JP2004190688A

JP2004190688A - 燃料電池用転がり軸受、燃料電池システム用圧送機及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004190688A
Application number: JP2002355356A
Authority: JP
Inventors: Koutetsu Denpo; 功哲傳寶; Masahiko Yamazaki; 雅彦山崎; Kenichi Iso; 賢一磯
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】燃料電池システムの圧送機に組み込まれる転がり軸受の耐熱性及び耐水性を向上させ、またこの転がり軸受を組み込むことにより圧送機、更には燃料電池システムを長寿命化する。
【解決手段】少なくとも、燃料電池スタック及び各種流体を輸送するための圧送機を具備する燃料電池システムの前記圧送機に組み込まれる燃料電池用転がり軸受であって、フッ素油を基油としフッ素樹脂を増ちょう剤とするフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合グリースを封入した燃料電池用転がり軸受、前記転がり軸受を備える燃料電池システム用圧送機並びに前記圧送機を具備する燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノール、水のような燃料をガス化し、改質器で改質した後、ＣＯ除去装置でＣＯ除去を行い、燃料電池スタック（燃料電池本体）に燃料を供給して発電を行う燃料電池システム、あるいは水素タンク、水素貯蔵合金等の水素保存手段から燃料としての水素を燃料電池スタックに供給し、発電する燃料電池システム、あるいはメタノール水のような水素含有化合物から改質器で水素を取り出し、ＣＯ除去装置等の不純物除去装置で不純物を除去し、燃料電池スタックに水素を供給して発電する燃料電池システム、並びにこれら燃料電池システムにおいて各機器間に各種流体を圧送するための燃料電池システム用圧送機（以下、単に「圧送機」ともいう）、更にはこの圧送機に組み込まれる燃料電池用転がり軸受（以下、単に「転がり軸受」ともいう）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の排ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化等の環境問題に対し、クリーンな排気及び高エネルギー効率を可能にする燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は、水素や水素リッチな改質ガスと酸素等（空気）の酸化剤との電気化学反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーシステムである。燃料電池に用いられる電解質には、固体高分子、リン酸水溶液、溶融炭酸塩、アルカリ水溶液等があるが、中でも、固体高分子電解質型燃料電池は、比較的低温（１００℃以下）で発電が行われ、出力密度が高く、低温で作動し、電池構成材料の劣化が少なく、起動が容易である等の長所があることから、特に、自動車等の輸送体の動力源として有効とされており、種々の燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
これらの固体高分子電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムでは、水素や水素リッチな改質ガス、酸化剤として多量の空気を圧送するために圧送機が使用されており、圧送を安定に行うための改良がなされた圧送機が種々提案されている。（例えば、特許文献３参照）。また、圧送機には回転軸の支持用に転がり軸受が使用されており、潤滑のためのグリースが封入されているが、揮発成分が飛散して燃料電池スタックに付着して触媒毒として作用することがあり、この揮発成分の飛散、漏洩の防止を図った圧送機も提案されている（例えば、特許文献４、特許文献５参照）。
【０００４】
また、封入されるグリースは、合成油を基油とし、増ちょう剤としてウレア化合物を配合したウレア−合成油系グリースが一般に使用されている。しかし、このウレア−合成油系グリースは１７０〜１８０℃の温度までは軸受潤滑寿命が長く十分に使用可能であるが、近年では使用条件も厳しくなってきており、耐熱性において十分とは言えない状況にある。そのため、耐熱性を改善するために、フッ素系グリースを封入することも提案されている（例えば、特許文献６、特許文献７参照）。
【特許文献１】
特開平１１−３０７１１２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３１２９４号公報
【特許文献３】
特開２００２−７０７６２号公報
【特許文献４】
特開２０００−２１９２号公報
【特許文献５】
特開２００２−７０７６４号公報
【特許文献６】
特開２０００−２７３４７８号公報
【特許文献７】
特開２０００−３０３０８８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムでは、安定した発電を行うために、水素や水蒸気、酸素濃度の緻密な管理が必要であり、そのためには圧送機による各種流体の安定輸送が必須である。そのため、圧送機に使用される転がり軸受でも、軸受材料やグリースが水素や水分に対する耐久性を有することが必要であり、水素燃料を循環させ再利用する場合には更に電解質から遊離した酸やアルカリに対する耐久性も必要になる。
