JP2014111984A - 水素ステーション - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄圧器間で残存水素を融通し合って、水素燃料タンクへ充填可能な内圧を有する蓄圧器を常時確保できる水素ステーションを提供する。
【解決手段】水素を昇圧する圧縮機2と、圧縮機2で昇圧された水素を貯留可能な複数の蓄圧器311を有する蓄圧ユニット3とを備え、蓄圧ユニット3に貯留された水素を燃料電池自動車(FCV)等の水素燃料タンクに充填する水素ステーション1は、各蓄圧器311への昇圧した水素の充填を許容し又は停止する第1の弁機構313,314と、各蓄圧器311からの水素の放出を許容し又は停止する第2の弁機構313,315と、各蓄圧器311から放出された水素を圧縮機2の入口側へと戻す接続管(戻しライン)5と、一部の蓄圧器311内の水素を他の蓄圧器311へと移送させるように圧縮機2、第1の弁機構313,314及び第2の弁機構313,315を制御する制御装置8とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池自動車(FCV)等の水素燃料タンクに水素を充填するための水素ステーションに関する。
水素ステーションには、他の場所で製造された水素が輸送されるオフサイト型と、その場で水素を製造するオンサイト型がある。オフサイト型水素ステーションは、水素の製造設備を備える必要がなく、オンサイト型水素ステーションに比べて設備投資等が少なくて済む。しかし、水素の製造場所から水素ステーションまで水素を効率的に輸送するためには、水素を高圧に圧縮するか、極低温に冷却して液化する必要があり輸送コストが高い。
一方、オンサイト型水素ステーションは、水素の製造設備を備えるための建設コストがかかるが、水素の輸送コストに比べて水素製造の原料の輸送コストが低いというメリットがある。水素の製造原料としては都市ガス、液化石油ガス(LPG)、ナフサ、灯油、メタノール、有機ハイドライド(脱水素反応により容易に水素ガスを生成する液体であり、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンおよびその誘導体、2−プロパノール等が好適に挙げられる)が挙げられる。これらの原料はガス又は液体であり、パイプライン、ボンベ、ローリー等で容易に輸送できる。このため、燃料電池自動車の普及を図るため、或いは、燃料電池自動車の普及に伴って、今後、オフサイト型水素ステーション、オンサイト型水素ステーションともに設置数が増加すると考えられる。
従来の水素ステーションとして、例えば特許文献1に記載されたものが開示されている。この水素ステーションは、互いに異なる圧力値の水素を貯留する複数の蓄圧器バンクを有する蓄圧ユニットを備え、圧力値の低い蓄圧器バンクから圧力値の高い蓄圧器バンクへ順次切替えて、燃料電池自動車の水素燃料タンクに水素を充填するよう構成されている。そして、蓄圧器バンクの最高圧力値を、燃料電池自動車の水素燃料タンクの最高使用圧力(満タン)より高い圧力値として、燃料電池自動車の水素燃料タンクに水素を満タンまで充填できるようにしている。
特開2008−64160号公報
しかしながら、特許文献1に記載された従来の水素ステーションでは、燃料電池自動車への水素充填が行われる度に各蓄圧バンク内の圧力値は低下する。このため、例えば、燃料電池自動車が来店した際に、当該燃料電池自動車の水素燃料タンクの残圧値より高い残圧値を維持している蓄圧器バンクがない場合、それぞれの蓄圧器バンク内には水素が残存しているにも拘わらず、燃料電池自動車の水素燃料タンクへ水素を充填できないという課題がある。
一方、オンサイト型水素ステーションにおいても、水素の製造設備を起動させてから製品水素を製造するまでには一般に数時間以上の時間がかかるため、短時間に多くの燃料電池自動車が来店すると上記の課題が発生する。また、水素の製造設備の起動、停止の際には製品水素の製造以外に原料、電力、ユーティリティ等が消費されるため、燃料電池自動車の来店の頻度に応じて頻繁な起動、停止を行うと経済的に不利となるという課題がある。
そこで、本発明は、複数の蓄圧器間で残存水素を融通し合うことにより、水素燃料タンクへ充填可能な内圧(残圧)を有する蓄圧器を常時確保できるようにした水素ステーションを提供することを目的とする。
このため、本発明は、水素を昇圧する圧縮機と、この圧縮機で昇圧された水素を貯留可能な複数の蓄圧器を有する蓄圧ユニットとを備え、前記蓄圧ユニットに貯留された水素を水素燃料タンクに充填する水素ステーションであって、前記複数の蓄圧器のうちの一部の蓄圧器内の水素を、前記圧縮機で昇圧して他の蓄圧器へと移送制御可能な構成としたことを特徴とする。
本発明の水素ステーションによれば、複数の蓄圧器のうちの一部の蓄圧器内の水素を、圧縮機で昇圧して他の蓄圧器へと移送できるので、残圧が低い蓄圧器の水素を他の蓄圧器へ昇圧して移送することで高圧の蓄圧器を用意できるようになる。この結果、全ての蓄圧器の残圧が水素燃料タンクの最高使用圧力未満になっても蓄圧器間で水素を融通することで、水素燃料タンクの最高使用圧力(満タン)より高い圧力値の蓄圧器を用意できるようになる。このため、例えば、水素ステーションに燃料電池自動車が来店しても蓄圧器に水素が残存しているにも拘わらず残圧不足で水素燃料タンクに充填できないという問題を解消でき、蓄圧器内に残存する水素を有効に利用できるようになる。
