| 【発明の名称】 |
電気自動車の燃料貯蔵装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】渡辺 博
【氏名】原口 智
【氏名】井田 貞夫
【氏名】後藤 一敏
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| 【要約】 |
【課題】材料の材質変更や表面処理による耐食性の改善策を取ることなく燃料容器の腐食を低減することにある。
【解決手段】動力源として燃料電池を搭載した電気自動車の燃料貯蔵装置において、メタノールを収容した燃料容器１内にイオン交換樹脂カートリッジ６を備える。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 動力源として燃料電池を搭載した電気自動車の燃料貯蔵装置において、メタノールを収容した燃料容器内にイオン交換樹脂を備えたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項２】 請求項１記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、燃料容器内のメタノールを循環させる循環流路を形成すると共に、この循環流路にイオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂カラムを設け、前記燃料容器内のメタノールを循環流路に供給するための燃料循環ポンプを備えたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項３】 請求項２記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、前記燃料容器内のメタノールの酸化による蟻酸の生成を検出する導電率センサと、この導電率センサの計測値に基いて前記燃料循環ポンプにメタノール循環運転の開始又は中止を指令する制御手段を備えたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項４】 請求項２記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、前記燃料容器内のメタノールの酸化による蟻酸の生成を検出するｐＨセンサと、このｐＨセンサの計測値に基いて前記燃料循環ポンプにメタノール循環運転の開始又は中止を指令する制御手段を備えたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、燃料容器から改質器への燃料供給流路にイオン交換樹脂を設けたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項６】 動力源として燃料電池を搭載した電気自動車の燃料貯蔵装置において、燃料容器内のメタノールに腐食抑制剤を添加する腐食抑制剤添加装置を設けると共に、前記燃料容器から改質器への燃料供給流路にイオン交換樹脂を設けたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項７】 請求項６記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、前記燃料容器内のエタノールの腐食抑制効果を評価するためのｐＨ値を検出するｐＨセンサと、このｐＨセンサの計測値から腐食抑制剤の添加量を決定して前記腐食抑制剤添加装置より前記燃料容器内に供給される腐食抑制剤の添加量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項８】 請求項６又は請求項７記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、添加する腐食抑制剤としてケイ酸ナトリウムを用いたことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項９】 請求項８に記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、制御すべきｐＨ値の範囲を１０以上としたことを特徴とする電ろろ気自動車の燃料貯蔵装置。
【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれかの項に記載の電気自動車の燃料貯蔵装置において、イオン交換樹脂を外部より交換可能なカートリッジに収納したことを特徴とする電気自動車の燃料貯蔵装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、動力源としてメタノールを燃料とする燃料電池を搭載した電気自動車の燃料貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、電気自動車においては、その動力源として騒音及び排ガスの少ない優れた特性を持つ燃料電池が注目されている。この燃料電池の燃料としては、水素を供給する必要があることから、石炭、天然ガス、アルコール類などが水素の供給源として用いられる。特にアルコール類の中でも、メタノールは分子内の炭素数に対する水素数が他の炭化水素類に比較して多く、水素の供給源としては優れている。また、自動車に搭載する場合、取り扱いやすさの点で常温で液体として使用できるメタノールが有利である。
