JP7688472B2

JP7688472B2 - 超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法

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Publication number: JP7688472B2
Application number: JP2022093551A
Authority: JP
Inventors: 征直村松; 匡永小泉; 拓史岡野; 周作 ▲高▼木; 俊夫高野
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Container Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Container Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2025-06-04
Anticipated expiration: 2042-06-09
Also published as: JP2022189784A

Description

本発明は、例えば、燃料電池自動車（FCV：Fuel Cell Vehicle）等の車両をはじめ、水素ガスをエネルギ源とする動力手段のタンクに、水素ガスの充填を行う水素ステーション等で液体水素を気化させて、数十ＭＰａという超高圧な水素ガスを生成する超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法に関する。

地球温暖化対策の一環や、環境保全・資源保護等の観点により、近年では、水素ガスを燃料とする燃料電池自動車や、電気自動車が、次世代の自動車として、実用化されている。次世代の自動車は、世界的な市場規模で大いに注目され、国内でも今後、急速に普及していくものと、予想されている。そのため、水素ステーションは、燃料電池自動車等に水素ガスを供給する施設として、今後、全国各所に急速に整備される見通しである。

水素ステーションでは、エネルギ源となる水素ガスは、ディスペンサにより、燃料電池自動車等のタンクに、充填圧力７０ＭＰａの状態で充填される。水素ガスは、圧縮機による８２ＭＰａの加圧下で蓄圧器内に貯蔵された後、ディスペンサ内で－４０℃に温度調節を行った上で、燃料電池自動車に供給される。この水素ガスを蓄圧器内に貯蔵するにあたり、設備によって、貯槽に貯留した水素ガスを送出して蓄圧器内に収容する場合や、貯槽に貯留する液体水素を送出して気化させてから、水素ガスを蓄圧器内に収容する場合がある。特に、後者の場合、液体水素の気化では、貯槽と蓄圧器との間の配管上に、従来、気化器と大型圧縮機を設けた第１過程、または大型液水ポンプと気化器を設けた第２過程を経て、水素ガスが生成されてきた。

第１過程は、貯槽から供給される液体水素を、気化器で気化させ、生成された水素ガスを、大型圧縮機により、８２ＭＰａに昇圧してから蓄圧器に供給する。第２過程は、大型液水ポンプにより、貯槽から供給される液体水素を、液相のまま圧送しながら、８２ＭＰａまで昇圧した後に、気化器で気化させた水素ガスを蓄圧器に供給する。

その第２過程に該当した設備の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１は、液化水素貯槽内に貯留した極低温の液体水素を、目標とする所定温度の水素ガスに状態変化させてディスペンサに供給するにあたり、液体水素を昇圧しながら送出する液体水素ポンプと、送出された液体水素から所定温度の水素ガスを生成する水素ガス供給装置である。

再公表特許ＷＯ２０１８／１７３１３６号公報

しかしながら、液体水素を気化し、８２ＭＰａに圧縮された水素ガスを生成する上で、前述した第１過程では、液体水素を気化させるのに、気化器が必要になるほか、生成された水素ガスを昇圧させるのに、特殊な大型圧縮機が必要となる。また、特許文献１の技術のような第２過程では、液体水素を気化させるのに、気化器が必要になるほか、液体水素を８２ＭＰａまで昇圧してこの気化器に圧送させるのに、特殊な大型液水ポンプが必要となる。

このような大型圧縮機や大型液水ポンプは、液体水素より水素ガスを生成する超高圧水素ガス製造システムに設備されていると、高額なイニシャルコスト以外にも、運転時の電気代やメンテナンスコスト等、運用上のランニングコストも高額化して、システム全体に掛かる費用は、高価となっていた。特に、これから先、水素ステーションを拡充していく上で、より安価な超高圧水素ガス製造システムが、関係する業界から希求されている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、水素ガスを需要者に供給する施設において、液体水素を効率良く気化させ、燃料電池自動車等の動力手段に用いる超高圧の水素ガスを、低コストで生成することができる超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムは、以下の構成を有する。

（１）水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設で、該水素ガスとして、液体水素を貯留した貯槽から供給される該液体水素を気化させ、生成した施設内製造水素ガスを、基準値を満たす設定圧力下で、蓄圧器に貯蔵する超高圧水素ガス製造システムにおいて、前記蓄圧器は、本体に内部空間を有し、前記貯槽と前記蓄圧器の前記内部空間とを繋ぐ第１管路と、容器内に、圧縮した状態で貯蔵された前記水素ガスである送出用の水素ガスを、前記第１管路内に供給可能な送出用水素ガス供給手段と、制御手段と、を備え、前記送出用水素ガス供給手段は、前記第１管路と連通した第２管路と共に配設され、前記制御手段は、前記送出用水素ガス供給手段から前記第１管路に前記送出用の水素ガスを送出することにより、前記貯槽から前記第１管路内に供給された前記液体水素を、前記送出用の水素ガスの流通に基づいて、前記蓄圧器の前記内部空間に収容すること、を特徴とする。
（２）（１）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、前記第１管路には、複数の前記蓄圧器が並列接続で配設され、前記送出用の水素ガスは、第１の前記容器として、前記複数の蓄圧器のうち、既に前記内部空間で生成した前記施設内製造水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器に貯蔵されているものであること、を特徴とする。
（３）（２）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、前記送出用の水素ガスは、第２の前記容器として、搬送に用いる水素カードルに、前記水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み水素カードルに貯蔵されているものであること、を特徴とする。
（４）（３）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、前記制御手段は、当該超高圧水素ガス製造システムの運転状況に応じて、前記ガス充填済み蓄圧器と前記ガス充填済み水素カードルとを選択的に使用すること、を特徴とする。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、前記蓄圧器の下流側で、前記内部空間から流出した前記施設内製造水素ガスが流通する第３管路には、前記施設内製造水素ガスの圧力を計測する圧力計測手段と、前記圧力計測手段による計測で、前記施設内製造水素ガスが前記設定圧力を上回った場合に、前記施設内製造水素ガスを前記設定圧力に調整する圧力調整手段と、を備えていること、を特徴とする。
（６）（１）乃至（５）のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、前記蓄圧器の前記内部空間で、前記液体水素との接触部位は、金属からなること、を特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る超高圧水素ガス製造方法は、以下の構成を有する。

（７）水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設で、該水素ガスとして、液体水素を貯留した貯槽から供給される該液体水素を気化させ、生成した施設内製造水素ガスを、基準値を満たす設定圧力下で、蓄圧器に貯蔵する超高圧水素ガス製造方法において、容器内に、圧縮した状態で貯蔵された前記水素ガスである送出用の水素ガスを、供給可能な送出用水素ガス供給部を有し、前記送出用水素ガス供給部は、前記貯槽から前記蓄圧器に前記液体水素を流通させる第１管路と連通した第２管路上に配設されていること、前記蓄圧器は、本体に内部空間を有し、前記送出用水素ガス供給部から前記第１管路に前記送出用の水素ガスを送出して、前記貯槽から供給された前記液体水素の滞留下にある前記第１管路内に、前記送出用の水素ガスを流通させることにより、前記送出用の水素ガスと前記液体水素とによる気液混合水素を、前記蓄圧器の前記内部空間に収容する第１過程と、前記第１過程により、前記内部空間に収容された前記気液混合水素に含まれる前記液体水素に対し、前記蓄圧器の前記本体及び前記送出用の水素ガスとの間で、熱交換を行う第２過程と、を有すること、を特徴とする。
（８）（７）に記載する超高圧水素ガス製造方法において、前記第１管路には、複数の前記蓄圧器が並列接続で配設され、前記送出用の水素ガスは、第１の前記容器として、前記複数の蓄圧器のうち、既に前記内部空間で生成した前記施設内製造水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器に貯蔵されているものであること、を特徴とする。
（９）（８）に記載する超高圧水素ガス製造方法において、前記送出用の水素ガスは、第２の前記容器として、搬送に用いる水素カードルに、前記水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み水素カードルに貯蔵されているものであり、前記送出用の水素ガスに対し、前記ガス充填済み蓄圧器からの供給が不可の状態にある場合に、前記ガス充填済み水素カードルから供給される前記送出用の水素ガスが、使用されること、を特徴とする。
（１０）（７）乃至（９）のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造方法において、前記第１過程で、１つの前記蓄圧器に付き、前記内部空間への供給を必要とする前記気液混合水素の全容量分に対し、前記気液混合水素は、１回当たりの前記内部空間への供給量を、前記全容量分より少なくして、複数回に亘って、断続的に前記内部空間に供給され、先に前記内部空間に供給された分の前記気液混合水素で、前記第２過程を終えた後、次に供給する分の前記気液混合水素が前記内部空間に収容されること、を特徴とする。
（１１）（７）乃至（１０）のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造方法において、前記蓄圧器の下流側で、前記内部空間から流出した前記施設内製造水素ガスが流通する第３管路に対し、流通する前記施設内製造水素ガスが前記設定圧力を上回ったときに、前記施設内製造水素ガスを減圧して前記設定圧力に調整する第３過程を有すること、を特徴とする。

上記構成を有する本発明に係る超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法の作用・効果について説明する。

（１）水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設で、該水素ガスとして、液体水素を貯留した貯槽から供給される該液体水素を気化させ、生成した施設内製造水素ガスを、基準値を満たす設定圧力下で、蓄圧器に貯蔵する超高圧水素ガス製造システムにおいて、蓄圧器は、本体に内部空間を有し、貯槽と蓄圧器の内部空間とを繋ぐ第１管路と、容器内に、圧縮した状態で貯蔵された水素ガスである送出用の水素ガスを、第１管路内に供給可能な送出用水素ガス供給手段と、制御手段と、を備え、送出用水素ガス供給手段は、第１管路と連通した第２管路と共に配設され、制御手段は、送出用水素ガス供給手段から第１管路に送出用の水素ガスを送出することにより、貯槽から第１管路内に供給された液体水素を、送出用の水素ガスの流通に基づいて、蓄圧器の内部空間に収容すること、を特徴とする。

この特徴により、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムでは、水素ガスを生成する上で、液体水素を気化させるのに、気化器が不要になるほか、生成された水素ガスを昇圧させる特殊な大型圧縮機が不要となる。あるいは、液体水素を気化させる気化器に圧送させるのに、液体水素を設定圧力まで昇圧する特殊な大型液水ポンプが不要となる。そのため、このような大型圧縮機や大型液水ポンプに対し、高額なイニシャルコストが不要になるばかりか、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムは、運転時の電気代やメンテナンスコスト等、運用上のランニングコストを抑制することができる。

