JP2020024021A - 水素ステーション - Google Patents

Abstract

【課題】水素を効率よく利用する。【解決手段】水素ステーションは、タンクに接続される供給管１５２に設けられた流量調整弁１５４と、水素源に接続された圧縮機１２０と、圧縮機１２０の吐出側と流量調整弁１５４とを接続する直接充填管２４０と、直接充填管２４０と貯留部（高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃ）とを接続する接続管２５０、２５０Ａ〜２５０Ｃと、接続管２５０、２５０Ａ〜２５０Ｃに設けられた保圧弁２５２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、タンクに水素を供給する水素ステーションに関する。

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。燃料電池自動車のタンクへの水素の充填方式として、直接充填方式と、差圧充填方式の２つの方式が考案されている（例えば、特許文献１）。直接充填方式は、水素を昇圧する圧縮機を備え、圧縮機からタンクに直接水素を充填する方式である。差圧充填方式は、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み、蓄圧器に貯留された水素を差圧でタンクに充填する方式である。

特許第６０７７５６５号公報

水素ステーションにおいて、水素を効率よく利用する技術の開発が希求されている。

本発明は、水素を効率よく利用することが可能な水素ステーション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、本発明の水素ステーションは、タンクに接続される供給管に設けられた流量調整弁と、水素源に接続された圧縮機と、圧縮機の吐出側と流量調整弁とを接続する直接充填管と、直接充填管と貯留部とを接続する接続管と、接続管に設けられた保圧弁と、を備える。

また、圧縮機の吐出側と貯留部とを接続し、第１開閉弁が設けられた第１差圧充填管と、貯留部と流量調整弁とを接続し、第２開閉弁が設けられた第２差圧充填管と、を備えてもよい。

また、貯留部を複数備え、保圧弁が開弁されることによって接続管を通過する水素を、貯留部のうち、相対的に高圧の貯留部に供給する制御部を備えてもよい。

また、圧縮機の吐出側と吸入側とを接続するバイパス管と、バイパス管に設けられた可変圧蓄圧器と、を備えてもよい。

また、圧縮機の吐出側と吸入側とを接続するバイパス管を備え、貯留部は、バイパス管に設けられてもよい。

また、圧縮機の吐出側と高圧蓄圧器とを接続し、第１開閉弁が設けられた第１差圧充填管と、高圧蓄圧器と流量調整弁とを接続し、第２開閉弁が設けられた第２差圧充填管と、を備えてもよい。

本発明によれば、水素を効率よく利用することが可能となる。

第１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。 圧力と流量との関係を説明する図である。 充填機構を説明する図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第１の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第２の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第３の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第４の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第５の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第６の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第７の図である。 開閉弁の開閉状態を説明する第８の図である。 第２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。

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。

（第１実施形態：水素ステーション１００）
図１は、第１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。なお、図１中、水素の流れを実線の矢印で示す。水素ステーション１００は、車両１０や船舶、飛行機等に搭載されたタンクに水素を充填（供給）する。なお、本実施形態では、車両１０のタンクに水素を供給する構成を例に挙げて説明する。また、車両１０は、燃料電池を搭載した車両であり、例えば、乗用車、バス、トラック、バイク（二輪車）である。

図１に示すように、水素ステーション１００は、水素源１１０と、圧縮機１２０と、充填機構２００と、ステーション制御部１３０（制御部）と、ディスペンサ１５０とを含む。

水素源１１０は、例えば、水素製造装置、または、水素トレーラーであり、水素を出力する。水素製造装置は、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して出力する。また、水素製造装置は、水電解装置であってもよい。水素トレーラーは、圧縮された水素が充填された高圧容器を積載する。なお、水素源１１０が水素製造装置である場合、水素ステーション１００は、オンサイト型と呼ばれる。一方、水素源１１０が水素トレーラーである場合、水素ステーション１００は、オフサイト型と呼ばれる。

圧縮機１２０は、水素源１１０に接続される。圧縮機１２０は、水素源１１０から出力された水素（例えば、０．６ＭＰａ）を圧縮して、例えば、８２ＭＰａに昇圧する。圧縮機１２０の吐出側（出口）は、後述する充填機構２００に接続される。充填機構２００については、後に詳述する。

ステーション制御部１３０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。ステーション制御部１３０は、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す。ステーション制御部１３０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して水素ステーション１００全体を管理および制御する。

ディスペンサ１５０は、供給管１５２と、流量調整弁１５４と、プレクーラー１６０と、流量測定部１７０と、圧力測定部１７２と、外気温測定部１７４と、ディスペンサ制御部１８０と、メモリ１９０とを含む。

供給管１５２は、車両１０のタンクに接続される。流量調整弁１５４は、供給管１５２に設けられる。充填機構２００の出力側は、流量調整弁１５４に接続される。流量調整弁１５４は、充填機構２００から供給される水素の流量を調整する。