【０００３】上記のような理由により、自動車の燃料電池の燃料としてメタノールを使用することが検討されている。この場合、燃料容器内にメタノールを貯蔵する必要があるが、メタノールは空気中の酸素により酸化され、ホルムアルデヒド、蟻酸を生じる。蟻酸は有機酸の中でも強い腐食性を持つため、蟻酸の生成に伴い、燃料の貯蔵中に燃料容器および燃料流路の腐食が発生する可能性がある。
【０００４】そこで、燃料容器及び燃料流路の腐食防止策として、燃料容器の内面にメッキや塗装などの表面処理を施して耐食性を向上させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、表面処理により作製した耐食性皮膜では、表面処理が不完全で初期より欠陥が存在している場合、そこを起点に腐食が発生して燃料容器に孔を生じ、この孔より燃料が漏洩する恐れがある。また、製造時や加工時に何らかの物理的・化学的ダメージにより表面処理部が傷ついた場合にも、下地金属が露出して腐食が進展する恐れがある。
【０００６】同様に燃料容器の耐食性を改善する方法としては、容器に耐食性材料を使用することが挙げられるが、一般に耐食性材料は高価であり、コストアップにつながる。
【０００７】本発明は上記のような問題点を解消し、材料の材質変更や表面処理による耐食性の改善策を取ることなく燃料容器の腐食を低減することができる電気自動車の燃料貯蔵装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では燃料容器内にメタノールの酸化によって生じた蟻酸を除去するためのイオン交換樹脂を備える。
【０００９】また、積極的に腐食抑制剤を燃料に添加して腐食抑制効果を高めるとともに、燃料容器から改質器への燃料供給流路において腐食抑制剤と蟻酸を除去するためのイオン交換樹脂を備える。
【００１０】次に本発明による電気自動車の燃料貯蔵装置について詳細に説明する。
【００１１】メタノールを燃料電池の燃料として使用する場合、水と混合して改質器に供給され、以下の改質反応により水素を生成する。
【００１２】ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋３Ｈ２燃料容器に貯蔵中のメタノールは、容器内の空気に含まれる酸素により酸化され、ホルムアルデヒドを経て蟻酸となる。メタノールの金属に対する腐食性は、主に酸化生成物である蟻酸が水に溶解して解離することにより、酸として作用するためである。
【００１３】しかし、蟻酸はイオン性物質であるため、イオン交換樹脂により除去が可能である。
【００１４】イオン交換樹脂により蟻酸を除去する場合、蟻酸を含んだ溶液がイオン交換樹脂を通過する必要がある。静置状態であっても、自然対流により燃料容器内の燃料には循環が起こると考えられることから、燃料容器内の一部にイオン交換樹脂を設置することによっても蟻酸を除去することが可能である。
【００１５】さらに、燃料を循環させる手段を備えることにより、燃料容器内で燃料を循環させてイオン交換樹脂を通過する液量を増やし、蟻酸除去効率を高めることが可能である。また、イオン交換樹脂を充填したカラムを備えた循環流路を設置し、燃料を循環させることによりさらに除去効率は向上する。
【００１６】上記の循環手段による燃料の循環は、余分なエネルギー消費の削減、循環手段の長寿命化の点から、燃料中の蟻酸濃度が高い場合においてのみ実施する方法が望ましい。そのため、蟻酸の生成を検知するためのセンサを燃料容器内に備えることにより、蟻酸濃度をモニタリングし、その計測値から循環の開始および停止を決定する。
【００１７】計測する物性値に関しては、蟻酸がイオン性物質であることから、蟻酸の生成に伴い導電率が増加することを利用し、導電率センサを適用することが可能である。導電率センサは比較的構造が簡単であり、安価で堅牢なセンサとして期待できる。また、蟻酸は酸としての性質を示すことから、ｐＨ値の変化によっても蟻酸の生成を検知可能である。そこで、ｐＨセンサを適用することも可能である。ｐＨセンサは、導電率センサよりも高感度に蟻酸の存在を検知することが期待できる。
【００１８】上記の方法により、燃料容器内での蟻酸濃度を、容器および配管材料に影響を与えないレベルに維持することが可能である。
【００１９】しかし、燃料電池の燃料として使用する場合、燃料電池本体に供給される前に、改質器によって水素に変換される。このとき改質器に供給される燃料に不純物として蟻酸が混入していると、改質効率の低下、触媒金属の劣化等のトラブルの原因となる。そのため、燃料容器から改質器への燃料供給流路にイオン交換樹脂を備えることにより、改質器への蟻酸の到達を防止することができる。
【００２０】以上の方法は、生成した蟻酸をイオン交換樹脂により除去する方針に基づいた方法であるが、貯蔵中の燃料に腐食抑制剤を添加し、蟻酸が生成した場合でも燃料容器の腐食を抑制する方法も可能である。
【００２１】この場合、腐食抑制剤を添加した燃料をそのまま改質器に供給した場合、蟻酸が混入したときのように改質効率の低下、触媒金属の劣化等の問題が発生する可能性が高い。そのため、燃料容器から改質器への燃料供給流路にイオン交換樹脂を備え、腐食抑制剤および蟻酸を除去する。
【００２２】腐食抑制剤の添加の場合も、経済性の面から添加量はできる限り少ない方が望ましい。そのため、イオン交換樹脂カラムへの循環の開始および停止を判定するのと同様に、導電率およびｐＨにより、腐食抑制剤添加の可否及び添加量の判断と調整を行う。このとき、腐食抑制剤の選択についてであるが、対象金属を鉄・アルミとした場合、ケイ酸ナトリウムによる防食効果が大きく、腐食抑制に有望である。ケイ酸ナトリウムは人体に与える影響も少なく、環境問題の点からも有利である。
