JP6077482B2 - 高圧水素製造システム、および、高圧水素製造システムの運転方法 - Google Patents

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、および、高圧水素製造システムの運転方法に関する。

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。燃料電池自動車では、水素と酸素（空気）とを化学反応させて電力を生成する燃料電池を動力源としているため、燃料電池自動車には水素を供給する必要がある。つまり、ガソリンエンジンを動力源とするガソリン自動車に対するガソリンが、燃料電池自動車に対する水素に相当する。したがって、燃料電池自動車は、ガソリン自動車用のガソリンスタンドに相当する、燃料電池自動車用の水素ステーションで水素の受け入れが行われ、水素ステーションから供給された水素は、燃料電池自動車に設けられた水素タンクに貯留されることとなる。

上記水素ステーションに設置される高圧水素製造システムとして、例えば、特許文献１には、水素製造装置と、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、圧縮機によって圧縮された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器とを含む構成が開示されている。特許文献１の技術では、第１の蓄圧器の圧力が第１閾値を上回ると、水素製造装置による水素の製造を停止する停止処理を開始し、第１の蓄圧器の圧力が第１閾値より大きい第２閾値以上になると、圧縮機によって昇圧された水素を第２の蓄圧器に貯留させている。

特許第５３７８６２４号公報

上記水素ステーションにおいて蓄圧器は、水素の消費量（燃料電池自動車に供給される水素量）の変動（負荷変動）を吸収するために設けられているが、蓄圧器に要するコストを削減するために、蓄圧器の個数を低減する技術の開発が希求されている。

本発明は、蓄圧器の個数を低減することが可能な高圧水素製造システム、および、高圧水素製造システムの運転方法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、水素を製造して出力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第１の蓄圧器および第２の蓄圧器と、前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値以上になると、前記水素製造装置から出力された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留させ、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値未満になると、該水素製造装置から出力された水素および該第２の蓄圧器に貯留された水素のいずれか一方または双方を、該第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させ、該第２の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満の第２閾値を上回ると、該水素製造装置を制御して、該水素製造装置による水素の出力を最少出力まで減少させ該最少出力に至った後に水素の出力を停止する停止処理を開始させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記制御部は、前記第２の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になると、前記水素製造装置を制御して、最大出力に向けて水素の出力を増加させる開始処理を遂行するとしてもよい。

また、前記第２閾値は、前記第２の蓄圧器の最大容量と、前記停止処理中に出力される水素量と、前記開始処理中に出力される水素量と、該開始処理中に前記第１の蓄圧器および前記第２の蓄圧器のいずれか一方または双方から送出される水素量の最大値とに基づいて設定されるとしてもよい。

また、少なくとも前記第１の蓄圧器に貯留された水素を昇圧する第２の圧縮機をさらに備えるとしてもよい。

また、前記第２の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第３の蓄圧器と、をさらに備えるとしてもよい。

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の運転方法は、水素を製造して出力する水素製造装置と、該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、該第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器とを備えた高圧水素製造システムの運転方法であって、前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値以上になったか否かを判定し、前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値以上になったと判定すると、前記水素製造装置から出力された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留させ、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値未満になったと判定すると、該水素製造装置から出力された水素および該第２の蓄圧器に貯留された水素のいずれか一方または双方を、該第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させ、前記第２の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満の第２閾値を上回ったか否かを判定し、前記第２の蓄圧器の圧力が前記第２閾値を上回ったと判定すると、前記水素製造装置を制御して、該水素製造装置による水素の出力を最少出力まで減少させ該最少出力に至った後に水素の出力を停止する停止処理を開始することを特徴とする。

また、前記第２の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になったと判定すると、前記水素製造装置を制御して、最大出力に向けて水素の出力を増加させる開始処理を遂行するとしてもよい。

本発明によれば、蓄圧器の個数を低減す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。 第１の実施形態にかかる高圧水素製造システムを説明するための図である。 水素製造装置の具体的な構成を説明するための図である。 停止状態においても水素を製造している水素製造装置における、通常運転時、停止処理期間、および、開始処理期間の水素の出力量を説明するための図である。 停止状態において水素の製造を停止する水素製造装置における、通常運転時、停止処理期間、および、開始処理期間の水素の出力量を説明するための図である。 水素製造装置の制御基準となる可変圧蓄圧器の圧力の設定について説明するための図である。 水素製造装置の制御の流れを説明するためのフローチャートである。 低圧圧縮機の制御の流れを説明するためのフローチャートである。 バルブの制御の流れを説明するためのフローチャートである。 高圧圧縮機の制御の流れを説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態にかかる高圧水素製造システムを説明するための図である。 第３の実施形態にかかる高圧水素製造システムを説明するための図である。 第３の実施形態の変形例にかかる高圧水素製造システムを説明するための図である。 第４の実施形態にかかる高圧水素製造システム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。

（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。

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。

（第１の実施形態：高圧水素製造システム１１０）
図２は、第１の実施形態にかかる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、低圧圧縮機２３０（第１の圧縮機）と、低圧蓄圧器２４０（第１の蓄圧器）と、高圧圧縮機２５０（第２の圧縮機）と、高圧蓄圧器２６０（第３の蓄圧器）と、可変圧蓄圧器２７０（第２の蓄圧器）と、圧力測定部２８０と、制御部２９０と、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３と、減圧弁ＲＶとを含んで構成される。なお、図２中、水素の流れを実線で示し、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して出力する。図３は、水素製造装置２１０の具体的な構成を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、水素製造装置２１０は、反応器２１２と、反応器２１２を所定の温度（例えば、８００℃）に維持する加熱炉２１４と、反応器２１２において生成された混合ガスから水素を精製する精製器２１６とを含んで構成される。

反応器２１２は、例えば、都市ガス、液化石油ガス等の化石燃料および水蒸気（以下、化石燃料および水蒸気を「原料ガス」と称する。）を触媒反応させて水素を含む混合ガスを生成する水蒸気改質容器と、当該混合ガス中の一酸化炭素と水蒸気を反応させて水素を生成するシフト反応容器とを含んで構成される。精製器２１６は、反応器２１２によって生成された、水素を含む混合ガスから水素を精製する水素分離膜や、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）を含んで構成される。水素製造装置２１０によって製造される水素（精製器２１６から出力される水素）の圧力は、例えば、０．７ＭＰａである。

また、水素製造装置２１０は、停止状態においても水素を製造するタイプ（以下、「水素製造装置２１０Ａ」と称する。）と、停止状態において水素の製造を停止するタイプ（以下、「水素製造装置２１０Ｂ」と称する。）とに大別される。ここで、「停止状態」は、外部に水素を出力しない状態を指す。また、「停止処理」は、水素の出力を最少出力まで徐々に減少させ（ロードダウン）、最少出力に至った後に出力を停止する処理を指す。さらに、「開始処理」は、停止状態（水素の出力停止中）、水素の出力中にかかわらず、最大出力（１００％出力）に向けて水素の出力を増加させる処理を指す。すなわち、水素の出力停止中に遂行される開始処理は、停止状態から最少出力状態への移行および最少出力状態から最大出力に向けた出力増加（ロードアップ）であり、水素の出力中に遂行される開始処理は、最大出力に向けた出力増加（ロードアップ）である。以下、図３（ｂ）、（ｃ）を用いて、停止状態における水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂの動作について説明する。