本発明の第1実施形態によるオフサイト型水素ステーションの構成を示す図である。 上記第1実施形態によるオフサイト型水素ステーションの蓄圧器間における水素移送処理の一例を示すフローチャートである。 水素輸送用容器から上記第1実施形態によるオフサイト型水素ステーションへの水素の移送処理の一例を示すフローチャートである。 水素輸送用容器から上記第1実施形態によるオフサイト型水素ステーションへの水素の移送処理の別の例を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態によるオフサイト型水素ステーションの構成を示す図である。 第1実施形態の変形例によるオフサイト型水素ステーションの構成を示す図である。 本発明の第3実施形態によるオフサイト型水素ステーションの構成を示す図である。 上記第3実施形態によるオフサイト型水素ステーションの蓄圧器間における水素移送処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第4実施形態による液体水素を用いるオオフサイト型水素ステーションの構成を示す図である。 第4実施形態の変形例による液体水素を用いるオフサイト型水素ステーションの構成を示す図である。 本発明の第5実施形態によるオンサイト型水素ステーションの構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態によるオフサイト型水素ステーションの構成を示している。図1に示すように、本実施形態のオフサイト型水素ステーション(以下単に「水素ステーション」という)1は、水素を昇圧する圧縮機2と、圧縮機2で昇圧された水素を貯留可能な蓄圧ユニット3と、蓄圧ユニット3に貯留された水素を、例えば燃料電池自動車(FCV)等に搭載された水素燃料タンクに充填するディスペンサー4と、制御装置8と、を備えている。
蓄圧ユニット3は、当該蓄圧ユニット3に水素が流入する入口部3aと、当該蓄圧ユニット3から水素が流出する出口部3bと、を有している。蓄圧ユニット3の入口部3aには、連結管7の一端が接続される。連結管7の他端は水素輸送用容器50に着脱可能に構成されており、この連結管7の他端が水素輸送用容器50に装着されることによって、連結管7を介して水素輸送用容器50と蓄圧ユニット3とが接続される。上記連結管7は、圧縮機2が介装された直管部71と、直管部71の途中で分岐して圧縮機2を迂回する分岐管部72とで構成され、水素輸送用容器50内の水素を水素ステーション1へと移送する水素移送管としての機能を有する。ここで、連結管7における直管部71の一部及び圧縮機2を迂回している分岐管部72が、圧縮機2を介在させずに水素輸送用容器50内の水素を後述の蓄圧器311へ差圧で移送可能な、本発明の「移送ライン」に相当する。尚、分岐管部72には、水素が圧縮機2の出口側から入口側へ流れることを防止する逆止弁60が設けられている。
また、蓄圧ユニット3の出口部3bには、接続管9の一端が接続されており、この接続管9の他端はディスペンサー4に接続されている。
蓄圧ユニット3は、複数(ここでは四つ)の蓄圧器バンク31を含み、各蓄圧器バンク31は、例えば貯留する水素の圧力(充填圧力)を異ならせた複数(ここでは三つ)の蓄圧器311で構成されている。例えば、各蓄圧器バンク31は、40MPaの水素を貯留するように設定された蓄圧器、70MPaの水素を貯留するように設定された蓄圧器、及び、82MPaの水素を貯留するように設定された蓄圧器で構成されている。尚、本実施形態では、蓄圧器バンク31の各蓄圧器311の設定圧を異ならせるものとしたが、一部又は全ての蓄圧器311の設定圧を同じに設定してもよい。
各蓄圧器311の水素の充填口と放出口を兼ねる出入口部には、専用の弁機構(例えば、電磁弁)313及び圧力検知部101が設けられている。各蓄圧器311は、その出入口部に設けられた専用の弁機構313と、蓄圧器バンク31毎に設けられた逆止弁312及び弁機構314を介して蓄圧ユニット3の入口部3aに接続されている。また、各蓄圧器311は、その出入口部に設けられた専用の弁機構313と、蓄圧器バンク31毎に設けられた弁機構315及び逆止弁316を介して蓄圧ユニット3の出口部3bに接続されている。尚、前記逆止弁312は各蓄圧バンク31側から入口部3a側へ水素が流れること防止するものであり、前記逆止弁316は出口部3b側から各蓄圧バンク31側へ水素が流れること防止するものである。
これにより、蓄圧ユニット3では、弁機構315が閉じた状態で、弁機構314と弁機構313を選択的に開くと、圧縮機2で昇圧された水素が所定の蓄圧器バンク31における所定の蓄圧器311に充填され、開弁した弁機構314又は弁機構313を閉じると所定の蓄圧器311への水素の充填が停止される。ここで、上記弁機構313と弁機構314とで本発明の第1の弁機構を構成している。また、弁機構314が閉じた状態で、弁機構315と弁機構313を選択的に開くと、所定の蓄圧器バンク31における所定の蓄圧器311から水素が放出され、開弁した弁機構315又は弁機構313を閉じると所定の蓄圧器311からの水素の放出が停止される。ここで、上記弁機構313と弁機構315とで本発明の第2の弁機構を構成している。尚、上記各弁機構313〜315は、例えば、電磁式の開閉弁と流量調整弁を備えて構成されている。
ディスペンサー4は、上記水素燃料タンクに水素を充填することができる装置であり、具体的には、蓄圧器311から放出された水素を上記水素燃料タンクに充填する。また、ディスペンサー4には、上記燃料電池自動車(FCV)等から上記水素燃料タンクに関する情報(残圧、最高使用圧力等)が入力されるようになっている。尚、本実施形態において、上記水素燃料タンクは、例えば70MPaの水素を充填可能に構成されている。
また、水素ステーション1は、蓄圧ユニット3の出口部3bとディスペンサー4を接続する接続管9から分岐して蓄圧ユニット3の出口部3bを圧縮機2の入口側に接続する接続管5と、接続管5を開閉する弁機構(例えば、電磁弁)6と、を備えている。上記接続管5は、各蓄圧器311から放出された水素を圧縮機2の入口側へと戻す水素移送管としての機能を有し、本発明の「戻しライン」に相当する。尚、本実施形態において、水素輸送用容器50は、例えば45MPaの水素を充填可能に形成されている。ここで、水素輸送用容器50とは、主に他の場所で水素が充填されてトラクタやトラック等の輸送用車両によって搬送される容器のことをいい、水素トレーラー、水素カードル、水素タンク等が含まれる。