【００２３】さらに、ケイ酸ナトリウムの防食効果はｐＨ１０以上の範囲において有効である。そこで、ｐＨセンサにより燃料のｐＨを計測し、その結果をもとにケイ酸ナトリウムを添加してｐＨを１０以上に制御することにより、燃料の腐食性を常に低い状態で維持できる。
【００２４】以上の方法では、イオン交換樹脂を燃料容器内もしくは燃料容器に接続した循環流路もしくは改質器への燃料供給流路に備えている。イオン交換樹脂は使用時間とともに、イオンの交換能力が低下する。こうして交換能力の低下したイオン交換樹脂は再生処理を施すことにより、再利用が可能である。
【００２５】しかし、再生には酸およびアルカリ水溶液を使用するため、燃料容器および配管にダメージを与える可能性があることから、車内で再生を行うことは困難である。そこで、イオン交換樹脂を取り出して再生を行うことになる。このとき、イオン交換樹脂を外部より取り出し可能なカートリッジに収納しておくことにより、作業性は著しく改善される。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する図1は本発明による電気自動車の燃料貯蔵装置の第１の実施の形態を示す平面図である。
【００２７】図１において、１はメタノールを貯蔵する燃料容器で、この燃料容器１の上面部には燃料供給口２が設けられ、また前方壁面には図示しない改質器へ燃料を供給するための燃料供給管３が接続されている。また、この燃料容器１の後方壁面には燃料容器内のメタノールを循環させる循環流路管４が接続されると共に、この配管の途中に循環ポンプ５が設けられている。
【００２８】このような構成の燃料電池を搭載した電気自動車において、メタノールを貯蔵する燃料容器１内にイオン交換樹脂カートリッジ６をメタノール中に浸漬させて設けると共に、循環流路管４内にイオン交換樹脂カラム７を設ける。
【００２９】また、燃料容器１の一方の側壁面を貫通させて容器内の液体の導電率を検出する導電率センサ８を設け、この導電率センサ８により検出された液体の導電率の測定値を判定制御部９に入力する。
【００３０】この判定制御部９は導電率の測定値の判定結果に基いて循環ポンプ５を制御するものである。
【００３１】次にこのように構成された電気自動車の燃料貯蔵装置の作用を述べる。
【００３２】通常の運転時は循環ポンプ５により燃料容器１内の燃料を循環流路管４、イオン交換樹脂カラム７に通すことにより、生成した蟻酸が除去される。
【００３３】図２及び図３は、蟻酸を含んだ50vol%メタノール水溶液をイオン交換樹脂を充填したカラムを通して濾過した場合の導電率およびｐＨの変化をそれぞれ示している。ここで、試験条件は以下の通りである。
【００３４】メタノール濃度：50vol%メタノール量：50ml蟻酸濃度：0.005wt%,0.01wt%,0.03wt%イオン交換樹脂：陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂をイオン交換能力を等量混合イオン交換樹脂量：20mlこの場合、１回の濾過にかかるイオン交換樹脂との接触時間は１分程度であるが、導電率はほとんど純水レベル（1μS/cm）まで低下しており、短時間の接触でも蟻酸が除去されていることがわかる。ｐＨについても添加した蟻酸濃度が低い場合は、2回の接触で６以上であり、ほぼ中性となっている。初期の添加量が多い場合でも、さらに接触を繰り返すことにより、中性域まで蟻酸の除去が可能である。
【００３５】上記の燃料の循環は、燃料中の蟻酸濃度が問題となる濃度以上含まれている場合にのみ、実施する方が効率的である。そこで、導電率センサ８により燃料の導電率をモニタリングし、その結果をもとに判断制御部９により循環ポンプ５に対して運転の開始又は停止指令を出すことにより、無駄な循環運転を低減する。
【００３６】ここで、上記導電率センサ８に代えて、ｐＨセンサを利用することも可能である。この場合はモニタリングしたｐＨ値をもとに、循環運転の開始、停止の判断を行う。
【００３７】上記のような燃料の循環は、自動車の運転中の場合には実施可能であるが、運転を停止している場合は実施できない。また、燃料を搭載したまま長期間自動車を放置する場合も考えられる。
【００３８】このような場合には、燃料容器１内のイオン交換樹脂カートリッジ６により、蟻酸を除去する。このように静置した状態での蟻酸を含有した燃料のイオン交換樹脂による蟻酸除去の効果を調べるため、蟻酸を添加したメタノール水溶液にイオン交換樹脂を入れ、静置した場合の導電率、pHの変化を調べた。
【００３９】図４及び図５はその結果を示している。ここで、その試験条件は以下の通りである。
【００４０】メタノール濃度：50vol%メタノール量：50ml蟻酸濃度：0.01wt%イオン交換樹脂：陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂をイオン交換能力を等量混合イオン交換樹脂量：20mlこのように強制的に燃料を循環させ無くとも、蟻酸を除去することが可能である。
【００４１】図６は本発明による電気自動車の燃料貯蔵装置の第２の実施の形態を示す側面図である。
