JP2004190812A - 針状ころ軸受、スクロール型圧縮機及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】耐スチーム性、耐薬品性及びシール性能に優れる針状ころ軸受、前記転がり軸受を備え、旋回スクロールの作動の安定化を図ったスクロール型圧縮機、前記スクロール型圧縮機を備え、長期にわたる安定した発電が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】少なくとも、外輪、針状ころ、保持器、それぞれ有機過酸化物で架橋してなるフッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体の少なくとも１種を含有するフッ素ゴム組成物と、金属製芯金とを一体化したシール装置を備える針状ころ軸受。
【選択図】 図１
【解決手段】少なくとも、外輪、針状ころ、保持器、それぞれ有機過酸化物で架橋してなるフッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体の少なくとも１種を含有するフッ素ゴム組成物と、金属製芯金とを一体化したシール装置を備える針状ころ軸受。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、針状ころ軸受、前記針状ころ軸受をクランクピンの支持部に備え、特に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圧縮機として好適なスクロール型圧縮機、並びにこのスクロール型圧縮機を具備する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機の一種であるスクロール型圧縮機は、小型で高効率であることから、家庭用エアコンや自動車用エアコン等に広く用いられているが、最近では燃料電池システムにおいて、電極間や各機器間に各種気体（水素、酸素または空気等）を水蒸気とともに圧送するためにも使用されつつある。
【０００３】
燃料電池システムとして、固体高分子電解質型燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）及び水素タンク型燃料電池システム（例えば、特許文献２参照）が代表的に知られている。固体高分子電解質型燃料電池システムでは、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。また、水素タンク型燃料電池システムでは、水素タンク、水素貯蔵合金等の水素保存手段から水素を取り出して燃料電池スタックに供給したり、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て燃料電池スタックに供給して発電を行う。そして、これら燃料電池システムでは、スクロール型圧縮機を用いて水蒸気や各種気体を電極間や機器間に供給している。
【０００４】
スクロール型圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールとを備え、旋回スクロールが固定スクロールに噛合って旋回し、気体を圧縮する。また、スクロール型圧縮機では一般に、旋回スクロールの回転をモータ主軸のクランクピンを軸として支えている。また、クランクピンは、旋回スクロールの中央部に設けられたハウジングに挿入された針状ころ軸受により支持されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
通常、スクロール型圧縮機では、針状ころ軸受にシール装置が装着されておらず、モータ主軸側の隙間にオイルシールを取り付けることでクランクピンと旋回スクロールとの間をシールしている。しかし、オイルシールは、旋回スクロールの回転に伴ってリップ部が徐々に摩耗してシール性の経時的な低下は避けられず、燃料電池システムに使用した場合、圧縮気体とともに水蒸気がクランクピン側に侵入するようになる。その結果、針状ころ軸受はシール装置を備えていないため、侵入した水蒸気により封入グリースが劣化し、潤滑状態が悪化して軸受の摩耗が起こり、旋回スクロールの安定した回転が難しくなり、スクロール型圧縮機の安定作動、ひいては燃料電池システムの発電に支障を来たすようになる。
【０００６】
そのため、針状ころ軸受にシール装置を装着することも考えられるが、針状ころ軸受の回転による温度上昇に加えて水蒸気が接触することにより、シール装置を構成するゴム部分はかなりの高温（約１８０℃）に晒され、熱劣化を起こしやすい。しかも、シール装置は水蒸気の他にも各種気体とも接触するため、ゴム部分は化学的侵蝕も受ける。
【特許文献１】
特開平１１−３０７１１２号公報 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1
【特許文献２】
特開２００２−２３１２９４号公報
【特許文献３】
特開２００２−７０７６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高いシール性能とともに、水蒸気に対する耐性（以下、「耐スチーム性」という）及び各種気体に対する耐久性（以下、「耐薬品性」という）を備える針状ころ軸受、並びに前記転がり軸受を備え、旋回スクロールの作動の安定化を図ったスクロール型圧縮機、更には前記スクロール型圧縮機を備え、長期にわたる安定した発電が可能な燃料電池システム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、本発明は、
（１）少なくとも、外輪、針状ころ、保持器及びゴムシール装置を備える針状ころ軸受において、前記ゴムシール装置が、それぞれ有機過酸化物で架橋してなるフッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体の少なくとも１種を含有するフッ素ゴム組成物と、金属製芯金とを一体化してなることを特徴とする針状ころ軸受
（２）上記（１）に記載の針状ころ軸受をクランクピンの支持部に配設したことを特徴とするスクロール型圧縮機
（３）上記（２）に記載のスクロール型圧縮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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１０】
（針状ころ軸受）
本発明において、針状ころ軸受の構造には、シール装置を備えること以外は特に制限はなく、例えば図１に断面図にて示すシェル型針状ころ軸受や図２に断面図にて示すソリッド型針状ころ軸受を例示することができる。図１に示すシェル型針状ころ軸受３０は、薄板鋼板を深絞り加工によって円筒状に成形されたシェル形外輪３１と、シェル形外輪３１の内部に配置された複数の針状ころ３２と、この針状ころ３２を保持する保持器３３とを備えており、更にシェル形外輪３１の内壁屈曲部にシール装置３５が装着されている。また、図２に示すソリッド型針状ころ軸受３０は、鋼材を削り出してなる外輪３１と、外輪３１の内部に配置された複数の針状ころ３２と、この針状ころ３２を保持する保持器３３とを備えており、更にシェル形外輪３１の内壁屈曲部にシール装置３５が装着されている。
【００１１】
本発明の針状ころ軸受は、上記のシール装置３５を、金属製の芯金３４と、後述されるフッ素ゴム組成物との一体成形品とすることを特徴とする。尚、芯金材料には制限がないが、亜鉛めっき鋼板（ＳＥＣＣ）を好適に使用できる。
【００１２】