制御装置8には、圧力検知部101によって検知された各蓄圧器311の内圧(残圧)やディスペンサー4に入力された上記水素燃料タンクに関する情報(残圧、最高使用圧力等)を含む各種情報が入力される。そして、制御装置8は、入力された各種情報やオペレータによる動作指令等に基づいて、圧縮機2及び各弁機構6,313〜315等を適宜制御する。尚、本実施形態では、デフォルト状態において、各弁機構6,313,315は閉じており、弁機構314は開いているものとする。
ここで、制御装置8が実施する処理について簡単に説明する。
(1)水素燃料タンクへの充填処理
制御装置8には、充填対象の上記水素燃料タンクに水素の充填を行う前に、当該水素燃料タンクに関する情報(残圧や最高使用圧力等)及び各蓄圧器311の内圧(残圧)が入力される。そして、制御装置8は、入力された水素燃料タンクに関する情報及び各蓄圧器311の内圧(残圧)に基づいて、蓄圧ユニット3の有する複数の蓄圧器バンク31のうち適切な蓄圧器バンク31を選択する。具体的には、制御装置8は、上記水素燃料タンクの残圧及び最高使用圧力、各蓄圧器バンク31を構成する蓄圧器311の残圧状態に基づき、その時点で充填対象の水素燃料タンクに対して最も効率的に水素を充填することができる蓄圧器バンク31を選択する。但し、これに限るものではなく、オペレータによる選択指令に基づいて制御装置8が蓄圧器バンク31を選択するように構成してもよい。
次に、制御装置8は、選択した蓄圧器バンク31の各蓄圧器311の内圧(残圧)及び上記水素燃料タンクの内圧(残圧)を監視しながら、上記水素燃料タンクの内圧よりも高く、かつ、上記水素燃料タンクの内圧に最も近い残圧の蓄圧器311から水素を放出させるように弁機構313と弁機構315を制御する(即ち、対応する弁機構313と弁機構315を開く)。従って、制御装置8は、上記水素燃料タンクへの水素の充填中に、水素を放出していた蓄圧器311の残圧が充填により昇圧した水素燃料タンクの内圧近くになると、当該蓄圧器311からの水素の放出を停止し、当該蓄圧器311よりも残圧が高く昇圧した水素燃料タンクの内圧に最も近い残圧の別の蓄圧器311から水素を放出させるように弁機構313を制御する。即ち、水素を放出させる蓄圧器311を切替える。このようにして上記水素燃料タンクへの水素の充填を行うことにより、水素の圧力エネルギーの損失を抑制して効率的な水素の充填を行うことができる。
その後、制御装置8は、上記水素燃料タンクの内圧がその最高使用圧力に応じて設定される所定圧力となると、蓄圧器311からの水素の放出を停止させるように弁機構313と弁機構315を制御して(即ち、対応する弁機構313と弁機構315を閉じて)上記水素燃料タンクへの水素の充填を終了する。
(2)蓄圧器311間における水素の移送処理
複数の水素燃料タンクに対して水素の充填を行うと、各蓄圧器311の残圧が低くなってしまい、どの蓄圧器バンク31を選択しても充填対象の上記水素燃料タンクに十分な水素を充填できなくなる虞れがある。そこで、このような虞れを可能な限り解消するため、本実施形態による水素ステーション1では、蓄圧器311間における水素の移送を可能としている。この蓄圧器311間における水素の移送は、制御装置8によって、圧縮機2及び各弁機構6,313〜315を適宜制御することによって実施される。
例えば、制御装置8は、少なくとも一つの蓄圧器311の残圧が所定値(例えば、最高設定圧力である82MPa)以上の状態を維持するように蓄圧器311間で水素を移送させる。この場合、制御装置8は、例えば全ての蓄圧器311の残圧が上記所定値未満となった場合に、残圧の低い側の一つ又は複数の蓄圧器311から残圧の高い側の一つ又は複数の蓄圧器311へと水素を移送させるように、圧縮機2及び各弁機構6,313〜315を制御する。具体的には、制御装置8は、弁機構6及び残圧の最も低い蓄圧器311に対応する弁機構313と弁機構315を開くと共に、残圧の最も高い蓄圧器311のみが圧縮機2に接続されるように対応する弁機構313と弁機構314を制御した上で、圧縮機2を稼働する。これにより、上記残圧の最も低い蓄圧器311内の水素は、蓄圧ユニット3の出口部3bから放出されて接続管5を介して圧縮機2の入口側へと導かれ、圧縮機2で昇圧され、連結管7を介して入口部3aから蓄圧ユニット3に導入されて上記残圧の最も高い蓄圧器311へと移送される。
そして、制御装置8は、上記残圧の最も高い蓄圧器311内の圧力が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)以上となると、蓄圧器311間における水素の移送処理を終了する。尚、上記残圧の最も低い蓄圧器311内の水素だけでは上記残圧の最も高い蓄圧器311内の圧力が上記所定値以上とならない場合には、二番目に残圧の低い蓄圧器311内の水素を上記残圧の最も高い蓄圧器311に移送させるようにする。
制御装置8は、このような蓄圧器311間における水素の移送処理を実施することにより、少なくとも一つの蓄圧器311の残圧が所定値(例えば、最高設定圧力である82MPa)以上の状態を維持する。但し、これに限るものではなく、制御装置8は、様々な態様での蓄圧器311間における水素の移送処理が可能である。
図2は、制御装置8によって実施される上記蓄圧器311間における水素の移送処理の一例を示すフローチャートである。
ステップS1では、圧力検知部101から各蓄圧器311の残圧(内圧)が制御装置8に入力される。
ステップS2では、ステップS1で入力された各蓄圧器311の残圧(内圧)に基づいて少なくとも2つ以上の蓄圧器311の残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)未満か否かを判断し、少なくとも2つ以上の蓄圧器311の残圧が上記所定値未満の場合、ステップS3に進む。
