システム２０は、洗浄頻度の低減や第２水処理膜モジュール２２の寿命延長等により運転コストの低減を実現することができる。

【0018】

なお、第１水処理膜２１ａとしては、ナノろ過膜（ＮＦ膜；Nano Filtration）が好ましい。ナノろ過膜は、主に２価イオンの除去を目的として使用される膜である。第１水処理膜２１ａの材質としては、ポリアミドや酢酸セルロースなどの高分子材料、アルミナやチタニアなどの無機材料、酸化グラフェンなどのナノカーボン材料を用いることができる。第１水処理膜２１ａは、特に酸化グラフェンなどのナノカーボン材料を用いた場合に、耐ファウリング性が良好であるため、より好ましい。水処理システム２０は、このような第１水処理膜２１ａを第１水処理膜モジュール２１に用いることにより、第１水処理膜モジュール２１の洗浄頻度の低減及び寿命延長による交換頻度の低減により運転コストの低減を実現することができる。

【0019】

第２水処理膜モジュール２２は、内部に、第１水処理膜２１ａよりも目が細かい、親水性で、かつ、多孔質の第２水処理膜２２ａを有している。第２水処理膜２２ａは、ナノカーボン構造体で構成されている。第２水処理膜モジュール２２は、第２水処理膜２２ａで、第１透過水２３から第２透過水２５を製造する。第１透過水２３は、主に１価のイオンを不純物として含む。そのため、第２水処理膜モジュール２２は、第２水処理膜２２ａで、第１透過水２３からそれらの不純物を除去する。水処理システム２０は、第２水処理膜モジュール２２で生成される第２透過水２５を水素製造用水１２０として水素製造装置１００に送る。その際に、水処理システム２０は、第２透過水２５の一部を冷却用純水３５として濃縮装置３０に送る。

【0020】

なお、第２水処理膜２２ａとしては、逆浸透膜（ＲＯ膜；Reverse Osmosis Membrane）や電気透析膜が好ましい。逆浸透膜や電気透析膜は、全てのイオンの不純物の除去を目的として使用される膜である。また、第２水処理膜２２ａは、逆浸透膜と電気透析膜のいずれか一方のみの構成でも、両者を組み合わせた構成でも構わない。水処理システム２０は、このような第２水処理膜２２ａを第２水処理膜モジュール２２に用いることにより、第１水処理膜モジュール２１で生成された第１透過水２３を第２濃縮水２６と純水化された第２透過水２５とに分離することができる。水処理システム２０は、第１水処理膜モジュール２１から排出される第１濃縮水２４と第２水処理膜モジュール２２から排出される第２濃縮水２６とを合わせて濃縮水３２として濃縮装置３０に送る。

【0021】

濃縮装置３０は、内部に、膜蒸留装置３１を有する。膜蒸留装置３１は、濃縮水３２をさらに濃縮された濃縮水（第３濃縮水３４）と純水化された透過水（第３透過水３３）とに分離する装置である。膜蒸留装置３１は、内部に、疎水性多孔質膜３６を有している。疎水性多孔質膜３６は、濃縮水３２を第３濃縮水３４と第３透過水３３（純水）とに分離するための膜である。疎水性多孔質膜３６は、疎水性で、かつ、多孔質な構成になっている。疎水性多孔質膜３６は、水を透過できないが、水蒸気を透過することができる性質を有している。

【0022】

濃縮装置３０は、水処理システム２０で原水１１０から分離された濃縮水３２を供給水として受けると、膜蒸留装置３１の疎水性多孔質膜３６で、濃縮水３２を第３透過水３３と第３濃縮水３４に分離する。

【0023】

濃縮装置３０は、例えば、図２に示すように構成することができる。図２に示す例では、濃縮装置３０の膜蒸留装置３１の内部は、疎水性多孔質膜３６によって、冷却用純水３５よりも高温の濃縮水３２が流入する区画と、濃縮水３２よりも低温の純水（冷却用純水３５）が流入する区画とに分割（分離）されている。図２に示す例では、高温の濃縮水３２が流入する区画は、疎水性多孔質膜３６よりも左側の区画である。また、低温の純水（冷却用純水３５）が流入する区画は、疎水性多孔質膜３６よりも右側の区画である。

