JP2016183685A - 蓄圧器ユニット、水素ステーション、及び、水素充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄圧器ユニットの製造コストを低減すると共に、蓄圧器への水素補充時の作業効率を向上させる。【解決手段】蓄圧器ユニット３は、水素燃料タンク５に充填される水素を貯蔵可能である。蓄圧器ユニット３は、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３１１を含んで構成されて、水素燃料タンク５の内圧Ｐｆが低圧状態であるときに水素燃料タンク５に水素を充填可能な低圧バンク３１と、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３３１を含んで構成されて、水素燃料タンク５の内圧Ｐｆが、前記低圧状態よりも高い高圧状態であるときに水素燃料タンク５に水素を充填可能な高圧バンク３３と、を備える。蓄圧器３３１は、その容積が、蓄圧器３１１の容積よりも小さい。【選択図】図９

Description

本発明は、水素燃料タンクに充填される水素を貯蔵可能な蓄圧器ユニット、この蓄圧器ユニットを備える水素ステーション、及び、蓄圧器ユニットから水素燃料タンクに水素を充填する方法に関する。

特許文献１は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）などの車両に搭載された水素燃料タンク（車載容器）に水素（圧縮水素ガス）を充填するための技術を開示している。具体的には、特許文献１は、蓄圧器ユニットから水素燃料タンクに水素を充填する圧縮水素ガス充填装置を開示している。この蓄圧器ユニットは複数の蓄圧器バンクを備えている。特許文献１では、各バンクに、互いに異なる圧力値の水素を貯蔵している。また、特許文献１では、蓄圧器ユニットから水素燃料タンクへの水素充填時に、圧力値の低い蓄圧器バンクから順番に、貯蔵された水素を水素燃料タンクに充填する。

特開２００８−０６４１６０号公報

ところで、水素ステーションにて前述の水素燃料タンクに水素を充填するときには、水素燃料タンク内の水素がかなり減少した状態となっていることが多い。それゆえ、特許文献１に記載のように、圧力値の低い蓄圧器バンクから順番に、貯蔵された水素を水素燃料タンクに充填する場合には、圧力値の低い蓄圧器バンクに貯蔵された水素が先に使われて、その足りない分を補うように、圧力値の高い蓄圧器バンクに貯蔵された水素が使われる。ゆえに、水素燃料タンクへの水素充填時において、圧力値の高い蓄圧器バンクからの水素の払い出し量は、圧力値の低い蓄圧器バンクからの水素の払い出し量よりも小さい。

しかしながら、特許文献１に記載の、圧力値の高い蓄圧器バンクについては、水素の払い出し量が比較的小さいにもかかわらず、圧力値の低い蓄圧器バンクと同等の容積を有する蓄圧器（蓄圧容器）を用いている。このように、圧力値の高い蓄圧器バンクについては、その水素の払い出し量に対して過度に大きな容積の蓄圧器を用いることが多く、その結果、当該蓄圧器自体の製造コストが増大し、ひいては、蓄圧器ユニット全体の製造コストの増大を招いていた。

また、圧力値の高い蓄圧器バンクを構成する蓄圧器の容積が過度に大きいと、その分、当該蓄圧器への水素補充に時間を要するので、当該蓄圧器への水素補充時に当該蓄圧器を迅速に昇圧することが難しかった。
本発明は、このような実状に鑑み、蓄圧器ユニットの製造コストを低減すること、及び、蓄圧器への水素補充時の作業効率を向上させることを目的とする。

そのため本発明の第１の態様では、蓄圧器ユニットは、水素燃料タンクに充填される水素を貯蔵可能である。蓄圧器ユニットは、水素を貯蔵可能な１つ以上の第１の蓄圧器を含んで構成されて、水素燃料タンクの内圧が低圧状態であるときに水素燃料タンクに水素を充填可能な第１の蓄圧器バンクと、水素を貯蔵可能な１つ以上の第２の蓄圧器を含んで構成されて、水素燃料タンクの内圧が、前記低圧状態よりも高い高圧状態であるときに水素燃料タンクに水素を充填可能な第２の蓄圧器バンクと、を備える。第２の蓄圧器は、その容積が、第１の蓄圧器の容積よりも小さい。

本発明の第２の態様では、水素ステーションは前記蓄圧器ユニットを備え、前記蓄圧器ユニットに貯蔵された水素を水素燃料タンクに充填する。

本発明の第３の態様では、各々の容積が異なる複数の蓄圧器を含んで構成される蓄圧器ユニットから水素燃料タンクに水素を充填する方法として、前記容積の大小順に沿って、大きな容積の蓄圧器から順番に、貯蔵された水素を水素燃料タンクに充填することを含む。

本発明の第１の態様及び第２の態様によれば、第２の蓄圧器バンクを構成する第２の蓄圧器の容積が、第１の蓄圧器バンクを構成する第１の蓄圧器の容積よりも小さい。これにより、第２の蓄圧器を、その水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、第２の蓄圧器の製造コストを低減することができ、ひいては、蓄圧器ユニットの製造コストを低減することができる。また、第２の蓄圧器の小型化により、第２の蓄圧器への水素補充時に第２の蓄圧器を迅速に昇圧することができるので、第２の蓄圧器への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

