JP2021116206A - 水素供給システム、水素供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素貯留部の水素ガス残量を少なくした上で、水素貯留部へ水素を補充するタイミングを、補充しにくい日時から外す。【解決手段】水素需要部からの水素ガスの要求量に対して、水素製造装置１０からの供給を優先し不足分を水素貯留部１３０から供給するように、水素製造装置１０及び水素貯留部１３０からの水素送出量を制御すると共に、水素貯留部１３０の内圧に基づいて、水素貯留部１３０から水素需要部へ供給する水素ガス量を、水素貯留部１３０への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、原料を改質して水素を製造する水素製造装置を有する水素供給システム、及び、当該水素供給システムを用いた水素供給方法、に関する。

水素を得るための水素製造装置としては、原料炭化水素を水蒸気改質装置で改質ガスに改質した後、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置へ供給する構成がある。この水素製造装置で製造された水素ガスは、工場などの水素を必要とする設備へ送られる（特許文献１参照）。

特開２００１−２０５０３０号公報

ところで、水素製造装置で製造可能な水素流量だけでは、工場などの水素需要ラインで必要とされる水素流量に満たない場合、水素を貯留する水素タンクを用意し、水素製造装置からの水素ガスに加えて水素タンクから水素ガスを供給することが考えられる。

この場合、水素タンクに貯留された水素ガスがなくなると、水素需要ラインで必要とされる水素流量に満たなくなるため、水素タンクへ水素を補充する必要がある。この水素タンクへの水素の補充タイミングは、補充頻度を考慮すると水素タンク内の水素残量が少なくなったときであることが好ましいが、補充を避けたい時間帯や日もある。

本発明は、上記の事実を考慮し、水素タンクの水素ガス残量を少なくした上で水素タンクへ水素を補充するタイミングを、補充しにくい日時から外すことが可能な水素供給システム、及び水素供給方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る水素供給システムは、原料ガスを改質して水素ガスを製造し、連続的に水素需要部へ前記水素ガスを供給する水素製造装置と、水素ガスを貯留し、前記水素需要部へ前記水素製造装置と異なる水素ガス源として水素ガスを供給する水素貯留部と、前記水素需要部からの水素ガスの要求量に対して、前記水素製造装置からの供給を優先し不足分を前記水素貯留部から供給するように、前記水素製造装置及び前記水素貯留部からの水素送出量を制御する水素送出量制御部と、前記水素貯留部の内圧を検知する内圧検知部と、を有し、前記水素送出量制御部は、前記内圧検知部で検知された前記水素貯留部の内圧に基づいて前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを予測すると共に、前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を、前記補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する。

請求項１に係る水素供給システムでは、水素製造装置と水素貯留部から、水素需要部へ水素ガスが供給される。水素送出量制御部は、内圧検知部で検知された水素貯留部の内圧に基づいて水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを予測すると共に前記補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する。水素貯留部への水素ガスの補充タイミングは、水素貯留部から水素需要部へ供給する水素ガス量を調整することにより行う。

このように、水素貯留部から水素需要部へ供給する水素ガス量により水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを調整することにより、水素貯留部の水素ガス残量が少なくなるタイミングをずらすことができ、水素貯留部へ水素を補充するタイミングを、補充しにくい日時から外すことができる。

本発明の請求項２に係る水素供給システムは、前記水素送出量制御部は、前記補充タイミングが前記補充不可期間に当たると予測された場合に、前記水素製造装置から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を減少させて前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を増加させ、前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する。

請求項２に係る水素供給システムでは、補充タイミングが補充不可期間に当たると予測された場合に、水素製造装置から水素需要部へ供給する水素ガス量を減少させ水素貯留部から水素需要部へ供給する水素ガス量を増加させる。これにより、水素製造装置で余剰の水素ガスを製造することなく水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整することができる。

本発明の請求項３に係る水素供給システムは、前記水素製造装置から前記水素需要部へ前記水素ガスを送出する水素供給路と、前記水素供給路におけるガス圧力を測定する圧力測定部と、前記水素供給路に設けられ、水素ガスを一時貯留する水素ホルダと、前記水素貯留部から前記水素ホルダへ水素ガスを供給する補充供給路と、を有し、前記内圧検知部は、前記圧力測定部で測定されたガス圧力に基づいて前記水素貯留部の内圧を検知する。

請求項３に係る水素供給システムによれば、水素貯留部の内圧を直接計測することなく、水素貯留部の内圧を検知することができる。

本発明の請求項４に係る水素供給システムは、前記補充不可期間は、ユーザーによる入力、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報、の少なくとも１つに基づいて設定される。

請求項４に係る水素供給システムによれば、ユーザーによる入力、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報、などに基づいて補充不可期間を設定し、補充タイミングを調整することができる。

本発明の請求項５に係る水素供給方法は、原料ガスを改質して水素ガスを製造する水素製造装置、及び、前記水素製造装置と異なる外部から供給された水素ガスを貯留する水素貯留部、から水素需要部へ水素を供給する水素供給方法であって、前記水素需要部からの水素ガスの要求量に対して、前記水素製造装置からの供給を優先し不足分を前記水素貯留部から供給するように、前記水素製造装置及び前記水素貯留部からの水素送出量を制御すると共に、前記水素貯留部の内圧に基づいて、前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を、前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する。