【0024】

膜蒸留装置３１の内部では、高温の濃縮水３２から水蒸気が発生する。水蒸気は、疎水性多孔質膜３６を透過した後、低温の冷却用純水３５（純水）と合わさり、冷却用純水３５によって冷却されることで、凝縮して液状化する。これにより、第３透過水３３が生成される。このようにして膜蒸留装置３１は、膜蒸留による濃縮で純水（第３透過水３３）を製造する。製造された第３透過水３３は、第２透過水２５と合わせて水素製造用水１２０として水素製造装置１００に供給される。

【0025】

なお、膜蒸留装置３１の内部に濃縮水３２と冷却用純水３５を流す際に、同一方向に流してもよい。しかしながら、逆方向に流す方が濃縮水３２と冷却用純水３５との間に温度差を確保して、濃縮水３２から発生する水蒸気を効率よく冷却して純水（第３透過水３３）を製造し易くすることができるため、より好ましい。

【0026】

また、水素製造装置１００の廃熱１３０を利用して濃縮水３２を加熱する方法としては、濃縮水３２と直接熱交換する方式や専用の熱伝導媒体（例えばヒートパイプ５２等）を介して熱交換する方法等を挙げることができる。本実施形態では、水供給システム１０は、加温部５１において専用の熱伝導媒体としてヒートパイプ５２を介して熱交換する方法を用いるものとして説明する。

【0027】

低温の冷却用純水３５としては、水処理システム２０で製造した第２透過水２５を用いてもよいし、図示せぬシステムで製造された純水を用いるようにしてもよい。疎水性多孔質膜３６の素材としては、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、疎水化表面処理を施したポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、グラフェンなどのナノカーボン材料等を挙げることができる。特にグラフェンは、良好な耐ファウリング性を示すことから、膜洗浄頻度や交換頻度の低減による運転コストの低減効果が期待できる。

【0028】

濃縮装置３０から排出された第３濃縮水３４は、乾固装置１４０において乾固され固形廃棄物１５０とすることができる。濃縮装置３０で十分に濃縮されているため、少ない消費エネルギーで乾固することができ、廃棄物の容積を減少させること（減容させること）ができる。

【0029】

なお、濃縮装置３０は、図２に示す構成を、例えば、図３に示す構成に変更することができる。図３に示す構成は、濃縮水３２から純水（第３透過水３３）を生成する際に、図２に示す構成で用いられる冷却用純水３５の代わりに、不純物を含む可能性がある冷却水３９を用いることができるようにしたものである。ここでは、冷却水３９として、不純物を含む可能性がある原水１１０Ａが用いられるものとして説明する。

【0030】

図３に示す例では、濃縮装置３０は、膜蒸留装置３１（図２参照）の代わりに、膜蒸留装置３１Ａを有する構成になっている。膜蒸留装置３１Ａは、内部に、疎水性多孔質膜３６と、凝縮板３８を有している。

【0031】

図３に示す例では、膜蒸留装置３１Ａの内部は、疎水性多孔質膜３６と凝縮板３８によって、冷却水３９よりも高温の濃縮水３２が流入する区画と、濃縮水３２よりも低温の冷却水３９が流入する区画と、高温の濃縮水３２から発生する水蒸気が流れ込む区画とに分割（分離）されている。図３に示す例では、高温の濃縮水３２が流入する区画は、疎水性多孔質膜３６よりも左側の区画）である。冷却水３９が流入する区画は、凝縮板３８よりも右側の区画である。高温の濃縮水３２から発生する水蒸気が流れ込む区画は、疎水性多孔質膜３６と凝縮板３８との間の区画である。

【0032】

膜蒸留装置３１Ａの内部では、低温の冷却水３９が凝縮板３８を冷却する。また、高温の濃縮水３２から水蒸気が発生する。水蒸気は、疎水性多孔質膜３６を透過してエアギャップ３７に流入した後、凝縮板３８を介して低温の冷却水３９によって冷却されることで、凝縮して液状化する。これにより、第３透過水３３が生成される。このようにして膜蒸留装置３１Ａは、膜蒸留による濃縮で純水（第３透過水３３）を製造する。製造された第３透過水３３は、第２透過水２５と合わせて水素製造用水１２０として水素製造装置１００に供給される。