本発明の第３の態様によれば、蓄圧器ユニットから水素燃料タンクへの水素充填時に、蓄圧器の容積の大小順に沿って、大きな容積の蓄圧器から順番に、貯蔵された水素を水素燃料タンクに充填する。これにより、蓄圧器ユニットから水素燃料タンクへの水素充填時に、その終盤で用いられ得る蓄圧器を、その水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、蓄圧器の製造コストを低減することができ、ひいては、蓄圧器ユニットの製造コストを低減することができる。また、前記終盤で用いられ得る蓄圧器の小型化により、当該蓄圧器への水素補充時に当該蓄圧器を迅速に昇圧することができるので、当該蓄圧器への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態における水素ステーションの構成を示す図 前記第１実施形態における蓄圧器ユニットの側面図及び正面図 前記第１実施形態における蓄圧器ユニットから水素燃料タンクへの水素充填方法の一例を示すフローチャート 前記第１実施形態における水素充填時の水素燃料タンクの内圧と時間との関係を示す図 本発明の第２実施形態における水素ステーションの構成を示す図 前記第２実施形態における蓄圧器ユニットの側面図及び正面図 本発明の第３実施形態における水素ステーションの構成を示す図 前記第３実施形態における蓄圧器ユニットの側面図及び正面図 本発明の第４実施形態における水素ステーションの構成を示す図 前記第４実施形態における蓄圧器ユニットの側面図及び正面図 前記第４実施形態における蓄圧器ユニットから水素燃料タンクへの水素充填方法の一例を示すフローチャート 前記第４実施形態における水素充填時の水素燃料タンクの内圧と時間との関係を示す図 本発明の第５実施形態における水素ステーションの構成を示す図 前記第５実施形態における蓄圧器ユニットの側面図及び正面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態における水素ステーションの構成を示す図である。図２（Ａ）は、水素ステーションを構成する蓄圧器ユニットの側面図であり、図２（Ｂ）は、その蓄圧器ユニットの正面図である。ここで、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）については、蓄圧器ユニットを構成するラック及び複数の蓄圧器のみを図示している。
尚、本実施形態では、本発明に係る水素ステーションの一例として、他の場所で製造された水素が輸送されるオフサイト型の水素ステーションを挙げて説明するが、水素ステーションの構成はこれに限らない。

図１に示すように、本実施形態における水素ステーション１は、水素（水素ガス）を昇圧する圧縮機２と、圧縮機２で昇圧された水素を貯蔵可能な蓄圧器ユニット３と、蓄圧器ユニット３に貯蔵された水素を、例えば燃料電池自動車（ＦＣＶ）などの車両４に搭載された水素燃料タンク５に充填するディスペンサー６と、制御装置８と、を備えている。

蓄圧器ユニット３は、当該蓄圧器ユニット３に水素が流入する入口部３ａと、当該蓄圧器ユニット３から水素が流出する出口部３ｂと、を有している。蓄圧器ユニット３の入口部３ａには、連結管９の一端が接続される。連結管９には、その途中に圧縮機２が設けられている。連結管９の他端は、水素ステーション１に備えられた荷卸し容器１０に接続されている。荷卸し容器１０は、例えば、図示しない複数の高圧水素容器により構成されており、これら高圧水素容器は、各々が、例えば４５ＭＰａの水素を貯蔵し得る。尚、荷卸し容器１０には、トラクタやトラックなどの輸送用車両によって搬送される水素輸送用容器（図示せず）から、水素が充填され得る。この充填時には、水素輸送用容器からの水素が、水素ステーション１に備えられた圧縮機（図示せず）によって昇圧されて、この昇圧された水素が荷卸し容器１０に供給されてもよい。ここで、前述の水素輸送用容器には、水素トレーラー、水素カードル、水素タンクなどが含まれる。

尚、本実施形態では、連結管９の他端に荷卸し容器１０を接続しているが、これに代えて、連結管９の他端を着脱可能に構成し、この連結管９の他端に、前述の水素輸送用容器を装着してもよい。この場合には、前述の水素輸送用容器が、連結管９を介して、蓄圧器ユニット３に接続される。
蓄圧器ユニット３の出口部３ｂには、接続管１１の一端が接続されており、この接続管１１の他端はディスペンサー６に接続されている。

蓄圧器ユニット３は、低圧バンク３１、中圧バンク３２、及び、高圧バンク３３を含んで構成されている。本実施形態では、蓄圧器ユニット３は、低圧バンク３１、中圧バンク３２、及び、高圧バンク３３からなる３バンク構成となっている。
低圧バンク３１は、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３１１を含んで構成され得る。ここで、本実施形態は、低圧バンク３１が１つの蓄圧器３１１を備える例を示している。また、後述する本発明の第５実施形態では、低圧バンク３１が複数（例えば２つ）の蓄圧器３１１を備える例を示している。第５実施形態については、図１３及び図１４を用いて後述する。
低圧バンク３１は、水素燃料タンク５の内圧（換言すれば、水素燃料タンク５内の水素の圧力）が低圧状態であるときに水素燃料タンク５に水素を充填し得る。ここで、蓄圧器３１１が本発明の「第１の蓄圧器」に相当する。また、低圧バンク３１が本発明の「第１の蓄圧器バンク」に相当する。

中圧バンク３２は、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３２１を含んで構成され得る。ここで、本実施形態は、中圧バンク３２が１つの蓄圧器３２１を備える例を示している。また、後述する本発明の第５実施形態では、中圧バンク３２が複数（例えば２つ）の蓄圧器３２１を備える例を示している。
中圧バンク３２は、水素燃料タンク５の内圧が、低圧状態よりも高い中圧状態であるときに水素燃料タンク５に水素を充填し得る。ここで、蓄圧器３２１が本発明の「第３の蓄圧器」に相当する。また、中圧バンク３２が本発明の「第３の蓄圧器バンク」に相当する。

