(57)【要約】【課題】燃料電池に燃料カートリッジを接続するための燃料電池用カプラーにおいて、燃料漏れを防いで信頼性を高める。【解決手段】この燃料電池用カプラー３は、燃料カートリッジ２から燃料電池１に補給される液体燃料Ｆが接触する接液部材の少なくとも一部がポリスルホンから構成されている。ポリスルホンは、その非結晶性ゆえに成形収縮率が小さくて寸法精度が高く、耐クリープ性が高くて変形しても復元しやすく、しかも耐熱性が高い。そのため、燃料電池用カプラー３からの燃料漏れを十分に防ぎ、信頼性を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が収容された燃料カートリッジを燃料電池に接続するための燃料電池用カプラーであって、
前記液体燃料が接触する接液部材の少なくとも一部がポリスルホンから構成されていることを特徴とする燃料電池用カプラー。
【請求項２】
前記ポリスルホンが、下記式（１）で表される繰返し単位を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用カプラー。
（１）−Ｐｈ1 −ＳＯ2 −Ｐｈ2 −Ｏ−
（Ｐｈ1 およびＰｈ2 は、それぞれ独立に、フェニレン基を表す。前記フェニレン基にある水素原子は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基またはハロゲン原子で置換されていてもよい。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料カートリッジ（燃料タンク）から燃料電池に液体燃料を補給する際に、燃料カートリッジを燃料電池に接続するためのカプラー、つまり燃料電池用カプラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池用カプラーにおいては、金属部品が多用されているため、燃料カートリッジから燃料電池に液体燃料を補給すると、その金属部品から金属イオンが液体燃料中に溶け出し、パッシブ型の燃料電池においては、その出力の低下を招く恐れがある。
【０００３】
こうした事態を回避するため、液体燃料が接触する接液部材の材質として、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＬＣＰ（液晶ポリエステル）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂を採用する技術が提案されていた（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７５１６０号公報（段落〔００１４〕〔００１８〕〔００３４〕の欄）
【特許文献２】特開２００９−１２３５７５号公報（段落〔０００９〕〔００５４〕の欄）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２で提案された技術においては、燃料電池用カプラーの接液部材の材質である各種の樹脂に、それぞれ次のような欠点がある。
【０００６】
まず、ＰＥＥＫおよびＰＰＳは、その結晶性ゆえに成形収縮率が大きくて寸法精度（寸法安定性）が低いばかりでなく、耐クリープ性が低くて変形すると復元しにくい。また、ＬＣＰは、その液晶性ゆえにＴＤ方向の成形収縮率が大きくて寸法精度が低いばかりでなく、耐クリープ性が低くて変形すると復元しにくい。さらに、ＰＢＴ、ＰＯＭおよびＰＥＴは、その結晶性ゆえに成形収縮率が大きくて寸法精度が低いばかりでなく、耐クリープ性が低くて変形すると復元しにくく、しかも耐熱性が低い。
【０００７】
その結果、これらの樹脂からなる接液部材を有する燃料電池用カプラーにおいては、燃料漏れを十分に防ぐことができず、信頼性に欠ける場合があった。
【０００８】
そこで、本発明は、このような事情に鑑み、燃料漏れを十分に防いで信頼性を高めることが可能な燃料電池用カプラーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、液体燃料が収容された燃料カートリッジを燃料電池に接続するための燃料電池用カプラーであって、前記液体燃料が接触する接液部材の少なくとも一部がポリスルホンから構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記ポリスルホンが、下記式（１）で表される繰返し単位を有することを特徴とする。
（１）−Ｐｈ1 −ＳＯ2 −Ｐｈ2 −Ｏ−
（Ｐｈ1 およびＰｈ2 は、それぞれ独立に、フェニレン基を表す。前記フェニレン基にある水素原子は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基またはハロゲン原子で置換されていてもよい。）