フッ素ゴム組成物は、フッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体もしくはこれらを適宜組みわせてなる混合物を有機過酸化物を用いて架橋したフッ素系ゴムに、充填材や各種配合剤を配合したものである。これら各フッ素系ゴムは何れも、懸濁重合法、乳化重合法、溶液重合法、フリーラジカル開始剤を使用する触媒重合法、電離性放射重合法、レドックス重合法等の公知の重合法により容易に得られる。また、これらの中でも、フッ化ビニリデンを含有するフッ素系ゴムは架橋特性に優れるという利点を有する。
【００１３】
尚、上記した本発明の針状ころ軸受のシール装置３５は、燃料電池システムに使用されるスクロール型圧縮機への適用を前提としているが、燃料電池システムでは高温の水蒸気が圧縮気体とともにスクロール型圧縮機に供給されるため、シール装置３５にも耐スチーム性や耐薬品性が要求される。そこで、十分な耐スチーム性や耐薬品性を確保し、更に架橋特性を考慮すると、上記した各フッ素系ゴムにおける成分比を以下のようにすることが好ましい。
【００１４】
即ち、フッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体では、フッ化ビニリデンの割合が４５〜８５モル％、ヘキサフルオロプロピレンの割合が５５〜１５モル％であることが好ましい。フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体では、フッ化ビニリデンの割合が４５〜８０モル％、ヘキサフルオロプロピレンの割合が３０〜１０モル％、テトラフルオロプロピレンの割合が２５〜１０モル％であることが好ましい。フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体では、フッ化ビニリデンの割合が１〜３０モル％、テトラフルオロエチレンの割合が４０〜７０モル％、プロピレンの割合が３０〜６０モル％であることが好ましく、架橋特性を犠牲にして耐スチーム性や耐薬品性を優先させる場合は、フッ化ビニリデンの割合を２〜５モル％とする。テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体では、テトラフルオロエチレンの割合が４０〜７０モル％、プロピレンの割合が３０〜６０モル％であることが好ましい。また、耐スチーム性はフッ化ビニリデンの影響が大きく、フッ化ビニリデンを全く含まないテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体が好ましく、フッ化ビニリデンを含む共重合体でもその割合が少ない方が好ましい。
【００１５】
上記の各フッ素系ゴムには、架橋のための有機過酸化物及び加硫促進助剤が配合される。有機過酸化物により架橋することにより、他の架橋手段により架橋した場合に比べて耐スチーム性が向上する。有機過酸化物としては、ジクミルパーオキサイド、２，５−ジメエチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、ベンゾイルパーオキサイド、１，３−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）−ジイソプロピルベンゼン等が挙げられ、フッ素系ゴム１００重量部に対し５〜１０重量部配合する。加硫促進助剤としては不飽和多官能性化合物を使用でき、具体的にはトリアリルイソシアヌレート、トリアリルシヌレート等の多アリル化合物、トリメチロールプロパントリメクリレート等のメタクリレート化合物をフッ素系ゴム１００重量部に対して０．５〜１０重量部配合する。また、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体では、マグネシウム、カルシウム、鉛、亜鉛等の２価の金属の水酸化物や金属酸化物を加硫促進助剤と併用することができ、フッ素系ゴム１００重量部に対して１〜２０重量部配合する。
【００１６】
また、架橋特性を高めるために、フッ素系ゴムによっては架橋に先立ち変性してもよく、例えば、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体では、ポリマーの主鎖に脱フッ化水素により炭素−炭素二重結合を導入したり、ヨウ素または臭素含有のモノマーを共重合させることができる。このとき、有機オニウム化合物を併用すると脱フッ化水素反応が促進される。有機オニウム化合物としては炭素数１〜２０の脂肪酸４級アンモニウム硫酸水素塩が好ましく、具体的には硫酸水素テトラブチルアンモニウム、硫酸水素テトラメチルアンモニウム、硫酸水素テトラエチルアンモニウム、硫酸水素トリドデシルメチルアンモニウム、硫酸水素トリメチルベンジルアンモニウム等が挙げられ、フッ素系ゴム１００重量部に対して０．３〜５重量部配合する。また、テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体でも、ヨウ素または臭素含有のモノマーを共重合させることにより架橋特性が向上する。
【００１７】
上記各フッ素系ゴムには、補強のために充填材が好適に配合される。充填材としてはカーボンブラック、タルク、ウォラストナイト、ミストロンペーパー、シリカ、クレー等が挙げられるが、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体では、酸性のシリカ及びクレーは架橋を遅延させるため好ましくない。これら充填材は、フッ素系ゴム１００重量部に対して２０〜７０重量部の割合で配合することが好ましい。
【００１８】
シール装置３５は、金属製の芯金を装着した金型に上記配合のフッ素ゴム組成物を充填し、熱プレスすることにより得られる。このとき、芯金にはシラン系接着剤を焼き付けておくことが好ましい。
【００１９】
得られたシール装置３５において、密封性や追従性から、ゴム部分の硬度が、デュロメータＡスケールで測定した硬度で６０〜９０の範囲であることが好ましい。このスプリング硬度が６０未満ではリップ部が必要以上に変形して摩擦抵抗が高まり、結果として軸受としてのトルクが大きくなる。一方、スプリング硬度が９０を越えるとゴム弾性が低下してリップ部の追従性が悪くなり、密封性が悪化する。リップ部の変形度合やゴム弾性を特に好ましい状態に維持するためには、スプリング硬度で７０〜８０の範囲とする。
【００２０】
また、回転運動に速やかに追従し、リップ部の損傷を引き起こさないためには、ゴム部分が上記の硬度以外にも引張破断伸びが２００％以上で、尚且つ引張破断強さが１３ＭＰａ以上の機械的強度を有することが必要である。
【００２１】
更に、シール装置３５には、高速回転時の発熱防止、低トルク化、耐摩耗性向上を目的として少なくともリップ部の表面に硬質炭素被膜を成膜することもできる。硬質炭素被膜の成膜方法としては、炭化水素ガスをパルス的（断続的）に発生させたプラズマで分解して成膜するプラズマＣＶＤ法、炭素または炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、プラズマイオン注入法等を挙げることができる。中でも、プラズマイオン注入法によれば、成膜された硬質炭素被膜とゴム表面と間に傾斜組成の層が介在し、両者の密着性が高まるため好ましい。
【００２２】
プラズマイオン注入法による成膜方法の一例を示すと、先ず、アルゴンとメタンとの混合ガスプラズマ中で中電圧パルス（例えば−５ｋＶ〜−１０ｋＶ）で表面スパッタを行い、ゴム表面のクリーニングを行う。次いで、高電圧パルス（例えば−１５ｋＶ〜−３５ｋＶ）にてメタンガスプラズマによりイオン注入し、０．１μｍ程度のカーボンミキシング傾斜層を形成する。次いで、イオン注入電圧を維持してアセチレンガスプラズマに晒し、先に注入した炭素単原子とアセチレンガスに由良する直鎖状炭化水素とのバインディングを行う。次いで、イオン加速電圧を低く（例えば、−２ｋＶ〜−５ｋＶ）するとともに、プラズマガス圧を高くし（例えば０．５〜２Ｐａ）、パルス繰り返し数を可能な限り多く（例えば２０００〜１００００ｐｐｓ）して成膜を続ける。更に、必要に応じて、窒素や炭素等のイオン注入やアルゴンによる表面トリートメントを行う。このようして得られる硬質炭素被膜の膜厚は０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍが好ましい。更に、成膜時間やガス圧の制御等から１〜３μｍとすることが特に好ましい。膜厚が０．５μｍより薄い場合は、部分的にゴム表面が露出し、耐摩耗性等の改善が不十分となり好ましくない。これに対して膜厚が１０μｍよりも厚くなると、硬質炭素被膜の内部応力が増大して自己破壊が発生しやすくなり、結果的に耐磨耗性等の改善効果が長続きしなくなり、好ましくない。
