JP2017198236A

JP2017198236A - 高圧水素製造システム

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Publication number: JP2017198236A
Application number: JP2016086975A
Authority: JP
Inventors: 小宮　純; Jun Komiya; 純小宮
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-04-25
Also published as: JP6626777B2

Abstract

【課題】水素ステーションの建設費を削減しつつ、燃料電池自動車に供給する水素量を増加させる。【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２１０から出力された水素を昇圧する第１の圧縮機２３０と、第１の圧縮機２３０によって昇圧された水素を貯留する可変圧蓄圧器２５０と、可変圧蓄圧器２５０に貯留された水素を昇圧する第２の圧縮機２６０と、第１の圧縮機２３０によって昇圧された水素、および、第２の圧縮機２６０によって昇圧された水素を貯留する高圧蓄圧器２４０と、を備える。【選択図】図２

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。燃料電池自動車に水素を供給する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昇圧する圧縮機と、昇圧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では、時間帯、月日、天候等によって、水素の消費量（燃料電池自動車に供給される水素量、つまり、燃料電池自動車が訪れる数）が変動する。したがって、例えば、水素の供給を所望する燃料電池自動車の数の平均値に基づいて、圧縮機や蓄圧器の数を決定して水素ステーションを建設すると、平均値を上回る数の燃料電池自動車が水素の供給を所望する場合には、上回った分の燃料電池自動車には水素を供給できなくなってしまう。一方、例えば、水素の供給を所望する燃料電池自動車の数の最大値に基づいて、圧縮機の数や蓄圧器の数を決定して水素ステーションを建設すると、圧縮機や蓄圧器が膨大となってしまい、建設費が増加してしまうという問題がある。

本発明は、水素ステーションの建設費を削減しつつ、所定期間において燃料電池自動車に供給する水素量を増加させることが可能な高圧水素製造システム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、前記水素製造装置から出力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可変圧蓄圧器と、前記可変圧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１の圧縮機によって昇圧された水素、および、前記第２の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する高圧蓄圧器と、を備えたことを特徴とする。

また、前記第２の圧縮機は、吸入圧力の上限値を吐出圧力とすることが可能であるとしてもよい。

また、前記第２の圧縮機は、吸入圧力の上限値が吐出圧力未満であるとしてもよい。

また、前記可変圧蓄圧器は、第１蓄圧器と、第２蓄圧器とを有し、前記高圧蓄圧器の圧力が所定の常用圧力に基づく制御上限圧力未満であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器の圧力が前記第２の圧縮機の所定の目標流量を維持可能な吸入圧力の下限値である維持下限値を上回る場合、該第１蓄圧器および該第２蓄圧器に貯留された水素を該第２の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させ、該高圧蓄圧器の圧力が該制御上限圧力未満であり、該第１蓄圧器および該第２蓄圧器のいずれか一方の圧力が該維持下限値を上回り、他方の圧力が該維持下限値未満である場合、該一方の蓄圧器に貯留された水素を前記第２の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させる制御部を備えるとしてもよい。

また、前記制御部は、前記高圧蓄圧器の圧力が前記制御上限圧力未満であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器の圧力が前記維持下限値を上回る場合、該第１蓄圧器および該第２蓄圧器に貯留された水素を前記第１の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させるとしてもよい。

また、前記制御部は、前記高圧蓄圧器の圧力が前記制御上限圧力未満であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器のいずれか一方の圧力が前記維持下限値を上回り、他方の圧力が該維持下限値未満である場合、該他方の蓄圧器に貯留された水素を前記第１の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させるとしてもよい。

また、前記制御部は、前記高圧蓄圧器の圧力が前記制御上限圧力以上であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器のいずれか一方の圧力が前記維持下限値を上回り、かつ、他方の圧力が前記維持下限値未満である場合、該他方の蓄圧器に貯留された水素を前記第１の圧縮機で昇圧させて該一方の蓄圧器に貯留させるとしてもよい。

本発明によれば、水素ステーションの建設費を削減しつつ、燃料電池自動車に供給する水素量を増加させることが可能となる。

水素ステーションを説明するための図である。高圧水素製造システムを説明するための図である。状態（Ａ）の場合の制御部の処理を説明する図である。状態（Ｂ）の場合の制御部の処理を説明する図である。状態（Ｃ）の場合の制御部の処理を説明する図である。

