JP2004270887A - 燃料電池システム用転がり軸受、燃料電池システム用圧送機及び燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム用転がり軸受、燃料電池システム用圧送機及び燃料電池システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】耐熱性並びに防錆性能に優れ、長寿命の燃料電池用転がり軸受、並びに前記転がり軸受を備え長寿命の圧送機及び燃料電池システムを提供する。
【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転がり軸受であって、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、かつ防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有するグリース組成物を封入した燃料電池システム用転がり軸受、前記転がり軸受を具備する燃料電池システム用圧送機、並びに前記圧送機を備える燃料電池システム。
【選択図】 図１
【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転がり軸受であって、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、かつ防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有するグリース組成物を封入した燃料電池システム用転がり軸受、前記転がり軸受を具備する燃料電池システム用圧送機、並びに前記圧送機を備え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、これらの気体の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。
【０００７】
また、燃料電池システムでは発電に際して発熱し、更には発電量を高めるために圧送機の輸送量も増えていることから、転がり軸受には耐熱性に優れることも要求されている。そのため従来では、耐熱性を考慮して、ウレア化合物やリチウムコンプレックス石けんを増ちょう剤とし、ポリオールエステル系合成油やアルキルジフェニルエーテル油を基油とし、更に各種の添加剤を含有するグリース組成物を転がり軸受に封入している。しかし、これらのグリース組成物は概して蒸気圧が高く、また添加剤の中には燃料電池スタックの触媒毒となり得る成分も含まれていることから、触媒毒の発生減となる可能性も高い。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、耐熱性並びに防錆性能に優れ、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。
【０００９】
【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、封入するグリース組成物の基油にパーフルオロアルキルエーテルを用い、増ちょう剤にポリテトラフルオロエチレンを用いることにより耐熱性の向上と揮発性の低下が図られ、更に酸化マグネシウムや気化性防錆剤を添加することにより防錆性能が改善されることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００１０】
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転がり軸受であって、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、かつ防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有するグリース組成物を封入したことを特徴とする燃料電池システム用転がり軸受
（２）上記（１）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
（３）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（２）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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
（燃料電池システム用転がり軸受）
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。
【００１２】
上記の各針状ころ軸受３０は、燃料電池システム用圧送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。
【００１３】