【００２３】
本発明の針状ころ軸受は上記の如く構成されるが、潤滑のために潤滑剤が充填される。潤滑剤は用途に応じて適宜設定されるが、燃料電池システム用スクロール型圧縮機では、上述のように高温の水蒸気と接触することから、パーフルオロポリエーテルを基油とし、テトラフルオロエチレンを増ちょう剤とするフッ素系グリースを好適に使用することができる。但し、フッ素系グリースは炭化水素系グリースに比べて潤滑性に劣るため、それを補うために、摩耗防止剤として、一端にカルボキシル基を有するパーフルオロポリエーテルカルボン酸を０．５〜１０重量％の割合で含有させると更に好適である。
【００２４】
更に、燃料電池システム用スクロール型圧縮機に使用することを考慮すると、外輪や保持器，針状ころの材質として、耐食性に優れるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス、ＳＵＳ４１０等のマルテンサイト系ステンレス、チタンの他、一般的な軸受鋼あるいは前記のステンレスにクロム−ニッケル、ニッケル−タングステン等の耐食めっきを施した材料を用いることが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるために更に浸炭や窒化処理を施してもよい。尚、保持器については、これら材料に加えて、高速回転時の耐焼付き性を考慮して、強化繊維入りのポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂製とすることもできる。
【００２５】
（スクロール型圧縮機）
本発明は、上記針状ころ軸受を組み込んだスクロール型圧縮機を提供する。図３は、スクロール型圧縮機の一例を示す断面図である。図示されるスクロール型圧縮機１００は、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１３０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。
【００２６】
クランク機構部１３０は、旋回スクロール１１２の自転を防止する自転防止機構１３２が配設されている。自転防止機構１３２には、図示されるボールカップリング１３４の他にもオルダムカップリングやピン＆リングカップリング等がある。また、自転防止機構１３２としては、特開２００２−７０７６２号公報に開示されているような転がり軸受を用いたクランク機構が知られている。
【００２７】
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５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。
【００２８】
凹状部１１２ｃをハウジングとして、上記した本発明の針状ころ軸受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。
【００２９】
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。
【００３０】
モータ主軸１２２は、モータハウジング１０１に転がり軸受１０２を介して回転自在に支持されるとともに、リア側（図３中右側）の端部を転がり軸受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。
【００３１】
このスクロール型圧縮機１００では、駆動モータ１２１に電力が供給されると、モータ主軸１２２が回転し、その回転が駆動クランク機構１３０を介して旋回スクロール１１２に伝達される。旋回スクロール１１２は、モータ主軸１２２の回転に伴って、固定スクロール１１１と噛み合いつつ旋回し、図示しない吸入口から固定スクロール１１１との間に各種気体を吸入するとともに、固定スクロール１１１との間で圧縮させる。
【００３２】
上記の如く構成されるスクロール型圧縮機１００では、シール１０６のシール性が低下してクランクピン１２２ａ側に気体が侵入しても、針状ころ軸受１３３のシール装置により軸受内部への気体の侵入を阻止する。しかも、上述したように針状ころ軸受のシール装置は耐スチーム性等に優れるため、燃料電池システムに使用した場合でも水蒸気の侵入に対して十分有効であり、安定した作動を長期にわたり維持できる。
【００３３】
（燃料電池システム）
本発明は、上記スクロール型圧縮機を備える燃料電池システムを提供する。図４は、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の一例を示す構成図である。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）に低減するようにする。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へ供給するようにしてある。
【００３４】
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のコンプレッサ１７で圧縮して加湿器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の燃焼に用いるようにしてあり、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に改質するようにしてある。
【００３５】
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に導いてコンプレッサ１７を駆動させるようにし、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ようにしてある。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を通過させられるようにしてあり、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へ入れられるようにしてあり、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へ戻されるようにしてある。
【００３６】
また、燃料電池システムとして水素タンク方式も知られており、例えば図５に示すようなシステム構成のものが知られている。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ものである。
【００３７】
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、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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
酸化剤としての空気は、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。
【００４０】
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。
【００４１】