プレクーラー１６０は、供給管１５２に設けられる。プレクーラー１６０は、水素を所定温度（例えば、−４０℃）に冷却する。プレクーラー１６０によって冷却された水素は、供給管１５２を介して、車両１０のタンクに供給されることとなる。

流量測定部１７０は、車両１０（タンク）に供給される水素の流量を測定する。流量測定部１７０によって測定された流量は、課金に利用される。

圧力測定部１７２は、車両１０に供給される水素の圧力を測定する。なお、圧力測定部１７２は、供給管１５２におけるプレクーラー１６０の下流側を通過する水素の圧力を測定する。このため、供給管１５２がタンクに接続されている場合には、間接的にタンクの圧力を測定することとなる。外気温測定部１７４は、外気温を測定する。

ディスペンサ制御部１８０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。ディスペンサ制御部１８０は、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す。ディスペンサ制御部１８０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働してディスペンサ１５０全体を管理および制御する。

メモリ１９０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成される。メモリ１９０は、ディスペンサ制御部１８０に用いられるプログラムや各種データを記憶する。メモリ１９０は、例えば、後述する充填プロトコル（充填技術基準）で定められた充填条件テーブル（または、充填条件）を記憶する。

本実施形態において、ディスペンサ制御部１８０は、通信部１８２、推定部１８４、決定部１８６、調整部１８８として機能し、所定の圧力上昇率（後述する目標圧力上昇率）でタンクに水素が供給されるように、流量調整弁１５４の開度を調整する。

通信部１８２は、車両１０の通信手段と通信を確立し、車両１０に搭載されているタンクの容積と、タンクの常用圧力（最大許容圧力）とを車両１０から受信する。

推定部１８４は、車両１０に搭載されたタンクの残圧（タンクに貯留されている水素の残量）を推定する。具体的に説明すると、推定部１８４は、供給管１５２がタンクに接続された状態で、後述する開閉弁２３２Ａを開弁し、流量調整弁１５４の開度を徐々に大きくさせる（流量を上昇させる）とともに、圧力測定部１７２から圧力を取得し、単位流量あたりの圧力上昇幅を導出する。タンクに水素を供給する際に、流量を徐々に上昇させていくと、供給開始からタンクの残圧に到達するまでは、単位流量あたりの圧力上昇幅が大きい。一方、タンクの残圧に到達すると、流量を上昇させたとしても単位流量あたりの圧力上昇幅が小さくなる。そこで、推定部１８４は、単位流量あたりの圧力上昇幅が所定値未満となった圧力をタンクの残圧と推定し、このタンクの残圧を水素の供給を開始する初期圧力として扱うこととする。

決定部１８６は、タンクに供給する水素の目標圧力上昇率を決定する。本実施形態において、決定部１８６は、メモリ１９０に記憶された複数の充填条件テーブルから１の充填条件テーブルを参照して、目標圧力上昇率を決定する。

充填条件テーブルは、水素の温度をタンクの耐熱温度未満としつつ、短時間で供給を行うことができる目標圧力上昇率を決定するために、充填プロトコルで定められたテーブルである。充填条件テーブルでは、外気温度（℃）と、目標圧力上昇率（ＭＰａ／ｍｉｎ）と、目標圧力（ＭＰａ）と、初期圧力（ＭＰａ）とが関連付けられている。メモリ１９０には、タンクの常用圧力、プレクーラー１６０による水素の冷却温度（水素の供給温度）、タンクの容積ごとに設けられた複数の充填条件テーブルが記憶されている。

決定部１８６は、通信部１８２が受信したタンクの容積と、タンクの常用圧力と、プレクーラー１６０による水素の冷却温度（供給温度）とに基づいて、まず、１の充填条件テーブルを決定する。そして、決定部１８６は、決定した１の充填条件テーブルを参照し、外気温測定部１７４が測定した外気温度と、推定部１８４が推定した初期圧力とに基づいて、目標圧力上昇率および目標圧力を決定する。

図２は、圧力と流量との関係を説明する図である。図２に示すように、一定の目標圧力上昇率となるように水素をタンクに供給しようとすると、供給する流量を変動させなければならない。そこで、調整部１８８は、タンクの圧力上昇率（圧力測定部１７２によって測定された圧力の上昇率）が、決定部１８６によって決定された目標圧力上昇率となるように、流量調整弁１５４の開度を調整する。そして、調整部１８８は、圧力測定部１７２が測定した圧力が、目標圧力に到達すると、流量調整弁１５４を閉弁して、タンクへの水素の供給を終了する。

このように、流量調整弁１５４を備える構成により、水素ステーション１００は、圧縮機１２０の吐出流量を制御（インバータ制御およびスピルバック制御等）する従来の直接充填方式と比較して、流量を容易に制御することができる。

