JP2016109175A - 高圧ガス蓄圧システム及び高圧ガス蓄圧方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄圧開始直後の高圧段圧縮機の負荷を低減することが可能な高圧ガス蓄圧システムを提供する。【解決手段】ガス供給源２と、蓄圧器３と、供給用ガスラインＬ１と、供給用ガスラインＬ１に設けられた低圧段圧縮機４と、低圧段圧縮機４の二次側に設けられた高圧段圧縮機５と、第１駆動用ガスを低圧段圧縮機４に供給する第１駆動用ガスラインＬ２と、第２駆動用ガスを高圧段圧縮機５に供給する第２駆動用ガスラインＬ３と、第１駆動用ガスラインＬ２と第２駆動用ガスラインＬ３とが連通するように設けられたバイパスラインＬ４と、第２駆動用ガスラインＬ３に設けられた第１開閉弁７と、バイパスラインＬ４に設けられた第２開閉弁８と、を備え、第２駆動用ガスの供給圧力が、第１駆動用ガスの供給圧力よりも低いことを特徴とする高圧ガス蓄圧システム１を選択する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス駆動式の圧縮機を用いて、蓄圧器に高圧ガスを蓄圧するシステム及び方法に関するものである。

水素自動車に水素ガスを充填するための装置として、例えば特許文献１には、水素充填装置が開示されている。具体的には、特許文献１に開示された水素充填装置は、水素ガス供給源、圧縮機及び蓄圧器から構成され、水素ガス供給源から送られてくる水素ガスを圧縮機で昇圧し、蓄圧器に蓄圧する。そして、蓄圧器に蓄圧された水素ガスを水素自動車に充填する。

ところで、水素自動車の走行距離を延ばすためには、より高い圧力で水素ガスを充填する必要がある。そのため、蓄圧器に高圧な水素ガスを蓄圧する技術が求められている。例えば特許文献２には、低圧段圧縮機と高圧段圧縮機の２つの圧縮機を直列に設けることで、水素ガス供給源から送られてくる水素ガスを二段階で昇圧することにより、従来よりも高い圧力で水素ガスを蓄圧する方法が開示されている。

特開２０１３−１３０２１８号公報 特開２０１４−８８９４１号公報

ところで、水素ガスの圧縮に用いられる圧縮機としては、発火のおそれのない、ガス駆動式ブースターポンプを用いるのが一般的である。ガスの圧縮機としてガス駆動式ブースターポンプを用いた場合、駆動用ガスと圧縮されるガスとの圧力の差が、直接的に運転速度に影響を与える。つまり、駆動用ガスの供給圧力が低いほど、圧縮機の運転速度は遅く、逆に、駆動用ガスの圧力が高いほど、圧縮機の運転速度は速くなる。また、駆動用ガスの圧力が一定の場合は、圧縮されるガスの吐出側の圧力が低いほど、運転速度が速くなる傾向がある。

従来の水素ガスの蓄圧システムでは、蓄圧器の圧力（つまり、吐出側の圧力）によらず、ガス駆動式ブースターポンプには定格圧力の駆動用ガスが常に一定の圧力で供給されていた。そのため、蓄圧開始直後で蓄圧器の圧力が低い状態では、ガス駆動式ブースターポンプは高速運転となっていた。特に、低圧段及び高圧段の二段の圧縮機で蓄圧する場合において、高圧段のガス駆動式ブースターポンプは過度の高速運転となり、頻繁に故障し、短期間での本体の交換やメンテナンスが必要になるといった課題があった。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、蓄圧開始直後の高圧段圧縮機の負荷を低減することが可能な高圧ガス蓄圧システム及び高圧ガス蓄圧方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、供給用ガスが充填されたガス供給源と、昇圧された前記供給用ガスを蓄える蓄圧器と、前記ガス供給源と前記蓄圧器との間に設けられた供給用ガスラインと、前記供給用ガスラインに設けられ、前記供給用ガスを所定の圧力まで昇圧する低圧段圧縮機と、前記供給用ガスラインの前記低圧段圧縮機の二次側に設けられ、所定の圧力まで昇圧された前記供給用ガスをさらに高い圧力まで昇圧する高圧段圧縮機と、第１駆動用ガスを前記低圧段圧縮機に供給する第１駆動用ガスラインと、第２駆動用ガスを前記高圧段圧縮機に供給する第２駆動用ガスラインと、を備え、前記ガス供給源から供給される前記供給用ガスを昇圧して、高圧の前記供給用ガスを前記蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧システムであって、前記第１駆動用ガスラインと前記第２駆動用ガスラインとが連通するように設けられたバイパスラインと、前記第２駆動用ガスラインに設けられた第１開閉弁と、前記バイパスラインに設けられた第２開閉弁と、を備え、前記第２駆動用ガスの供給圧力が、前記第１駆動用ガスの供給圧力よりも低いことを特徴とする高圧ガス蓄圧システムが提供される。