ここで、設定圧力の概念について、説明する。本発明に係る超高圧水素ガス製造システムや、後述する、本発明に係る超高圧水素ガス製造方法では、設定圧力とは、蓄圧器において、その設計上、許容可能な設計耐久圧力の上限を超えない圧力以下の範囲にあることを前提とした上で、当該超高圧水素ガス製造システムの運転条件や、当該超高圧水素ガス製造方法の実行時に応じて、圧力の大きさを任意に選択し、設定することできる意味を含めて、定義されたものである。

他方、貯槽から第１管路内に供給された液体水素は、送出用の水素ガスの流通に基づいて、蓄圧器の内部空間に収容され、液体水素と送出用の水素ガスとが、設定圧力下で、蓄圧器の内部空間に充填される。この液体水素は、送出用の水素ガスとの熱交換により、気化し、高圧化した状態の水素ガスとなる。

このとき、設定圧力が、設計耐久圧力を大幅に下回る低い圧力であると、蓄圧器の内部空間で液体水素が気化するにあたり、気化に伴って上昇した蓄圧器の内部空間の圧力が、設定圧力に達した段階になっても、液体水素の気化が完全に完了していない状態になってしまうこともあり得る。このような事象を招くと、液体水素の気化の効率は、低下してしまう。

そこで、液体水素の気化を、より効率良く遂行する観点で、設定圧力は、蓄圧器で適用される常用圧力範囲の最大値に対し、２５％以上とすることが好ましく、より好ましくは、５０％以上にすると良い。なお、常用圧力は、蓄圧器において、特に急峻な圧力変動や温度変化のない条件下で、水素ガスや液体水素を内部空間に収容し、貯蔵している通常の使用状態にあるとき、この通常の使用状態で蓄圧器に作用する圧力に、許容範囲を設けた圧力範囲を意味するものである。

蓄圧器を構成する上で重要となるファクターは、実際の現場で使用する常用圧力の概念であり、その重要性について、一例の事象を挙げて説明する。一例の事象として、第１管路から蓄圧器に供給された液体水素が、送出用の水素ガスと内部空間で熱交換を十分な状態で行われず、供給された量のうち、一部で気化できなかった液体水素は、蓄圧器の内部空間に残留し続けてしまうことも生じ得る。水素は、融点－２５９．２℃、沸点－２５２．８℃等の物性を有する。

このような残留の液体水素が、－２５９．２℃近傍の超低温状態のまま、蓄圧器の本体に局所的に接触し続けると、本体を構成する部材が、残留する液体水素の超低温に起因した材料の疲労破壊等、破損・損傷を受ける虞がある。しかも、液体水素が残留し続けた状態にある蓄圧器の内部空間に、当該超高圧水素ガス製造システム等の稼働により、液体水素より高温状態にある後続の送出用の水素ガスが収容されて、残留していた液体水素に気化が生じた場合、蓄圧器の本体では、温度と圧力が急激に上昇する。特に、このような急峻な圧力上昇により、万が一、蓄圧器の本体が、常用圧力を超えてしまうと、本体を構成する部材等、本体への機械的負荷（ダメージ）が、急激に増大して作用することから、本体の損傷や破損等、大きなダメージを蓄圧器に及ぼしてしまう虞がある。

従って、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムの稼働では、前述したように、液体水素を効率良く気化させるため、設定圧力は、蓄圧器の常用圧力範囲の最大値に対し、２５％以上、より好ましくは、５０％以上に相当した圧力の条件を満たすようにしながらも、例示したような事象等の招来をより確実に回避するためには、蓄圧器の常用圧力を超えないよう、管理して当該超高圧水素ガス製造システムを運用することが、非常に重要である。

従って、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムによれば、水素ガスを需要者に供給する施設において、液体水素を効率良く気化させ、燃料電池自動車等の動力手段に用いる超高圧の水素ガスを、低コストで生成することができる、という優れた効果を奏する。

なお、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムや、後述する、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムでは、第１管路や第２管路に対し、管路内の水素ガスを、第１管路、第２管路の外に放出可能な脱ガス経路を、第１管路や第２管路から分岐させて設けても良い。その理由として、万が一、何らかの理由により、第１管路内において、滞留していた液体水素が自然に気化する場合があり、この場合に、ガス化した水素を、第１管路外に放出するためである。また、蓄圧器に流入した液体水素の気化が、蓄圧器の内部空間で十分に行われず、液体水素の状態のまま、第２管路に流れ込んで滞留し、第２管路内で滞留した液体水素が気化してしまう場合もある。この場合でも、ガス化した水素を、第２管路外に放出するためである。

このように、液体水素が、第１管路、第２管路に拘わらず、管路内で局所的に滞留し続けると、滞留した液体水素は、例えば、液体水素より高温状態にある後続の送出用の水素ガスと接触すること等に起因して気化する。この液体水素の気化に伴い、管路内では、内部圧力が急激に上昇してしまうため、管への機械的負荷（ダメージ）が増大して、管路に対し、損傷や破損等、悪影響を及ぼす虞がある。それ故に、脱ガス経路を、第１管路、第２管路に分岐して設けることで、このような悪影響を回避することができるからである。

加えて、このような脱ガス経路は、第１管路、第２管路から放出した水素ガスや、気化せずに残留する液体水素を供給可能な態様で、例えば、貯槽、またはＢＯＧ（Boil Off Gas）蓄圧器のほか、燃料として使用することができる設備等と、接続されていると良い。液体水素の気化後を含む水素ガスは、第２管路から放出されても、有効利用できるからである。なお、ＢＯＧ蓄圧器は、低温で、輸送・貯蔵している液体水素から自然発生したＢＯＧを、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムや、本発明に係る超高圧水素ガス製造方法で用いる蓄圧器とは異なり、別の蓄圧器に貯蔵するものであり、気化した水素を、できるだけ無駄にせずに貯留しておくために設けられる。

（２）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、第１管路には、複数の蓄圧器が並列接続で配設され、送出用の水素ガスは、第１の容器として、複数の蓄圧器のうち、既に内部空間で生成した施設内製造水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器に貯蔵されているものであること、を特徴とする。この特徴により、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムの構成が、気化器、特殊な大型圧縮機や特殊な大型液水ポンプを必要としていた従来の超高圧水素ガス製造システムに比べて、簡素化できると共に、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムの維持・管理を行う上で、作業者の負担も低減できる。

（３）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、送出用の水素ガスは、第２の容器として、搬送に用いる水素カードルに、水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み水素カードルに貯蔵されているものであること、を特徴とする。この特徴により、送出用の水素ガスが、ガス充填済み蓄圧器から全く供給できない状態にある場合や、十分な送出量で第１管路に供給できない状態にある場合に、ガス充填済み水素カードルは、ガス充填済み蓄圧器のバックアップとして、使用することができる。

（４）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、制御手段は、当該超高圧水素ガス製造システムの運転状況に応じて、ガス充填済み蓄圧器とガス充填済み水素カードルとを選択的に使用すること、を特徴とする。この特徴により、当該超高圧水素ガス製造システムの運転状況に拘わらず、液体水素から水素ガスを生成する上で、必要となる送出用の水素ガスを、安定した供給下で、確保することができる。

（５）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、蓄圧器の下流側で、内部空間から流出した施設内製造水素ガスが流通する第３管路には、施設内製造水素ガスの圧力を計測する圧力計測手段と、圧力計測手段による計測で、施設内製造水素ガスが設定圧力を上回った場合に、施設内製造水素ガスを設定圧力に調整する圧力調整手段と、を備えていること、を特徴とする。この特徴により、水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設では、設定圧力に調整された水素ガスは、そのままの状態で、供給先の水素ガスタンクに提供することが可能になる。

（６）に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、蓄圧器の内部空間で、液体水素との接触部位は、金属からなること、を特徴とする。この特徴により、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムに気化器を備えていなくても、液体水素は、内部空間のこの接触部位との間や、内部空間に存在する送出用水素ガスとの間で、熱交換される。そのため、蓄圧器に収容された液体水素は、内部空間で気化して、一例として、１００ＭＰａ超える程まで超高圧化する。

なお、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムにおいて、「蓄圧器の内部空間で、液体水素との接触部位は、金属からなる」の概念は、内部空間を形成する蓄圧器の壁に対し、流入した液体水素や水素ガスと直接触れる接触部位を含む壁の内面側部分を、少なくとも金属（例えば、鋼製等）で形成されているものであれば良い。換言すれば、蓄圧器の壁全体が金属製である場合（本実施形態の図２に例示するようなタイプ１に係る蓄圧器）と、蓄圧器の壁が内面側部分を金属製とし、この内面側部分を外側から覆う外面側部分を、金属以外の材質で形成した場合（本実施形態の図３、４に例示するようなタイプ２、３に係る蓄圧器）を考慮した上で、前述の概念は、蓄圧器の本体において、少なくとも壁の内面側部分を金属とする意味で、定義されたものである。

ここで、蓄圧器の本体において、壁に用いる材質の違いにより、一例として、３種（タイプ１、タイプ２、タイプ３）のバリエーションを挙げる。タイプ１に係る蓄圧器は、内部空間を形成する壁全体を、全て金属製とした場合（図２参照）である。タイプ２に係る蓄圧器は、内部空間を形成する筒状の壁に対し、その軸方向にある第１壁部を金属製とする共に、径方向にある第２壁部に対し、流入した液体水素や水素ガスと直接触れる接触部位を含む内面側部分を、この内面側部分と同軸状に形成して積層させた外面側部分で包囲した構造となっている場合（図３参照）である。この場合、内面側部分は金属製で、外面側部分は金属以外の材質（例えば、炭素繊維強化プラスチック等）である。タイプ３に係る蓄圧器は、タイプ２に係る蓄圧器の壁に対し、第１壁部と第２壁部の双方で、金属製の内面側部分と、金属以外の材質からなる外面側部分とを積層させた構造となっている場合（図４参照）である。

（７）水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設で、該水素ガスとして、液体水素を貯留した貯槽から供給される該液体水素を気化させ、生成した施設内製造水素ガスを、基準値を満たす設定圧力下で、蓄圧器に貯蔵する超高圧水素ガス製造方法において、容器内に、圧縮した状態で貯蔵された水素ガスである送出用の水素ガスを、供給可能な送出用水素ガス供給部を有し、送出用水素ガス供給部は、貯槽から蓄圧器に液体水素を流通させる第１管路と連通した第２管路上に配設されていること、蓄圧器は、本体に内部空間を有し、送出用水素ガス供給部から第１管路に送出用の水素ガスを送出して、貯槽から供給された液体水素の滞留下にある第１管路内に、送出用の水素ガスを流通させることにより、送出用の水素ガスと液体水素とによる気液混合水素を、蓄圧器の内部空間に収容する第１過程と、第１過程により、内部空間に収容された気液混合水素に含まれる液体水素に対し、蓄圧器の本体及び送出用の水素ガスとの間で、熱交換を行う第２過程と、を有すること、を特徴とする。