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、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、水素の流れを実線の矢印で示す。なお、以下では、圧力をゲージ圧（絶対圧−大気圧）として示す。

図１に示すように、高圧水素製造システム１１０は、水素を製造し、製造した水素を、例えば、８２ＭＰａに昇圧して貯留する。高圧水素製造システム１１０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供給（差圧充填）される。ここで、高圧水素製造システム１１０から燃料電池自動車の水素タンクへ水素が供給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。以下、高圧水素製造システム１１０の具体的な構成について説明する。

（高圧水素製造システム１１０）
図２は、高圧水素製造システム１１０を説明するための図である。図２に示すように、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、第１の圧縮機２３０と、高圧蓄圧器２４０と、可変圧蓄圧器２５０と、第２の圧縮機２６０と、圧力測定部２７０と、制御部２８０と、配管３０２〜３２６と、バルブＶ１〜Ｖ７と、減圧弁ＲＶとを含んで構成される。なお、図２中、配管３０２〜３２６を実線で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

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）等の化石燃料から純度の高い水素を製造する。また、水素製造装置２１０を、水電解装置で構成することもできる。

水素製造装置２１０は、後述する制御部２８０による制御指令に応じて、通常運転処理、出力低下処理、出力増加処理を遂行する。ここで、通常運転処理は、所定の出力（例えば、最大出力（１００％出力））で水素を製造する処理（ロードキープ）である。また、出力低下処理は、水素の出力を低下させる処理（ロードダウン）である。なお、出力低下処理のうち、特に、停止状態に至るまで水素の出力を低下させる処理、すなわち、水素の出力を所定の出力（ここでは、最小出力）まで低下させ、所定の出力に至った後に出力を停止する処理を停止処理と称する。また、出力増加処理は、水素の出力を増加させる処理（ロードアップ）である。なお、出力増加処理のうち、特に、停止状態から所定の出力（例えば、最大出力（１００％出力））まで水素の出力を増加させる処理を開始処理と称する。また、停止状態は、外部に水素を出力しない状態（水素の出力停止中）を指す。なお、制御部２８０による水素製造装置２１０の具体的な制御処理については、特開２０１５−１８３７６６号公報等、既存の技術を参照できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

サクションタンク２２０は、水素製造装置２１０と第１の圧縮機２３０との間に設けられ、クッションタンクとして機能する。

第１の圧縮機２３０は、水素製造装置２１０によって製造された水素（０．６ＭＰａ）を圧縮して、例えば、８２ＭＰａに昇圧する。

高圧蓄圧器２４０は、第１の圧縮機２３０によって昇圧された水素（例えば、８２ＭＰａ）、および、後述する第２の圧縮機２６０によって昇圧された水素（例えば、８２ＭＰａ）を貯留する。つまり、高圧蓄圧器２４０の常用圧力（最大許容圧力）は、例えば、８２ＭＰａである。そして、高圧蓄圧器２４０に貯留された水素は、プレクーラー１２０によって冷却され、ディスペンサー１３０によって、燃料電池自動車に設けられた水素タンクに供給（充填）される（図１参照）。なお、高圧蓄圧器２４０および後述する可変圧蓄圧器２５０の容量の設計については、特開２０１５−１８３７６６号公報等、既存の技術を参照できるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

可変圧蓄圧器２５０は、第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４で構成され、第１の圧縮機２３０によって昇圧された水素を貯留する。なお、本実施形態において、第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４の常用圧力（最大許容圧力）は、高圧蓄圧器２４０の常用圧力（８２ＭＰａ）と異なってもよく、例えば、４０ＭＰａとしてもよい。

第２の圧縮機２６０は、可変圧蓄圧器２５０に貯留された水素を圧縮して、例えば、８２ＭＰａに昇圧する。本実施形態において、第２の圧縮機２６０は、所謂ブースタ型圧縮機で構成される。つまり、第２の圧縮機２６０は、吸入圧力（吸い込み圧力）の上限値を吐出圧力（例えば、８２ＭＰａ）とすることができ、また、吸入圧力の下限値を、例えば、０ＭＰａ程度（ここでは、０．６ＭＰａ程度）とすることができる圧縮機である。したがって、第２の圧縮機２６０は、吸入圧力の上限値と下限値とが広範囲に亘っており、可変圧蓄圧器２５０の圧力が４０ＭＰａである場合から０．６ＭＰａになるまで水素を吸入することが可能となる。このため、可変圧蓄圧器２５０に貯留された水素の大部分を圧縮して高圧蓄圧器２４０に供給することが可能となる。