また、請求項２に係る発明によれば、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開閉を制御するための制御部と、前記蓄圧器に蓄圧されたガスの圧力を測定するための圧力測定器と、を備え、前記制御部は、前記圧力測定器が測定した圧力を基に、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開閉を制御することを特徴とする請求項１記載の高圧ガス蓄圧システムが提供される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記供給用ガスが、水素ガスであることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の高圧ガス蓄圧システムが提供される。

また、請求項４に係る発明によれば、前記低圧段圧縮機及び前記高圧段圧縮機が、ガス駆動式ブースターポンプであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の高圧ガス蓄圧システムが提供される。

また、請求項５に係る発明によれば、ガス供給源から供給される供給用ガスを低圧段圧縮機によって所定の圧力まで昇圧した後、高圧段圧縮機によってさらに高い圧力まで昇圧して蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧方法であって、蓄圧の開始から、前記蓄圧器内の圧力値が第１の閾値となるまで、前記高圧段圧縮機への駆動用ガスの供給を停止する第１工程と、前記蓄圧器内の圧力値が前記第１の閾値となった後、第２の閾値となるまで、前記低圧段圧縮機へ供給する駆動用ガスよりも低い圧力の駆動用ガスを、前記高圧段圧縮機へ供給する第２工程と、前記蓄圧器内の圧力値が前記第２の閾値となった後、蓄圧の完了まで、前記低圧段圧縮機へ供給する駆動用ガスと等しい圧力の駆動用ガスを、前記高圧段圧縮機へ供給する第３工程と、を含むことを特徴とする高圧ガス蓄圧方法が提供される。

また、請求項６に係る発明によれば、ガス供給源から供給される供給用ガスを昇圧して、高圧の前記供給用ガスを蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧システムであって、前記供給用ガスが充填された前記ガス供給源と、昇圧された前記供給用ガスを蓄える前記蓄圧器と、前記ガス供給源と前記蓄圧器との間に設けられた供給用ガスラインと、前記供給用ガスラインに設けられ、前記供給用ガスを所定の圧力まで昇圧する低圧段圧縮機と、前記供給用ガスラインの前記低圧段圧縮機の二次側に設けられ、所定の圧力まで昇圧された前記供給用ガスをさらに高い圧力まで昇圧する高圧段圧縮機と、第１駆動用ガスを前記低圧段圧縮機に供給する第１駆動用ガスラインと、前記第１駆動用ガスの供給圧力よりも低い供給圧力の第２駆動用ガスを前記高圧段圧縮機に供給する第２駆動用ガスラインと、前記第１駆動用ガスラインと前記第２駆動用ガスラインとが連通するように設けられたバイパスラインと、前記第２駆動用ガスラインに設けられた第１開閉弁と、前記バイパスラインに設けられた第２開閉弁と、を備え、前記ガス供給源から供給される前記供給用ガスを昇圧して、高圧の前記供給用ガスを前記蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧システムの運転方法であって、蓄圧の開始から、前記蓄圧器内の圧力値が第１の閾値となるまで、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を閉状態とする第１工程と、前記蓄圧器内の圧力値が前記第１の閾値となった後、第２の閾値となるまで、前記第１開閉弁を開状態とし、前記第２開閉弁を閉状態とする第２工程と、前記蓄圧器内の圧力値が前記第２の閾値となった後、蓄圧の完了まで、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開状態とする第３工程と、を含むことを特徴とする高圧ガス蓄圧システムの運転方法が提供される。

本発明の高圧ガス蓄圧システムによれば、低圧段圧縮機に第１駆動用ガスを供給する第１駆動用ガスラインと、第１駆動用ガスよりも供給圧力が低い第２駆動用ガスを高圧段圧縮機に供給する第２駆動用ガスラインと、が連通するように設けられたバイパスラインと、第２駆動用ガスラインに設けられた第１開閉弁と、バイパスラインに設けられた第２開閉弁と、を備える構成となっており、第１及び第２開閉弁の開閉状態を選択することにより、高圧段圧縮機に供給する駆動用ガスの圧力を制御することができるため、蓄圧器内の圧力が低い蓄圧開始直後の高圧段圧縮機の負荷を低減することができる。したがって、高圧段圧縮機のメンテナンス頻度を低減することができるとともに、高圧段圧縮機の短期間での交換を抑制することができる。さらに、本発明で用いる第１開閉弁及び第２開閉弁は小型のため、従来の蓄圧システムに容易に設置することができる。したがって、従来の蓄圧システムから容易に本発明の高圧ガス蓄圧システムを構築することができる。