本発明では、図４に示した固体高分子電解質型燃料電池システムのコンプレッサ１７並びに図５に示した水素タンク型燃料電池システムのエゼクタ圧送機６３として上記したスクロール型圧縮機を用いる。上述したように、本発明のスクロール型圧縮機は、水蒸気がクランクピン側に進入した場合でも針状ころ軸受の内部にまでこの水蒸気が侵入することがなく、長期にわたり安定に作動するため、燃料電池システムも長期にわたり安定した発電が可能になる。
【００４２】
【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。
【００４３】
（実施例１〜３、比較例１）
表１に示す配合にて、下記（１）〜（３）に示す工程によりフッ素ゴム組成物を調製し、更に試験用シートを作製した。
（１）素練り工程：表１に示す架橋剤、加硫促進助剤以外の材料をバンバリーミキサーに投入し、ミキサー温度８０℃で素練りを行った。
（２）混練り工程：素練りした材料をバンバリーミキサーから取り出し、ゴム混練用の２本ロールに投入した。ロール温度を５０℃に制御しながら表１に示す架橋剤、加硫促進助剤を投入し、均一になるまで切り替えし操作を行った後、シート状にした。
（３）加硫工程：１７０℃に加熱したホットプレスに厚さ２ｍｍ用のシート加硫金型を装着し、そこに混練り工程で得られた前記シートを載置した。そして、２０分間加熱して、縦１５０ｍｍ，横１５０ｍｍ，厚さ２ｍｍの加硫されたゴムシートを得て試験用シートとした。
【００４４】
また、これらの試験用シートには、下記の条件（温度及び時間）で加熱することにより２次加硫を施した。
・実施例１：２００℃／４時間
・実施例２：２００℃／４時間
・実施例３：１８０℃／４時間
・比較例１：２３０℃／１５時間
【００４５】
【表１】
【００４６】
尚、表１中の各材料は以下の通りである。
・フッ素系ゴムＡ：フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体（フッ化ビニリデン量＝２〜５モル％、加硫促進剤内添）、旭硝子株式会社製「ＡＦＬＡＳ ＳＰ」
・フッ素系ゴムＢ：テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体、旭硝子株式会社製「ＡＦＬＡＳ １５０Ｐ」
・フッ素系ゴムＣ：フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体（パーオキサイド加硫系）、ダイキン工業株式会社製「ダイエルＧ−８０１」
・フッ素系ゴムＤ：フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体（ポリオール加硫系）、ダイキン工業株式会社製「ダイエルＧ−７０１」
・補強材：ＭＴカーボンブラック、Ｒ．Ｔ．Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ Ｃｏ．Ｉｎｃ．製「Ｔｈｅｒｍａｘ Ｎ−９９０」
・架橋剤：１，３−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）−ジイソプロピルベンゼン、日本油脂株式会社製「パーブチルＰ」
・加硫促進助剤Ａ：ＭｇＯ、協和化学工業株式会社製「キョーワマグ３０」
・加硫促進助剤Ｂ：Ｃａ（ＯＨ）2 、Ｒｈｅｉｎ Ｃｈｅｍｉｅ製「Ｒｈｅｎｏｆｉｔ ＣＦ」
・加硫促進助剤Ｃ：トリアリルイソシアヌレート、日本化成株式会社「ＴＡＩＣ」
・加硫促進助剤Ｄ：ステアリン酸ナトリウム、和光純薬工業株式会社製「ステアリン酸ナトリウム」
【００４７】
そして、各試験用シートについて、下記に示す各種物性を測定した。結果を表２に示す。
（ａ）硬さ試験
得られた試験用シートをＪＩＳ３号試験片の形状に打ち抜き、それを３枚重ねて、ＪＩＳ Ｋ６３０１に基づいて硬さを測定した。
（ｂ）引張試験
ＪＩＳ３号試験片について万能型試験機により引張試験を行い、破断する引張強さ及び引張り伸びを測定した。
（ｃ）体積変化率
オートクレーブ中でＪＩＳ３号試験片を水蒸気雰囲気にて１８０℃、３日間放置した後、体積変化率を測定した。
【００４８】
【表２】
【００４９】
表２に示すように、本発明に従うフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体（実施例１）、テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体（実施例２）、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体（実施例３）を有機過酸化物架橋した試験用シートは、引張破断強さ、引張破断伸びに優れるとともに、シール材として適度の硬さを有し、更には体積変化率も小さく耐スチーム性にも優れることがわかる。これに対し、フッ素系ゴムとしてフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体を用いてもポリオール架橋した場合（比較例１）は、体積膨張率が大きく、引張破断強さ及び引張破断伸びも実施例に比べると低い。また、実施例２のフッ化ビニリデンを含まないテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体及び実施例１のフッ化ビニリデンの割合が少ないフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体を用いた試験シートは、体積変化率も小さくなっている。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特定のフッ素ゴムを有機過酸化物架橋したフッ素ゴム組成物をシール材料に用いたことにより、耐スチーム性に優れたシール装置が得られ、これを備える針状ころ軸受は特に燃料電池システムに使用されるスクロール型圧縮機に好適で、クランクピン側に水蒸気が侵入した場合でも安定した作動が確保される。また、本発明のスクロール型圧縮機を具備する燃料電池システムも長期にわたる安定した発電が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る針状ころ軸受の一例（シェル型）を示す断面図である。
【図２】本発明に係る針状ころ軸受の他の例（ソリッド型）を示す断面図である。
【図３】本発明に係るスクロール型圧縮機の一例を示す断面図である。
【図４】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５】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。
【符号の説明】
１ 固体高分子電解質膜
５ 改質器
６ 熱交換器
７ シフトコンバータ
８ ＣＯ除去器
９ 燃料タンク
１０ メタノール蒸発器
１２ 水タンク
１３ 蒸気発生器
１５ 加湿器
１６ ターボチャージャ
１７ コンプレッサ
１９ 燃焼器
２０ 燃焼器
２１ 冷却器
２３ 気水分離器
２５ 気水分離器
３１ 外輪
３２ 針状ころ
３３ 保持器
３４ 芯金
３５ シール装置
１００ スクロール型圧縮機
１０６ オイルシール
１１０ 圧縮機構部
１１１ 固定スクロール
１１２ 旋回スクロール
１２０ 駆動モータ部
１２２ モータ主軸
１２２ａ クランクピン
１３０ クランク機構部
１３３ 針状ころ軸受
【発明の属する技術分野】
本発明は、針状ころ軸受、前記針状ころ軸受をクランクピンの支持部に備え、特に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圧縮機として好適なスクロール型圧縮機、並びにこのスクロール型圧縮機を具備する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機の一種であるスクロール型圧縮機は、小型で高効率であることから、家庭用エアコンや自動車用エアコン等に広く用いられているが、最近では燃料電池システムにおいて、電極間や各機器間に各種気体（水素、酸素または空気等）を水蒸気とともに圧送するためにも使用されつつある。
