JP2004225870A

JP2004225870A - 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: JP2004225870A
Application number: JP2003017527A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Yamazaki; 雅彦山崎; Hirotoshi Miyajima; 裕俊宮島; Yujiro Toda; 雄次郎戸田; Koutetsu Denpo; 功哲傳寶
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】グリース漏洩が少なく、防錆性能及び耐腐食性能にも優れ、長寿命の燃料電池用転がり軸受、前記転がり軸受を具備して長期にわたり安定作動する燃料電量システム用圧送機、並びに前記圧送機を具備して長期にわたり安定した発電を行い得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】基油に、増ちょう剤としてウレア化合物をグリース全量の５〜３５質量％及びＨＬＢ（親水性親油性バランス）値が４〜１４の界面活性剤をグリース全量の０．１〜１０質量％配合してなるグリースを封入した燃料電池用転がり軸受、前記転がり軸受を具備する燃料電池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、燃料電池システムの圧送機に組み込まれる転がり軸受、前記転がり軸受を具備する燃料電池システム用の圧送機並びに前記圧送機を具備した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギー需給問題、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】
固体高分子電解質型燃料電池の基本的構成は、固体高分子電解質膜の両面を、白金等の貴金属を触媒とする多孔質のカソード（酸素極）とアノード（燃料極）の両ガス拡散電極で挟んで重ね合わせてなるセルを、セパレータを介して積層して燃料電池スタックとし、各セパレータの表裏両面にガス通路を形成し、カソード側のガス通路には酸化剤ガスを給排させ、アノード側のガス通路には燃料ガスを給排させるようにした構成が一般的である。
【０００４】
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輸送するために圧送機が使用されており、これらの気体を輸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）。
【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２００２−７０７６４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、発電のための化学反応に際して水が発生することから、圧送機が輸送する気体には多分に水分が混入している。更に、固体高分子電解質型燃料電池では、燃料電池スタックのセルを構成する電解質としてフッ素樹脂系の高分子膜が一般的であり、水素イオンの伝導性を維持し、膜の破損の原因となる水素と酸素との直接反応を避けるために、このフッ素樹脂系高分子膜は常に水分を含んだ状態に維持されなければならず、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、圧送機と燃料電池スタックとの間に加湿器が介在される。
【０００６】
このように、燃料電池システムでは、圧送機に組み込まれている転がり軸受が水分との接触により錆や腐食が発生し易い状況に置かれており、転がり軸受には防錆性能や耐腐食性に優れることが要求されている。また、転がり軸受は潤滑のためにグリースが一般に使用されているが、気体中の水分がこのグリースに混入すると、グリースが軟化してグリース漏れを起こすことがあり、気体中の水分はこの点でも重量課題となっている。更に、グリースには潤滑性能等を向上させるために各種の添加剤が添加されているが、添加剤には多様な金属イオンが含まれており、これらの金属イオンの中には燃料電池スタックの触媒毒となり得るものも含まれていることから、グリースが飛散して燃料電池スタックに付着すると、燃料電池の反応効率が低下するおそれもあり、増ちょう剤に金属石けんを用いた場合には更に顕著となる。
【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、グリース漏洩が少なく、防錆性能及び耐腐食性能にも優れ、長寿命の燃料電池用転がり軸受を提供することを目的とする。また、前記転がり軸受を具備し、長期にわたり安定作動する燃料電池システム用圧送機、並びに前記圧送機を具備し、長期にわたり安定した発電を行い得る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】
本発明者らは、鋭意検討の結果、特定のＨＬＢ値の界面活性剤を添加したグリースを封入することにより、水分が混入した場合でもグリース漏れを起こし難くなることを知見した。また、金属元素を含まない増ちょう剤及び添加剤を用いることにより、グリースの漏洩、飛散によりパーティクルが燃料電池スタックに付着した場合でも反応効率の低下を抑えることができることを知見した。本発明はこれらの知見に基づくものである。