この特徴により、水素ガスを生成する上で、液体水素を気化させるのに、気化器が不要になるほか、生成された水素ガスを昇圧させる特殊な大型圧縮機が不要となる。あるいは、液体水素を気化させる気化器に圧送させるのに、液体水素を設定圧力まで昇圧する特殊な大型液水ポンプが不要となる。そのため、このような大型圧縮機や大型液水ポンプに対し、高額なイニシャルコストが不要になるばかりか、運転時の電気代やメンテナンスコスト等、運用上のランニングコストを抑制することができるようになる。

従って、本発明に係る超高圧水素ガス製造方法によれば、水素ガスを需要者に供給する施設において、液体水素を効率良く気化させ、燃料電池自動車等の動力手段に用いる超高圧の水素ガスを、低コストで生成することができる、という優れた効果を奏する。

（８）に記載する超高圧水素ガス製造方法において、第１管路には、複数の蓄圧器が並列接続で配設され、送出用の水素ガスは、第１の容器として、複数の蓄圧器のうち、既に内部空間で生成した施設内製造水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器に貯蔵されているものであること、を特徴とする。この特徴により、本発明に係る超高圧水素ガス製造方法の実施にあたり、その運用設備の構成が、気化器、特殊な大型圧縮機や特殊な大型液水ポンプを必要としていた従来の超高圧水素ガス製造システムに比べて、簡素化できているため、運用設備の維持・管理を行う上で、作業者の負担が低減できる。

（９）に記載する超高圧水素ガス製造方法において、送出用の水素ガスは、第２の容器として、搬送に用いる水素カードルに、水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み水素カードルに貯蔵されているものであり、送出用の水素ガスに対し、ガス充填済み蓄圧器からの供給が不可の状態にある場合に、ガス充填済み水素カードルから供給される送出用の水素ガスが、使用されること、を特徴とする。この特徴により、本発明に係る超高圧水素ガス製造方法の実施にあたり、その運用設備の運転状況に拘わらず、液体水素から水素ガスを生成する上で、必要となる送出用の水素ガスを、安定した供給下で、確保することができる。

（１０）に記載する超高圧水素ガス製造方法において、第１過程で、１つの蓄圧器に付き、内部空間への供給を必要とする気液混合水素の全容量分に対し、気液混合水素は、１回当たりの内部空間への供給量を、全容量分より少なくして、複数回に亘って、断続的に内部空間に供給され、先に内部空間に供給された分の気液混合水素で、第２過程を終えた後、次に供給する分の気液混合水素が内部空間に収容されること、を特徴とする。

この特徴により、蓄圧器の内部空間に対し、気液混合水素の供給流量を同じとした条件の下、気液混合水素の全容量分を、一度に内部空間に供給する場合に比べ、設定温度と設定圧力を満たす水素ガスを、蓄圧器の内部空間に、より効率良く満充填することができる。

（１１）に記載する超高圧水素ガス製造方法において、蓄圧器の下流側で、内部空間から流出した施設内製造水素ガスが流通する第３管路に対し、流通する施設内製造水素ガスが設定圧力を上回ったときに、施設内製造水素ガスを減圧して設定圧力に調整する第３過程を有すること、を特徴とする。

この特徴により、水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設では、設定圧力に調整された水素ガスは、そのままの状態で、供給先の水素ガスタンクに提供することが可能になる。

実施形態に係る超高圧水素ガス製造システムの要部を示す説明図である。図１に示す超高圧水素ガス製造システムに用いる蓄圧器の概略を、断面視で示す説明図であり、タイプ１に係る蓄圧器の構造を示す図である。図２と同様の説明図で、タイプ２に係る蓄圧器の構造を示す図である。図２と同様の説明図で、タイプ３に係る蓄圧器の構造を示す図である。実施形態の実施例２に係る超高圧水素ガス製造方法の第１過程、及び第２過程に関し、タンク本体内への液体水素の水素供給時間と、タンク本体の温度との関係について、そのシミュレーション結果を示すグラフである。図５に続き、タンク本体内への液体水素の水素供給時間と、タンク本体内における液体水素の温度との関係について、そのシミュレーション結果を示すグラフである。図６に続き、タンク本体内への液体水素の水素供給時間と、タンク本体内における液体水素の圧力との関係について、そのシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る超高圧水素ガス製造システムについて、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明に係る超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法は、本実施形態では、車両として、主に乗用車、バスやトラック等を含む燃料電池自動車を対象に、その車両の水素ガスタンク（以下、単に「タンク」と称する）に、水素ガスを提供する水素ステーションで用いられる。

なお、水素ステーションで生成された水素ガスをタンクに充填する提供先として、燃料電池を具備した水素ガス提供対象は、自動車以外にも、スクータやバイク等の二輪車、フォークリフト等の輸送用車両、重機、農業用機械等の特殊車両、鉄道車両といった各種車両であっても良い。さらに、水素ガス提供対象は、船舶、航空機等に挙げられる動力源のほか、ポータブル燃料電池等のような、燃料電池を具備した種々の可搬式装置であっても良い。

はじめに、水素ステーションの概要について、説明する。図１は、実施形態に係る超高圧水素ガス製造システムの要部を示す説明図である。図１に示すように、超高圧水素ガス製造システム１は、水素ステーションに配設されている。水素ステーションでは一般的に、水素ガスＧＨは、設定された圧力８２ＭＰａ、温度－４０℃の管理条件下で、一旦、蓄圧器１０に貯蔵された後、ディスペンサ５により、必要時に蓄圧器１０内から車両のタンク５０に供給される。水素ガスＧＨは、タンク５０に、充填圧力７０ＭＰａの状態で充填される。

次に、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システムについて、図１を用いて説明する。超高圧水素ガス製造システム１は、水素ステーションにおいて、貯留されている液体水素ＬＨを気化させ、生成された水素ガスＧＨ（施設内製造水素ガス）を、前述した管理条件下で蓄圧器１０に貯蔵するためのシステムである。本実施形態では、図１に示すように、超高圧水素ガス製造システム１は、送出用水素ガス供給部２（送出用水素ガス供給手段）と、制御部３（制御手段）と、貯槽４と、ディスペンサ５と、複数（本実施形態では、ｎ個（１＜ｎ））の蓄圧器１０と、圧力計３２（圧力計測手段）と、第２放散弁３５（圧力調整手段）と、水素カードル４０等を備えて構成されている。

＜蓄圧器１０について＞
図２は、図１に示す超高圧水素ガス製造システムに用いる蓄圧器の概略を、断面視で示す説明図であり、タイプ１に係る蓄圧器の構造を示す図である。図２に例示するように、蓄圧器１０は、筒状の本体１１に、液密かつ気密な内部空間１２Ｓを有し、内部空間１２Ｓをなす本体１１全体の壁１３は、鋼製等の金属を含む材質からなり、流入した液体水素ＬＨ、水素ガスＧＨと熱交換する部分である。

蓄圧器１０は、本体１１の壁１３に用いる材質の違いにより、全３種（タイプ１、タイプ２、タイプ３）のバリエーションを有している。図３は、図２と同様の説明図で、タイプ２に係る蓄圧器の構造を示す図であり、タイプ３に係る蓄圧器の構造を、図４に示す。なお、図２～図４中、流入部１５と流出部１６を結ぶ方向（左右方向）を、本体１１の軸方向ＡＸとし、軸方向ＡＸと直交する方向（上下方向）を、本体１１の径方向ＲＤとする。

図２～図４に例示するように、壁１３は、内部空間１２Ｓを径方向ＲＤに沿って包囲する第１壁部１３Ａと、軸方向ＡＸ両側に対し、内部空間１２Ｓを塞ぐ第２壁部１３Ｂとからなる。タイプ１に係る蓄圧器１０では、図２に例示するように、本体１１の壁１３全体が全て金属からなり、第１壁部１３Ａと第２壁部１３Ｂは、双方とも金属層１４Ａとなっている。

タイプ２に係る蓄圧器１０では、図３に例示するように、第２壁部１３Ｂは、金属層１４Ａによる単層構造であるものの、第１壁部１３Ａは、内筒と外筒を含む積層構造になっている。第１壁部１３Ａは、内部空間１２Ｓに入った液体水素ＬＨや水素ガスＧＨと直接触れる径方向ＲＤ内周側に位置する内筒を、金属をなす金属層１４Ａで、その外周側を覆う外筒を、非金属層１４Ｂで、それぞれ形成してなる。非金属層１４Ｂは、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）（炭素繊維強化プラスチック）からなる。なお、非金属層１４Ｂは、ＣＦＲＰに代えて、ＣＦＲＰに有する機械的強度、比重等の物性に対し、同等またはそれより優れた材質で形成されていても良い。

タイプ３に係る蓄圧器１０では、図４に例示するように、第１壁部１３Ａは、径方向ＲＤ内周側の内筒を金属層１４Ａで、その外周側の外筒を非金属層１４Ｂで覆う積層構造で形成されている。また、第２壁部１３Ｂは、内部空間１２Ｓに入った液体水素ＬＨや水素ガスＧＨと直接触れる軸方向ＡＸ近接側（図４中、流入部１５を有する側では右側、流出部１６を有する側では左側）に金属層１４Ａを、軸方向ＡＸ離間側（図４中、流入部１５を有する側では左側、流出部１６を有する側では右側）を、非金属層１４Ｂで覆う積層構造で形成されている。

タイプ１～３に係る蓄圧器１０では、前述したように、内部空間１２Ｓに流入した液体水素ＬＨ、水素ガスＧＨは、壁１３の金属層１４Ａと直接触れることにより、金属層１４Ａをなす金属と熱交換するため、液体水素ＬＨや水素ガスＧＨと直接触れる部分は、金属層１４Ａとなっている。しかしながら、タイプ１に係る蓄圧器１０のように、壁１３全体が金属層１４Ａ単体になっていると、蓄圧器１０の自重が比較的重くなる傾向にある。この問題を解決するため、タイプ２、３に係る蓄圧器１０では、壁１３に非金属層１４Ｂを設けることにより、タイプ１に係る蓄圧器１０に比べ、自重の軽量化が図られている。

但し、図３及び図４に例示するように、タイプ２、３に係る蓄圧器１０で、第１壁部１３Ａ全体に占める非金属層１４Ｂの厚み（図３中、上下方向の距離）の割合と、タイプ３に係る蓄圧器１０で、第２壁部１３Ｂ全体に占める非金属層１４Ｂの厚み（図４中、左右方向の距離）の割合は、５０％以下であることが好ましい。より好ましくは、２５％以下であると良い。