ステップS3では、ステップS1で入力された各蓄圧器311の残圧(内圧)に基づいて水素を放出させる移送元の蓄圧器バンク31と水素を充填する移送先の蓄圧器バンク31を決定する。例えば、各蓄圧器311の残圧(内圧)に基づき各蓄圧器バンク31における水素消費量を推定し、最も水素消費量が多い(残留水素が少ない)蓄圧器バンク31を、水素を移送(放出)させる移送元の蓄圧器バンク31として決定し、最も水素消費量が少ない(残留水素が多い)蓄圧器バンク31を、水素を充填する移送先の蓄圧器バンク31として決定する。この際、全ての蓄圧器バンク31において残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)以上の蓄圧器311が存在しない場合は、全ての蓄圧器バンク31について水素消費量の推定を行い、残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)以上の蓄圧器311が存在する蓄圧器バンク31がある場合は、当該蓄圧器バンク31を除いた他の蓄圧器バンク31(残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)以上の蓄圧器311が存在しない)について水素消費量の推定を行い、移送元の蓄圧器バンク31と移送先の蓄圧器バンク31を決定する。尚、残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)以上の蓄圧器311が存在する蓄圧器バンク31であっても、その蓄圧器バンク31の他の蓄圧器311のいずれか1つでも設定圧力未満であれば、水素消費量の推定対象とするようにしてもよい。言い換えれば、蓄圧器バンク31内の全ての蓄圧器311がそれぞれの設定圧力以上である場合にその蓄圧器バンク31を水素消費量の推定対象から除外するようしてもよい。
ステップS4では、決定した移送元の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311に対応する弁機構313,315を開く。具体的には、まず、移送元の蓄圧器バンク31に対応する弁機構315を開くと共に、その蓄圧器バンク31の複数(本実施形態では三つ)の蓄圧器311のうち残圧が最も低い蓄圧器311に対応する弁機構313を開く。
ステップS5では、接続管5を開閉する弁機構6を開いて、蓄圧ユニット3の出口部3bと圧縮機2の入口側とを連通させる。
ステップS6では、弁機構314を制御して、圧縮機2と移送先の蓄圧器バンク31以外の他の蓄圧器バンク31との接続を解除する。
ステップS7では、圧縮機2を稼働させる。
上記ステップS1〜S7の処理により、水素を移送させる移送元の蓄圧器バンク31と水素の充填対象となる移送先の蓄圧器バンク31が決定され、当該移送元の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311内の水素が、移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311へと移送される。
ステップS8では、上記決定した移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311内の内圧値(残圧値)に基づいて水素の充填が完了したか否かを判断する。例えば、圧力検知部101による上記移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311の検知圧力に基づいて、設定圧力が82MPa(最高設定圧力)である蓄圧器311だけでなく、他の蓄圧器311も上述したそれぞれの設定圧力70MPa、40MPaに達した場合に当該移送先の蓄圧器バンク31の水素充填が完了したと判断する。この場合、例えば、移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311の内圧(残圧)が水素の充填でそれぞれの設定値に達したときに、対応する蓄圧器バンク31の弁機構314を制御して圧縮機2との接続を解除する。移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311への水素の充填が完了するとステップS10に進む。一方、ステップS4で開弁した弁機構313に対応する残圧の最も低い蓄圧器311の残圧が所定圧力以下(例えば略0)となったにも拘わらず、水素の充填が完了しない場合は、ステップS9に進む。
ステップS9では、移送元の蓄圧器バンク31における次の蓄圧器311、即ち、二番目に残圧の低い蓄圧器311に対応する弁機構313を開弁して水素の充填を継続する。このようにして移送元の蓄圧器バンク31を構成する蓄圧器311のうち残圧の低い蓄圧器311から順次水素を放出し、移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311がそれぞれの設定圧力に達するまで(ステップS8の判定がYESとなるまで)充填を継続する。尚、最初に移送元に決定した蓄圧器バンク31だけで充填が完了しない場合、残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)未満の蓄圧器311が存在する蓄圧器バンク31が他に存在すれば、二番目に水素消費量が多い(残留水素が少ない)蓄圧器バンク31を移送元の蓄圧器バンク31とし、同様にして水素の放出を行い、移送先の蓄圧器バンク31の各蓄圧器311が設定値に達するまで水素の充填を継続する。また、残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)未満の蓄圧器311がある蓄圧器バンク31が他に存在しなければ、移送先の蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311への水素の充填処理終了と判断してステップS10に進む。尚、移送先の蓄圧器バンク31において設定圧力が最高設定圧力82MPaである蓄圧器311がその設定圧力以上になった時点で充填処理完了と判断するようにしてもよい。
ステップS10では、ステップS4(又はステップS4とステップS9)で開いた弁機構313,315、及びステップS5で開いた弁機構6を閉じる。
ステップS11では、圧縮機2を停止する。
ステップS12では、弁機構314を制御し、圧縮機2と上記移送先の蓄圧器バンク31以外の他の蓄圧器バンク31とを再び接続する。