【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、基油に、増ちょう剤としてウレア化合物をグリース全量の５〜３５質量％及びＨＬＢ値が４〜１４の界面活性剤をグリース全量の０．１〜１０質量％配合してなる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、基油に、増ちょう剤としてウレア化合物をグリース全量の５〜３５質量％及びＨＬＢ値が４〜１４の界面活性剤をグリース全量の０．１〜１０質量％配合してなる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）グリースが、不可避不純物としての金属元素以外の金属元素を含まない酸化防止剤、防錆剤、金属腐食防止剤、極圧剤及び油性剤の少なくとも１種を含有していることを特徴とする上記（１）または（２）記載の燃料電池用転がり軸受、
（４）上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の燃料電池用転がり軸受を具備することを特徴とする燃料電池システム用圧送機、
（５）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であって、前記圧送機が上記（４）記載の燃料電池システム用圧送機であることを特徴とする燃料電池システム、
（６）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であって、前記圧送機が上記（４）記載の燃料電池システム用圧送機であ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）
本発明は、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関する。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５０１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、下記のグリース組成物（図示せず）を所定量充填し、シール部材３０５で封止して構成されている。尚、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】
グリースにおいて、基油は添加する界面活性剤の溶解性に優れることが必要であることから、極性の小さい合成油系潤滑油及び鉱油系潤滑油が好適である。合成油系潤滑油としては、炭化水素系油、エステル系油、エーテル系油等が挙げられる。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ぺラルゴネート、ペンタエリスリトル−２−エチルヘキサノエート、ペンタエリスリトールペ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ゴールモノエーテル等のポリアルキレングリコール、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。
【００１３】
鉱油系潤滑油については、通常の鉱油系潤滑油はＶＩ（粘度指数）値が低いために特に低温での使用には不向きであり、例えば自動車用の燃料電池に適用した場合には低温起動時に異音を発する等の不具合を起こしやすい。低温から高温までの広い温度範囲で使用することを考慮すると、ＶＩ値は１２０以上であることが好ましく、そのため鉱油系潤滑油を用いる場合は、減圧蒸留、油剤脱れき、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。
【００１４】
また、グリースの低温流動性不足や、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、基油の動粘度を調整する必要がある。軸受が１００℃程度の比較的低温で使用される場合には、４０℃における動粘度で３０〜１５０ｍｍ^２／ｓ、１５０℃を超えるような高温で使用される場合には、４０℃における動粘度で１００〜５００ｍｍ^２／ｓの範囲の基油が好ましい。
【００１５】
本発明では、増ちょう剤としてウレア化合物を用いる。このウレア化合物は、金属石けん系の増ちょう剤と異なり、分子中に金属元素を含まないため、グリースが飛散して燃料電池スタックに付着したとしても、触媒毒となることはない。また、親水性の極性基を持たず、更に分子間力では最も強い水素結合による結晶構造を有しており耐水性にも優れるという利点も有する。ウレア化合物として例えばジウレア化合物、トリウレア化合物、テトラウレア化合物、ポリウレア化合物を使用できるが、中でも下記一般式で表されるジウレア化合物が好ましい。
Ｒ_１−ＮＨＣＯ−Ｒ_３−ＮＨＣＯ−Ｒ_２
（式中、Ｒ_１，Ｒ_２はそれぞれ炭素数６〜１８の脂肪族、脂環族または芳香族炭化水素基を示し、同一でも異なっていてもよく、Ｒ_３は炭素数６〜１５の芳香族炭化水素基を示す。）
【００１６】
また、ウレア化合物の含有量は、グリースのちょう度が１８０〜３５０が好ましいことから、グリース全量に対して５〜３５質量％とする。含有量が５質量％未満では十分な増ちょう性が得られずグリース漏れを生じやすくなり、３５質量％を超える場合は流動性が乏しくなり軸受内での攪拌抵抗が高くなりすぎ、何れの場合も不適当となる。
【００１７】
グリースには、水分の混入によるグリース軟化を防ぐために、ＨＬＢ値が４〜１４、好ましくは６〜１２の界面活性剤が添加される。ＨＬＢ値が１４を超える界面活性剤は、上記した基油に不溶になる場合があり、ＨＬＢ値が４未満の界面活性剤は水を効果的に取り込むことができず、水分混入によるグリース軟化を防止できない。界面活性剤の種類は、ＨＬＢ値が４〜１４の範囲であれば制限されるものではないが、例えば下記に示す各界面活性剤を好適に使用できる。
【００１８】
非イオン系界面活性剤としては、ソルビタン脂肪酸エステル、
【００１９】
【化１】