高圧バンク３３は、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３３１を含んで構成され得る。ここで、本実施形態は、高圧バンク３３が１つの蓄圧器３３１を備える例を示している。また、後述する本発明の第５実施形態では、高圧バンク３３が複数（例えば２つ）の蓄圧器３３１を備える例を示している。
高圧バンク３３は、水素燃料タンク５の内圧が、中圧状態よりも高い高圧状態であるときに水素燃料タンク５に水素を充填し得る。ここで、蓄圧器３３１が本発明の「第２の蓄圧器」に相当する。また、高圧バンク３３が本発明の「第２の蓄圧器バンク」に相当する。

蓄圧器ユニット３を構成する３段式のラック３４には、蓄圧器３１１〜３３１が収納されている。本実施形態では、ラック３４の下段に蓄圧器３１１が収納され、ラック３４の中段に蓄圧器３２１が収納され、ラック３４の上段に蓄圧器３３１が収納されている。
蓄圧器３１１〜３３１は、円筒状の高圧水素容器である。蓄圧器３１１〜３３１は、アルミニウムや樹脂などの内容器に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を巻き付けて形成される複合圧力容器であるか、又は、鋼製の圧力容器であり得る。

本実施形態では、１つの蓄圧器３２１の容積は、１つの蓄圧器３１１の容積よりも小さく、かつ、１つの蓄圧器３３１の容積よりも大きい。
本実施形態では、蓄圧器３１１〜３３１の各々の長手方向に垂直な断面での形状が互いに同じであり（すなわち円環状であり）、長手方向での長さが互いに異なっている。すなわち、蓄圧器３２１は、蓄圧器３１１よりも短く、かつ、蓄圧器３３１よりも長い。
尚、本実施形態では、例えば、１つの蓄圧器３１１の容積が３００リットルであり、１つの蓄圧器３２１の容積が２３０リットルであり、１つの蓄圧器３３１の容積が１５０リットルであるが、蓄圧器３１１〜３３１の容積はこれらに限らない。

本実施形態では、蓄圧器３２１の内圧（換言すれば、蓄圧器３２１内の水素の圧力）が、蓄圧器３１１の内圧（換言すれば、蓄圧器３１１内の水素の圧力）よりも高くなるように設定されている。また、蓄圧器３３１の内圧（換言すれば、蓄圧器３３１内の水素の圧力）が、蓄圧器３２１の内圧よりも高くなるように設定されている。

尚、本実施形態では、例えば、蓄圧器３１１の内圧が６０ＭＰａになるように設定され、蓄圧器３２１の内圧が７０ＭＰａになるように設定され、蓄圧器３３１の内圧が８２ＭＰａになるように設定されているが、蓄圧器３１１〜３３１の内圧の設定はこれらに限らない。換言すれば、本実施形態では、例えば、蓄圧器３１１が６０ＭＰａの水素を貯蔵するように設定され、蓄圧器３２１が７０ＭＰａの水素を貯蔵するように設定され、蓄圧器３３１が８２ＭＰａの水素を貯蔵するように設定されているが、蓄圧器３１１〜３３１の各々が貯蔵する水素の圧力の設定はこれらに限らない。

また、本実施形態では、蓄圧器３１１〜３３１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３１１〜３３１の設定圧を同じに設定してもよい。具体的には、例えば、蓄圧器３１１〜３３１の各々が８２ＭＰａの水素を貯蔵するように設定されてもよい。又は、蓄圧器３１１が６０ＭＰａの水素を貯蔵するように設定され、蓄圧器３２１，３３１の各々が８２ＭＰａの水素を貯蔵するように設定されてもよい。又は、蓄圧器３１１，３２１の各々が７０ＭＰａの水素を貯蔵するように設定され、蓄圧器３３１が８２ＭＰａの水素を貯蔵するように設定されてもよい。

蓄圧器３１１〜３３１の各々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）３５及び圧力検知部４０が設けられている。蓄圧器３１１〜３３１の各々は、その出入口部に設けられた専用の弁機構３５と、バンク３１〜３３毎に設けられた逆止弁３６及び弁機構３７とを介して、蓄圧器ユニット３の入口部３ａに接続されている。また、蓄圧器３１１〜３３１の各々は、その出入口部に設けられた専用の弁機構３５と、バンク３１〜３３毎に設けられた弁機構３８及び逆止弁３９とを介して、蓄圧器ユニット３の出口部３ｂに接続されている。尚、逆止弁３６はバンク３１〜３３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、逆止弁３９は出口部３ｂ側からバンク３１〜３３側へ水素が流れること防止するものである。

これにより、蓄圧器ユニット３では、弁機構３８が閉じた状態で、弁機構３７と弁機構３５を選択的に開くと、圧縮機２で昇圧された水素が所定のバンク３１〜３３における所定の蓄圧器３１１〜３３１に充填され、開弁した弁機構３７又は弁機構３５を閉じると所定の蓄圧器３１１〜３３１への水素の充填が停止される。また、弁機構３７が閉じた状態で、弁機構３８と弁機構３５を選択的に開くと、所定のバンク３１〜３３における所定の蓄圧器３１１〜３３１から水素が放出され、開弁した弁機構３８又は弁機構３５を閉じると所定の蓄圧器３１１〜３３１からの水素の放出が停止される。尚、弁機構３５，３７，３８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６は、水素燃料タンク５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３１１〜３３１から放出された水素を水素燃料タンク５に充填する。また、ディスペンサー６には、車両４から水素燃料タンク５に関する情報（圧力センサなどにより測定された内圧（残圧）Ｐ_ｆ、予め設定された最高使用圧力など）が入力されるようになっている。尚、本実施形態において、水素燃料タンク５は、例えば７０ＭＰａの水素を充填可能に構成されている。