尚、上述の蓄圧器間水素移送処理では、蓄圧器バンク31を単位とし蓄圧器バンク31間で水素を融通し合うようにしたが、蓄圧器バンク31を構成する各蓄圧器311を単位とし各蓄圧器311間で水素を移送し、少なくとも1つの蓄圧器バンク31の各蓄圧器311がそれぞれ設定圧力まで充填されるようにしてもよい。この際、移送元となる蓄圧器311は、第1実施形態では移送先の蓄圧器311と異なる蓄圧器バンク31の各蓄圧器311となるが、後述ずる図7の実施形態のように、同じ蓄圧器バンク31内の各蓄圧器311も移送元になれる構成とするとよい。
次に、上述した蓄圧器311間における水素の移送処理等によって、水素輸送用容器50内の圧力(例えば45MPa)よりも残圧が低い状態となった蓄圧器バンク31を構成する蓄圧器311を、水素ステーション1に到着した水素輸送用容器50内の水素を貯留する貯留容器として利用し、上記水素輸送用容器50内の水素を、蓄圧器バンク31を構成する蓄圧器311へ移送して貯留する水素の移送処理について説明する。
図3に、水素ステーション1への水素の移送処理の一例を示すフローチャートを示す。
ステップS21では、水素ステーション1に到着した水素輸送用容器50の水素供給口に連結管7を装着する。これにより、水素輸送用容器50は、連結管7の直管部71を介して圧縮機2と接続されると共に、連結管7の直管部71の一部及び分岐管部72を介して蓄圧ユニット3の入口部3aと接続される。ここで、連結管7は、上記輸送用車両に搭載又は連結された状態の水素輸送用容器50の水素供給口に装着される。
ステップS22では、水素輸送用容器50の水素供給弁と貯留容器として利用可能な所定の蓄圧器311に対応する弁機構313を開く。水素供給弁は、例えば上記水素供給口又はその近傍に設けられており、当該水素供給弁と貯留容器として利用可能な蓄圧器311に対応する弁機構313を開くことによって水素輸送用容器50内の水素が貯留容器として利用可能な蓄圧器311へと差圧によって移送される。即ち、水素ステーション1への水素の移送が開始される。具体的には、水素輸送用容器50内の水素が、連結管7の直管部71の一部及び分岐管部72を介して、前述した蓄圧器311間における水素の移送処理において移送元となった蓄圧器バンク31の各蓄圧器311へと差圧によって移送され、当該各蓄圧器311に貯留される。
ステップS23では、水素が差圧によって移送されている蓄圧器311に対応する圧力検知部101で検知される圧力値に基づいて圧力変化率が所定値以下となったか否かを判断し、所定値以下になるとステップS24に進む。この圧力変化率の所定値は、水素輸送用容器50の圧力と移送先の蓄圧器311の圧力が略同じとなり水素の移送速度が略零となる値として設定されるものである。
ステップS24では、制御装置8によって圧縮機2を稼働させる。圧縮機2が稼働すると、水素輸送用容器50内の水素が圧縮機2で昇圧されて蓄圧ユニット3に移送される。具体的には、水素輸送用容器50内の水素が連結管7の直管部71を介して圧縮機2へと導かれ、貯留されることなく圧縮機2で昇圧されて蓄圧ユニット3へと移送される。
ステップS25では、水素輸送用容器50が水素ステーション1に到着してから所定時間が経過したか否かを判断し、所定時間が経過するとステップS26に進む。この所定時間は、例えば水素ステーション1が水素輸送用容器50を滞在させることのできる時間(例えば、2時間)に基づいて予め設定される。
ステップS26では、上記水素供給弁を閉じる。
ステップS27では、圧縮機2を停止させる。
ステップS28では、連結管7を水素輸送用容器50の水素供給口から外す。
これにより、水素輸送用容器50から水素ステーション1への水素の移送(荷卸し)が完了する。また、水素輸送用容器50が搭載又は連結された輸送用車両の当該水素ステーション1からの移動が可能となる。このため、例えば、水素輸送用容器50を別の水素ステーションへと移動させて当該別の水素ステーションに水素を供給することができる。
尚、蓄圧器バンク31を構成する蓄圧器311を貯留容器として利用するために、蓄圧器間で水素を融通し合う水素移送処理は、全ての蓄圧器バンク31に残圧が所定値(最高設定圧力である82MPa)以上である蓄圧器311が存在する場合でも、水素輸送用容器50が水素ステーション1に到着する前に実施するとよい。この場合、移送先の蓄圧器は、その設定圧力が上記所定値(82MPa)のものである必要はなく、前記所定値より低い設定圧力(40MPaや70MPa)の蓄圧器であってもよい。尚、貯留容器として利用する移送元の蓄圧器バンクとしては、各蓄圧器311の残圧(内圧)に基づいて各蓄圧器バンク31の水素消費量又は残留水素を推定し、水素消費量が最も多い又は残留水素が最も少ない蓄圧器バンク31を選択すればよい。
かかる構成の水素ステーション1によれば、水素消費量の多い蓄圧器バンク31から水素消費量の少ない蓄圧器バンク31へ水素を昇圧して移送することで、燃料電池自動車に搭載された水素燃料タンクの最高使用圧力(例えば70MPa)より高い最高設定圧力(例えば82MPa)の蓄圧器311を備えた蓄圧器バンク31を常に準備しておくことが可能になる。従って、例えば、水素ステーション1に燃料電池自動車が来店したとき、蓄圧器に水素が残存しているにも拘わらず残圧不足で燃料電池自動車に水素を補給できないという問題を回避することができ、各蓄圧器内に残存する水素を有効利用して水素燃料タンクへの水素充填能力の向上を図ることができるようになる。
また、蓄圧器間で残留水素を融通し合うことにより残留水素の有効利用が図れることに加えて、蓄圧器間の水素移送処理で生じた残圧の低い蓄圧器を貯留容器として利用して、水素輸送用容器内の水素を差圧によって蓄圧器に移送して貯留できるので、従来に比べて、水素輸送用容器からオフサイト型ステーションへと短時間で水素を荷卸しすることができる。この結果、水素輸送用容器をオフサイト型水素ステーションに長時間留置しておく必要がなく、例えば一つの水素輸送用容器が複数のオフサイト型水素ステーションに対して水素を供給することが可能となるので、従来に比べて、水素の輸送コストを大幅に低減できる。また、オフサイト型水素ステーションの設備面での負担も軽減できるようになる。