（充填機構２００）
続いて、上記充填機構２００について説明する。図３は、充填機構２００を説明する図である。なお、図３中、水素の流れを実線の矢印で示す。図３に示すように、充填機構２００は、第１差圧充填管２１０、２１０Ａ〜２１０Ｃと、開閉弁（第１開閉弁）２１２Ａ〜２１２Ｃと、複数の高圧蓄圧器（貯留部）２２０Ａ〜２２０Ｃと、第２差圧充填管２３０、２３０Ａ〜２３０Ｃと、開閉弁（第２開閉弁）２３２Ａ〜２３２Ｃと、直接充填管２４０と、開閉弁２４２と、接続管２５０、２５０Ａ〜２５０Ｃと、保圧弁２５２と、開閉弁２５４Ａ〜２５４Ｃとを含む。

第１差圧充填管２１０は、圧縮機１２０の吐出側と、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃとを接続する。本実施形態において、第１差圧充填管２１０は、一端が圧縮機１２０の吐出側に接続され、他端が複数（ここでは３）の第１差圧充填管２１０Ａ〜２１０Ｃに分岐される。第１差圧充填管２１０Ａは、高圧蓄圧器２２０Ａに接続される。第１差圧充填管２１０Ｂは、高圧蓄圧器２２０Ｂに接続される。第１差圧充填管２１０Ｃは、高圧蓄圧器２２０Ｃに接続される。

開閉弁２１２Ａは、第１差圧充填管２１０Ａに設けられる。開閉弁２１２Ｂは、第１差圧充填管２１０Ｂに設けられる。開閉弁２１２Ｃは、第１差圧充填管２１０Ｃに設けられる。

高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃは、圧縮機１２０によって昇圧された水素を貯留する。高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃの常用圧力は、例えば、８２ＭＰａである。また、本実施形態において、水素ステーション１００は、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃ全体で、１台の乗用車のタンクを満充填するために必要な水素を貯留するように設計される。

第２差圧充填管２３０は、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃと、流量調整弁１５４とを接続する。本実施形態において、第２差圧充填管２３０は、一端が複数（ここでは３）の第２差圧充填管２３０Ａ〜２３０Ｃに分岐され、他端が流量調整弁１５４に接続される。第２差圧充填管２３０Ａは、高圧蓄圧器２２０Ａに接続される。第２差圧充填管２３０Ｂは、高圧蓄圧器２２０Ｂに接続される。第２差圧充填管２３０Ｃは、高圧蓄圧器２２０Ｃに接続される。

開閉弁２３２Ａは、第２差圧充填管２３０Ａに設けられる。開閉弁２３２Ｂは、第２差圧充填管２３０Ｂに設けられる。開閉弁２３２Ｃは、第２差圧充填管２３０Ｃに設けられる。

直接充填管２４０は、圧縮機１２０の吐出側と、流量調整弁１５４とを接続する。開閉弁２４２は、直接充填管２４０に設けられる。

接続管２５０は、直接充填管２４０と、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃとを接続する。本実施形態において、接続管２５０は、直接充填管２４０における開閉弁２４２と流量調整弁１５４との間から分岐され、第１差圧充填管２１０Ａ〜２１０Ｃを介して、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに接続される。接続管２５０は、一端が直接充填管２４０に接続され、他端が接続管２５０Ａ〜２５０Ｃに分岐される。接続管２５０Ａは、第１差圧充填管２１０Ａに接続される。接続管２５０Ｂは、第１差圧充填管２１０Ｂに接続される。接続管２５０Ｃは、第１差圧充填管２１０Ｃに接続される。

保圧弁２５２は、接続管２５０に設けられる。保圧弁２５２は、直接充填管２４０の圧力が所定の保圧圧力を上回ると開弁する。保圧圧力は、例えば、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃの常用圧力である。

開閉弁２５４Ａは、接続管２５０Ａに設けられる。開閉弁２５４Ｂは、接続管２５０Ｂに設けられる。開閉弁２５４Ｃは、接続管２５０Ｃに設けられる。

（ステーション制御部１３０による圧縮機１２０および充填機構２００の制御）
続いて、ステーション制御部１３０による圧縮機１２０および充填機構２００の制御について、図４〜図１１を用いて説明する。図４〜図１１は、開閉弁２１２Ａ〜２１２Ｃ、２３２Ａ〜２３２Ｃ、２４２、２５４Ａ〜２５４Ｃの開閉状態を説明する図である。なお、図４〜図１１中、閉弁状態を黒で示し、開弁状態を白で示し、水素の流れを実線の矢印で示す。また、開閉弁２１２Ａ〜２１２Ｃ、２３２Ａ〜２３２Ｃ、２４２、２５４Ａ〜２５４Ｃが閉弁されており、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃの圧力が常用圧力である場合を例に挙げて説明する。また、水素ステーション１００が、乗用車よりタンクの容量が大きい、バス（車両１０）に水素を供給する場合を例に挙げる。

図４に示すように、ステーション制御部１３０は、供給管１５２が車両１０のタンクに接続されたら、開閉弁２３２Ａを開弁する。そうすると、高圧蓄圧器２２０Ａから、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。