【0033】

なお、膜蒸留装置３１Ａの内部に濃縮水３２と冷却水３９を流す際に、同一方向に流してもよい。しかしながら、逆方向に流す方が濃縮水３２と冷却水３９との間に温度差を確保して、濃縮水３２から発生する水蒸気を効率よく冷却して純水（第３透過水３３）を製造し易くすることができるため、より好ましい。冷却水３９としては、不純物を除去する処理が行われていない原水１１０を用いてもよい。

【0034】

＜水供給システムの運転制御方法＞
以下、図４及び図５を参照して、水供給システム１０の動作について説明する。図４は、水供給システム１０における第１運転制御方法の動作を示すフローチャートである。また、図５は、水供給システム１０における第２運転制御方法の動作を示すフローチャートである。

【0035】

（運転制御方法についての考察）
純水の供給先（需要先）であり廃熱源である水素製造装置１００は、電力源である再生可能エネルギー量や調整電力量に応じて稼働率を変化させる場合がある。このような水素製造装置１００では必要な純水量や発生する廃熱量が変化するため、それに応じて水供給システム１０の運転条件を制御することが好ましい。

【0036】

なお、水供給システム１０は、水処理システム２０において、逆浸透膜モジュール用の高圧ポンプや電気透析用電源等に、ある程度のエネルギー（電力）を用いる。一方で、水供給システム１０は、濃縮装置３０において、純水（第３透過水３３）を製造するための供給水として水処理システム２０の濃縮水３２を用いるため、追加のポンプ等がなくとも一定以上の濃縮水３２の流入流速を確保することができる。

【0037】

また、濃縮水３２の加熱についても、水素製造装置１００からの廃熱１３０を熱源とするため、水供給システム１０は、別途熱源を必要としない。このような水供給システム１０は、造水時の消費エネルギーを抑制（低減）することができる。したがって、水供給システム１０は、濃縮装置３０による造水量を増加させた方が消費エネルギーを抑制（低減）することができる。しかしながら、水供給システム１０は、純水（第３透過水３３）を製造するための供給水として水処理システム２０の濃縮水３２を用いるため、濃縮水３２の流入速度を速くしすぎると、濃縮水３２から純水を製造する処理量を超えてしまい、外部に排出される濃縮水（第３濃縮水３４）の量が増加する可能性がある。

【0038】

また、水素製造装置１００の稼働率が低い場合に、廃熱量が少ないまたは廃水温が低くなる。そのため、濃縮装置３０の造水量が減少する。このような水供給システム１０は、水素製造装置１００の稼働率（純水の需要量、廃熱量/廃水温）に応じて、水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量の比率を制御することで、造水にかかる消費エネルギー（電力）を最適化することができる。具体的には、水素製造装置１００の稼働率が高い場合に十分な廃熱量があるため、水供給システム１０は、濃縮装置３０の造水量を増加させて、水処理システム２０の造水量（回収率）を低減させるとよい。その際に、水処理システム２０のポンプ圧力や原水流速を下げることで、水供給システム１０は、水処理システム２０の造水量（回収率）を低減させることができ、かつ濃縮装置３０に必要量の濃縮水を送ることができる。これにより、水供給システム１０は、造水にかかる消費エネルギーを抑制（低減）することができる。

【0039】

また、水素製造装置１００の稼働率が低い場合に、廃熱量が少ないまたは廃水温が低くなる。それによって、濃縮装置３０で処理可能な濃縮水量（濃縮水３２の量）の減少や、造水速度の低下が発生する可能性がある。そこで、水供給システム１０は、濃縮装置３０が処理可能な濃縮水量を送るように水処理システム２０の造水量（回収率）を設定することで、水素製造装置１００に供給する水素製造用水１２０の必要量を確保するとともに、消費エネルギーを抑制（低減）することができる。