図３（ｂ）に示すように、水素製造装置２１０Ａは、停止状態においても原料ガスが反応器２１２に供給され、水素を含む混合ガスが製造される。そして、水素製造装置２１０Ａは、停止状態において、精製器２１６によって精製された水素を、加熱炉２１４に導入して反応器２１２を加熱するための燃料として利用する。このため、水素製造装置２１０Ａでは、停止状態において水素の出力量はゼロとなるものの、水素の製造は継続しているため、開始処理の指令を受けると、直ちに定格の純度の水素を出力することができる。

一方、水素製造装置２１０Ｂは、停止状態では、原料ガスの反応器２１２への供給を停止し、水素の製造および出力を停止する装置である。水素製造装置２１０Ｂの場合、停止状態（原料供給を停止した状態）で開始処理の指令を受けても直ちに水素を出力することはできない。水素製造装置２１０Ｂについてより詳細に説明する。水素製造装置２１０Ｂが停止処理の指令を受けると、水素の出力を徐々に低下させ、最少出力（例えば最大出力の３０％）に至った後に、原料ガスの反応器２１２への供給を停止し、水素の製造および出力を停止する。この際、装置内に残った水素等を装置内に循環しておく例が多い。この状態を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）の状態から開始処理の指令を受けた場合、水素の循環を停止し、原料ガスを導入し、水素製造装置２１０Ｂ内の反応器２１２および精製器２１６の運転状態（温度、圧力など）を安定させる動作を行った後、水素の最少出力状態に移行する。このように水素製造装置２１０Ｂは、図３（ｃ）の状態から水素を出力するまで所定の時間（例えば９０分）が必要となる。

また、水素製造装置２１０（２１０Ａ、２１０Ｂ）は、通常運転時（最大出力（１００％出力）での運転時）のみならず、停止処理、および、開始処理を遂行している期間においても水素を製造している。停止処理が遂行される期間（以下、「停止処理期間」と称する。）、および、開始処理が遂行される期間（以下、「開始処理期間」と称する。）における、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂの水素の出力量については、後に詳述する。

図２に戻って説明すると、サクションタンク２２０は、水素製造装置２１０と低圧圧縮機２３０との間に設けられ、クッションタンクとして機能する。

低圧圧縮機２３０は、水素製造装置２１０によって製造された水素（０．７ＭＰａ）を圧縮して、例えば、３３ＭＰａ〜４０ＭＰａに昇圧する。

低圧蓄圧器２４０は、低圧圧縮機２３０によって昇圧された水素（３３ＭＰａ〜４０ＭＰａ）を貯留する。

高圧圧縮機２５０は、低圧蓄圧器２４０に貯留された水素（３３ＭＰａ〜４０ＭＰａ）を圧縮して、例えば、８２ＭＰａに昇圧する。

高圧蓄圧器２６０は、高圧圧縮機２５０によって昇圧された水素（８２ＭＰａ）を貯留する。そして、高圧蓄圧器２６０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）。

可変圧蓄圧器２７０は、低圧圧縮機２３０によって昇圧された水素を貯留する。また、低圧蓄圧器２４０の圧力が低下した場合に、可変圧蓄圧器２７０からサクションタンク２２０を経由して低圧圧縮機２３０へ水素が払い出され、払い出された水素は、低圧圧縮機２３０によって圧縮され、低圧蓄圧器２４０に送出される。なお、本実施形態において、可変圧蓄圧器２７０の上限圧力（最大許容圧力）は、低圧蓄圧器２４０の上限圧力と実質的に等しく、例えば、４０ＭＰａである。

圧力測定部２８０は、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃ、低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｌｐａ、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ、および、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａを測定する。

制御部２９０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。

本実施形態において制御部２９０は、低圧圧縮機２３０および高圧圧縮機２５０を制御する。具体的に説明すると、制御部２９０は、低圧圧縮機２３０の入口の圧力（ここでは、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃ）が目標値ＴＧｓ（例えば０．５５ＭＰａ）となるように低圧圧縮機２３０の起動停止や圧縮容量を制御する。また、制御部２９０は、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈ（制御遅れ等が発生しても最大許容圧力を超えないよう、例えば、８１．５ＭＰａ）となるように高圧圧縮機２５０の起動停止や圧縮容量を制御する。

また、制御部２９０は、水素製造装置２１０の駆動制御、および、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御を実行する。なお、バルブＶ１は、低圧圧縮機２３０と低圧蓄圧器２４０とを接続する配管に設けられ、バルブＶ２は、低圧圧縮機２３０と低圧蓄圧器２４０とを接続する配管における低圧圧縮機２３０とバルブＶ１との間から可変圧蓄圧器２７０に分岐された配管に設けられ、バルブＶ３は、可変圧蓄圧器２７０とサクションタンク２２０とを接続する配管に設けられる。なお、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３は開閉弁で構成される。

また、バルブＶ３とサクションタンク２２０とを接続する配管には、減圧弁ＲＶが設けられる。なお、減圧弁ＲＶは、可変圧蓄圧器２７０とバルブＶ３とを接続する配管に設けてもよい。減圧弁ＲＶの設定圧力は、サクションタンク２２０の目標値ＴＧｓよりも高い圧力とし、例えば０．６ＭＰａとする。かかる水素製造装置２１０の駆動制御およびバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御に関しては後述する高圧水素製造システム１１０の運転処理において詳述する。

（低圧圧縮機２３０、高圧圧縮機２５０の圧力設計）
続いて、低圧圧縮機２３０、高圧圧縮機２５０の圧力設計について説明する。燃料電池自動車の水素タンクの圧力は７０ＭＰａが世界基準となっているため、当該水素タンクに水素を差圧充填するためには、供給元の水素の圧力を、７０ＭＰａを上回る値（例えば、８２ＭＰａ）とする必要がある。しかし、水素製造装置２１０で製造された水素の圧力は、０．７ＭＰａと低いため、水素製造装置２１０で製造された水素をそのまま燃料電池自動車に供給することはできない。そこで、本実施形態の高圧水素製造システム１１０は、水素製造装置２１０で製造された水素を８２ＭＰａまで昇圧する。

具体的に説明すると、まず、高圧水素製造システム１１０における最後段の高圧蓄圧器２６０の圧力を８２ＭＰａに設計する、すなわち、高圧圧縮機２５０の出口圧力を８２ＭＰａに設計する。したがって、水素を８２ＭＰａに昇圧可能な高圧圧縮機２５０を採用すればよいが、高圧圧縮機２５０の性能によっては、入口の圧力を３３ＭＰａ〜４０ＭＰａまで昇圧する必要がある。そこで、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０では、低圧圧縮機２３０および低圧蓄圧器２４０を設けておき、低圧圧縮機２３０が水素製造装置２１０で製造された水素（０．７ＭＰａ）を３３ＭＰａ〜４０ＭＰａに昇圧して、低圧蓄圧器２４０に貯留し、高圧圧縮機２５０が低圧蓄圧器２４０に貯留された３３ＭＰａ〜４０ＭＰａの水素を８２ＭＰａに昇圧することとしている。

（低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数の設計）
続いて、低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数の設計について説明する。ここでは、まず、上記水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂにおける、通常運転時（出力１００％運転時）の水素出力量、停止処理期間の水素出力量、および、開始処理期間の水素出力量について説明し、次に、比較例における低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数の設計について、続いて、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０における低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数の設計について説明する。