高圧蓄圧器２２０Ａが所定の圧力未満になると、図５に示すように、ステーション制御部１３０は、圧縮機１２０の運転を開始させ、開閉弁２１２Ａを開弁する。そうすると、開閉弁２１２Ａを通じて、圧縮機１２０から高圧蓄圧器２２０Ａへ、復圧のための水素が供給される。

そして、流量測定部１７０によって測定された流量が所定の下限流量未満になると、図６に示すように、ステーション制御部１３０は、開閉弁２３２Ａを閉弁して、開閉弁２３２Ｂを開弁する。そうすると、高圧蓄圧器２２０Ｂから、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。なお、下限流量は、上記目標圧力上昇率を維持できる流量の下限値である。

高圧蓄圧器２２０Ｂが所定の圧力未満になると、図７に示すように、ステーション制御部１３０は、開閉弁２１２Ａを閉弁し、開閉弁２１２Ｂを開弁する。そうすると、開閉弁２１２Ｂを通じて、圧縮機１２０から高圧蓄圧器２２０Ｂへ、復圧のための水素が供給される。

その後、流量測定部１７０によって測定された流量が下限流量未満になると、図８に示すように、ステーション制御部１３０は、開閉弁２３２Ｂを閉弁して、開閉弁２３２Ｃを開弁する。そうすると、高圧蓄圧器２２０Ｃから、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。

高圧蓄圧器２２０Ｃが所定の圧力未満になると、図９に示すように、ステーション制御部１３０は、開閉弁２１２Ｂを閉弁し、開閉弁２１２Ｃを開弁する。そうすると、開閉弁２１２Ｃを通じて、圧縮機１２０から高圧蓄圧器２２０Ｃへ、復圧のための水素が供給される。

続いて、流量測定部１７０によって測定された流量が下限流量未満になると、図１０に示すように、ステーション制御部１３０は、開閉弁２１２Ｃを閉弁し、開閉弁２３２Ｃを閉弁して、開閉弁２４２、２５４Ｃを開弁する。なお、ステーション制御部１３０は、圧縮機１２０を定格で運転させる。そうすると、圧縮機１２０から、直接充填管２４０、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。

なお、この際、流量調整弁１５４の開度によっては、直接充填管２４０の圧力が、保圧圧力を上回る場合がある。具体的に説明すると、タンクが所定の圧力以上になると、タンクの温度が上昇し、圧縮係数が上昇する。そうすると、供給される水素の流量が同じであっても、圧力上昇率が大きくなってしまう。したがって、タンクが所定の圧力以上になると、ディスペンサ制御部１８０は、目標圧力上昇率を維持すべく、流量調整弁１５４の開度を小さくして、タンクに供給される水素の流量を小さくする。この場合、直接充填管２４０の圧力が、保圧圧力を上回る。そうすると、保圧弁２５２が開弁され、接続管２５０、２５０Ｃを通じて、余剰の水素が高圧蓄圧器２２０Ｃに供給されることになる。

高圧蓄圧器２２０Ｃが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２５４Ｃを閉弁して、開閉弁２５４Ｂを開弁する。その後、ステーション制御部１３０は、高圧蓄圧器２２０Ｂが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２５４Ｂを閉弁して、開閉弁２５４Ａを開弁する。

そして、圧力測定部１７２が測定した圧力が、目標圧力に到達すると、図１１に示すように、ステーション制御部１３０は、開閉弁２４２、２５４Ａを閉弁して、タンクへの水素の供給を終了する。また、ステーション制御部１３０は、高圧蓄圧器２２０Ａが常用圧力まで復圧していなければ、開閉弁２１２Ａを開弁する。

なお、余剰の水素によって高圧蓄圧器２２０Ｃが常用圧力まで復圧する前に目標圧力に到達した場合、ステーション制御部１３０は、開閉弁２５４Ｃを閉弁し、開閉弁２１２Ｃを開弁して、高圧蓄圧器２２０Ｃを復圧し、高圧蓄圧器２２０Ｃが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２１２Ｂを開弁する。その後、ステーション制御部１３０は、高圧蓄圧器２２０Ｂが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２１２Ｂを閉弁して、開閉弁２１２Ａを開弁する。

また、余剰の水素によって高圧蓄圧器２２０Ｂが常用圧力まで復圧する前に目標圧力に到達した場合、ステーション制御部１３０は、開閉弁２５４Ｂを閉弁し、開閉弁２１２Ｂを開弁して、高圧蓄圧器２２０Ｂを復圧し、高圧蓄圧器２２０Ｂが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２１２Ｂを閉弁して、開閉弁２１２Ａを開弁する。