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池用カプラーの接液部材の材質であるポリスルホンが、その非結晶性ゆえに成形収縮率が小さくて寸法精度が高く、耐クリープ性が高くて変形しても復元しやすく、しかも耐熱性が高いことから、燃料電池用カプラーからの燃料漏れを十分に防ぎ、製品としての信頼性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池用カプラーを用いた燃料電池および燃料カートリッジを示す正面図である。
【図２】図１に示す燃料電池用カプラーの非接続状態を示す拡大断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池用カプラーの接続状態を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
［発明の実施の形態１］
【００１４】
図１乃至図３には、本発明の実施の形態１を示す。
【００１５】
燃料電池１は、図１に示すように、メタノール燃料、エタノール燃料、プロパノール燃料、グリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸などの液体燃料Ｆを収容しうる燃料収容部１１を有しており、燃料収容部１１の上側には燃料電池セル１２が装着されている。燃料収容部１１の下側には燃料受容部１３が設けられており、燃料受容部１３にはソケット４が取り付けられている。また、燃料カートリッジ２は、液体燃料Ｆが収容されたカートリッジ本体２１を有しており、カートリッジ本体２１にはノズル５が取り付けられている。そして、燃料電池用カプラー３は、ソケット４およびノズル５から構成されている。
【００１６】
このソケット４は、図２に示すように、略円筒状の外筒部４１を有しており、外筒部４１の先端にはノズル口４１ａが軸方向（図２上下方向）に開口して形成されている。外筒部４１の内側には、略円筒状の内筒部４２が装着されているとともに、この内筒部４２の上側に蛇腹形状の弾性シール部材４３が載置されている。これら内筒部４２および弾性シール部材４３の内側には、十字断面棒状のバルブ４５が、コイルスプリング４６によって常にソケット４の先端側（図２上向き）に弾性的に付勢された形で保持されており、内筒部４２とバルブ４５のヘッド部４５ａとの間にはＯリング４４が介在している。さらに、外筒部４１にはノズル保持機構４７が取り付けられている。
【００１７】
一方、ノズル５は、図２に示すように、略円筒状のノズルヘッド５１を有しており、ノズルヘッド５１の先端部５１ｃには、凹部５１ａおよび周溝５１ｂが形成されている。ノズルヘッド５１の内側には、カップ状のバルブホルダ５２が装着されており、バルブホルダ５２の後端部には連通孔５２ａが、バルブホルダ５２の内外を軸方向（図２上下方向）に連通するように形成されている。ノズルヘッド５１およびバルブホルダ５２の内側には、十字断面棒状のバルブ５５が、コイルスプリング５６によって常にノズル５の先端側（図２下向き）に弾性的に付勢された形で保持されており、ノズルヘッド５１とバルブ５５のヘッド部５５ａとの間にはＯリング５４が介在している。さらに、ノズルヘッド５１の外側には、リング部材５７およびコンテナノズル５８が取り付けられている。
【００１８】
このように、ソケット４およびノズル５からなる燃料電池用カプラー３は種々の部品から構成されているが、これらの部品のうち、内筒部４２、弾性シール部材４３、バルブ４５、ノズルヘッド５１、バルブホルダ５２およびバルブ５５は、いずれもポリスルホンから構成されている。
【００１９】
このポリスルホンは、典型的には、２価の芳香族基（芳香族化合物から、その芳香環に結合した水素原子を２個除いてなる残基）とスルホニル基（−ＳＯ2 −）と酸素原子（エーテル結合）とを含む繰返し単位を有する樹脂である。ポリスルホンは、耐熱性や耐薬品性を高める観点から、下記式（１）で表される繰返し単位（以下、「繰返し単位（１）」という。）を有することが好ましく、さらに、下記式（２）で表される繰返し単位（以下、「繰返し単位（２）」という。）や、下記式（３）で表される繰返し単位（以下、「繰返し単位（３）」という。）などの他の繰返し単位を１種以上有していてもよい。
（１）−Ｐｈ1 −ＳＯ2 −Ｐｈ2 −Ｏ−
（Ｐｈ1 およびＰｈ2 は、それぞれ独立に、フェニレン基を表す。前記フェニレン基にある水素原子は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基またはハロゲン原子で置換されていてもよい。）
（２）−Ｐｈ3 −Ｒ−Ｐｈ4 −Ｏ−
（Ｐｈ3 およびＰｈ4 は、それぞれ独立に、フェニレン基を表す。前記フェニレン基にある水素原子は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基またはハロゲン原子で置換されていてもよい。Ｒは、アルキリデン基、酸素原子または硫黄原子を表す。）
