JP6792402B2

JP6792402B2 - 高圧水素製造システム

Info

Publication number: JP6792402B2
Application number: JP2016201595A
Authority: JP
Inventors: 俊平内田; 古田　博貴; 博貴古田; 英孝南形; 石倉　威文; 威文石倉
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: JP2018062992A

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、建設費が増大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増大させずに、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、本発明に係る高圧水素製造システムは、水素を出力する水素製造装置と、前記水素製造装置に接続され、第１の開閉バルブが設けられた第１配管と、前記第１配管に吸入側が接続された圧縮機と、前記圧縮機の吐出側に接続され、第２の開閉バルブが設けられた第２配管と、前記第２配管に接続された可変圧蓄圧器と、前記可変圧蓄圧器と前記圧縮機の吸入側とを接続し、第３の開閉バルブが設けられた第３配管と、前記可変圧蓄圧器と前記圧縮機の吸入側とを接続し、該可変圧蓄圧器から送出された水素を減圧する第１の減圧弁と、第４の開閉バルブとが設けられた第４配管と、前記第３配管における前記第３の開閉バルブと前記圧縮機との間に設けられた第２の減圧弁と、前記圧縮機の吐出側に接続され、第５の開閉バルブが設けられた第５配管と、前記第５配管に接続された高圧蓄圧器と、を備える。

また、前記圧縮機は、吸入圧力が可変であるとしてもよい。

水素ステーションの建設費を増大させずに、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。

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。通常時における制御部による制御について説明する図である。ピーク時における制御部による制御について説明する図である。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。

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１４０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１４０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を備えている。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、第１配管２１２を介して圧縮機２２０の吸入側（入口）に接続されている。第１配管２１２には、第１配管２１２を開閉するバルブＶ１（第１の開閉バルブ）が設けられている。また、第１配管２１２における水素製造装置２１０とバルブＶ１との間（バルブＶ１の上流側）には、サクションタンク２３０が設けられている。サクションタンク２３０は、クッションタンクとして機能し、水素製造装置２１０から出力された水素の圧力変動、および、後述する減圧弁ＲＶ１（第１の減圧弁）によって減圧された水素の圧力変動を吸収する。

圧縮機２２０は、水素製造装置２１０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。本実施形態において、圧縮機２２０は、吸入圧力が可変であっても圧縮できるように設計・製作された圧縮機（例えば、一部のダイヤフラムコンプレッサー）で構成され、水素を昇圧する。つまり、圧縮機２２０は、吸入圧力（吸い込み圧力）を可変とすることができる圧縮機である。具体的に説明すると、圧縮機２２０は、吸入圧力に幅があっても水素を昇圧することができる圧縮機であり、吸入圧力の範囲が、例えば、０．６ＭＰａ（最小吸入圧力）から４０ＭＰａ（最大吸入圧力）であっても、水素を昇圧することができる。つまり、圧縮機２２０は、耐圧、耐流量設計することで、吐出圧力（例えば、８２ＭＰａ）と実質的に等しい吸入圧力まで水素を吸入することができる。

圧縮機２２０の吐出側（出口）は、第２配管２２２を介して可変圧蓄圧器２４０に接続されている。第２配管２２２には、第２配管２２２を開閉するバルブＶ２（第２の開閉バルブ）が設けられている。

可変圧蓄圧器２４０は、水素製造装置２１０から出力され、圧縮機２２０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２４０の常用圧力（最大許容圧力）は、例えば、４０ＭＰａである。

可変圧蓄圧器２４０は、第３配管２４２を介して圧縮機２２０の吸入側に接続されている。第３配管２４２には、第３配管２４２を開閉するバルブＶ３（第３の開閉バルブ）が設けられている。なお、本実施形態において、第３配管２４２は、一端が可変圧蓄圧器２４０に接続され、他端が第１配管２１２におけるバルブＶ１と圧縮機２２０の吸入側との間に接続される。

また、可変圧蓄圧器２４０は、第４配管２４４を介してサクションタンク２３０に接続されている。第４配管２４４には、第４配管２４４を開閉するバルブＶ４（第４の開閉バルブ）が設けられている。また、第４配管２４４におけるバルブＶ４とサクションタンク２３０との間には、可変圧蓄圧器２４０から送出された水素を減圧する減圧弁ＲＶ１が設けられている。減圧弁ＲＶ１の設定圧力は、サクションタンク２３０の目標値よりも高い圧力とし、例えば０．６ＭＰａとする。なお、本実施形態において、第４配管２４４は、第３配管２４２における可変圧蓄圧器２４０とバルブＶ３との間から分岐されており、他端がサクションタンク２３０に接続される。