制御装置８には、圧力検知部４０によって検知された蓄圧器３１１〜３３１の内圧（残圧）やディスペンサー６に入力された水素燃料タンク５に関する情報（内圧Ｐ_ｆ、最高使用圧力など）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などに基づいて、圧縮機２及び弁機構３５，３７，３８などを適宜制御する。

ここで、制御装置８が実施する各種処理のうち、水素燃料タンク５への水素充填処理の一例について、図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態における蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填方法の一例を示すフローチャートである。この例では、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが７０ＭＰａに達するまで、水素燃料タンク５に水素を充填する。

制御装置８は、まず、ステップＳ１にて、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第１の閾値Ｐ_Ｌより小さいか否かを判定する。ここで、第１の閾値Ｐ_Ｌとは、低圧バンク３１から水素燃料タンク５への水素充填を行うか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。ここで、第１の閾値Ｐ_Ｌと、後述する第２の閾値Ｐ_Ｍと、後述する第３の閾値Ｐ_Ｈとは、以下の式（１）を満たすように予め設定される。
Ｐ_Ｌ＜Ｐ_Ｍ＜Ｐ_Ｈ ・・・（１）
尚、本実施形態では、例えば、第１の閾値Ｐ_Ｌは４０ＭＰａであり、第２の閾値Ｐ_Ｍは６０ＭＰａであり、第３の閾値Ｐ_Ｈは７０ＭＰａであるが、閾値Ｐ_Ｌ，Ｐ_Ｍ，Ｐ_Ｈはこれらの値に限らない。

ステップＳ１にて水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第１の閾値Ｐ_Ｌより小さい場合には、低圧バンク３１から水素燃料タンク５への水素充填を行うと判定し、ステップＳ２に進み、低圧バンク３１（蓄圧器３１１）から水素燃料タンク５へ、差圧充填により、水素を充填する。この低圧バンク３１から水素燃料タンク５への水素充填は、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第１の閾値Ｐ_Ｌに達するまで継続される。また、この水素充填時には、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆと第１の閾値Ｐ_Ｌとの比較が断続的に行われる。

水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第１の閾値Ｐ_Ｌに達すると、低圧バンク３１から水素燃料タンク５への水素充填を停止し、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第２の閾値Ｐ_Ｍより小さいか否かを判定する。ここで、第２の閾値Ｐ_Ｍとは、中圧バンク３２から水素燃料タンク５への水素充填を行うか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。

ステップＳ３にて水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第２の閾値Ｐ_Ｍより小さい場合には、中圧バンク３２から水素燃料タンク５への水素充填を行うと判定し、ステップＳ４に進み、中圧バンク３２（蓄圧器３２１）から水素燃料タンク５へ、差圧充填により、水素を充填する。この中圧バンク３２から水素燃料タンク５への水素充填は、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第２の閾値Ｐ_Ｍに達するまで継続される。また、この水素充填時には、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆと第２の閾値Ｐ_Ｍとの比較が断続的に行われる。

水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第２の閾値Ｐ_Ｍに達すると、中圧バンク３２から水素燃料タンク５への水素充填を停止し、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第３の閾値Ｐ_Ｈより小さいか否かを判定する。ここで、第３の閾値Ｐ_Ｈとは、高圧バンク３３から水素燃料タンク５への水素充填を行うか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。

ステップＳ５にて水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第３の閾値Ｐ_Ｈより小さい場合には、高圧バンク３３から水素燃料タンク５への水素充填を行うと判定し、ステップＳ６に進み、高圧バンク３３（蓄圧器３３１）から水素燃料タンク５へ、差圧充填により、水素を充填する。この高圧バンク３３から水素燃料タンク５への水素充填は、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第３の閾値Ｐ_Ｈに達するまで継続される。また、この水素充填時には、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆと第３の閾値Ｐ_Ｈとの比較が断続的に行われる。

水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが第３の閾値Ｐ_Ｈに達すると、高圧バンク３３から水素燃料タンク５への水素充填を停止し、蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填を終了する。

図４は、図３に示した蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填方法を用いて、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、第１の閾値Ｐ_Ｌより小さい圧力Ｐ_０から第３の閾値Ｐ_Ｈまで昇圧したときの、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆと時間との関係を示す図である。
ここで、図４に示す時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの時間ｔ_Ｌは、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、圧力Ｐ_０から第１の閾値Ｐ_Ｌまで昇圧するのに要する時間である。この時間ｔ_Ｌでは、低圧バンク３１（蓄圧器３１１）から水素燃料タンク５へ水素が充填される。

また、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの時間ｔ_Ｍは、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、第１の閾値Ｐ_Ｌから第２の閾値Ｐ_Ｍまで昇圧するのに要する時間である。この時間ｔ_Ｍでは、中圧バンク３２（蓄圧器３２１）から水素燃料タンク５へ水素が充填される。
また、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの時間ｔ_Ｈは、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、第２の閾値Ｐ_Ｍから第３の閾値Ｐ_Ｈまで昇圧するのに要する時間である。この時間ｔ_Ｈでは、高圧バンク３３（蓄圧器３３１）から水素燃料タンク５へ水素が充填される。

図４に示すように、時間ｔ_Ｈは時間ｔ_Ｍよりも短く、時間ｔ_Ｍは時間ｔ_Ｌよりも短い。この傾向は、バンク３１〜３３の各々における水素の払い出し量についても同様である。すなわち、高圧バンク３３からの水素の払い出し量は中圧バンク３２からの水素の払い出し量よりも小さく、中圧バンク３２からの水素の払い出し量は低圧バンク３１からの水素の払い出し量よりも小さい。ゆえに、本実施形態では、水素の払い出し量が小さい蓄圧器（バンク）ほど、その容積を小さくしている。これにより、蓄圧器を、その水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、蓄圧器の製造コストを低減することができ、ひいては、蓄圧器ユニット３の製造コストを低減することができる。また、蓄圧器の小型化により、蓄圧器への水素補充時に蓄圧器を迅速に昇圧することができるので、蓄圧器への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