（３）−（Ｐｈ5 ）n −Ｏ−
（Ｐｈ5 は、フェニレン基を表す。前記フェニレン基にある水素原子は、それぞれ独立に、アルキル基、アリール基またはハロゲン原子で置換されていてもよい。ｎは、１〜３の整数を表す。ｎが２以上である場合、複数存在するＰｈ5 は、互いに同一であっても異なっていてもよい。）
【００２０】
Ｐｈ1 〜Ｐｈ5 のいずれかで表されるフェニレン基は、ｐ−フェニレン基であってもよいし、ｍ−フェニレン基であってもよいし、ｏ−フェニレン基であってもよいが、ｐ−フェニレン基であることが好ましい。前記フェニレン基にある水素原子を置換していてもよいアルキル基の例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｓ−ブチル基、ｔ−ブチル基、ｎ−ヘキシル基、２−エチルヘキシル基、ｎ−オクチル基およびｎ−デシル基が挙げられ、その炭素数は、通常１〜１０である。前記フェニレン基にある水素原子を置換していてもよいアリール基の例としては、フェニル基、ｏ−トリル基、ｍ−トリル基、ｐ−トリル基、１−ナフチル基および２−ナフチル基が挙げられ、その炭素数は、通常６〜２０である。前記フェニレン基にある水素原子がこれらの基で置換されている場合、その数は、前記フェニレン基ごとに、それぞれ独立に、通常２個以下であり、好ましくは１個以下である。
【００２１】
Ｒであるアルキリデン基の例としては、メチレン基、エチリデン基、イソプロピリデン基および１−ブチリデン基が挙げられ、その炭素数は、通常１〜５である。
【００２２】
ポリスルホンは、繰返し単位（１）を、全繰返し単位の合計含有量に対して、５０モル％以上有することが好ましく、８０モル％以上有することがより好ましく、繰返し単位として実質的に繰返し単位（１）のみを有することがさらに好ましい。なお、ポリスルホンは、繰返し単位（１）〜（３）を、それぞれ独立に、２種以上有してもよい。
【００２３】
ポリスルホンは、それを構成する繰返し単位に対応するジハロゲノスルホン化合物とジヒドロキシ化合物とを重縮合させることにより、製造することができる。例えば、繰返し単位（１）を有する樹脂は、ジハロゲノスルホン化合物として下記式（４）で表される化合物（以下、「化合物（４）」という。）を用い、ジヒドロキシ化合物として下記式（５）で表される化合物を用いることにより、製造することができる。また、繰返し単位（１）と繰返し単位（２）とを有する樹脂は、ジハロゲノスルホン化合物として化合物（４）を用い、ジヒドロキシ化合物として下記式（６）で表される化合物を用いることにより、製造することができる。また、繰返し単位（１）と繰返し単位（３）とを有する樹脂は、ジハロゲノスルホン化合物として化合物（４）を用い、ジヒドロキシ化合物として下記式（７）で表される化合物を用いることにより、製造することができる。
（４）Ｘ1 −Ｐｈ1 −ＳＯ2 −Ｐｈ2 −Ｘ2 
（Ｘ1 はおよびＸ2 は、それぞれ独立に、ハロゲン原子を表す。Ｐｈ1 およびＰｈ2 は、前記と同義である。）
（５）ＨＯ−Ｐｈ1 −ＳＯ2 −Ｐｈ2 −ＯＨ
（Ｐｈ1 およびＰｈ2 は、前記と同義である。）
（６）ＨＯ−Ｐｈ3 −Ｒ−Ｐｈ4 −ＯＨ
（Ｐｈ3 、Ｐｈ4 およびＲは、前記と同義である。）
（７）ＨＯ−（Ｐｈ5 ）n −ＯＨ
（Ｐｈ5 およびｎは、前記と同義である。）
【００２４】
前記重縮合は、炭酸のアルカリ金属塩を用いて、溶媒中で行うことが好ましい。炭酸のアルカリ金属塩は、正塩である炭酸アルカリであってもよいし、酸性塩である重炭酸アルカリ（炭酸水素アルカリ）であってもよいし、両者の混合物であってもよい。炭酸アルカリとしては、炭酸ナトリウムや炭酸カリウムが好ましく用いられ、重炭酸アルカリとしては、重炭酸ナトリウムや重炭酸カリウムが好ましく用いられる。溶媒としては、ジメチルスルホキシド、１−メチル−２−ピロリドン、スルホラン（１，１−ジオキソチラン）、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、１，３−ジエチル−２−イミダゾリジノン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジイソプロピルスルホン、ジフェニルスルホンなどの有機極性溶媒が好ましく用いられる。
【００２５】
ポリスルホンは、その還元粘度が、通常０．３ｄＬ／ｇ以上、好ましくは０．４〜０．６ｄＬ／ｇ、より好ましくは０．４５〜０．５５ｄＬ／ｇである。この還元粘度が高いほど、耐熱性や強度・剛性が向上しやすいが、あまり高いと、溶融温度や溶融粘度が高くなりやすく、その成形に必要な温度が高くなりやすい。
【００２６】