その理由として、非金属層１４Ｂの熱伝導性は、金属層１４Ａと比べて小さい。そのため、第１壁部１３Ａ、第２壁部１３Ｂに占める非金属層１４Ｂの厚みの割合が５０％超になると、非金属層１４Ｂに起因して、第１壁部１３Ａ、第２壁部１３Ｂの断熱性が、より顕在化して、内部空間１２Ｓと本体１１外部との間で、熱の移動が抑制されてしまう。それ故に、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに流入した超低温の液体水素ＬＨに対し、その気化に必要な熱が、本体１１外部から第１壁部１３Ａ、第２壁部１３Ｂを通じて伝導し難くなり、液体水素ＬＨの気化の効率が、低下してしまうからである。

蓄圧器１０単体の本体１１の内部空間１２Ｓは、液体水素ＬＨと、圧縮した状態の水素ガスである送出用水素ガスＧＨｘ（送出用の水素ガス）との気液混合水素（水素ガスＧＨ）を、一例として、３００Ｌ収容可能な容積を有し、気液混合水素（水素ガスＧＨ）の収容下で、１００ＭＰａ超えの超高圧下にも耐え得る程の気密・液密性能と耐強度を具備している。

蓄圧器１０は、超高圧水素ガス製造システム１の上流側（図１中、左側）に配設される流入部１５と、下流側（図１中、右側）に配設される流出部１６とを、本体１１に設けてなる。流入部１５と流出部１６は、いずれも内部空間１２Ｓと連通している。流入部１５は、液体水素ＬＨと送出用水素ガスＧＨｘを内部空間１２Ｓに流入可能に形成されている。流出部１６は、内部空間１２Ｓから水素ガスＧＨ（または送出用水素ガスＧＨｘ）を流出可能に形成されている。

＜貯槽４について＞
貯槽４は、液体水素ＬＨを貯留するタンクである。超高圧水素ガス製造システム１では、貯槽４は、収容した液体水素ＬＨに対し、液面となる水平方向の距離（例えば、貯槽４内径の距離、貯槽４内の一辺や対角線の距離等）に比べ、液深となる高さ方向の距離を大きくした塔状に形成されている。貯槽４は、その下方部で、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓと連通した液体水素供給管路２１（第１管路）と連結され、貯槽４内の液体水素ＬＨは、特に加圧せず自然流下により、貯槽４から液体水素供給管路２１に供給されるようになっている。

なお、液体水素ＬＨの液体水素供給管路２１への流下にあたり、液体水素ＬＨに対し、貯槽４内の残量が少なくなり、液深が徐々に小さくなると、貯槽４内に残る液体水素ＬＨ自重により、液体水素供給管路２１に流れようとする液体水素ＬＨに作用する加圧力は、次第に低減する。そのため、液体水素ＬＨは、液体水素供給管路２１へと流れ難くなる。

この場合には、液体水素ＬＨは、例えば、大気圧に近い低圧の加圧下で、貯槽４から液体水素供給管路２１に向けて供給されても良い。その一例として、送出用水素ガスＧＨｘ（水素ガスＧＨ）を貯槽４内に供給し、貯槽４内に残存する液体水素ＬＨの液面上を、大気圧より大きい圧力下にある送出用水素ガスＧＨｘ（水素ガスＧＨ）で押圧する。

具体的には、本実施形態では、図１に示すように、貯槽接続管路２７が、後述する水素ガス送出管路２２と貯槽４内との間を連通して配設されている。貯槽接続管路２７には、第６自動遮断弁３１Ｆと圧力調整弁３７が配管されている。水素ガス送出管路２２を流通する送出用水素ガスＧＨｘ（水素ガスＧＨ）は、第６自動遮断弁３１Ｆの開弁により、水素ガス送出管路２２と第４分岐部Ｓ４で並列に接続された貯槽接続管路２７を流れる。水素ガス送出管路２２では、送出用水素ガスＧＨｘ（水素ガスＧＨ）は、設定圧力８２ＭＰａの下で流通するため、圧力調整弁３７により、例えば、１ＭＰａを大幅に下回る圧力等、かなり低い圧力に調整されて、貯槽４内にある液体水素ＬＨの液面上に向けて供給される。

また、補助的に小型ポンプを用いて、貯槽４内に残存する液体水素ＬＨを液体水素供給管路２１に圧送しても良い。あるいは、後述する第１放散弁３４、第２放散弁３５から放出される水素ガスＧＨを貯槽４内に還流させ、その水素ガスＧＨの圧力を利用して、液体水素ＬＨを液体水素供給管路２１に供給しても良い。

＜貯槽４からディスペンサ５に至る管路について＞
液体水素供給管路２１には、第１自動遮断弁３１Ａ、圧力計３２、及び第１放散弁３４が、設けられている。第１自動遮断弁３１Ａは、液体水素ＬＨに対し、液体水素供給管路２１での流通を、許容または遮断する。

制御部３は、第１自動遮断弁３１Ａや第１放散弁３４のほか、後述する第２自動遮断弁３１Ｂ、第３自動遮断弁３１Ｃ、第４自動遮断弁３１Ｄ、第５自動遮断弁３１Ｅ、第６自動遮断弁３１Ｆ、第２放散弁３５、及び第３放散弁３６等、各種機器と電気的に接続され、各弁の開閉動作等を制御する。液体水素供給管路２１内において、滞留していた液体水素ＬＨが自然に気化したことにより、ガス化した水素を、液体水素供給管路２１外に放出するために、第１放散弁３４が設けられている。

この液体水素供給管路２１と流出側接続管路２５（第３管路）との間には、複数の蓄圧器１０が並列に接続されている。水素ガス供給管路２３は、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓから流出部１６を通じて送出される水素ガスＧＨを、連結するディスペンサ５に供給する流路である。

具体的には、複数の蓄圧器１０に対し、いずれの蓄圧器１０とも、上流側に位置する流入部１５は、第２自動遮断弁３１Ｂを介して、流入側接続管路２４と接続されている。流入側接続管路２４の一端側（図１中、下側）は、第１分岐部Ｓ１で接続する液体水素供給管路２１と連通し、貯槽４とも連通している。第２自動遮断弁３１Ｂは、液体水素ＬＨ、送出用水素ガスＧＨｘに対し、蓄圧器１０の流入部１５への流通を、許容または遮断する。

また、各蓄圧器１０とも、下流側に位置する流出部１６は、第２放散弁３５、圧力計３２、及び第３自動遮断弁３１Ｃを介して、流出側接続管路２５と接続されている。流出側接続管路２５の一端側は、第２分岐部Ｓ２で接続する水素ガス供給管路２３と連通している。圧力計３２は、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘでは、その流出部１６から送出される送出用水素ガスＧＨｘの圧力を計測する。また、圧力計３２は、複数の蓄圧器１０のうち、後述するガス充填済み蓄圧器１０Ｘ（本実施形態では、第ｎ蓄圧器１０ｎ）を除く、第１蓄圧器１０ａ～第（ｎ－１）蓄圧器１０ｎ－１では、その流出部１６から送出される水素ガスＧＨの圧力を計測する。

圧力計３２による計測で、流出部１６から送出される水素ガスＧＨが、設定圧力８２ＭＰａを上回っている場合には、第２放散弁３５は、一時的に水素ガスＧＨを外部に拡散して、水素ガスＧＨの圧力を設定圧力８２ＭＰａに調整する。第３自動遮断弁３１Ｃは、水素ガスＧＨまたは送出用水素ガスＧＨｘに対し、蓄圧器１０の流出部１６からの流通を、許容または遮断する。

ここで、設定圧力の概念について、説明する。本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１や、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法では、設定圧力とは、蓄圧器１０において、その設計上、許容可能な設計耐久圧力の上限を超えない圧力以下の範囲にあることを前提とした上で、当該超高圧水素ガス製造システム１の運転条件や、当該超高圧水素ガス製造方法の実行時に応じて、圧力の大きさを任意に選択し、設定することできる意味を含めて、定義されたものである。

他方、貯槽４から液体水素供給管路２１内に供給された液体水素ＬＨは、送出用水素ガスＧＨｘの流通に基づいて、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに収容され、液体水素ＬＨと送出用水素ガスＧＨｘとが、設定圧力下で、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに充填される。この液体水素ＬＨは、送出用水素ガスＧＨｘとの熱交換により、気化し、高圧化した状態の水素ガスとなる。

このとき、設定圧力が、設計耐久圧力を大幅に下回る低い圧力であると、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓで液体水素ＬＨが気化するにあたり、気化に伴って上昇した蓄圧器１０の内部空間１２Ｓの圧力が、設定圧力に達した段階になっても、液体水素ＬＨの気化が完全に完了していない状態になってしまうこともあり得る。このような事象を招くと、液体水素ＬＨの気化の効率は、低下してしまう。

そこで、液体水素ＬＨの気化を、より効率良く遂行する観点で、設定圧力は、蓄圧器１０で適用される常用圧力範囲の最大値に対し、２５％以上とすることが好ましく、より好ましくは、５０％以上にすると良い。なお、常用圧力は、蓄圧器１０において、特に急峻な圧力変動や温度変化のない条件下で、水素ガスＧＨ（送出用水素ガスＧＨｘを含む）や液体水素ＬＨを内部空間１２Ｓに収容し、貯蔵している通常の使用状態にあるとき、この通常の使用状態で蓄圧器１０の本体１１に作用する圧力に、許容範囲を設けた圧力範囲を意味するものである。

蓄圧器を構成する上で重要となるファクターは、実際の現場で使用する常用圧力の概念であり、その重要性について、一例の事象をあげて説明する。一例の事象として、液体水素供給管路２１から蓄圧器１０に供給された液体水素ＬＨが、送出用水素ガスＧＨｘと内部空間１２Ｓで熱交換を十分な状態で行われず、供給された量のうち、一部で気化できなかった液体水素ＬＨは、蓄圧器の内部空間に残留し続けてしまうことも生じ得る。水素は、融点－２５９．２℃、沸点－２５２．８℃等の物性を有する。

このような残留の液体水素ＬＨが、－２５９．２℃近傍の超低温状態のまま、蓄圧器１０の本体１１に局所的に接触し続けると、本体１１を構成する部材（壁１３、流入部１５、流出部１６等）が、残留する液体水素ＬＨの超低温に起因した材料の疲労破壊等、破損・損傷を受ける虞がある。

しかも、液体水素ＬＨが残留し続けた状態にある蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに、当該超高圧水素ガス製造システム１等の稼働により、液体水素ＬＨより高温状態にある後続の送出用水素ガスＧＨｘが収容されて、残留していた液体水素ＬＨに気化が生じた場合、蓄圧器１０の本体１１では、温度と圧力が急激に上昇する。特に、このような急峻な圧力上昇により、万が一、蓄圧器１０の本体１１が、常用圧力を超えてしまうと、本体１１を構成する部材等、本体１１への機械的負荷（ダメージ）が、急激に増大して作用することから、本体の損傷や破損等、大きなダメージを蓄圧器１０に及ぼしてしまう虞がある。