請求項５に係る水素供給方法では、水素製造装置と水素貯留部から、水素需要部へ水素ガスが供給される。また、水素需要部からの水素ガスの要求量に対して、水素製造装置からの供給を優先し不足分を水素貯留部から供給するように、水素製造装置及び水素貯留部からの水素送出量が制御されている。そして、水素貯留部の内圧に基づいて、水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する。水素貯留部への水素ガスの補充タイミングは、水素貯留部から水素需要部へ供給する水素ガス量を調整することにより行う。

このように、水素貯留部から水素需要部へ供給する水素ガス量により水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを調整することにより、水素貯留部の残量が少なくなるタイミングをずらすことができ、水素貯留部へ水素を補充するタイミングを、補充しにくい日時から外すことができる。

本発明の請求項６に係る水素供給方法は、前記調整前における前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを予測し、予想された補充タイミングが前記補充不可期間に当たると予測された場合に、前記水素製造装置から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を減少させて前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を増加させ、前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが供給タイミング日から外れるように調整する。

請求項６に係る水素供給方法では、補充タイミングが補充不可期間に当たると予測された場合に、水素製造装置から水素需要部へ供給する水素ガス量を減少させ水素貯留部から水素需要部へ供給する水素ガス量を増加させる。これにより、水素製造装置で余剰の水素ガスを製造することなく水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整することができる。

本発明の請求項７に係る水素供給方法は、前記補充不可期間は、ユーザーによる入力、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報、の少なくとも１つに基づいて設定される。

請求項７に係る水素供給方法によれば、ユーザーによる入力、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報、などに基づいて補充不可期間を設定し、補充タイミングを調整することができる。

以上説明したように、本発明では、水素貯留部の水素ガス残量を少なくした上で水素貯留部へ水素を補充するタイミングを、補充しにくい日時から外すことができる。

本実施の形態に係る水素供給システムの構成を示す概略図である。 本実施の形態に係る水素供給システムの要部構成を示す概略図である。 本実施形態に係る水素供給システムに備えられた減圧弁を示した構成図である。 本実施形態の減圧弁の上流側の部分を流れる水素ガスの圧力と減圧弁の下流側の部分を流れる水素ガスの圧力とをグラフで示した図面である。 本実施形態に係る水素供給システムの制御系を示したブロック図である。 本実施形態に係る水素供給システムのカードル圧プロファイルの一例を示すグラフである。 本実施の形態に係る水素供給システムの補充調整処理を示すフローチャートである。 本実施の形態の補充調整処理の一部である、補充タイミング推定処理を示すフローチャートである。 本実施の形態の補充調整処理の一部である、供給量変更処理を示すフローチャートである。

本発明の実施形態に係る水素供給システムの一例について、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る水素供給システムＳは、水素製造装置１０により水素を製造する。水素製造装置１０は、図１に示されるように、脱硫器６０と、改質器１２と、圧縮機１４と、水素精製器１６と、オフガスタンク１８と、昇圧前水分離部３０と、昇圧後水分離部３２と、燃焼排ガス水分離部３４とを備えている。

この水素製造装置１０は、炭化水素原料（原料ガス）から水素を製造するものであり、本実施形態では、炭化水素原料の一例としてメタンを主成分とする都市ガスが用いられる場合について説明する。なお、図１では、水素製造装置１０の構成を概略的に示しており、水素製造装置１０は、他の構成を含んでいてもよい。

〔脱硫器６０〕
脱硫器６０は、常温下で原料ガスを吸着剤に流通させることで吸着剤が硫黄化合物を吸着し、硫黄化合物を除去する常温脱硫方式の脱硫器である。脱硫器６０は、原料ガスとして都市ガスを供給するための原料供給管Ｐ１の途中に配置されている。

脱硫器６０の出口側には、脱硫処理された都市ガスを送出する、原料供給管Ｐ１の下流側の部分が接続されている。原料供給管Ｐ１は、図１に示されるように、原料分岐管Ｐ１Ａ、及び原料分岐管Ｐ１Ｂに分岐されている。

原料分岐管Ｐ１Ａは、後述する燃焼部２８に接続され、原料分岐管Ｐ１Ｂは、改質器１２に接続されている。

〔改質器１２〕
改質器１２は、脱硫処理された都市ガスと改質用の水とを混合しつつ加熱し、混合ガスを発生させる予熱流路２２と、水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素を主成分とする改質ガスＧ１を生成する改質触媒層２４とを備える。また、改質器１２は、改質反応の熱源となる燃焼部２８を備える。改質ガスＧ１は、水素を主成分とし、他に一酸化炭素、水蒸気、メタン等を含んでいる。

また、改質器１２は、改質ガスＧ１に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて、水素と二酸化炭素とに変換するＣＯ変成触媒層２６を備える。ＣＯ選択酸化触媒層を経た改質ガスＧ２では、改質ガスＧ１に比べ、一酸化炭素が低減される。改質器１２としては、筒状の部材を同心円状に配置して構成される多重筒型改質器等を用いることができる。