【０００６】
しかし、従来の合成油−ウレア系グリースやフッ素系グリースでは、水素や水分、酸、アルカリ等に対する総合的な耐久性に問題があり、改良の余地は十分にある。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの圧送機に組み込まれる転がり軸受に封入するグリースを工夫して、転がり軸受の耐熱性及び耐水性を向上させることを目的とする。また、本発明は、この転がり軸受を組み込むことにより圧送機、更には燃料電池システムの耐久性を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討の結果、封入するグリースとして、耐熱性に優れるフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとを混合使用することにより、転がり軸受の耐熱性とともに、耐水性も改善できることを知見した。
【０００９】
即ち、上記の目的を達成するために本発明は、
（１）少なくとも、燃料電池スタック及び各種流体を輸送するための圧送機を具備する燃料電池システムの前記圧送機に組み込まれる燃料電池用転がり軸受であって、フッ素油を基油としフッ素樹脂を増ちょう剤とするフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合グリースを封入したことを特徴とする燃料電池用転がり軸受
（２）少なくとも、燃料タンク、燃料蒸発器、改質器、ＣＯ除去装置、燃料電池スタック及び各種流体を輸送するための圧送機を具備する燃料電池システムの前記圧送機に組み込まれる燃料電池用転がり軸受であって、フッ素油を基油としフッ素樹脂を増ちょう剤とするフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合グリースを封入したことを特徴とする燃料電池用転がり軸受
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池用転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システム用圧送機
（４）上記（３）の燃料電池システム用圧送機を具備することを特徴とする燃料電池システム
を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１１】
（燃料電池用転がり軸受）
本発明において、燃料電池用転がり軸受の構成自体は制限されるものではなく、例えば図１に示すような玉軸受３００を例示することができる。図示される玉軸受３００は、内輪３０１と外輪３０２との間に保持器３０３を介して複数の転動体である玉３０４を略等間隔で回動自在に保持してなり、本発明においては更に内輪３０１、外輪３０２及び玉３０４で形成される空所Ｓに、下記に詳述される混合グリース（図示せず）を所定量充填し、シール３０５で封止して構成されている。尚、混合グリースの封入量は、従来と同様に、軸受空間容積の５〜５０容積％の範囲で使用条件に応じて選定する。
【００１２】
混合グリースは、フッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合物である。以下に、それぞれのグリースについて詳述する。
【００１３】
［フッ素系グリース］
フッ素系グリースの基油はフッ素油であり、具体的にはパーフルオロポリエーテル油、クロロパーフルオロエーテル油等が挙げられる。これらは単独でも、混合して使用することができる。また、フッ素油は、低温流動性不足による低温起動時の異音発生や、高温で油膜が形成され難いために起こる焼付きを避けるために、４０℃における動粘度が２０〜４００ｍｍ^２／ｓ、特に３０〜２００ｍｍ^２／ｓであることが好ましい。
【００１４】
フッ素系グリースの増ちょう剤はフッ素樹脂であり、具体的には四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン−パーフルロロエチレンアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ樹脂）、四フッ化エチレン−エチレン共重合体（ＦＥＰ樹脂）、フッ化ブニリデン（ＰＶＤＦ）等の微粉末が挙げられる。微粉末の形状は、球形、多面体（立方体や直方体）や極端には針状でも構わない。また、これらは単独でも、混合して使用してもよい。
【００１５】
フッ素系グリースにおけるフッ素樹脂の含有量は、１０〜４５質量％、好ましくは１５〜３５質量％である。フッ素樹脂の含有量が１０質量％未満では安定したグリースとはならず、耐熱性も十分でなくなる。一方、フッ素樹脂の含有量が４５質量％を越えるとグリースが硬くなりすぎる。
【００１６】
［フッ素系グリース以外のグリース］
フッ素系グリース以外のグリースとしては、金属コンプレックス石けん系グリース及びウレア系グリースが好ましい。
【００１７】