（１．水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂにおける、通常運転時、停止処理期間、および、開始処理期間の水素出力量）
上述したように、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂは、通常運転時のみならず、停止処理期間においても、開始処理期間においても水素を製造している。

図４は、停止状態においても水素を製造している水素製造装置２１０Ａにおける、通常運転時（出力１００％運転時）、停止処理期間、および、開始処理期間の水素の出力量を説明するための図であり、図５は、停止状態において水素の製造を停止する水素製造装置２１０Ｂにおける、通常運転時（出力１００％運転時）、停止処理期間、および、開始処理期間の水素の出力量を説明するための図である。なお、図４（ａ）、図５（ａ）は、出力１００％運転時の水素の出力量を説明するための図であり、図４（ｂ）、図５（ｂ）は、停止処理期間の水素の出力量を説明するための図であり、図４（ｃ）、図５（ｃ）は、開始処理期間の水素の出力量を説明するための図である。

水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂが出力１００％で運転する場合、例えば、３００ｍ^３／ｈで水素を製造して出力するとする。そうすると、図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、出力１００％で運転している際に、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂは、常時３００ｍ^３／ｈで水素を製造して出力することになる。

ここで、燃料電池自動車への水素の平均供給量（水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂによって供給可能な水素量の平均）について説明すると、燃料電池自動車への水素の平均供給量（ｍ^３／ｈ）は、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂによる水素の出力能力（ｍ^３／ｈ）に依存する。すなわち、本実施形態にかかる水素ステーション１００では、３００ｍ^３／ｈで燃料電池自動車に水素を供給することが可能となる。

しかし、燃料電池自動車は必ずしも平均的に水素ステーション１００に訪れる訳ではないため、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂによる水素の出力量を調整する必要がある。

具体的に説明すると、水素ステーション１００に訪れる燃料電池自動車の数が少ない期間、すなわち、燃料電池自動車への水素の供給量が水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂの水素の出力量よりも少ない期間において、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂが出力１００％で運転していると、低圧蓄圧器２４０、可変圧蓄圧器２７０、高圧蓄圧器２６０において水素を貯留しきれなくなる。

そこで、制御部２９０は、低圧蓄圧器２４０、可変圧蓄圧器２７０、高圧蓄圧器２６０において水素を貯留しきれなくなりそうになると、水素製造装置２１０を制御して停止処理を開始させる。

水素製造装置２１０Ａは、停止処理を開始する場合、図４（ｂ）に示すように、水素の出力を３００ｍ^３／ｈから徐々に下げていき、最終的に、例えば、９０ｍ^３／ｈとして停止状態に移行することとなる。ここでは、停止処理に１時間を要するものとする。

なお、上述したように、水素製造装置２１０Ａは、停止状態（アイドリング状態）であっても、定格の純度の水素を負荷３０％（９０ｍ^３／ｈ）で常時製造しており、停止状態においては、水素製造装置２１０Ａ自体が製造した水素を燃焼させて消費している。つまり、水素製造装置２１０Ａの停止状態においては、水素の出力はない（ゼロである）が、実際には、９０ｍ^３／ｈで水素を製造していることとなる。したがって、停止処理を開始してから１時間経過（停止状態に移行）すると、水素の出力は、９０ｍ^３／ｈから０ｍ^３／ｈになる。

このように、水素製造装置２１０Ａでは、停止処理期間においても水素が出力されることとなる。図４（ｂ）に示す例において、水素製造装置２１０Ａによって停止処理期間に製造され出力される水素量、すなわち、停止処理中に余剰する水素量Ａ（図４（ｂ）中、ハッチングで示す。）は、（３００ｍ^３／ｈ＋９０ｍ^３／ｈ）／２×１ｈ＝１９５ｍ^３となる。以下、理解を容易にするために、停止処理中に余剰する水素量Ａを、単に、「余剰分Ａ」と称することとする。

一方、水素製造装置２１０Ａが停止状態になってから水素ステーション１００に燃料電池自動車が多数訪れ、燃料電池自動車に供給するための水素が足りなくなりそうになると、制御部２９０は、水素製造装置２１０Ａを制御して開始処理を遂行させる。

上述したように、水素製造装置２１０Ａは、停止状態（アイドリング状態）であっても、定格の純度の水素を負荷３０％（９０ｍ^３／ｈ）で常時製造している。したがって、水素製造装置２１０Ａの停止状態から開始処理の遂行を開始すると、水素製造装置２１０Ａ自体での水素の燃焼を停止し、直ちに、９０ｍ^３／ｈで水素の出力を開始することとなる。

水素製造装置２１０Ａは、開始処理の遂行を開始する場合、図４（ｃ）に示すように、水素の出力を９０ｍ^３／ｈから徐々に上げていき、最終的に３００ｍ^３／ｈとして出力１００％の運転に移行することとなる。ここでは、開始処理に１時間を要するものとする。

このように、開始処理期間において水素が出力されることになるが、出力１００％の運転と比較して、単位時間当たりの出力量が少ない。このため、当該水素ステーション１００における最大供給能力（３００ｍ^３／ｈ）での水素供給が必要となる場合に、水素製造装置２１０が開始処理中に製造した水素をすべて供給するとしても、水素が不足してしまう。

図４（ｃ）に示す例において、水素製造装置２１０Ａによって開始処理期間に製造され出力される水素量と、開始処理期間において燃料電池自動車に供給されると予想される最大の水素量（開始処理期間中に低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０から送出される水素量の最大値）との差分、すなわち、開始処理中に不足する水素量Ｂ（図４（ｃ）中、クロスハッチングで示す。）は、｛３００ｍ^３／ｈ−（３００ｍ^３／ｈ＋９０ｍ^３／ｈ）／２｝×１ｈ＝１０５ｍ^３となる。以下、理解を容易にするために、開始処理中に不足する水素量Ｂを、単に、「不足分Ｂ」と称することとする。

一方、水素製造装置２１０Ｂは、停止処理を開始する場合、図５（ｂ）に示すように、水素の出力を３００ｍ^３／ｈから徐々に下げていき、最終的に、例えば、９０ｍ^３／ｈとなってから停止状態（ホットスタンバイ状態）に移行することとなる。ここでは、停止処理に１時間を要するものとする。

なお、上述したように、水素製造装置２１０Ｂは、停止状態（ホットスタンバイ状態）に移行してから所定時間は、反応器２１２に循環させるための水素を所定量製造するものの、停止状態に移行すると、水素の出力を停止する。したがって、停止処理を開始すると水素の出力は、９０ｍ^３／ｈから０ｍ^３／ｈになり、１時間経過すると停止状態に移行する。なお、水素製造装置２１０Ｂは、停止状態に移行してから所定時間が終了すると、すなわち、循環用の水素の製造が完了すると、水素の製造を停止し、所定量の水素を反応器２１２に循環させて、反応器２１２の温度を維持する。

水素製造装置２１０Ａと同様に、水素製造装置２１０Ｂでも、停止処理期間においても水素が出力されることとなる。図５（ｂ）に示す例において、水素製造装置２１０Ｂによって停止処理期間中に出力される水素量、すなわち、余剰分Ａ（図５（ｂ）中、ハッチングで示す）は、（３００ｍ^３／ｈ＋９０ｍ^３／ｈ）／２×１ｈ＝１９５ｍ^３となる。