【００２０】
グリセリン脂肪酸エステル、
【００２１】
【化２】

【００２２】
デカグリン酸エステル（但し、Ｒａはアシル基または水素原子）、
【００２３】
【化３】

【００２４】
ポリグリセリン脂肪酸エステル（但し、Ｒａはアシル基または水素原子）、
【００２５】
【化４】

【００２６】
プロピレングリコール・ペンタエリスリトール脂肪酸エステル、
【００２７】
【化５】

【００２８】
ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、
【００２９】
【化６】

【００３０】
ポリオキシエチレンソルビット脂肪酸エステル、
【００３１】
【化７】

【００３２】
ポリオキシエチレングリセリン脂肪酸エステル、
【００３３】
【化８】

【００３４】
ポリエチレングリコール脂肪酸エステル、
【００３５】
【化９】

【００３６】
ポリオキシエチレンアルキルエーテル、
【００３７】
【化１０】

【００３８】
ポリオキシエチレンフィトステロール・フィトスタノール、
【００３９】
【化１１】

【００４０】
ポリオキシエチレン／ポリオキシプロピレンアルキルエーテル、
【００４１】
【化１２】

【００４２】
ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、
【００４３】
【化１３】

【００４４】
ポリオキシエチレンヒマシ油・硬化ヒマシ油、
【００４５】
【化１４】

【００４６】
ポリオキシエチレンアルキルアミン・脂肪酸アミド、
【００４７】
【化１５】

【００４８】
ポリオキシエチレンアルキルフェニルホルムアルデヒド縮合物、
【００４９】
【化１６】

【００５０】
及びポリオキシエチレンラノレン・ラノリンアルコール・ミツロウ誘導体等が挙げられる。
【００５１】
また、アニオン系界面活性剤としては、アルキル硫酸塩、
【００５２】
【化１７】

