JP2015013759A - 高圧水素製造システム、および、高圧水素製造システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄圧器の個数を低減する。【解決手段】高圧水素製造システム１１０は、水素を製造する水素製造装置２１０と、水素製造装置によって製造された水素を昇圧する第１の圧縮機（低圧圧縮機２３０）と、第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器（低圧蓄圧器２４０）および第２の蓄圧器（可変圧蓄圧器２７０）と、第１の蓄圧器の圧力が第１閾値を上回ると、水素製造装置を制御して水素製造装置による水素の製造を停止する停止処理を開始し、第１の蓄圧器の圧力が第１閾値より大きい第２閾値以上になると、水素製造装置によって製造された水素であって第１の圧縮機によって昇圧された水素を第２の蓄圧器に貯留させる制御部２９０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水素を製造して燃料電池自動車等の供給先に供給する高圧水素製造システム、および、高圧水素製造システムの運転方法に関する。

近年、燃料電池を搭載した自動車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle、以下、「燃料電池自動車」と称する。）が開発されている。燃料電池自動車では、水素と酸素（空気）とを化学反応させて電力を生成する燃料電池を動力源としているため、燃料電池自動車には水素を供給する必要がある。つまり、ガソリンエンジンを動力源とするガソリン自動車に対するガソリンが、燃料電池自動車に対する水素に相当する。したがって、燃料電池自動車は、ガソリン自動車用のガソリンスタンドに相当する、燃料電池自動車用の水素ステーションで水素の供給を行い、供給された水素は、燃料電池自動車に設けられた水素タンクに貯留されることとなる。

上記水素ステーションは、水素製造装置（例えば、特許文献１）と、水素製造装置によって製造された水素を貯留する蓄圧器とを含んで構成され、蓄圧器に貯留された水素が燃料電池自動車に供給されることとなる。

特開２０１１−１３２１０３号公報

上記水素ステーションにおいて蓄圧器は、水素の消費量（燃料電池自動車に供給される水素量）の変動（負荷変動）を吸収するために設けられているが、蓄圧器に要するコストを削減するために、蓄圧器の個数を低減する技術の開発が希求されている。

本発明は、蓄圧器の個数を低減することが可能な高圧水素製造システム、および、高圧水素製造システムの運転方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の高圧水素製造システムは、水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された水素を昇圧する第１の圧縮機と、前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器と、前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値を上回ると、前記水素製造装置を制御して該水素製造装置による水素の製造を停止する停止処理を開始し、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値より大きい第２閾値以上になると、該水素製造装置によって製造された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記制御部は、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になると、前記第２の蓄圧器に貯留された水素を、前記第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させ、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値未満になると、前記水素製造装置を制御して該水素製造装置による水素の製造を開始する開始処理を遂行し、該水素製造装置によって製造された水素を、該第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させるとしてもよい。

また、前記制御部は、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値になると、前記水素製造装置の現在のロードをキープするロードキープ処理、前記停止処理、前記開始処理の群から選択された１の処理を遂行するとしてもよい。

また、前記第１の蓄圧器に貯留された水素を昇圧する第２の圧縮機と、前記第２の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第３の蓄圧器と、をさらに備えるとしてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の高圧水素製造システムの運転方法は、水素を製造する水素製造装置と、該水素製造装置によって製造された水素を昇圧する第１の圧縮機と、該第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器とを備えた高圧水素製造システムの運転方法であって、前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値を上回ったか否かを判定し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値を上回ったと判定すると、前記水素製造装置による水素の製造を停止する停止処理を開始し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値より大きい第２閾値以上になったか否かを判定し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第２閾値以上になったと判定すると、前記水素製造装置によって製造された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留することを特徴とする。

また、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になったと判定すると、前記第２の蓄圧器に貯留された水素を、前記第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満になったか否かを判定し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満になったと判定すると、前記水素製造装置による水素の製造を開始する開始処理を遂行し、前記水素製造装置によって製造された水素を、前記第１の圧縮機によって昇圧させて、前記第１の蓄圧器に貯留するとしてもよい。

また、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値になったか否かを判定し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値になったと判定すると、前記水素製造装置の現在のロードをキープするロードキープ処理、前記停止処理、前記開始処理の群から選択された１の処理を遂行するとしてもよい。

本発明によれば、蓄圧器の個数を低減することが可能となる。

実施形態にかかる水素ステーションを説明するための図である。 比較例の高圧水素製造システムを説明するための図である。 水素製造装置における、出力１００％運転時、停止処理が遂行される期間、および、開始処理が遂行される期間の水素の製造量を説明するための図である。 通常運転時および開始処理時の高圧水素製造システムの運転処理を説明するための図である。 停止処理時の高圧水素製造システムの運転処理を説明するための図である。 水素製造装置の制御の流れを説明するためのフローチャートである。 低圧圧縮機の制御の流れを説明するためのフローチャートである。 バルブの制御の流れを説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（水素ステーション１００）
図１は、本実施形態にかかる水素ステーション１００を説明するための図である。図１に示すように、水素ステーション１００は、高圧水素製造システム１１０と、プレクーラー１２０と、ディスペンサー１３０とを含んで構成される。なお、図１中、水素の流れを実線で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