改質器１２の予熱流路２２には、脱硫器６０から都市ガスを供給するための原料分岐管Ｐ１Ｂ、及び、改質水を供給するための改質水供給管Ｐ９が接続されている。予熱流路２２には、原料分岐管Ｐ１Ｂから都市ガスが供給され、改質水供給管Ｐ９から改質水が供給される。都市ガス及び改質水は、予熱流路２２を流れ、燃焼部２８からの熱により加熱され、水が気化され、都市ガス及び気相の改質用水（水蒸気）が混合されることにより、混合ガスが生成される。

予熱流路２２を経た混合ガスは、改質触媒層２４へ供給される。改質触媒層２４には、都市ガスを水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスＧ１を生成するための触媒が設けられている。予熱流路２２にて生成された混合ガスは、改質触媒層２４で燃焼部２８からの熱により加熱され、水蒸気改質反応、二酸化炭素改質反応によって、水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。

改質触媒層２４で生成された改質ガスＧ１は、ＣＯ変成触媒層２６へ供給される。ＣＯ変成触媒層２６では、改質ガスＧ１に含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、一酸化炭素が低減される。なお、ＣＯ変成触媒層２６よりも下流側に、更に一酸化炭素を除去するためのＣＯ選択酸化触媒層を設けてもよい。ＣＯ変成触媒層２６、またはＣＯ変成触媒層２６及びＣＯ選択酸化触媒層を経た改質ガスＧ２は、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。

燃焼部２８の上端部には、オフガス管Ｐ７が接続されており、後述するオフガスがオフガス管Ｐ７から燃料として供給される。さらに、この燃焼部２８の上端部には、燃焼用空気を供給するための空気供給管Ｐ２が接続されている。また、燃焼部２８には、原料供給管Ｐ１から分岐された原料分岐管Ｐ１Ａが接続されている。原料分岐管Ｐ１Ａには、空気供給管Ｐ２から分岐された空気分岐管Ｐ２Ａが接続されている。燃焼部２８には、都市ガスに空気が混合された気体が、オフガスとは別に供給される。燃焼用のオフガスと都市ガスとのいずれか一方、または両方が、必要に応じて供給される。

燃焼部２８からの燃焼排ガスは、改質器１２の内部での熱交換のための流路（不図示）へ送出される。熱交換後の燃焼排ガスは、改質器１２の外部のガス排出管Ｐ１０へ排出される。

改質器１２から改質ガス排出管Ｐ３へ送出された改質ガスＧ２は、図１に示すように、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６をこの順番で流れる。つまり、ガスの流れ方向において、上流側から下流側に、改質器１２、昇圧前水分離部３０、圧縮機１４、昇圧後水分離部３２、及び水素精製器１６がこの順番で配置されている。

〔昇圧前水分離部３０〕
昇圧前水分離部３０は、上部が気体室３０ａとされ、下部が液体室３０ｂとされている。気体室３０ａには、改質ガス排出管Ｐ３の下流端が接続されている。また、気体室３０ａには、連絡流路管Ｐ４の上流端が接続されている。液体室３０ｂの底部には、改質ガス水配管Ｐ８Ａが接続されている。改質ガスＧ２中の水蒸気は、昇圧前水分離部３０の上流側に配置された熱交換器ＨＥ１において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスＧ２から分離された水は、液体室３０ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａへ送出される。

〔圧縮機１４〕
圧縮機１４には、昇圧前水分離部３０からの改質ガスＧ２が流れる連絡流路管Ｐ４と、昇圧後水分離部３２へ供給される改質ガスＧ２が流れる連絡流路管Ｐ５とが接続されている。圧縮機１４は、昇圧前水分離部３０から供給された改質ガスＧ２を圧縮して昇圧し、昇圧後水分離部３２へ供給する。

圧縮機１４よりも上流側、昇圧前水分離部３０よりも下流側には、バッファタンク３５が設けられている。バッファタンク３５は、昇圧前水分離部３０から供給される改質ガスＧ２を蓄積する。バッファタンク３５で一旦貯留された改質ガスＧ２が、圧縮機１４へ供給される。

〔昇圧後水分離部３２〕
昇圧後水分離部３２は、上部が気体室３２ａとされ、下部が液体室３２ｂとされている。気体室３２ａには、連絡流路管Ｐ５の下流端が接続されている。また、気体室３２ａには、連絡流路管Ｐ６の上流端が接続されている。液体室３２ｂの底部には、改質ガス水配管Ｐ８Ｂが接続されている。改質ガスＧ２中の水蒸気は、昇圧後水分離部３２の上流側に配置された熱交換器ＨＥ２において冷却されることによって凝縮される。凝縮により改質ガスＧ２から分離された水は、液体室３２ｂに貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂへ送出される。

昇圧後水分離部３２よりも下流側、水素精製器１６よりも上流側には、バッファタンク３６が設けられている。バッファタンク３６は、昇圧後水分離部３２から供給される改質ガスＧ２を蓄積する。バッファタンク３６で一旦貯留された改質ガスＧ２は、水素精製器１６へ供給される。