また、本実施形態にかかる第２の圧縮機２６０は、吸入圧力が相対的に低いと、処理流量（供給能力）は小さくなるものの、吸入圧力が相対的に高いと、処理流量が大きくなる。このため、可変圧蓄圧器２５０に貯留された水素量が相対的に多い（圧力が相対的に高い）場合には、大きい処理流量で高圧蓄圧器２４０に水素を供給することができる。例えば、可変圧蓄圧器２５０の圧力（吸入圧力）が０．６ＭＰａである場合には、処理流量は５０Ｎｍ^３／ｈ程度であるが、３０ＭＰａである場合には処理流量が３００Ｎｍ^３／ｈ程度となり、４０ＭＰａである場合には処理流量が４００Ｎｍ^３／ｈ程度にもなる。

したがって、水素ステーション１００に立ち寄る燃料電池自動車の数が増加した場合であっても短時間で高圧蓄圧器２４０の貯留量を増加させることができ、高圧蓄圧器２４０自体の容量（本数）を増加させずとも、所定期間（例えば、営業時間内の所定の期間）において、燃料電池自動車への水素供給量（水素を供給できる燃料電池自動車の数）を増加させることが可能となる。

さらに、ブースタ型圧縮機自体の価格は、ブースタ型圧縮機による処理流量を確保するために必要な本数の高圧蓄圧器２４０の価格と比較して低い。したがって、本実施形態の高圧水素製造システム１１０によれば、ブースタ型圧縮機で構成される第２の圧縮機２６０を備えるだけの構成で、水素ステーション１００の建設費を削減しつつ、高圧蓄圧器２４０を増加させた場合と同様に燃料電池自動車に供給する水素量を増加させることが可能となる。

圧力測定部２７０は、高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａ、および、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２を測定する。

制御部２８０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。

詳しくは後述するが、本実施形態において制御部２８０は、第１の圧縮機２３０、および、第２の圧縮機２６０を制御する。また、制御部２８０は、水素製造装置２１０の駆動制御（出力制御）、および、バルブＶ１〜Ｖ７の開閉制御を実行する。なお、バルブＶ１〜Ｖ７は開閉弁で構成される。

また、本実施形態において、配管３０２〜３２６が設けられており、配管３０２は、水素製造装置２１０とサクションタンク２２０とを接続する。配管３０４は、サクションタンク２２０と第１の圧縮機２３０の吸入口とを接続する。配管３０６は、第１の圧縮機２３０の吐出口と高圧蓄圧器２４０とを接続する。また、配管３０６にはバルブＶ１が設けられている。配管３０８は、高圧蓄圧器２４０とプレクーラー１２０とを接続する。また、配管３０８にはバルブＶ６が設けられている。

配管３１０は、第１の圧縮機２３０の吐出口（配管３０６における第１の圧縮機２３０とバルブＶ１との間）と第１蓄圧器２５２とを接続する。また、配管３１０にはバルブＶ２が設けられている。配管３１２は、第１の圧縮機２３０の吐出口（配管３０６における第１の圧縮機２３０とバルブＶ１との間）と第２蓄圧器２５４とを接続する。また、配管３１２にはバルブＶ４が設けられている。

配管３１４は、第１蓄圧器２５２とサクションタンク２２０とを接続する。また、配管３１４には、バルブＶ３および減圧弁ＲＶが設けられている。配管３１６は、第２蓄圧器２５４とサクションタンク２２０（配管３１４におけるバルブＶ３と減圧弁ＲＶとの間）とを接続する。なお、減圧弁ＲＶは、配管３１４におけるバルブＶ３と第１蓄圧器２５２との間、および、配管３１６におけるバルブＶ５と第２蓄圧器２５４との間に設けられてもよい。減圧弁ＲＶの設定圧力は、サクションタンク２２０の目標値よりも高い圧力とし、例えば０．６ＭＰａとする。

