JP2007271075A - 水素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面における焼き付きを抑える水素供給システムを提供する。
【解決手段】水素供給システムは、水素消費部に水素ガスを供給する水素供給源と、水素供給源に接続され摺動面を備える機械要素とを具備する。機械要素の摺動面には、２００℃における蒸気圧が１×１０^−２Ｐａ以下に設定されている基油を主要成分とする潤滑グリース１００が塗布されている。
【選択図】図３

Description

本発明は水素消費部に水素ガスを供給する水素供給システムに関する。

従来、水素ガスを供給する水素供給源としての水素タンクと、水素タンクに接続され水素タンクからの水素ガスが通過可能な流路を形成する機械要素とを備える水素供給システムが知られている（特許文献１）。機械要素は摺動面を備える。摺動面は、水素脆性に対して耐久性を有する金属で形成されている。このような金属としては、ＪＩＳ−ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼、Ａ６０６１−Ｔ６等のアルミニウム合金が挙げられる。これにより機械要素を構成する摺動面における水素脆性に対する耐久性が向上している。
特開２００５−２３９７５号公報

上記した水素供給システムによれば、水素脆性に対する耐久性が向上しているものの、このような金属は摺動性が充分ではない。使用条件によっては、摺動面の母材において焼き付きが発生する可能性がある。また、水素ガスが高圧である場合には、通過する高圧の水素ガスの経路に潤滑グリースが存在するとき、高圧の水素ガスにより潤滑グリースの基油が蒸発したり、物理的に飛ばされたりすることも考えられる。この場合、摺動面の母材の焼き付きが一層発生し易いおそれがある。上記した事情により本発明は開発されたものであり、摺動面における焼き付きを抑えることができる水素供給システムを提供する。

様相１の水素供給システムは、水素消費部に水素ガスを供給する水素供給源と、水素供給源に接続され水素ガスを吐出するアウトポートを備えると共に摺動面を備える機械要素とを具備する水素供給システムにおいて、機械要素の摺動面には、２００℃における蒸気圧が１×１０^−２Ｐａ以下に設定されている基油を主要成分とする潤滑グリースが塗布されていることを特徴とする。潤滑グリースは基油に増ちょう剤（一般的には微粒子）を添加したものである。基油としては、炭化フッ素系、フッ素系、炭化水素系、非炭化水素系が用いられるが、化学的安定性が高い炭化フッ素系、フッ素系が好ましい。潤滑グリースの基油の蒸気圧が上記したように低いため、基油の蒸発が抑制される。このため機械要素の摺動面に基油が残留し易くなり、摺動面における焼き付きが抑制される。

様相２の水素供給システムは、水素ガスを供給する水素供給源と、水素供給源に接続され水素ガスを吐出するアウトポートを備えると共に摺動面を備える機械要素とを具備する水素供給システムにおいて、機械要素の摺動面には潤滑グリースが塗布されており、潤滑グリースは、基油と、基油に分散されたフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子とを主要成分として包含することを特徴とする。フッ素系高分子樹脂ポリマーは、摩擦係数が低くて固体潤滑性を有する。潤滑グリースの基油が蒸発したり、あるいは、水素ガスの通過により潤滑グリースの基油が物理的に飛ばされたとしても、固体潤滑性を有するフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子が、摺動面になじんで残留する頻度が確保される。当該微粒子は固相であるため、液相の基油に比較して、摺動面の微小凹凸に機械的に係合し易いからである。このため、使用期間が長期にわたったとしても、あるいは、基油の蒸発または飛散が進行したとしても、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子による固体潤滑性が確保され、機械要素の摺動面における焼き付きが抑制される。

水素供給システムは、水素ガスを供給する水素供給源と、水素供給源に接続され水素ガスを吐出するアウトポートを備えると共に摺動面を備える機械要素とを備えている。水素供給源は、高圧水素ガス等の水素ガスを貯蔵する水素タンクが挙げられる。水素タンクは、水素ガスを貯蔵する水素タンク方式、液化水素を貯蔵する方式、水素吸蔵合金を貯蔵する方式でも良い。水素タンク方式のタンク圧は最高圧で例えば５０ＭＰａ、９０ＭＰａにできる。機械要素としては弁装置、ポンプ装置が挙げられるが、何でも良い。機械要素は摺動面を備える。摺動面としては可動側でも固定側でも良い。アウトポートは水素ガスを吐出するポートである。

様相１によれば、機械要素の摺動面には、２００℃における蒸気圧が１×１０^−２Ｐａ以下に設定されている基油を主要成分とする潤滑グリースが塗布されている。基油の蒸気圧が低いため、使用期間が長期化しても基油の蒸発が抑制され、機械要素の摺動面における焼き付きが抑制される。蒸気圧を２００℃で規定したのは、摺動部における局所的な温度上昇を考慮したものである。この場合、２００℃における蒸気圧が１×１０^−３Ｐａ以下（または１×１０^−４Ｐａ以下）に設定されている基油を主要成分とする潤滑グリースが塗布されていても良い。なお、使用される環境温度が低い方が蒸気圧が低いため、マイナス５０℃からプラス２０℃までの温度領域では、基油の蒸気圧は１×１０^−５Ｐａ以下であることが好ましい。