本実施形態によれば、蓄圧器ユニット３は、水素燃料タンク５に充填される水素を貯蔵可能である。蓄圧器ユニット３は、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３１１（第１の蓄圧器）を含んで構成されて、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが低圧状態（例えば、図４に示す第１の閾値Ｐ_Ｌ未満である状態）であるときに水素燃料タンク５に水素を充填可能な低圧バンク３１（第１の蓄圧器バンク）と、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３３１（第２の蓄圧器）を含んで構成されて、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが、前記低圧状態よりも高い高圧状態（例えば、図４に示す第２の閾値Ｐ_Ｍ以上であり、かつ、第３の閾値Ｐ_Ｈ未満である状態）であるときに水素燃料タンク５に水素を充填可能な高圧バンク３３（第２の蓄圧器バンク）と、を備える。蓄圧器３３１は、その容積が、蓄圧器３１１の容積よりも小さい。これにより、蓄圧器３３１を、その水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、蓄圧器３３１の製造コストを低減することができ、ひいては、蓄圧器ユニット３の製造コストを低減することができる。また、蓄圧器３３１の小型化により、蓄圧器３３１への水素補充時に蓄圧器３３１を迅速に昇圧することができるので、蓄圧器３３１への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器ユニット３は、水素を貯蔵可能な１つ以上の蓄圧器３２１（第３の蓄圧器）を含んで構成されて、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが、前記低圧状態よりも高く、かつ、前記高圧状態よりも低い中圧状態（例えば、図４に示す第１の閾値Ｐ_Ｌ以上であり、かつ、第２の閾値Ｐ_Ｍ未満である状態）であるときに水素燃料タンク５に水素を充填可能な中圧バンク３２（第３の蓄圧器バンク）を更に備える。これにより、低圧バンク３１から水素燃料タンク５への水素充填時に蓄圧器３１１の内圧が低下して水素の流量が低下しても、低圧バンク３１から中圧バンク３２にスムーズに切り替えて、水素燃料タンク５への水素充填を継続することができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器３２１（第３の蓄圧器）は、その容積が、蓄圧器３１１（第１の蓄圧器）の容積よりも小さく、かつ、蓄圧器３３１（第２の蓄圧器）の容積よりも大きい。これにより、蓄圧器３１１〜３３１を、各々の水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、蓄圧器３１１〜３３１の製造コストを低減することができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器３２１（第３の蓄圧器）は、その内圧が、蓄圧器３１１（第１の蓄圧器）の内圧よりも高い。これにより、蓄圧器３１１（低圧バンク３１）からの水素の払い出しの後に、蓄圧器３２１（中圧バンク３２）から、より高圧な水素を払い出すことができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器３２１（第３の蓄圧器）は、その内圧が、蓄圧器３３１（第２の蓄圧器）の内圧よりも低い。これにより、蓄圧器３２１（中圧バンク３２）からの水素の払い出しの後に、蓄圧器３３１（高圧バンク３３）から、より高圧な水素を払い出すことができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填時には、まず、低圧バンク３１（第１の蓄圧器バンク）からの水素が水素燃料タンク５に充填され（ステップＳ２）、次に、中圧バンク３２（第３の蓄圧器バンク）からの水素が水素燃料タンク５に充填され（ステップＳ４）、次に、高圧バンク３３（第２の蓄圧器バンク）からの水素が水素燃料タンク５に充填される（ステップＳ６）。このように蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５へ水素の充填を行うことにより、蓄圧器ユニット３（バンク３１〜３３）と水素燃料タンク５との間の差圧が過度に大きくなることを抑制することができるので、ジュール・トムソン効果及び断熱圧縮に起因する、水素充填時の水素燃料タンク５内での発熱を抑制することができる。

また本実施形態によれば、水素燃料タンク５は燃料電池自動車（ＦＣＶ）などの車両４に搭載されている。これにより、車両４に搭載された水素燃料タンク５に蓄圧器ユニット３から水素を効率良く充填することができる。

また本実施形態によれば、水素ステーション１は蓄圧器ユニット３を備え、蓄圧器ユニット３に貯蔵された水素を水素燃料タンク５に充填する。これにより、水素ステーション１では、蓄圧器ユニット３を構成する高圧バンク３３（蓄圧器３３１）への水素補充時に高圧バンク３３を迅速に昇圧することができるので、高圧バンク３３への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

また本実施形態によれば、水素ステーション１は、水素を昇圧する圧縮機２を更に備える。蓄圧器ユニット３を構成する蓄圧器３１１〜３３１は、圧縮機２で昇圧された水素を貯蔵可能である。これにより、本実施形態では、蓄圧器３１１〜３３１にて、例えば８２ＭＰａ程度の圧縮水素ガスを貯蔵することができる。