従って、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１の稼働や、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法の実行では、前述したように、液体水素ＬＨを効率良く気化させるため、設定圧力は、蓄圧器１０の常用圧力範囲の最大値に対し、２５％以上、より好ましくは、５０％以上に相当した圧力の条件を満たすようにしながらも、例示したような事象等の招来をより確実に回避するためには、蓄圧器１０の常用圧力を超えないよう、管理して当該超高圧水素ガス製造システム１等を運用することが、非常に重要である。

本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１の説明に戻る。本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１では、水素ガス供給管路２３の第２分岐部Ｓ２より下流側（図１中、右側）に、一括式水素ガス圧力調整ユニットとして、放散用接続管路２６上に、圧力計３２と第３放散弁３６が配管されている。放散用接続管路２６は、水素ガス供給管路２３と第６分岐部Ｓ６で並列接続されて連通している。万が一、水素ガス供給管路２３を流れる水素ガスＧＨが、圧力計３２による計測で設定圧力８２ＭＰａを上回った場合、第３放散弁３６は、一時的に水素ガスＧＨを外部に拡散して、水素ガス供給管路２３内の水素ガスＧＨを、設定圧力８２ＭＰａに調整する。

なお、前述したように、第２放散弁３５と圧力計３２とによる個別式水素ガス圧力調整ユニットが、各蓄圧器１０の下流側に、それぞれ配管されていれば、このような一括式水素ガス圧力調整ユニットは、超高圧水素ガス製造システム１に構成されていなくても良い。

第４自動遮断弁３１Ｄは、蓄圧器１０の流出部１６から送出される水素ガスＧＨに対し、ディスペンサ５への流通を、許容または遮断する。

超高圧水素ガス製造システム１では、前述したように、液体水素供給管路２１内で気化した水素ガスＧＨは、第１放散弁３４により、液体水素供給管路２１外に放出する。また、蓄圧器１０の流出部１６から送出される水素ガスＧＨが、設定圧力８２ＭＰａを上回った場合、第２放散弁３５により、水素ガスＧＨをその管路外に放出する。このとき、放出する水素ガスＧＨは、ＢＯＧ（Boil Off Gas）蓄圧器に向けて送出しても良い。ＢＯＧ蓄圧器は、低温で、輸送・貯蔵している液体水素から自然発生したボイルオフガス（水素ガス）を、蓄圧器１０とは別で、蓄圧器に貯蔵するものであり、気化した水素を、できるだけ無駄にせずに貯留しておくために設けられる。

＜送出用水素ガス供給部２について＞
送出用水素ガス供給部２は、液体水素供給管路２１と連通した水素ガス送出管路２２（第２管路）と共に配設され、既に容器内に貯蔵されている送出用水素ガスＧＨｘを、液体水素供給管路２１に設定圧力８２ＭＰａ下で供給可能とした配管系統である。送出用水素ガスＧＨｘは、ディスペンサ５から車両のタンク５０に供給される水素ガスＧＨと、実質的に同じである。

送出用水素ガス供給部２は、本実施形態では、超高圧水素ガス製造システム１内で、第１系統である第１送出用水素ガス供給部２Ａと、第２系統である第２送出用水素ガス供給部２Ｂとの２系統からなる。水素ガス送出管路２２は、液体水素供給管路２１と、第３分岐部Ｓ３で接続して連通した管路である。この水素ガス送出管路２２は、送出用水素ガスＧＨｘの流れを制御する第５自動遮断弁３１Ｅを介して、管路上の第４分岐部Ｓ４で、並列に接続する第１水素ガス送出管路２２Ａと第２水素ガス送出管路２２Ｂとに分岐している。第５自動遮断弁３１Ｅは、送出用水素ガスＧＨｘに対し、液体水素供給管路２１への流通を、許容または遮断する。

容器内に送出用水素ガスＧＨｘを貯蔵した水素ガス充填済み容器は、第１送出用水素ガス供給部２Ａと第２送出用水素ガス供給部２Ｂに、それぞれ設けられている。第１送出用水素ガス供給部２Ａでは、送出用水素ガスＧＨｘは、第１の容器として、複数の蓄圧器１０のうち、既に内部空間１２Ｓで生成した水素ガスＧＨが充填された状態にあるガス充填済みの蓄圧器１０Ｘに貯蔵されている。第２送出用水素ガス供給部２Ｂでは、送出用水素ガスＧＨｘは、第２の容器として、搬送に用いる水素カードル４０に、水素ガスＧＨが充填された状態にあるガス充填済みの水素カードル４０に貯蔵されている。

具体的に説明する。第１送出用水素ガス供給部２Ａでは、水素ガス充填済み容器は、複数の蓄圧器１０（第１蓄圧器１０ａ，第２蓄圧器１０ｂ，第３蓄圧器１０ｃ，…，第（ｎ－１）蓄圧器１０ｎ－１，第ｎ蓄圧器１０ｎ）のうち、例えば、第ｎ蓄圧器１０ｎに、送出用水素ガスＧＨｘ（水素ガスＧＨ）を、設定圧力８２ＭＰａの下で貯蔵したガス充填済み蓄圧器１０Ｘである。このような例示下の場合、第１水素ガス送出管路２２Ａは、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘの流出部１６（図２参照）側の管路上にある第３分岐部Ｓ３で、水素ガス供給管路２３と連通した状態で接続されている。

第２送出用水素ガス供給部２Ｂは、第２水素ガス送出管路２２Ｂ上に、水素カードル４０と、小型圧縮機４１等を、直列に接続した配管系統である。水素カードル４０に貯蔵した水素ガスＧＨを搬送する場合、通常、水素ガスＧＨは、所定の圧力（本実施形態の場合、例えば、圧力２０ＭＰａ）下に圧縮した状態で、水素カードル４０に収容される。第２送出用水素ガス供給部２Ｂでは、水素ガス充填済み容器は、既に水素ガスＧＨを貯蔵した状態にある水素カードル４０である。小型圧縮機４１は、設定圧力８２ＭＰａの送出用水素ガスＧＨｘを得るにあたり、水素カードル４０から供給される水素ガスＧＨを、設定圧力８２ＭＰａまで昇圧する。

なお、本実施形態では、送出用水素ガスＧＨｘは、設定圧力８２ＭＰａと同じ圧力としているが、貯槽４から供給され、液体水素供給管路２１内で滞留下にある液体水素ＬＨを、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓまで送出可能な圧力となっていれば、設定圧力８２ＭＰａに限らず適宜変更可能である。

次に、超高圧水素ガス製造システム１の機能について、説明する。超高圧水素ガス製造システム１では、制御部３は、送出用水素ガス供給部２から液体水素供給管路２１に送出用水素ガスＧＨｘを送出することにより、貯槽４から液体水素供給管路２１に供給された液体水素ＬＨを、送出用水素ガスＧＨｘの流通に基づいて、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに収容する。

具体的には、超高圧水素ガス製造システム１では、運転開始と共に、第１自動遮断弁３１Ａが開路され、液体水素ＬＨが、液体水素供給管路２１に送出される。液体水素ＬＨが、貯槽４から蓄圧器１０に向けて液体水素供給管路２１に送出されるタイミングに合わせて、送出用水素ガスＧＨｘが、送出用水素ガス供給部２より、水素ガス送出管路２２を通じて、液体水素供給管路２１に供給される。これにより、液体水素供給管路２１内では、液体水素ＬＨは、送出用水素ガスＧＨｘと混ざり合う。そのため、液体水素ＬＨは、超高圧に圧縮されている送出用水素ガスＧＨｘ自体の流動により、送出用水素ガスＧＨｘと共に圧送されて、蓄圧器１０の流入部１５から内部空間１２Ｓに収容される。

なお、前述したように、液体水素供給管路２１に第１放散弁３４を設け、液体水素供給管路２１内で気化した水素ガスＧＨを、液体水素供給管路２１外に放出するようにしたが、それに加えて、水素ガス送出管路２２内を流通する送出用水素ガスＧＨｘを、水素ガス送出管路２２外に放出可能な脱ガス経路を、水素ガス送出管路２２と分岐して設けても良い。

その理由として、万が一、何らかの理由により、蓄圧器１０に流入した液体水素ＬＨの気化が、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓで十分に行われず、液体水素ＬＨの状態のまま、水素ガス送出管路２２に流れ込んで滞留してしまう場合も考えられる。このような場合、超高圧水素ガス製造システム１の運転中、液体水素ＬＨが、水素ガス送出管路２２内で局所的に滞留し続けると、滞留したこの液体水素ＬＨは、液体水素ＬＨより高温状態にある後続の送出用水素ガスＧＨｘと接触することに起因して気化する。この液体水素ＬＨの気化に伴い、水素ガス送出管路２２では、内部圧力が急激に上昇してしまうため、この水素ガス送出管路２２への機械的負荷（ダメージ）が増大して、水素ガス送出管路２２に対し、損傷や破損等、悪影響を及ぼす虞がある。それ故に、脱ガス経路を水素ガス送出管路２２に分岐して設けることで、このような悪影響を回避することができるからである。

加えて、このような脱ガス経路は、水素ガス送出管路２２から放出した水素ガスＧＨや、気化せずに残留する液体水素ＬＨを供給可能な態様で、貯槽４またはＢＯＧ蓄圧器のほか、燃料として使用することができる設備等と、接続されていると良い。液体水素ＬＨの気化後を含む水素ガスＧＨは、水素ガス送出管路２２から放出されても、有効利用できるからである。勿論、第１放散弁３４により、液体水素供給管路２１外に放出させた水素ガスＧＨについても、ＢＯＧ蓄圧器以外に、貯槽４や、燃料として使用することができる設備等と接続されていても良い。

ところで、運転開始時に、送出用水素ガスＧＨｘが、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘ内に全く貯蔵されていない状態、または十分な充填量で貯蔵されていない状態となっていることがある。また、超高圧水素ガス製造システム１の運転中、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘ内の送出用水素ガスＧＨｘが、全く残存していない状態、または液体水素供給管路２１に供給するのに足りる十分な量で残存していない状態となっていることもある。

このような場合、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘを使用できていない間、制御部３は、水素ガス充填済み容器に水素カードル４０を選択して、水素カードル４０に収容されている水素ガスＧＨを、送出用水素ガスＧＨｘとして用いる。このとき、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘで、送出用水素ガスＧＨｘが貯蔵されている間、その上流側の第２自動遮断弁３１Ｂは、通常、閉弁している。

これにより、第ｎ蓄圧器１０ｎ以外の第１蓄圧器１０ａ等と同様に、貯槽４から供給された液体水素ＬＨが、液体水素供給管路２１内で、水素カードル４０に送出される送出用水素ガスＧＨｘと混合した状態で、流入側接続管路２４を通じて、第ｎ蓄圧器１０ｎのＡＳに収容される。