【０００３】
燃料電池システムとして、固体高分子電解質型燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）及び水素タンク型燃料電池システム（例えば、特許文献２参照）が代表的に知られている。固体高分子電解質型燃料電池システムでは、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。また、水素タンク型燃料電池システムでは、水素タンク、水素貯蔵合金等の水素保存手段から水素を取り出して燃料電池スタックに供給したり、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て燃料電池スタックに供給して発電を行う。そして、これら燃料電池システムでは、スクロール型圧縮機を用いて水蒸気や各種気体を電極間や機器間に供給している。
【０００４】
スクロール型圧縮機は、固定スクロールと旋回スクロールとを備え、旋回スクロールが固定スクロールに噛合って旋回し、気体を圧縮する。また、スクロール型圧縮機では一般に、旋回スクロールの回転をモータ主軸のクランクピンを軸として支えている。また、クランクピンは、旋回スクロールの中央部に設けられたハウジングに挿入された針状ころ軸受により支持されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
通常、スクロール型圧縮機では、針状ころ軸受にシール装置が装着されておらず、モータ主軸側の隙間にオイルシールを取り付けることでクランクピンと旋回スクロールとの間をシールしている。しかし、オイルシールは、旋回スクロールの回転に伴ってリップ部が徐々に摩耗してシール性の経時的な低下は避けられず、燃料電池システムに使用した場合、圧縮気体とともに水蒸気がクランクピン側に侵入するようになる。その結果、針状ころ軸受はシール装置を備えていないため、侵入した水蒸気により封入グリースが劣化し、潤滑状態が悪化して軸受の摩耗が起こり、旋回スクロールの安定した回転が難しくなり、スクロール型圧縮機の安定作動、ひいては燃料電池システムの発電に支障を来たすようになる。
【０００６】
そのため、針状ころ軸受にシール装置を装着することも考えられるが、針状ころ軸受の回転による温度上昇に加えて水蒸気が接触することにより、シール装置を構成するゴム部分はかなりの高温（約１８０℃）に晒され、熱劣化を起こしやすい。しかも、シール装置は水蒸気の他にも各種気体とも接触するため、ゴム部分は化学的侵蝕も受ける。
【特許文献１】
特開平１１−３０７１１２号公報 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1 HTMLCONTROL Forms.HTML:Hidden.1
【特許文献２】
特開２００２−２３１２９４号公報
【特許文献３】
特開２００２−７０７６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高いシール性能とともに、水蒸気に対する耐性（以下、「耐スチーム性」という）及び各種気体に対する耐久性（以下、「耐薬品性」という）を備える針状ころ軸受、並びに前記転がり軸受を備え、旋回スクロールの作動の安定化を図ったスクロール型圧縮機、更には前記スクロール型圧縮機を備え、長期にわたる安定した発電が可能な燃料電池システム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、本発明は、
（１）少なくとも、外輪、針状ころ、保持器及びゴムシール装置を備える針状ころ軸受において、前記ゴムシール装置が、それぞれ有機過酸化物で架橋してなるフッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体の少なくとも１種を含有するフッ素ゴム組成物と、金属製芯金とを一体化してなることを特徴とする針状ころ軸受
（２）上記（１）に記載の針状ころ軸受をクランクピンの支持部に配設したことを特徴とするスクロール型圧縮機
（３）上記（２）に記載のスクロール型圧縮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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１０】
（針状ころ軸受）
本発明において、針状ころ軸受の構造には、シール装置を備えること以外は特に制限はなく、例えば図１に断面図にて示すシェル型針状ころ軸受や図２に断面図にて示すソリッド型針状ころ軸受を例示することができる。図１に示すシェル型針状ころ軸受３０は、薄板鋼板を深絞り加工によって円筒状に成形されたシェル形外輪３１と、シェル形外輪３１の内部に配置された複数の針状ころ３２と、この針状ころ３２を保持する保持器３３とを備えており、更にシェル形外輪３１の内壁屈曲部にシール装置３５が装着されている。また、図２に示すソリッド型針状ころ軸受３０は、鋼材を削り出してなる外輪３１と、外輪３１の内部に配置された複数の針状ころ３２と、この針状ころ３２を保持する保持器３３とを備えており、更にシェル形外輪３１の内壁屈曲部にシール装置３５が装着されている。
【００１１】
本発明の針状ころ軸受は、上記のシール装置３５を、金属製の芯金３４と、後述されるフッ素ゴム組成物との一体成形品とすることを特徴とする。尚、芯金材料には制限がないが、亜鉛めっき鋼板（ＳＥＣＣ）を好適に使用できる。
【００１２】
フッ素ゴム組成物は、フッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体もしくはこれらを適宜組みわせてなる混合物を有機過酸化物を用いて架橋したフッ素系ゴムに、充填材や各種配合剤を配合したものである。これら各フッ素系ゴムは何れも、懸濁重合法、乳化重合法、溶液重合法、フリーラジカル開始剤を使用する触媒重合法、電離性放射重合法、レドックス重合法等の公知の重合法により容易に得られる。また、これらの中でも、フッ化ビニリデンを含有するフッ素系ゴムは架橋特性に優れるという利点を有する。
【００１３】
尚、上記した本発明の針状ころ軸受のシール装置３５は、燃料電池システムに使用されるスクロール型圧縮機への適用を前提としているが、燃料電池システムでは高温の水蒸気が圧縮気体とともにスクロール型圧縮機に供給されるため、シール装置３５にも耐スチーム性や耐薬品性が要求される。そこで、十分な耐スチーム性や耐薬品性を確保し、更に架橋特性を考慮すると、上記した各フッ素系ゴムにおける成分比を以下のようにすることが好ましい。
【００１４】
即ち、フッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体では、フッ化ビニリデンの割合が４５〜８５モル％、ヘキサフルオロプロピレンの割合が５５〜１５モル％であることが好ましい。フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体では、フッ化ビニリデンの割合が４５〜８０モル％、ヘキサフルオロプロピレンの割合が３０〜１０モル％、テトラフルオロプロピレンの割合が２５〜１０モル％であることが好ましい。フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体では、フッ化ビニリデンの割合が１〜３０モル％、テトラフルオロエチレンの割合が４０〜７０モル％、プロピレンの割合が３０〜６０モル％であることが好ましく、架橋特性を犠牲にして耐スチーム性や耐薬品性を優先させる場合は、フッ化ビニリデンの割合を２〜５モル％とする。テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体では、テトラフルオロエチレンの割合が４０〜７０モル％、プロピレンの割合が３０〜６０モル％であることが好ましい。また、耐スチーム性はフッ化ビニリデンの影響が大きく、フッ化ビニリデンを全く含まないテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体が好ましく、フッ化ビニリデンを含む共重合体でもその割合が少ない方が好ましい。