様相２によれば、機械要素の摺動面には潤滑グリースが塗布されており、潤滑グリースは、基油と、基油に分散されたフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子とを主要成分として包含する。潤滑グリースを１００質量％とするとき、固体潤滑剤粒子の総和は１質量％以下と少なく設定されており、具体的には、二硫化モリブデンの粒子および／またはカーボン粒子の総和が１質量％以下に設定されていることが好ましい。二硫化モリブデンの粒子は固体潤滑剤として良く使用されるものであるが、水素消費部が燃料電池システムであるときには、二硫化モリブデンは燃料電池の発電性能に悪影響を与えるおそれがある。黒鉛粉末粒子等のカーボン粒子については、固体潤滑グリースとして良く使用されるものであるが、カーボン粒子は、ＳＵＳ３１６Ｌ等といった水素脆性に対して耐久性を有する金属の内部に炭素成分が浸透して金属を脆くするおそれがある。このため二硫化モリブデンおよび／またはカーボン粒子の総和は、０．５質量％以下が好ましく、より好ましくは０．１質量％以下、０．０１質量％以下が好ましい。実質的に０質量％設定されていることがより好ましい。

機械要素の摺動面において、潤滑グリースが塗布されている領域は、Ｒａで３．２μｍ以下に設定されていることが好ましい。好ましくは、Ｒａで１．６μｍ以下に設定されていることが好ましい（０．１〜１．６μｍ）。上記した表面粗さであると、フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子が１次粒子としてまたは凝集して２次粒子として、摺動面から微視的に露出することを期待できる。潤滑グリースが塗布される塗布量が多いと、潤滑グリースの飛散する量が増加する。潤滑グリースが塗布される塗布量が少ないと、焼き付きが発生するおそれがある。これらの事情を考慮し、潤滑グリースが塗布される塗布量は、１平方ミリメートルあたり２ミリグラムに設定されていることが好ましい。１平方センチメートルあたり２００ミリグラムに設定されていることが好ましい。

フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子は、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）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニリフルオライド（ＰＶＦ）が挙げられ、これらから選ばれる１種または２種以上である形態が例示される。これらは耐熱性、耐寒性、耐候性、耐化学薬品性に優れており、また変形可能である。

フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子は変形できるため、変形により機械要素の摺動面の表面粗さに馴染んで、摺動面に付着して残留することができる。フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子が機械要素の摺動面の表面粗さに馴染んで残留させることを考慮すると、当該微粒子の１次粒子径が５μｍ以下または２μｍ以下であることが好ましい。当該微粒子の１次粒子径としては１．５μｍ以下、１μｍ以下、０．５μｍ以下にできる。なお、微粒子が凝集して２次粒子となることがある。２次粒子径としては５〜１０μｍが考えられるが、これらに限定されるものではない。

好ましくは、機械要素の摺動面は機械加工されており、機械加工で形成された表面粗さを有する領域に潤滑グリースが塗布されている。この場合、切削痕が形成されるため、切削痕の微小凹凸に微粒子が係合して残留し易くなる。切削痕としては、摺動面の軸芯を中心として周方向に沿って形成されていても良いし、摺動面の軸芯に沿って形成されていても良い。この場合、切削痕の微小凹凸に残留するフッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子は、閉弁力等の外力が作用すると、弾性的および／または塑性的に変形することが期待される。このように微小凹部に存在する微粒子が変形すると、隣り同士の微粒子は互いに接近または接触し易くなる。故に、微粒子の弾性変形を利用したシール性が更に向上する。

好ましくは、機械要素の摺動面の少なくとも一方は、金属で形成されており、摺動面の相手側は、微粒子を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーよりも硬い樹脂で形成されている。機械要素が弁装置であれば、弁体を金属、弁体の相手側である弁座を前記樹脂（微粒子を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーよりも硬い樹脂）とすることができる。金属としては、機械要素の摺動面は、耐水素ぜい性を有する金属で形成されていることが好ましい。このような金属としては、オーステナイト系の鋼（ＪＩＳ−ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼）、Ａ６０６１−Ｔ６等のアルミニウム合金が挙げられる。フッ素系高分子樹脂ポリマーよりも硬い樹脂としては、例えばポリアミド、ポリイミド、ポリアセタール、ポリカーボネイト、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。