なお、後にガス充填済み蓄圧器１０Ｘとなる第ｎ蓄圧器１０ｎに対し、その下流側の第３自動遮断弁３１Ｃは、通常、閉弁しているが、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘ内に収容された送出用水素ガスＧＨｘ（水素ガスＧＨ）の圧力が、設定圧力８２ＭＰａを超えて上昇し過ぎた場合には、第２放散弁３５は、制御部３によって作動し、開弁する。

そして、第３自動遮断弁３１Ｃと第５自動遮断弁３１Ｅが閉弁状態の下、後述するように、蓄圧器１０ａ等の内部空間１２Ｓで水素ガスＧＨを生成させる要領と同様に、第ｎ蓄圧器１０ｎの内部空間１２Ｓで、水素ガスＧＨを生成させた後、第２自動遮断弁３１Ｂも閉弁し、この水素ガスＧＨを、送出用水素ガスＧＨｘとして、第ｎ蓄圧器１０ｎ内に貯蔵する。

その後、送出用水素ガスＧＨｘが、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘ内から十分な供給量で液体水素供給管路２１に送出できる状態になった段階で、制御部３は、水素カードル４０からガス充填済み蓄圧器１０Ｘに、水素ガス充填済み容器を切換えて、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘに収容されている水素ガスＧＨを、送出用水素ガスＧＨｘとして用いる。

次に、実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法について、その実施に必要な運用設備に、先に例示した超高圧水素ガス製造システム１を挙げて、説明する。実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法は、図１に示すように、水素ガスＧＨを、供給先である車両のタンク５０に充填する施設で、液体水素ＬＨを貯留した貯槽４から供給される液体水素ＬＨを気化させ、生成された水素ガスＧＨを、管理基準を満たす設定圧力下で、蓄圧器１０の本体１１の内部空間１２Ｓに貯蔵する方法である。設定圧力は、タンク５０内に充填される水素ガスＧＨの充填圧力７０ＭＰａよりも高い８２ＭＰａである。

運用設備は、既に容器内に、圧縮した状態で貯蔵されている水素ガス、すなわち送出用水素ガスＧＨｘを、設定圧力８２ＭＰａで供給可能な送出用水素ガス供給部２と、水素ガスＧＨを、タンク５０に充填を行うディスペンサ５と、本体１１の内部空間１２Ｓと連通した蓄圧器１０の下流側（流出部１６）とを繋ぐ流出側接続管路２５（第３管路）等を有する。送出用水素ガス供給部２は、貯槽４から蓄圧器１０に液体水素ＬＨを流通させる液体水素供給管路２１（第１管路）と、連通した水素ガス送出管路２２（第２管路）上に配設されている。

実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法は、第１過程と、第２過程と、第３過程を有する。第１過程は、送出用水素ガス供給部２から液体水素供給管路２１に送出用水素ガスＧＨｘを送出して、貯槽４から供給された液体水素ＬＨの滞留下にある液体水素供給管路２１内に、送出用水素ガスＧＨｘを流通させることにより、送出用水素ガスＧＨｘと水素ガスＧＨとよる気液混合水素を、蓄圧器１０の本体１１の内部空間１２Ｓに収容する。第２過程は、第１過程により、内部空間１２Ｓに収容された気液混合水素に含まれる液体水素ＬＨに対し、蓄圧器１０の本体１１及び送出用水素ガスＧＨｘとの間で、熱交換を行う。第３過程は、蓄圧器１０の下流側で、内部空間１２Ｓから流出した水素ガスＧＨが流通する流出側接続管路２５（第３管路）に対し、流通する水素ガスＧＨが設定圧力８２ＭＰａを上回ったときに、水素ガスＧＨを減圧して、ディスペンサ５に向けて供給する水素ガスＧＨを設定圧力８２ＭＰａに調整する。

送出用水素ガスＧＨｘの供給元は、図１に示すように、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘとガス充填済み水素カードル４０の２系統である。ガス充填済み蓄圧器１０Ｘは、複数の蓄圧器１０のうち、既に内部空間１２Ｓで生成した水素ガスＧＨが貯蔵されている水素ガス充填済み容器である。ガス充填済み水素カードル４０は、搬送に用いる水素カードルに、水素ガスＧＨが貯蔵されている水素ガス充填済み容器である。ガス充填済み蓄圧器１０Ｘから送出用水素ガスＧＨｘの供給が不可の状態にある場合には、送出用水素ガスＧＨｘは、このガス充填済み水素カードル４０から供給されて使用される。

具体的に説明する。水素は、融点－２５９．２℃、沸点－２５２．８℃、液密度０．０７１ｋｇ／Ｌ（条件－２５２．８℃）、ガス密度０．０５２ｋｇ／ｍ^３（条件２１．１℃、０．１ＭＰａ）等の物性を有する。他方、蓄圧器１０の本体１１は、熱伝導性を有する鋼製で、内部空間１２Ｓは、本体１１の壁１３で包囲されてなる。運用設備において、蓄圧器１０は、水素の沸点より高い温度環境下で設置される。具体的には、一例として、蓄圧器１０を取り巻く周囲の外気温度０℃、本体１１での固体内温度０℃等、温度条件の下で、蓄圧器１０は、運用設備に設置される。

第１過程の実施にあたり、蓄圧器１０では、下流側（流出部１６側）の閉路により、内部空間１２Ｓと流出側接続管路２５とを遮断しておく。次に、液体水素ＬＨが、貯槽４から液体水素供給管路２１に供給されるのに伴い、送出用水素ガス供給部２より、水素ガス送出管路２２を通じて、送出用水素ガスＧＨｘを、設定圧力８２ＭＰａという超高圧下で圧縮された状態で、液体水素供給管路２１に送出する。これにより、液体水素供給管路２１内では、液体水素ＬＨが、送出用水素ガスＧＨｘと混合し、超高圧で圧縮されている送出用水素ガスＧＨｘ自体の流動により、液体水素ＬＨは圧送され、蓄圧器１０の流入部１５から内部空間１２Ｓに収容される。

このとき、－２５３℃近傍（沸点近傍）の液体水素ＬＨが、設定圧力８２ＭＰａを満たす送出用水素ガスＧＨｘと混合した状態で、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに収容されると、内部空間１２Ｓは、送出用水素ガスＧＨｘの圧力で、数十ＭＰａとなる。すなわち、蓄圧器１０では、内部空間１２Ｓの全容積のうち、その一部に、収容された気相の送出用水素ガスＧＨｘが存在し、収容された液相の液体水素ＬＨが、その残部を占めている。

送出用水素ガスＧＨｘは、液体水素ＬＨよりも高温であり、内部空間１２Ｓの雰囲気温度は、水素の沸点より高くなる。しかも、本体１１は、内部空間１２Ｓを包囲する壁１３を、比較的伝熱性の高い鋼製としている。そのため、第２過程では、蓄圧器１０において、液体水素ＬＨは、本体１１の壁１３及び内部空間１２Ｓに入っている水素ガスＧＨとの間で熱交換されて気化し、一例として、１００ＭＰａ超える程まで超高圧化する。

これにより、本体１１の内部空間１２Ｓでは、液体水素ＬＨの気化により、新たに水素ガスＧＨが生成される。生成された水素ガスＧＨは、液体水素ＬＨからの相変化に伴って、設定圧力８２ＭＰａを満たす超高圧な状態になり得る。それ故に、本体１１は、設定圧力８２ＭＰａを満たして収容された送出用水素ガスＧＨｘ、すなわち水素ガスＧＨと、設定圧力８２ＭＰａを満たす状態で生成される水素ガスＧＨとを、内部空間１２Ｓに充填した状態となる。

次に、このような状態になった段階で、蓄圧器１０の上流側（流入部１５側）をも閉路して、内部空間１２Ｓと流入側接続管路２４とを遮断することで、内部空間１２Ｓに充填された水素ガスＧＨは、本体１１の内部空間１２Ｓに貯蔵される。かくして、蓄圧器１０は、本体１１に供給された液体水素ＬＨを、内部空間１２Ｓで気化させて、生成された水素ガスＧＨを、設定圧力８２ＭＰａ下で、本体１１の内部空間１２Ｓに貯蔵することができる。

ところで、蓄圧器１０の本体１１で、送出用水素ガスＧＨｘに加え、新たに水素ガスＧＨが生成された段階で、内部空間１２Ｓに充填された水素ガスＧＨが、設定圧力８２ＭＰａを上回った状態で、水素ガス供給管路２３に流通してしまうこともある。このような場合には、第３過程を実施することで、水素ガス供給管路２３を送出する水素ガスＧＨを減圧しておく。これにより、水素ガスＧＨは、設定圧力８２ＭＰａに調整された状態で、ディスペンサ５に向けて水素ガス供給管路２３を流通し、ディスペンサ５に供給されるようになる。

次に、実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法の第１過程の実施にあたり、蓄圧器１０への液体水素ＬＨの供給要領について、説明する。水素ステーションでは、車両が乗用車の場合、水素ガス補給時に、水素ガスＧＨが、ディスペンサ５よりタンク５０に充填されると、水素ガスＧＨは、例えば、１つに付き、全容量３００Ｌの水素ガスＧＨを貯蔵した１つ以上の蓄圧器１０から、説明の便宜上の仮定値として、例えば、１００Ｌ程度、タンク５０に提供されて消費される。この蓄圧器１０では、消費された分の水素ガスＧＨは、新たに生成されて、補充される。

補充分の水素ガスＧＨを生成するにあたり、実施例１では、必要量の液体水素ＬＨが、一度に貯槽４から液体水素供給管路２１に供給され、この液体水素ＬＨの供給に対応して、送出用水素ガスＧＨｘも、送出用水素ガス供給部２より、液体水素供給管路２１に送出される。これにより、液体水素ＬＨと送出用水素ガスＧＨｘとの気液混合水素は、蓄圧器１０に供給され、本体１１の内部空間１２Ｓに収容される。そして、本体１１の内部空間１２Ｓでは、実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法の第２過程が行われ、補充分の水素ガスＧＨが、１回のオペレーションで、新たに生成される。

また、実施例２では、第１過程において、１つの蓄圧器１０に付き、補充分として、内部空間１２Ｓへの供給を必要とする気液混合水素の全容量分（先に例示と同様、説明の便宜上の仮定値として、例えば、１００Ｌ）に対し、気液混合水素は、１回当たりの内部空間１２Ｓへの供給量を、全容量分よりも少なくして、複数回に亘って、断続的に内部空間１２Ｓに供給される。そして、先に内部空間１２Ｓに供給された分の気液混合水素で、第２過程を終えた後、次に供給する分の気液混合水素が内部空間１２Ｓに収容される。すなわち、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓにおいて、いわゆるバッチ処理により、補充分の水素ガスＧＨは、オペレーション毎に新たに生成される。