図4に、水素ステーション1への水素の移送処理の別の例を示すフローチャートを示す。
この水素移送処理は、水素ステーション1への水素の移送(荷卸し)を、差圧だけで行い、圧縮機2を利用しない例である。
即ち、ステップS31〜33までは図3のステップ21〜23と同様であり、ステップS31で水素ステーション1に到着した水素輸送用容器50の水素供給口に連結管7を装着し、ステップS32で水素輸送用容器50の水素供給弁と貯留容器として利用可能な所定の蓄圧器311に対応する弁機構313を開いて水素ステーション1への水素の移送を開始し、ステップS33で圧力検知部101で検知される圧力値に基づいて圧力変化率が所定値以下となったか否かを判断する。ステップS33で圧力変化率が所定値以下と判断された場合はステップS34に進む。
ステップS34では、図3のステップS28と同様に、連結管7を水素輸送用容器50の水素供給口から外す。これにより、水素輸送用容器50から水素ステーション1への水素の移送(荷卸し)を完了する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図5は、第2実施形態による水素ステーション10の構成を示す。尚、以下の説明においては、第1実施形態による水素ステーション1と共通する要素については同一の符号を付し、その機能も同一であるものとする。
図5に示すように、第2実施形態による水素ステーション10は、図1に示す第1実施形態による水素ステーション1と大略同様の構成であるが、水素輸送用容器50内の水素を水素ステーション1へと移送する水素移送管の機能を有する連結管7を、直管部のみとし、圧縮機2をバイパスする分岐管部72を省いた構成である。上記連結管7は、水素輸送用容器50に装着されることによって、水素輸送用容器50と圧縮機2とを接続する。
かかる構成の水素ステーション10は、蓄圧器313間の水素の移送処理については第1実施形態と同様である。また、水素輸送用容器50から水素ステーション10への水素の移送処理は、差圧ではなく圧縮機2を介して昇圧した水素を各蓄圧器313に移送することになる。
図6は、第1実施形態の変形例による水素ステーション20を示している。尚、以下の説明において、第1実施形態による水素ステーション1と共通する要素については同一の符号を付し、その機能も同一であるものとする。
図6の第1実施形態の変形例による水素ステーション20は、蓄圧器バンク31に加えて中圧容器(中圧バンク)も貯留容器として利用し、水素輸送用容器50の水素を貯留できる構成としたものである。この第1実施形態の変形例による水素ステーション20は、図6に示すように、二つの圧縮機11,12と、二つの圧縮機11,12の間に配置された中圧容器(中圧バンク)13と、連結管7の分岐管部72の中間位置と中圧容器13の入口側とを接続する接続管14と、を有する点で、第1実施形態による水素ステーション1と相違する(その他の構成については第1実施形態による水素ステーション1と同じである)。尚、分岐管部72には、接続管14の接続部分より手前側部分と先側部分に、それぞれ逆止弁60A,60Bが介装されており、逆止弁60A,60Bは、第1実施形態における逆止弁60に相当するものである。
圧縮機11,12は、第1実施形態における圧縮機2に相当する。中圧容器13は、第1圧縮機11によって昇圧された水素を貯留する。中圧容器13は例えば30〜40MPaの水素を貯留する。第2圧縮機12は、中圧容器13内の水素を昇圧して蓄圧ユニット3に供給する。この水素ステーション20では、水素燃料タンクへの水素の充填によって蓄圧器バンク31の水素が減ると、蓄圧器バンク31に対して中圧容器13内の水素を補給できるようになっている。
上記変形例による水素ステーション20に対して水素輸送用容器50から水素を供給する場合、図3のステップS22において水素輸送用容器50側の水素供給弁と貯留容器として利用可能な蓄圧器311に対応する弁機構313を開くと、水素輸送用容器50内の水素が、連結管7の直管部71の一部及び分岐管部72を介して蓄圧器間の水素移送処理で貯留可能となった蓄圧器バンク31の各蓄圧器311へと差圧によって移送されると共に、蓄圧器バンク31への水素補給によって圧力が低くなった中圧容器13へと接続管14を介して差圧によって移送される。その後、図3のステップS24において第1圧縮機11及び第2圧縮機12を稼働させると、中圧容器13内の水素が第2圧縮機12で昇圧されて蓄圧ユニット3に移送され、水素輸送用容器50内の水素が第1圧縮機11及び第2圧縮機12で昇圧されて蓄圧ユニット3に移送される。
かかる構成の水素ステーション20によれば、蓄圧器間で残留水素を融通し合うことにより残留水素の有効利用が図れることに加えて、蓄圧器間の水素移送処理で生じた残圧の低い蓄圧器及び中圧容器を貯留容器として利用できるので、水素輸送用容器からオフサイト型ステーションへと短時間でより一層多くの水素を移送(荷卸し)することができるようになる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図7は、本発明の第3実施形態によるオフサイト型水素ステーションの構成を示している。尚、以下の説明においては、第1実施形態による水素ステーション1と共通する要素については同一の符号を付し、その機能も同一であるものとする。
図7に示すように、第3実施形態による水素ステーション30は、図1に示す第1実施形態による水素ステーション1と蓄圧ユニット3の構成が異なる。
第3実施形態による水素ステーション30の蓄圧ユニット3Aは、蓄圧器バンク31Aを構成する各蓄圧器311Aが、水素を充填する入口と水素を放出する出口が別々である。各蓄圧器311Aの入口側(圧縮機2側)には、逆止弁322が設けられている。また、各蓄圧機311Aの出口側(ディスペンサー4側)には、各蓄圧器311Aからの水素の放出を許容し又は停止する弁機構323と圧力検知部101とが設けられており、各弁機構323が開くと、対応する蓄圧器311Aから水素が接続管を介して放出される。本実施形態では、前記弁機構323が本発明の第2の弁機構に相当している。