一方、水素製造装置２１０Ｂが停止状態になってから水素ステーション１００に燃料電池自動車が多数訪れ、燃料電池自動車に供給するための水素が足りなくなりそうになると、制御部２９０は、水素製造装置２１０Ｂを制御して開始処理を遂行させる。

上述したように、水素製造装置２１０Ｂは、停止状態（ホットスタンバイ状態）において、水素の製造を停止しているため、図５（ｃ）に示すように、停止状態から開始処理の遂行を開始しても、所定時間（ここでは、１．５時間）が経過するまでは、定格の純度の水素を出力できない。したがって、開始処理の遂行を開始して所定時間が経過するまでは、水素の出力がゼロであるが、所定時間が経過すると、出力９０ｍ^３／ｈで水素の出力を開始することが可能となる。その後、水素製造装置２１０Ｂは、水素の出力を９０ｍ^３／ｈから徐々に上げていき、最終的に３００ｍ^３／ｈとして出力１００％の運転に移行することとなる。なお、ここでは、開始処理に２．５時間を要するものとする。

このように、水素製造装置２１０Ａと同様に、水素製造装置２１０Ｂでも、開始処理期間において水素が出力されることになるが、出力１００％の運転と比較して、単位時間当たりの出力量が少なく、水素ステーション１００における最大供給能力（３００ｍ^３／ｈ）での水素供給が必要となる場合に、水素が不足してしまう。

図５（ｃ）に示す例において、水素製造装置２１０Ｂによって開始処理期間に出力される水素量と、開始処理期間において燃料電池自動車に供給されると予想される最大の水素量との差分、すなわち、不足分Ｂ（図５（ｃ）中、クロスハッチングで示す。）は、３００ｍ^３／ｈ×２．５ｈ−｛（３００ｍ^３／ｈ＋９０ｍ^３／ｈ）／２×１ｈ｝＝５５５ｍ^３となる。

以上を纏めると、余剰分Ａは、水素製造装置２１０Ａ、２１０Ｂとも１９５ｍ^３となる。また、不足分Ｂは、水素製造装置２１０Ａでは１０５ｍ^３となり、水素製造装置２１０Ｂでは５５５ｍ^３となる。

（２．比較例における低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数の設計）
比較例では、低圧蓄圧器２４０に貯留された水素の量（圧力）が所定量（所定圧力、例えば、３９ＭＰａ）を上回ると、水素製造装置２１０を制御して停止処理を遂行させ、所定量未満になると、開始処理を遂行させる。そして、低圧蓄圧器２４０の個数を、不足分Ｂを貯留するために必要な個数として設計し、余剰分Ａをまず低圧蓄圧器２４０に貯留し、貯留しきれない分を可変圧蓄圧器２７０に貯留するものとして可変圧蓄圧器２７０の個数を設計する。

比較例における低圧蓄圧器２４０の個数の設計について説明すると、低圧蓄圧器２４０の個数Ｘは下記式（１）を用いて算出することができる。
Ｘ＝Ｂ／｛（Ｐｔｈ１−Ｐｍｉｎ）×１０×Ｄ／ｚ｝…式（１）
ここで、Ｂは不足分（ｍ^３）、Ｐｍｉｎは低圧蓄圧器２４０の下限圧力（ＭＰａ）、すなわち、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値、Ｐｔｈ１は開始処理の遂行を開始するトリガとなる低圧蓄圧器２４０の圧力（ＭＰａ）、Ｄは１個あたりの低圧蓄圧器２４０の容量（幾何容積、ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値Ｐｍｉｎを３３ＭＰａ、開始処理の遂行を開始するトリガとなる低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｔｈ１を３９ＭＰａ、容量Ｄを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数ｚを１．２とし、式（１）を用いて、不足分Ｂを貯留するために必要な低圧蓄圧器２４０の個数Ｘを算出すると、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０の場合（Ｂ＝１０５ｍ^３）、７個となる。

そして、低圧蓄圧器２４０の個数に基づいて、余剰分Ａを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数を算出する。具体的に説明すると、まず、式（１）を用いて算出した個数の低圧蓄圧器２４０で貯留できる水素量Ｌｈ（ｍ^３）を、下記式（２）に基づいて算出する。
Ｌｈ＝｛（Ｐｍａｘ−Ｐｔｈ２）×１０×Ｄ／ｚ｝×Ｘ…式（２）
ここで、Ｐｍａｘは低圧蓄圧器２４０の上限圧力（ＭＰａ）、Ｐｔｈ２は停止処理を開始するトリガとなる低圧蓄圧器２４０の圧力（ＭＰａ）、Ｄは１個あたりの低圧蓄圧器２４０の容量（幾何容積、ｍ^３）、Ｘは低圧蓄圧器２４０の個数、ｚは水素の圧縮係数を示す。

低圧蓄圧器２４０の上限圧力Ｐｍａｘを４０ＭＰａ、停止処理を開始するトリガとなる低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｔｈ２を３９ＭＰａ、容量Ｄを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数ｚを１．２とし、式（２）を用いて、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０の７個の低圧蓄圧器２４０で貯留できる水素量Ｌｈ（ｍ^３）を算出すると、１７．５ｍ^３となる。

そして、余剰分Ａ（１９５ｍ^３）と水素量Ｌｈ（１７．５ｍ^３）の差分（１７７．５ｍ^３）を可変圧蓄圧器２７０に貯留する場合、かかる差分を貯留するための可変圧蓄圧器２７０の個数Ｍは下記式（３）を用いて算出することができる。
Ｍ＝Ｅ／｛（Ｑｍａｘ−Ｑｍｉｎ）×１０×Ｆ／ｚ｝…式（３）
ここで、Ｅは、余剰分Ａ（ｍ^３）と水素量Ｌｈ（ｍ^３）の差分（ｍ^３）、Ｑｍａｘは可変圧蓄圧器２７０の上限圧力（ＭＰａ）、Ｑｍｉｎは可変圧蓄圧器２７０の下限圧力（ＭＰａ）、Ｆは１個あたりの可変圧蓄圧器２７０の容量（幾何容積、ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

余剰分Ａ（ｍ^３）と水素量Ｌｈ（ｍ^３）の差分Ｅを１７７．５ｍ^３（１９５ｍ^３−１７．５ｍ^３）、可変圧蓄圧器２７０の上限圧力Ｑｍａｘを４０ＭＰａ、可変圧蓄圧器２７０の下限圧力Ｑｍｉｎを０．７ＭＰａ、容量Ｆを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数を１．２とし、式（３）を用いて、差分Ｅを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｍを算出すると、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０では、約１．８個（２個）となる。

同様に、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０について、式（１）を用いて、不足分Ｂ（５５５ｍ^３）を貯留するために必要な低圧蓄圧器２４０の個数Ｘを算出すると、３７個となる。

また、式（２）を用いて、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０の３７個の低圧蓄圧器２４０で貯留できる水素量Ｌｈ（ｍ^３）を算出すると、９２．５ｍ^３となる。

さらに、式（３）を用いて、余剰分Ａ（１９５ｍ^３）と水素量Ｌｈ（９２．５ｍ^３）の差分Ｅ（１９５ｍ^３−９２．５ｍ^３＝１０２．５ｍ^３）を貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｍを算出すると、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０では、約１．１個（２個）となる。