また本実施形態によれば、各々の容積が異なる複数の蓄圧器３１１〜３３１を含んで構成される蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５に水素を充填する方法として、蓄圧器３１１〜３３１の容積の大小順に沿って、大きな容積の蓄圧器から順番に（例えば、蓄圧器３１１、蓄圧器３２１、蓄圧器３３１の順番に）、貯蔵された水素を水素燃料タンク５に充填することを含む。これにより、蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填時に、その終盤で用いられ得る蓄圧器３３１を、その水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、蓄圧器３３１の製造コストを低減することができ、ひいては、蓄圧器ユニット３の製造コストを低減することができる。また、前記終盤で用いられ得る蓄圧器３３１の小型化により、蓄圧器３３１への水素補充時に蓄圧器３３１を迅速に昇圧することができるので、蓄圧器３３１への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器３１１〜３３１は、その容積が小さいほど、内圧が高くなっている。これにより、蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填時に、蓄圧器ユニット３（バンク３１〜３３）と水素燃料タンク５との間の差圧が過度に大きくなることを抑制することができるので、ジュール・トムソン効果及び断熱圧縮に起因する、水素充填時の水素燃料タンク５内での発熱を抑制することができる。

図５は、本発明の第２実施形態における水素ステーションの構成を示す図である。図６（Ａ）は、水素ステーションを構成する蓄圧器ユニットの側面図であり、図６（Ｂ）は、その蓄圧器ユニットの正面図である。ここで、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）については、蓄圧器ユニットを構成するラック及び複数の蓄圧器のみを図示している。
前述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、１つの蓄圧器３２１の容積は、１つの蓄圧器３３１の容積よりも大きく、かつ、１つの蓄圧器３１１の容積と同じである。
本実施形態では、蓄圧器３１１〜３３１の各々の長手方向に垂直な断面での形状が互いに同じであり（すなわち円環状であり）、蓄圧器３１１，３２１の長手方向での長さと、蓄圧器３３１の長手方向での長さとが互いに異なっている。すなわち、蓄圧器３１１，３２１は、蓄圧器３３１よりも長い。
尚、本実施形態では、例えば、１つの蓄圧器３１１の容積と１つの蓄圧器３２１の容積とが、それぞれ、３００リットルであり、１つの蓄圧器３３１の容積が１５０リットルであるが、蓄圧器３１１〜３３１の容積はこれらに限らない。

特に本実施形態によれば、蓄圧器３２１（第３の蓄圧器）は、その容積が、蓄圧器３１１（第１の蓄圧器）の容積と同じである。これにより、蓄圧器３１１と同じ寸法のものを蓄圧器３２１として用いることができるので、例えば、蓄圧器３１１を中圧バンク３２用に切り替え、かつ、蓄圧器３２１を低圧バンク３１用に切り替えて、蓄圧器ユニット３を運用することができる。それゆえ、蓄圧器ユニット３の運用態様の選択肢を増やすことができる。

図７は、本発明の第３実施形態における水素ステーションの構成を示す図である。図８（Ａ）は、水素ステーションを構成する蓄圧器ユニットの側面図であり、図８（Ｂ）は、その蓄圧器ユニットの正面図である。ここで、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）については、蓄圧器ユニットを構成するラック及び複数の蓄圧器のみを図示している。
前述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、１つの蓄圧器３２１の容積は、１つの蓄圧器３１１の容積よりも小さく、かつ、１つの蓄圧器３３１の容積と同じである。
本実施形態では、蓄圧器３１１〜３３１の各々の長手方向に垂直な断面での形状が互いに同じであり（すなわち円環状であり）、蓄圧器３１１の長手方向での長さと、蓄圧器３２１，３３１の長手方向での長さとが互いに異なっている。すなわち、蓄圧器３１１は、蓄圧器３２１，３３１よりも長い。
尚、本実施形態では、例えば、１つの蓄圧器３１１の容積が３００リットルであり、１つの蓄圧器３２１の容積と１つの蓄圧器３３１の容積とが、それぞれ、１５０リットルであるが、蓄圧器３１１〜３３１の容積はこれらに限らない。

特に本実施形態によれば、蓄圧器３２１（第３の蓄圧器）は、その容積が、蓄圧器３３１（第２の蓄圧器）の容積と同じである。これにより、蓄圧器３３１と同じ寸法のものを蓄圧器３２１として用いることができるので、例えば、蓄圧器３３１を中圧バンク３２用に切り替え、かつ、蓄圧器３２１を高圧バンク３３用に切り替えて、蓄圧器ユニット３を運用することができる。それゆえ、蓄圧器ユニット３の運用態様の選択肢を増やすことができる。

図９は、本発明の第４実施形態における水素ステーションの構成を示す図である。図１０（Ａ）は、水素ステーションを構成する蓄圧器ユニットの側面図であり、図１０（Ｂ）は、その蓄圧器ユニットの正面図である。ここで、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）については、蓄圧器ユニットを構成するラック及び複数の蓄圧器のみを図示している。
前述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、前述の中圧バンク３２が省略されており、蓄圧器ユニット３は、低圧バンク３１及び高圧バンク３３からなる２バンク構成となっている。
本実施形態においてラック３４は２段式であり、このラック３４には蓄圧器３１１，３３１が収納されている。本実施形態では、ラック３４の下段に蓄圧器３１１が収納され、ラック３４の上段に蓄圧器３３１が収納されている。

本実施形態では、例えば、蓄圧器３１１の内圧が７０ＭＰａになるように設定され、蓄圧器３３１の内圧が８２ＭＰａになるように設定されているが、蓄圧器３１１，３３１の内圧の設定はこれらに限らない。換言すれば、本実施形態では、例えば、蓄圧器３１１が７０ＭＰａの水素を貯蔵するように設定され、蓄圧器３３１が８２ＭＰａの水素を貯蔵するように設定されているが、蓄圧器３１１，３３１の各々が貯蔵する水素の圧力の設定はこれらに限らない。