【0040】

また、膜蒸留装置３１において造水速度（透過速度）は、高温側の濃縮水３２と低温側の冷却用純水３５（図２参照）（又は、冷却水３９（図３参照））との温度差に比例する。そのため、水素製造装置１００の廃水温が低下すると、濃縮水３２の温度が低下して、高温側の濃縮水３２と低温側の冷却用純水３５（図２参照）（又は、冷却水３９（図３参照））との温度差が小さくなる。その結果、造水速度（透過速度）が低下する。このような条件においても十分な造水量を確保するために、水供給システム１０は、水素製造装置１００の廃水温に応じて膜蒸留装置３１の運転条件を制御することが好ましい。運転条件の制御としては、水素製造装置１００の廃水温を制御入力として、膜蒸留装置３１への濃縮水３２の流入速度を変化させる方法や、膜蒸留装置３１に濃縮水３２を複数回流入させるようにし、その流入回数を変化させる方法等がある。

【0041】

これらの観点から、本実施形態では、水供給システム１０の運転条件の制御の一例としては、以下の第１運転制御方法と第２運転制御方法の２通りの方法を提供する。
（第１運転制御方法）水処理システム２０での消費エネルギーを低減するように、水処理システム２０と濃縮装置３０での造水量比率（稼動率）を決定（調整）する方法（図４参照）。
（第２運転制御方法）濃縮装置３０の内部に設けられた膜蒸留装置３１への水処理システム２０からの濃縮水３２の流入流速を決定する方法（図５参照）。

【0042】

（第１運転制御方法）
図４に示すように、第１運転制御方法では、まず、水供給システム１０の制御部ＣＬは、水供給システム１０に通信可能に接続された外部のサーバ（不図示）や水供給システム１０の内部又は外部に設けられたデータベース（不図示）等にアクセスする。そして、制御部ＣＬは、水素製造装置１００の水素製造用水１２０の需要、水素製造装置１００での水素製造の際に発生する排水や排気の廃熱量、排水や排気の廃熱温度、水供給システム１０の利用可能電力量等の情報を参照する（ステップＳ１０５）。

【0043】

次に、制御部ＣＬは、ステップＳ１０５で参照された情報に基づいて、水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量比率を決定する（ステップＳ１１０）。このとき、制御部ＣＬは、水供給システム１０での消費エネルギーができるだけ小さくになるように（特に好ましくは、最小になるように）、水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量比率を決定するとよい。

【0044】

次に、制御部ＣＬは、ステップＳ１１０で決定された造水量比率に沿うように、水処理システム２０と濃縮装置３０を稼働させる（ステップＳ１１５）。

【0045】

（第２運転制御方法）
図５に示すように、第２運転制御方法では、まず、水供給システム１０の制御部ＣＬは、水供給システム１０に通信可能に接続された外部のサーバ（不図示）や水供給システム１０の内部又は外部に設けられたデータベース（不図示）等にアクセスする。そして、制御部ＣＬは、水素製造装置１００から水供給システム１０に供給される排水や排気の廃熱温度、濃縮装置３０に供給する冷却用純水３５（図２参照）（又は、冷却水３９（図３参照））の冷却水温度、濃縮装置３０での造水量等の情報を参照する（ステップＳ２０５）。

【0046】

次に、制御部ＣＬは、ステップＳ２０５で参照された情報に基づいて、膜蒸留装置３１への水処理システム２０からの濃縮水３２の流入流速を決定する（ステップＳ２１０）。このとき、制御部ＣＬは、膜蒸留装置３１で製造される純水（第３透過水３３）の量により水素製造装置１００に供給する水素製造用水１２０の必要量を確保することができるように、膜蒸留装置３１への水処理システム２０からの濃縮水３２の流入流速を決定するとよい。