本発明の高圧ガス蓄圧方法によれば、蓄圧の開始から蓄圧器内の圧力値が第１の閾値となるまで、高圧段圧縮機への駆動用ガスの供給を停止する第１工程と、蓄圧器内の圧力値が第１の閾値となった後第２の閾値となるまで、低圧段圧縮機へ供給する駆動用ガスよりも低い圧力の駆動用ガスを、高圧段圧縮機へ供給する第２工程と、蓄圧器内の圧力値が上記第２の閾値となった後蓄圧の完了まで、低圧段圧縮機へ供給する駆動用ガスと等しい圧力の駆動用ガスを、高圧段圧縮機へ供給する第３工程と、を含む構成となっており、蓄圧器内の圧力が低いときは第１工程または第２工程による低速運転を行うことができるため、高圧段圧縮機の負荷を低減することができる。したがって、高圧段圧縮機のメンテナンス頻度を低減することができるとともに、高圧段圧縮機の短期間での交換を抑制することができる。

本発明を適用した一実施形態である高圧ガス蓄圧システムの構成を示す系統図である。 本発明を適用した一実施形態である高圧ガス蓄圧システムの蓄圧方法を説明するための図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である高圧ガス蓄圧システムについて、その運転方法（高圧ガス蓄圧方法）とともに、図面を用いて詳細に説明する。

なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本発明を適用した一実施形態である高圧ガス蓄圧システムの構成について説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である高圧ガス蓄圧システムの構成を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態の高圧ガス蓄圧システム１は、水素ガス供給源（ガス供給源）２と、蓄圧器３と、供給用ガスラインＬ１と、低圧段圧縮機４と、高圧段圧縮機５と、駆動用ガス供給源６と、第１駆動用ガスラインＬ２と、第２駆動用ガスラインＬ３と、第１開閉弁７と、バイパスラインＬ４と、第２開閉弁８と、圧力測定器９と、制御部１０とを備えて概略構成されている。

本実施形態の高圧ガス蓄圧システム１は、水素ガス供給源２から供給される水素ガス（供給用ガス）を低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５を用いて昇圧し、蓄圧器３内に充填するためのシステムである。

なお、高圧ガス蓄圧システム１において、水素ガス供給源２、駆動用ガス供給源６及び第３駆動用ガスラインＬ５の一部を除く、機器及びガスラインは、水素防爆エリアＡ内に設置されている。

水素ガス供給源２は、蓄圧器３に供給するための水素ガスの供給源である。水素ガス供給源２としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、水素ガスが充填されたカードルやチューブトレーラ等を用いることができる。

蓄圧器３は、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５で昇圧された水素ガスを蓄えるための容器である。蓄圧器３の材質は、例えば、Ｃ−ＦＲＰ容器、鋼製容器（ＡＳＭＥ ＳＡ−７２３Ｍ）等であり、サイズは例えば、２００Ｌ、２５０Ｌ、３００Ｌ等であり、約１００ＭＰａＧ程度まで蓄圧可能である。蓄圧器３としては、特に限定されるものではないが、例えば、大型のボンベやカードル等を用いることができる。

供給用ガスラインＬ１は、水素ガスを供給するために水素ガス供給源２と蓄圧器３との間に設けられた配管であり、一端が水素ガス供給源２と着脱自在に接続され、他端は蓄圧器３と接続されている。供給用ガスラインＬ１としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば金属配管やフレキチューブ等を用いることができる。また、供給用ガスラインＬ１の配管径としては、水素ガスを十分に供給できるものであれば、特に限定されるものではなく、より細い任意のサイズとしてもよい。

低圧段圧縮機４は、水素ガス供給源２から供給される水素ガスを所定の圧力（具体的には、例えば、２０〜５０ＭＰａＧ）まで昇圧するために、供給用ガスラインＬ１に設けられている。低圧段圧縮機４としては、水素ガスを所定の圧力にまで昇圧できるものであれば、特に限定されるものではない。ここで、本実施形態の高圧ガス蓄圧システム１では、供給用ガスとして水素ガスを用いるため、低圧段圧縮機４として発火のおそれがないガス駆動式ブースターポンプを用いることが好ましい。この低圧段圧縮機４により、所定の圧力に昇圧された水素ガスを後段に設けられた高圧段圧縮機５に供給することができる。

高圧段圧縮機５は、低圧段圧縮機４により所定の圧力まで昇圧された水素ガスを、さらに高い圧力（具体的には、例えば、５０〜１００ＭＰａＧ）まで昇圧するために用いられる。また、高圧段圧縮機５は、供給用ガスラインＬ１において、低圧段圧縮機４よりも二次側に設けられている。高圧段圧縮機５としては、水素ガスを所定の圧力にまで昇圧できるものであれば、特に限定されるものではない。ここで、本実施形態の高圧ガス蓄圧システム１では、供給用ガスとして水素ガスを用いるため、高圧段圧縮機５として発火のおそれがないガス駆動式ブースターポンプを用いることが好ましい。高圧段圧縮機５を低圧段圧縮機４と直列に接続して用いることで、圧縮能力が大きな圧縮機を用いることなく、容易により高圧に水素ガスの蓄圧をすることができる。