（高圧水素製造システム１１０）
高圧水素製造システム１１０は、水素製造装置２１０と、サクションタンク２２０と、低圧圧縮機２３０（第１の圧縮機）と、低圧蓄圧器２４０（第１の蓄圧器）と、高圧圧縮機２５０（第２の圧縮機）と、高圧蓄圧器２６０（第３の蓄圧器）と、可変圧蓄圧器２７０（第２の蓄圧器）と、圧力測定部２８０と、制御部２９０と、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３と、減圧弁Ｖ４とを含んで構成される。

水素製造装置２１０は、例えば、都市ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の化石燃料と水蒸気を触媒反応させて水素を含む混合ガスを生成する水蒸気改質容器と、当該混合ガス中の一酸化炭素と水蒸気を反応させて水素を生成するシフト反応容器と、当該水素を含む混合ガスから水素を精製する水素分離膜や、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）を含んで構成され、都市ガス、液化石油ガス等の化石燃料から純度の高い水素を製造する。水素製造装置２１０によって製造される水素の圧力は、例えば、０．７ＭＰａである。

サクションタンク２２０は、水素製造装置２１０と低圧圧縮機２３０との間に設けられ、クッションタンクとして機能する。

低圧圧縮機２３０は、水素製造装置２１０によって製造された水素（０．７ＭＰａ）を昇圧して、例えば、３３ＭＰａ〜４０ＭＰａに圧縮する。

低圧蓄圧器２４０は、低圧圧縮機２３０によって昇圧された水素（３３ＭＰａ〜４０ＭＰａ）を貯留する。

高圧圧縮機２５０は、低圧蓄圧器２４０に貯留された水素（３３ＭＰａ〜４０ＭＰａ）を昇圧して、例えば、８２ＭＰａに圧縮する。

高圧蓄圧器２６０は、高圧圧縮機２５０によって昇圧された水素（８２ＭＰａ）を貯留する。

可変圧蓄圧器２７０は、後述する制御部２９０の制御指令に応じて、水素製造装置２１０による水素の製造を停止する際に遂行される停止処理が実行される場合に、低圧圧縮機２３０によって昇圧された水素を貯留する。また、低圧蓄圧器２４０の圧力が低下した場合に、可変圧蓄圧器２７０から水素が払い出される。なお、本実施形態において、可変圧蓄圧器２７０の上限圧力（最大許容圧力）は、低圧蓄圧器２４０の上限圧力と実質的に等しく、例えば、４０ＭＰａである。

圧力測定部２８０は、低圧蓄圧器２４０の圧力、および、サクションタンク２２０の圧力を測定する。

制御部２９０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して高圧水素製造システム１１０全体を管理および制御する。

本実施形態において制御部２９０は、低圧圧縮機２３０および高圧圧縮機２５０を制御する。具体的に説明すると、制御部２９０は、低圧圧縮機２３０の入口の圧力（ここでは、サクションタンク２２０の圧力）が目標値Ｐｓｕｃ（例えば０．５５ＭＰａ）となるように低圧圧縮機２３０の圧縮容量を制御したり、停止したりする。また、制御部２９０は、高圧蓄圧器２６０の圧力が所定値（例えば、８２ＭＰａ）となるように高圧圧縮機２５０の圧縮容量を制御したり、停止したりする。

また、制御部２９０は、水素製造装置２１０の駆動制御、および、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御を実行する。なお、バルブＶ１は、低圧圧縮機２３０の下流と可変圧蓄圧器２７０とを接続する配管に設けられ、バルブＶ２は、可変圧蓄圧器２７０とサクションタンク２２０とを接続する配管に設けられ、バルブＶ３は、低圧圧縮機２３０と低圧蓄圧器２４０とを接続する配管のうち、低圧圧縮機２３０の下流と可変圧蓄圧器２７０とを接続する配管との接続点よりも下流側に設けられる。なお、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３は開閉弁で構成される。

また、バルブＶ２とサクションタンク２２０とを接続する配管には、減圧弁Ｖ４が設けられる。なお、減圧弁Ｖ４は、可変圧蓄圧器２７０とバルブＶ２とを接続する配管に設けてもよい。減圧弁Ｖ４の設定圧力は、サクションタンク２２０の目標値Ｐｓｕｃよりも高い圧力とし、例えば０．６ＭＰａとする。かかる水素製造装置２１０の駆動制御およびバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御に関しては後述する高圧水素製造システム１１０の運転処理において詳述する。

そして、高圧蓄圧器２６０に貯留された水素は、プレクーラー１２０によって冷却され（例えば、−４０℃）、ディスペンサー１３０の充填制御弁を介して、燃料電池自動車に設けられた水素タンクに差圧充填される。ここで、高圧蓄圧器２６０から燃料電池自動車の水素タンクへ水素が充填される際に断熱圧縮によって水素が加熱されるため、水素の温度が水素タンクの耐熱温度に達しないように、プレクーラー１２０が設けられている。