〔水素精製器１６〕
水素精製器１６には、昇圧後水分離部３２から送出された改質ガスＧ２が流れる連絡流路管Ｐ６の下流端が接続されている。水素精製器１６には、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置が使用される。この水素精製器１６により改質ガスＧ２が水素ガス（製品水素ガス）と水素以外の不純物を含むオフガスとに分離される。水素精製器１６には、製品水素配管Ｐ１１が接続されており、精製された製品水素ガスは製品水素配管Ｐ１１へ送出される。製品水素配管Ｐ１１は、工場等の供給対象施設へ水素ガスを供給する。オフガスは、後述するオフガス管Ｐ７へ送出される。

〔その他〕
燃焼排ガス水分離部３４は、図１に示されるように、上部が気体室３４ａとされ、下部が液体室３４ｂとされている。気体室３４ａには、ガス排出管Ｐ１０の下流端が接続されている。また、気体室３４ａには、外部排出管Ｐ１２が接続されている。液体室３４ｂの底部には、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃが接続されている。

燃焼排ガスは、燃焼部２８からガス排出管Ｐ１０へ送出される。燃焼排ガス中の水蒸気は、燃焼排ガス水分離部３４の上流側に配置された熱交換器ＨＥ３において冷却されることによって凝縮される。凝縮により燃焼排ガスから分離された水は、液体室３４ｂに貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃへ送出される。水が分離された後の燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１２から外部へ排出される。

水素製造装置１０の底部には、水タンク４０が配置されている。水タンク４０には、水流入口４０ａが形成されており、改質ガス水配管Ｐ８Ａ、Ｐ８Ｂ、及び燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃは、合流後に水流入口４０ａに接続されている。合流後の配管を水流入管Ｐ８と称する。水流入管Ｐ８の内径は、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃの内径よりも大径とされている。

水タンク４０は、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４において貯留可能な水の総量よりも大容量とされており、昇圧前水分離部３０、昇圧後水分離部３２、及び燃焼排ガス水分離部３４よりも鉛直方向の下側に配置されている。 水タンク４０には、改質水供給管Ｐ９の上流端が接続されている。改質水供給管Ｐ９には、溶存イオン成分を除去するための水処理器（イオン交換樹脂）４２が設けられている。また、改質水供給管Ｐ９には、ポンプ４４が設けられており、ポンプ４４の駆動により、水タンク４０に貯留された水が水処理器４２を経て改質器１２へ供給される。改質水供給管Ｐ９の水処理器４２よりも下流側、ポンプ４４よりも上流側には、純水供給管Ｐ１３が接続されている。純水供給管Ｐ１３からは改質器１２へ、改質水供給管Ｐ９を経て、必要に応じ純水が供給される。

（水素製造装置１０の作用）
次に、水素製造装置１０の作用について説明する。

水素製造運転時には、図１に示す原料供給管Ｐ１から脱硫器６０へ都市ガスが供給される。脱硫器６０では、都市ガスから硫黄化合物が除去される。脱硫器６０からは、脱硫処理された都市ガスが、原料供給管Ｐ１へ送出される。

脱硫処理された都市ガスが、原料供給管Ｐ１を流れて原料分岐管Ｐ１Ｂから改質器１２へ供給される。さらに、改質水が、改質水供給管Ｐ９から改質器１２へ供給される。予熱流路２２で都市ガスと改質水とが混合されつつ加熱され、混合ガスとなって改質触媒層２４へ供給される。

改質触媒層２４では、燃焼部２８からの燃焼排ガスにより混合ガスが加熱されて水蒸気改質され、水素を主成分とする改質ガスＧ１が生成される。改質ガスＧ１は、ＣＯ変成触媒層２６へ供給され、改質ガスＧ１に含まれる一酸化炭素と水蒸気が反応して、水素と二酸化炭素に変換され、改質ガスＧ１に含まれている一酸化炭素が低減される。ＣＯ変成触媒層２６を通過した改質ガスＧ２は、改質ガス排出管Ｐ３へ送出される。

改質ガスＧ２は、改質ガス排出管Ｐ３に設けられた熱交換器ＨＥ１を経て、昇圧前水分離部３０の気体室３０ａへ供給される。気体室３０ａへ供給された改質ガスＧ２に含まれる水は、熱交換器ＨＥ１での冷却により凝縮されて液体室３０ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ａを経て水タンク４０へ供給される。水が分離された改質ガスＧ２が、気体室３０ａから連絡流路管Ｐ４を流れてバッファタンク３５へ供給される。バッファタンク３５では、改質器１２からの改質ガスＧ２を一旦貯留して圧力変動を緩和し、改質ガスＧ２を圧縮機１４へ供給する。圧縮機１４では、改質ガスＧ２が圧縮される。