そして、高圧蓄圧器２２０Ａが常用圧力まで復圧したら、ステーション制御部１３０は、開閉弁２１２Ａを閉弁して、圧縮機１２０を停止する。

以上説明したように、本実施形態の水素ステーション１００は、直接充填管２４０を備える構成により、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃによって差圧充填可能な水素の量よりも大容量のタンクを搭載した車両１０に水素を供給する場合、高速で水素を供給することができる。具体的に説明すると、直接充填管２４０を備えない従来の差圧充填方式では、高圧蓄圧器２２０Ｃからタンクへ水素を供給できなくなった後、すなわち、高圧蓄圧器２２０Ｃとタンクとが均圧になった後、高圧蓄圧器２２０Ｃを通じなければ、圧縮機１２０からタンクに水素を供給できない。したがって、タンクのみならず、高圧蓄圧器２２０Ｃにも水素を充填することになり、タンクへの水素の充填速度が低くなってしまっていた。例えば、圧縮機１２０の吐出量をＸ、タンクの容量をａ、高圧蓄圧器２２０Ｃの容量をｂとすると、タンクに充填される水素の量＝Ｘ×（ａ／（ａ＋ｂ））となる。

これに対し、本実施形態の水素ステーション１００は、高圧蓄圧器２２０Ｃからタンクへ水素を供給できなくなった後、圧縮機１２０によって昇圧された水素を直接充填管２４０からタンクへ供給することができる。つまり、高圧蓄圧器２２０Ｃを経由せずとも圧縮機１２０からタンクへ直接水素を供給することが可能となる。したがって、タンクのみに水素を供給することができ、タンクへの水素の供給速度を上昇させることができる。

また、本実施形態の水素ステーション１００は、複数の高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃを備え、それぞれの高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃが異なるタイミングでタンクに接続される。具体的に説明すると、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃからタンクへの水素の充填は、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃと、タンクとの差圧によって為される。したがって、例えば、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃが同時にタンクに接続される場合、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃとタンクとが均圧になったら、これ以上水素を充填することができない。

これに対し、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃを異なるタイミングでタンクに接続する場合、例えば、まず、高圧蓄圧器２２０Ａをタンクに接続すると、高圧蓄圧器２２０Ａとタンクとが均圧になる。しかし、高圧蓄圧器２２０Ｂは、タンクの圧力より高圧であるため、高圧蓄圧器２２０Ｂをタンクに接続すると、高圧蓄圧器２２０Ｂからタンクに水素を差圧充填することができる。また、高圧蓄圧器２２０Ｂとタンクとが均圧になっても、高圧蓄圧器２２０Ｃは、タンクの圧力より高圧である。したがって、高圧蓄圧器２２０Ｃをタンクに接続すると、高圧蓄圧器２２０Ｃからタンクに水素を差圧充填することができる。つまり、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃが同時にタンクに接続される場合と比較して、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃからタンクへ差圧充填される水素の量を多くすることができる。

さらに、本実施形態の水素ステーション１００は、圧縮機１２０の吐出流量を制御（インバータ制御およびスピルバック制御等）する従来の直接充填方式と比較して、余剰の水素を高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに貯留することができるため、圧縮機１２０の吐出流量を定格に維持することが可能となる。これにより、圧縮機１２０を効率よく運転することができる。

また、本実施形態の水素ステーション１００は、接続管２５０、２５０Ａ〜２５０Ｃ、および、保圧弁２５２を備えるため、直接充填管２４０で余剰の水素を高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに貯留することができる。これにより、余剰の水素を廃棄する事態を回避することができ、水素を効率よく利用することが可能となる。

さらに、水素ステーション１００は、開閉弁２５４Ａ〜２５４Ｃを備えるため、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃが常用圧力である場合に、さらに、余剰の水素が供給されてしまう事態を回避することができる。

また、本実施形態の水素ステーション１００において、直接充填管２４０で余剰の水素は、まず、残圧が最も高圧の高圧蓄圧器２２０Ｃに、次に、高圧蓄圧器２２０Ｂに、最後に、残圧が最も低圧の高圧蓄圧器２２０Ａに供給される。つまり、保圧弁２５２が開弁することによって接続管２５０を通過する水素は、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃのうち、相対的に高圧の高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに供給される。これにより、常用圧力に復圧した高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃを早期に確保することができる。

（第２実施形態：水素ステーション３００）
図１２は、第２実施形態にかかる水素ステーション３００を説明するための図である。なお、図１２中、水素の流れを実線の矢印で示す。図１２に示すように、本実施形態において、水素ステーション３００は、水素製造装置（水素源）３１０と、接続管３１２と、サクションタンク３１４と、圧縮機１２０と、ステーション制御部３３０と、ディスペンサ１５０と、第１差圧充填管２１０、２１０Ａ〜２１０Ｃと、開閉弁２１２Ａ〜２１２Ｃと、複数の高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃと、第２差圧充填管２３０、２３０Ａ〜２３０Ｃと、開閉弁２３２Ａ〜２３２Ｃと、直接充填管２４０と、開閉弁２４２と、接続管３５０と、保圧弁３５２と、開閉弁３５４、３５６と、第１配管（バイパス管）３６０と、開閉弁３６２と、可変圧蓄圧器（貯留部）３７０と、第２配管（バイパス管）３８０と、開閉弁３８２と、減圧弁３８４とを含む。なお、上記水素ステーション１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