【0047】

次に、制御部ＣＬは、ステップＳ２１０で決定された濃縮水３２の流入流速に沿うように、水処理システム２０と濃縮装置３０を稼働させる（ステップＳ２１５）。

【0048】

＜水供給システムの作用効果＞
ここでは、以下の実施例１と実施例２と比較例とを対比して、水供給システム１０の作用効果について、説明する。

【0049】

（実施例１）
実施例１では、水供給システム１０は、水処理システム２０を構成する第１水処理膜モジュール２１として酸化グラフェン膜から構成される水処理膜モジュールを用い、第２水処理膜モジュール２２として逆浸透膜モジュールを用いる構成とした。また、濃縮装置３０は、膜蒸留装置３１（図２参照）を備え、疎水性多孔質膜３６としてはグラフェン膜から構成される多孔質膜を用いた。また、実施例１では、水供給システム１０は、水処理システム２０の内部と濃縮装置３０の内部とを結ぶ濃縮水３２の送出ルート５０上に、水素製造装置１００で発生する排水や排気の廃熱を用いて濃縮水３２を温める加温部５１を備える構成とした。また、実施例１では、水供給システム１０は、水処理システム２０で生成された純水（第２透過水２５）を冷却用純水３５として膜蒸留装置３１に送り、濃縮水３２から発生して疎水性多孔質膜３６を透過する水蒸気を冷却用純水３５で冷却する構成とした。

【0050】

（実施例２）
実施例２では、水供給システム１０は、実施例１と比較して、膜蒸留装置３１（図２参照）の代わりに、膜蒸留装置３１Ａ（図３参照）を備える点で相違する構成とした。それ以外の構成は、実施例１と同様である。

【0051】

（比較例）
比較例では、水供給システムは、加温部５１（図１参照）と濃縮装置３０（図１参照）を備えず、水処理システム２０（図１参照）のみを備える構成とした。

【0052】

比較例の水供給システムは、水素製造装置１００で発生する排水や排気の廃熱を利用する加温部５１（図１参照）と濃縮装置３０（図１参照）を備えていない。このような比較例の水供給システムは、水素製造装置１００に供給する純水の全量を水処理システム２０で製造する。このような比較例の水供給システムは、純水の回収率（取水量に対する造水量の比率）が７０％程度となる。また、比較例の水供給システムは、実施例１及び実施例２の水供給システム１０と比較して消費エネルギー（消費電力）が例えば２０％以上増加する。

【0053】

これに対し、実施例１及び実施例２の水供給システム１０は、水素製造装置１００の稼働率が十分に高い場合に、十分な量でかつ十分な廃熱温度（例えば８０℃）の排水や排気が水素製造装置１００から排出される。水供給システム１０は、例えば水処理システム２０と濃縮装置３０での造水量の比率を１５：８５とすると、水処理システム２０での純水の回収率（取水量に対する造水量の比率）を１５％程度とすることができ、また、消費エネルギー（消費電力）を抑制（低減）することができる。また、水供給システム１０は、水供給システム１０全体での純水の回収率（取水量に対する造水量の比率）は９０％以上とすることができ、原水１１０を効率的に利用することができ、乾固処理を行う濃縮水量を抑制（低減）することができる。

【0054】

なお、実施例１及び実施例２の水供給システム１０は、水素製造装置１００の稼働率が５０％程度である場合に、廃熱温度が７０℃程度となる。そのため、膜蒸留装置３１での造水速度が４０％程度低下する。そこで、実施例１及び実施例２の水供給システム１０は、水処理システム２０と濃縮装置３０での造水量の比率を６５：３５とし、膜蒸留装置３１への濃縮水３２の流入速度を低下させる、あるいは、膜蒸留装置３１へ濃縮水３２を複数回流入させることで所定の造水量を確保し、水供給システム１０全体の回収率も９０％以上を確保することができる。これにより、実施例１及び実施例２の水供給システム１０は、原水１１０を効率的に利用することができる。

【0055】

＜水供給システムの主な特徴＞
（１）図１に示すように、本実施形態に係る水供給システム１０は、水素製造装置１００に水素製造用水１２０を供給するためのシステムであって、水処理システム２０と、濃縮装置３０と、を備える。水処理システム２０は、原水１１０から水素製造用水１２０を製造するシステムである。濃縮装置３０は、水処理システム２０から排出される濃縮水３２から水素製造用水１２０をさらに製造する装置である。水供給システム１０は、水処理システム２０の内部と濃縮装置３０の内部とを結ぶ濃縮水３２の送出ルート５０上に、水素製造装置１００で発生する排水や排気の廃熱を用いて濃縮水３２を温める加温部５１を備える。