配管３１８は、第１蓄圧器２５２（配管３１０におけるバルブＶ２と第１の圧縮機２３０との間）と第２の圧縮機２６０の吸入口とを接続する。配管３２０は、第２蓄圧器２５４（配管３１２におけるバルブＶ４と第１の圧縮機２３０との間）と第２の圧縮機２６０の吸入口とを接続する。配管３２２は、第２の圧縮機２６０の吐出口と高圧蓄圧器２４０（配管３０６におけるバルブＶ１と高圧蓄圧器２４０との間）とを接続する。

配管３２４は、第１蓄圧器２５２（配管３１４における第１蓄圧器２５２とバルブＶ３との間）とプレクーラー１２０（配管３０８におけるバルブＶ６とプレクーラー１２０との間）とを接続する。また、配管３２４にはバルブＶ７が設けられている。配管３２６は、第２蓄圧器２５４（配管３１６における第２蓄圧器２５４とバルブＶ５との間）とプレクーラー１２０（配管３２４における第１蓄圧器２５２とバルブＶ７との間）とを接続する。

なお、上記バルブＶ６は、燃料電池自動車への水素の供給開始に伴って開弁される。具体的に説明すると、制御部２８０は、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１、および、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が、ディスペンサー１３０を燃料電池自動車に接続した際のディスペンサー１３０の水素配管の圧力Ｐｐａｄに所定値加算した値（ディスペンサー圧力）未満である場合、バルブＶ７を閉弁するとともに、バルブＶ６を開弁する。

また、制御部２８０は、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１、および、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が、ディスペンサー圧力以上である場合、バルブＶ７を開弁するとともに、バルブＶ６を閉弁する。第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１、および、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が、ディスペンサー圧力以上である場合、可変圧蓄圧器２５０に貯留されている水素を昇圧せずとも、燃料電池自動車に直接充填（供給）することができる。

したがって、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１、および、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が、ディスペンサー圧力以上である場合、制御部２８０がバルブＶ６、Ｖ７を開閉制御して、高圧蓄圧器２４０を通さず、第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４から直接燃料電池自動車に水素を送出する。かかる構成により、第１の圧縮機２３０、第２の圧縮機２６０による不要な昇圧を抑制することができ、第１の圧縮機２３０、第２の圧縮機２６０の消費エネルギーを削減することが可能となる。

（高圧水素製造システム１１０の運転処理）
続いて、上記高圧水素製造システム１１０の運転処理について説明する。ここでは、下記（Ａ）〜（Ｄ）の４つの状態における第１の圧縮機２３０、第２の圧縮機２６０、バルブＶ１〜Ｖ５の制御について説明する。

（Ａ）高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが制御上限圧力未満であり、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１、および、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が、第２の圧縮機２６０の所定の目標流量を維持可能な吸入圧力の下限値（以下、「維持下限値」と称する）を上回る場合。ここで、制御上限圧力は、常用圧力に基づいて決定される圧力であり、例えば、常用圧力より１〜２ＭＰａ低い圧力（つまり、常用圧力が８２ＭＰａである場合には８１ＭＰａ〜８２ＭＰａ）である。所定の目標流量は、水素の供給量が基準（定格）より増加する場合に、必要とされる流量（能力）である。なお、この目標流量は、水素ステーション１００の事業者や設計者によって任意に設定される。

図３は、状態（Ａ）の場合の制御部２８０の処理を説明する図である。なお、図３中、水素の流れを矢印で示す。なお、状態（Ａ）の場合、水素製造装置２１０は停止状態である。状態（Ａ）の場合、制御部２８０は、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を開弁し、第１の圧縮機２３０および第２の圧縮機２６０を駆動する。そうすると、図３に示すように、第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４に貯留された水素は、第２の圧縮機２６０で昇圧されて高圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。また、第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４に貯留された水素は、第１の圧縮機２３０で昇圧されて高圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。

かかる処理により、高圧蓄圧器２４０の圧力が制御上限圧力未満になった場合であっても、第１蓄圧器２５２、第２蓄圧器２５４から直ちに高圧蓄圧器２４０へ高圧（８２ＭＰａ）の水素を供給することが可能となる。したがって、高圧蓄圧器２４０を制御上限圧力に維持することができる。

（Ｂ）高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが制御上限圧力未満であり、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１が維持下限値を上回り、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が維持下限値未満である場合。