（低圧圧縮機２３０、高圧圧縮機２５０の圧力設計）
続いて、低圧圧縮機２３０、高圧圧縮機２５０の圧力設計について説明する。燃料電池自動車の水素タンクの圧力は７０ＭＰａが世界基準となっているため、当該水素タンクに水素を差圧充填するためには、供給元の水素の圧力を、７０ＭＰａを上回る値（例えば、８２ＭＰａ）とする必要がある。しかし、水素製造装置２１０で製造された水素の圧力は、０．７ＭＰａと低いため、水素製造装置２１０で製造された水素をそのまま燃料電池自動車に供給することはできない。そこで、本実施形態の高圧水素製造システム１１０は、水素製造装置２１０で製造された水素を８２ＭＰａまで昇圧する。

具体的に説明すると、まず、高圧水素製造システム１１０における最後段の高圧蓄圧器２６０の圧力を８２ＭＰａに設計する、すなわち、高圧圧縮機２５０の出口圧力を８２ＭＰａに設計する。したがって、水素を８２ＭＰａに昇圧可能な高圧圧縮機２５０を採用すればよいが、高圧圧縮機２５０の性能によっては、入口の圧力を３３ＭＰａ〜４０ＭＰａまで昇圧する必要がある。そこで、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０では、低圧圧縮機２３０および低圧蓄圧器２４０を設けておき、低圧圧縮機２３０が水素製造装置２１０で製造された水素（０．７ＭＰａ）を３３ＭＰａ〜４０ＭＰａに昇圧して、低圧蓄圧器２４０に貯留し、高圧圧縮機２５０が低圧蓄圧器２４０に貯留された３３ＭＰａ〜４０ＭＰａの水素を８２ＭＰａに昇圧することとしている。

（可変圧蓄圧器２７０の効果）
続いて、高圧水素製造システム１１０における可変圧蓄圧器２７０の効果について説明する。ここでは、まず、比較例における低圧蓄圧器の個数の設計について説明し、次に、高圧水素製造システム１１０における可変圧蓄圧器２７０の効果について説明する。

図２は、比較例の高圧水素製造システム１０を説明するための図である。なお、高圧水素製造システム１０の構成であって、上述した高圧水素製造システム１１０の構成と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、高圧水素製造システム１０は、水素製造装置２１０と、サクションタンク２２０と、低圧圧縮機２３０と、低圧蓄圧器１２と、高圧圧縮機２５０と、高圧蓄圧器２６０と、圧力測定部２８０と、制御部２９０とを含んで構成される。つまり、高圧水素製造システム１１０と比較して、高圧水素製造システム１０には、可変圧蓄圧器２７０、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、減圧弁Ｖ４が設けられていないこととなり、また、低圧蓄圧器１２の個数が低圧蓄圧器２４０と異なる。以下、低圧蓄圧器１２の個数の設計について説明する。

水素製造装置２１０は、通常運転時のみならず、運転を停止する際に遂行される停止処理（運転の停止指示が入力されてから水素製造装置２１０が停止状態となるまでの処理）、および、運転を開始してから通常運転に到達するまでの処理（開始処理）を遂行している期間においても水素を製造している。

図３は、水素製造装置２１０における、出力１００％運転時、停止処理が遂行される期間（以下、「停止処理期間」と称する。）、および、開始処理が遂行される期間（以下、「開始処理期間」と称する。）の水素の製造量を説明するための図である。図３（ａ）は、出力１００％運転時の水素の製造量を説明するための図であり、図３（ｂ）は、停止処理期間の水素の製造量を説明するための図であり、図３（ｃ）は、開始処理期間の水素の製造量を説明するための図である。

水素製造装置２１０が出力１００％で運転している場合、例えば、３００ｍ^３／ｈで水素を製造するとする。この場合、図３（ａ）に示すように、水素製造装置２１０は、出力１００％で運転している場合、常時３００ｍ^３／ｈで水素を製造することになる。

ここで、燃料電池自動車への水素の平均充填量（水素製造装置２１０によって充填可能な水素量の平均）について説明すると、燃料電池自動車への水素の平均充填量（ｍ^３／ｈ）は、水素製造装置２１０による水素の製造能力（ｍ^３／ｈ）に依存する。すなわち、本実施形態にかかる水素ステーション１００では、３００ｍ^３／ｈで燃料電池自動車に水素を供給することが可能となる。

しかし、燃料電池自動車は必ずしも平均的に水素ステーション１００に訪れる訳ではないため、水素製造装置２１０による水素の製造量を調整する必要がある。

具体的に説明すると、水素ステーション１００に訪れる燃料電池自動車の数が少ない期間、すなわち、燃料電池自動車への水素の供給量が水素製造装置２１０の水素の製造量よりも少ない期間において、水素製造装置２１０が出力１００％で運転していると、低圧蓄圧器１２や高圧蓄圧器２６０において水素を貯留しきれなくなる。そこで、低圧蓄圧器１２や高圧蓄圧器２６０に貯留された水素が所定量に達すると、制御部２９０は水素製造装置２１０を制御して停止処理を遂行させる。なお、低圧蓄圧器１２と比較して、高圧蓄圧器２６０は高価であるため、一般的に、高圧蓄圧器２６０よりも低圧蓄圧器１２の容量を大きくする。したがって、制御部２９０は、低圧蓄圧器１２に貯留された水素が所定量（所定圧力、例えば３７ＭＰａ）を上回ると、水素製造装置２１０を制御して停止処理を遂行させる。