【００５３】
ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、
【００５４】
【化１８】

【００５５】
Ｎ−アシルアミノ酸及びその塩、
【００５６】
【化１９】

【００５７】
Ｎ−アシルメチルタウリン塩、
【００５８】
【化２０】

【００５９】
ポリオキシエチレンアルキルエーテル酢酸塩、
【００６０】
【化２１】

【００６１】
アルキルスルホン酸カルボン酸塩、
【００６２】
【化２２】

【００６３】
α−オレフィンスルホン酸塩、
【００６４】
【化２３】

【００６５】
アルキルリン酸塩、
【００６６】
【化２４】

【００６７】
ポリオキシエチレンアルキルエーテルリン酸塩等が挙げられる。
【００６８】
【化２５】

【００６９】
また、カチオン系界面活性剤としては、アルキルアンモニウム塩、
【００７０】
【化２６】

【００７１】
アルキルベンジルアンモニウム塩等が挙げられる。
【００７２】
【化２７】

【００７３】
また、両性界面活性剤としては、酢酸ベタイン、
【００７４】
【化２８】

【００７５】
イミダゾリウムベタイン、
【００７６】
【化２９】

【００７７】
レシチン
【００７８】
【化３０】

【００７９】
等が挙げられる。上記化学式において、Ｒはアルキル基である。
【００８０】
これら界面活性剤の中では、耐熱性や耐久性に優れることから、ポリオキシアルキルフェニルエーテル及びポリオキシエチレンアルキルエーテルが好ましい。また、界面活性剤は単独でも、複数種を組み合わせて使用してもよく、グリース全量の０．１〜１０質量％、好ましくは１〜５質量添加される。添加量が０．１質量％未満では水を取り込む効果が得られず、１０質量％を超える場合は増ちょう剤であるウレア化合物との相互作用によりグリースを軟化させたり、硬化させたりする等の好ましくない影響が出てくる。
【００８１】
上記のグリースには、潤滑性能等をより一層高めるために、必要に応じてその他の添加剤を添加することができる。但し、金属元素を含有する添加剤は、グリースが飛散して燃料電池スタックに付着した際に触媒毒として作用する可能性があるため、本発明では金属元素を含まない添加剤を用いる。また、金属元素を含む添加剤は極性が強く、上記の界面活性剤との相互作用が大きいことも予測される。尚、金属元素を含まない添加剤であっても、その合成過程等で金属触媒が使用され、それが不可避不純物として残存している場合がある。本発明では、不可避不純物としての金属元素の含有は許容するが、合計量でグリース全量の０．１ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００８２】
このような金属元素を含まない添加剤をその種類別に例示すると、アミン系やフェノール系の酸化防止剤、コハク酸やコハク酸エステル等の防錆剤、長鎖脂肪酸系の油性剤、ベンゾトリアゾールやチアジアゾール系の金属腐食防止剤剤、イ硫黄系やリン系の無灰系極圧剤が挙げられる。
【００８３】
また、金属元素を含まない添加剤の含有量は、合計でグリース全量の０．１〜４質量％とすることが好ましい。含有量が０．１質量％未満では添加剤の効果が現われず、４質量％を超える場合は、特に増ちょう剤の含有量が少ない場合に飛散量が極端に多くなるとともに、相対的に基油の量が少なくなり潤滑性に劣るようになる。また、上記した増ちょう剤の含有量の下限側でも飛散量をより少なく抑えるために、この金属元素を含まない添加剤の含有量をグリース全量の０．１〜１質量％とすることが好ましい。
【００８４】
本発明の転がり軸受は、封入したグリースが水分が混入した場合でもグリース漏れが少なく、また防錆性能や耐腐食性能等にも優れる。
【００８５】
（燃料電池システム用圧送機）
また、本発明は上記の転がり軸受を具備する燃料電池システム用圧送機に関する。燃料電池システム用圧送機として、インペラ型圧送機、スクロール型圧送機、斜板型圧送機、スクリュー型圧送機が一般的であるが、これらに限定されない。以下に、インペラ型圧送機、スクロール型圧送機、両斜板型圧送機、スクリュー型圧送機を例示して説明する。
【００８６】
図２に示すインペラ型圧送機は、回転軸３１にインペラ３２が取り付けられており、この回転軸３１が上記の転がり軸受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、気体吸込み口３４から吸込まれた気体がインペラ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、このポンプでは、シーリング部材３９のシール性が低下してくると、気体がインペラ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。
【００８７】
図３に示されるスクロール型圧送機１４０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。
【００８８】
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。
【００８９】
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上記の転がり軸受１５４とからなる。従動クランク軸１５３は、クランクピン１５３ａとは反対側を上記の転がり軸受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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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に上記の転がり軸受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）の端部を上記の転がり軸受１０３を介してリアハウジング１０４に回転自在に支持され、シール部材１０７で密封されている。また、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。