図４は、状態（Ｂ）の場合の制御部２８０の処理を説明する図である。なお、図４中、水素の流れを矢印で示す。状態（Ｂ）の場合、制御部２８０は、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ５を開弁し、Ｖ３、Ｖ４を閉弁して、第１の圧縮機２３０および第２の圧縮機２６０を駆動する。そうすると、図４に示すように、第１蓄圧器２５２に貯留された水素は、第２の圧縮機２６０で昇圧されて高圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。また、第２蓄圧器２５４に貯留された水素は、第１の圧縮機２３０で昇圧されて高圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。

（Ｃ）高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが制御上限圧力以上であり、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１が維持下限値を上回り、かつ、制御上限圧力（例えば、４０ＭＰａより１〜２Ｐａ低い圧力）未満であり、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が維持下限値未満である場合。

図５は、状態（Ｃ）の場合の制御部２８０の処理を説明する図である。なお、図５中、水素の流れを矢印で示す。状態（Ｃ）の場合、制御部２８０は、バルブＶ２、Ｖ５を開弁し、Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４を閉弁して、第１の圧縮機２３０を駆動する。そうすると、図５に示すように、第２蓄圧器２５４に貯留された水素は第１の圧縮機２３０で昇圧されて第１蓄圧器２５２に貯留されることとなる。

ここで、高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが８２ＭＰａであるということは、燃料電池自動車への水素の供給を行っていないということである。したがって、この場合、第２の圧縮機２６０を停止することで、第２の圧縮機２６０の消費エネルギーを削減することができる。

また、第１蓄圧器２５２の圧力を上昇させることができるため、次回燃料電池自動車への水素の供給を開始する際に、第２の圧縮機２６０の処理能力を高めることが可能となる。

（Ｄ）高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが制御上限圧力であり、第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａが維持下限値を上回り、かつ、制御上限圧力以下である場合。

状態（Ｄ）の場合、制御部２８０は、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を閉弁して、第１の圧縮機２３０、第２の圧縮機２６０を停止する。

なお、上記状態（Ａ）〜状態（Ｄ）に拘らず、水素製造装置２１０が水素を製造している際には、制御部２８０は、バルブＶ１を開弁し、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を閉弁して、第１の圧縮機２３０を駆動する。そうすると、水素製造装置２１０によって製造された水素は、第１の圧縮機２３０で昇圧されて高圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。そして、高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが制御上限圧力に到達すると、制御部２８０は、バルブＶ１を閉弁するとともに、バルブＶ２を開弁して、第１の圧縮機２３０を駆動する。そうすると、水素製造装置２１０によって製造された水素は、第１の圧縮機２３０で昇圧されて第１蓄圧器２５２に貯留されることとなる。そして、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１が制御上限圧力に到達すると、制御部２８０は、バルブＶ２を閉弁するとともに、バルブＶ４を開弁し、第２蓄圧器２５４への水素の貯留を開始する。こうして、水素製造装置２１０によって製造された水素は、第１の圧縮機２３０で昇圧されて第２蓄圧器２５４に貯留されることとなる。そして、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が制御上限圧力となると、制御部２８０は、バルブＶ４を閉弁するとともに、第１の圧縮機２３０を停止する。このように、高圧蓄圧器２４０への水素の貯留は、第１蓄圧器２５２への水素の貯留より優先して行われ、第１蓄圧器２５２への水素の貯留は、第２蓄圧器２５４への水素の貯留より優先して行われることとなる。

なお、水素製造装置２１０は、停止状態である場合に、下記式（１）が成立すると、開始処理（起動シーケンス）を遂行する。
Ｗ＋Ｚ≦Ｘ−Ｙ …式（１）
ここで、Ｗは、第１蓄圧器２５２が、所定の圧力Ｐ０（Ａ）から維持下限値まで蓄圧できる水素量を示し、Ｘは、水素製造装置２１０が起動されて最大出力（１００％出力）に達するまでに予想される水素需要量を示す。また、Ｙは、水素製造装置２１０で製造される水素量を示し、Ｚは、第２蓄圧器２５４が、所定の圧力Ｐ０（Ｂ）から最小の圧力値（第１の圧縮機２３０の吸入圧力の下限値（所定の能力が保障される吸入圧力の下限値）、例えば、０．６ＭＰａ）まで蓄圧できる水素量を示す。なお、上記Ｐ０（Ａ）は、第１蓄圧器２５２における水素製造装置２１０の起動圧力条件値であり、Ｐ０（Ｂ）は、第２蓄圧器２５４における水素製造装置２１０の起動圧力条件値である。