以上、纏めると、比較例では、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０において、低圧蓄圧器２４０が７個、可変圧蓄圧器２７０が２個の合計９個と設計され、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０において、低圧蓄圧器２４０が３７個、可変圧蓄圧器２７０が２個の合計３９個と設計されることとなる。

（３．本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０における低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数の設計）
比較例で設計した低圧蓄圧器２４０および可変圧蓄圧器２７０の個数をさらに低減すべく、本実施形態では、不足分Ｂおよび余剰分Ａの双方を可変圧蓄圧器２７０で貯留し、可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素の量（圧力）に基づいて、水素製造装置２１０を制御して停止処理や開始処理を遂行させることとする。

図６は、水素製造装置２１０の制御基準となる可変圧蓄圧器２７０の圧力の設定について説明するための図である。本実施形態では、不足分Ｂおよび余剰分Ａの双方を可変圧蓄圧器２７０で貯留するため、図６に示すように、可変圧蓄圧器２７０の容量（上限圧力Ｑｍａｘ−下限圧力Ｑｍｉｎ）は、不足分Ｂと余剰分Ａとの合計となる。

燃料電池自動車への水素の供給に伴い、可変圧蓄圧器２７０から低圧圧縮機２３０（サクションタンク２２０）へ水素が供給されると、可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素が減少する。そして、上限圧力Ｑｍａｘから余剰分Ａだけ減少すると、すなわち、不足分Ｂしか残っていない状態になると、水素製造装置２１０において開始処理の遂行を開始する必要がある。そこで、制御部２９０は、可変圧蓄圧器２７０の圧力が、不足分Ｂに相当する圧力未満になったときに、水素製造装置２１０を制御して開始処理の遂行を開始させることとする。

一方、燃料電池自動車への水素の供給がなく、水素製造装置２１０から可変圧蓄圧器２７０へ水素が供給されると、可変圧蓄圧器２７０に貯留される水素量が増加する。そして、不足分Ｂを超えると、水素製造装置２１０において停止処理を開始する必要がある。そこで、制御部２９０は、可変圧蓄圧器２７０の圧力が、不足分Ｂに相当する圧力を上回ったときに、水素製造装置２１０を制御して停止処理を開始させることとする。

このように、制御部２９０による水素製造装置２１０の制御基準となる、可変圧蓄圧器２７０の圧力（第２閾値、以下、「トリガ圧力ＰｔｈＡ」と称する。）は、不足分Ｂに相当する圧力となる。したがって、トリガ圧力ＰｔｈＡは、可変圧蓄圧器２７０の容量に対する不足分Ｂに応じて設定されることとなる。つまり、トリガ圧力ＰｔｈＡは、可変圧蓄圧器２７０の最大容量と、余剰分Ａと、不足分Ｂとに基づいて設定される。

具体的に説明すると、トリガ圧力ＰｔｈＡは、可変圧蓄圧器２７０の容量（Ｑｍａｘ−Ｑｍｉｎ）を、不足分Ｂと余剰分Ａとの比で按分した値に設定される（下記式（４））。
ＰｔｈＡ＝（Ｑｍａｘ−Ｑｍｉｎ）×｛Ａ／（Ａ＋Ｂ）｝＋Ｑｍｉｎ…式（４）
例えば、可変圧蓄圧器２７０の上限圧力Ｑｍａｘを４０ＭＰａ、可変圧蓄圧器２７０の下限圧力Ｑｍｉｎを０．７ＭＰａとすると、水素製造装置２１０Ａの場合、トリガ圧力ＰｔｈＡは、（４０ＭＰａ−０．７ＭＰａ）×｛１０５ｍ^３／（１０５ｍ^３＋１９５ｍ^３）｝＋０．７ＭＰａ＝１４．４５５ＭＰａ（約１５ＭＰａ）となる。また、水素製造装置２１０Ｂの場合、トリガ圧力ＰｔｈＡは、（４０ＭＰａ−０．７ＭＰａ）×｛５５５ｍ^３／（５５５ｍ^３＋１９５ｍ^３）｝＋０．７ＭＰａ＝２９．７８２ＭＰａ（約３０ＭＰａ）となる。

続いて、可変圧蓄圧器２７０の個数の設計について説明する。不足分Ｂを貯留しておくために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｒは、下記式（５）を用いて算出することができる。
Ｒ＝Ｂ／｛（ＰｔｈＡ−Ｑｍｉｎ）×１０×Ｆ／ｚ｝…式（５）
ここで、Ｂは、不足分（ｍ^３）、ＰｔｈＡは、トリガ圧力（ＭＰａ）、Ｑｍｉｎは可変圧蓄圧器２７０の下限圧力（ＭＰａ）、Ｆは１個あたりの可変圧蓄圧器２７０の容量（幾何容積、ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

可変圧蓄圧器２７０の下限圧力Ｑｍｉｎを０．７ＭＰａ、容量Ｆを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数を１．２とし、式（５）を用いて、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０において、不足分Ｂを貯留しておくために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｒを算出すると、１０５ｍ^３／｛（１５ＭＰａ−０．７ＭＰａ）×１０×０．３／１．２｝≒２．９個（３個）となる。

余剰分Ａを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｓは、下記式（６）を用いて算出することができる。
Ｓ＝Ａ／｛（Ｑｍａｘ−ＰｔｈＡ）×１０×Ｆ／ｚ｝…式（６）
ここで、Ａは余剰分（ｍ^３）、Ｑｍａｘは可変圧蓄圧器２７０の上限圧力（ＭＰａ）、ＰｔｈＡはトリガ圧力（ＭＰａ）、Ｆは１個あたりの可変圧蓄圧器２７０の容量（幾何容積ｍ^３）、ｚは水素の圧縮係数を示す。

可変圧蓄圧器２７０の上限圧力Ｑｍａｘを４０ＭＰａ、容量Ｆを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数を１．２とし、式（６）を用いて、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０において、余剰分Ａを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数Ｓを算出すると、１９５ｍ^３／｛（４０ＭＰａ−１５ＭＰａ）×１０×０．３／１．２｝≒３．１２個（４個）となる。

したがって、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０において、不足分Ｂおよび余剰分Ａを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数は、個数Ｒと個数Ｓの多い方、つまり、４個必要となる。

同様に、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０について、式（５）を用いて、不足分Ｂ（５５５ｍ^３）を貯留しておくために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数ＲをＰｔｈＡ＝３０ＭＰａとして算出すると、７．６個（８個）となる。

また、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０について、式（６）を用いて、余剰分Ａ（１９５ｍ^３）を貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数ＳをＰｔｈＡ＝３０ＭＰａとして算出すると、７．８個（８個）となる。

したがって、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０において、不足分Ｂおよび余剰分Ａを貯留するために必要な可変圧蓄圧器２７０の個数は、個数Ｒと個数Ｓの多い方、つまり、８個必要となる。

続いて、低圧蓄圧器２４０の個数の設計について説明すると、上述したように、可変圧蓄圧器２７０において、不足分Ｂおよび余剰分Ａの双方を貯留するように可変圧蓄圧器２７０の個数を設計する。このため、水素製造装置２１０Ａを採用した場合であっても、水素製造装置２１０Ｂを採用した場合であっても、低圧蓄圧器２４０は、燃料電池自動車１台分を満充填するための水素量を貯留すればよい。