停止処理を開始する場合、図３（ｂ）に示すように、水素製造装置２１０は、水素の製造速度を３００ｍ^３／ｈから徐々に下げていき、最終的に、例えば、９０ｍ^３／ｈとして停止状態に移行することとなる。なお、水素製造装置２１０は、停止状態（アイドリング状態）であっても、出力３０％で水素（９０ｍ^３／ｈ）を常時製造しており、停止状態においては、水素製造装置２１０自体が製造した水素を燃焼させて消費している。つまり、水素製造装置２１０の停止状態においては、見かけ上、水素の出力はない（ゼロである）が、実際には、９０ｍ^３／ｈで水素を製造していることとなる。また、ここでは、停止処理に１時間を要するものとする。

このように、停止処理期間（停止処理を開始してから停止状態に達するまで）においても水素が製造されることとなるため、低圧蓄圧器１２の容量（低圧蓄圧器１２の個数）は、停止処理期間に製造された水素量を勘案した容量に決定されることとなる。

具体的に説明すると、停止処理期間に製造される水素量を貯留するために必要な低圧蓄圧器１２の個数Ｘは、下記式（１）に基づいて算出することができる。
Ｘ＝Ａ／｛（Ｐｍａｘ−Ｐｔｈ１）×１０×Ｄ／ｚ｝…式（１）
ここで、Ａは停止処理期間に製造される水素量（ｍ^３）、Ｐｍａｘは低圧蓄圧器１２の上限圧力（ＭＰａ）、Ｐｔｈ１は停止処理を開始するトリガとなる低圧蓄圧器１２の圧力（ＭＰａ）、Ｄは１個あたりの低圧蓄圧器１２の容量（ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

図３（ｂ）に示す例において、停止処理期間に製造される水素量Ａ（図３（ｂ）中、ハッチングで示す）は、（３００ｍ^３／ｈ＋９０ｍ^３／ｈ）／２×１ｈ＝１９５ｍ^３となる。また、低圧蓄圧器１２の上限圧力Ｐｍａｘを４０ＭＰａ、停止処理を開始するトリガとなる低圧蓄圧器１２の圧力Ｐｔｈ１を３７ＭＰａ、容量Ｄを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数ｚを１．２とし、式（１）を用いて、停止処理期間に製造される水素量を貯留するために必要な低圧蓄圧器１２の個数Ｘを算出すると、２６．０個となる。

一方、水素製造装置２１０が停止状態になってから水素ステーション１００に燃料電池自動車が多数訪れ、低圧蓄圧器１２に貯留された水素が減少して、低圧蓄圧器１２に貯留されている水素が所定量（所定圧力、例えば３７ＭＰａ）を下回ると、制御部２９０は、水素製造装置２１０を制御して開始処理を遂行させる。

上述したように、水素製造装置２１０は、停止状態（アイドリング状態）であっても、出力３０％で水素（９０ｍ^３／ｈ）を常時製造している。したがって、水素製造装置２１０の停止状態から開始処理を開始すると、水素製造装置２１０自体での水素の燃焼を停止し、直ちに、９０ｍ^３／ｈで水素の出力を開始することとなる。

開始処理を開始する場合、図３（ｃ）に示すように、水素製造装置２１０は、水素の製造速度を９０ｍ^３／ｈから徐々に上げていき、最終的に３００ｍ^３／ｈとして出力１００％の運転に移行することとなる。なお、ここでは、開始処理に１時間を要するものとする。このように、開始処理期間（開始処理を開始してから出力１００％の運転に達するまで）において水素が製造されることになるが、出力１００％の運転と比較して、単位時間当たりの製造量が少ないため、当該水素ステーション１００における最大供給能力（３００ｍ^３／ｈ）での水素供給が必要となる場合に、水素製造装置２１０が開始処理中に製造した水素をすべて燃料電池自動車に供給するとしても、最大供給能力に相当する水素を供給できなくなる。

したがって、燃料電池自動車への水素の供給を安定的に行うために、開始処理期間において製造される水素の量と、燃料電池自動車に供給される水素量との差分だけ低圧蓄圧器１２に常時貯留しておく必要がある。かかる差分を貯留するための低圧蓄圧器１２の個数Ｙは下記式（２）を用いて算出することができる。
Ｙ＝Ｂ／｛（Ｐｔｈ２−Ｐｍｉｎ）×１０×Ｄ／ｚ｝…式（２）
ここで、Ｂは開始処理期間に製造される水素量と燃料電池自動車に供給される水素量との差分（ｍ^３）、Ｐｍｉｎは低圧蓄圧器１２の下限圧力（ＭＰａ）、すなわち、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値、Ｐｔｈ２は開始処理の遂行を開始するトリガとなる低圧蓄圧器１２の圧力（ＭＰａ）、Ｄは１個あたりの低圧蓄圧器１２の容量（ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