具体的に説明すると、下記条件１〜条件３の場合、上記式（１）が成立することから、水素製造装置２１０は起動シーケンスを遂行し、下記条件４の場合、上記式（１）が成立せず、水素製造装置２１０は起動シーケンスを遂行しない。

（条件１）維持下限値<Ｐ０（Ａ）＝Ｐｖｐａ１（第１蓄圧器２５２の現在の圧力）、０．６ＭＰａ<Ｐ０（Ｂ）＝Ｐｖｐａ２（第２蓄圧器２５４の現在の圧力）
この場合、０<Ｗ、０<Ｚとなり、下記式（２）が成立することから、上記式（１）が成立することとなる。
Ｗ＋Ｚ＝Ｘ−Ｙ …式（２）
なお、維持下限値<Ｐ０（Ａ）＝Ｐｖｐａ１であり、０．６ＭＰａ＝Ｐ０（Ｂ）＝Ｐｖｐａ２である場合にはＺ＝０となり、下記式（３）が成立する。
Ｗ＝Ｘ−Ｙ …式（３）
この場合、高圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｈｐａが制御上限圧力未満であると、制御部２８０は、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を開弁し、Ｖ４、Ｖ５を閉弁して、第１の圧縮機２３０および第２の圧縮機２６０を駆動する。そうすると、第１蓄圧器２５２に貯留された水素は、第１の圧縮機２３０および第２の圧縮機２６０で昇圧されて高圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。

（条件２）維持下限値＝Ｐ０（Ａ）＝Ｐｖｐａ１、０．６ＭＰａ<Ｐ０（Ｂ）<Ｐｖｐａ２
この場合、Ｗ＝０、０<Ｚとなり、下記式（４）が成立することから、上記式（１）が成立することとなる。
Ｚ＝Ｘ−Ｙ …式（４）

（条件３）Ｐ０（Ａ）＝Ｐｖｐａ１<維持下限値、０．６ＭＰａ<Ｐ０（Ｂ）＝Ｐｖｐａ２（水素の供給量を基準（定格）より増加させる必要がない場合）
この場合、Ｗ<０、０<Ｚとなり、下記式（５）が成立することから、上記式（１）が成立することとなる。
Ｗ＋Ｚ＝Ｘ−Ｙ …式（５）

（条件４）Ｐ０（Ａ）<Ｐｖｐａ１、０．６ＭＰａ<Ｐ０（Ｂ）<Ｐｖｐａ２
この場合、下記式（６）が成立し、上記式（１）が成立しなくなることから、水素製造装置２１０は起動シーケンスを遂行しない。
Ｗ＋Ｚ>Ｘ−Ｙ …式（６）

なお、上記条件１〜条件４において、Ｚ＝０、または、Ｗ＝０である場合、Ｐ０（Ａ）、Ｐ０（Ｂ）は、任意の一次関数で決定される固定値となる。

一方、０<Ｚ、０<Ｗの場合（Ｗ＋Ｚ＝Ｘ−Ｙが成立する場合）、Ｐ０（Ａ）、Ｐ０（Ｂ）は、任意の二次関数で決定される変数となる。例えば、０<Ｚ、０<Ｗの場合、Ｐｖｐａ１、Ｐｖｐａ２に基づき、Ｗ、Ｚを送出し、Ｗ＋Ｚ≦Ｘ−Ｙが成立すれば、水素製造装置２１０は起動シーケンスを遂行することとなる。

また、水素製造装置２１０が水素を製造している場合（通常運転処理中、出力低下処理中、出力増加処理中）、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が制御上限圧力未満であり、かつ、所定の圧力Ｐ１と等しい場合、停止処理（停止シーケンス）を遂行する（なお、この際、第１蓄圧器２５２と第２蓄圧器２５４とは連通されていない）。ここで、圧力Ｐ１は、水素製造装置２１０が停止処理に移行した後、製造されるすべての水素を第２蓄圧器２５４に貯留しても、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が制御上限圧力を上回らないように設計された設計値である。