【0056】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、水処理システム２０の内部と濃縮装置３０の内部とを結ぶ送出ルート５０上に設けられた加温部５１で、水素製造装置１００で発生する排水や排気の廃熱を用いて濃縮水３２を温める。そのため、水供給システム１０は、水処理システム２０での消費エネルギーを抑制（低減）しながら、効率的に純水を製造することができる。その結果、水供給システム１０は、低品質な水源から効率的に純水を製造して水素製造装置１００に供給することができる。

【0057】

（２）図１に示すように、本実施形態に係る水供給システム１０は、水処理システム２０と濃縮装置３０の動作を制御する制御部ＣＬを備える。制御部ＣＬは、水素製造装置１００の稼働率に応じて水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量比率を制御するとよい。

【0058】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、水素製造装置１００の稼働率に応じて水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量比率を制御するため、効率的に純水を製造して水素製造装置１００に供給することができる。

【0059】

（３）本実施形態に係る水供給システム１０において、制御部ＣＬは、水素製造装置１００の稼働率が任意の閾値以上になる場合に、濃縮装置３０の造水量比率を増やし、また、水素製造装置１００の稼働率が任意の閾値未満になる場合に、水処理システム２０の造水量比率を増やすように、水処理システム２０と濃縮装置３０の動作を制御するとよい。

【0060】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、水素製造装置１００の稼働率と閾値との関係に合わせて、濃縮装置３０の造水量比率又は水処理システム２０の造水量比率を増減すること（調整すること）ができる。そのため、これによっても、水供給システム１０は、効率的に純水を製造して水素製造装置１００に供給することができる。

【0061】

（４）図１に示すように、本実施形態に係る水供給システム１０において、水処理システム２０は、原水１１０を第１濃縮水２４と第１透過水２３とに分離する第１水処理膜モジュール２１と、第１透過水２３を第２濃縮水２６と第２透過水２５とに分離する第２水処理膜モジュール２２と、を備える。第１水処理膜モジュール２１は、親水性の第１水処理膜２１ａを有し、第１水処理膜２１ａは、ナノカーボン構造体で構成されているとよい。

【0062】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、タンパク質や糖質を第１水処理膜２１ａに付着し難くすることができる。そのため、水供給システム１０は、第１水処理膜２１ａの洗浄頻度を少なくすることができる。また、水供給システム１０は、洗浄による第１水処理膜２１ａの劣化を抑制することができるため、第１水処理膜２１ａの交換頻度を少なくすることができる。

【0063】

（５）本実施形態に係る水供給システム１０において、第２水処理膜モジュール２２は、第１水処理膜２１ａよりも目が細かい、親水性の第２水処理膜２２ａを有し、第２水処理膜２２ａは、ナノカーボン構造体で構成されているとよい。

【0064】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、第１水処理膜モジュール２１で生成された第１透過水２３から純水化された第２透過水２５を第２水処理膜モジュール２２で生成するとともに、タンパク質や糖質を第２水処理膜２２ａに付着し難くすることができる。そのため、水供給システム１０は、透過水の純水化を促進しつつ、第２水処理膜２２ａの洗浄頻度を少なくすることができる。また、水供給システム１０は、洗浄による第２水処理膜２２ａの劣化を抑制することができるため、第２水処理膜２２ａの交換頻度を少なくすることができる。

【0065】

（６）図１に示すように、本実施形態に係る水供給システム１０において、濃縮装置３０は、膜蒸留装置３１を有するとよい。

【0066】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、濃縮装置３０の膜蒸留装置３１で、濃縮水３２をさらに濃縮された濃縮水（第３濃縮水３４）と純水化された透過水（第３透過水３３）とに分離することができる。

【0067】

（７）図２及び図３に示すように、本実施形態に係る水供給システム１０において、膜蒸留装置３１は、疎水性膜（疎水性多孔質膜３６）を有している。疎水性膜（疎水性多孔質膜３６）は、グラフェンで構成された膜が積層された構造になっている、又は、グラフェンで構成された膜に複数の孔が形成された構造になっているとよい。

【0068】

このような本実施形態に係る水供給システム１０は、疎水性膜（疎水性多孔質膜３６）で、濃縮水３２をさらに濃縮された濃縮水（第３濃縮水３４）と純水化された透過水（第３透過水３３）とに効率よく分離することができる。

