JP2004278695A - 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

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 PDF

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Abstract

【課題】防錆性能に優れ、酸性物質が存在するような雰囲気での使用に好適で、耐焼付き性能も良好な転がり軸受、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。
【解決手段】内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を転動自在に保持し、フッ素系潤滑油にフッ素系増ちょう剤及びフッ素系界面活性剤を配合してなるグリース組成物を封入した転がり軸受、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、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。また、水素燃料を循環させて再利用する燃料電池システムでは、電解質から酸やアルカリが遊離し、メタノールやメチルエーテル等の改質ガスを用いる燃料電池システムでは、副次的に生成した一酸化炭素や二酸化炭素を除去する必要がある。
【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、水分や賛成物質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、転がり軸受には潤滑性能に加えて防錆性能に優れることが要求されている。
【0007】
また、発電量の増加の要望に対応して圧送機はより高速化、高性能化が求められており、転がり軸受も高速、高荷重下で回転されることから、耐熱性に優れることも要求されている。そのため、圧送機に組み込まれる転がり軸受では、耐熱性に優れるフッ素系グリースやシリコーン系グリースが多用されているが、軌道面や転動体表面は、基油であるフッ素系潤滑油やシリコーン系潤滑油よりも水との親和性が高いため、水分が侵入すると、水分が軌道面や転動体表面に吸着してグリース漏れが起こり易くなる。更に、防錆性能を付与するために、フッ素系グリースやシリコーン系グリースに防錆剤を配合することも考えられるが、防錆性能に優れるスルホン酸金属塩やコハク酸誘導体は、基油であるフッ素系潤滑油やシリコン系潤滑油に溶解し難いため、配合量を多くすることができず、十分な防錆性能を付与できていない。
【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、防錆性能に優れ、酸性物質が存在するような雰囲気での使用に好適で、耐焼付き性能も良好な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、フッ素系グリース組成物に、フッ素系界面活性剤を添加することで、水分が侵入しても軌道面と転動体表面との間に良好なフッ素系潤滑油の油膜が形成され、更に従来フッ素系グリース組成物に使用できなかった各種添加剤も添加可能になり、これを封入した転がり軸受は、防錆性能が向上し、酸性物質が存在する雰囲気での使用にも適したものとなることを知見した。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)内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を転動自在に保持し、フッ素系潤滑油にフッ素系増ちょう剤及びフッ素系界面活性剤を配合してなるグリース組成物を封入したことを特徴とする転がり軸受
(2)グリース組成物において、基油がパーフルオロポリエーテル油で、増ちょう剤がポリテトラフルオロエチレンであり、フッ素系界面活性剤が分子中に炭素原子とフッ素原子とを1:2〜2:1の割合で含み、かつグリース全量の0.2〜10質量%配合されることを特徴とする上記(1)記載の転がり軸受
(3)酸性物質が存在する雰囲気で使用されることを特徴とする上記(1)または(2)記載の転がり軸受
(4)上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の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
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。
【0012】
〔転がり軸受〕
本発明において、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、後述されるグリース組成物(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、グリース組成物の封入量は、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。
【0013】
グリース組成物は、フッ素系潤滑油を基油とし、フッ素系増ちょう剤とフッ素系界面活性剤とを含む。フッ素系潤滑油には制限が無く、従来よりフッ素系グリースに使用されているのを使用できるが、パーフルオロポリエーテル油、フルオロシリコーン油、クロロパーフルオロエーテル油、フルオロフォスファゼン油等を好適に使用でき、特にパーフルオロポリエーテル油が潤滑性や耐熱性に優れることから好適である。また、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、20℃における動粘度が10〜2000mm/sであることが好ましい。
【0014】
また、フッ素系増ちょう剤も従来よりフッ素系グリースに使用されているものを使用できるが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のパーフルオロ系フッ素樹脂が好ましく、特にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が高温安定性や耐薬品性が優れているため好ましい。フッ素系増ちょう剤の配合量は特に制限されるものでは無く、一般的なフッ素系グリースと同様にグリース全量の5〜35質量%が適当である。また、混和ちょう度は、200〜350が適応である。