水素製造装置３１０は、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して出力する。水素製造装置３１０による水素の出力量は、運転を開始してから定格運転に到達するまでの間（開始処理期間）、定格運転よりも少ない。したがって、定格運転における水素の出力量から開始処理期間における水素の出力量を減算した分の水素が、開始運転処理期間において不足する。また、運転中に水素製造装置３１０が停止指示を受け付けた場合、水素の出力量を徐々に減らし、最終的に停止状態とする。したがって、停止指示を受け付けてから停止状態に到達するまでの間（停止処理期間）、水素が出力される。この際に出力される水素が、停止処理期間において生じる水素の余剰分となる。

水素製造装置３１０は、接続管３１２を介して圧縮機１２０の吸入側（入口）に接続されている。接続管３１２には、サクションタンク３１４が設けられている。サクションタンク３１４は、クッションタンクとして機能し、水素製造装置３１０から出力された水素の圧力変動を吸収する。

接続管３５０は、直接充填管２４０における圧縮機１２０と開閉弁２４２との間から分岐され、可変圧蓄圧器３７０に接続される。

保圧弁３５２は、接続管３５０に設けられる。保圧弁３５２は、直接充填管２４０の圧力が保圧圧力を上回ると開弁する。

開閉弁３５４は、接続管３５０における開閉弁２４２と保圧弁３５２との間（保圧弁３５２の上流側）に設けられる。開閉弁３５６は、接続管３５０における保圧弁３５２と可変圧蓄圧器３７０との間（保圧弁３５２の下流側）に設けられる。

第１配管３６０は、接続管３５０における開閉弁２４２と開閉弁３５４との間と、保圧弁３５２と開閉弁３５６との間とを接続する。つまり、第１配管３６０は、圧縮機１２０の吐出側と、可変圧蓄圧器３７０とを接続する。開閉弁３６２は、第１配管３６０に設けられる。

可変圧蓄圧器３７０は、水素製造装置３１０から出力され、圧縮機１２０によって昇圧された水素（例えば、８２ＭＰａ）を貯留する。なお、本実施形態において、可変圧蓄圧器３７０の容量は、水素製造装置３１０の開始処理期間において生じる水素の不足分と、水素製造装置３１０の停止処理期間において生じる水素の余剰分との合計を貯留できる容量である。可変圧蓄圧器３７０の常用圧力は、例えば、４０ＭＰａである。

第２配管３８０は、可変圧蓄圧器３７０と、接続管３１２におけるサクションタンク３１４と圧縮機１２０との間を接続する。つまり、第２配管３８０は、可変圧蓄圧器３７０と、圧縮機１２０の吸入側とを接続する。換言すれば、第１配管３６０および第２配管３８０は、圧縮機１２０の吐出側と吸入側とを接続する。開閉弁３８２は、第２配管３８０に設けられる。

減圧弁３８４は、第２配管３８０における開閉弁３８２と、接続管３１２との間に設けられる。減圧弁３８４の設定圧力は、圧縮機１２０の最大吸入圧力とする。減圧弁３８４を備える構成により、最大吸入圧力が可変圧蓄圧器３７０の最大許容圧力未満の圧縮機１２０（例えば、吸入圧力の範囲が０．６ＭＰａから２０ＭＰａに設計された圧縮機）を採用することができる。一般的に、相対的に低い最大吸入圧力で設計された圧縮機は、相対的に高い最大吸入圧力で設計された圧縮機よりも低コストである。したがって、減圧弁３８４を備える構成により、低コストの圧縮機１２０を採用することができ、水素ステーション３００全体の設備費を低減することが可能となる。なお、減圧弁３８４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、減圧弁３８４は、第２配管３８０における開閉弁３８２と、可変圧蓄圧器３７０との間に設けられてもよい。

ステーション制御部３３０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。ステーション制御部３３０は、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す。ステーション制御部３３０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して水素ステーション３００全体を管理および制御する。

本実施形態において、ステーション制御部３３０は、水素製造装置３１０の制御、圧縮機の制御等を行う。以下、各制御について説明する。

（ステーション制御部３３０による水素製造装置３１０の駆動制御）
ステーション制御部３３０は、可変圧蓄圧器３７０の圧力が所定の閾値と等しいか否かを判定する。ここで、閾値は、可変圧蓄圧器３７０の容量を、上記不足分と余剰分との比で按分した値に設定される。そして、ステーション制御部３３０は、可変圧蓄圧器３７０の圧力が閾値と等しいと判定すると、水素製造装置３１０の現在の出力をキープ（維持）する。