本発明では、機械要素の摺動面が鉄系である場合には、機械要素の摺動面が窒化処理された窒化処理層を備えており、窒化処理により形成された表面粗さを有する領域に、潤滑グリースが塗布されて存在している形態が例示される。窒化処理層の平均硬さは、機械要素の母材の平均硬さよりも硬く、例えばＨｖ８００〜１５００、特にＨｖ１１００〜１４００が好ましい。これにより摺動面の耐摩耗性が向上し、また、初期なじみ性が向上し、焼き付きが抑えられる。窒化処理としては、ガス窒化法、塩浴窒化法、イオン窒化法を採用できる。殊にガス窒化が好ましい。なかでもフッ化窒化法が好ましい。フッ化窒化法は、フッ化処理とその後の窒化処理とを含む。フッ化処理により摺動面の酸化膜の除去性を高める。フッ化処理は、機械要素の摺動面を所定の温度領域に加熱しつつ、フッ素化合物（ＮＦ_３，ＢＦ_３，ＣＦ_４等）やフッ素（Ｆ_２）を含むガスを摺動面に所定時間（一般的には数分〜数十分）接触させて行う。この場合、次のような反応が生成していると推定される。摺動面に形成されていたＦｅＯ，Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｃｒ_２Ｏ_３等の酸化物が、ＦｅＦ_２，ＦｅＦ_３，ＣｒＦ_２，ＣｒＦ_４となり、これらの化合物を含む薄いフッ化膜が生成される。その後、アンモニア（ＮＨ_３）の分解で生成された窒素を摺動面に浸透させて窒化処理を行うと、上記したフッ化膜は還元または破壊され、活性化された金属の母材が形成されると同時に、活性期の窒素が金属の母材の内部に浸透、拡散していくものと推察される。フッ化処理は３３０〜３７０℃の温度領域で行うことができる。窒化処理は４００〜６００℃の温度領域で行うことができる。上記したフッ化窒化法であれば、窒化処理の温度を幅広い温度範囲で設定可能となる。従って、窒化処理温度をアンモニアの分解反応が起こる最下限温度域まで低下させることが可能となり、機械要素の歪みを抑制することができる。更に上記した窒化処理により機械要素の摺動面の表面粗さが適度に荒れるため、潤滑グリースの構成成分（基油、微粒子）の保持性を向上させることができる。この場合、初期なじみ性を一層高めることができ、更に潤滑グリースの膜切れを抑制することができる。殊に、水素ガスが高圧高速で流れる雰囲気において機械要素の摺動面が使用されるときであっても、摺動面における潤滑グリースの構成成分（基油、微粒子）保持性を確保することができる。水素供給システムにおいて、機械要素のうち、水素雰囲気に晒される摺動面の全部または重要な一部に、上記した窒化処理を施して窒化処理層を形成することができる。

様相１によれば、蒸気圧が低い基油を主要成分とする潤滑グリースが機械要素の摺動面に塗布されているため、使用期間が長期化しても、機械要素の摺動面における焼き付きが抑制される。様相２によれば、潤滑グリースは、基油と、固体潤滑性をもつフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子とを主要成分として包含するため、機械要素の摺動面における焼き付きが抑制される。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について図面を参照して具体的に説明する。本実施形態は燃料電池車に搭載される水素供給システムに適用する。水素供給システムは、図１に示すように、水素ガス（圧力：最高圧１００ＭＰａ）を貯蔵するタンク室１ａを備える水素供給源である水素タンク１と、水素タンク１に組み付けられた基部２とを有する。なお水素ガスは次の特性をもつ。水素ガスは粘性が非常に小さく、空気の約半分であり、比重が軽い。更に水素ガスは比熱が大きく、熱伝導度が高い。また、ガス充填時には、ガス温度が上昇し、ガス放出時にはガス温度が低下するため、広い温度域で使用可能なグリースが必要となる。

図１に示すように、基部２は、電磁弁３と、出口マニュアル弁４と、ガス充填孔５と、ガス充填孔５に連通しタンク室１ａに対面する供給孔６とを備える。電磁弁３は基部２の作動孔２ｈに嵌め込まれている。電磁弁３は、フィルタ３ａと、プランジャ３ｂと、スプリング３ｃと、主弁体３ｄと、主弁座３ｅとを備える。出口マニュアル弁４は、ニードル４ａと、アジャストスクリュー４ｂと、ニードル４ａを付勢するスプリング４ｃと、弁座シート４ｅと、通路孔４ｆを備えるスリーブ４ｈとを有する。図２に示すように、基部２は、水素ガスを水素タンク１に充填するためのインポート２ｉと、水素ガスを燃料電池に向けて吐出するアウトポート２ｏと、水素ガスの圧力を減圧してアウトポート２ｏに供給する減圧弁７と、入口マニュアル弁８と、逆止弁９と、水素ガスの圧力を検知する圧力センサ１０と、非常時に水素ガスを抜き取る圧抜き弁１１と、溶栓弁１４とを備える。水素タンク１に水素ガスを充填する場合には、水素ガスは、図２に矢印Ａ１、矢印Ａ２、矢印Ａ３として示すように、インポート２ｉ、入口マニュアル弁８、逆止弁９、通過孔１２、通過孔１３を順に経てガス充填孔５に至り、更に、図１に矢印Ｂ１、矢印Ｂ２として示すように、ガス充填孔５および供給孔６を経て、水素タンク１のタンク室１ａに供給されて水素タンク１に高圧状態で貯蔵される。これに対して、水素タンク１に貯蔵されている水素ガスを燃料電池に供給する場合には、電磁弁３が開弁する。この場合、水素タンク１のタンク室１ａに貯蔵されている高圧（使用範囲は０．５〜１００ＭＰａ）の水素ガスは、電磁弁３のフィルタ３ａ、主弁体３ｄと主弁座３ｅとの流路、スリーブ４ｈの通過孔４ｆ、出口マニュアル弁４を経て通過孔４ｍに至り、更に図２に示すように通過孔２ｒ、減圧弁７の弁口７ｄ、通過孔２ｔ、２ｕ、アウトポート２ｏを順に経て、更に他の減圧弁９００（図１２参照）を経て燃料電池の水素極に供給される。