また、上記の各針状ころ軸受３０には、潤滑のためにグリース組成物が封入される。本発明において、グリース組成物は、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有する。パーフルオロアルキルエーテルは、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等を避けるために、４０℃における動粘度が２０〜４００ｍｍ２／ｓ、更に３０〜３００ｍｍ２／ｓ、特に６５〜２００ｍｍ２／ｓであることが好ましい。また、グリース組成物の流動性の観点から、混和ちょう度としてＮＬＧＩ（ＡＳＴＭ）に規定された等級でＮｏ．１〜２となるように、パーフルオロアルキルエーテルとポリテトラフルオロエチレンとの混合比を選択することが好ましい。
【００１４】
マグネシウム化合物は無機系のマグネシウム化合物であり、マグネシウムの酸化物、塩化物、ふっ化物、ほう化物、窒化物、硫化物等を挙げることができる。具体的には、酸化マグネシウム、モリブデン酸マグネシウム、スズ酸マグネシウム、チタン酸マグネシウム、タングステン酸マグネシウム、ジルコン酸マグネシウム、アルミン酸マグネシウム、無水塩化マグネシウム、無水ふっ化マグネシウム、ほう化マグネシウム、窒化マグネシウム、硫化マグネシウム等である。また、マグネシウム・鉄酸化物（例えば、マグネシウム・フェライト）やドロマイト（ＭｇＣＯ３ ・ＣａＣＯ３ ）のように他の元素との混合酸化物や混合塩化物、混合ふっ化物、混合ほう化物、混合窒化物、混合硫化物でも構わない。これらの中では、酸化マグネシウム、ジルコン酸マグネシウムが、錆止め性能の観点から特に好ましい。また、マグネシウム化合物の含有量は、グリース全量の０．５〜３．０質量％が好ましく、特に０．７〜１．５質量％が好ましい。マグネシウム化合物の含有量が０．５質量％未満では錆止め効果が充分でなく、含有量が３．０質量％より多量の場合には、増量による錆止め効果の増加が見られずコストメリットが無いばかりか、潤滑性能（例えば、音響性能）に悪影響を与えるため好ましくない。
【００１５】
気化性防錆剤としては、例えばベンゾトリアゾール、メチルベンゾトリアゾール、ジシクロヘキシルアンモニウムナイトライト（ＤＩＣＨＡＮ）、シクロヘキシルアミンカーバメイト（ＣＨＣ）、ジイソプロピルアンモニウムナイトライト（ＤＩＰＡＮ）、ニトロナフタリンアンモニウムナイトライト（ＮＩＴＡＮ）、ジシクロヘキシルアンモニウムカプリレート、シクロヘキシルアンモニウムラウレート等が挙げられ、特にベンゾトリアゾール、メチルベンゾトリアゾール等のトリアゾール系化合物並びにジシクロヘキシルアンモニウムナイトライトが好ましい。また、気化性防錆剤の含有量は、グリース全量の０．０５〜１．０質量％が好ましく、特に０．１〜０．５質量％が好ましい。気化性防錆剤の含有量が０．０５質量％未満では錆止め効果が充分でなく、含有量が１．０質量％より多量の場合には、増量による錆止め効果の増加が見られずコストメリットが無いばかりか、潤滑性能（例えば、音響性能）に悪影響を与えるため好ましくない。
【００１６】
また、マグネシウム化合物及び気化性防錆剤は、それぞれ単独で使用してもよいが、両者を併用することでより一層の錆止め性能が得られる。そのときのマグネシウム化合物と気化性防錆剤との混合割合は特に制限されるものではないが、錆止め効果は実質的にマグネシウム化合物からなる防食性被膜が担い、気化性防錆剤はそれ自身の防錆作用よりも前記防錆性被膜の補強を行う作用の方が大きいと考えられることから、マグネシウム化合物の割合が大きい方が好ましい。
【００１７】
更に、グリース組成物には、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。
【００１８】
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、長鎖脂肪酸系の油性剤、硫黄系やリン系の無灰系極圧剤が挙げられる。
【００１９】
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。
【００２０】
上記の如く構成される本発明の燃料電池システム用転がり軸受は、封入したグリース組成物が耐熱性に優れ、低揮発性であり、更には防錆性能や耐腐食性能等にも優れることから、長寿命となる。
【００２１】
（燃料電池システム用圧送機）
本発明は、上記の燃料電池システム用転がり軸受を組み込んだ圧送機を提供する。図３は、スクロール型圧送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送機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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このスクロール型圧送機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。
【００２８】
また、スクロール型圧送機として図４に示す構成のものも知られている。図示されるスクロール型圧送機１４０において、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。その他の構成及び作用については、図３に示したスクロール型圧送機１００と同様であり、同一の部位には同一の符号を付してある。
【００３１】