この金属コンプレックス石けん系グリースあるいはウレア系グリースに使用される基油としては、合成炭化水素油、エステル油、エーテル油、シリコーン油が好ましい。炭化水素系油としては、ノルマルパラフィン、イソパラフィン、ポリブテン、ポリイソブチレン、１−デセンオリゴマー、１−デセンとエチレンコオリゴマー等のポリ−α−オレフィンまたはこれらの水素化物等が挙げられる。エステル系油としては、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルセバケート、ジオクチルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート、ジトリデシルグルタレート、メチル・アセチルシノレート等のジエステル油、あるいはトリオクチルトリメリテート、トリデシルトリメリテート、テトラオクチルピロメリテート等の芳香族エステル油、更にはトリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、ペンタエリスリトール−２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールベラルゴネート等のポリオールエステル油、更にはまた、多価アルコールと二塩基酸・一塩基酸の混合脂肪酸とのオリゴエステルであるコンプレックスエステル油等が挙げられる。エーテル系油としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコールモノエーテル、ポリプロピレングリコールモノエーテル等のポリグリコール、あるいはモノアルキルトリフェニルエーテル、アルキルジフェニルエーテル、ジアルキルジフェニルエーテル、ペンタフェニルエーテル、テトラフェニルエーテル、モノアルキルテトラフェニルエーテル、ジアルキルテトラフェニルエーテル等のフェニルエーテル油等が挙げられる。シリコーン油としては、メチルシリコーン油、フェイルメチルシリコーン油、フェニルフルオロシリコーン油等が挙げられる。これらの基油は、単独または混合物として用いることができる。また、必要に応じて、鉱油を配合してもよい。但し、鉱油には不純物が含まれており、これらが蒸発して外部を汚染するおそれがあることから、減圧蒸留、溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、硫酸洗浄、白土精製、水素化精製等を適宜組み合わせて精製したものを用いることが好ましい。これら基油の中でも、高温、高速での使用下での潤滑性能や潤滑寿命を考慮すると、エステル系油、エーテル系油を含有していることが好ましい。また、エステル系油、エーテル系油は、フッ素系グリースの基油であるフッ素油と比較的親和性の高いという利点も有する。更に、雰囲気の水分濃度が高い場合、撥水効果の高いポリα−オレフィン系合成炭化水素油を含有していることが好ましい。
【００１８】
また、グリースの低温流動性不足による低温起動時の異音発生や、高温で油膜が形成され難いために起こる焼付きを避けるために、基油の４０℃における動粘度が、好ましくは１０〜４００ｍｍ^２／ｓｅｃ、より好ましくは２０〜２５０ｍｍ^２／ｓｅｃ、さらに好ましくは４０〜１５０ｍｍ^２／ｓｅｃであることが好ましい。
【００１９】
金属コンプレックス石けん系グリースの増ちょう剤としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｂａ、Ｃａ等から選択される金属コンプレックス石けん、またはこれらの混合物が挙げられる。リチウム石けん等の単純な金属石けん系増ちょう剤では、吸水性があり、グリースが水分を含むようになり軸受に錆を発生させたり、グリースの液状化が起こりグリースが流出するおそれがある。一方、ウレア系グリースの増ちょう剤としては、ジウレア化合物、トリウレア化合物、テトラウレア化合物、ポリウレア化合物、またはこれらの混合物が挙げられる。これらの増ちょう剤は、単独または混合物として用いることができる。
【００２０】
また、金属コンプレックス石けん系グリース及びウレア系グリースの増ちょう剤量は、何れも５〜４０質量％、好ましくは１０〜３０質量％の範囲である。増ちょう剤量が５質量未満ではグリースを形成できず、４０質量％を越えるとグリースが硬くなりすぎる。
【００２１】
上記した金属コンプレックス石けん系グリース及びウレア系グリースは、必要に応じて、その何れか一方のみを用いることもできるし、両グリースを併用することもできる。得られるグリースの耐熱性、音響性を考慮すると、ウレア系グリースを用いることが望ましい。また、両グリースを併用する場合、金属コンプレックス石けん系グリースとウレア系グリースとの配合割合は、必要に応じて任意に適宜設定することができる。
【００２２】
［添加剤］
上記のフッ素系グリース及びフッ素系グリース以外のグリースにはそれぞれ、その性能を一層高めるため、必要に応じて種々の添加剤を添加することができ、中でも下記に示す添加剤が好適である。尚、添加量としては、添加量が多すぎると相対的に基油及び増ちょう剤の含有量が少なくなり、潤滑性能等に劣るようになることから、合計で混合グリース全量に対して２０質量％以下とすることが好ましい、
【００２３】
（防錆剤・金属不活性化剤）