圧縮された改質ガスＧ２は、連絡流路管Ｐ５を流れ熱交換器ＨＥ２を経て昇圧後水分離部３２の気体室３２ａへ供給される。気体室３２ａへ供給された改質ガスＧ２に含まれる水蒸気は、熱交換器ＨＥ２での冷却により凝縮されて液体室３２ｂへ貯留され、改質ガス水配管Ｐ８Ｂを経て水タンク４０へ供給される。水が分離された改質ガスＧ２が、気体室３２ａから連絡流路管Ｐ６を流れ、バッファタンク３６で一旦貯留された後に水素精製器１６へ供給される。

水素精製器１６では、改質ガスＧ２が水素ガス（製品水素ガス）と、不純物を含むオフガスとに分離され、水素ガスは製品水素配管Ｐ１１へ送出される。改質ガスＧ２から分離された水素以外の不純物を含むオフガスは、オフガス管Ｐ７を流れてオフガスタンク１８へ一旦貯留される。オフガスタンク１８からは、オフガスが送出され、オフガスは、オフガス管Ｐ７を経て、燃料として改質器１２の燃焼部２８へ供給される。

改質器１２の燃焼部２８では、オフガスが燃焼され、燃焼排ガスがガス排出管Ｐ１０を介して燃焼排ガス水分離部３４の気体室３４ａへ供給される。気体室３４ａへ供給された燃焼排ガスに含まれる水蒸気は、熱交換器ＨＥ３での冷却により凝縮されて液体室３４ｂへ貯留され、燃焼排ガス水配管Ｐ８Ｃを経て水タンク４０へ供給される。水が分離された燃焼排ガスは、外部排出管Ｐ１２を経て外部へ放出される。

水タンク４０に貯留された水は、ポンプ４４の駆動によって水処理器４２を経て改質器１２へ供給される。純水供給管Ｐ１３からは改質器１２へ、改質水供給管Ｐ９を経て、必要に応じ純水が供給される。

（要部構成）
次に、製品水素配管Ｐ１１、水素ホルダ１２０、水素貯留部１３０、連結管１４０、及び減圧弁１５０等について説明する。

〔製品水素配管Ｐ１１、水素ホルダ１２０〕
製品水素配管Ｐ１１は、図２に示されるように、水素製造装置１０で製造された水素ガスを、工場等の供給対象施設（水素需要部）へ供給する管である。製品水素配管Ｐ１１には、メイン圧力計１１０が設けられている。メイン圧力計１１０は水素製造装置１０から送出された水素ガスの圧力を測定する。メイン圧力計１１０は、後述する制御部１７０と接続されており、測定した水素ガスの圧力データを制御部１７０へ出力する。以下、ここで測定された水素ガスの圧力を「メイン圧ＰＰＭ」と称する。なお、メイン圧力計１１０は、水素製造装置１０内に配置されていてもよい（製品水素配管Ｐ１１へ水素ガスを送出する同様の圧力部分）。

水素ホルダ１２０は、メイン圧力計１１０よりも下流側であって、製品水素配管Ｐ１１の途中に設けられ、水素製造装置１０から送出された水素ガスを受け取り一旦貯留する。換言すれば、水素ホルダ１２０は、水素製造装置１０から送出された水素ガスを製品水素配管Ｐ１１のガスの流れ方向の上流側の部分から受け取って貯留し、貯留した水素ガスを製品水素配管Ｐ１１のガスの流れ方向の下流側の部分へ送出する。

また、水素ホルダ１２０には、水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力を検出するホルダ圧力計１２０ａが設けられている。ホルダ圧力計１２０ａで測定される圧力を、以下「ホルダ圧ＰＰＨ」と称する。水素ホルダ１２０は、決められた規定範囲の圧力で水素ガスを貯留する。換言すれば、ホルダ圧ＰＰＨが、規定範囲の圧力となるように、水素製造装置１０が水素ホルダ１２０へ水素ガスを送出し、さらに、後述する水素貯留部１３０のカードル１２８が水素ホルダ１２０へ水素ガスを送出する。

〔水素貯留部１３０、連結管１４０〕
水素貯留部１３０は、図２に示されるように、水素ガスが充填された複数のカードル１２８を備えている。カードル１２８の内圧（以下「カードル圧ＰＰＫ」と称する）は、後述する減圧弁１５０が開状態のときのメイン圧ＰＰＭから推定され、後述する制御部１７０のＲＯＭ１７４、または、ストレージ１７８に、経時的に記憶される。

連結管１４０は、水素貯留部１３０のカードル１２８に充填された水素ガスが流れる管であって、製品水素配管Ｐ１１において水素ホルダ１２０に対して上流側の部分と水素貯留部１３０とを連結している。換言すれば、連結管１４０の一端は、製品水素配管Ｐ１１において水素ホルダ１２０に対して上流側の部分に接続され、連結管１４０の他端は、水素貯留部１３０に接続されている。なお、連結管１４０の内径は、製品水素配管Ｐ１１の内径と比して小さくされている。

〔減圧弁１５０〕
減圧弁１５０は、図２に示されるように、連結管１４０の途中に設けられている。減圧弁１５０は、図３に示されるように、水素ガスが流入する一次室１５０ａと、流出する水素ガスが一旦貯留される二次室１５０ｂと、一次室１５０ａ及び二次室１５０ｂを連通する連通口１５０ｃとを有している。さらに、減圧弁１５０は、調整ねじ１５０ｄと、調整スプリング１５０ｅと、ダイアフラム１５０ｆと、ステム１５０ｇと、棒状のコネクタ１５０ｈと、小スプリング１５０ｊとを備えている。