上記の如く構成される本発明の燃料電池システム用圧送機は、針状ころ軸受が耐熱性や防錆性能、耐腐食性等に優れることから、長期にわたり安定して作動する。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【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。
【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。
【００３６】
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。
【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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
本発明の燃料電池システムは、上記した圧送機が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。
【００４１】
【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。
【００４２】
（実施例１〜７、比較例１〜２）
表１に示すように、４０℃における動粘度が２７０〜３００ｍｍ２／ｓのパーフルオロアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で増ちょうし、マグネシウム化合物または気化性防錆剤を添加して実施例１〜７の試験グリースを調製した。また、ポリオールエステル（４０℃における動粘度が２７０ｍｍ２／ｓ）をジウレア化合物で増ちょうし、防錆剤としてバリウムスルフォネートを添加して比較例１の試験グリースを調製した。更に、ポリオールエステル油（４０℃における動粘度が１００ｍｍ２／ｓ）をリチウムコングレックス石けんで増ちょうし、防錆剤としてバリウムスルフォネートを添加して比較例２の試験グリースを調製した。尚、何れの試験グリースも、混和ちょう度がＮＬＧＩ Ｎｏ．２となるように調整した。
【００４３】
そして、日本精工（株）製ソリッド型針状ころ軸受「ＬＭ２５１２（内径２０ｍｍ、外径３２ｍｍ、幅１２．１ｍｍ）」に試験グリースをフルパックし、１８００ｍｉｎ−１で１８０秒間回転させた後、簡易型軸受回転試験機にて耐久試験を行い、耐久寿命を測定した。試験条件は、雰囲気温度２２０℃、ラジアル荷重９８Ｎ、回転速度８０００ｍｉｎ−１とした。結果を、比較例１の試験グリースを封入したときの耐久寿命を１とする相対値にて表１に示す。
【００４４】
【表１】
【００４５】
表１より、本発明に従い、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、マグネシウム化合物または気化性防錆剤を含有するグリース組成物を封入することにより、耐久性が２倍以上に向上することがわかる。
【００４６】
（酸化マグネシウムの含有量の検証）
４０℃における動粘度が２７０ｍｍ２／ｓのパーフルオロアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で増ちょうしたベースグリースに、添加量を変えて酸化マグネシウムを変えて試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度はＮＬＧＩ Ｎｏ．２に調整した。そして、試験グリースを下記に示す（１）防錆試験及び（２）音響試験に供した。
【００４７】
（１）防錆試験
試験軸受として日本精工（株）製ゴムシール付き密封玉軸受「６２０２（内径１５ｍｍ、外径３５ｍｍ、幅１１ｍｍ）」を用い、試験グリースを２．４ｇ封入した後、１８００ｍｉｎ−１で３０秒間ならし回転した。その後、試験軸受内に０．０５質量％塩水を０．１ｃｃ注入し、再び１８００ｍｉｎ−１で３０秒間ならし回転した。次いで、試験軸受を８５℃、９０％ＲＨに保持した恒温恒湿槽内に４８時間放置した後、分解して軌道面の錆の発生状況を目視にて観察した。評価基準は以下に示すとおりであり、実用面から、評価点１〜２点が合格である。
評価点 錆の種類
１点 ： 錆無し
２点 ： しみ錆
３点 ： 点錆
４点 ： 小錆
５点 ： 中錆
６点 ： 大錆
７点 ： 極大錆
【００４８】
（２）音響試験
試験軸受として日本精工（株）製ソリッド型針状ころ軸受「ＬＭ２５１２（内径２０ｍｍ、外径３２ｍｍ、幅１２．１ｍｍ）」を用い、試験グリースをフルパックし、１８００ｍｉｎ−１で１８０秒間回転させた後の音響をアンデロンメータで測定した。
【００４９】
防錆試験及び音響試験の結果を図７にグラフ化して示すが、酸化マグネシウムの含有量が増加するの従い防錆性能は高まるが、音響性能に劣るようになる。これは、酸化マグネシウムが固体微粒子のままグリース組成物中に存在し、その含有量が多くなると異物として作用することによる。しかし、酸化マグシウムの含有量が０．５〜３．０質量％の範囲であれば、防錆性能及び音響性能にバランス良く優れるようになり、特に０．７〜１．５質量％の範囲が好ましい。
【００５０】
（気化性防錆剤の含有量の検証）