【００１５】
上記の各フッ素系ゴムには、架橋のための有機過酸化物及び加硫促進助剤が配合される。有機過酸化物により架橋することにより、他の架橋手段により架橋した場合に比べて耐スチーム性が向上する。有機過酸化物としては、ジクミルパーオキサイド、２，５−ジメエチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、ベンゾイルパーオキサイド、１，３−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）−ジイソプロピルベンゼン等が挙げられ、フッ素系ゴム１００重量部に対し５〜１０重量部配合する。加硫促進助剤としては不飽和多官能性化合物を使用でき、具体的にはトリアリルイソシアヌレート、トリアリルシヌレート等の多アリル化合物、トリメチロールプロパントリメクリレート等のメタクリレート化合物をフッ素系ゴム１００重量部に対して０．５〜１０重量部配合する。また、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体では、マグネシウム、カルシウム、鉛、亜鉛等の２価の金属の水酸化物や金属酸化物を加硫促進助剤と併用することができ、フッ素系ゴム１００重量部に対して１〜２０重量部配合する。
【００１６】
また、架橋特性を高めるために、フッ素系ゴムによっては架橋に先立ち変性してもよく、例えば、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体では、ポリマーの主鎖に脱フッ化水素により炭素−炭素二重結合を導入したり、ヨウ素または臭素含有のモノマーを共重合させることができる。このとき、有機オニウム化合物を併用すると脱フッ化水素反応が促進される。有機オニウム化合物としては炭素数１〜２０の脂肪酸４級アンモニウム硫酸水素塩が好ましく、具体的には硫酸水素テトラブチルアンモニウム、硫酸水素テトラメチルアンモニウム、硫酸水素テトラエチルアンモニウム、硫酸水素トリドデシルメチルアンモニウム、硫酸水素トリメチルベンジルアンモニウム等が挙げられ、フッ素系ゴム１００重量部に対して０．３〜５重量部配合する。また、テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体でも、ヨウ素または臭素含有のモノマーを共重合させることにより架橋特性が向上する。
【００１７】
上記各フッ素系ゴムには、補強のために充填材が好適に配合される。充填材としてはカーボンブラック、タルク、ウォラストナイト、ミストロンペーパー、シリカ、クレー等が挙げられるが、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体では、酸性のシリカ及びクレーは架橋を遅延させるため好ましくない。これら充填材は、フッ素系ゴム１００重量部に対して２０〜７０重量部の割合で配合することが好ましい。
【００１８】
シール装置３５は、金属製の芯金を装着した金型に上記配合のフッ素ゴム組成物を充填し、熱プレスすることにより得られる。このとき、芯金にはシラン系接着剤を焼き付けておくことが好ましい。
【００１９】
得られたシール装置３５において、密封性や追従性から、ゴム部分の硬度が、デュロメータＡスケールで測定した硬度で６０〜９０の範囲であることが好ましい。このスプリング硬度が６０未満ではリップ部が必要以上に変形して摩擦抵抗が高まり、結果として軸受としてのトルクが大きくなる。一方、スプリング硬度が９０を越えるとゴム弾性が低下してリップ部の追従性が悪くなり、密封性が悪化する。リップ部の変形度合やゴム弾性を特に好ましい状態に維持するためには、スプリング硬度で７０〜８０の範囲とする。
【００２０】
また、回転運動に速やかに追従し、リップ部の損傷を引き起こさないためには、ゴム部分が上記の硬度以外にも引張破断伸びが２００％以上で、尚且つ引張破断強さが１３ＭＰａ以上の機械的強度を有することが必要である。
【００２１】
更に、シール装置３５には、高速回転時の発熱防止、低トルク化、耐摩耗性向上を目的として少なくともリップ部の表面に硬質炭素被膜を成膜することもできる。硬質炭素被膜の成膜方法としては、炭化水素ガスをパルス的（断続的）に発生させたプラズマで分解して成膜するプラズマＣＶＤ法、炭素または炭化水素イオンを用いるイオンビーム蒸着法、プラズマイオン注入法等を挙げることができる。中でも、プラズマイオン注入法によれば、成膜された硬質炭素被膜とゴム表面と間に傾斜組成の層が介在し、両者の密着性が高まるため好ましい。
【００２２】
プラズマイオン注入法による成膜方法の一例を示すと、先ず、アルゴンとメタンとの混合ガスプラズマ中で中電圧パルス（例えば−５ｋＶ〜−１０ｋＶ）で表面スパッタを行い、ゴム表面のクリーニングを行う。次いで、高電圧パルス（例えば−１５ｋＶ〜−３５ｋＶ）にてメタンガスプラズマによりイオン注入し、０．１μｍ程度のカーボンミキシング傾斜層を形成する。次いで、イオン注入電圧を維持してアセチレンガスプラズマに晒し、先に注入した炭素単原子とアセチレンガスに由良する直鎖状炭化水素とのバインディングを行う。次いで、イオン加速電圧を低く（例えば、−２ｋＶ〜−５ｋＶ）するとともに、プラズマガス圧を高くし（例えば０．５〜２Ｐａ）、パルス繰り返し数を可能な限り多く（例えば２０００〜１００００ｐｐｓ）して成膜を続ける。更に、必要に応じて、窒素や炭素等のイオン注入やアルゴンによる表面トリートメントを行う。このようして得られる硬質炭素被膜の膜厚は０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍが好ましい。更に、成膜時間やガス圧の制御等から１〜３μｍとすることが特に好ましい。膜厚が０．５μｍより薄い場合は、部分的にゴム表面が露出し、耐摩耗性等の改善が不十分となり好ましくない。これに対して膜厚が１０μｍよりも厚くなると、硬質炭素被膜の内部応力が増大して自己破壊が発生しやすくなり、結果的に耐磨耗性等の改善効果が長続きしなくなり、好ましくない。
【００２３】
本発明の針状ころ軸受は上記の如く構成されるが、潤滑のために潤滑剤が充填される。潤滑剤は用途に応じて適宜設定されるが、燃料電池システム用スクロール型圧縮機では、上述のように高温の水蒸気と接触することから、パーフルオロポリエーテルを基油とし、テトラフルオロエチレンを増ちょう剤とするフッ素系グリースを好適に使用することができる。但し、フッ素系グリースは炭化水素系グリースに比べて潤滑性に劣るため、それを補うために、摩耗防止剤として、一端にカルボキシル基を有するパーフルオロポリエーテルカルボン酸を０．５〜１０重量％の割合で含有させると更に好適である。
【００２４】
更に、燃料電池システム用スクロール型圧縮機に使用することを考慮すると、外輪や保持器，針状ころの材質として、耐食性に優れるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のオーステナイト系ステンレス、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス、ＳＵＳ４１０等のマルテンサイト系ステンレス、チタンの他、一般的な軸受鋼あるいは前記のステンレスにクロム−ニッケル、ニッケル−タングステン等の耐食めっきを施した材料を用いることが好ましい。また、耐摩耗性を向上させるために更に浸炭や窒化処理を施してもよい。尚、保持器については、これら材料に加えて、高速回転時の耐焼付き性を考慮して、強化繊維入りのポリフェニレンサルファイド等の合成樹脂製とすることもできる。