二次室１５０ｂは、一次室１５０ａを囲むように配置されており、二次室１５０ｂの容積は、一次室１５０ａの容積と比して大きくされている。ダイアフラム１５０ｆは、二次室１５０ｂに臨むように配置されており、調整スプリング１５０ｅの付勢力によって二次室１５０ｂ側に勢力されている。また、調整スプリング１５０ｅの付勢力については、調整ねじ１５０ｄによって調整されるようになっている。

さらに、ステム１５０ｇは、一次室１５０ａに配置され、連通口１５０ｃを通るコネクタ１５０ｈによってダイアフラム１５０ｆと連結されている。さらに、ステム１５０ｇは、小スプリング１５０ｊの付勢力によって、ダイアフラム１５０ｆ及び調整スプリング１５０ｅ側に勢力されている。

この構成において、調整スプリング１５０ｅの付勢力と、小スプリング１５０ｊの付勢力とのバランスによって、ステム１５０ｇが移動することで連通口１５０ｃが開放される。そして、ガス流れ方向の上流側から一次室１５０ａへ流入した水素ガスが、連通口１５０ｃを通って二次室１５０ｂへ流入する。さらに、二次室１５０ｂからガス流れ方向の下流側へ、水素ガスが送出される。このようにして、減圧弁１５０は、連結管１４０を流れる水素ガスを減圧する。

減圧弁１５０は、予め設定された圧力に水素ガスを減圧するように、調整スプリング１５０ｅが調整されている。本実施形態では、水素製造装置１０が定格で動作中に、水素ホルダ１２０のホルダ圧ＰＰＨが規定範囲を維持できるように、当該規定範囲の下限値に近い値（一例として下限値プラス０．０５〔ＭＰａ〕）に調整されている。

減圧弁１５０の上流側の部分を流れる水素ガスの圧力（一次圧）と減圧弁１５０の下流側の部分を流れる水素ガスの圧力（二次圧）は、図４のカードル圧推定テーブルＫＰに示されるように、一次圧が低くなると二次圧が高くなる関係を有している。ここで、一次圧は、水素貯留部１３０の水素ガスの残量に応じて減少する。また、二次圧は、メイン圧ＰＰＭに対応している。したがって、減圧弁１５０が開状態のときのメイン圧ＰＰＭを測定することにより、カードル圧ＰＰＫを推定することができる。

〔制御部１７０〕
水素供給システムＳを制御する制御部１７０は、図５に示されるように、ＣＰＵ（ＣｅｎＴｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＵｎｉＴ：プロセッサ）１７２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１７４、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１７６、ストレージ１７８、及びインタフェース１８０を含んで構成されている。また、各構成は、バス１８２を介して相互に通信可能に接続されている。

ＣＰＵ１７２は、中央演算処理ユニットであり、各種プログラムを実行したり、各部を制御したりする。すなわち、ＣＰＵ１７２は、ＲＯＭ１７４またはストレージ１７８からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１７６を作業領域としてプログラムを実行する。ＣＰＵ１７２は、ＲＯＭ１７４またはストレージ１７８に記録されているプログラムにしたがって、上記各構成の制御および各種の演算処理を行う。

ＲＯＭ１７４は、各種プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ１７６は、作業領域として一時的にプログラムまたはデータを記憶する。ストレージ１７８は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム、および各種データを格納する。本実施形態では、ＲＯＭ１７４またはストレージ１７８には、後述する補充調整処理等についてのプログラム、各処理に用いる、補充不可期間データ、補充直前残量値Ｃ１、補充残量値Ｃ０、カードル圧プロファイルＰＦ、メイン圧ＰＰＭ、カードル圧推定テーブルＫＰ、等の各種データが格納されている。本実施形態では、一例として、前述の各種データは、ストレージ１７８に格納する。入出力Ｉ／Ｆ１８０は、信号線を介して、メイン圧力計１１０、ホルダ圧力計１２０ａ、水素製造装置１０内の各部１０Ａ（出力を変更するためのブロア等）、及びその他の水素供給システムＳを作動させるための機器と接続されている。（制御部１７０と各機器との接続線は省略）。なお、制御部１７０は、水素製造装置１０内に設けられていてもよい。

ここで、補充不可期間データ、補充直前残量値Ｃ１、補充残量値Ｃ０、カードル圧推定テーブルＫＰ、カードル圧プロファイルＰＦ、について説明する。

補充不可期間データは、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報（台風の上陸予想日時）などの情報であり、ユーザーによる任意の入力、管理者による入力、インターネットからの取得等により設定される。補充残量値Ｃ０は、カードル１２８の交換が必要となった状態（実質的に残量なし）である。補充直前残量値Ｃ１は、カードル１２８の交換が必要となる少し前の状態（残量）であり、補充残量値Ｃ０よりも大きく、後述する補充調整処理が開始される残量である。補充直前残量値Ｃ１は、ユーザーの水素ガスニーズ、カードル１２８の過去使用量、交換頻度等に応じて適宜設定されている。