尚、本実施形態では、蓄圧器３１１，３３１の設定圧を異ならせるものとしたが、全ての蓄圧器３１１，３３１の設定圧を同じに設定してもよい。具体的には、例えば、蓄圧器３１１，３３１の各々が８２ＭＰａの水素を貯蔵するように設定されてもよい。

図１１は、本実施形態における蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填方法の一例を示すフローチャートである。この例では、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆが７０ＭＰａに達するまで、水素燃料タンク５に水素を充填する。

図１１に示す蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填方法については、図３に示した第１実施形態における蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填方法のうち、ステップＳ３及びステップＳ４が省略されたものとなっている。ここで、本実施形態においては、例えば、第１の閾値Ｐ_Ｌは６０ＭＰａであり、第３の閾値Ｐ_Ｈは７０ＭＰａであるが、閾値Ｐ_Ｌ，Ｐ_Ｈはこれらの値に限らない。

図１２は、図１１に示した蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填方法を用いて、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、第１の閾値Ｐ_Ｌより小さい圧力Ｐ_０から第３の閾値Ｐ_Ｈまで昇圧したときの、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆと時間との関係を示す図である。
ここで、図１２に示す時刻ｔ_０から時刻ｔ_１１までの時間ｔ_Ｌは、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、圧力Ｐ_０から第１の閾値Ｐ_Ｌまで昇圧するのに要する時間である。この時間ｔ_Ｌでは、低圧バンク３１（蓄圧器３１１）から水素燃料タンク５へ水素が充填される。

また、時刻ｔ_１１から時刻ｔ_１２までの時間ｔ_Ｈは、水素燃料タンク５の内圧Ｐ_ｆを、第１の閾値Ｐ_Ｌから第３の閾値Ｐ_Ｈまで昇圧するのに要する時間である。この時間ｔ_Ｈでは、高圧バンク３３（蓄圧器３３１）から水素燃料タンク５へ水素が充填される。

図１２に示すように、時間ｔ_Ｈは時間ｔ_Ｌよりも短い。この傾向は、バンク３１，３３の各々における水素の払い出し量についても同様である。すなわち、高圧バンク３３からの水素の払い出し量は低圧バンク３１からの水素の払い出し量よりも小さい。ゆえに、本実施形態では、水素の払い出し量が小さい蓄圧器（バンク）ほど、その容積を小さくしている。これにより、蓄圧器を、その水素の払い出し量に対応する大きさに抑えることができるので、蓄圧器の製造コストを低減することができ、ひいては、蓄圧器ユニット３の製造コストを低減することができる。また、蓄圧器の小型化により、蓄圧器への水素補充時に蓄圧器を迅速に昇圧することができるので、蓄圧器への水素補充時の作業効率を向上させることができる。

特に本実施形態によれば、蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５への水素充填時には、高圧バンク３３（第２の蓄圧器バンク）からの水素が水素燃料タンク５に充填される（ステップＳ６）に先立って、低圧バンク３１（第１の蓄圧器バンク）からの水素が水素燃料タンク５に充填される（ステップＳ２）。このように蓄圧器ユニット３から水素燃料タンク５へ水素の充填を行うことにより、蓄圧器ユニット３（バンク３１，３３）と水素燃料タンク５との間の差圧が過度に大きくなることを抑制することができるので、ジュール・トムソン効果及び断熱圧縮に起因する、水素充填時の水素燃料タンク５内での発熱を抑制することができる。

また本実施形態によれば、蓄圧器３３１（第２の蓄圧器）は、その内圧が、蓄圧器３１１（第１の蓄圧器）の内圧よりも高い。これにより、蓄圧器３１１（低圧バンク３１）からの水素の払い出しの後に、蓄圧器３３１（高圧バンク３３）から、より高圧な水素を払い出すことができる。

図１３は、本発明の第５実施形態における水素ステーションの構成を示す図である。図１４（Ａ）は、水素ステーションを構成する蓄圧器ユニットの側面図であり、図１４（Ｂ）は、その蓄圧器ユニットの正面図である。ここで、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）については、蓄圧器ユニットを構成するラック及び複数の蓄圧器のみを図示している。
前述の第１実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態では、低圧バンク３１が複数（例えば２つ）の蓄圧器３１１を備える。また、中圧バンク３２が複数（例えば２つ）の蓄圧器３２１を備える。また、高圧バンク３３が複数（例えば２つ）の蓄圧器３３１を備える。このように、バンク３１〜３３については、各々が、複数の蓄圧器により構成され得る。
尚、前述の第２〜第４実施形態においても、本実施形態と同様に、各バンクが複数の蓄圧器により構成されてもよいことは言うまでもない。

尚、前述の第１〜第５実施形態では、各バンクを構成する蓄圧器の個数が同じであるが、この他、各バンクを構成する蓄圧器の個数をバンク毎に異ならせてもよい。

また、前述の第１〜第５実施形態では、蓄圧器３１１〜３３１には、各々の長手方向の一端側に、水素の充填口と放出口とを兼ねる出入口部が設けられているが、蓄圧器の構成はこれに限らない。例えば、蓄圧器３１１〜３３１には、各々の長手方向の一端側に、水素の充填口となる入口部が設けられると共に、他端側に、水素の放出口となる出口部が設けられてもよい。この場合には、前述の弁機構３５及び圧力検知部４０が、蓄圧器３１１〜３３１の入口部と出口部との双方に設けられる。また、蓄圧器３１１〜３３１の各々は、その入口部に設けられた専用の弁機構３５と、バンク３１〜３３毎に設けられた逆止弁３６及び弁機構３７とを介して、蓄圧器ユニット３の入口部３ａに接続される。また、蓄圧器３１１〜３３１の各々は、その出口部に設けられた専用の弁機構３５と、バンク３１〜３３毎に設けられた弁機構３８及び逆止弁３９とを介して、蓄圧器ユニット３の出口部３ｂに接続される。