一方、可変圧蓄圧器３７０の圧力が閾値を上回る場合、ステーション制御部３３０は、水素製造装置３１０を停止させる停止処理を開始する。なお、既に停止処理が開始されている場合には、停止処理の遂行を維持する。また、可変圧蓄圧器３７０の圧力が閾値未満である場合、水素製造装置３１０の運転を開始させる（開始処理の遂行を開始する）。なお、既に開始処理の遂行が開始されている場合には、開始処理の遂行を維持する。

（ステーション制御部３３０による圧縮機１２０の制御）
ステーション制御部３３０は、サクションタンク３１４の圧力が目標値（例えば、０．５５ＭＰａ）と等しい場合、圧縮機１２０をロード（吸込・吐出量）キープする。一方、サクションタンク３１４の圧力が目標値を上回る圧力である場合、圧縮機１２０をロードアップする。また、サクションタンク３１４の圧力が目標値未満である場合、圧縮機１２０をロードダウンする。

（ステーション制御部３３０による開閉弁２１２Ａ〜２１２Ｃ、２３２Ａ〜２３２Ｃ、２４２、３６２、３８２の制御）
ここでは、開閉弁２１２Ａ〜２１２Ｃ、２３２Ａ〜２３２Ｃ、２４２、３６２、３８２が閉弁されており、開閉弁３５４、３５６が開弁されており、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃの圧力が常用圧力である場合を例に挙げて説明する。また、水素ステーション３００が、乗用車よりタンクの容量が大きい、バス（車両１０）に水素を供給する場合を例に挙げる。

ステーション制御部３３０は、供給管１５２が車両１０のタンクに接続されたら、開閉弁２３２Ａを開弁する。そうすると、高圧蓄圧器２２０Ａから、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。

そして、流量測定部１７０によって測定された流量が下限流量未満になると、ステーション制御部３３０は、開閉弁２３２Ａを閉弁して、開閉弁２３２Ｂを開弁する。そうすると、高圧蓄圧器２２０Ｂから、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。

その後、流量測定部１７０によって測定された流量が下限流量未満になると、ステーション制御部３３０は、開閉弁２３２Ｂを閉弁して、開閉弁２３２Ｃを開弁する。そうすると、高圧蓄圧器２２０Ｃから、流量調整弁１５４を通じて、タンクへ水素が供給される。

続いて、流量測定部１７０によって測定された流量が下限流量未満になると、ステーション制御部３３０は、開閉弁２３２Ｃを閉弁して、開閉弁２４２、３８２を開弁する。そうすると、可変圧蓄圧器３７０に貯留された水素は、圧縮機１２０から、直接充填管２４０、流量調整弁１５４を通じて、タンクに供給される。

なお、上記第１実施形態で説明したように、この際、流量調整弁１５４の開度によっては、直接充填管２４０の圧力が、保圧圧力を上回る場合がある。この場合、保圧弁３５２が開弁され、接続管３５０を通じて、余剰の水素が可変圧蓄圧器３７０に供給されることになる。

そして、圧力測定部１７２が測定した圧力が、目標圧力に到達すると、開閉弁２４２、流量調整弁１５４を閉弁して、タンクへの水素の供給を終了する。

また、ステーション制御部３３０は、開閉弁２１２Ｃを開弁する。そして、ステーション制御部１３０は、高圧蓄圧器２２０Ｃが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２１２Ｃを閉弁して、開閉弁２１２Ｂを開弁する。その後、ステーション制御部３３０は、高圧蓄圧器２２０Ｂが常用圧力まで復圧したら、開閉弁２１２Ｂを閉弁して、開閉弁２１２Ａを開弁する。

そして、高圧蓄圧器２２０Ａが常用圧力まで復圧したら、ステーション制御部３３０は、開閉弁２１２Ａを閉弁して、開閉弁３６２を開弁する。こうして、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃが常用圧力まで復圧されると、水素製造装置３１０によって製造された水素は、可変圧蓄圧器３７０へ送出されることとなる。

以上説明したように、第２実施形態にかかる水素ステーション３００は、接続管３５０、保圧弁３５２を備えるため、直接充填管２４０で余剰の水素を可変圧蓄圧器３７０に貯留することができる。これにより、余剰の水素を廃棄する事態を回避することができ、水素を効率よく利用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、ディスペンサ制御部１８０が通信部１８２を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、通信部１８２は必須の構成ではない。この場合、ディスペンサ制御部１８０は、ユーザによる操作入力に応じて、タンクの容積を取得してもよい。なお、ユーザによる操作入力は、車両１０の運転手や水素ステーションの充填員が、車両情報が書き込まれたカードをカードリーダに読み込ませる処理等を含む。

また、上記実施形態において、水素ステーション１００、３００は、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃ全体で、１台の乗用車のタンクを満充填するために必要な水素を貯留するように設計され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、３００は、１台の乗用車のタンクを満充填するために必要な水素を貯留できる数未満の高圧蓄圧器を備えてもよい。この場合であっても、水素ステーション１００、３００は、直接充填管２４０を備えるため、乗用車のタンクに水素を迅速に充填することができる。