カードル圧推定テーブルＫＰは、前述のように、メイン圧ＰＰＭからカードル圧ＰＰＫを推定するためのテーブルである。

カードル圧プロファイルＰＦは、カードル圧ＰＰＫの経時変化を記録したデータであり、カードル圧プロファイルＰＦに基づいて、カードル１２８の水素ガス残量値が補充直前残量値Ｃ１から補充残量値Ｃ０に至る時間を求めることができる。一例として、カードル圧プロファイルＰＦは、図６に示すような、直前２４時間におけるカードル圧ＰＰＫの経時変化とすることができ、グラフの傾きによって、補充直前残量値Ｃ１から補充残量値Ｃ０に至る時間を求めることができる。

〔その他〕
図２に示されるように、製品水素配管Ｐ１１において水素ホルダ１２０に対して下流側の部分には、減圧弁１９０が設けられている。この減圧弁１９０は、水素ホルダ１２０から供給対象施設に向けて送出された水素ガスを減圧する。なお、減圧弁１９０の設定値は、水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力の規定範囲の下限値よりも低い値とされている。

（要部構成の作用）
次に、本実施形態の水素供給システムＳにおける、水素製造装置１０、水素貯留部１３０からの水素ガスの送出、及び、補充調整処理について説明する。

水素製造装置１０で製造された水素ガスは、製品水素配管Ｐ１１へ送出される。ここでは、定格（１００％出力）の運転で製造された水素ガスについて説明する。製品水素配管Ｐ１１へ送出された水素ガスは、水素ホルダ１２０で一旦貯留され、減圧弁１９０によって減圧されて供給対象施設へ向けて送出される。水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力は、決められた規定範囲とされる。

供給対象施設で消費される水素ガスの量は、経時的に変化するため、水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力は変動する。例えば、供給対象施設で消費される水素ガスの量が多い場合は、水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力が低くなる。一方、供給対象施設で消費される水素ガスの量が少ない場合は、水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力が高くなる。水素ホルダ１２０に貯留されている水素ガスの圧力については、ホルダ圧力計１２０ａによって計測される。

水素供給システムＳでは、連結管１４０の途中に配置されている減圧弁１５０の設定値は、一例としてホルダ圧ＰＰＨの下限値プラス０．０５〔ＭＰａ〕とされている。このため、ホルダ圧ＰＰＨが下限値プラス０．０５〔ＭＰａ〕以下の場合に、水素貯留部１３０のカードル１２８に充填されている水素ガスが、連結管１４０及び製品水素配管Ｐ１１を流れて水素ホルダ１２０へ送出される。

一方、ホルダ圧ＰＰＨが下限値プラス０．０５〔ＭＰａ〕より高い場合に、減圧弁１５０は閉鎖され、カードル１２８に充填されている水素ガスの水素ホルダ１２０への送出が停止される。

制御部１７０は、水素供給システムＳの運転中のメイン圧ＰＰＭを経時的にストレージ１７８に格納する。制御部１７０は、随時、メイン圧ＰＰＭとカードル圧推定テーブルＫＰとを照らし合わせ、メイン圧ＰＰＭが補充直前残量値Ｃ１に対応する圧力以下になると、補充調整処理を実行する。

補充調整処理では、図７に示されるように、ステップＳ１０で、補充タイミング推定処理が行われる。補充タイミング推定処理は、図８に示されるように、ステップＳ１０−１で、ストレージ１７８からカードル圧プロファイルＰＦを読み出して取得し、ステップＳ１０−２で、補充直前残量値Ｃ１から補充残量値Ｃ０に至る時間、すなわち、残量がゼロになるまでに要する時間を算出する。そして、ステップＳ１０−３で、水素貯留部１３０の残量が補充残量値Ｃ０、すなわちゼロとなる日時を求める。

次にステップＳ１２で、補充不可期間データを読み出して取得し、ステップＳ１４で、補充タイミング推定処理で求めた日時が補充不可期間に該当しているかどうかを判断する。ステップＳ１４での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６で、補充残量値Ｃ０となる日時を補充不可期間外にするために必要な供給量変更処理を行う。

供給量変更処理は、図９に示されるように、ステップＳ１６−１で、補充タイミング推定処理で求めた日時を補充不可期間から外す（早める）ために変更が必要な時間を求め、当該求められた時間から、ステップＳ１６−２で、当該時間を変更するために水素貯留部１３０から送出する水素ガスの流量を求める。そして、求めた水素ガスの流量に基づいて、ステップＳ１６−３で、水素製造装置１０の出力を下げて、製造する水素ガスの流量を下げる。

これにより、減圧弁１５０の二次圧を低下させ、一次圧を上げて、水素貯留部１３０からの水素ガス送出量を増加させ、水素貯留部１３０への水素ガスの補充日時を補充不可期間から外すことができる。