また、蓄圧ユニット3Aは、圧縮機2に接続される一つ又は複数の蓄圧器311Aを選択可能な選択装置320を備えており、選択装置320と蓄圧器バンク31Aの各蓄圧器311Aとはそれぞれの接続管によって接続されており、圧縮機2で昇圧された水素は、選択装置320によって選択された蓄圧器311Aにそれぞれの接続管を通って供給される。本実施形態では、前記選択装置320が本発明の第1の弁機構に相当している。
第3実施形態による水素ステーション30の制御装置8Aは、圧力検知部101によって検知された各蓄圧器311Aの内圧(残圧)やディスペンサー4に入力された上記水素燃料タンクに関する情報(残圧、最高使用圧力等)を含む各種情報やオペレータによる動作指令等に基づいて、圧縮機2、弁機構6、弁機構323及び選択装置320等を適宜制御する。尚、本実施形態では、デフォルト状態において、弁機構6及び弁機構323は閉じており、選択装置320は圧縮機2と全ての蓄圧器311Aとを接続するものとする。
図8に、第3実施形態による水素ステーション30で実施される蓄圧器311A間における水素の移送処理の一例を示すフローチャートを示す。
第3実施形態による水素ステーション30で実施される蓄圧器311A間における水素の移送処理は、図2に示す第1実施形態による水素ステーション1の蓄圧器311間における水素の移送処理と大略同じであり、弁機構314,316の代わりに選択装置320,弁機構323を制御することが異なる。
ステップS41では、制御装置8Aに圧力検知部101から各蓄圧器311Aの残圧(内圧)が入力される。
ステップS42では、ステップS41で入力された各蓄圧器311Aの残圧(内圧)に基づいて少なくとも2つ以上の蓄圧器311Aの残圧が上記所定値(最高設定圧力である82MPa)未満か否かを判断し、少なくとも2つ以上の蓄圧器311Aの残圧が上記所定値未満の場合、ステップS43に進む。
ステップS43では、ステップS41で入力された各蓄圧器311Aの残圧(内圧)に基づいて図2のステップS3と同様にして水素を放出させる移送元の蓄圧器バンク31Aと移送先の蓄圧器バンク31Aを決定する。
ステップS44では、決定された移送元の蓄圧器バンク31Aを構成する各蓄圧器311Aに対応する弁機構323を開く。具体的には、その蓄圧器バンク31Aの複数(本実施形態では三つ)の蓄圧器311Aのうち残圧が最も低い蓄圧器311Aに対応する弁機構323を開く。
ステップS45では、弁機構6を開いて、蓄圧ユニット3Aの出口側と圧縮機2の入口側とを連通させる。
ステップS46では、選択装置320を制御して、圧縮機2と移送先の蓄圧器バンク31A以外の他の蓄圧器バンク31Aとの接続を解除する。
ステップS47では、圧縮機2を稼働させる。
ステップS48では、図2のステップS8と同様にして水素の充填が完了したか否かを判断する。水素充填が完了したと判断すると、選択装置320を制御して移送先の蓄圧器311Aと圧縮機2との接続を解除する。移送先の蓄圧器バンク31Aを構成する各蓄圧器311Aへの水素の充填が完了するとステップS50に進む。一方、移送元の蓄圧器311Aの残圧が所定圧力以下(例えば略0)となったにも拘わらず、水素の充填が完了しない場合は、ステップS49に進む。
ステップS49では、図2のステップS9と同様にして水素の充填を継続する。
ステップS50に進むと、ステップS44(又はステップS44とステップS49)で開いた弁機構323及びステップS45で開いた弁機構6を閉じる。
ステップS51では、圧縮機2を停止する。
ステップS52では、選択装置320を制御し、圧縮機2と上記移送先の蓄圧器バンク31A以外の他の蓄圧器バンク31Aとを再び接続する。
かかる構成の水素ステーション30によれば、水素消費量の多い蓄圧器バンク31Aから水素消費量の少ない蓄圧器バンク31Aへ水素を昇圧して移送することで、燃料電池自動車に搭載された水素燃料タンクの最高使用圧力(例えば70MPa)より高い最高設定圧力(例えば82MPa)の蓄圧器311Aを備えた蓄圧器バンク31Aを常に準備しておくことが可能になる。また、同じ蓄圧器バンク31A内の各蓄圧器311A間でも水素の移送が可能であるので、より一層各蓄圧器内に残存する水素を有効利用して水素燃料タンクへの水素充填能力の向上を図ることができるようになる。
尚、水素ステーション1,20,30のように、水素輸送用容器50から水素を差圧によって移送(荷卸し)出来る構成において、水素輸送用容器50内の圧力よりも内圧の低い貯留専用の低圧容器(低圧バンク)を別に設け、この低圧容器へも水素輸送用容器50から水素を差圧によって移送(荷卸し)出来る構成としてもよい。この場合、水素輸送用容器からオフサイト型ステーションへと短時間で更に多くの水素を移送(荷卸し)することができるようになる。
第3実施形態の蓄圧ユニットの構成を、図5に示す第2実施形態や図6に示す第1実施形態の変形例に適用してもよい。
ここまで、オフサイト型水素ステーションについて、水素の製造場所から水素ステーションまで水素を圧縮水素ガスで輸送する方法について説明したが、液体水素で輸送する方法による場合も同様である。
図9は、本発明の第4実施形態による液体水素で輸送する方法を用いたオフサイト型水素ステーションの構成を示している。
図9において、本実施形態の水素ステーション40は、第1実施形態の水素ステーション1と比べて、水素輸送用容器50の代わりに液体水素貯蔵容器51と、液体水素昇圧機52と、気化器53と、水素容器54と、気化器53と蓄圧ユニット3の入口部3aを結ぶ配管55と、液体水素貯蔵容器51から発生するボイルオフガス(水素)を水素容器54に供給するボイルオフガス供給管56とを備えた点が異なる。水素容器54は連結管7の直管部71に接続されている。連結管7より下流側の構成は、図1に示す第1実施形態の水素ステーション1と同じ構成である。