また、圧縮機２２０の吐出側は、第５配管２２４を介して高圧蓄圧器２５０に接続されている。第５配管２２４には、第５配管２２４を開閉するバルブＶ５（第５の開閉バルブ）が設けられている。なお、本実施形態において、第５配管２２４は、第２配管２２２（第２配管２２２における圧縮機２２０の吐出側とバルブＶ２との間）から分岐されており、他端が高圧蓄圧器２５０に接続される。

高圧蓄圧器２５０は、圧縮機２２０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２５０の常用圧力（最大許容圧力）は、例えば、８２ＭＰａである。高圧蓄圧器２５０は、第６配管２５２を介してプレクーラー１２０に接続されている。第６配管２５２には、第６配管２５２を開閉するバルブＶ６（開閉弁）が設けられている。バルブＶ６は、燃料電池自動車１４０への水素の供給開始に伴って開弁される。

したがって、高圧蓄圧器２５０に貯留された水素は、第６配管２５２を介してプレクーラー１２０に供給される。そして、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１４０に設けられた水素タンクに供給（充填）される（図１参照）。

制御部２６０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２６０は、水素製造装置２１０の駆動制御（出力制御）、圧縮機２２０の制御、バルブＶ１〜Ｖ６の開閉制御を実行する。

（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。図３は、通常時における制御部２６０による制御について説明する図である。図４は、ピーク時における制御部２６０による制御について説明する図である。

水素ステーション１００が燃料電池自動車１４０に供給する水素の流量が、水素製造装置２１０による水素の製造能力以下である場合（通常時）、図３に示すように、制御部２６０は、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ５を開弁し、バルブＶ２、Ｖ３を閉弁する。また、制御部２６０は、圧縮機２２０を駆動する。そうすると、水素製造装置２１０から送出された水素（０．６ＭＰａ）、および、可変圧蓄圧器２４０から送出され、減圧弁ＲＶ１によって減圧された水素（０．６ＭＰａ）のいずれか一方または両方の水素が圧縮機２２０によって昇圧されることとなる。

一方、水素ステーション１００が燃料電池自動車１４０に供給する水素の流量が、水素製造装置２１０による水素の製造能力を上回る場合（ピーク時）、図４に示すように、制御部２６０は、バルブＶ３、Ｖ５を開弁し、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ４を閉弁する。また、制御部２６０は、圧縮機２２０を駆動する。そうすると、可変圧蓄圧器２４０から送出された水素が直接圧縮機２２０によって昇圧されることとなる。

上記したように、本実施形態にかかる圧縮機２２０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２４０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２４０に貯留された水素の大部分を圧縮して高圧蓄圧器２５０に供給することが可能となる。

また、圧縮機２２０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２４０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２５０に水素を供給することができる。例えば、可変圧蓄圧器２４０の圧力（吸入圧力）が０．６ＭＰａである場合には、処理流量は３００Ｎｍ^３／ｈ程度であるが、１．７ＭＰａである場合には処理流量が９００ｍ^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１４０の数が増加した場合であっても短時間で高圧蓄圧器２５０の貯留量を増加させることができ、高圧蓄圧器２５０自体の容量（本数）を増加させずとも、ピーク時に、燃料電池自動車１４０への水素供給量（水素を供給できる燃料電池自動車１４０の数）を増加させることが可能となる。

なお、高圧水素製造システム１１０において、可変圧蓄圧器２４０（最大許容圧力４０ＭＰａ）は、水素製造装置２１０が停止運転する際に余剰する水素と、起動運転する際に不足する水素とを貯留するバッファとしての機能を備えていれば足りるため、８本程度となる。また、高圧蓄圧器２５０（最大許容圧力８２ＭＰａ）は、必要な充填能力（例えば、水素５ｋｇタンクを３分で満充填可能な能力）に基づいて、設計され、例えば、３本程度となる。可変圧蓄圧器２４０、および、高圧蓄圧器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。

また、図３、図４において、バルブＶ６は、燃料電池自動車１４０への水素の供給開始に伴って適宜開弁される。

また、図３に示す通常時において、水素製造装置２１０が水素を製造している際には、水素製造装置２１０および可変圧蓄圧器２４０の双方から高圧蓄圧器２５０へ水素が供給される。そして、高圧蓄圧器２５０の圧力が所定の上限圧力に到達すると、制御部２６０は、バルブＶ２を開弁し、バルブＶ４、Ｖ５を閉弁する。そうすると、水素製造装置２１０によって製造された水素は、圧縮機２２０で昇圧されて可変圧蓄圧器２４０に貯留されることとなる。そして、可変圧蓄圧器２４０の圧力が所定の上限圧力となると、制御部２６０は、バルブＶ２を閉弁するとともに、圧縮機２２０を停止する。一方、図４に示すピーク時から、高圧蓄圧器２５０、可変圧蓄圧器２４０を復圧する際には、制御部２６０は、一旦通常時の状態とし、その後、上記した通常時と同様の制御を行う。