４０℃における動粘度が２７０ｍｍ２／ｓのパーフルオロアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で増ちょうしたベースグリースに、添加量を変えてベンゾトリアゾールを変えて試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度はＮＬＧＩ Ｎｏ．２に調整した。そして、試験グリースを上記と同様の（１）防錆試験及び（２）音響試験に供した。
【００５１】
防錆試験及び音響試験の結果を図８にグラフ化して示すが、ベンゾトリアゾールの含有量は０．０５〜１．０質量％が好ましく、０．１〜１．５質量％がより好ましく、０．１〜０．５質量％が最適であることがわかる。
【００５２】
（基油動粘度の検証）
更に、適正な基油動粘度範囲を規定するために、実施例１の配合に従い基油動粘度を変化させて試験グリースを調製した。そして、上記と同様にして耐久寿命を測定した。結果を、比較例１の試験グリースを封入したときの耐久寿命を１とする相対値にて図９に示す。
【００５３】
図９より、４０℃における動粘度が２０〜４００ｍｍ２／ｓで軸受寿命が引用例１の２倍以上で良好な結果を示しており、更に３０〜３００ｍｍ２／ｓが好ましく、特に６５〜２００ｍｍ２／ｓが最適で軸受寿命比を３倍以上にすることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、マグネシウム化合物または気化性防錆剤を含有するグリース組成物を封入することにより耐熱性能及び防錆性能に優れ、長寿命の燃料電池システム用転がり軸受が得られる。また、この転がり軸受を具備する圧送機は、水蒸気が侵入した場合でも安定した作動が確保される。更に、この型圧送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】本発明に係る圧送機（スクロール型圧送機）の一例を示す断面図である。
【図４】本発明に係る圧送機（スクロール型圧送機）の他の例を示す断面図である。
【図５】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】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】実施例で得られた、酸化マグネシウムの含有量と、防錆性能または音響性能との関係を示すグラフである。
【図８】実施例で得られた、ベンゾトリアゾールの含有量と、防錆性能または音響性能との関係を示すグラフである。
【図９】実施例で得られた、基油動粘度と軸受寿命比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
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
３０ 針状ころ軸受
３１ 外輪
３２ 針状ころ
３３ 保持器
３５ シール装置
１００ スクロール型圧送機
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、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、これらの気体の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。
【０００７】
また、燃料電池システムでは発電に際して発熱し、更には発電量を高めるために圧送機の輸送量も増えていることから、転がり軸受には耐熱性に優れることも要求されている。そのため従来では、耐熱性を考慮して、ウレア化合物やリチウムコンプレックス石けんを増ちょう剤とし、ポリオールエステル系合成油やアルキルジフェニルエーテル油を基油とし、更に各種の添加剤を含有するグリース組成物を転がり軸受に封入している。しかし、これらのグリース組成物は概して蒸気圧が高く、また添加剤の中には燃料電池スタックの触媒毒となり得る成分も含まれていることから、触媒毒の発生減となる可能性も高い。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、耐熱性並びに防錆性能に優れ、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。
【０００９】
【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、封入するグリース組成物の基油にパーフルオロアルキルエーテルを用い、増ちょう剤にポリテトラフルオロエチレンを用いることにより耐熱性の向上と揮発性の低下が図られ、更に酸化マグネシウムや気化性防錆剤を添加することにより防錆性能が改善されることを見出した。本発明は、このような知見に基づくものである。
【００１０】
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転がり軸受であって、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、かつ防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有するグリース組成物を封入したことを特徴とする燃料電池システム用転がり軸受
（２）上記（１）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