【0015】
フッ素系界面活性剤としては、Rf−OHで表されるフルオロアルコール、Rf−COO−RやRf−COO−Rfで表されるフルオロエステル、Rf−OCO−RやRf−OCO−Rfで表されるフルオロアクリレート、Rf−COOHで表されるフルオロカルボン酸、Rf−NHで表されるフルオロアミン等を好適に使用できる。尚、式中のRfはフッ素原子を含有する炭化水素基、Rは炭化水素基を示し、更にRf及びRはその分子鎖中に酸素原子や窒素原子、硫黄原子等(所謂、エーテル結合やアミド結合)を有してもよい。
【0016】
中でも、分子中に炭素元素とフッ素元素とを1:2〜2:1の割合で含むフッ素系界面活性剤が好ましく、例えば3−ヒドロキシ−2−(トリフルオロメチル)プロピオン酸(HOCHCH(CF)COOH;沸点97℃/2.5mmHg))、α−トリフルオロメチルアクリル酸(CFC(COOH)=CH;沸点86℃/35mmHg)、パーフルオロ−n−ペンタン酸(n−CCOOH;沸点82℃/85mmHg))、(パーフルオロ−n−ブチル)メタノール(n−CCHOH;沸点77℃/173mmHg)、2−(パーフルオロ−n−ブチル)エタノール(n−CCHCHOH;沸点142℃)、(パーフルオロ−n−ヘキシル)メタノール(n−C13CHOH;沸点67℃/29mmHg)、3−(ペーフルオロ−n−ブチル)プロピル−2−エノール(n−CCH=CHCHOH;沸点77℃/30mmHg)、パーフルオロ−n−ヘプタン酸(n−C13COOH;89℃/30mmHg)、パーフルオロ−n−ノナン酸(n−C17COOH;103℃/17mmHg)、(パーフルオロ−n−オクチル)メタノール(n−C17CHOH;沸点84℃/16mmHg)、3−(パーフルオロ−n−ヘキシル)プロピル−2−エノール(n−C13CH=CHCHOH;沸点77℃/10mmHg)等が特に好適である。分子中の炭素原子の比率が大きくなると、フッ素系潤滑油との親和性が低くなる。一方、分子中のフッ素原子の比率が大きくなると、軌道面や転動体表面に侵入水分の被膜ができ易く、潤滑性能が悪化するようになる。
【0017】
更には、Rf−R−COOHで表され、かつ沸点が80℃以上のフッ素系界面活性剤が好ましく、上記に例示したものの中では3−(パーフルオロ−n−オクチル)プロパン酸(n−C17CHCHCOOH)が特に好適である。
【0018】
また、フッ素系界面活性剤の添加量は、グリース全量の0.2〜10質量%が好ましく、1〜8質量%がより好ましく、1〜5質量%が特に好ましい。フッ素系界面活性剤は、軌道面や転動体表面とフッ素系潤滑油との親和性を高めて軌道面と転動体表面との間にフッ素系潤滑油の油膜を形成し易くし、更に水分が侵入してもこのフッ素系潤滑油の油膜を維持し、結果として防錆性能や耐焼付き性を高める作用を奏する。そのため、フッ素系界面活性剤の添加量が0.2質量%未満では、このような効果が期待できない。一方、10質量%を超える場合は、基油及び増ちょう剤が相対的に少なくなり、潤滑性能が低下して耐焼付き性が低下するようになる。
【0019】
更に、グリース組成物には、必要に応じて各種の添加剤を添加することができる。しかも、従来よりフッ素系グリースに使用されている添加剤は勿論のこと、フッ素系界面活性剤の作用により、従来ではフッ素系グリースに使用されない添加剤を使用することができ、更には添加量が極く僅かであった添加剤についてもその添加量を大幅に高めることができる。
【0020】
例えば、防錆性能に優れるスルホン酸金属塩やコハク酸エステルを、他のグリースと同等量添加することができ、防錆性能を更に向上させることができる。また、ジチオカルバミン酸亜鉛、ジチオカルバミン酸モリブデン、ジチオカルバミン酸テルル、ジチオカルバミン酸アンチモン、ジチオカルバミン酸セレン、ジチオカルバミン酸鉄、ジチオカルバミン酸銅、ジチオリン酸亜鉛、ジチオリン酸モリブデン、ジチオリン酸アンチモン、オクチル酸鉄、ナフテン酸銅、ジブチルスズサルファイド、フェネート、ホスフェート等の極圧斎や摩耗防止剤も他のグリースと同等量添加することができる。
【0021】
但し、金属元素は燃料電池スタックの触媒毒となり得ることから、特にグリースが気散し易い箇所で使用される場合は、金属元素を含有しない添加剤を使用することが好ましい。
【0022】
本発明の転がり軸受は、封入したグリース組成物がフッ素系界面活性剤の作用により防錆性能や耐焼付き性能に優れ、酸性物質が存在する雰囲気での使用が可能であり、例え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として好適である。
【0023】
〔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。以下に各圧送機を例示する。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
図4に示される両斜板式圧送機160は、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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
図5に示すスクリュー型圧送機220は、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4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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
上記の各圧送機は、組み込まれている転がり軸受が、防錆性能や耐水性能に優れ、耐酸性も良好であることから、長期にわたり安定して作動する。
【0044】
〔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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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の回転速度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。