駆動用ガス供給源６は、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５に駆動用ガスを供給するための供給源である。駆動用ガスとしては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、窒素ガス、ドライエアー等を用いることができる。また、駆動用ガス供給源６としては、具体的には、例えば、大型のエアコンプレッサや、不活性ガスの液化ガス貯槽と蒸発器とを組み合わせたもの等を用いることができる。

第１駆動用ガスラインＬ２は、低圧段圧縮機４に駆動用ガスを供給するために、駆動用ガス供給源６と低圧段圧縮機４との間に設けられた配管である。具体的には、第１駆動用ガスラインＬ２は、一端が第３駆動用ガスラインＬ５を介して駆動用ガス供給源６と接続されており、他端が低圧段圧縮機４の駆動用ガス供給口（図示略）に接続されている。第１駆動用ガスラインＬ２としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、金属配管やフレキチューブ等を用いることができる。また、第１駆動用ガスラインＬ２の配管径としては、駆動用ガスを十分に供給できるものであれば、特に限定されるものではなく、より細い任意のサイズとしてもよい。

また、第１駆動用ガスラインＬ２には、駆動用ガスの供給圧力を制御するために第１圧力調整弁１１が設けられている。これにより、第１圧力調整弁１１の二次側の駆動用ガス（第１駆動用ガス）の供給圧力を、例えば０．７ＭＰａＧに制御することができる。したがって、駆動用ガス供給源６から低圧段圧縮機４に、０．７ＭＰａＧの駆動用ガスを供給することができる。第１圧力調整弁１１としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、減圧弁等を用いることができる。

第３駆動用ガスラインＬ５は、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５に駆動用ガスを供給するために、駆動用ガス供給源６と、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５との間に設けられた配管である。具体的には、第３駆動用ガスラインＬ５は、一端が駆動用ガス供給源６と着脱自在に接続されており、他端が第１駆動用ガスラインＬ２及び第２駆動用ガスラインＬ３それぞれと接続されている。これにより駆動用のガスを低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５のそれぞれに供給することができる。第３駆動用ガスラインＬ５としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、金属配管やフレキチューブ等を用いることができる。また、第３駆動用ガスラインＬ５の配管径としては、駆動用ガスを十分に供給できるものであれば、特に限定されるものではなく、より細い任意のサイズとしてもよい。

また、第３駆動用ガスラインＬ５には、駆動用ガスの供給を制御するために、駆動用ガス供給元弁１２が設けられている。これにより、蓄圧を開始するときは駆動用ガス供給元弁１２を開状態にして、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５への駆動用ガスの供給を開始し、蓄圧が完了したときは閉状態にして、駆動用ガスの供給を停止することができる。駆動用ガス供給元弁１２は、水素防爆仕様を満たすものであれば、特に限定されるものではなく、ガス駆動式の自動弁や他の方式の自動弁であってもよいし、手動弁であってもよい。具体的には、例えば、玉形弁、ボール弁等を用いることができる。

第２駆動用ガスラインＬ３は、高圧段圧縮機５に駆動用ガスを供給するために、駆動用ガス供給源６と高圧段圧縮機５との間に設けられた配管である。具体的には、第２駆動用ガスラインＬ３は、一端が第３駆動用ガスラインＬ５を介して駆動用ガス供給源６と接続されており、他端が高圧段圧縮機５の駆動用ガス供給口（図示略）に接続されている。第２駆動用ガスラインＬ３としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、金属配管やフレキチューブ等を用いることができる。また、第２駆動用ガスラインＬ３の配管径としては、駆動用ガスを十分に供給できるものであれば、特に限定されるものではなく、より細い任意のサイズとしてもよい。

また、第２駆動用ガスラインＬ３には、駆動用ガスの供給圧力を制御するために、第２圧力調整弁１３が設けられている。第２圧力調整弁１３により供給圧力を制御された駆動ガス（第２駆動用ガス）は、第１圧力調整弁１１により供給圧力を制御された駆動ガス（第１駆動用ガス）よりも、供給圧力が低くなるように制御されている。これにより、第２圧力調整弁１３の二次側の駆動用ガスの供給圧力が、例えば０．２ＭＰａＧに制御することができる。したがって、駆動用ガス供給源６から低圧段圧縮機４に、０．２ＭＰａＧの駆動用ガスを供給することができる。第２圧力調整弁１３としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、減圧弁等を用いることができる。