したがって、低圧蓄圧器２４０の個数Ｙは、下記式（７）を用いて算出することができる。
Ｙ＝Ｃ／｛（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）×１０×Ｄ／ｚ｝…式（７）
ここで、Ｃは燃料電池自動車１台分を満充填するための水素量を、Ｐｍｉｎは低圧蓄圧器２４０の下限圧力（ＭＰａ）を、Ｐｍａｘは低圧蓄圧器２４０の上限圧力（ＭＰａ）を、Ｄは１個あたりの低圧蓄圧器２４０の容量（幾何容積ｍ^３）を、ｚは水素の圧縮係数を示す。

燃料電池自動車１台分を満充填するための水素量Ｃを、例えば、５６ｍ^３、Ｐｍａｘを４０ＭＰａ、Ｐｍｉｎを３３ＭＰａ、容量Ｄを０．３ｍ^３／個、水素の圧縮係数ｚを１．２として、高圧水素製造システム１１０における低圧蓄圧器２４０の個数Ｙを算出すると、５６ｍ^３／｛（４０ＭＰａ−３３ＭＰａ）×１０×０．３／１．２｝≒３．２個（４個）となる。

以上纏めると、下記比較表に示すように、水素製造装置２１０Ａを採用した高圧水素製造システム１１０の場合、比較例と比較して、本実施形態では、蓄圧器を１個削減することができる。また、水素製造装置２１０Ｂを採用した高圧水素製造システム１１０の場合、比較例と比較して、本実施形態では、蓄圧器を２７個削減することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０によれば、蓄圧器の個数を低減することができ、高圧水素製造システム１１０において蓄圧器に要するコストを削減することが可能となる。

（高圧水素製造システム１１０の運転方法）
続いて、上記高圧水素製造システム１１０の運転方法について説明する。図７は、水素製造装置２１０の制御の流れを説明するためのフローチャートであり、図８は、低圧圧縮機２３０の制御の流れを説明するためのフローチャートであり、図９は、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の制御の流れを説明するためのフローチャートであり、図１０は、高圧圧縮機２５０の制御の流れを説明するためのフローチャートである。

（水素製造装置２１０の駆動制御）
図７に示すように、制御部２９０は、圧力測定部２８０によって測定された可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａがトリガ圧力ＰｔｈＡ（第２閾値）と等しいか否かを判定する（Ｓ１１０）。可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａがトリガ圧力ＰｔｈＡと等しいと判定すると（Ｓ１１０におけるＹＥＳ）、制御部２９０は、水素製造装置２１０の現在の出力をキープ（維持）する（Ｓ１１２）。

一方、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａがトリガ圧力ＰｔｈＡと等しくない場合（Ｓ１１０におけるＮＯ）、制御部２９０は、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａがトリガ圧力ＰｔｈＡを上回る圧力であるか否かを判定する（Ｓ１１４）。可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａがトリガ圧力ＰｔｈＡを上回る圧力であると判定すると（Ｓ１１４におけるＹＥＳ）、水素製造装置２１０による停止処理を開始する（Ｓ１１６）。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。一方、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａがトリガ圧力ＰｔｈＡを上回る圧力でない、すなわち、トリガ圧力ＰｔｈＡ未満であると判定すると（Ｓ１１４におけるＮＯ）、水素製造装置２１０による開始処理の遂行を開始する（Ｓ１１８）。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。

（低圧圧縮機２３０の駆動制御）
図８に示すように、まず、制御部２９０は、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓと等しいか否かを判定する（Ｓ１３０）。サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓと等しいと判定すると（Ｓ１３０におけるＹＥＳ）、制御部２９０は、低圧圧縮機２３０をロード（吸込・吐出量）キープする（Ｓ１３２）。

一方、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓと等しくない場合（Ｓ１３０におけるＮＯ）、制御部２９０は、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓを上回る圧力であるか否かを判定する（Ｓ１３４）。サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓを上回る圧力であると判定すると（Ｓ１３４におけるＹＥＳ）、低圧圧縮機２３０をロードアップする（Ｓ１３６）。一方、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓを上回る圧力でない、すなわち、目標値ＴＧｓ未満であると判定すると（Ｓ１３４におけるＮＯ）、低圧圧縮機２３０をロードダウンする（Ｓ１３８）。

（バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御）
図９に示すように、まず、制御部２９０は、低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｌｐａが第１閾値（例えば、３９．５ＭＰａ）以上になったか否かを判定する（Ｓ１５０）。低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｌｐａが第１閾値以上になったと判定すると（Ｓ１５０におけるＹＥＳ）、制御部２９０はバルブＶ２を開弁し、バルブＶ１、Ｖ３を閉弁する（Ｓ１５２）。こうして、低圧蓄圧器２４０が水素で満たされると、水素製造装置２１０によって製造された水素は、可変圧蓄圧器２７０へ送出されることとなる。

一方、低圧蓄圧器２４０の圧力Ｐｌｐａが第１閾値未満になったと判定すると（Ｓ１５０におけるＮＯ）、バルブＶ２を閉弁し、バルブＶ１、Ｖ３を開弁する（Ｓ１５４）。こうして、低圧蓄圧器２４０の水素量が少なくなると、水素製造装置２１０によって製造された水素および可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素のいずれか一方または双方が低圧蓄圧器２４０に送出されることとなる。

（高圧圧縮機２５０の駆動制御）
図１０に示すように、制御部２９０は、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈ（例えば、８１．５ＭＰａ）と等しいか否かを判定する（Ｓ１７０）。高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈと等しいと判定すると（Ｓ１７０におけるＹＥＳ）、制御部２９０は、高圧圧縮機２５０をロード（吸込・吐出量）キープする（Ｓ１７２）。

一方、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈと等しくない場合（Ｓ１７０におけるＮＯ）、制御部２９０は、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈを上回る圧力であるか否かを判定する（Ｓ１７４）。高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈを上回る圧力であると判定すると（Ｓ１７４におけるＹＥＳ）、高圧圧縮機２５０をロードダウンする（Ｓ１７６）。

一方、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈを上回る圧力でない、すなわち、目標値ＴＧｈ未満であると判定すると（Ｓ１７４におけるＮＯ）、高圧圧縮機２５０をロードアップする（Ｓ１７８）。

以上説明したように、本実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０、および、高圧水素製造システム１１０の運転方法によれば、蓄圧器の個数を低減することが可能となる。

（第２の実施形態：高圧水素製造システム３１０）
図１１は、第２の実施形態にかかる高圧水素製造システム３１０を説明するための図である。図１１に示すように、高圧水素製造システム３１０は、水素製造装置２１０と、サクションタンク２２０と、低圧圧縮機２３０（第１の圧縮機）と、低圧蓄圧器２４０（第１の蓄圧器）と、高圧圧縮機２５０（第２の圧縮機）と、高圧蓄圧器２６０（第３の蓄圧器）と、可変圧蓄圧器２７０（第２の蓄圧器）と、圧力測定部２８０と、制御部３９０と、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５と、減圧弁ＲＶとを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なるバルブＶ４、Ｖ５、制御部３９０について説明する。また、図１１中、水素の流れを実線で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