フッ素系グリース以外のグリースには、防錆剤として、例えば有機スルホン酸のアンモニウム塩、バリウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム等アルカリ金属、アルカリ土類金属の有機スルホン酸塩、有機カルボン酸塩、フェネート、ホスフェート、アルキルもしくはアルケニルこはく酸エステル等のアルキル、アルケニルこはく酸誘導体、ソルビタンモノオレエート等の多価アルコールの部分エステル、オレオイルザルコシン等のヒドロキシ脂肪酸類、１−メルカプトステアリン酸等のメルカプト脂肪酸類あるいはその金属塩、ステアリン酸等の高級脂肪酸類あるいはそのエステル、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール等のチアゾール類、ベンズイミダゾール等のイミダゾール類やスルフィド系化合物、トリスノニルフェニルフォスファイト等のリン酸エステル類、ジラウリルチオプロピオネート等のチオカルボン酸エステル系化合物、亜硝酸塩等を使用することができる。また、金属不活性化剤として、例えばベンゾトリアゾール等のトリアゾール系化合物を使用することができる。
【００２４】
フッ素系グリースには、酸化マグネシウムや塩化チタン等の無機化合物やベンゾトリアゾール系化合物の他、パーフルオロアルキルまたはパーフルオロエーテル、パーフルオロポリエーテル構造を有し、末端官能基をアルコール変性、カルボキシル変性、イソシアネート変性したフッ素系防錆剤等を使用することができる。
【００２５】
（油性剤）
フッ素系グリース以外のグリースには、例えばオレイン酸やステアリン酸等の脂肪酸、オレイルアルコール等の脂肪酸アルコール、ポリオキシエチレンステアリン酸エステル等の脂肪酸エステル、リン酸、トリクレジルフォスフェート、ラウリル酸エステルまたはポリオキシエチレンオレイルエーテルリン酸等のリン酸エステル等を使用することができる。
【００２６】
（極圧剤・摩耗防止剤）
フッ素系グリース以外のグリースには、例えば亜鉛、モリブデン、テルル、アンチモン、セレン、鉄、銅等のジチオカルバミン酸塩、亜鉛、モリブデン、アンチモン等のジチオリン酸塩、オクチル酸鉄、ナフテン酸銅、ジブチル錫サルファイド、フェネート、ホスフェート等の有機金属化合物、ジベンジルジスルフィドやポリスルフィド、硫化油脂類、チオウレア、チオカーボネート等の硫黄系化合物、塩素化パラフィン等のハロゲン系の極圧剤、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、ＰＴＦＥ、硫化アンチモン、窒化ボウ素等の固体潤滑剤等を使用することができる。
【００２７】
［混合グリースの組成］
本発明で使用する混合グリースは、上記したフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合物であり、その配合比は目的とする耐熱性や耐水性、防錆性を考慮して適宜選択される。但し、フッ素系グリース以外のグリースとして金属コンプレックス石けん系グリース及びウレア系グリースの少なくとも一方を選択した場合、質量比にて、金属コンプレックス石けん系グリース及びウレア系グリースの少なくとも一方：フッ素系グリース＝３０〜８０：７０〜２０の割合で混合することが好ましい。７０質量％を超えてフッ素系グリースを配合すると、金属コンプレックス石けん、ウレア系グリースが少なすぎ、その中に基油として含まれる鉱油や合成油の配合率が少なくなるため、防錆剤を有効量添加できず、十分な防錆性を得ることができなくなる。しかも、フッ素系グリースが多くなるため、混合グリースの原料コストがフッ素系グリース並に高価となってしまう。一方、フッ素系グリースが２０質量％未満であると、混合グリースに十分な耐熱性を付与できず、焼付き寿命が短くなる。
【００２８】
また、混合グリース中の増ちょう剤の総量、即ち金属石けん、ウレア化合物及びフッ素樹脂の総量を１５〜３５質量％にする。混合グリース中の増ちょう剤総量が１５質量％未満であると、離油が大きいこと、せん断安定性に劣ること等から、グリース漏れが発生し、焼付き寿命が短くなる。また、３５質量％を超えると、混合グリースの流動性が大きくなり、軸受内外輪と転動体との転走面にグリースが入り込まなくなるため、焼付き寿命や、低温性に問題が出てくる。
【００２９】
［混合グリースのちょう度］
また、混合グリースのちょう度は、フッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとを混合した際、混合後に混和ちょう度１８０〜３６０（２５℃）であることが好ましい。混和ちょう度が１８０未満だと硬すぎて十分な流動性が得られず、３６０を超えると流動性が過大となり多量の水分により流出するおそれがある。
【００３０】
［混合グリースの製法］
フッ素系グリース及びフッ素系グリース以外のグリースとも、製法に関する制限はなく、何れも基油中で増ちょう剤を反応させることにより得られる。フッ素系グリースは、フッ素油にフッ素樹脂微粉末を十分に混合し、３段ロールミル等によって混練することにより得られる。また、フッ素系グリース以外のグリースは、ウレア系グリースの場合、第１の容器に半量の基油とイソシアネートとを入れて反応させるとともに、第２の容器に半量の基油とアミンとを入れて反応させ、第２の容器の内容物を第１の容器に入れて十分に攪拌混合して得られる。
【００３１】
そして、フッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとを所定の割合で配合し、ニーダやロールミル等の攪拌、混練手段で十分に攪拌、混練し、相互に均一に分散させることにより、混合グリースが得られる。この処理を行うときは、加熱するのも有効である。