【００９３】
上記の如く概略構成されるスクロール型圧送機１４０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。その後、圧縮された気体を吐出口１１４から吐出させる。
【００９４】
図４は両斜板式圧送機１６０を示すが、両面傾斜板１７１の回転に伴う両頭ピストン１７２の往復動で気体を圧縮する圧縮機構部１７０と、駆動モータ１８１のモータ主軸１８２の回転により圧縮機構部１７０を駆動する駆動モータ部１８０とを備える。
【００９５】
圧縮機構部１７０において、両頭ピストン１７２は、シリンダブロック１６１のクランク室１６３内にモータ主軸１８２の軸方向に沿って往復動可能に設けられており、両面傾斜板１７１にシュー１７３を介して連結されている。また両面傾斜板１７１は、モータ主軸１８２の外周面に、モータ主軸１８２と一体回転可能に挿着されており、シリンダブロック１６１内に設けられた支持部材１６２に、スラスト軸受１７４を介して回転自在に支持されている。
【００９６】
駆動モータ部１８０において、駆動モータ１８１は、モータ主軸１８２に嵌入されたロータ１８３と、ロータ１８３の外周側に設けられ、コイル１８４を巻回されたステータ１８５とを、モータハウジング１８６内に備えてなる。
【００９７】
モータ主軸１８２は、軸方向略中央より図中左側を左右一対の上記の転がり軸受１８７を介してモータハウジング１８６に回転自在に支持されるとともに、軸方向略中央より図中右側を左右一対の上記の転がり軸受１７５を介して支持部材１６２に回転自在に支持されている。
【００９８】
上記の如く構成される両斜板型圧送機１６０では、駆動モータ１８１に電力が供給されると、モータ主軸１８２が回転し、その回転が両面傾斜板１７１及びシュー１７３を介して両頭ピストン１７２に伝達される。両頭ピストン１７２は、モータ主軸１８２の回転に伴ってクランク室１６３内で軸方向に沿って往復動することにより、気体を吸入・圧縮して吐出させる。
【００９９】
図５はスクリュー型圧送機２２０を示すが、主ロータ２０１と副ロータ２０２とを噛み合わせて回転させることで気体を圧縮する圧縮機構部２００と、駆動モータ１８１のモータ主軸１８２の回転により圧縮機構部２００を駆動する駆動モータ部１８０とを備える。なお、駆動モータ部１８０については、図３に示した両斜板式圧送機１６０と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
圧縮機構部２００において、主ロータ２０１及び副ロータ２０２はそれぞれ、対応する螺旋状に形成されて互いに噛み合わせることで協働して回転可能な構成である。主ロータ２０１は、図中左側の回転軸２０１ａを左右一対の上記の転がり軸受２０３を介してハウジング２０７に回転自在に支持されるとともに、図中右側の回転軸２０１ａを上記の転がり軸受２０４を介してハウジングに回転自在に支持されている。また、副ロータ２０２は、図中左側の回転軸２０２ａを図中左右一対の上記の転がり軸受２０５を介してハウジング２０７に回転自在に支持されるとともに、図中右側の回転軸２０２ａを上記の転がり軸受２０６を介してハウジング２０７に回転自在に支持されている。
【０１０１】
また、主ロータ２０１の回転軸２０１ａにおいて、転がり軸受２０３，２０４に対して軸方向内側には、ハウジング２０７との間にシール部材２０８が介在されている。副ロータ２０２の回転軸２０２ａにおいて、転がり軸受２０５，２０６より軸方向内側には、ハウジング２０７との間にシール部材２０９が介在されている。
【０１０２】
主ロータ２０１及び副ロータ２０２は、図中左側の回転軸２０１ａ，２０２ａにそれぞれ設けられた連結ギア２１０を介して連動される。主ロータ２０１の図中左側の回転軸２０１ａの左端部には、被駆動ギア２１１が設けられており、被駆動ギア２１１は、駆動モータ１８１のモータ主軸１８２に嵌合された駆動軸１８８の駆動ギア１８９に噛合されている。従って、主ロータ２０１は、モータ主軸１８２の回転を、駆動軸１８８、駆動ギア１８９及び被駆動ギア２１１を介して伝達される。主ロータ２０１の回転は、連結ギア２１０を介して副ロータ２０２に伝達される。
【０１０３】
また、駆動軸１８８は、左右一対の上記の転がり軸受２１２を介してハウジング２１３に回転自在に支持されている。駆動軸１８８とハウジング２１３との間には、シール部材２１４が介在されている。
【０１０４】
上記の如く構成されるスクリュー型圧送機２２０では、駆動モータ１８１に電力が供給されると、モータ主軸１８２が回転し、その回転が駆動軸１８８、駆動ギア１８９、被駆動ギア２１１を介して主ロータ２０１の回転軸２０１ａに伝達される。同時に、主ロータ２０１の回転軸２０１ａから連結ギア２１０を介して副ロータ２０２の回転軸２０２ａに伝達される。主ロータ２０１及び副ロータ２０２は、噛み合い回転することにより、気体を吸入・圧縮して吐出させる。
【０１０５】
上記の各圧送機は、組み込まれている転がり軸受が、グリース漏れが少なく、防錆性能や耐腐食性能等に優れることから、長期にわたり安定して作動する。
【０１０６】
（燃料電池システム）
本発明は更に、上記の燃料電池システム用圧送機を具備する燃料電池システムに関する。燃料電池システムとしては、図６に示す固体高分子電解質型燃料電池システムや図７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。
【０１０７】