＜シミュレーションによる検証の実施＞
本出願人は、実施形態の実施例２に係る超高圧水素ガス製造方法の効果を検証する目的で、その第１過程、及び第２過程について、専用のソフトにより、シミュレーションを行い、蓄圧器１０に生成される水素ガスＧＨの状態について、解析を行った。シミュレーションでは、実在気体で固有の現象であるジュール・トムソン効果はないとの前提である。タンク本体が、蓄圧器１０の本体１１に相当する。シミュレーション条件は、次述の通りである。

＜シミュレーション条件＞
・タンク本体の仕様；容量３３３Ｌ（全容量２３．６４ｋｇの水素ガスを収容可能）、本体内面壁熱伝達係数５００Ｗ（ｍ^２Ｋ）、本体外面壁熱伝達係数５Ｗ（ｍ^２Ｋ）、
・タンク本体の初期状態；水素ガス１１ｋｇを予め初期圧力５０ＭＰａ下で充填、本体内の初期温度０℃、本体外の初期温度０℃
・タンク本体に投入する液体水素；温度－２５３℃、圧力８２ＭＰａ、投入量５ｋｇ
・タンク本体への液体水素の水素供給時間；６０ｓｅｃ．（第１条件）、１８０ｓｅｃ．（第２条件）、３００ｓｅｃ．（第３条件）
・タンク本体の熱容量；タンク本体の固体内温度を同一とした上で、時間変化に応じて考慮されたものである。

＜シミュレーション結果＞
図５は、実施形態の実施例２に係る超高圧水素ガス製造方法の第１過程、及び第２過程に関し、タンク本体内への液体水素の水素供給時間と、タンク本体の温度との関係について、そのシミュレーション結果を示すグラフである。図６は、図５に続き、タンク本体内への液体水素の水素供給時間と、タンク本体内における液体水素の温度との関係について、そのシミュレーション結果を示すグラフである。図７は、タンク本体内への液体水素の水素供給時間と、タンク本体内における液体水素の圧力との関係について、そのシミュレーション結果を示すグラフである。なお、図５及び図７には、タンク本体の熱容量を考慮していない結果を、「ＴＨＣなし」と特記し、考慮した結果については、無特記である。

シミュレーション結果では、図５に示すように、タンク本体の温度は、第１条件で最も低くなり、第３条件では最も高くなった。液体水素は、図６に示すように、第１条件で、－４０℃に達した状態となっているが、第１条件より長い水素供給時間の第２条件、第３条件になると、液体水素の温度は、－４０℃まで達していない。しかも、液体水素は、図７に示すように、第１条件で、水素ステーションで運用する設定圧力８２ＭＰａに及ばないものの、初期圧力５０ＭＰａから急峻に２４ＭＰａも上昇し、７４ＭＰａに圧縮された状態となっている。他方、初期圧力５０ＭＰａから時間当たりの圧力上昇について、第２条件や第３条件では、液体水素は、第１条件に比べて、緩やかである。

シミュレーション結果より、全容量５ｋｇの液体水素をタンク本体に投入にあたり、タンク本体内に液体水素を収容し続ける水素供給時間を、より短くし、１回当たりのタンク本体内への液体水素の供給量を、全容量分よりも少なくした上で、タンク本体内への液体水素の供給を、複数回に分けて、断続的に繰り返す。このように、液体水素が、１回当たりの供給時間（水素供給時間）を、より短くして、タンク本体内に供給されると、運用する設定圧力８２ＭＰａに近づき易くなる。その結果、このようなオペレーションを、適宜、複数回に分けて断続的に繰り返すことで、設定温度と設定圧力を満たす液体水素を、タンク本体に、より効率良く満充填することができる。

次に、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１、及び超高圧水素ガス製造方法の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１は、水素ガスＧＨを供給先のタンク５０に充填する水素ステーションで、水素ガスとして、液体水素ＬＨを貯留した貯槽４から供給される液体水素ＬＨを気化させ、生成した水素ガスＧＳ（施設内製造水素ガス）を、設定圧力８２ＭＰａ下で、蓄圧器１０に貯蔵する超高圧水素ガス製造システムにおいて、蓄圧器１０は、本体１１に内部空間１２Ｓを有し、貯槽４と蓄圧器１０の内部空間１２Ｓとを繋ぐ液体水素供給管路２１と、既に容器内に、圧縮した状態で貯蔵された水素ガスである送出用水素ガスＧＨｘを、液体水素供給管路２１内に設定圧力８２ＭＰａで供給可能な送出用水素ガス供給部２と、制御部３と、を備え、送出用水素ガス供給部２は、液体水素供給管路２１と連通した水素ガス送出管路２２と共に配設され、制御部３は、送出用水素ガス供給部２から液体水素供給管路２１に送出用水素ガスＧＨｘを送出することにより、貯槽４から液体水素供給管路２１に供給された液体水素ＬＨを、送出用水素ガスＧＨｘの流通に基づいて、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに収容すること、を特徴とする。

この特徴により、超高圧水素ガス製造システム１では、水素ガスＧＨを生成する上で、液体水素ＬＨを気化させるのに、気化器が不要になるほか、生成された水素ガスを昇圧させる特殊な大型圧縮機が不要となる。あるいは、液体水素を気化させる気化器に圧送させるのに、液体水素を設定圧力８２ＭＰａまで昇圧する特殊な大型液水ポンプが不要となる。そのため、このような大型圧縮機や大型液水ポンプに対し、高額なイニシャルコストが不要になるばかりか、超高圧水素ガス製造システム１は、運転時の電気代やメンテナンスコスト等、運用上のランニングコストを抑制することができる。

従って、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１によれば、水素ステーション等において、液体水素ＬＨを効率良く気化させ、燃料電池自動車等の動力手段に用いる超高圧の水素ガスＧＨを、低コストで生成することができる、という優れた効果を奏する。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１では、液体水素供給管路２１には、複数の蓄圧器１０が並列接続で配設され、送出用水素ガスＧＨｘは、第１の容器として、複数の蓄圧器１０のうち、既に内部空間１２Ｓで生成した水素ガスＧＨが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器１０Ｘに貯蔵されているものであること、を特徴とする。この特徴により、超高圧水素ガス製造システム１の構成が、前述したように、気化器、特殊な大型圧縮機や特殊な大型液水ポンプを必要としていた従来の超高圧水素ガス製造システムに比べて、簡素化できているため、超高圧水素ガス製造システム１の維持・管理を行う上で、作業者の負担が低減できる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１では、送出用水素ガスＧＨｘは、第２の容器として、搬送に用いる水素カードルに、水素ガスＧＨが充填された状態にあるガス充填済み水素カードル４０に貯蔵されているものであること、を特徴とする。

この特徴により、送出用水素ガスＧＨｘが、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘから全く供給できない状態にある場合や、十分な送出量で液体水素供給管路２１に供給できない状態にある場合に、ガス充填済み水素カードル４０は、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘのバックアップとして、使用することができる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１では、制御部３は、当該超高圧水素ガス製造システム１の運転状況に応じて、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘとガス充填済み水素カードル４０とを選択的に使用すること、を特徴とする。この特徴により、当該超高圧水素ガス製造システム１の運転状況に拘わらず、液体水素ＬＨから水素ガスＧＳを生成する上で、必要となる送出用水素ガスＧＨｘを、安定した供給下で、確保することができる。

すなわち、超高圧水素ガス製造システム１の運転開始時や、超高圧水素ガス製造システム１の運転を持続しながら、液体水素ＬＨから水素ガスＧＳを生成する上で、必要となる送出用水素ガスＧＨｘが、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘに存在しない場合や、十分な貯蔵量で残存できていない場合がある。このような場合、ガス充填済み水素カードル４０からの送出用水素ガスＧＨｘを使用することができる。しかも、超高圧水素ガス製造システム１の運転中、必要となる送出用水素ガスＧＨｘが、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘより十分に供給できている場合には、ガス充填済み水素カードル４０から送出用水素ガスＧＨｘの供給を停止できるため、ガス充填済み水素カードル４０内の送出用水素ガスＧＨｘを、無駄なく有効に使用することができる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１では、蓄圧器１０の下流側で、内部空間１２Ｓから流出した水素ガスＧＨが流通する流出側接続管路２５には、水素ガスＧＨの圧力を計測する圧力計３２と、圧力計３２による計測で、水素ガスＧＨが設定圧力８２ＭＰａを上回った場合に、水素ガスＧＨを設定圧力８２ＭＰａに調整する第２放散弁３５と、を備えていること、を特徴とする。この特徴により、水素ガスＧＨは、設定圧力８２ＭＰａに調整された状態で、ディスペンサ５に供給できる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造システム１では、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓで、液体水素ＬＨとの接触する壁１３は、金属からなること、を特徴とする。この特徴により、超高圧水素ガス製造システム１に気化器を備えていなくても、液体水素ＬＨは、本体１１の壁１３との間や、内部空間１２Ｓに存在する送出用水素ガスＧＨｘとの間で、熱交換される。そのため、蓄圧器１０に収容された液体水素ＬＨは、内部空間１２Ｓで気化し、１００ＭＰａ超える程まで超高圧化する。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法では、水素ガスＧＨを供給先のタンク５０に充填する水素ステーションで、水素ガスとして、液体水素ＬＨを貯留した貯槽４から供給される液体水素ＬＨを気化させ、生成した水素ガスＧＳ（設内製造水素ガス）を、設定圧力８２ＭＰａ下で、蓄圧器１０に貯蔵する超高圧水素ガス製造方法において、既に容器内に、圧縮した状態で貯蔵された水素ガスである送出用水素ガスＧＨｘを、設定圧力８２ＭＰａで供給可能な送出用水素ガス供給部２を有し、送出用水素ガス供給部２は、貯槽４から蓄圧器１０に液体水素ＬＨを流通させる液体水素供給管路２１と連通した水素ガス送出管路２２上に配設されていること、蓄圧器１０は、本体１１に内部空間１２Ｓを有する容器であり、送出用水素ガス供給部２から液体水素供給管路２１に送出用水素ガスＧＨｘを送出して、貯槽４から供給された液体水素ＬＨの滞留下にある液体水素供給管路２１に、送出用水素ガスＧＨｘを流通させることにより、送出用水素ガスＧＨｘと液体水素ＬＨとによる気液混合水素を、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに収容する第１過程と、第１過程により、内部空間１２Ｓに収容された気液混合水素に含まれる液体水素ＬＨに対し、蓄圧器１０の本体１１及び送出用水素ガスＧＨｘとの間で、熱交換を行う第２過程と、を有すること、を特徴とする。