【００３２】
本発明の燃料電池用転がり軸受は、上記の特定のグリースを封入したことにより、潤滑性能は勿論のこと、耐熱性、防水性、防錆性等に優れ、長寿命となる。
【００３３】
（燃料電池システム用圧送機）
本発明の燃料電池システム用圧送機は、上記本発明の転がり軸受を備える限り、その他の構成には制限がなく、例えば図２に示すインペラ型圧送機や図３に示すスクロール型圧送機を例示することができる。図２に示す圧送機は引用文献４（特開２０００−２１９２号）に記載された圧送機に相当するものであり、回転軸３１にインペラ３２が取り付けられ、この回転軸３１が本発明の転がり軸受３３ａ、３３ｂで支持されている。そして、回転軸３１の高速回転に伴ってインペラ３２が高速回転すると、水蒸気吸込み口３４から吸込まれた水蒸気がインペラ３２の遠心力で加圧され、ハウジング３５とバックプレート３６とで形成された加圧ボリュート３７を通って水蒸気吐出口３８から圧送される。また、この圧送機では、シーリング部材３９のシール性が低下してくると、水蒸気がインペラ３２の背面の背面空間４０から回転軸３１とシーリング部材３９との間隙４１を通って転がり軸受３３ａ、３３ｂに達するため、これを防ぐためのバッフル４２とブッシュ４３とが回転軸３１に付設されている。
【００３４】
また、図３に示す圧送機は引用文献３（特開２００２−７０７６２号公報）に記載された圧送機に相当するものであり、固定スクロール１１１と旋回スクロール１１２とからなる圧縮機構部１１０と、モータ主軸１２２に対して偏心して設けられたクランクピン１２２ａにより旋回スクロール１１２を旋回させるクランク機構部１５０と、モータ主軸１２２を回転させる駆動モータ部１２０とからなる。
【００３５】
固定スクロール１１１は、円盤状に形成された固定基盤１１１ａと、この固定基盤１１１ａから立設した渦巻状の旋回渦巻部１１１ｃと、この旋回渦巻部１１１ｃを覆う外周壁１１１ｂとからなる。旋回スクロール１１２は、円盤状の旋回基盤１１２ｂと、この旋回基盤１１２ｂから立設した渦巻状の旋回渦巻部１１２ａとからなる。旋回基盤１１２ｂのリア側中央には有底円筒状の凹状部１１２ｃが設けられている。固定基盤１１１ａにおける図中上下方向略中央には、固定スクロール１１１及び旋回スクロール１１２間で圧縮された空気等の吐出口１１４が設けられている。また、凹状部１１２ｃをハウジングとして針状ころ軸受１３３が凹状部１１２ｃの内周側に挿入されている。この針状ころ軸受１３３は、モータ主軸１２２のクランクピン１２２ａを回転軸として、旋回スクロール１１２を回転自在に支えている。
【００３６】
駆動モータ部１２０において、駆動モータ１２１は、モータ主軸１２２に嵌め合わされたロータ１２３と、ロータ１２３の外周側に設けられてコイル１２４を巻回されたステータ１２５とを、モータハウジング１０１内に備えてなる。モータ主軸１２２は、モータハウジング１０１に本発明の転がり軸受１０２を介して回転自在に支持されるとともに、リア側（図中右側）の端部を本発明の転がり軸受１０３を介してリアハウジング１０４に回転自在に支持されている。また、モータ主軸１２２は、転がり軸受１０２よりクランクピン１２２ａ側において、モータハウジング１０１との間にシール１０６が介在されるとともに、リア側において、リアハウジング１０４との間にシール１０７が介在されている。更に、モータ主軸１２２には、バランスウェイト１２２ｂが設けられており、バランスウェイト１２２ｂによって、旋回スクロール１１２の旋回時に生じる慣性モーメントを打ち消され、振動低減が図られている。
【００３７】
クランク機構部１５０は、旋回スクロール１１２に旋回運動を行わせる駆動クランク機構１５１、及び旋回スクロール１１２の自転を防止する従動クランク機構１５２で構成されている。従動クランク機構１５２は、旋回スクロール１１２に設けられた凹状保持部１１２ｃと、従動クランク軸１５３のクランクピン１５３ａ及びクランクピン１５３ａを旋回スクロール１１２に対して回転自在とする本発明の転がり軸受１５４とからなる。従動クランク軸１５３は、クランクピン１５３ａとは反対側を本発明の転がり軸受１５５を介してモータハウジング１０１に回転自在に支持されている。また、従動クランク軸１５３には、モータ主軸１２２と同様にバランスウェイト１５３ｂが設けられており、バランスウェイト１５３ｂによって、旋回スクロール１１２の旋回時に生じる慣性モーメントを打ち消され、振動の低減が図られている。
【００３８】
また、圧送機としては、上記に示したインペラ型圧送機やスクロール型圧送機の他にも、何れも図示は省略するが、バンケル型圧送機、楕円式マルチベーン型圧送機、偏心式マルチベーン型圧送着、ローリングピストン型圧送機、スクリュー型圧送機、斜板型圧送機、レシプロ型圧送機等が挙げられ、それぞれの回転軸の支持に本発明の転がり軸受が使用される。
【００３９】
このように構成される本発明の圧送機は、上記本発明の転がり軸受を備えることにより、耐熱性、防水性、防錆性等に優れ、長寿命となる。
【００４０】
また、図４に示すように、各転がり軸受３００の装着箇所において、ハウジングと回転軸３２０との隙間を塞ぐように、転がり軸受３００の外側にオイルシール３１０を設けることも好ましい。このオイルシール３１０により、転がり軸受３００の密封性が向上し、防水性が更に高まる。
【００４１】