減圧弁７の要部を図３に示す。図３の右半分の（Ａ）は減圧弁７が閉弁している状態を示す。図３の左半分の（Ｂ）は減圧弁７が開弁している状態を示す。図３に示すように、減圧弁７は、基部２に搭載された固定筒体であるプラグ７ａと、プラグ７ａの中央孔７ｂに嵌合された可動子である可動弁体７ｃと、ポリアミド樹脂で形成されている弁口７ｄを備える弁座シート７ｅと、可動弁体７ｃを閉弁方向（矢印Ｙ１方向）に付勢するバネ７ｋｏ、バネ座７ｍとを備える。図８は可動弁体７ｃの先端部を示す。図８に示すように、可動弁体７ｃの先端部には、先方に向かうにつれて外径が小さくなる円錐形状となる閉鎖面７ｘを備える。バネ７ｋｏ（図３参照）による閉弁力により、可動弁体７ｃが閉弁方向（矢印Ｙ１方向）に移動すると、可動弁体７ｃの閉鎖面７ｘが弁座シート７ｅの弁口７ｄを区画するシール面７ｋに当たり、減圧弁７の弁口７ｄは閉弁される（図３の（Ａ）、図８参照）。可動弁体７ｃが開弁方向（矢印Ｙ２方向）に移動すると、可動弁体７ｃの閉鎖面７ｘが弁座シート７ｅから離脱し、減圧弁７の弁口７ｄは開弁される（図３の（Ｂ）参照）。

本形態によれば、水素供給システムの所定の摺動面に潤滑グリース１００が存在している。換言すると、図３に示すように、プラグ７ａの中央孔７ｂを形成する内周壁面７ｉ（摺動面に相当）と可動弁体７ｃの外周壁面７ｏ（摺動面に相当）との間には、潤滑グリース１００が介在している。またバネ支持部材７ｆの外周壁面７ｆｉ（摺動面に相当）と第２基部２Ｓの中央孔２ｋの内周壁面２ｋｉ（摺動面に相当）との間にも、潤滑グリース１００が介在している。さらに図３に示すように、可動弁体７ｃ、バネ支持部材７ｆとの間に挟まれるように、これらの可動弁体７ｃ、バネ支持部材７ｆと同軸上に設けられた弁軸７０の外周壁面７０ｐ（摺動面に相当）と弁軸ガイド部材７２の中央孔７３の内周壁面７３ｉ（摺動面に相当）との間にも、潤滑グリース１００が介在している。なお、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す。図４において、プラグ７ａの内周壁面７ｉは円形である。可動弁体７ｃは、ほぼ正方形を基礎とし、その隅部７ｃｏを、前記内周壁面７ｉと嵌合可能な大きさの円形に面取りし、外周壁面７ｏを形成した形状を呈している。弁軸ガイド部材７２（内周壁面）、弁軸７０も同様な形状としている。

図１に示すように、プランジャ３ｂの外周壁面３ｂｏ（摺動面に相当）と作動孔２ｈの内周壁面２ｈｉ（摺動面に相当）との間にも、潤滑グリース１００が介在している。以下、潤滑グリース１００が存在している部位を摺動面と称する。この摺動面は、耐水素脆性を高めるべく、Ｃｒ、ＮｉおよびＦｅを主要成分として含有するオーステナイト系の鋼（ステンレス鋼，例えばＪＩＳ−３１６Ｌ）で形成されている。この潤滑グリース１００の概念形態を図６に模擬的に示す。この潤滑グリース１００は、フッ素系の流動液状の基油１０１と、フッ素系の基油１０１に分散された増ちょう剤として機能するフッ素系高分子樹脂ポリマー（ＰＴＦＥ）で形成された微粒子１０３とを主要成分として形成されている。微粒子１０３は低温状態で機械的・物理的破砕により形成されているが、これに限定されるものではない。なお、微粒子１０３の形状は、図６において球的な粒子形状と模擬化されているが、角形状の粒子形状でも良いし、あるいは、不定形状の粒子形状でも良く、要するに微粒子状であればよい。

フッ素系の基油１０１はパーフルオロポリエーテルとされており、化学的に安定している。微粒子１０３を形成するフッ素系高分子樹脂ポリマーは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とされており、化学的に安定している。このように化学的に安定の潤滑グリースが使用されているので、摺動面に悪影響を与えることが抑制されている。本形態では、この潤滑グリース１００を上記した摺動面に塗布して存在させることで、摺動面のうち金属自体が露出する面積が減少する。従って、摺動面を形成する金属の水素脆性に対する耐久性が向上する。本形態では、フッ素系の基油１０１については、２００℃における蒸気圧が１×１０^−２Ｐａ以下（１×１０^−５Ｐａ以下）に設定されている。そして２０℃から１００℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下と低く設定されている。基油１０１の蒸気圧のデータを図５に示す。このように＋２０℃から＋１００℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下、１×１０^−６Ｐａ以下の低い蒸気圧に設定されている。ここで、１．０Ｅ−０５は、１×１０−５を意味する。使用環境温度が低いほうが基油１０１の蒸気圧は低いため、図５から理解できるように、−５０℃〜＋２０℃における蒸気圧は上記値よりも更に低いものである。この結果、本形態によれば、使用期間が長くなっても潤滑グリース１００の基油１０１の蒸発が抑制されており、長期にわたり摺動面における焼き付きが抑制される。