【0069】

（８）図４に示すように、水供給システム１０の運転制御方法は、水供給システム１０での消費エネルギーができるだけ小さくになるように（特に好ましくは、最小になるように）、水素製造装置１００の水素製造用水１２０の需要、廃熱量、廃熱の温度、利用可能電力量から、水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量比率を決定するとよい。

【0070】

このような本実施形態に係る水供給システム１０の運転制御方法は、水供給システム１０での消費エネルギーができるだけ小さくになるように（特に好ましくは、最小になるように）、水素製造装置１００の水素製造用水１２０の需要、廃熱量、廃熱の温度、利用可能電力量から、水処理システム２０と濃縮装置３０の造水量比率を決定する。そのため、この水供給システム１０の運転制御方法は、水供給システム１０での消費エネルギーを抑制（低減）することができる。

【0071】

（９）図５に示すように、水供給システム１０の運転制御方法は、水素製造装置１００から加温部５１に供給される廃熱の温度、濃縮装置３０に供給される冷却水の温度、濃縮装置３０で製造される水の造水量から、濃縮装置３０の内部に設けられた膜蒸留装置３１への水処理システム２０からの濃縮水３２の流入流速を決定するとよい。

【0072】

このような本実施形態に係る水供給システム１０の運転制御方法は、水素製造装置１００から加温部５１に供給される廃熱の温度、濃縮装置３０に供給される冷却水の温度、濃縮装置３０で製造される水の造水量から、濃縮装置３０の内部に設けられた膜蒸留装置３１への水処理システム２０からの濃縮水３２の流入流速を決定する。そのため、この水供給システム１０の運転制御方法は、濃縮水３２からから効率的に純水を製造することができる。

【0073】

以上の通り、本実施形態に係る水供給システム１０によれば、水素製造装置１００で発生する廃熱を用いて加温部５１で濃縮水３２を温めるため、低品質な水源から効率的に純水を製造して水素製造装置１００に供給することができる。

【0074】

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、施形態の構成の一部を他の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に他の構成を加えることも可能である。また、各構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0075】

例えば、前記した実施形態では、水処理システム２０が２つの水処理膜モジュール（第１水処理膜モジュール２１と第２水処理膜モジュール２２）を備えるものとして説明したが、水処理システム２０は３つ以上の水処理膜モジュールを備える構成にしてもよい。この場合に、水供給システム１０は、各水処理膜モジュールから排出された濃縮水を合わせて濃縮水３２として水処理システム２０から濃縮装置３０に送る。その際に、水供給システム１０は、水処理システム２０の内部と濃縮装置３０の内部とを結ぶ送出ルート５０上に設けられた加温部５１で、水素製造装置１００で発生する排水や排気の廃熱を用いて濃縮水３２を温める。これにより、水供給システム１０は、エネルギーの消費を抑制（低減）しながら、効率的に純水を製造することができる。また、水供給システム１０は、最終段の水処理膜モジュールで生成された透過水を濃縮装置３０の膜蒸留装置３１で生成された透過水に混入させて水素製造用水１２０として水素製造装置１００に供給する。これにより、水供給システム１０は、濃縮水３２から純水をできるだけ多く得ることができる。

【符号の説明】

【0076】

１０ 水供給システム
２０ 水処理システム
２０ａ ポンプ
２１ 第１水処理膜モジュール
２１ａ 第１水処理膜
２２ 第２水処理膜モジュール
２２ａ 第２水処理膜
２３ 第１透過水
２４ 第１濃縮水
２５ 第２透過水
２６ 第２濃縮水
３０ 濃縮装置
３１，３１Ａ 膜蒸留装置
３２ 濃縮水
３３ 第３透過水
３４ 第３濃縮水
３５ 冷却用純水
３６ 疎水性多孔質膜（疎水性膜）
３７ エアギャップ
３８ 凝縮板
３９ 冷却水
５０ 送出ルート
５１ 加温部
５２ ヒートパイプ
１００ 水素製造装置
１１０ 原水
１１０Ａ 原水
１２０ 水素製造用水
１３０ 廃熱
１４０ 乾固装置
１５０ 固形廃棄物
ＣＬ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】