（燃料電池システム）
本発明の燃料電池システムは、上記本発明の圧送機を具備する限り、その他の構成には制限が無く、例えば図５に示す固体高分子電解質型燃料電池システムや図６に示す水素タンク方式の燃料電池システムを例示することができる。図５に示す固体高分子電解質型燃料電池システムは引用文献１（特開平１１−３０７１１２号公報）に記載された燃料電池システムに相当するものであり、固体高分子電解質膜１の両面をカソード２とアノード３の両ガス拡散電極で狭持してなるセルをセパレータを介して積層して燃料電池スタックとし、更に数セルに１つずつの冷却部４を備える固体高分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３入口側に、上流側より順に改質器５、熱交換器６、シフトコンバータ７、ＣＯ除去器８をそれぞれ設置し、燃料タンク９から供給されるメタノールを、メタノール蒸発器１０を経て改質器５に導入させるようにメタノール供給ライン１１を設け、一方、水タンク１２からの水の一部を蒸気発生器１３で水蒸気にして送る水蒸気ライン１４をメタノール供給ライン１１に接続してメタノールと水蒸気とを改質器５に導入して水蒸気改質を行わせるようにすると共に、水の他の一部を、冷却用として熱交換器６とＣＯ除去器８を通過させるようにし、改質器５で改質された燃料ガスＦＧを、熱交換器６で水タンク１２からの冷却水により冷却した後、２００℃で運転されるシフトコンバータ７でシフト反応を行って、固体高分子電解質型燃料電池Ｉの触媒毒となる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度をＣＯ除去器８が処理可能な濃度（１％以下）に低減する。また、１００〜１５０℃程度で運転されるＣＯ除去器８でＣＯ除去処理された燃料ガスＦＧが加湿器１５を経て固体高分子電解質型燃料電池Ｉのアノード３へ供給する。
【００４２】
一方、固体高分子電解質型燃料電池Ｉのカソード２の入口側には、酸化剤ガスとして空気Ａをターボチャージャ１６の本発明の圧送機１７により圧縮して加湿器１５を経て供給するようにすると共に、一部を分岐してＣＯ除去器８に入れてＣＯの燃焼に用い、また、カソード２から排出されたカソード排ガスＣＧの全量と、アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧの一部とを燃焼器１９で燃焼させた後、改質器５の燃焼室に導入し、改質器５の改質室内のメタノールを改質触媒の存在下で２５０℃になるように熱を吸熱して反応させて燃料ガスＦＧに改質する。
【００４３】
また、改質器５の燃焼室より排出された排ガスは、アノード３から排出されたアノード排ガスＡＧの一部とともに燃焼器２０で燃焼させられた後にタービン１８に導いて本発明の圧送機１７を駆動させ、タービン１８から排出された排気ガスは蒸気発生器１３、メタノール蒸発器１０を通して排気ガスとして排出させる。更に、水タンク１２からの冷却水の一部は、加湿器１５を経て固体高分子電解質型燃料電池Ｉの冷却部４を通過させられ、冷却部４を通過させられた冷却水は、冷却器２１で冷却されて水タンク１２へ入れられる。また、カソード排ガスライン２２中の気水分離器２３及びアノード排ガスライン２４中の気水分離器２５で各々分離された水は、熱交換器６及びＣＯ除去器８を通過した水とともに水タンク１２に戻される。
【００４４】
また、図６に示す燃料電池システムは引用文献２（特開２００２−２３１２９４号公報）に記載された燃料電池システムに相当するものであり、図中、符号５１は、固体高分子電解質膜を間に挟んで燃料極５３と酸化剤極５５とを相互に対向配置し、更にセパレータで挟持して複数積層して構成される燃料電池スタックである。また、符号５７は加湿器であり、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、それぞれ半透膜を介して純水と隣接し、水分子が半透膜を通過することにより燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して加湿を行う。
【００４５】
水素タンク５９には水素が貯えられており、この水素は燃料調圧弁６１により調圧された後、本発明の圧送機（エゼクタ圧送機）６３、供給側水分離器６５及び加湿器５７を通り、燃料電池スタック５１に対し燃料極５３の燃料入口５３ａから供給される。燃料極５３の燃料出口５３ｂから排出される水素と水蒸気との混合ガスは、排出側水分離器６７、流路遮断弁６９を通り、本発明の圧送機（エゼクタ圧送機）６３で原燃料ガスと混合され、この混合ガスが供給側水分離器６５及び加湿器５７を経て燃料電池スタック５１の燃料極５３に循環される。また、排出側水分離器６７と流路遮断弁６９との間の配管７１には、パージ分岐部７３にて、水素をパージさせるパージ配管７５が分岐接続され、パージ配管７５にはパージガス遮断弁７７及びパージガス触媒７９がそれぞれ設けられている。
【００４６】
酸化剤としての空気は、本発明の圧送機８１によって加湿器５７を経て燃料電池スタック１の酸化剤極５５に、酸化剤入口５５ａから供給される。酸化剤極５５の酸化剤出口５５ｂから排出される排気は、水蒸気と液水を含み、水分離器８３によって液水分が分離される。水分離器８３には、水素パージ時の空気供給用の空気パージ配管８５及びパージガス遮断弁８７が設けてあり、水素パージ時にはパージガス触媒７９に空気が供給されて外部に排出される。また、空気パージ配管８５には、空気排出管８９が分岐接続され、空気排出管８９には空気調圧弁９１が設けられている。