潤滑グリース１００を１００質量％とするとき、フッ素系の基油１０１（比重：１．８グラム／ｃｍ^３）の割合は６０〜７０質量％とされており、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３（真比重：２．２グラム／ｃｍ^３）の割合は３０〜４０質量％とされている。潤滑グリース１００によれば、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３はかなりの体積割合で含有されている。なお、フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子１０３の１次粒子径は、一般的には、０．３μｍ以下程度とされている。微粒子１０３の２次粒子径は４μｍ以下または２μｍ以下程度とされている。但しこれに限定されるものではない。潤滑グリース１００が塗布されている摺動面は、機械加工されており、その表面粗さは、一般的には、Ｒａで３．２μｍ以下（具体的にはＲａで０．２〜１．６μｍ）に設定されている。この場合、切削痕の微小凹凸が摺動面に形成されている。このように機械加工された表面粗さをもつ摺動面に潤滑グリース１００が塗布されて存在している。従って、潤滑グリース１００の構成成分（基油、微粒子）が摺動面の切削痕の微小凹凸に存在し易くなる利点が得られ、潤滑グリース１００の基油１０１の蒸発が抑制され、摺動面における焼き付きが抑えられる。潤滑グリース１００のフッ素系の基油１０１の蒸気圧は低く設定されているというものの、使用期間が長期化すれば、基油１０１の蒸散が進行する。潤滑グリース１００の基油１０１の大部分または全部が仮に蒸発したとしても、潤滑グリース１００の増ちょう剤としてのフッ素系高分子樹脂ポリマー微粒子１０３は軟質であるため、外力により変形して、摺動面の微小凹凸に馴染んで付着状態に残留するようになっている。図７は潤滑グリース１００の基油１０１の蒸散が進行したときにおいて、微粒子１０３が１次粒子としてまたは凝集して２次粒子の形態で、摺動面の切削痕の表面粗さの微小凹凸に馴染んでいる状態を示す。微粒子１０３を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーは固体潤滑性を有するため、摺動面における焼き付きが抑えられる。

しかして本形態では、図３において、プラグ７ａの摺動面である内周壁面７ｉは、これの軸芯３００回りの周方向に沿って機械加工（切削加工および仕上加工）されている。可動弁体７ｃの摺動面である外周壁面７ｏは、これの軸芯３００回りの周方向に沿って機械加工（切削加工および仕上加工）されている。潤滑グリース１００が塗布されている他の摺動面についても同様に、これの軸芯回りの周方向に沿って機械加工されている。このように機械加工（切削加工および仕上加工）された摺動面は、表面粗さを有している。この場合、切削痕の微小凹凸が摺動面に形成されている。このように機械加工された表面粗さをもつ領域に潤滑グリース１００が塗布されて存在している。従って、潤滑グリース１００が摺動面の切削痕の微小凹凸に存在し易くなる利点が得られ、潤滑グリース１００の基油１０１の蒸発が一層抑制され、摺動面における焼き付きが抑えられる。

本形態では、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３が上記したようなサイズであれば、切削痕で形成される上記した表面粗さの微小凹凸に、微粒子１０３が１次粒子として、または、凝集して２次粒子として、係合して残留し易いといえる。従って、潤滑グリース１００を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３が切削痕に存在しつつ、微粒子１０３が部分的に摺動面の表面粗さの微小凸部から露出し易くなる。このため、潤滑グリース１００の基油１０１の蒸発がかなり進行したときであっても、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３に基づく固体潤滑性が確保され、摺動面の焼き付きが有効に抑えられる。換言すると、図７に模擬的に示すように、プラグ７ａの中央孔７ｂを形成する内周壁面７ｉ、可動弁体７ｃの外周壁面７ｏは、機械加工で形成された微細レベルの切削痕を有する。フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３は、切削痕の凹凸に馴染む。図７に模擬的に示すように、基油１０１の大部分または全部が蒸発したとしても、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３は、摺動面の表面粗さの微小凹凸に、あたかもガム状に付着して残留していることが本発明者によりＸ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ，日本電子製、ＪＸＡ−８８００ＲＬ）で確認されている。この場合、固体潤滑性を有するフッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３により、摺動面における焼き付きが抑制される。なお本形態では、潤滑グリース１００を１００質量％とするとき、二硫化モリブデンおよびカーボン粒子の総和は、実質的に０質量％に設定されており、二硫化モリブデンおよびカーボン粒子による影響が避けられている。また図８に示すように、潤滑グリース１００が可動弁体７ｃの閉鎖面７ｘと弁座シート７ｅの弁口７ｄとの間に介在することがある。この場合、当該部位に潤滑グリース１００を直接的に塗布しても良いし、あるいは、他の部位から飛散した潤滑グリース１００が当該部位に堆積しても良い。