【００２５】
（スクロール型圧縮機）
本発明は、上記針状ころ軸受を組み込んだスクロール型圧縮機を提供する。図３は、スクロール型圧縮機の一例を示す断面図である。図示されるスクロール型圧縮機１００は、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１３０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。
【００２６】
クランク機構部１３０は、旋回スクロール１１２の自転を防止する自転防止機構１３２が配設されている。自転防止機構１３２には、図示されるボールカップリング１３４の他にもオルダムカップリングやピン＆リングカップリング等がある。また、自転防止機構１３２としては、特開２００２−７０７６２号公報に開示されているような転がり軸受を用いたクランク機構が知られている。
【００２７】
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５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。
【００２８】
凹状部１１２ｃをハウジングとして、上記した本発明の針状ころ軸受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。
【００２９】
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。
【００３０】
モータ主軸１２２は、モータハウジング１０１に転がり軸受１０２を介して回転自在に支持されるとともに、リア側（図３中右側）の端部を転がり軸受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。
【００３１】
このスクロール型圧縮機１００では、駆動モータ１２１に電力が供給されると、モータ主軸１２２が回転し、その回転が駆動クランク機構１３０を介して旋回スクロール１１２に伝達される。旋回スクロール１１２は、モータ主軸１２２の回転に伴って、固定スクロール１１１と噛み合いつつ旋回し、図示しない吸入口から固定スクロール１１１との間に各種気体を吸入するとともに、固定スクロール１１１との間で圧縮させる。
【００３２】
上記の如く構成されるスクロール型圧縮機１００では、シール１０６のシール性が低下してクランクピン１２２ａ側に気体が侵入しても、針状ころ軸受１３３のシール装置により軸受内部への気体の侵入を阻止する。しかも、上述したように針状ころ軸受のシール装置は耐スチーム性等に優れるため、燃料電池システムに使用した場合でも水蒸気の侵入に対して十分有効であり、安定した作動を長期にわたり維持できる。
【００３３】
（燃料電池システム）
本発明は、上記スクロール型圧縮機を備える燃料電池システムを提供する。図４は、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の一例を示す構成図である。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）に低減するようにする。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へ供給するようにしてある。
【００３４】
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のコンプレッサ１７で圧縮して加湿器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の燃焼に用いるようにしてあり、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に改質するようにしてある。
【００３５】
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に導いてコンプレッサ１７を駆動させるようにし、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ようにしてある。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を通過させられるようにしてあり、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へ入れられるようにしてあり、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へ戻されるようにしてある。
【００３６】
また、燃料電池システムとして水素タンク方式も知られており、例えば図５に示すようなシステム構成のものが知られている。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ものである。
【００３７】
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、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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
酸化剤としての空気は、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。
【００４０】
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。
【００４１】
本発明では、図４に示した固体高分子電解質型燃料電池システムのコンプレッサ１７並びに図５に示した水素タンク型燃料電池システムのエゼクタ圧送機６３として上記したスクロール型圧縮機を用いる。上述したように、本発明のスクロール型圧縮機は、水蒸気がクランクピン側に進入した場合でも針状ころ軸受の内部にまでこの水蒸気が侵入することがなく、長期にわたり安定に作動するため、燃料電池システムも長期にわたり安定した発電が可能になる。
【００４２】
【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。
【００４３】
（実施例１〜３、比較例１）
表１に示す配合にて、下記（１）〜（３）に示す工程によりフッ素ゴム組成物を調製し、更に試験用シートを作製した。
（１）素練り工程：表１に示す架橋剤、加硫促進助剤以外の材料をバンバリーミキサーに投入し、ミキサー温度８０℃で素練りを行った。
（２）混練り工程：素練りした材料をバンバリーミキサーから取り出し、ゴム混練用の２本ロールに投入した。ロール温度を５０℃に制御しながら表１に示す架橋剤、加硫促進助剤を投入し、均一になるまで切り替えし操作を行った後、シート状にした。
（３）加硫工程：１７０℃に加熱したホットプレスに厚さ２ｍｍ用のシート加硫金型を装着し、そこに混練り工程で得られた前記シートを載置した。そして、２０分間加熱して、縦１５０ｍｍ，横１５０ｍｍ，厚さ２ｍｍの加硫されたゴムシートを得て試験用シートとした。
【００４４】
また、これらの試験用シートには、下記の条件（温度及び時間）で加熱することにより２次加硫を施した。
・実施例１：２００℃／４時間
・実施例２：２００℃／４時間
・実施例３：１８０℃／４時間
・比較例１：２３０℃／１５時間
【００４５】
【表１】
尚、表１中の各材料は以下の通りである。