また、水素製造装置２１０が水素を製造している場合（通常運転処理中、出力低下処理中、出力増加処理中）、第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が制御上限圧力未満であり、かつ、所定の圧力Ｐ２と等しい場合、停止処理（停止シーケンス）を遂行する（なお、この際、第１蓄圧器２５２と第２蓄圧器２５４とは連通されている）。ここで、圧力Ｐ２は、水素製造装置２１０が停止処理に移行した後、製造されるすべての水素を第１蓄圧器２５２および第２蓄圧器２５４に貯留しても、第１蓄圧器２５２の圧力Ｐｖｐａ１および第２蓄圧器２５４の圧力Ｐｖｐａ２が制御上限圧力を上回らないように設計された設計値である。

（変形例）
上記実施形態では、第２の圧縮機２６０としてブースタ型圧縮機を例に挙げて説明した。しかし、第２の圧縮機２６０は、吸入圧力の上限値が吐出圧力未満である圧縮機、つまり、所謂レシプロ型圧縮機や、ダイヤフラム型圧縮機で構成されてもよい。この場合、第２の圧縮機２６０が動作できる吸入圧力（吸い込み圧力）の圧力範囲（以下、「動作圧力範囲」と称する）は、下限値が３０ＭＰａ程度、上限値が４０ＭＰａ程度と、上記ブースタ型圧縮機と比較して動作圧力範囲が狭い。しかし、レシプロ型圧縮機や、ダイヤフラム型圧縮機の方が、ブースタ型圧縮機より、処理流量に対し、消費電力を少なく、また、設備コストを少なくすることができる。

したがって、変形例にかかる第２の圧縮機２６０であっても、水素ステーション１００に立ち寄る燃料電池自動車の数が増加した場合に、短時間で高圧蓄圧器２４０の貯留量を増加させることができ、高圧蓄圧器２４０自体の容量（本数）を増加させずとも、燃料電池自動車への水素供給量（水素を供給できる燃料電池自動車の数）を増加させることが可能となる。

さらに、レシプロ型圧縮機や、ダイヤフラム型圧縮機は、高圧蓄圧器２４０と比較して、コストが安い。したがって、レシプロ型圧縮機や、ダイヤフラム型圧縮機で構成される第２の圧縮機２６０を備えるだけの構成で、水素ステーション１００の建設費を削減しつつ、高圧蓄圧器２４０を増加させた場合と同様に燃料電池自動車に供給する水素量を増加させることが可能となる。

また、変形例の第２の圧縮機２６０を備えた高圧水素製造システム１１０では、上記状態（Ｃ）の場合、第１蓄圧器２５２は水素を３０ＭＰａ程度以上に維持しなければならない。したがって、制御部２８０が、バルブＶ２、Ｖ５を開弁し、Ｖ１、Ｖ３、Ｖ４を閉弁して、第１の圧縮機２３０を駆動することで、第２蓄圧器２５４に貯留された水素を第１の圧縮機２３０の吸入圧力（０．６ＭＰａ）まで消費する動作を行う。

（建設費の比較）
水素ステーション１００の建設費についてシミュレーションを行ったところ、高圧蓄圧器２４０を４本備え、第１の圧縮機２３０を１つ備える構成を基準として、基準の２倍の水素を１時間で供給するためには、基準の２．５倍程度の建設費を要することが分かった。また、基準の３倍の水素を１時間で供給するためには、基準の４倍程度の建設費を要し、基準の４倍の水素を１時間で供給するためには、基準の５．５倍程度の建設費を要することとなる。

一方、基準の構成に第２の圧縮機２６０（ブースタ型圧縮機）を追加した場合、基準の２倍の水素を１時間で供給するためであっても、基準の２倍程度の建設費（第１の圧縮機２３０を１つ備える構成を基準とすると２．５倍を要するところ）に抑えることができる。また、基準の３倍の水素を１時間で供給するためであっても、基準の３倍程度の建設費（第１の圧縮機２３０を１つ備える構成を基準とすると４倍を要するところ）に抑えることができ、基準の４倍の水素を１時間で供給するためであっても、基準の３．９倍程度の建設費（第１の圧縮機２３０を１つ備える構成を基準とすると５．５倍を要するところ）に抑えることができる。