図３（ｃ）に示す例において、開始処理期間に製造される水素量と燃料電池自動車に供給される水素量の予想される最大量との差分Ｂ（図３（ｃ）中、ハッチングで示す）は、｛３００ｍ^３／ｈ−（３００ｍ^３／ｈ＋９０ｍ^３／ｈ）／２｝×１ｈ＝１０５ｍ^３となる。また、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値Ｐｍｉｎを３３ＭＰａ、開始処理の遂行を開始するトリガとなる低圧蓄圧器１２の圧力Ｐｔｈ２をＰｔｈ１と実質的に等しい３７ＭＰａ、容量Ｄを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数ｚを１．２とし、式（２）を用いて、開始処理期間に不足する水素量を貯留するために必要な低圧蓄圧器１２の個数Ｙを算出すると、１０．５個となる。

以上の結果を勘案して、停止処理期間であっても、開始処理期間であっても低圧蓄圧器１２に水素を貯留できるように、低圧蓄圧器１２の個数は、ＸとＹとで個数の多い方（ここでは、Ｘ、すなわち２６個）に設定される。

また、Ｘ＝Ｙとなるように、上記Ｐｔｈ１、Ｐｔｈ２を設定すれば、低圧蓄圧器１２の個数を低減することができる。なお、上述したようにＰｔｈ１＝Ｐｔｈ２であるため、上記図３（ｂ）、（ｃ）の例では、Ｐｔｈ１＝Ｐｔｈ２＝３５．４５ＭＰａとなり、低圧蓄圧器１２の個数は１７．２個となる。

このように、低圧蓄圧器１２の個数は、２６．０個、または、１７．２個（１８個）となるが、低圧蓄圧器１２に要するコストを削減するために、低圧蓄圧器１２の個数の低減が希求されている。

そこで、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０は、可変圧蓄圧器２７０を備える。上述したように可変圧蓄圧器２７０は、制御部２９０の制御指令に応じて、停止処理が遂行される場合に、低圧圧縮機２３０によって昇圧された水素を貯留する。また、停止処理中および停止状態において、制御部２９０は可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素を払い出して、低圧圧縮機２３０で昇圧する。以下、制御部２９０による高圧水素製造システム１１０の運転処理について詳述する。

（通常運転時の高圧水素製造システム１１０の運転処理）
図４は、通常運転時および開始処理時の高圧水素製造システム１１０の運転処理を説明するための図である。なお、図４中、水素の流れを実線の矢印で示す。図４に示すように、通常運転時において、制御部２９０は、バルブＶ１を閉状態に維持するとともに、バルブＶ２、Ｖ３を開状態に維持し、水素製造装置２１０に通常運転させて、低圧圧縮機２３０、高圧圧縮機２５０を駆動させる。

そうすると、水素製造装置２１０によって製造された水素は、低圧圧縮機２３０で昇圧され、低圧蓄圧器２４０に貯留され、高圧圧縮機２５０で昇圧され、高圧蓄圧器２６０に貯留されることとなる。

（停止処理を遂行する際の高圧水素製造システム１１０の運転処理）
図５は、停止処理時の高圧水素製造システム１１０の運転処理を説明するための図である。なお、図５中、水素の流れを実線の矢印で示す。高圧水素製造システム１１０が通常運転中であり、圧力測定部２８０が測定した低圧蓄圧器２４０の圧力が、第１閾値（例えば、３７ＭＰａ）を上回ると、制御部２９０は、水素製造装置２１０を制御して停止処理を開始する。

そして、圧力測定部２８０が測定した低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値より大きい第２閾値（例えば、４０ＭＰａ）以上になると、制御部２９０は、図５（ａ）に示すように、バルブＶ２、Ｖ３を閉じるとともに、バルブＶ１を開いて、水素製造装置２１０によって製造された水素を低圧圧縮機２３０に払い出し、低圧圧縮機２３０で水素を昇圧して、可変圧蓄圧器２７０に貯留させる。

停止処理中に低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値未満になると、図５（ｂ）に示すように、制御部２９０はバルブＶ１を閉じ、バルブＶ２、Ｖ３を開き、可変圧蓄圧器２７０から低圧圧縮機２３０に水素を払い出し、低圧圧縮機２３０で昇圧して低圧蓄圧器２４０に貯留する。一方、圧力測定部２８０が測定した低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値以上になると、制御部２９０は、バルブＶ２、Ｖ３を閉じ、バルブＶ１を開く（図５（ａ）参照）。

水素製造装置２１０の停止処理が完了すると、水素製造装置２１０は停止状態になる。

停止状態で低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値未満になると、図５（ｃ）に示すように、制御部２９０は、バルブＶ１を閉じ、バルブＶ２、Ｖ３を開き、可変圧蓄圧器２７０から低圧圧縮機２３０に水素を払い出し、低圧圧縮機２３０で昇圧して低圧蓄圧器２４０に貯留する。一方、圧力測定部２８０が測定した低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値以上になると、制御部２９０は、バルブＶ２、Ｖ３を閉じ、バルブＶ１を開く。