また、上記第１実施形態において、接続管２５０が、接続管２５０Ａ〜２５０Ｃに分岐される、つまり、接続管２５０がすべての高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに接続される構成を例に挙げて説明した。しかし、接続管２５０は、複数の高圧蓄圧器のうち、少なくともいずれか１の高圧蓄圧器に接続されていればよい。これにより、配管や開閉弁の数を減らすことができ、水素ステーション１００全体の設備費を低減することが可能となる。

また、上記第１実施形態において、直接充填管２４０で余剰した水素が、タンクへの水素の供給順（高圧蓄圧器２２０Ａ→高圧蓄圧器２２０Ｂ→高圧蓄圧器２２０Ｃ）と逆順（高圧蓄圧器２２０Ｃ→高圧蓄圧器２２０Ｂ→高圧蓄圧器２２０Ａ）に供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、高圧蓄圧器２２０Ａ、高圧蓄圧器２２０Ｂ、および、高圧蓄圧器２２０Ｃそれぞれの圧力を測定する圧力センサを備え、圧力センサの測定値に基づき、直接充填管２４０で余剰した水素を、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃのうち、相対的に高圧の高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに供給してもよい。

また、上記第１実施形態において、水素ステーション１００が可変圧蓄圧器３７０等を備えない構成を例に挙げて説明した。しかし、水素ステーション１００は、サクションタンク３１４、第１配管３６０、開閉弁３６２、可変圧蓄圧器３７０、第２配管３８０、開閉弁３８２、減圧弁３８４を備えてもよい。

また、上記第２実施形態において、水素ステーション３００が、接続管２５０、２５０Ａ〜２５０Ｃ、保圧弁２５２、および、開閉弁２５４Ａ〜２５４Ｃを備えない場合を例に挙げて説明した。しかし、水素ステーション３００は、接続管３５０および保圧弁３５２に加えて、接続管２５０、２５０Ａ〜２５０Ｃ、保圧弁２５２、および、開閉弁２５４Ａ〜２５４Ｃを備えてもよい。この場合、まず、高圧蓄圧器２２０Ａ〜２２０Ｃに余剰の水素が供給され、その後、可変圧蓄圧器３７０に余剰の水素が供給されてもよい。

また、上記第２実施形態において、水素ステーション３００が、保安上、開閉弁３５４、３５６を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、開閉弁３５４、３５６は必須の構成ではない。この場合、水素ステーション３００は、水素ステーション１００と比較して、開閉弁の数を低減することができ、水素ステーション３００全体の設備費を水素ステーション１００より低減することが可能となる。

本発明は、タンクに水素を供給する水素ステーションに利用することができる。

１００、３００ 水素ステーション
１２０ 圧縮機
１３０ ステーション制御部（制御部）
１５４ 流量調整弁
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ 第１差圧充填管
２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ 開閉弁（第１開閉弁）
２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ 高圧蓄圧器（貯留部）
２３０、２３０Ａ、２３０Ｂ、２３０Ｃ 第２差圧充填管
２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ 開閉弁（第２開閉弁）
２４０ 直接充填管
２５０、２５０Ａ、２５０Ｂ、２５０Ｃ、３５０ 接続管
２５２、３５２ 保圧弁
３６０ 第１配管（バイパス管）
３７０ 可変圧蓄圧器（貯留部）
３８０ 第２配管（バイパス管）

Claims (6)

1. タンクに接続される供給管に設けられた流量調整弁と、
   水素源に接続された圧縮機と、
   前記圧縮機の吐出側と前記流量調整弁とを接続する直接充填管と、
   前記直接充填管と貯留部とを接続する接続管と、
   前記接続管に設けられた保圧弁と、
   を備える水素ステーション。
2. 前記圧縮機の吐出側と前記貯留部とを接続し、第１開閉弁が設けられた第１差圧充填管と、
   前記貯留部と前記流量調整弁とを接続し、第２開閉弁が設けられた第２差圧充填管と、
   を備える請求項１に記載の水素ステーション。
3. 前記貯留部を複数備え、
   前記保圧弁が開弁されることによって前記接続管を通過する水素を、前記貯留部のうち、相対的に高圧の前記貯留部に供給する制御部を備える請求項２に記載の水素ステーション。
4. 前記圧縮機の吐出側と吸入側とを接続するバイパス管と、
   前記バイパス管に設けられた可変圧蓄圧器と、
   を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の水素ステーション。
5. 前記圧縮機の吐出側と吸入側とを接続するバイパス管を備え、
   前記貯留部は、前記バイパス管に設けられる請求項１に記載の水素ステーション。
6. 前記圧縮機の吐出側と高圧蓄圧器とを接続し、第１開閉弁が設けられた第１差圧充填管と、
   前記高圧蓄圧器と前記流量調整弁とを接続し、第２開閉弁が設けられた第２差圧充填管と、
   を備える請求項５に記載の水素ステーション。

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