図８は減圧弁７の閉弁時を示す。図８に示すように、可動弁体７ｃの閉鎖面７ｘが弁座シート７ｅに当接すると、可動弁体７ｃの閉鎖面７ｘと弁座シート７ｅとの間に存在する潤滑グリース１００にも閉弁力が作用して潤滑グリース１００が変形する。図９は、可動弁体７ｃの開弁時において、潤滑グリース１００の微粒子１０３が１次粒子または２次粒子として切削痕の微小凹凸にあたかもガム状に付着して残留している概念形態を模擬的に示す。図１０は、閉弁力Ｆ等の外力が潤滑グリース１００に作用していないとき、摺動面の切削痕の微小凹凸に存在する微粒子１０３が１次粒子または２次粒子として存在する概念形態を模擬的に示す。図１１は、閉弁力Ｆ等の外力が潤滑グリース１００に作用したとき、摺動面の切削痕の微小凹凸に存在する微粒子１０３が１次粒子または２次粒子として偏平化するように変形している概念形態を模擬的に示す。偏平化しているので、１次粒子または２次粒子の径ＤＣが増加する。矢印Ｘ方向は軸芯３００の回りの周方向を意味し、矢印Ｙ方向は軸芯３００に沿った方向を意味する。図１０および図１１では微粒子１０３の形状を球形状に単純化させて模擬化しているが、これはあくまでも概念図である。摺動面上の微粒子１０３が閉弁力Ｆ等の外力により変形すると、図１１に示すように、軟質の微粒子１０３の偏平化が進行する。図１１に模擬的に示すように、周方向（矢印Ｘ方向）に並設されている微粒子１０３が変形して偏平化が進行すると、隣り同士の微粒子１０３の間隔ΔＬが小さくなり、互いに接近または接触する確率が増加する。このため、互いに隣接する１次粒子または２次粒子の間隔が狭くなり、微粒子１０３の弾性変形性を利用した当該軸芯３００回りの周方向（矢印Ｘ方向）におけるシール性が向上する。なお、当該軸芯３００に沿った方向（矢印Ｙ方向）におけるシール性も向上する。

しかして本形態では、材料同士の引張強度を比較すると、可動弁体７ｃを構成する材料の引張強度をσ１とし、相手側の弁座シート７ｅを構成する樹脂材料（ポリアミド）の引張強度をσ２とし、微粒子１０３を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーの引張強度をσ３とするとき、σ１＞σ２＞σ３とされている。例えばσ１は４８０ＭＰａ、σ２は７０〜１００ＭＰａ、σ３は１０〜３０ＭＰａにできる。材料同士の硬度を比較すると、可動弁体７ｃを構成する材料の硬度をＨ１とし、弁座シート７ｅを構成する材料の硬度をＨ２とし、微粒子１０３を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーの硬度をＨ３とするとき、Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３とされている。このようにＨ３はＨ１およびＨ２よりも低いため、微粒子１０３を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーの変形を利用したシール性向上効果が確保される。ここで、例えば、Ｈ１はＨｖ１２７〜１５６、Ｈ２はＨＲＣ３２〜５８（ＪＩＳＫ７２０２）、Ｈ３はショアＤ５０〜５５（ＡＳＴＭ Ｄ２２４０）にできる。

水素消費部は燃料電池である。燃料電池は多数の単セルを組み付けて形成されている。単セルを図１２に模擬的に示す。単セルは、固体電解質膜５００を水素極６００と酸化剤極７００とで挟んで形成されている膜電極接合構造体８００と、膜電極接合構造体８００の水素極６００側に配置された水素極用配流要素としてのセパレータ８２０と、膜電極接合構造体８００の酸化剤極７００側に配置された酸化剤極用配流要素としてのセパレータ８４０とを有する。固体電解質膜５００は、プロトン伝導性を有するフッ素系樹脂ポリマー（ナフィオン、パーフルオロスルホン酸樹脂）で形成されている。水素極６００は水素極用触媒層６０１と水素極用ガス透過層６０２とで形成されている。酸化剤極７００は酸化剤極用触媒層７０１と酸化剤料用ガス透過層７０２とで形成されている。水素極用触媒層６０１は、フッ素系樹脂ポリマー（例えばパーフルオロスルホン酸樹脂）で形成されたプロトン伝導体と、導電微小体であるカーボンブラックと、カーボンブラックに担持された微小サイズの触媒金属粒子とを備える。カーボンブラックの１次粒子径は一般的には２０〜１００ナノメートル程度であり、凝集して２次粒子径となっても微細レベルである。酸化剤極用触媒層７０１は、フッ素系樹脂ポリマー（例えばパーフルオロスルホン酸樹脂）で形成されたプロトン伝導体と、カーボンブラックと、カーボンブラックに担持された微小サイズの触媒金属粒子とを備える。水素極用ガス透過層６０２および酸化剤極用ガス透過層７０２は、ガス通過性を有するカーボン系の導電多孔質体である。