図６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。
【０１０８】
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の上記の圧送機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。
【０１０９】
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に導いて上記の圧送機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。
【０１１０】
また、図７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。
【０１１１】
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、上記の圧送機（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、上記の圧送機（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。
【０１１２】
酸化剤としての空気は、上記の圧送機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。
【０１１３】
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、空気流量を上記の圧送機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。
【０１１４】
このように構成される燃料電池システムは、上記の圧送機を具備することにより長寿命となる。
【０１１５】
【実施例】
以下に実施例及び比較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。
【０１１６】
（試験グリースの調製）
表１及び表２に示す如く基油、増ちょう剤、酸化防止剤、防錆剤及び界面活性剤を配合して実施例及び比較例の各試験グリースを調製した。その際、アミンと、ＭＤＩ（４，４−ジフェニルメタンジイソシアネート）とを基油中で反応させてベースグリースとし、冷却後に酸化防止剤、防錆剤及び界面活性剤を表記の量添加し、３段ロールミルで仕上げた。尚、表中のアミン系酸化防止剤「ＶＬ８１」はバンダービルド社製のジオクチルジフェニルアミンであり、また界面活性剤の「ＳＯ−３０（ＨＬＢ値１．７）」は日光ケミカルズ（株）製のソルビタンモノオレエート、「ＮＰ−２（ＨＬＢ値４．５）」、「ＮＰ−５（ＨＬＢ値８．０）」、「ＮＰ−７．５（ＨＬＢ値１４．０）」及び「ＮＰ−１０（ＨＬＢ値１６．０）」は何れもは日光ケミカルズ（株）製のポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、「ＢＴ−３（ＨＬＢ値８．０）」及び「ＢＴ−９（ＨＬＢ値１３．５）」は日光ケミカル（株）製のポリオキシエチレンアルキルエーテルである。また、増ちょう剤量及び試験グリースの混和ちょう度を同表に併記する。
【０１１７】
（軸受回転試験）
日本精工（株）製「６２０４ＤＤ」（内径φ２０ｍｍ、外径φ４７ｍｍ、幅１４ｍｍの接触ゴムシール付き単列深溝玉軸受、図１参照）に、試験グリース１ｇとイオン交換水０．１５ｇとを封入して試験軸受を作製した。そして、図８に示す試験装置を用いて軸受回転試験を行った。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。試験は、シャフト６０を回転させて試験軸受６１を内輪回転速度７０００ｍｉｎ^−１、雰囲気温度８０℃、ラジアル荷重１００Ｎ、アキシアル荷重１００Ｎの条件で２００時間連続回転させた後、室温まで冷却して重量を計測し、試験前の重量との差からグリース漏れ率を求めた。
【０１１８】
また、上記の試験後の試験軸受について、注射器により更にイオン交換水を０．１５ｇ注入し、同試験装置を用いて雰囲気温度８０℃で５０時間連続回転させた後に１２０℃で５０時間連続回転させる操作を１サイクルとし、この「イオン交換水注入−８０℃での５０時間回転−１２０℃での５０時間回転」サイクルを繰り返し行い、焼き付くまでの時間を計測した。
【０１１９】
比較例１の試験グリースを封入した試験軸受によるグリース漏洩率及び焼付き寿命をそれぞれ１０とした相対値にて、結果を表１及び表２に示すが、ＨＬＢ値が４〜１４の界面活性剤を０．１〜１０質量％の割合で含有する試験グリースを封入することにより、ＨＬＢ値が４〜１４の界面活性剤を全く含まない、もしくはＨＬＢ値が４〜１４以外の界面活性剤を含有する試験グリースを封入した場合に比べて、グリース漏れが格段に少なく（例えば比較例１と比べて２分の１〜５分の１）、焼付き寿命も大幅に向上（例えば比較例１と比べて３．５〜８．５倍）している。これに対して、ＨＬＢ値が４未満の界面活性剤を添加すると（比較例２）、界面活性剤を含有しない比較例１と比較してグリース漏れ量が倍増し、焼付き寿命は半減している。また、ＨＬＢ値が１４を超える界面活性剤を添加すると（比較例３）、界面活性剤を含有しない比較例１と比較してグリース漏れ量の減少及び焼付き寿命が若干向上するものの、実施例と比べるとその改善効果はかなり少ない。更に、界面活性剤の添加量は１０質量％を超える場合には（比較例４）、グリース漏れが多くなり、焼付き寿命も低減しており、逆に添加量が０．１質量％未満では（比較例５）、焼付き寿命が若干向上するものの、グリース漏れが多くなる。このことから、界面活性剤のＨＬＢ〕値は４〜１４、添加量はグリース全量の０．１〜１０質量％が適当であることがわかる。
【０１２０】
【表１】