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、圧縮機２２０が、水素製造装置２１０から出力される相対的に低圧の水素、および、可変圧蓄圧器２４０から送出される相対的に高圧の水素を昇圧することができる。したがって、水素ステーション１００の建設費を増大させずに（高圧蓄圧器２５０の容量を増加させることなく）、燃料電池自動車１４０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、水素製造装置２１０とバルブＶ１との間にサクションタンク２３０が配される構成を例に挙げて説明した。このため、サクションタンク２３０を０．６ＭＰａ程度の低圧の耐圧で設計すれば足り、サクションタンク２３０自体のコストを低減できる。しかし、第１配管２１２におけるバルブＶ１と圧縮機２２０（第３配管２４２の分岐箇所）との間にサクションタンク２３０を備えるとしてもよい。この場合、サクションタンク２３０には、可変圧蓄圧器２４０から送出された高圧の水素が供給されることとなる。したがって、サクションタンク２３０を高圧の耐圧で設計しなければならないが、可変圧蓄圧器２４０から圧縮機２２０に送出される水素の圧力変動を低減することが可能となる。つまり、サクションタンク２３０が水素製造装置２１０から出力される水素のクッションタンクとして機能するとともに、可変圧蓄圧器２４０から送出される水素のクッションタンクとしても機能することとなる。また、第１配管２１２における水素製造装置２１０とバルブＶ１との間、および、バルブＶ１と圧縮機２２０との間に２つのサクションタンク２３０を備えるとしてもよい。

また、図５に示すように、第３配管２４２におけるバルブＶ３と圧縮機２２０との間（バルブＶ３の下流側）に減圧弁ＲＶ２（第２の減圧弁）を備えるとしてもよい。この場合、減圧弁ＲＶ２の設定圧力は、減圧弁ＲＶ１の設定圧力より大きく、圧縮機２２０の最大吸入圧力とする。減圧弁ＲＶ２を備える構成により、最大吸入圧力が可変圧蓄圧器２４０の最大許容圧力未満の圧縮機２２０（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ＲＶ２を備える構成により、低コストの圧縮機２２０を採用することができ、高圧水素製造システム１１０全体の設備費を低減することが可能となる。また、減圧弁ＲＶ２を、バルブＶ３と可変圧蓄圧器２４０との間に備えるとしてもよい。

また、上記実施形態において、減圧弁ＲＶ１、ＲＶ２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、水素ステーション１００の供給先が燃料電池自動車１４０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１４０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。

ＲＶ１第１の減圧弁
ＲＶ２第２の減圧弁
Ｖ１第１の開閉バルブ
Ｖ２第２の開閉バルブ
Ｖ３第３の開閉バルブ
Ｖ４第４の開閉バルブ
Ｖ５第５の開閉バルブ
１１０高圧水素製造システム
２１０水素製造装置
２１２第１配管
２２０圧縮機
２２２第２配管
２２４第５配管
２４０可変圧蓄圧器
２４２第３配管
２４４第４配管
２５０高圧蓄圧器
２６０制御部

Claims

水素を出力する水素製造装置と、
前記水素製造装置に接続され、第１の開閉バルブが設けられた第１配管と、
前記第１配管に吸入側が接続された圧縮機と、
前記圧縮機の吐出側に接続され、第２の開閉バルブが設けられた第２配管と、
前記第２配管に接続された可変圧蓄圧器と、
前記可変圧蓄圧器と前記圧縮機の吸入側とを接続し、第３の開閉バルブが設けられた第３配管と、
前記可変圧蓄圧器と前記圧縮機の吸入側とを接続し、該可変圧蓄圧器から送出された水素を減圧する第１の減圧弁と、第４の開閉バルブとが設けられた第４配管と、
前記第３配管における前記第３の開閉バルブと前記圧縮機との間に設けられた第２の減圧弁と、
前記圧縮機の吐出側に接続され、第５の開閉バルブが設けられた第５配管と、
前記第５配管に接続された高圧蓄圧器と、
を備えた高圧水素製造システム。
前記圧縮機は、吸入圧力が可変である請求項１に記載の高圧水素製造システム。