前記重縮合において、仮に副反応が生じなければ、ジハロゲノスルホン化合物とジヒドロキシ化合物とのモル比が１：１に近いほど、炭酸のアルカリ金属塩の使用量が多いほど、重縮合温度が高いほど、また、重縮合時間が長いほど、得られるポリスルホンの重合度が高くなりやすく、その還元粘度が高くなりやすい。しかし、実際は、副生する水酸化アルカリ等により、ハロゲノ基のヒドロキシル基への置換反応や解重合などの副反応が生じ、この副反応により、得られるポリスルホンの重合度が低下しやすく、その還元粘度が低下しやすいので、この副反応の度合いも考慮して、所望の還元粘度を有するポリスルホンが得られるように、ジハロゲノスルホン化合物とジヒドロキシ化合物とのモル比、炭酸のアルカリ金属塩の使用量、重縮合温度および重縮合時間を適宜調整することが好ましい。
【００２７】
ポリスルホンは、これに充填材、添加剤、ポリスルホン以外の樹脂などの他の成分を１種以上配合して、ポリスルホン組成物として用いてもよい。
【００２８】
充填材は、繊維状充填材であってもよいし、板状充填材であってもよいし、繊維状および板状以外で、球状その他の粒状充填材であってもよい。また、充填材は、無機充填材であってもよいし、有機充填材であってもよい。繊維状無機充填材の例としては、ガラス繊維；パン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などの炭素繊維；シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維などのセラミック繊維；およびステンレス繊維などの金属繊維が挙げられる。また、チタン酸カリウムウイスカー、チタン酸バリウムウイスカー、ウォラストナイトウイスカー、ホウ酸アルミニウムウイスカー、窒化ケイ素ウイスカー、炭化ケイ素ウイスカーなどのウイスカーも挙げられる。繊維状有機充填材の例としては、ポリエステル繊維およびアラミド繊維が挙げられる。板状無機充填材の例としては、タルク、マイカ、グラファイト、ウォラストナイト、ガラスフレーク、硫酸バリウムおよび炭酸カルシウムが挙げられる。マイカは、白雲母であってもよいし、金雲母であってもよいし、フッ素金雲母であってもよいし、四ケイ素雲母であってもよい。粒状無機充填材の例としては、シリカ、アルミナ、酸化チタン、ガラスビーズ、ガラスバルーン、窒化ホウ素、炭化ケイ素および炭酸カルシウムが挙げられる。充填材の配合量は、ポリスルホン１００質量部に対して、通常０〜１００質量部である。
【００２９】
添加剤の例としては、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、界面活性剤、難燃剤および着色剤が挙げられる。添加剤の配合量は、ポリスルホン１００質量部に対して、通常０〜５質量部である。
【００３０】
ポリスルホン以外の樹脂の例としては、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミドなどのポリスルホン以外の熱可塑性樹脂；およびフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネート樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。ポリスルホン以外の樹脂の配合量は、ポリスルホン１００質量部に対して、通常０〜２０質量部である。
【００３１】
ポリスルホン組成物は、ポリスルホンおよび必要に応じて用いられる他の成分を押出機で溶融混練し、ペレット状に押し出すことにより調製することが好ましい。この押出機としては、シリンダーと、シリンダー内に配置された１本以上のスクリュウと、シリンダーに設けられた１箇所以上の供給口とを有するものが、好ましく用いられ、さらにシリンダーに設けられた１箇所以上のベント部を有するものが、より好ましく用いられる。
【００３２】
ポリスルホンまたはポリスルホン組成物を成形することにより、燃料電池用カプラー３の内筒部４２、弾性シール部材４３、バルブ４５、ノズルヘッド５１、バルブホルダ５２およびバルブ５５を得ることができる。成形法としては、溶融成形法が好ましく、その例としては、射出成形法、Ｔダイ法やインフレーション法などの押出成形法、圧縮成形法、ブロー成形法、真空成形法およびプレス成形法が挙げられる。中でも射出成形法が好ましい。
【００３３】
燃料電池１および燃料カートリッジ２は以上のような構成を有するので、この燃料カートリッジ２から燃料電池１に液体燃料Ｆを補給する際には、燃料電池用カプラー３により、燃料カートリッジ２を燃料電池１の燃料受容部１３に接続する。
【００３４】
それには、図２に示すように、ソケット４およびノズル５が互いに一直線上に対向した状態で、ノズル５のノズルヘッド５１の先端部５１ｃをソケット４の外筒部４１のノズル口４１ａに差し込む。すると、図３に示すように、ノズル５がソケット４に嵌合し、燃料カートリッジ２が燃料電池１の燃料受容部１３に接続された状態となる。