【0052】
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。
【0053】
【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限定されるものではない。
【0054】
市販の無添加フッ素系グリース(デュポン社(株)製「クライトクスGPL203」、20℃における基油動粘度80mm/s)をベースグリースとし、表1に示すように、フッ素系界面活性剤(3−(パーフルオロ−n−オクチル)プロパン酸)、酸化マグネシウム粉末またはベンゾトリアゾールを添加して3段ロールミルで均一に混合し、更にking社製「Nasul BSN」(スルホン酸バリウム)を添加して3段ロールミルで均一に混合して実施例及び比較例の各試験グリースを調製した。そして、試験グリースを下記に示す(1)焼付き耐久試験及び(2)防錆試験に供した。
【0055】
(1)焼付き耐久試験
日本精工(株)製接触型密封シール付き玉軸受「6204DD」(内径20mm、外径47mm、幅14mm;図1参照)に、試験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た。そして、図8に示す試験装置を用いて焼付き耐久試験を行った。図示される試験装置は、回転用シャフト360を一対の支持用軸受362で支持し、その中間部に試験軸受361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、外輪温度220℃、ラジアル荷重98N、アキシアル荷重98N、内輪回転速度5000min−1の条件で試験軸受361を連続回転させ、外輪温度が230℃に上昇した時点を焼付きと判断し、それまでの回転時間を求めた。結果を表1に示すが、ベースグリースのみでの焼付き耐久時間を10とする相対値で示してある。
【0056】
(2)防錆試験
日本精工(株)製非接触型密封シールド付き玉軸受「6303ZZ」(内径17mm、外径47mm、幅14mm)に、試験グリースを空間容積の50%を占めるように封入して試験軸受を作製した。そして、ASTM D 1743に準じて、試験軸受を1800min−1で30秒間ならし回転した後、注射器で0.5%塩水を0.5mL軸受内部に注入し、再び1800min−1で30秒間ならし回転した。次いで、試験軸受を90℃、95%RHに保持した恒湿恒温槽内に96時間放置した後、分解して軌道面の錆の発生状況を肉眼で観察した。錆の発生状況を3段階(錆なし、中錆、大錆)に分けて判断した。結果を表1に示す。
【0057】
【表1】
Figure 2004278695
【0058】
表1より、実施例の試験グリースを封入した試験軸受は、比較例の試験軸受に比べて焼付き耐久時間は遜色が無く、防錆性能は格段に優れている。
【0059】
(3)フッ素系界面活性剤の添加量の検証
実施例5の配合において、フッ素系界面活性剤(3−(パーフルオロ−n−オクチル)プロパン酸)の添加量を変えて試験グリースを調製し、上記の(1)焼付き耐久試験及び(2)防錆試験に供した。結果を図9にグラフ化して示す。
【0060】
図9より、フッ素系界面活性剤の添加量が増加するのに従い、防錆性能が向上するものの、焼付き時間が低下するようになる。そのため、防錆性能と耐焼付き性能とを両方満足するには、フッ素系界面活性剤の添加量の上限をグリース全量の10質量%以下とすることが好ましく、8質量%以下がより好ましく、5質量%以下が特に好ましい。また、下限値についてはグリース全量の0.2質量以上が好ましく、1質量%以上がより好ましい。即ち、本発明においては、フッ素系界面剤の添加量をグリース全量の0.2〜10質量%とすることが好ましく、1〜8質量%がより好ましく、1〜5質量%が特に好ましい。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、防錆性能に優れ、酸性物質が存在するような雰囲気での使用に好適で、耐焼付き性能も良好な転がり軸受が得られる。また、この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、並びにこの圧送機を具備し、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が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の転がり軸受の一例(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、焼付き耐久試験に用いた試験装置を示す概略図である。
【図9】実施例において、フッ素系界面活性剤の添加率と、防錆試験結果及び焼付き時間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
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 (5)

  1. 内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を転動自在に保持し、フッ素系潤滑油にフッ素系増ちょう剤及びフッ素系界面活性剤を配合してなるグリース組成物を封入したことを特徴とする転がり軸受。
  2. グリース組成物において、基油がパーフルオロポリエーテル油で、増ちょう剤がポリテトラフルオロエチレンであり、フッ素系界面活性剤が分子中に炭素原子とフッ素原子とを1:2〜2:1の割合で含み、かつグリース全量の0.2〜10質量%配合されることを特徴とする請求項1記載の転がり軸受。
  3. 酸性物質が存在する雰囲気で使用されることを特徴とする請求項1または2記載の転がり軸受。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載の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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