・フッ素系ゴムＡ：フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体（フッ化ビニリデン量＝２〜５モル％、加硫促進剤内添）、旭硝子株式会社製「ＡＦＬＡＳ ＳＰ」
・フッ素系ゴムＢ：テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体、旭硝子株式会社製「ＡＦＬＡＳ １５０Ｐ」
・フッ素系ゴムＣ：フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体（パーオキサイド加硫系）、ダイキン工業株式会社製「ダイエルＧ−８０１」
・フッ素系ゴムＤ：フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体（ポリオール加硫系）、ダイキン工業株式会社製「ダイエルＧ−７０１」
・補強材：ＭＴカーボンブラック、Ｒ．Ｔ．Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ Ｃｏ．Ｉｎｃ．製「Ｔｈｅｒｍａｘ Ｎ−９９０」
・架橋剤：１，３−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）−ジイソプロピルベンゼン、日本油脂株式会社製「パーブチルＰ」
・加硫促進助剤Ａ：ＭｇＯ、協和化学工業株式会社製「キョーワマグ３０」
・加硫促進助剤Ｂ：Ｃａ（ＯＨ）2 、Ｒｈｅｉｎ Ｃｈｅｍｉｅ製「Ｒｈｅｎｏｆｉｔ ＣＦ」
・加硫促進助剤Ｃ：トリアリルイソシアヌレート、日本化成株式会社「ＴＡＩＣ」
・加硫促進助剤Ｄ：ステアリン酸ナトリウム、和光純薬工業株式会社製「ステアリン酸ナトリウム」
【００４７】
そして、各試験用シートについて、下記に示す各種物性を測定した。結果を表２に示す。
（ａ）硬さ試験
得られた試験用シートをＪＩＳ３号試験片の形状に打ち抜き、それを３枚重ねて、ＪＩＳ Ｋ６３０１に基づいて硬さを測定した。
（ｂ）引張試験
ＪＩＳ３号試験片について万能型試験機により引張試験を行い、破断する引張強さ及び引張り伸びを測定した。
（ｃ）体積変化率
オートクレーブ中でＪＩＳ３号試験片を水蒸気雰囲気にて１８０℃、３日間放置した後、体積変化率を測定した。
【００４８】
【表２】
表２に示すように、本発明に従うフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体（実施例１）、テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体（実施例２）、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体（実施例３）を有機過酸化物架橋した試験用シートは、引張破断強さ、引張破断伸びに優れるとともに、シール材として適度の硬さを有し、更には体積変化率も小さく耐スチーム性にも優れることがわかる。これに対し、フッ素系ゴムとしてフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン２元共重合体を用いてもポリオール架橋した場合（比較例１）は、体積膨張率が大きく、引張破断強さ及び引張破断伸びも実施例に比べると低い。また、実施例２のフッ化ビニリデンを含まないテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体及び実施例１のフッ化ビニリデンの割合が少ないフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体を用いた試験シートは、体積変化率も小さくなっている。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特定のフッ素ゴムを有機過酸化物架橋したフッ素ゴム組成物をシール材料に用いたことにより、耐スチーム性に優れたシール装置が得られ、これを備える針状ころ軸受は特に燃料電池システムに使用されるスクロール型圧縮機に好適で、クランクピン側に水蒸気が侵入した場合でも安定した作動が確保される。また、本発明のスクロール型圧縮機を具備する燃料電池システムも長期にわたる安定した発電が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る針状ころ軸受の一例（シェル型）を示す断面図である。
【図２】本発明に係る針状ころ軸受の他の例（ソリッド型）を示す断面図である。
【図３】本発明に係るスクロール型圧縮機の一例を示す断面図である。
【図４】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５】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。
【符号の説明】
１ 固体高分子電解質膜
５ 改質器
６ 熱交換器
７ シフトコンバータ
８ ＣＯ除去器
９ 燃料タンク
１０ メタノール蒸発器
１２ 水タンク
１３ 蒸気発生器
１５ 加湿器
１６ ターボチャージャ
１７ コンプレッサ
１９ 燃焼器
２０ 燃焼器
２１ 冷却器
２３ 気水分離器
２５ 気水分離器
３１ 外輪
３２ 針状ころ
３３ 保持器
３４ 芯金
３５ シール装置
１００ スクロール型圧縮機
１０６ オイルシール
１１０ 圧縮機構部
１１１ 固定スクロール
１１２ 旋回スクロール
１２０ 駆動モータ部
１２２ モータ主軸
１２２ａ クランクピン
１３０ クランク機構部
１３３ 針状ころ軸受
Claims (7)
- 少なくとも、外輪、針状ころ、保持器及びゴムシール装置を備える針状ころ軸受において、
前記ゴムシール装置が、それぞれ有機過酸化物で架橋してなるフッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体及びテトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体の少なくとも１種を含有するフッ素ゴム組成物と、金属製芯金とを一体化してなることを特徴とする針状ころ軸受。 - フッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン２元共重合体におけるフッ化ビニリデンの割合が４５〜８５モル％で、ヘキサフルオロプロピレンの割合が５５〜１５モル％であることを特徴とする請求項１記載の針状ころ軸受からなる転がり軸受装置。
- フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロプロピレン３元共重合体におけるフッ化ビニリデンの割合が４５〜８０モル％で、ヘキサフルオロプロピレンの割合が３０〜１０モル％で、テトラフルオロプロピレンの割合が２５〜１０モル％であることを特徴とする請求項１記載の針状ころ軸受からなる転がり軸受装置。
- フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−プロピレン３元共重合体におけるフッ化ビニリデンの割合が１〜３０モル％で、テトラフルオロエチレンの割合が４０〜７０モル％で、プロピレンの割合が３０〜６０モル％であることを特徴とする請求項１記載の針状ころ軸受からなる転がり軸受装置。
- テトラフルオロエチレン−プロピレン２元共重合体におけるテトラフルオロエチレンの割合が４０〜７０モル％で、プロピレンの割合が３０〜６０モル％であることを特徴とする請求項１記載の針状ころ軸受からなる転がり軸受装置。
- 請求項１〜５の何れか１項に記載の針状ころ軸受をクランクピンの支持部に配設したことを特徴とするスクロール型圧縮機。
- 請求項６に記載のスクロール型圧縮機を具備することを特徴とする燃料電池システム。
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