また、前述の第１〜第５実施形態では、蓄圧器ユニット３は２バンク構成であるか又は３バンク構成であるが、蓄圧器ユニット３の構成はこれらに限らず、蓄圧器ユニット３は４以上のバンクにより構成されてもよい。

また、前述の第１〜第５実施形態では、本発明に係る水素ステーションの一例として、他の場所で製造された水素が輸送されるオフサイト型の水素ステーションを挙げて説明したが、水素ステーションの構成はこれに限らず、例えば、その場で水素を製造するオンサイト型の水素ステーションであってもよい。又は、オフサイト型とオンサイト型の両方の機能を備えた水素ステーションであってもよい。

以上からわかるように、前述の第１〜第５実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 水素ステーション
２ 圧縮機
３ 蓄圧器ユニット
３ａ 入口部
３ｂ 出口部
４ 車両
５ 水素燃料タンク
６ ディスペンサー
８ 制御装置
９ 連結管
１０ 荷卸し容器
１１ 接続管
３１ 低圧バンク
３２ 中圧バンク
３３ 高圧バンク
３４ ラック
３５，３７，３８ 弁機構
３６，３９ 逆止弁
４０ 圧力検知部
３１１，３２１，３３１ 蓄圧器

Claims (17)

1. 水素燃料タンクに充填される水素を貯蔵可能な蓄圧器ユニットであって、
   水素を貯蔵可能な１つ以上の第１の蓄圧器を含んで構成されて、前記水素燃料タンクの内圧が低圧状態であるときに前記水素燃料タンクに水素を充填可能な第１の蓄圧器バンクと、
   水素を貯蔵可能な１つ以上の第２の蓄圧器を含んで構成されて、前記水素燃料タンクの内圧が、前記低圧状態よりも高い高圧状態であるときに前記水素燃料タンクに水素を充填可能な第２の蓄圧器バンクと、
   を備え、
   前記第２の蓄圧器は、その容積が、前記第１の蓄圧器の容積よりも小さい、蓄圧器ユニット。
2. 水素を貯蔵可能な１つ以上の第３の蓄圧器を含んで構成されて、前記水素燃料タンクの内圧が、前記低圧状態よりも高く、かつ、前記高圧状態よりも低い中圧状態であるときに前記水素燃料タンクに水素を充填可能な第３の蓄圧器バンクを更に備える、請求項１に記載の蓄圧器ユニット。
3. 前記第３の蓄圧器は、その容積が、前記第１の蓄圧器の容積よりも小さく、かつ、前記第２の蓄圧器の容積よりも大きい、請求項２に記載の蓄圧器ユニット。
4. 前記第３の蓄圧器は、その容積が、前記第１の蓄圧器の容積と同じである、請求項２に記載の蓄圧器ユニット。
5. 前記第３の蓄圧器は、その容積が、前記第２の蓄圧器の容積と同じである、請求項２に記載の蓄圧器ユニット。
6. 前記第３の蓄圧器は、その内圧が、前記第１の蓄圧器の内圧よりも高い、請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の蓄圧器ユニット。
7. 前記第３の蓄圧器は、その内圧が、前記第２の蓄圧器の内圧よりも低い、請求項２〜請求項６のいずれか１つに記載の蓄圧器ユニット。
8. 前記蓄圧器ユニットから前記水素燃料タンクへの水素充填時には、まず、前記第１の蓄圧器バンクからの水素が前記水素燃料タンクに充填され、次に、前記第３の蓄圧器バンクからの水素が前記水素燃料タンクに充填され、次に、前記第２の蓄圧器バンクからの水素が前記水素燃料タンクに充填される、請求項２〜請求項７のいずれか１つに記載の蓄圧器ユニット。
9. 前記第２の蓄圧器は、その内圧が、前記第１の蓄圧器の内圧よりも高い、請求項１に記載の蓄圧器ユニット。
10. 前記蓄圧器ユニットから前記水素燃料タンクへの水素充填時には、前記第２の蓄圧器バンクからの水素が前記水素燃料タンクに充填されるに先立って、前記第１の蓄圧器バンクからの水素が前記水素燃料タンクに充填される、請求項１又は請求項９に記載の蓄圧器ユニット。
11. 前記水素燃料タンクは車両に搭載されている、請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の蓄圧器ユニット。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれか1つに記載の蓄圧器ユニットを備え、前記蓄圧器ユニットに貯蔵された水素を前記水素燃料タンクに充填する水素ステーション。
13. 水素を昇圧する圧縮機を更に備え、
    前記蓄圧器ユニットを構成する前記蓄圧器は、前記圧縮機で昇圧された水素を貯蔵可能である、請求項１２に記載の水素ステーション。
14. 各々の容積が異なる複数の蓄圧器を含んで構成される蓄圧器ユニットから水素燃料タンクに水素を充填する方法であって、
    前記容積の大小順に沿って、大きな容積の蓄圧器から順番に、貯蔵された水素を前記水素燃料タンクに充填することを含む、水素充填方法。
15. 前記蓄圧器は、その容積が小さいほど、内圧が高くなっている、請求項１４に記載の水素充填方法。
16. 前記水素燃料タンクは車両に搭載されている、請求項１４又は請求項１５に記載の水素充填方法。
17. 前記蓄圧器は、圧縮機で昇圧された水素を貯蔵可能である、請求項１４〜請求項１６のいずれか１つに記載の水素充填方法。

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