発電反応では水が発生する。水は分散浸透するため、酸化剤極７００および水素極６００に存在することになる。水素極用ガス透過層６０２は、水素ガスの流路が水で閉鎖されないように、水素ガスの流路を確保する撥水剤であるフッ素系高分子樹脂ポリマー（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））とカーボンブラックとを包含する。酸化剤極用ガス透過層７０２は、酸化剤ガスの流路が水で閉鎖されないように、酸化剤ガスの流路を確保する撥水剤であるフッ素系高分子樹脂ポリマー（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））とカーボンブラックとを包含する。

前述したように潤滑グリース１００は、フッ素系の基油１０１とフッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３とを主要成分としており、二硫化モリブデン等、カーボン粒子を含有しておらず、または、実質的に含有していない。このため、二硫化モリブデン等を含有する潤滑グリースを用いる場合と異なり、潤滑グリース１００を構成する基油１０１および微粒子１０３が水素供給システムの基部２のアウトポート２ｏから吐出されて燃料電池の水素極６００の内部に仮に進入したとしても、燃料電池の発電反応に影響を与えることが抑制される。しかも微粒子１０３の１次粒子径は０．２μｍ以下程度と小さく、微粒子１０３が凝集して２次粒子となったとしてもμｍオーダと未だ小さいため、燃料電池の水素極６００の水素ガスの流路断面積に与える影響は回避される。

水素極用ガス透過層６０２には、水素ガスの流路断面積を形成するための撥水剤であるフッ素系高分子樹脂ポリマー（一般的にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））が前述したように既に配合されている。仮に、潤滑グリース１００を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３が燃料電池の水素極６００に進入したとしても、潤滑グリース１００の微粒子１０３が水素極６００の水素極用ガス透過層６０２における異物質として作用することが抑制されるばかりか、フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成されている微粒子１０３による撥水効果が水素極６００の水素入口６０５付近において期待される。水素ガスの流路確保に貢献できる。なお、微粒子１０３のサイズは２次粒子となっても微小レベルであるため、サイズ的にも支障がない。

図１２に示すように、燃料電池の燃料極６００の水素入口６０５と水素供給システムのアウトポート２０ｏとの間には、水素ガスを更に減圧する減圧弁９００が設けられている。図１３に示すように、弁装置としての減圧弁９００は、弁口９０１をもつ固体弁部９０２と、弁口９０１を開閉する可動弁体９０３とを備えている。固定弁部９０２は、摺動面となる金属製のシール面９０５をもつ。可動弁体９０３は、摺動面となる金属製のシール面９０６をもつ。閉弁時にシール面９０５およびシール面９０６は摺動面（材質：オーステナイト系のステンレス鋼）として機能し、互いに接触摺動して弁口９０１をシールする。シール面９０５およびシール面９０６は、金属素材を機械加工（切削加工および仕上加工）して形成されており、切削痕で形成された表面粗さをもつ。切削痕で形成された表面粗さに潤滑グリース１００が残留する。この場合、当該部位に飛散してきた潤滑グリース１００が当該部位に付着したりするからである。

仮に、シール面９０５およびシール面９０６に付着した潤滑グリース１００の基油１０１の大部分または全部が蒸散したとしても、図１３に示すように、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３が、１次粒子として、または、集団化した２次粒子として、切削痕で形成された表面粗さに付着する。可動弁体９０３が閉弁するときの閉弁力ＦＡにより、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３が加圧により変形し、切削痕の微小凹凸にあたかもガム状に付着して残留し、シール面９０５およびシール面９０６（摺動面）から離脱しにくくなる。これによりシール面９０５およびシール面９０６との間のシール性が向上する。更に、フッ素系高分子樹脂ポリマーの微粒子１０３がシール面９０５およびシール面９０６を被覆すれば、シール面９０５およびシール面９０６を構成する金属の露出がそれだけ低減されるので、シール面９０５およびシール面９０６における水素脆化が抑えられ、重要部位であるシール面９０５およびシール面９０６の耐久性が向上する。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について図１４を参照して具体的に説明する。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有しており、燃料電池車等に搭載される水素供給システムに適用する。機械要素２００の摺動面２０１は、耐水素脆性および耐食性等を向上させるために、Ｃｒ、ＮｉおよびＦｅを主要成分として含有するオーステナイト系の鋼（一般的にはステンレス鋼，例えばＪＩＳ−３１６Ｌ）で形成されている。図１４に示すように、機械要素２００の摺動面２０１は窒化処理層２０２（２〜１２質量％以上の浸透深さ：約５〜５０μｍ）を備えている。窒化処理層２０２の平均硬さは機械要素２００の母材の平均硬さよりも硬く、Ｈｖ８００〜１５００、特にＨｖ１１００〜１４００である。これにより摺動面２０１の耐摩耗性が向上し、また、初期なじみ性が向上し、摺動面２０１の母材の焼き付きが抑えられる。