【００４７】
更に、燃料電池スタック５１の発電状態はセンサ（図示せず）で検知され、検知信号を受けて発電状態に応じて、水素圧力及び空気圧力を燃料調圧弁５１及び空気調圧弁９１で調整するようフィードバック制御するとともに、空気流量をコンプレッサ８１の回転数により調整するようフィードバック制御する構成となっている。
【００４８】
このように構成される本発明の燃料電池システムは、上記本発明の圧送機を具備することにより長寿命となる。
【００４９】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００５０】
〔試験−１〕
（試験グリースの調製）
グリース配合を表１に示すが、パーフルオロポリエーテル油（４０℃における動粘度６０ｍｍ^２／ｓ）に、２２質量％の割合でポリテトラフルオロエチレン粉末を十分に混合し、更に同様のパーフルオロポリエーテル油に溶解した表記の防錆剤を添加し、三段ロールミルによる混練を行ってフッ素系グリースを調製した。
【００５１】
また、フッ素系グリース以外のグリースとして、ジイソシアネートを混合した基油（合成炭化水素油、エーテル油またはエステル油；動粘度は表記の通り）とアミンを混合した同様の基油とを反応させ、攪拌加熱して得られた半固体状物に、予め同様の基油に溶解した表記の防錆剤を加えて十分攪拌を行ってウレア系グリースを調製した。その際、ジウレア化合物の含有量が２５質量％となるように調整した（実施例１〜４、比較例２）。また、鉱油（４０℃における動粘度１３０ｍｍ^２／ｓ）にリチウム石けんを配合し、更に同様の鉱油に溶解した防錆剤を添加してリチウム石けん系グリースを調製した（比較例１）。
【００５２】
そして、フッ素系グリースとフッ素系グリース以外のグリースとを等量にて混合し、その後ロールミルを通すことによって試験用混合グリースを得た。尚、試験用混合グリースのちょう度は、表記の通りである。そして、得られた試験用混合グリースを試験軸受に封入し、下記に示す含水耐久試験及び防錆試験を行った。
【００５３】
【表１】

【００５４】
（含水耐久試験）
内径φ１７ｍｍ、外径φ４０ｍｍ、幅１２ｍｍの接触ゴムシール付き単列深溝玉軸受「日本精工製６２０３ＤＤ」（図１参照）に試験用混合グリースを空間容積の４０％を占めるように封入して試験軸受を作製し、図７に示す試験装置を用いて焼付き寿命を評価した。図示される試験装置は、回転用シャフト６０を一対の支持用軸受６２，６２で支持し、その中間部に試験軸受６１を装着し、更に全体を所定温度に維持できるように恒温容器（図示せず）に収容する構成となっている。試験に際し、シャフト６０を回転させて試験軸受６１を内輪回転速度２０００ｍｉｎ^−１、軸受温度１２０℃、ラジアル荷重１００Ｎ、アキシアル荷重１００Ｎの条件で連続回転させた。また、２４時間毎に回転を止めて、注射器で０．３ｍｌの水を軸受内部に注入した。そして、異常音の発生、起動不可あるいは起動から１分を経過してモータ電流値が過大となったとき、試験を終了した。結果を表１に併記した。
【００５５】
（防錆試験）
内径１７ｍｍ、外径４７ｍｍ、幅１４ｍｍのゴムシール付き深溝玉軸受に、各試験用混合グリースを空間容積の５０％を占めるように封入し、１８００ｍｉｎ^−１で３０秒間慣らし回転した。その後、この玉軸受内に、０．５質量％塩水を０．５ｍｌ注水し、再び１８００ｍｉｎ^−１で３０秒間慣らし回転した。次いで、この玉軸受を８０℃、１００％ＲＨに保持した恒湿恒温槽内に４８時間放置した後分解し、軸受軌道面の錆状況を肉眼で観察した。この防錆試験の錆評価点と錆状況は、以下に示す通りである。
＃７：錆なし
＃６：しみ錆（しみ状の微少錆）
＃５：点錆（φ０．３ｍｍ以下）
＃４：小錆（φ１．０ｍｍ以下）
＃３：中錆（φ５．０ｍｍ以下）
＃２：大錆（φ１０．０ｍｍ以下）
＃１：極大錆（ほぼ全面に錆発生）
尚、＃７〜５を良好とし、＃４〜１を不良とした。結果を表１に併記した。
【００５６】
表１より、本発明に従い、フッ素系グリースとフッ素系グリース以外のグリースとの混合グリースを封入した各実施例の試験軸受は、フッ素系グリース以外のグリースを封入した各比較例の試験軸受と比べて、焼付き寿命が大幅に改善されていることがわかる。また、防錆性能もほぼ同等であるといえる。
【００５７】
〔試験−２〕
（試験グリースの調製）
パーフルオロポリエーテル油（４０℃における動粘度６０ｍｍ^２／ｓ）に、２２質量％の割合でポリテトラフルオロエチレン粉末を十分に混合し、更に同様のパーフルオロポリエーテル油に溶解した無機系防錆剤を添加し、三段ロールミルによる混練を行ってフッ素系グリースを調製した。
【００５８】
また、フッ素系グリース以外のグリースとして、ジイソシアネートを混合したエーテル油（４０℃における動粘度１００ｍｍ^２／ｓ）とアミンを混合した同様のエーテル油とを反応させ、攪拌加熱して得られた半固体状物に、予め同様の基油に溶解した金属スルホネート塩からなる防錆剤を加えて十分攪拌を行ってウレア系グリースを調製した。その際、ジウレア化合物の含有量が２５質量％となるように調整した。
【００５９】