ステップ１４での判断が否定された場合には、そのまま本処理を終了する。

（まとめ）
以上説明したように、本実施形態の水素供給システムＳでは、カードル圧ＰＰＫが補充直前残量値Ｃ１になるまで（補充直前残量値Ｃ１より高い場合）は、水素ガスの要求量に対して、水素製造装置１０で製造した水素ガスの供給を優先し不足分を水素貯留部１３０から供給する。一般的に、水素ガスのコストは、オンサイトの水素製造装置１０で製造したものが、カードルを設置して供給する場合よりも低い。したがって、本実施形態では水素ガスのコストを低く抑えることができる。

また、本実施形態の水素供給システムＳでは、水素貯留部１３０の水素ガスが残量０となる日時を補充不可期間外にするので、水素貯留部１３０への水素ガスの供給を、適切に行うことができる。また、水素ガスが残量０となる日時を補充不可期間外にする際に、水素製造装置１０から送出する水素ガス量を減少させ、水素貯留部１３０から送出する水素ガス量を増加させる。したがって、水素製造装置１０で余剰の水素ガスを製造することなく効率的に調整を行うことができる。

また、本実施形態では、メイン圧ＰＰＭからカードル圧ＰＰＫを推定するので、水素貯留部１３０側に圧力計を設ける必要がなく、装置を簡素化することができる。なお、カードル圧ＰＰＫは、減圧弁１５０よりも上流側も圧力計を設置して、直接測定することもできる。

なお、本実施形態では、水素製造装置１０を定格運転した場合について説明したが、水素需要部の負荷変動に追従させて水素製造装置１０を駆動させてもよい。この場合には、水素製造装置１０の駆動状況に応じて、出力を上げて水素送出流量を増加させると共に、水素貯留部１３０からの水素ガス送出流量を少なくして、水素貯留部１３０の水素ガスが残量０となる日時を、補充不可期間外に変更してもよい。

１０ 水素製造装置
１１０ メイン圧力計（内圧検知部、圧力測定部）
１２０ 水素ホルダ
１３０ 水素貯留部
１４０ 連結管（補充供給路）
１７０ 制御部（水素送出量制御部）
Ｓ 水素供給システム
Ｓ１０ 補充タイミング推定処理
Ｓ１６ 供給量調整処理
Ｐ１１ 製品水素配管（水素供給路）
ＰＰＫ カードル圧

Claims (7)

1. 原料ガスを改質して水素ガスを製造し、連続的に水素需要部へ前記水素ガスを供給する水素製造装置と、
   水素ガスを貯留し、前記水素需要部へ前記水素製造装置と異なる水素ガス源として水素ガスを供給する水素貯留部と、
   前記水素需要部からの水素ガスの要求量に対して、前記水素製造装置からの供給を優先し不足分を前記水素貯留部から供給するように、前記水素製造装置及び前記水素貯留部からの水素送出量を制御する水素送出量制御部と、
   前記水素貯留部の内圧を検知する内圧検知部と、
   を有し、
   前記水素送出量制御部は、前記内圧検知部で検知された前記水素貯留部の内圧に基づいて前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを予測すると共に、前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を、前記補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する、
   水素供給システム。
2. 前記水素送出量制御部は、前記補充タイミングが前記補充不可期間に当たると予測された場合に、前記水素製造装置から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を減少させて前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を増加させ、前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する、
   請求項１に記載の水素供給システム。
3. 前記水素製造装置から前記水素需要部へ前記水素ガスを送出する水素供給路と、
   前記水素供給路におけるガス圧力を測定する圧力測定部と、
   前記水素供給路に設けられ、水素ガスを一時貯留する水素ホルダと、
   前記水素貯留部から前記水素ホルダへ水素ガスを供給する補充供給路と、
   を有し、
   前記内圧検知部は、前記圧力測定部で測定されたガス圧力に基づいて前記水素貯留部の内圧を検知する、請求項１または請求項２に記載の水素供給システム。
4. 前記補充不可期間は、ユーザーによる入力、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報、の少なくとも１つに基づいて設定される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素供給システム。
5. 原料ガスを改質して水素ガスを製造する水素製造装置、及び、前記水素製造装置と異なる外部から供給された水素ガスを貯留する水素貯留部、から水素需要部へ水素を供給する水素供給方法であって、
   前記水素需要部からの水素ガスの要求量に対して、前記水素製造装置からの供給を優先し不足分を前記水素貯留部から供給するように、前記水素製造装置及び前記水素貯留部からの水素送出量を制御すると共に、
   前記水素貯留部の内圧に基づいて、前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を、前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが補充不可期間から外れるように調整する、水素供給方法。
6. 前記調整前における前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングを予測し、予想された補充タイミングが前記補充不可期間に当たると予測された場合に、前記水素製造装置から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を減少させて前記水素貯留部から前記水素需要部へ供給する水素ガス量を増加させ、前記水素貯留部への水素ガスの補充タイミングが供給タイミング日から外れるように調整する、
   請求項５に記載の水素供給方法。
7. 前記補充不可期間は、ユーザーによる入力、水素ガス補充者の営業外時間、天気情報、の少なくとも１つに基づいて設定される、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の水素供給方法。

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