液体水素貯蔵容器51に外部から液体水素が供給される。液体水素貯蔵容器51からは蒸発した水素ガスがボイルオフガスとなってボイルオフガス供給管56を通り水素容器54に貯められる。水素容器54の圧力が蓄圧器311の圧力よりも高い場合には、水素容器54から分岐管部72を介して蓄圧器311へ差圧で水素を移送可能である。液体水素は液体水素貯蔵容器51から液体水素昇圧機52に送られ所定の圧力に昇圧された後、気化器53で水素ガスになり、蓄圧器311へ送られる。蓄圧器間の水素の移送処理については第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
尚、図9の変形例として図10に示すオフサイト型水素ステーション40′のように、液体水素昇圧機52を省略すると共に、配管55を水素容器54に接続し、気化器53で気化した水素ガスを水素容器54に貯めるよう構成してもよい。その他の構成は図9に示す第4実施形態の水素ステーション40と同じ構成である。
図11は、本発明の第5実施形態によるオンサイト型水素ステーションの構成を示している。
図11において、このオンサイト型水素ステーション60は、第1実施形態の水素ステーション1と比べて、水素輸送用容器50の代わりに、水素製造設備61と水素容器62を備えた点が異なり、水素容器62が連結管7の直管部71に接続される。連結管7より下流側の構成は、図1に示す第1実施形態の水素ステーション1と同じ構成である。
水素製造設備61は任意の水素製造設備で良いが、水素の製造原料として都市ガス、液化石油ガス(LPG)、ナフサ、灯油、メタノール、有機ハイドライド(脱水素反応により容易に水素ガスを生成する液体であり、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、デカリンおよびその誘導体、2−プロパノール等が好適に挙げられる)を用いる水素製造設備が好適に挙げられる。これらの原料はガス又は液体であり、パイプライン、ボンベ、ローリー等で容易に輸送できる。
一般に水素製造設備61は水素製造装置と水素精製装置からなり、水素製造装置は上記の原料から水蒸気改質反応、脱水素反応等により水素を製造し、水素精製装置はその水素を精製して製品水素を製造する。製造された製品水素は水素容器62に貯められる。
本実施形態のオンサイト型水素ステーション60では、連結管7を介して蓄圧ユニット3と連結されている。水素容器62の圧力が蓄圧器311の圧力よりも高い場合には、水素容器62から分岐管部72を介して蓄圧器311へ差圧で水素を移送可能である。蓄圧器間の水素の移送処理については第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
尚、本発明の第2実施形態によるオフサイト型水素ステーション10、第3実施形態によるオフサイト型水素ステーション30及び第1実施形態の変形例によるオフサイト型水素ステーション20を、本実施形態のオンサイト型水素ステーションに置き換えることが可能である。第3実施形態のオフサイト型水素ステーション30をオンサイト型水素ステーションに置き換えた場合及び第1実施形態の変形例によるオフサイト型水素ステーション20を、本実施形態のオンサイト型水素ステーションに置き換えても、水素容器62の圧力が蓄圧器311の圧力よりも高い場合には、水素容器62から分岐管部72を介して蓄圧器311へ差圧で水素を移送可能である。
1,10,20,30,40,40′…オフサイト型水素ステーション、2,11,12…圧縮機、3,3A…蓄圧ユニット、4…ディスペンサー、5…接続管(戻しライン)、6…弁機構、7…連結管、8,8A…制御装置、31,31A…蓄圧器バンク、50…水素輸送用容器、51…液体水素貯蔵容器、52…液体水素昇圧機、53…気化器、54,62…水素容器、55…配管、56…ボイルオフガス供給管、60…オンサイト型水素ステーション、61…水素製造設備、71…直管部、72…分岐管部(移送ライン)、311,311A…蓄圧器、60,60A,60B,312,316,322…逆止弁、313〜315,323…弁機構、320…選択装置

Claims (6)

  1. 水素を昇圧する圧縮機と、この圧縮機で昇圧された水素を貯留可能な複数の蓄圧器を有する蓄圧ユニットとを備え、前記蓄圧ユニットに貯留された水素を水素燃料タンクに充填する水素ステーションであって、
    前記複数の蓄圧器のうちの一部の蓄圧器内の水素を、前記圧縮機で昇圧して他の蓄圧器へと移送制御可能な構成とした水素ステーション。
  2. 各蓄圧器への水素の充填を許容し又は停止する第1の弁機構と、
    各蓄圧器からの水素の放出を許容し又は停止する第2の弁機構と、
    各蓄圧器から放出された水素を前記圧縮機の入口側へと戻す戻しラインと、
    前記複数の蓄圧器のうちの一部の蓄圧器内の水素を他の蓄圧器へと移送させるように前記圧縮機、前記第1の弁機構及び前記第2の弁機構を制御する制御装置と、
    を備えた請求項1に記載の水素ステーション。
  3. 各蓄圧器内の圧力を検知する圧力検知部を備え、
    前記制御装置は、前記圧力検知部によって検知された圧力が最も低い蓄圧器から他の蓄圧器へと水素を移送させるように前記圧縮機、前記第1の弁機構及び前記第2の弁機構を制御する請求項2に記載の水素ステーション。
  4. オフサイト型水素ステーションであって、
    前記制御装置は、前記一部の蓄圧器内の水素を前記他の蓄圧器へと移送させることによって当該一部の蓄圧器内の圧力を水素輸送用容器内の圧力よりも低い状態とする請求項2又は3に記載の水素ステーション。
  5. オフサイト型水素ステーションであって、
    水素輸送用容器に装着されることによって前記水素輸送用容器と前記蓄圧ユニットとを前記圧縮機を介在させずに接続して、前記水素輸送用容器内の水素を当該水素輸送用容器内の圧力よりも内圧が低い状態にある蓄圧器に差圧によって移送可能な移送ラインを備えた請求項1〜4のいずれか1つに記載の水素ステーション。
  6. 前記水素輸送用容器に代えて、外部から輸送される液体水素を貯蔵する液体水素貯蔵容器と、前記液体水素からガス化した水素を蓄える水素容器とを備える請求項4又は5に記載の水素ステーション。
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