さらに、第２駆動用ガスラインＬ３において、第２圧力調整弁１３の二次側には、駆動用ガスの供給を制御するために、第１開閉弁７が設けられている。これにより、駆動用ガス供給元弁１２が開状態であっても、第１開閉弁７を閉状態にすることで、高圧段圧縮機５への駆動用ガスの供給を停止することができる。第１開閉弁７は、水素防爆仕様を満たすものであれば、特に限定されるものではなく、ガス駆動式の自動弁や他の方式の自動弁であってもよいし、手動弁であってもよい。具体的には、例えば、玉形弁、ボール弁等を用いることができる。なお、本実施形態の例に限らず、第１開閉弁７の位置は、第２駆動用ガスラインＬ３において、第２圧力調整弁１３の一次側でも良い。

バイパスラインＬ４は、第１駆動用ガスラインＬ２を流れる第１駆動ガスの一部を、第２駆動用ガスラインＬ３に流すために、第１駆動用ガスラインＬ２と第２駆動用ガスラインＬ３とが連通するように設けられた配管である。具体的には、バイパスラインＬ４の一端は、第１駆動用ガスラインＬ２において、第１圧力調整弁１１の二次側で接続しており、他端は、第２駆動用ガスラインＬ３において、第２圧力調整弁１３の二次側で接続している。バイパスラインＬ４としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、金属配管やフレキチューブ等を用いることができる。また、バイパスラインＬ４の配管径としては、駆動用ガスを十分に供給できるものであれば、特に限定されるものではなく、より細い任意のサイズとしてもよい。

また、バイパスラインＬ４には、駆動用ガスの供給を制御するために、第２開閉弁８が設けられている。第１駆動用ガスは、第２駆動用ガスよりも供給圧力が高くなるように制御されているため、第２開閉弁８を開状態にすることで、第１駆動用ガスの一部を、第２駆動用ガスラインＬ３に流すことができる。よって、第１開閉弁７と第２開閉弁８との両方が開状態のときは、高圧段圧縮機５に供給される駆動用ガスの供給圧力は第１駆動用ガスの供給圧力と同等になる。第２開閉弁８は、水素防爆仕様を満たすものであれば、特に限定されるものではなく、ガス駆動式の自動弁や他の方式の自動弁であってもよいし、手動弁であってもよい。具体的には、例えば、玉形弁、ボール弁等を用いることができる。

圧力測定器９は、蓄圧器３内部の水素ガスの圧力を測定するために、蓄圧器３に設けられている。圧力測定器９により得られた、測定値を制御部１０に送信することで、蓄圧器３の内部の水素ガスの圧力を基に、第１開閉弁７、第２開閉弁８及び駆動用ガス供給元弁１２の開閉を制御することができる。圧力測定器９としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、圧力トランスミッタ等を用いることができる。

制御部１０は、蓄圧器３の内部の水素ガスの圧力を基に、第１開閉弁７、第２開閉弁８及び駆動用ガス供給元弁１２の開閉を制御するために設けられる。制御部１０は、第１開閉弁７と信号線ｃ１を介して、第２開閉弁８と信号線ｃ２を介して、圧力測定器９と信号線ｃ３を介して、駆動用ガス供給元弁１２と信号線ｃ４を介して接続されている。圧力測定器９から圧力値を受信し、受信した圧力値に応じて第１開閉弁７、第２開閉弁８及び駆動用ガス供給元弁１２へ開閉信号を送信することで、各弁の開閉を制御する。これにより、高圧段圧縮機５に供給される駆動用ガスの供給圧力を３段階に制御し、蓄圧器３の内部圧力に応じて、段階的に運転状態を変えながら蓄圧することができる。制御部１０としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、シーケンサ、ＰＬＣ等を用いることができる。

次に、上述した高圧ガス蓄圧システム１を用いた、本実施形態の高圧ガス蓄圧システムの蓄圧方法（すなわち、高圧ガス蓄圧システム１の運転方法）を説明する。
本実施形態の高圧ガス蓄圧システム１の蓄圧方法（以下、単に「蓄圧方法」とする）は、水素ガス供給源２から供給される水素ガスを低圧段圧縮機４によって所定の圧力まで昇圧した後、高圧段圧縮機５によってさらに高い圧力まで昇圧して蓄圧器３に蓄える蓄圧方法であって、高圧段圧縮機５に供給される駆動用ガスを、第１開閉弁７及び第２開閉弁８の開閉を制御することにより、３工程に分けて蓄圧することを特徴とする。

より具体的には、蓄圧の開始から、蓄圧器３内の圧力値が第１の閾値となるまで、第１開閉弁７及び第２開閉弁８を閉状態とする第１工程と、蓄圧器３内の圧力値が第１の閾値となった後、第２の閾値となるまで、第１開閉弁７を開状態とし、第２開閉弁８を閉状態とする第２工程と、蓄圧器３内の圧力値が第２の閾値となった後、蓄圧の完了まで、第１開閉弁７及び第２開閉弁８を開状態とする第３工程とを含むことを特徴とする蓄圧方法である。