この特徴により、水素ガスＧＨを生成する上で、液体水素を気化させるのに、気化器が不要になるほか、生成された水素ガスを昇圧させる特殊な大型圧縮機が不要となる。あるいは、液体水素を気化させる気化器に圧送させるのに、液体水素を設定圧力８２ＭＰａまで昇圧する特殊な大型液水ポンプが不要となる。そのため、このような大型圧縮機や大型液水ポンプに対し、高額なイニシャルコストが不要になるばかりか、運転時の電気代やメンテナンスコスト等、運用上のランニングコストを抑制することができるようになる。

従って、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法によれば、水素ステーション等において、液体水素ＬＨを効率良く気化させ、燃料として適した状態の水素ガスＧＨを、低コストで生成することができる、という優れた効果を奏する。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法では、液体水素供給管路２１には、複数の蓄圧器１０が並列接続で配設され、送出用水素ガスＧＨｘは、第１の容器として、複数の蓄圧器１０のうち、既に内部空間１２Ｓで生成した水素ガスＧＨが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器１０Ｘに貯蔵されているものであること、を特徴とする。この特徴により、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法の実施にあたり、その運用設備の構成が、気化器、特殊な大型圧縮機や特殊な大型液水ポンプを必要としていた従来の超高圧水素ガス製造システムに比べて、簡素化できているため、運用設備の維持・管理を行う上で、作業者の負担が低減できる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法では、送出用水素ガスＧＨｘは、第２の容器として、搬送に用いる水素カードルに、水素ガスＧＨが充填された状態にあるガス充填済み水素カードル４０に貯蔵されているものであり、送出用水素ガスＧＨｘに対し、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘからの供給が不可の状態にある場合に、ガス充填済み水素カードル４０から供給される送出用水素ガスＧＨｘが、使用されること、を特徴とする。この特徴により、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法の実施にあたり、その運用設備の運転状況に拘わらず、液体水素ＬＨから水素ガスＧＳを生成する上で、必要となる送出用水素ガスＧＨｘを、安定した供給下で、確保することができる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法では、第１過程で、１つの蓄圧器１０に付き、内部空間１２Ｓへの供給を必要とする気液混合水素の全容量分に対し、気液混合水素は、１回当たりの内部空間１２Ｓへの供給量を、全容量分より少なくして、複数回に亘って、断続的に内部空間１２Ｓに供給され、先に内部空間１２Ｓに供給された分の気液混合水素で、第２過程を終えた後、次に供給する分の気液混合水素が内部空間１２Ｓに収容されること、を特徴とする。

この特徴により、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに対し、気液混合水素の供給流量を同じとした条件の下、気液混合水素の全容量分を、一度に内部空間１２Ｓに供給する場合に比べ、設定圧力８２ＭＰａを満たす水素ガスＧＨを、蓄圧器１０の内部空間１２Ｓに、より効率良く満充填することができる。

また、本実施形態に係る超高圧水素ガス製造方法では、蓄圧器１０の下流側で、内部空間１２Ｓから流出した水素ガスＧＨが流通する流出側接続管路２５に対し、流通する水素ガスＧＨが設定圧力８２ＭＰａを上回ったときに、水素ガスＧＨを減圧して設定圧力８２ＭＰａに調整する第３過程を有すること、を特徴とする。この特徴により、水素ガスＧＨは、設定圧力８２ＭＰａに調整された状態で、ディスペンサ５に供給できるため、ディスペンサ５では、特に水素ガスＧＨの圧力調整を必要とせず、設定圧力８２ＭＰａのまま、水素ガスＧＨを車両のタンク５０に提供することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できる。

（１）例えば、本実施形態では、複数の蓄圧器１０の中で、ガス充填済み蓄圧器１０Ｘを１つとした超高圧水素ガス製造システム１について説明したが、蓄圧器の数量や、複数の蓄圧器に占めるガス充填済みの蓄圧器の数量は、実施形態に限定されるものではなく、適宜変更可能である。

（２）本発明に係る超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法では、その技術的思想は、施設において、送出用の水素ガスと共に、貯槽から供給される液体水素を、蓄圧器の内部空間に収容して気化させて、生成した超高圧の水素ガスを、蓄圧器に貯蔵するものである。この技術的思想は、対象となる流体を、液体水素以外にも、さらに液化天然ガス（LNG：Liquified Natural Gas）にも適用することができるものと、考えられる。よって、本発明に係る超高圧水素ガス製造システム、及び超高圧水素ガス製造方法を応用することで、施設において、送出用の天然ガスと共に、貯槽から供給される液化天然ガスを、容器の内部空間に収容して気化させ、生成した天然ガスを容器内に貯蔵することができる。

１超高圧水素ガス製造システム
２送出用水素ガス供給部（送出用水素ガス供給手段）
３供給水素ガス圧力調整部（圧力調整手段）
４貯槽
５ディスペンサ
１０蓄圧器
１０Ｘガス充填済み蓄圧器
１１本体
１２Ｓ内部空間
１３内壁
２１液体水素供給管路（第１管路）
２２水素ガス送出管路（第２管路）
２５流出側接続管路（第３管路）
３２圧力計（圧力計測手段）
３５第２放散弁（圧力調整手段）
５０タンク
ＬＨ液体水素
ＧＨ水素ガス（施設内製造水素ガス）
ＧＨｘ送出用水素ガス

Claims

水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設で、該水素ガスとして、液体水素を貯留した貯槽から供給される該液体水素を気化させ、生成した施設内製造水素ガスを、基準値を満たす設定圧力下で、蓄圧器に貯蔵する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記蓄圧器は、本体に内部空間を有し、
前記貯槽と前記蓄圧器の前記内部空間とを繋ぐ第１管路と、
容器内に、圧縮した状態で貯蔵された前記水素ガスである送出用の水素ガスを、前記第１管路内に供給可能な送出用水素ガス供給手段と、
制御手段と、を備え、
前記送出用水素ガス供給手段は、前記第１管路と連通した第２管路と共に配設され、
前記制御手段は、前記送出用水素ガス供給手段から前記第１管路に前記送出用の水素ガスを送出することにより、前記貯槽から前記第１管路内に供給された前記液体水素を、前記送出用の水素ガスの流通に基づいて、前記蓄圧器の前記内部空間に収容すること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
請求項１に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記第１管路には、複数の前記蓄圧器が並列接続で配設され、
前記送出用の水素ガスは、第１の前記容器として、前記複数の蓄圧器のうち、既に前記内部空間で生成した前記施設内製造水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器に貯蔵されているものであること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
請求項２に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記送出用の水素ガスは、第２の前記容器として、搬送に用いる水素カードルに、前記水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み水素カードルに貯蔵されているものであること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
請求項３に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記制御手段は、当該超高圧水素ガス製造システムの運転状況に応じて、前記ガス充填済み蓄圧器と前記ガス充填済み水素カードルとを選択的に使用すること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記蓄圧器の下流側で、前記内部空間から流出した前記施設内製造水素ガスが流通する第３管路には、
前記施設内製造水素ガスの圧力を計測する圧力計測手段と、
前記圧力計測手段による計測で、前記施設内製造水素ガスが前記設定圧力を上回った場合に、前記施設内製造水素ガスを前記設定圧力に調整する圧力調整手段と、を備えていること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記蓄圧器の前記内部空間で、前記液体水素との接触部位は、金属からなること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
請求項５に記載する超高圧水素ガス製造システムにおいて、
前記蓄圧器の前記内部空間で、前記液体水素との接触部位は、金属からなること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造システム。
水素ガスを供給先の水素ガスタンクに充填する施設で、該水素ガスとして、液体水素を貯留した貯槽から供給される該液体水素を気化させ、生成した施設内製造水素ガスを、基準値を満たす設定圧力下で、蓄圧器に貯蔵する超高圧水素ガス製造方法において、
容器内に、圧縮した状態で貯蔵された前記水素ガスである送出用の水素ガスを、供給可能な送出用水素ガス供給部を有し、前記送出用水素ガス供給部は、前記貯槽から前記蓄圧器に前記液体水素を流通させる第１管路と連通した第２管路上に配設されていること、
前記蓄圧器は、本体に内部空間を有し、前記送出用水素ガス供給部から前記第１管路に前記送出用の水素ガスを送出して、前記貯槽から供給された前記液体水素の滞留下にある前記第１管路内に、前記送出用の水素ガスを流通させることにより、前記送出用の水素ガスと前記液体水素とによる気液混合水素を、前記蓄圧器の前記内部空間に収容する第１過程と、
前記第１過程により、前記内部空間に収容された前記気液混合水素に含まれる前記液体水素に対し、前記蓄圧器の前記本体及び前記送出用の水素ガスとの間で、熱交換を行う第２過程と、を有すること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造方法。
請求項８に記載する超高圧水素ガス製造方法において、
前記第１管路には、複数の前記蓄圧器が並列接続で配設され、
前記送出用の水素ガスは、第１の前記容器として、前記複数の蓄圧器のうち、既に前記内部空間で生成した前記施設内製造水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み蓄圧器に貯蔵されているものであること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造方法。
請求項９に記載する超高圧水素ガス製造方法において、
前記送出用の水素ガスは、第２の前記容器として、搬送に用いる水素カードルに、前記水素ガスが充填された状態にあるガス充填済み水素カードルに貯蔵されているものであり、
前記送出用の水素ガスに対し、前記ガス充填済み蓄圧器からの供給が不可の状態にある場合に、前記ガス充填済み水素カードルから供給される前記送出用の水素ガスが、使用されること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造方法。
請求項８乃至請求項１０のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造方法において、
前記第１過程で、１つの前記蓄圧器に付き、前記内部空間への供給を必要とする前記気液混合水素の全容量分に対し、前記気液混合水素は、１回当たりの前記内部空間への供給量を、前記全容量分より少なくして、複数回に亘って、断続的に前記内部空間に供給され、
先に前記内部空間に供給された分の前記気液混合水素で、前記第２過程を終えた後、次に供給する分の前記気液混合水素が前記内部空間に収容されること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造方法。
請求項８乃至請求項１０のいずれか１つに記載する超高圧水素ガス製造方法において、
前記蓄圧器の下流側で、前記内部空間から流出した前記施設内製造水素ガスが流通する第３管路に対し、
流通する前記施設内製造水素ガスが前記設定圧力を上回ったときに、前記施設内製造水素ガスを減圧して前記設定圧力に調整する第３過程を有すること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造方法。
請求項１１に記載する超高圧水素ガス製造方法において、
前記蓄圧器の下流側で、前記内部空間から流出した前記施設内製造水素ガスが流通する第３管路に対し、
流通する前記施設内製造水素ガスが前記設定圧力を上回ったときに、前記施設内製造水素ガスを減圧して前記設定圧力に調整する第３過程を有すること、
を特徴とする超高圧水素ガス製造方法。