（３）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（２）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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
（燃料電池システム用転がり軸受）
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。
【００１２】
上記の各針状ころ軸受３０は、燃料電池システム用圧送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。
【００１３】
また、上記の各針状ころ軸受３０には、潤滑のためにグリース組成物が封入される。本発明において、グリース組成物は、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有する。パーフルオロアルキルエーテルは、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等を避けるために、４０℃における動粘度が２０〜４００ｍｍ２／ｓ、更に３０〜３００ｍｍ２／ｓ、特に６５〜２００ｍｍ２／ｓであることが好ましい。また、グリース組成物の流動性の観点から、混和ちょう度としてＮＬＧＩ（ＡＳＴＭ）に規定された等級でＮｏ．１〜２となるように、パーフルオロアルキルエーテルとポリテトラフルオロエチレンとの混合比を選択することが好ましい。
【００１４】
マグネシウム化合物は無機系のマグネシウム化合物であり、マグネシウムの酸化物、塩化物、ふっ化物、ほう化物、窒化物、硫化物等を挙げることができる。具体的には、酸化マグネシウム、モリブデン酸マグネシウム、スズ酸マグネシウム、チタン酸マグネシウム、タングステン酸マグネシウム、ジルコン酸マグネシウム、アルミン酸マグネシウム、無水塩化マグネシウム、無水ふっ化マグネシウム、ほう化マグネシウム、窒化マグネシウム、硫化マグネシウム等である。また、マグネシウム・鉄酸化物（例えば、マグネシウム・フェライト）やドロマイト（ＭｇＣＯ３ ・ＣａＣＯ３ ）のように他の元素との混合酸化物や混合塩化物、混合ふっ化物、混合ほう化物、混合窒化物、混合硫化物でも構わない。これらの中では、酸化マグネシウム、ジルコン酸マグネシウムが、錆止め性能の観点から特に好ましい。また、マグネシウム化合物の含有量は、グリース全量の０．５〜３．０質量％が好ましく、特に０．７〜１．５質量％が好ましい。マグネシウム化合物の含有量が０．５質量％未満では錆止め効果が充分でなく、含有量が３．０質量％より多量の場合には、増量による錆止め効果の増加が見られずコストメリットが無いばかりか、潤滑性能（例えば、音響性能）に悪影響を与えるため好ましくない。
【００１５】
気化性防錆剤としては、例えばベンゾトリアゾール、メチルベンゾトリアゾール、ジシクロヘキシルアンモニウムナイトライト（ＤＩＣＨＡＮ）、シクロヘキシルアミンカーバメイト（ＣＨＣ）、ジイソプロピルアンモニウムナイトライト（ＤＩＰＡＮ）、ニトロナフタリンアンモニウムナイトライト（ＮＩＴＡＮ）、ジシクロヘキシルアンモニウムカプリレート、シクロヘキシルアンモニウムラウレート等が挙げられ、特にベンゾトリアゾール、メチルベンゾトリアゾール等のトリアゾール系化合物並びにジシクロヘキシルアンモニウムナイトライトが好ましい。また、気化性防錆剤の含有量は、グリース全量の０．０５〜１．０質量％が好ましく、特に０．１〜０．５質量％が好ましい。気化性防錆剤の含有量が０．０５質量％未満では錆止め効果が充分でなく、含有量が１．０質量％より多量の場合には、増量による錆止め効果の増加が見られずコストメリットが無いばかりか、潤滑性能（例えば、音響性能）に悪影響を与えるため好ましくない。
【００１６】
また、マグネシウム化合物及び気化性防錆剤は、それぞれ単独で使用してもよいが、両者を併用することでより一層の錆止め性能が得られる。そのときのマグネシウム化合物と気化性防錆剤との混合割合は特に制限されるものではないが、錆止め効果は実質的にマグネシウム化合物からなる防食性被膜が担い、気化性防錆剤はそれ自身の防錆作用よりも前記防錆性被膜の補強を行う作用の方が大きいと考えられることから、マグネシウム化合物の割合が大きい方が好ましい。
【００１７】
更に、グリース組成物には、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。
【００１８】
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、長鎖脂肪酸系の油性剤、硫黄系やリン系の無灰系極圧剤が挙げられる。
【００１９】
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。
【００２０】
上記の如く構成される本発明の燃料電池システム用転がり軸受は、封入したグリース組成物が耐熱性に優れ、低揮発性であり、更には防錆性能や耐腐食性能等にも優れることから、長寿命となる。
【００２１】
（燃料電池システム用圧送機）