【００３５】
このとき、ソケット４側では、図３に示すように、バルブ４５がノズル５のバルブ５５に押されて後退するため、内筒部４２とＯリング４４との間に隙間が生じる。その結果、ソケット４のバルブ４５の周囲（内筒部４２および弾性シール部材４３とバルブ４５との間の空間）に燃料流路が軸方向に形成される。また、ノズル５側では、バルブ５５がソケット４のバルブ４５に押されて後退するため、ノズルヘッド５１とＯリング５４との間に隙間が生じる。その結果、ノズル５のバルブ５５の周囲（ノズルヘッド５１およびバルブホルダ５２とバルブ５５との間の空間）に燃料流路が軸方向に形成される。したがって、これらの燃料流路を通じて、燃料カートリッジ２から燃料電池１の燃料受容部１３へ液体燃料Ｆが供給されていく。
【００３６】
なお、ノズル５がソケット４に嵌合した状態では、図３に示すように、弾性シール部材４３は、ノズルヘッド５１の凹部５１ａに係合し、所定の圧力で先端部５１ｃに接するので、液体燃料Ｆが弾性シール部材４３とノズルヘッド５１との隙間を通って弾性シール部材４３の外周側（外筒部４１の内側）に漏れ出す恐れはない。したがって、液体燃料Ｆが外筒部４１に接触することはない。また、この状態では、ノズル保持機構４７がノズルヘッド５１の周溝５１ｂに係合することにより、ノズルヘッド５１が外筒部４１に固定されて保持されるので、燃料カートリッジ２から燃料電池１の燃料受容部１３への液体燃料Ｆの供給動作を円滑に行うことができる。
【００３７】
そして、燃料カートリッジ２から燃料電池１の燃料受容部１３へ所定量の液体燃料Ｆが供給されたところで、液体燃料Ｆの補給が終了する。
【００３８】
こうして燃料受容部１３へ供給された液体燃料Ｆは、燃料収容部１１へ一旦供給され、水素を主成分とするガスに改質された後、燃料電池セル１２の燃料極（アノード）に導入される。そして、燃料電池セル１２の空気極（カソード）に導入された酸素と電気化学的に反応して、電気エネルギーが生じる。
【００３９】
このように、液体燃料Ｆの補給に際して燃料カートリッジ２が燃料電池１に接続されたときには、ソケット４のバルブ４５およびノズル５のバルブ５５の周囲に燃料流路が形成される。したがって、燃料電池用カプラー３を構成する部品のうち、内筒部４２、弾性シール部材４３、バルブ４５、ノズルヘッド５１、バルブホルダ５２およびバルブ５５は、液体燃料Ｆが接触する接液部材となる。
【００４０】
ところが、これらの接液部材は、上述したとおり、いずれもポリスルホンから構成されており、このポリスルホンは、その非結晶性ゆえに成形収縮率が小さくて寸法精度が高く、耐クリープ性が高くて変形しても復元しやすく、しかも耐熱性が高いという特性を有している。したがって、この燃料電池用カプラー３においては、ＰＥＥＫその他の樹脂からなる接液部材を備えた従来の燃料電池用カプラーと異なり、燃料漏れを十分に防ぐことができ、信頼性を高めることが可能となる。
［発明のその他の実施の形態］
【００４１】
なお、上述した実施の形態１では、接液部材（内筒部４２、弾性シール部材４３、バルブ４５、ノズルヘッド５１、バルブホルダ５２およびバルブ５５）の全部がポリスルホンから構成された燃料電池用カプラー３について説明したが、接液部材の一部をポリスルホンから構成しても構わない。
【００４２】
また、上述した実施の形態１では、燃料収容部１１、燃料電池セル１２および燃料受容部１３を備えた燃料電池１に用いられる燃料電池用カプラー３について説明した。しかし、液体燃料Ｆが接触する接液部材を有するものである限り、これ以外の種類の燃料電池（例えば、燃料収容部１１が省かれて、燃料受容部１３から燃料電池セル１２に液体燃料Ｆを直接供給する構造の燃料電池など）に用いられる燃料電池用カプラーに対して、本発明を同様に適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）など各種の燃料電池に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１……燃料電池
２……燃料カートリッジ
３……燃料電池用カプラー
４……ソケット
５……ノズル
１１……燃料収容部
１２……燃料電池セル
１３……燃料受容部
２１……カートリッジ本体
４１……外筒部
４２……内筒部
４３……弾性シール部材
４４……Ｏリング
４５……バルブ
４６……コイルスプリング
４７……ノズル保持機構
５１……ノズルヘッド
５２……バルブホルダ
５４……Ｏリング
５５……バルブ
５６……コイルスプリング
５７……リング部材
５８……コンテナノズル
Ｆ……液体燃料
【図１】
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【図２】
2012169202.tif 000004
【図３】
2012169202.tif 000005