また、基準の構成に第２の圧縮機２６０（レシプロ型圧縮機や、ダイヤフラム型圧縮機）を追加した場合、基準の２倍の水素を１時間で供給するためであっても、基準の２．３倍程度の建設費に抑えることができる。また、基準の３倍の水素を１時間で供給するためであっても、基準の２．９倍程度の建設費に抑えることができ、基準の４倍の水素を１時間で供給するためであっても、基準の３．６倍程度の建設費に抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態の高圧水素製造システム１１０によれば、第２の圧縮機２６０を備えるだけといった簡易な構成で、水素ステーション１００の建設費を削減しつつ、高圧蓄圧器２４０を増加させた場合と同様に燃料電池自動車に供給する水素量を増加させ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、減圧弁ＲＶ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、第２の圧縮機２６０として、ブースタ型圧縮機、または、レシプロ型圧縮機やダイヤフラム型圧縮機を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、２種類の第２の圧縮機２６０、つまり、ブースタ型圧縮機、および、レシプロ型圧縮機やダイヤフラム型圧縮機を備えるとしてもよい。

また、上記実施形態において、可変圧蓄圧器２５０を第１蓄圧器２５２と第２蓄圧器２５４とに分ける構成を例に挙げて説明した。しかし、可変圧蓄圧器２５０を複数に分けずともよい。

また、上記実施形態において、制御上限圧力として、常用圧力より１〜２ＭＰａ低い圧力を例に挙げて説明したが、制御上限圧力と常用圧力が等しくてもよい。

また、上記実施形態において、水素ステーション１００の供給先が燃料電池自動車である場合を例に挙げて説明した。しかし、水素ステーション１００の供給先は、燃料電池自動車に限定されず、水素を利用して駆動力を発生させる車両（二輪車等）、船舶等であってもよい。

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第１の圧縮機
２４０高圧蓄圧器
２５０可変圧蓄圧器
２５２第１蓄圧器
２５４第２蓄圧器
２６０第２の圧縮機
２８０制御部

Claims

水素を製造する水素製造装置と、
前記水素製造装置から出力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可変圧蓄圧器と、
前記可変圧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１の圧縮機によって昇圧された水素、および、前記第２の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する高圧蓄圧器と、
を備えたことを特徴とする高圧水素製造システム。
前記第２の圧縮機は、吸入圧力の上限値を吐出圧力とすることが可能であ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。
前記第２の圧縮機は、吸入圧力の上限値が吐出圧力未満であ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。
前記可変圧蓄圧器は、第１蓄圧器と、第２蓄圧器とを有し、
前記高圧蓄圧器の圧力が所定の常用圧力に基づく制御上限圧力未満であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器の圧力が前記第２の圧縮機の所定の目標流量を維持可能な吸入圧力の下限値である維持下限値を上回る場合、該第１蓄圧器および該第２蓄圧器に貯留された水素を該第２の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させ、該高圧蓄圧器の圧力が該制御上限圧力未満であり、該第１蓄圧器および該第２蓄圧器のいずれか一方の圧力が該維持下限値を上回り、他方の圧力が該維持下限値未満である場合、該一方の蓄圧器に貯留された水素を前記第２の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させる制御部を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。
前記制御部は、前記高圧蓄圧器の圧力が前記制御上限圧力未満であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器の圧力が前記維持下限値を上回る場合、該第１蓄圧器および該第２蓄圧器に貯留された水素を前記第１の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させることを特徴とする請求項４に記載の高圧水素製造システム。
前記制御部は、前記高圧蓄圧器の圧力が前記制御上限圧力未満であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器のいずれか一方の圧力が前記維持下限値を上回り、他方の圧力が該維持下限値未満である場合、該他方の蓄圧器に貯留された水素を前記第１の圧縮機で昇圧させて該高圧蓄圧器に貯留させることを特徴とする請求項４に記載の高圧水素製造システム。
前記制御部は、前記高圧蓄圧器の圧力が前記制御上限圧力以上であり、前記第１蓄圧器および前記第２蓄圧器のいずれか一方の圧力が前記維持下限値を上回り、かつ、他方の圧力が前記維持下限値未満である場合、該他方の蓄圧器に貯留された水素を前記第１の圧縮機で昇圧させて該一方の蓄圧器に貯留させることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の高圧水素製造システム。