本実施形態の蓄圧方法を、図２を参照しながら説明する。ここで、図２の横軸は、時間（工程）の流れを示しており、縦軸は、上から蓄圧器３内の圧力、駆動用ガス供給元弁１２の開閉状態、第１開閉弁７の開閉状態、第２開閉弁８の開閉状態、高圧段圧縮機５の駆動用ガス供給圧力、高圧段圧縮機５の運転速度を示している。

なお、以下の説明では、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５として、どちらも定格の駆動用ガス圧力が０．７ＭＰａＧのガス駆動式ブースターポンプを用い、第１圧力調整弁１１により第１圧力調整弁１１の二次側を流れる駆動用ガス（第１駆動用ガス）の供給圧力は０．７ＭＰaＧに制御されており、第２圧力調整弁１３により第２圧力調整弁１３の二次側を流れる駆動用ガスの供給圧力（第２駆動用ガス）は、０．２ＭＰａＧに制御されている場合を一例として説明するが、これに限定されるものではない。

図２に示すように、先ず、時刻ｔ１になる前までは、第１開閉弁７、第２開閉弁８及び駆動用ガス供給元弁１２は全て閉じた状態である。この状態では、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５に駆動用ガスが供給されないため、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５は停止している。そのため、蓄圧は開始されず、蓄圧器３内の圧力は一定である。
また、本実施形態においては、第１開閉弁７および第２開閉弁８は共に閉状態としたが、時刻ｔ１になる前までにおいては、第１開閉弁７および第２開閉弁８はそれぞれ開閉どちらの状態でもよい。

次に、時刻ｔ１において、駆動用ガス供給元弁１２を開くことで、蓄圧が開始される。具体的には、制御部１０が駆動用ガス供給元弁１２に開信号を送ることで、駆動用ガス供給元弁１２が開かれる。これにより、低圧段圧縮機４に０．７ＭＰａＧの駆動用ガスが供給され、低圧段圧縮機４が水素ガスの昇圧を始め、蓄圧器３へ水素ガスの蓄圧が開始される。このとき、第１開閉弁７及び第２開閉弁８は全て閉じているため、高圧段圧縮機５には駆動用ガスが供給されず、高圧段圧縮機５は停止したままである（停止状態）。よって、低圧段圧縮機４のみの運転により蓄圧される。時刻ｔ２になる前まで、この状態で蓄圧が進み、時刻ｔ１から時刻ｔ２になる前までの工程を「第１工程」と定義する。

蓄圧が進み、時刻ｔ２において、蓄圧器３内の圧力が５０ＭＰａＧに達すると、第１開閉弁７が開かれ、高圧段圧縮機５の運転も開始される。具体的には、制御部１０が第１開閉弁７に開信号を送ることで、第１開閉弁７が開かれる。これにより、高圧段圧縮機５に０．２ＭＰａＧの駆動用ガスが供給されるため、高圧段圧縮機５は運転を開始する。しかしながら、定格の駆動用ガス圧力に比べると圧力が低いため、運転速度が抑えられてある（低速状態）。時刻ｔ３になる前まで、この状態で蓄圧が進み、時刻ｔ２から時刻ｔ３になる前までの工程を「第２工程」と定義する。

さらに蓄圧が進み、時刻ｔ３において、蓄圧器３の内部圧力が６０ＭＰａＧに達すると、第２開閉弁８が開かれ、高圧段圧縮機５の運転速度が定常速となる。具体的には、制御部１０が第２開閉弁８に開信号を送ることで、第２開閉弁８が開かれる。これにより、第１駆動用ガスの一部がバイパスラインＬ４を通り、第２駆動用ガスラインＬ３に流れ始める。これにより、高圧段圧縮機５に０．７ＭＰａＧの駆動用ガスが供給され、定常速で運転を始める（定常速状態）。時刻ｔ４になる前まで、この状態で蓄圧が進み、時刻ｔ３から時刻ｔ４になる前までの工程を「第３工程」と定義する。

時刻ｔ４において、蓄圧器３内の圧力が目標値（９３ＭＰａＧ：蓄圧器の常用圧力、ただし９３ＭＰａＧ限定ではない）に達すると、蓄圧が完了する。具体的には、制御部１０が第１開閉弁７、第２開閉弁８及び駆動用ガス供給元弁１２に閉信号を送り、全ての弁を閉じる。これにより、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５への駆動用ガスの供給が停止され、駆動用ガスの供給圧力はゼロとなるため、低圧段圧縮機４及び高圧段圧縮機５は運転を停止し、蓄圧が完了となる。これにより、蓄圧器３には、９３ＭＰａＧまで昇圧された水素ガスが蓄えられることとなる。
また、本実施形態においては、第１開閉弁７および第２開閉弁８は共に閉状態としたが、時刻ｔ４以降においては、第１開閉弁７および第２開閉弁８はそれぞれ開閉どちらの状態でもよい。