図１１に示すように、第２の実施形態にかかる高圧水素製造システム３１０では、高圧水素製造システム１１０と異なり、低圧蓄圧器２４０と高圧圧縮機２５０とを接続する配管と、可変圧蓄圧器２７０とバルブＶ３とを接続する配管とを接続する配管３１２が設けられている。

バルブＶ４、Ｖ５は、開閉弁で構成され、バルブＶ４は、配管３１２に設けられ、バルブＶ５は、低圧蓄圧器２４０と高圧圧縮機２５０とを接続する配管における配管３１２の接続点より上流側に設けられる。

制御部３９０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３１０全体を管理および制御する。

本実施形態において制御部３９０は、水素製造装置２１０、低圧圧縮機２３０、および、高圧圧縮機２５０の駆動制御、および、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５の開閉制御を実行する。なお、制御部３９０による、水素製造装置２１０、低圧圧縮機２３０、および、高圧圧縮機２５０の駆動制御、および、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３の開閉制御については、上記第１の実施形態にかかる制御と実質的に等しいため、説明を省略し、ここでは、バルブＶ４、Ｖ５の開閉制御について説明する。

制御部３９０は、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａが、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値Ｐｍｉｎ（例えば、３３ＭＰａ）以上である場合、バルブＶ４を開弁するとともに、バルブＶ５を閉弁する。また、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａが、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値Ｐｍｉｎ未満である場合、バルブＶ４を閉弁するとともに、バルブＶ５を開弁する。

可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａが、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値Ｐｍｉｎ以上である場合、可変圧蓄圧器２７０に貯留されている水素を低圧圧縮機２３０で昇圧せずとも、高圧圧縮機２５０で直接昇圧することができる。したがって、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａが、高圧圧縮機２５０の入口の圧力の下限値Ｐｍｉｎ以上である場合、制御部３９０がバルブＶ４、Ｖ５を開閉制御して、低圧圧縮機２３０を通さず、可変圧蓄圧器２７０から直接高圧圧縮機２５０に水素を送出する構成により、低圧圧縮機２３０による不要な昇圧を抑制することができ、低圧圧縮機２３０の消費エネルギーを削減することが可能となる。

（第３の実施形態：高圧水素製造システム４１０）
上記第１の実施形態において、高圧水素製造システム１１０が低圧圧縮機２３０と高圧圧縮機２５０を備える構成について説明した。しかし、高圧圧縮機の性能によっては、圧縮機を１つとすることもできる。

図１２は、第３の実施形態にかかる高圧水素製造システム４１０を説明するための図である。図１２に示すように、高圧水素製造システム４１０は、水素製造装置２１０と、サクションタンク２２０と、高圧圧縮機４５０（第１の圧縮機）と、高圧蓄圧器２６０（第１の蓄圧器）と、可変圧蓄圧器２７０（第２の蓄圧器）と、圧力測定部４８０と、制御部４９０と、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８と、２つの減圧弁ＲＶとを含んで構成される。なお、上述した第１の実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なる、高圧圧縮機４５０、圧力測定部４８０、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８、制御部４９０について説明する。また、図１２中、水素の流れを実線で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

高圧圧縮機４５０は、入口圧力が、水素製造装置２１０の出力圧力（０．７ＭＰａ）であっても８２ＭＰａまで昇圧できる高圧圧縮機である。

圧力測定部４８０は、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃ、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ、および、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａを測定する。

バルブＶ６は、高圧圧縮機４５０と高圧蓄圧器２６０とを接続する配管に設けられ、バルブＶ７は、高圧圧縮機４５０と高圧蓄圧器２６０とを接続する配管における高圧圧縮機４５０とバルブＶ６との間から可変圧蓄圧器２７０に分岐された配管に設けられ、バルブＶ８は、可変圧蓄圧器２７０とサクションタンク２２０とを接続する配管に設けられる。なお、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８は開閉弁で構成される。

また、バルブＶ８とサクションタンク２２０とを接続する配管、および、バルブＶ７の上流側には、減圧弁ＲＶが設けられる。

制御部４９０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４１０全体を管理および制御する。

本実施形態において制御部４９０は、水素製造装置２１０、および、高圧圧縮機４５０の駆動制御、および、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８の開閉制御を実行する。なお、制御部４９０による、水素製造装置２１０の駆動制御については、上記第１の実施形態にかかる制御と実質的に等しいため、説明を省略し、ここでは、高圧圧縮機４５０の駆動制御、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８の開閉制御について説明する。

本実施形態において制御部４９０は、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓと等しい場合、高圧圧縮機４５０をロード（吸込・吐出量）キープする。一方、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓを上回る圧力である場合、高圧圧縮機４５０をロードアップする。また、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃが目標値ＴＧｓ未満である場合、高圧圧縮機４５０をロードダウンする。

また、制御部４９０は、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈ（例えば、８１．５ＭＰａ）以上になった場合、バルブＶ７を開弁し、バルブＶ６、Ｖ８を閉弁する。こうして、高圧蓄圧器２６０が水素で満たされると、水素製造装置２１０によって製造された水素は、可変圧蓄圧器２７０へ送出されることとなる。

一方、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａが目標値ＴＧｈ未満になった場合、バルブＶ７を閉弁し、バルブＶ６、Ｖ８を開弁する。こうして、高圧蓄圧器２６０の水素量が少なくなると、可変圧蓄圧器２７０に貯留された水素が高圧蓄圧器２６０に送出されることとなる。

また、ここでは、上限圧力が４０ＭＰａの可変圧蓄圧器２７０を例に挙げて説明したが、上限圧力が８２ＭＰａの蓄圧器を可変圧蓄圧器２７０として利用することもできる。この場合、バルブＶ７の上流側に設けられた減圧弁ＲＶを省略することができる。

さらに、ここでは、８２ＭＰａでのみ水素を送出可能な高圧圧縮機４５０を例に挙げて説明したが、４０ＭＰａでも、８２ＭＰａでも水素を送出できる圧縮機を高圧圧縮機４５０として利用することもできる。

図１３は、第３の実施形態の変形例にかかる高圧水素製造システム４２０を説明するための図である。図１３に示すように、高圧水素製造システム４２０は、高圧水素製造システム４１０と異なり、高圧圧縮機４５０と高圧蓄圧器２６０とを接続する配管から可変圧蓄圧器２７０へ分岐する配管がなく、これに代えて、高圧圧縮機４５０と可変圧蓄圧器２７０とを接続する配管４２２が設けられる。そして、バルブＶ７は、配管４２２に設けられることとなる。

（第４の実施形態：高圧水素製造システム５１０）
図１４は、第４の実施形態にかかる高圧水素製造システム５１０を説明するための図である。図１４に示すように、高圧水素製造システム５１０は、水素製造装置２１０と、サクションタンク２２０と、高圧圧縮機４５０（第１の圧縮機）と、高圧蓄圧器２６０（第１の蓄圧器）と、可変圧蓄圧器２７０（第２の蓄圧器）と、圧力測定部５８０と、制御部５９０と、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０と、減圧弁ＲＶとを含んで構成される。なお、上述した第１、第３の実施形態にかかる高圧水素製造システム１１０、４１０と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略し、ここでは、構成の異なる、バルブＶ９、Ｖ１０、圧力測定部５８０、制御部５９０について説明する。なお、本実施形態の可変圧蓄圧器２７０は、上限圧力が８２ＭＰａの蓄圧器である。また、図１４中、水素の流れを実線で示し、信号の流れを破線の矢印で示す。