本発明は、上記の燃料電池システム用転がり軸受を組み込んだ圧送機を提供する。図３は、スクロール型圧送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送機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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このスクロール型圧送機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。
【００２８】
また、スクロール型圧送機として図４に示す構成のものも知られている。図示されるスクロール型圧送機１４０において、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。その他の構成及び作用については、図３に示したスクロール型圧送機１００と同様であり、同一の部位には同一の符号を付してある。
【００３１】
上記の如く構成される本発明の燃料電池システム用圧送機は、針状ころ軸受が耐熱性や防錆性能、耐腐食性等に優れることから、長期にわたり安定して作動する。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【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。
【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。
【００３６】
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。
【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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
本発明の燃料電池システムは、上記した圧送機が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。
【００４１】
【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。
【００４２】
（実施例１〜７、比較例１〜２）
表１に示すように、４０℃における動粘度が２７０〜３００ｍｍ２／ｓのパーフルオロアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で増ちょうし、マグネシウム化合物または気化性防錆剤を添加して実施例１〜７の試験グリースを調製した。また、ポリオールエステル（４０℃における動粘度が２７０ｍｍ２／ｓ）をジウレア化合物で増ちょうし、防錆剤としてバリウムスルフォネートを添加して比較例１の試験グリースを調製した。更に、ポリオールエステル油（４０℃における動粘度が１００ｍｍ２／ｓ）をリチウムコングレックス石けんで増ちょうし、防錆剤としてバリウムスルフォネートを添加して比較例２の試験グリースを調製した。尚、何れの試験グリースも、混和ちょう度がＮＬＧＩ Ｎｏ．２となるように調整した。
【００４３】
そして、日本精工（株）製ソリッド型針状ころ軸受「ＬＭ２５１２（内径２０ｍｍ、外径３２ｍｍ、幅１２．１ｍｍ）」に試験グリースをフルパックし、１８００ｍｉｎ−１で１８０秒間回転させた後、簡易型軸受回転試験機にて耐久試験を行い、耐久寿命を測定した。試験条件は、雰囲気温度２２０℃、ラジアル荷重９８Ｎ、回転速度８０００ｍｉｎ−１とした。結果を、比較例１の試験グリースを封入したときの耐久寿命を１とする相対値にて表１に示す。
【００４４】
【表１】
表１より、本発明に従い、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、マグネシウム化合物または気化性防錆剤を含有するグリース組成物を封入することにより、耐久性が２倍以上に向上することがわかる。
【００４６】
（酸化マグネシウムの含有量の検証）
４０℃における動粘度が２７０ｍｍ２／ｓのパーフルオロアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で増ちょうしたベースグリースに、添加量を変えて酸化マグネシウムを変えて試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度はＮＬＧＩ Ｎｏ．２に調整した。そして、試験グリースを下記に示す（１）防錆試験及び（２）音響試験に供した。
【００４７】
（１）防錆試験
試験軸受として日本精工（株）製ゴムシール付き密封玉軸受「６２０２（内径１５ｍｍ、外径３５ｍｍ、幅１１ｍｍ）」を用い、試験グリースを２．４ｇ封入した後、１８００ｍｉｎ−１で３０秒間ならし回転した。その後、試験軸受内に０．０５質量％塩水を０．１ｃｃ注入し、再び１８００ｍｉｎ−１で３０秒間ならし回転した。次いで、試験軸受を８５℃、９０％ＲＨに保持した恒温恒湿槽内に４８時間放置した後、分解して軌道面の錆の発生状況を目視にて観察した。評価基準は以下に示すとおりであり、実用面から、評価点１〜２点が合格である。
評価点 錆の種類
１点 ： 錆無し