【表２】

【０１２１】
（界面活性剤の添加量の検証）
比較例８の試験グリースに、添加量を変えて日光ケミカルズ（株）製「ＮＰ−５（ＨＬＢ値８．０）」を添加して試験グリースを調製した。そして、上記と同様にしてグリース漏れ率及び焼付き寿命を求めた。
【０１２２】
結果を図９にグラフ化して示すが、界面活性剤量が０．１〜１０質量％の範囲であれば、グリース漏れ率も小さく、焼付き寿命にも優れることがわかる。更に、界面活性剤量が１〜５質量％の範囲でグリース漏れ率、焼付き寿命が特に優れていることがわかる。
【０１２３】
（界面活性剤のＨＬＢ値の検証）
比較例１の試験グリース９７．５ｇに、日光ケミカルズ製「ＳＯ−３０（ＨＬＢ値１．７）」、同「ＮＰ−２（ＨＬＢ値４．５）」、同「ＮＰ−５（ＨＬＢ値８．０）」、同「ＮＰ−７．５（ＨＬＢ値１４．０）」及び「ＮＰ−１０（ＨＬＢ値１６．０）」をそれぞれ２．５ｇ添加して試験グリースを調製した。
【０１２４】
そして、特開平９−８７６５２号公報に記載の方法にて試験グリースの給水量及び平均水滴径を求めた。即ち、ＪＩＳＫ２２２０５．１２に規定される水洗耐水度試験機を大型化した試験機の軸受に試験グリースを５０ｇ充填し、内輪側に１ｍｍの隙間のあるシール板を取り付け、この軸受を５００ｍｉｎ^−１で８時間連続回転させながら８０℃の温水を６００ｍＬ／分の水量で噴射し、回転前後の重量差から試験グリースの吸水量を求めた。また、試験後の試験グリースを採取し、光学顕微鏡で吸水した水の粒子径を観察、測定した。
【０１２５】
結果を図１０にグラフ化して示すが、ＨＬＢ値が４〜１４の界面活性剤を添加することにより、吸水量も多く、水を水滴の状態で取り込むことが可能なグリースが得られることがわかる。更に、ＨＬＢ値が４〜１２の範囲でこの特性が優れているといえる。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＨＬＢ値４〜１４の界面活性剤を規定量含有するグリースを封入することにより、グリース漏れが少なく、防錆性能及び耐腐食性能にも優れ、長寿命の燃料電池用転がり軸受が得られる。また、この転がり軸受を組み込むことにより、長寿命の燃料電池システム用圧送機及び燃料電池システムが得られる。
【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】本発明の圧送機の更に他の例（両斜板型圧送機）を示す断面図である。
【図５】本発明の圧送機の更に他の例（スクリュー型圧送機）を示す断面図である。
【図６】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７】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８】実施例において軸受回転試験に用いた試験装置を示す概略図である。
【図９】実施例で得られた、界面活性剤の添加量と、グリース漏れ率及び焼付き寿命との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例で得られた、界面活性剤のＨＬＢ値と、グリースの吸水量及び平均径水滴径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
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
２３気水分離器
２５気水分離器
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
１４０スクロール型圧送機
１５０クランク機構部
１６０両斜板式圧送機
１７０圧縮機構部
１７１両面傾斜板
１７２両頭ピストン
１８０駆動モータ部
１８１駆動モータ
１８２モータ主軸
２００圧縮機構部
２０１主ロータ
２０２副ロータ
２２０スクリュー型圧送機
３００玉軸受
３０１内輪
３０２外輪
３０３保持器
３０４玉
３０５シール部材

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、
基油に、増ちょう剤としてウレア化合物をグリース全量の５〜３５質量％及びＨＬＢ（親水性親油性バランス）値が４〜１４の界面活性剤をグリース全量の０．１〜１０質量％配合してなる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、
基油に、増ちょう剤としてウレア化合物をグリース全量の５〜３５質量％及びＨＬＢ値が４〜１４の界面活性剤をグリース全量の０．１〜１０質量％配合してなる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。
前記グリースが、不可避不純物としての金属元素以外の金属元素を含まない酸化防止剤、防錆剤、金属腐食防止剤、極圧剤及び油性剤の少なくとも１種を含有し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。
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を具備することを特徴とする燃料電池システム用圧送機。
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であって、前記圧送機が請求項４記載の燃料電池システム用圧送機であることを特徴とする燃料電池システム。
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であって、前記圧送機が請求項４記載の燃料電池システム用圧送機であることを特徴とする燃料電池システム。