したがって、本実施形態の蓄圧方法により、９３ＭＰａＧまで昇圧された水素ガスを蓄圧器３に蓄えることができる。

以上説明したように、本実施形態の高圧ガス蓄圧システム１によれば、低圧段圧縮機４に第１駆動用ガスを供給する第１駆動用ガスラインＬ２と、第１駆動用ガスよりも供給圧力が低い第２駆動用ガスを高圧段圧縮機５に供給する第２駆動用ガスラインＬ３と、が連通するように設けられたバイパスラインＬ４と、第２駆動用ガスラインＬ３に設けられた第１開閉弁７と、バイパスラインＬ４に設けられた第２開閉弁８と、第３駆動用ガスラインＬ５に設けられた駆動用ガス供給元弁１２と、蓄圧器３に設けられた圧力測定器９と、制御部１０を備える構成となっており、制御部１０が、圧力測定器９により測定された蓄圧器３内の圧力を基に、第１開閉弁７、第２開閉弁８及び駆動用ガス供給元弁１２の開閉状態を制御することにより、高圧段圧縮機５に供給する駆動用ガスの供給圧力を制御することができるため、蓄圧器３内の圧力が低い蓄圧開始直後の高圧段圧縮機５の負荷を低減することができる。したがって、高圧段圧縮機５のメンテナンス頻度を低減することができるとともに、高圧段圧縮機５の短期間での交換を抑制することができる。

また、制御部１０について、圧力測定器９が測定した蓄圧器３内の圧力値を、蓄圧完了後であっても、定期的に受信するように設計をすれば、例えば、蓄圧器３内の圧力値がある閾値以下になったときに、自動的に駆動用ガス供給元弁１２を開くなどをして、蓄圧を自動で開始し、蓄圧器３内の圧力を常に一定以上に保つことも可能である。

さらに、本実施形態で用いる第１開閉弁７及び第２開閉弁８を、第１圧力調整弁１１及び第２圧力調整弁１３に比べて小型のものを選択することにより、従来の蓄圧システムに容易に設置することができる。したがって、従来の蓄圧システムから容易に本発明の高圧ガス蓄圧システムを構築することができる。

次に、本実施形態の高圧ガス蓄圧方法によれば、蓄圧の開始から蓄圧器３内の圧力値が５０ＭＰａＧとなるまで、高圧段圧縮機５への駆動用ガスの供給を停止させることにより、運転速度を「停止状態」にする第１工程と、蓄圧器３内の圧力値が５０ＭＰａＧとなった後から６０ＭＰａＧとなるまで、高圧段圧縮機５に０．２ＭＰａＧの駆動用ガスを供給することにより、高圧段圧縮機５の運転速度を「低速状態」にする第２工程と、蓄圧器３内の圧力値が６０ＭＰａＧとなった後から蓄圧の完了まで、高圧段圧縮機５に０．７ＭＰａＧの駆動用ガスを供給することにより、高圧段圧縮機５の運転速度を「定常速状態」にする第３工程と、を含む構成となっており、蓄圧開始直後は、高圧段圧縮機５の運転速度を「停止状態」にし、蓄圧が進んだら「低速状態」とすることで、過度な高速運転を防止し、高圧段圧縮機５の負荷を低減することができる。したがって、高圧段圧縮機５のメンテナンス頻度を低減することができるとともに、高圧段圧縮機５の短期間での交換を抑制することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、上述した実施形態では、供給用ガスとして水素ガスを用いた例を説明しているが、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、蓄圧器に蓄圧することができるガスであればどのようなガスであってもよい。

本発明の高圧ガス蓄圧システム及び高圧ガス蓄圧方法は、水素自動車用の水素ガスステーションへの利用可能性がある。

１…高圧ガス蓄圧システム
２…水素ガス供給源（ガス供給源）
３…蓄圧器
４…低圧段圧縮機
５…高圧段圧縮機
６…駆動用ガス供給源
７…第１開閉弁
８…第２開閉弁
９…圧力測定器
１０…制御部
１１…第１圧力調整弁
１２…駆動用ガス供給元弁
１３…第２圧力調整弁
Ｌ１…供給用ガスライン
Ｌ２…第１駆動用ガスライン
Ｌ３…第２駆動用ガスライン
Ｌ４…バイパスライン
Ｌ５…第３駆動用ガスライン
ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４…信号線
Ａ…水素防爆エリア