２点 ： しみ錆
３点 ： 点錆
４点 ： 小錆
５点 ： 中錆
６点 ： 大錆
７点 ： 極大錆
【００４８】
（２）音響試験
試験軸受として日本精工（株）製ソリッド型針状ころ軸受「ＬＭ２５１２（内径２０ｍｍ、外径３２ｍｍ、幅１２．１ｍｍ）」を用い、試験グリースをフルパックし、１８００ｍｉｎ−１で１８０秒間回転させた後の音響をアンデロンメータで測定した。
【００４９】
防錆試験及び音響試験の結果を図７にグラフ化して示すが、酸化マグネシウムの含有量が増加するの従い防錆性能は高まるが、音響性能に劣るようになる。これは、酸化マグネシウムが固体微粒子のままグリース組成物中に存在し、その含有量が多くなると異物として作用することによる。しかし、酸化マグシウムの含有量が０．５〜３．０質量％の範囲であれば、防錆性能及び音響性能にバランス良く優れるようになり、特に０．７〜１．５質量％の範囲が好ましい。
【００５０】
（気化性防錆剤の含有量の検証）
４０℃における動粘度が２７０ｍｍ２／ｓのパーフルオロアルキルエーテル（ＰＦＰＥ）をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で増ちょうしたベースグリースに、添加量を変えてベンゾトリアゾールを変えて試験グリースを調製した。尚、混和ちょう度はＮＬＧＩ Ｎｏ．２に調整した。そして、試験グリースを上記と同様の（１）防錆試験及び（２）音響試験に供した。
【００５１】
防錆試験及び音響試験の結果を図８にグラフ化して示すが、ベンゾトリアゾールの含有量は０．０５〜１．０質量％が好ましく、０．１〜１．５質量％がより好ましく、０．１〜０．５質量％が最適であることがわかる。
【００５２】
（基油動粘度の検証）
更に、適正な基油動粘度範囲を規定するために、実施例１の配合に従い基油動粘度を変化させて試験グリースを調製した。そして、上記と同様にして耐久寿命を測定した。結果を、比較例１の試験グリースを封入したときの耐久寿命を１とする相対値にて図９に示す。
【００５３】
図９より、４０℃における動粘度が２０〜４００ｍｍ２／ｓで軸受寿命が引用例１の２倍以上で良好な結果を示しており、更に３０〜３００ｍｍ２／ｓが好ましく、特に６５〜２００ｍｍ２／ｓが最適で軸受寿命比を３倍以上にすることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、マグネシウム化合物または気化性防錆剤を含有するグリース組成物を封入することにより耐熱性能及び防錆性能に優れ、長寿命の燃料電池システム用転がり軸受が得られる。また、この転がり軸受を具備する圧送機は、水蒸気が侵入した場合でも安定した作動が確保される。更に、この型圧送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】本発明に係る圧送機（スクロール型圧送機）の一例を示す断面図である。
【図４】本発明に係る圧送機（スクロール型圧送機）の他の例を示す断面図である。
【図５】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】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】実施例で得られた、酸化マグネシウムの含有量と、防錆性能または音響性能との関係を示すグラフである。
【図８】実施例で得られた、ベンゾトリアゾールの含有量と、防錆性能または音響性能との関係を示すグラフである。
【図９】実施例で得られた、基油動粘度と軸受寿命比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
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
３０ 針状ころ軸受
３１ 外輪
３２ 針状ころ
３３ 保持器
３５ シール装置
１００ スクロール型圧送機
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 (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の前記圧送機に組み込まれる転がり軸受であって、
パーフルオロアルキルエーテルを基油とし、ポリテトラフルオロエチレンを増ちょう剤とし、かつ防錆剤としてマグネシウム化合物及び気化性防錆剤の少なくとも一方を含有するグリース組成物を封入したことを特徴とする燃料電池システム用転がり軸受。 - グリース組成物におけるマグネシウム化合物の含有量が、グリース全量の０．５〜３．０質量％であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム用転がり軸受。
- グリース組成物における気化性防錆剤の含有量が、グリース全量の０．０５〜１．０質量％であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム用転がり軸受。
- 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。
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