【００４２】図６において、１はメタノールを貯蔵する燃料容器で、この燃料容器１の上面部には燃料供給口２が設けられ、また前方下部壁面には改質器１５へ燃料を供給するための燃料供給管３が接続されと共に、その途中に燃料供給ポンプ１４が設けられている。
【００４３】このような燃料容器１の後方部に腐食抑制剤添加装置１０を設け、その供給管を容器壁面を貫通させて配設すると共に、この供給管の下方壁面を貫通させて容器内の液体のペーハを測定するｐＨセンサ１１を設け、このｐＨセンサ１１で測定されたｐＨ値を判定制御部１２に入力する。
【００４４】この判定制御部１２はｐＨセンサ１１により測定されたｐＨ値に基いて燃料容器１内に供給される腐食抑制剤の添加量を制御するものである。
【００４５】このような構成の電気自動車の燃料貯蔵装置において、ｐＨセンサ１１により測定されたｐＨ値に基いて腐食抑制剤添加装置１０より、燃料容器１内の燃料に腐食抑制剤としてケイ酸ナトリュウムを添加することにより、鉄もしくはアルミで製造されている燃料容器を対象として検討した結果、ケイ酸ナトリウムが優れた腐食抑制効果を示した。
【００４６】ここで、図７は蟻酸を添加したメタノール水溶液に腐食抑制剤としてケイ酸ナトリウムを添加した溶液中での鉄の腐食試験の結果を示している。ここで、試験条件は以下の通りである。
【００４７】メタノール濃度：50vol%蟻酸濃度：0.1wt%対象金属：鉄このように0.1wt%という高濃度の蟻酸が含まれている場合でも、一定量以上のケイ酸ナトリウムを添加することにより、腐食の発生を抑制できることが分る。
【００４８】実際の燃料では最初から高濃度の蟻酸が含まれるわけではなく、徐々に蟻酸が生成され、濃度が高くなっていくものと考えられる。
【００４９】図８は0.1wt%のケイ酸ナトリウムを添加した50vol%メタノール水溶液に各種濃度の蟻酸を添加した溶液中での鉄の腐食試験の結果を示す。
【００５０】このように蟻酸の添加により腐食性が増し、試料および試験液の腐食による変化が大きくなっている。このときｐＨの変化に注目すると、１０以下では腐食の発生が著しいのに対し、１０以上では鉄の腐食は抑制されている。
【００５１】そこで、ｐＨセンサ１１により燃料のｐＨをモニタリングし、その結果をもとに判断制御部１２により腐食抑制剤添加装置１０にケイ酸ナトリウムの添加を指示することにより、ｐＨ値をモニタリングして１０以上になるようにケイ酸ナトリウムを添加することにより、腐食の発生を防止できるとともに、過剰のケイ酸ナトリウムの添加を防ぐことが可能である。
【００５２】一方、ケイ酸ナトリウムを含んだ燃料を改質器１５にそのまま供給すると、改質効率の低下、触媒金属の劣化等の原因となる。ここで、ケイ酸ナトリウムはイオン性物質であることからイオン交換樹脂により、除去が可能である。そこで、１４燃料供給ポンプ１４により燃料供給管３を通して改質器１５に燃料を供給する際、燃料供給管３にイオン交換樹脂カラム１３を備えることにより、ケイ酸ナトリウムを除去することが可能となる。
【００５３】図９及び図１０は、イオン交換樹脂によるケイ酸ナトリウムの除去性能を調べるため、ケイ酸ナトリウムを添加した50vol%メタノール水溶液をイオン交換樹脂を充填したカラムを通して濾過した場合の導電率およびｐＨの変化を示している。ここで、試験条件は以下の通りである。
【００５４】メタノール濃度：50vol%メタノール量：50mlケイ酸ナトリウム濃度：0.05wt%,0.1wt%,0.3wt%イオン交換樹脂：陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂をイオン交換能力を等量混合イオン交換樹脂量：20mlこのように2回の濾過でほぼケイ酸ナトリウムは除去されている。よって、ケイ酸ナトリウムを燃料に添加しても、イオン交換樹脂により改質器１５への影響は除去可能である。
【００５５】実際に適用する場合には、改質器１５に流入する前のイオン交換樹脂との接触時間も重要である。そこで、イオン交換樹脂カラムの形状については事前に検討する必要がある。
【００５６】
【発明の効果】以上述べたように本発明による電気自動車の燃料貯蔵装置によれば、燃料容器に燃料であるメタノールを貯蔵する場合、燃料容器及び燃料流路管の腐食、改質器の劣化に関して、イオン交換樹脂によりメタノールの酸化生成物となる燃料容器の腐食や改質器の劣化の原因となる蟻酸を除去することが可能である。
【００５７】また、燃料容器内に貯蔵中の燃料に腐食抑制剤を添加し、改質器に供給する前にイオン交換樹脂により腐食抑制剤を除去するようにしても燃料容器の腐食や改質器の劣化を抑制することが可能である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９５０１９５９９
【氏名又は名称】芝府エンジニアリング株式会社
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成１１年５月２４日（１９９９．５．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３３３３０７（Ｐ２０００−３３３３０７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月３０日（２０００．１１．３０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４３３０２ |
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