（開始処理を遂行する際の高圧水素製造システム１１０の運転処理）
上記停止処理が遂行され、高圧水素製造システム１１０が停止状態となり、この間に燃料電池自動車への水素の供給が行われ、圧力測定部２８０が測定した低圧蓄圧器２４０の圧力が、第１閾値（例えば、３７ＭＰａ）未満になると、水素製造装置２１０を制御して開始処理を遂行し、水素製造装置２１０によって製造された水素を低圧圧縮機２３０に払い出し、低圧圧縮機２３０で水素を昇圧して、低圧蓄圧器２４０に貯留させる（図４参照）。

以上説明したように、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０によれば、低圧蓄圧器２４０の個数を、開始処理期間に不足する水素量を貯留するために必要な個数（例えば、１１個）としておき、停止処理期間で余剰する分を可変圧蓄圧器２７０に貯留する。

また、開始処理を遂行する前に、まず、可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素を払い出し、低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値未満になると、開始処理の実行を開始する。開始処理を遂行する前に、可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素を払い出すことにより、可変圧蓄圧器２７０の圧力を目標値Ｐｓｕｃまで低減することができる。つまり、可変圧蓄圧器２７０の下限圧力を目標値Ｐｓｕｃとすることが可能となる。

ここで、低圧圧縮機２３０はサクションタンク２２０の水素を昇圧するため、低圧圧縮機２３０が制御するサクションタンク２２０の目標値Ｐｓｕｃは、低圧圧縮機２３０の入口の圧力の下限値に基づいて決定されることとなる。

一方、高圧圧縮機２５０は低圧蓄圧器２４０に貯留された水素を昇圧するため、低圧蓄圧器２４０の下限圧力は、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値に基づいて決定されることとなる。

低圧圧縮機２３０の入口の圧力の下限値は、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値よりも小さいため、低圧蓄圧器２４０と比較して、可変圧蓄圧器２７０の下限圧力を小さくすることができる。蓄圧器に貯留可能な水素の量は、容量が等しい場合、上限圧力と下限圧力との差に依存する。したがって、可変圧蓄圧器２７０は、低圧蓄圧器２４０と比較して、多量の水素を貯留することができることとなる。

つまり、停止処理の遂行中に水素を充填するにあたって、可変圧蓄圧器２７０の当初の圧力（下限圧力）が低圧蓄圧器２４０の下限圧力よりも小さいため、比較例のように既に圧力が高い低圧蓄圧器１２に貯留するよりも、可変圧蓄圧器２７０に多量に水素を貯留することが可能となる。したがって、可変圧蓄圧器２７０を備える構成により、比較例の低圧蓄圧器１２と比較して少ない容量（個数）で、停止処理期間において生じた水素を貯留することが可能となる。したがって、蓄圧器に要するコストを削減することができ、水素ステーション１００のコストを低減することが可能となる。また、蓄圧器の個数を低減できるため、水素ステーション１００の敷地面積を小さくすることができる。

（高圧水素製造システム１１０における低圧蓄圧器２４０、可変圧蓄圧器２７０の個数）
続いて、高圧水素製造システム１１０における低圧蓄圧器２４０、可変圧蓄圧器２７０の個数について説明する。

上述したように、開始処理を遂行する場合には、少なくとも低圧蓄圧器２４０が１０．５個（１１個）必要となる。したがって、低圧蓄圧器２４０の個数を１１個とする。

そして、低圧蓄圧器２４０の個数が１１個であるとして、停止処理期間に製造される水素量を貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数を算出する。具体的に説明すると、まず、１１個の低圧蓄圧器２４０で貯留できる水素量Ｌｈ（ｍ^３）を、下記式（３）に基づいて算出する。
Ｌｈ＝｛（Ｐｍａｘ−Ｐｔｈ１）×１０×Ｄ／ｚ｝×Ｃ…式（３）
ここで、Ｐｍａｘは低圧蓄圧器２４０の上限圧力（ＭＰａ）、Ｐｔｈ１は停止処理を開始するトリガとなる低圧蓄圧器２４０の圧力（ＭＰａ）、Ｄは１個あたりの低圧蓄圧器２４０の容量（ｍ^３）、Ｃは低圧蓄圧器２４０の個数（ここでは、１１個）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

低圧蓄圧器２４０の上限圧力Ｐｍａｘを４０ＭＰａ、停止処理を開始するトリガとなる低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｔｈ１を３７ＭＰａ、容量Ｄを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数ｚを１．２とし、式（３）を用いて、１１個の低圧蓄圧器２４０で貯留できる水素量Ｌｈ（ｍ^３）を算出すると、８２．５ｍ^３となる。