Claims (6)

1. 供給用ガスが充填されたガス供給源と、
   昇圧された前記供給用ガスを蓄える蓄圧器と、
   前記ガス供給源と前記蓄圧器との間に設けられた供給用ガスラインと、
   前記供給用ガスラインに設けられ、前記供給用ガスを所定の圧力まで昇圧する低圧段圧縮機と、
   前記供給用ガスラインの前記低圧段圧縮機の二次側に設けられ、所定の圧力まで昇圧された前記供給用ガスをさらに高い圧力まで昇圧する高圧段圧縮機と、
   第１駆動用ガスを前記低圧段圧縮機に供給する第１駆動用ガスラインと、
   第２駆動用ガスを前記高圧段圧縮機に供給する第２駆動用ガスラインと、を備え、
   前記ガス供給源から供給される前記供給用ガスを昇圧して、高圧の前記供給用ガスを前記蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧システムであって、
   前記第１駆動用ガスラインと前記第２駆動用ガスラインとが連通するように設けられたバイパスラインと、
   前記第２駆動用ガスラインに設けられた第１開閉弁と、
   前記バイパスラインに設けられた第２開閉弁と、を備え、
   前記第２駆動用ガスの供給圧力が、前記第１駆動用ガスの供給圧力よりも低いことを特徴とする高圧ガス蓄圧システム。
2. 前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開閉を制御するための制御部と、
   前記蓄圧器に蓄圧されたガスの圧力を測定するための圧力測定器と、を備え、
   前記制御部は、前記圧力測定器が測定した圧力を基に、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開閉を制御することを特徴とする請求項１記載の高圧ガス蓄圧システム。
3. 前記供給用ガスが、水素ガスであることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の高圧ガス蓄圧システム。
4. 前記低圧段圧縮機及び前記高圧段圧縮機が、ガス駆動式ブースターポンプであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の高圧ガス蓄圧システム。
5. ガス供給源から供給される供給用ガスを低圧段圧縮機によって所定の圧力まで昇圧した後、高圧段圧縮機によってさらに高い圧力まで昇圧して蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧方法であって、
   蓄圧の開始から、前記蓄圧器内の圧力値が第１の閾値となるまで、前記高圧段圧縮機への駆動用ガスの供給を停止する第１工程と、
   前記蓄圧器内の圧力値が前記第１の閾値となった後、第２の閾値となるまで、前記低圧段圧縮機へ供給する駆動用ガスよりも低い圧力の駆動用ガスを、前記高圧段圧縮機へ供給する第２工程と、
   前記蓄圧器内の圧力値が前記第２の閾値となった後、蓄圧の完了まで、前記低圧段圧縮機へ供給する駆動用ガスと等しい圧力の駆動用ガスを、前記高圧段圧縮機へ供給する第３工程と、を含むことを特徴とする高圧ガス蓄圧方法。
6. ガス供給源から供給される供給用ガスを昇圧して、高圧の前記供給用ガスを蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧システムであって、
   前記供給用ガスが充填された前記ガス供給源と、
   昇圧された前記供給用ガスを蓄える前記蓄圧器と、
   前記ガス供給源と前記蓄圧器との間に設けられた供給用ガスラインと、
   前記供給用ガスラインに設けられ、前記供給用ガスを所定の圧力まで昇圧する低圧段圧縮機と、
   前記供給用ガスラインの前記低圧段圧縮機の二次側に設けられ、所定の圧力まで昇圧された前記供給用ガスをさらに高い圧力まで昇圧する高圧段圧縮機と、
   第１駆動用ガスを前記低圧段圧縮機に供給する第１駆動用ガスラインと、
   前記第１駆動用ガスの供給圧力よりも低い供給圧力の第２駆動用ガスを前記高圧段圧縮機に供給する第２駆動用ガスラインと、
   前記第１駆動用ガスラインと前記第２駆動用ガスラインとが連通するように設けられたバイパスラインと、
   前記第２駆動用ガスラインに設けられた第１開閉弁と、
   前記バイパスラインに設けられた第２開閉弁と、を備え、
   前記ガス供給源から供給される前記供給用ガスを昇圧して、高圧の前記供給用ガスを前記蓄圧器に蓄える高圧ガス蓄圧システムの運転方法であって、
   蓄圧の開始から、前記蓄圧器内の圧力値が第１の閾値となるまで、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を閉状態とする第１工程と、
   前記蓄圧器内の圧力値が前記第１の閾値となった後、第２の閾値となるまで、前記第１開閉弁を開状態とし、前記第２開閉弁を閉状態とする第２工程と、
   前記蓄圧器内の圧力値が前記第２の閾値となった後、蓄圧の完了まで、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開状態とする第３工程と、を含むことを特徴とする高圧ガス蓄圧システムの運転方法。

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