図１４に示すように、第４の実施形態にかかる高圧水素製造システム５１０では、高圧水素製造システム４１０と異なり、高圧蓄圧器２６０とプレクーラー１２０とを接続する配管と、可変圧蓄圧器２７０とバルブＶ９とを接続する配管とを接続する配管５１２が設けられている。

バルブＶ９、Ｖ１０は、開閉弁で構成され、バルブＶ９は、配管５１２に設けられ、バルブＶ１０は、高圧蓄圧器２６０とプレクーラー１２０とを接続する配管における配管５１２の接続点より上流側に設けられる。

圧力測定部５８０は、サクションタンク２２０の圧力Ｐｓｕｃ、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ、高圧蓄圧器２６０の圧力Ｐｈｐａ、および、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（燃料電池自動車の水素タンクの圧力に等しい）Ｐｐａｄを測定する。

制御部５９０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５１０全体を管理および制御する。

本実施形態において制御部５９０は、水素製造装置２１０、高圧圧縮機４５０の駆動制御、および、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０の開閉制御を実行する。なお、制御部５９０による、水素製造装置２１０、高圧圧縮機４５０の駆動制御、および、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８の開閉制御については、上記第３の実施形態にかかる制御と実質的に等しいため、説明を省略し、ここでは、バルブＶ９、Ｖ１０の開閉制御について説明する。

制御部５９０は、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ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α加算した値以上である場合、バルブＶ９を開弁するとともに、バルブＶ１０を閉弁する。また、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ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α加算した値未満である場合、バルブＶ９を閉弁するとともに、バルブＶ１０を開弁する。

可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ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α加算した値以上である場合、可変圧蓄圧器２７０に貯留されている水素を高圧蓄圧器２６０で昇圧せずとも、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、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａ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α加算した値以上である場合、制御部５９０がバルブＶ９、Ｖ１０を開閉制御して、高圧蓄圧器２６０を通さず、可変圧蓄圧器２７０から直接燃料電池自動車に水素を送出する構成により、高圧蓄圧器２６０による不要な昇圧を抑制することができ、高圧蓄圧器２６０の消費エネルギーを削減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、上記第１の実施形態において、制御部２９０が、水素製造装置２１０の開始処理を遂行させる基準となる可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａと、停止処理を開始させる基準となる可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａとが、ともにトリガ圧力ＰｔｈＡ（第２閾値）である構成について説明した。しかし、開始処理を遂行させる基準となる可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａと、停止処理を開始させる基準となる可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａとを相違させてもよい。例えば、第２閾値より大きい第３閾値（可変圧蓄圧器２７０の上限圧力Ｑｍａｘ付近の圧力、例えば、３９．５ＭＰａ、８１．５ＭＰａ）を設定し、制御部は、可変圧蓄圧器２７０（第２の蓄圧器）の圧力Ｐｖｐａが、第２閾値以上であると、停止処理と同様の出力減少（ロードダウン）を開始させ、最少出力になった時点で第３閾値未満第２閾値以上であると、水素製造装置２１０を最少出力（例えば、３０％。もしくは、第３閾値から第２閾値までの圧力に応じて、負荷３０％から負荷１００％に可変にしてもよい。）でロードキープさせ、第３閾値以上であると停止処理を開始させ、第２閾値未満であると開始処理を遂行させるとしてもよい。

また、上記実施形態において、水素分離膜やＰＳＡを含んで構成される水素製造装置２１０を例に挙げて説明した。しかし、水素製造装置２１０の水素製造技術に限定はなく、既存の様々な技術を利用することができる。

また、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、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａが第２閾値（トリガ圧力ＰｔｈＡ）になった場合、制御部２９０は、水素製造装置２１０の現在のロードをキープするロードキープ処理を遂行しているが、可変圧蓄圧器２７０の圧力Ｐｖｐａが第２閾値（トリガ圧力ＰｔｈＡ）になった場合、制御部２９０は、停止処理を遂行してもよいし、開始処理を遂行してもよい。

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、および、高圧水素製造システムの運転方法に利用することができる。

１１０、３１０、４１０、４２０、５１０ 高圧水素製造システム
２１０ 水素製造装置
２３０ 低圧圧縮機（第１の圧縮機）
２４０ 低圧蓄圧器（第１の蓄圧器）
２５０ 高圧圧縮機（第２の圧縮機）
２６０ 高圧蓄圧器（第１の蓄圧器、第３の蓄圧器）
２７０ 可変圧蓄圧器（第２の蓄圧器）
２９０、３９０、４９０、５９０ 制御部
４５０ 高圧圧縮機（第１の圧縮機）

Claims (7)

1. 水素を製造して出力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第１の蓄圧器および第２の蓄圧器と、
   前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値以上になると、前記水素製造装置から出力された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留させ、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値未満になると、該水素製造装置から出力された水素および該第２の蓄圧器に貯留された水素のいずれか一方または双方を、該第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させ、該第２の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満の第２閾値を上回ると、該水素製造装置を制御して、該水素製造装置による水素の出力を最少出力まで減少させ該最少出力に至った後に水素の出力を停止する停止処理を開始させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする高圧水素製造システム。
2. 前記制御部は、前記第２の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になると、前記水素製造装置を制御して、最大出力に向けて水素の出力を増加させる開始処理を遂行す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。
3. 前記第２閾値は、前記第２の蓄圧器の最大容量と、前記停止処理中に出力される水素量と、前記開始処理中に出力される水素量と、該開始処理中に前記第１の蓄圧器および前記第２の蓄圧器のいずれか一方または双方から送出される水素量の最大値とに基づいて設定されることを特徴とする請求項２に記載の高圧水素製造システム。
4. 少なくとも前記第１の蓄圧器に貯留された水素を昇圧する第２の圧縮機をさらに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。
5. 前記第２の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第３の蓄圧器をさらに備えた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。
6. 水素を製造して出力する水素製造装置と、該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、該第１の圧縮機によって昇圧された水素を貯留する第１の蓄圧器および第２の蓄圧器とを備えた高圧水素製造システムの運転方法であって、
   前記第１の蓄圧器の圧力が第１閾値以上になったか否かを判定し、
   前記第１の蓄圧器の圧力が前記第１閾値以上になったと判定すると、前記水素製造装置から出力された水素であって前記第１の圧縮機によって昇圧された水素を前記第２の蓄圧器に貯留させ、該第１の蓄圧器の圧力が該第１閾値未満になったと判定すると、該水素製造装置から出力された水素および該第２の蓄圧器に貯留された水素のいずれか一方または双方を、該第１の圧縮機によって昇圧させて、該第１の蓄圧器に貯留させ、
   前記第２の蓄圧器の圧力が前記第１閾値未満の第２閾値を上回ったか否かを判定し、
   前記第２の蓄圧器の圧力が前記第２閾値を上回ったと判定すると、前記水素製造装置を制御して、該水素製造装置による水素の出力を最少出力まで減少させ該最少出力に至った後に水素の出力を停止する停止処理を開始することを特徴とする高圧水素製造システムの運転方法。
7. 前記第２の蓄圧器の圧力が前記第２閾値未満になったと判定すると、前記水素製造装置を制御して、最大出力に向けて水素の出力を増加させる開始処理を遂行することを特徴とする請求項６に記載の高圧水素製造システムの運転方法。

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