そして、停止処理期間に製造される水素量（１９５ｍ^３）と、水素量Ｌｈ（８２．５ｍ^３）の差分（１１２．５ｍ^３）を可変圧蓄圧器２７０に貯留する場合、かかる差分を貯留するための可変圧蓄圧器２７０の個数Ｍは下記式（４）を用いて算出することができる。
Ｍ＝Ｅ／｛（Ｑｍａｘ−Ｑｍｉｎ）×１０×Ｆ／ｚ｝…式（４）
ここで、Ｅは、停止処理期間に製造される水素量（ｍ^３）と、水素量Ｌｈ（ｍ^３）の差分（ｍ^３）、Ｑｍａｘは可変圧蓄圧器２７０の上限圧力（ＭＰａ）、Ｑｍｉｎは可変圧蓄圧器２７０の下限圧力（ＭＰａ）、Ｆは１個あたりの可変圧蓄圧器２７０の容量（ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

停止処理期間に製造される水素量（ｍ^３）と、水素量Ｌｈ（ｍ^３）の差分Ｅを１１２．５ｍ^３、可変圧蓄圧器２７０の上限圧力Ｑｍａｘを４０ＭＰａ、可変圧蓄圧器２７０の下限圧力ＱｍｉｎをＰｓｕｃ（０．５５ＭＰａ）、容量Ｆを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数を１．２とし、式（４）を用いて、差分Ｅを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｍを算出すると、約１．１個（２個）となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる水素ステーション１００によれば、高圧圧縮機２５０の上流に配される蓄圧器を１３個（１１個＋２個）にすることができる。これにより、比較例の蓄圧器と比較して、蓄圧器を半減、または、比較例より５個削減することが可能となる。

また、水素ステーション１００において、減圧弁Ｖ４の減圧圧力をサクションタンク２２０の目標値Ｐｓｕｃよりも高い圧力に設定するとよい。これにより、停止状態において低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値未満になると、可変圧蓄圧器２７０の水素圧力が目標値Ｐｓｕｃになるまで払い出されるため、水素製造装置２１０が次に開始処理を行い、通常運転に移行し、停止処理を行う際に、可変圧蓄圧器２７０の水素貯蔵量を設計通りに確保することができる。

（高圧水素製造システム１１０の運転方法）
続いて、上記高圧水素製造システム１１０の運転方法について説明する。図６は、水素製造装置２１０の制御の流れを説明するためのフローチャートであり、図７は、低圧圧縮機２３０の制御の流れを説明するためのフローチャートであり、図８は、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の制御の流れを説明するためのフローチャートである。

（水素製造装置２１０の駆動制御）
図６に示すように、まず、制御部２９０は、低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値と等しいか否かを判定する（Ｓ３１０）。低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値と等しいと判定すると（Ｓ３１０におけるＹＥＳ）、制御部２９０は、水素製造装置２１０の現在のロードをキープ（維持）する（Ｓ３１２）。

一方、低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値と等しくない場合（Ｓ３１０におけるＮＯ）、制御部２９０は、低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値を上回る圧力であるか否かを判定する（Ｓ３１４）。低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値を上回る圧力であると判定すると（Ｓ３１４におけるＹＥＳ）、水素製造装置２１０による水素の製造を停止する停止処理（ロードダウン）を開始する（Ｓ３１６）。一方、低圧蓄圧器２４０の圧力が第１閾値を上回る圧力でない、すなわち、第１閾値未満であると判定すると（Ｓ３１４におけるＮＯ）、水素製造装置２１０による水素の製造を開始する開始処理（ロードアップ）の遂行を開始する（Ｓ３１８）。

（低圧圧縮機２３０の駆動制御）
図７に示すように、まず、制御部２９０は、サクションタンク２２０の圧力が目標値Ｐｓｕｃと等しいか否かを判定する（Ｓ４１０）。サクションタンク２２０の圧力が目標値Ｐｓｕｃと等しいと判定すると（Ｓ４１０におけるＹＥＳ）、制御部２９０は、低圧圧縮機２３０をロード（吸込・吐出量）キープする（Ｓ４１２）。

一方、サクションタンク２２０の圧力が目標値Ｐｓｕｃと等しくない場合（Ｓ４１０におけるＮＯ）、制御部２９０は、サクションタンク２２０の圧力が目標値Ｐｓｕｃを上回る圧力であるか否かを判定する（Ｓ４１４）。サクションタンク２２０の圧力が目標値Ｐｓｕｃを上回る圧力であると判定すると（Ｓ４１４におけるＹＥＳ）、低圧圧縮機２３０をロードアップする（Ｓ４１６）。一方、サクションタンク２２０の圧力が目標値Ｐｓｕｃを上回る圧力でない、すなわち、目標値Ｐｓｕｃ未満であると判定すると（Ｓ４１４におけるＮＯ）、低圧圧縮機２３０をロードダウンする（Ｓ４１８）。

（バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御）
図８に示すように、まず、制御部２９０は、低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値以上になったか否かを判定する（Ｓ５１０）。低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値以上になったと判定すると（Ｓ５１０におけるＹＥＳ）、制御部２９０はバルブＶ１を開き、バルブＶ２、Ｖ３を閉じる（Ｓ５１２）。一方、低圧蓄圧器２４０の圧力が第２閾値未満になったと判定すると（Ｓ５１０におけるＮＯ）バルブＶ１を閉じ、バルブＶ２、Ｖ３を開く（Ｓ５１４）。