そして、フッ素系グリースとフッ素系グリース以外のグリースとを、両者の混合比を変えて混合し、ロールミルを通すことによって試験用混合グリースを得た。尚、試験用混合グリースのちょう度は２８５となるように調整した。また、フッ素系グリースの混合比が０のグリースとして、比較例２のグリースを用いた。
【００６０】
そして、得られた試験用混合グリースを用いて、試験−１と同様の含水耐久性試験及び防錆試験を行った。結果を図８にグラフにして示すが、フッ素系グリースの混合比が大きくなるほど焼付き寿命が長くなるが、一方で錆びが発生しやすくなる傾向にあり、フッ素系グリースの混合比が２０〜８０質量％の範囲にある混合グリースを封入することにより、焼付き寿命の改善とともに錆びの発生を抑えることができることが判る。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池システムの圧送機に組み込まれる転がり軸受の耐熱性及び耐水性が向上し、またこの転がり軸受を組み込むことにより圧送機、更には燃料電池システムを長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用転がり軸受の一例（玉軸受）を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池システム用圧送機の一例（インペラ型圧送機）を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池システム用圧送機の他の例（スクロール型圧送機）を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池システム用圧送機における転がり軸受の装着状態を模式的に示す図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの一例（固体高分子電解質型燃料電池）の全体構成を示す図である。
【図６】本発明の燃料電池システムの他の例（水素タンク方式燃料電池）の全体構成を示す図である。
【図７】実施例において、含水耐久試験に用いた試験装置を示す概略構成図である。
【図８】実施例で得られた、フッ素系グリースの配合割合と、焼付時間及び錆評価点との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１固体高分子電解質膜
２カソード
３アノード
４冷却部
５改質器
６熱交換器
７シフトコンバータ
８ＣＯ除去器
９燃料タンク
１０メタノール蒸発器
１１メタノール供給ライン
１２水タンク
１３蒸気発生器
１４水蒸気ライン
１５加湿器
１６ターボチャージャ
１７コンプレッサ
１８タービン
１９燃焼器
２０燃焼器
２１冷却器
２２カソード排ガスライン
２３気水分離器
２４アノード排ガスライン
２５気水分離器
３１回転軸
３２インペラ
３３ａ，３３ｂ転がり軸受
３４水蒸気吸込み口
３５ハウジング
３６バックプレート
３７加圧ボリュート
３８水蒸気吐出口
３９シーリング部材
４０背面空間
４１間隙
４２バッフル
４３ブッシュ
３００転がり軸受
３０１内輪
３０２外輪
３０３保持器
３０４玉
３０５シール

Claims

少なくとも、燃料電池スタック及び各種流体を輸送するための圧送機を具備する燃料電池システムの前記圧送機に組み込まれる燃料電池用転がり軸受であって、
フッ素油を基油としフッ素樹脂を増ちょう剤とするフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合グリースを封入したことを特徴とする燃料電池用転がり軸受。
少なくとも、燃料タンク、燃料蒸発器、改質器、ＣＯ除去装置、燃料電池スタック及び各種流体を輸送するための圧送機を具備する燃料電池システムの前記圧送機に組み込まれる燃料電池用転がり軸受であって、
フッ素油を基油としフッ素樹脂を増ちょう剤とするフッ素系グリースと、フッ素系グリース以外のグリースとの混合グリースを封入したことを特徴とする燃料電池用転がり軸受。
混合グリースにおいて、フッ素系グリース以外のグリースが金属コンプレックス石けん系及びウレア系グリースの少なくとも一方であり、金属コンプレックス石けん系及びウレア系グリースの少なくとも一方：フッ素系グリース＝３０〜８０：７０〜２０の混合比（質量比）で、かつ増ちょう剤の総量が該混合グリース全量の１５〜３５質量％の割合で含有されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用転がり軸受。
フッ素油の４０℃における動粘度が２０ｍｍ^２／ｓ〜４００ｍｍ^２／ｓであり、かつフッ素系グリース以外のグリースの基油の４０℃における動粘度が１０ｍｍ^２／〜４００ｍｍ^２／ｓであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用転がり軸受。
混合グリースが、添加剤を該混合グリース全量の２０質量％以下の割合で含有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用転がり軸受。
請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池用転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システム用圧送機。
請求項６に記載の燃料電池システム用圧送機を具備することを特徴とする燃料電池システム。