以上説明したように、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０、および、高圧水素製造システム１１０の運転方法によれば、蓄圧器の個数を低減することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、水素分離膜やＰＳＡを含んで構成される水素製造装置２１０を例に挙げて説明した。しかし、水素製造装置２１０の水素製造技術に限定はなく、既存の様々な技術を利用することができる。

また、上記実施形態において、第１閾値を３７ＭＰａとして説明したが、第１閾値を、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値（許容できる下限値）に基づいて決定すれば、数値に限定はない。

また、上記実施形態において、第２閾値を４０ＭＰａとして説明したが、第２閾値を、低圧蓄圧器２４０の耐圧の上限値に基づいて決定すれば、数値に限定はない。例えば、低圧蓄圧器２４０の耐圧の上限値が４０ＭＰａである場合、第２閾値を３９．５ＭＰａとしてもよい。

また、上記実施形態において、高圧水素製造システム１１０が低圧圧縮機２３０と高圧圧縮機２５０を備える構成について説明した。しかし、高圧圧縮機の性能によっては、圧縮機を１つとすることもできる（例えば、入口圧力が、水素製造装置２１０の送出圧力であっても８２ＭＰａまで昇圧できる高圧圧縮機）。この場合、高圧水素製造システムが、水素製造装置２１０と、サクションタンク２２０と、水素製造装置２１０の送出圧力であっても８２ＭＰａまで昇圧できる高圧圧縮機と、高圧蓄圧器２６０と、可変圧蓄圧器２７０と、圧力測定部２８０と、制御部２９０と、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３と、減圧弁Ｖ４を備える構成とすることにより、蓄圧器の個数を低減することができる。

また、上記実施形態において、減圧弁Ｖ４は、下流圧を機械的に一定に保つバネ式の減圧弁であってもよいし、下流圧を一定に保つ電子式の制御弁であってもよい。

また、上記実施形態において、低圧圧縮機２３０の圧力が第１閾値になった場合、制御部２９０は、水素製造装置２１０の現在のロードをキープするロードキープ処理を遂行しているが、低圧圧縮機２３０の圧力が第１閾値になった場合、制御部２９０は、停止処理を遂行してもよいし、開始処理を遂行してもよい。

本発明は、水素を製造して燃料電池自動車等の供給先に供給する高圧水素製造システム、および、高圧水素製造システムの運転方法に利用することができる。

１１０ 高圧水素製造システム
２１０ 水素製造装置
２３０ 低圧圧縮機（第１の圧縮機）
２４０ 低圧蓄圧器（第１の蓄圧器）
２５０ 高圧圧縮機（第２の圧縮機）
２６０ 高圧蓄圧器（第３の蓄圧器）
２７０ 可変圧蓄圧器（第２の蓄圧器）
２９０ 制御部

Claims (7)

1. 水素を製造する水素製造装置と、
   前記水素製造装置によって製造された水素を昇圧する第１の圧縮機と、
   前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器と、
   前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値を上回ると、前記水素製造装置を制御して該水素製造装置による水素の製造を停止する停止処理を開始し、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値より大きい第２閾値以上になると、該水素製造装置によって製造された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする高圧水素製造システム。
2. 前記制御部は、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になると、前記第２の蓄圧器に貯留された水素を、前記第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させ、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値未満になると、前記水素製造装置を制御して該水素製造装置による水素の製造を開始する開始処理を遂行し、該水素製造装置によって製造された水素を、該第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させることを特徴とする請求項１に記載の高圧水素製造システム。
3. 前記制御部は、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値になると、前記水素製造装置の現在のロードをキープするロードキープ処理、前記停止処理、前記開始処理の群から選択された１の処理を遂行することを特徴とする請求項２に記載の高圧水素製造システム。
4. 前記第１の蓄圧器に貯留された水素を昇圧する第２の圧縮機と、
   前記第２の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第３の蓄圧器と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高圧水素製造システム。
5. 水素を製造する水素製造装置と、該水素製造装置によって製造された水素を昇圧する第１の圧縮機と、該第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器とを備えた高圧水素製造システムの運転方法であって、
   前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値を上回ったか否かを判定し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値を上回ったと判定すると、前記水素製造装置による水素の製造を停止する停止処理を開始し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値より大きい第２閾値以上になったか否かを判定し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第２閾値以上になったと判定すると、前記水素製造装置によって製造された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留することを特徴とする高圧水素製造システムの運転方法。
6. 前記第１の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になったと判定すると、前記第２の蓄圧器に貯留された水素を、前記第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満になったか否かを判定し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満になったと判定すると、前記水素製造装置による水素の製造を開始する開始処理を遂行し、
   前記水素製造装置によって製造された水素を、前記第１の圧縮機によって昇圧させて、前記第１の蓄圧器に貯留することを特徴とする請求項５に記載の高圧水素製造システムの運転方法。
7. 前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値になったか否かを判定し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値になったと判定すると、前記水素製造装置の現在のロードをキープするロードキープ処理、前記停止処理、前記開始処理の群から選択された１の処理を遂行することを特徴とする請求項６に記載の高圧水素製造システムの運転方法。

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