窒化処理はフッ化窒化法である。フッ化窒化法では、フッ化処理と、その直後に引き続いて行われる窒素浸透処理とを実施する。ステンレス鋼は、窒素バリヤ層となり得る安定的な酸化膜を表面に有するため、本来的には窒素の浸透拡散が制約される。そこで、フッ化により、摺動面２０１の安定的な酸化膜の除去性を高める。その後、アンモニアの分解で生成された窒素を、摺動面２０１に浸透させる。フッ化処理は一般的には３３０〜３７０℃の低温領域で行う。窒素浸透処理の段階では酸化膜が除去されているため、窒素浸透処理の温度について低めに設定することもでき、故に、３００〜６００℃あるいは４００〜６００℃の温度領域において、幅広い温度設定が可能となる。窒化浸透の処理温度をアンモニアの分解反応が起こる最下限温度域まで低下させることが可能となり、機械要素２００の歪みを抑制することができる。この方法では、所謂白層とも呼ばれる脆い化合物層の生成を抑制し、摺動面２０１の表面層における窒素濃度の過剰化を抑えつつ、窒素を摺動面２０１の内部まで浸透させることができる。

更に上記したフッ化窒化処理により、機械要素２００の摺動面２０１の表面粗さが適度に荒れ、良好な凹凸が形成される。窒素の浸透固溶による母材の体積膨脹が起因しているものと推察される。この結果、摺動面２０１における潤滑グリースの構成成分の保持性を高めることができる。本発明者らが行った試験例によれば、Ｒａ（ＪＩＳ）では、フッ化窒化処理する前の摺動面２０１の表面粗さは０．３０１μｍであったが、フッ化窒化処理した後の摺動面２０１の表面粗さは０．４３２μｍとなり、０．１３０μｍ増加していた。ここで、表面粗さの増加量の最小値は０．０４７μｍであり、表面粗さの増加量の最大値は０．４１４μｍであった。

上記した潤滑グリースは、前述したように、基油１０１と、基油１０１に分散されたフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子１０３とを主要成分としている。本実施形態では、燃料電池の燃料極に供給される高圧の水素ガスが高速で流れる雰囲気において、機械要素２００の摺動面２０１は使用されている。このようなときであっても、摺動面２０１において、潤滑グリースの構成成分の保持性を高めることができる。

殊に、高速で流れる水素ガス（燃料ガス）により潤滑グリースの基油の蒸発が進行したとしても、潤滑グリースに含まれている微粒子１０３は、前述したように、一次粒子として、または集団化した二次粒子として、表面凹凸に係合してあたかもガム状に付着し、離脱しにくくなり、摺動面２０１の母材における焼き付き防止を図り得る。殊に摺動面２０１の山部２０１ｍが窒化処理により強化され、山部２０１ｍの形状が維持され易い。このため、固体潤滑性をもつ微粒子１０３が一次粒子としてまたは集団化した二次粒子として、摺動面２０１に付着したまま残留する付着残留性を向上させることを期待でき、摺動面２０１の保護性を一層高めることができる。

なお、窒化処理により機械要素２００の摺動面２０１には窒素が既に浸透しているため、窒素が浸透していない場合に比較して、水素が摺動面２０１の母材に浸透しにくくなるものと推察される。

本形態によれば、上記した水素供給システムにおいて、上記した潤滑グリース１００が存在する摺動面の全部、大部分または一部に、上記した窒化処理が施されている。

換言すると、図３に示すように、プラグ７ａの中央孔７ｂを形成する内周壁面７ｉ（摺動面に相当）と可動弁体７ｃの外周壁面７ｏ（摺動面に相当）との間には、潤滑グリース１００が介在しており、これらの摺動面には上記窒化処理が施されている。またバネ支持部材７ｆの外周壁面７ｆｉ（摺動面に相当）と第２基部２Ｓの中央孔２ｋの内周壁面２ｋｉ（摺動面に相当）との間にも、潤滑グリース１００が介在しており、これらの摺動面には上記窒化処理が施されている。

さらに、弁軸７０の外周壁面７０ｐ（摺動面に相当）と弁軸ガイド部材７２の中央孔７３の内周壁面７３ｉ（摺動面に相当）との間にも、潤滑グリース１００が介在しており、これらの摺動面には上記窒化処理が施されている。

更に図１に示すように、プランジャ３ｂの外周壁面３ｂｏ（摺動面に相当）と作動孔２ｈの内周壁面２ｈｉ（摺動面に相当）との間にも、潤滑グリース１００が介在しており、これらの摺動面には上記窒化処理が施されている。上記した摺動面は、オーステナイト系の鋼（ステンレス鋼）で形成されている。

上記したように摺動面の両方（例えばプラグ７ａの内周壁面７ｉと可動弁体７ｃの外周壁面７ｏの両方）に窒化処理を施すと、摺動面の両方が表面硬化されることにより、各摺動面自身の耐摩耗性が向上するとともに、摺動面間での移着が一層発生しにくくなり、更に、摺動面が適度に荒れて潤滑グリースの保持性が向上するため、摺動面における焼き付きが抑えられる。また摺動面の一方にのみ窒化処理を施すようにすると、表面硬化された一方の摺動面（例えば可動弁体７ｃの外周壁面７ｏ）と表面硬化されない他方の摺動面（例えばプラグ７ａの内周壁面７ｉ）との硬度差により、摺動面間のなじみが早期に達成され易くなるので、より効果的な摺動面における焼き付きが抑えられる。このように上記した窒化層は、互いに摺動する二つの摺動面のうち両方に形成してもよいし、いずれか一方に形成しても良い。

なお水素供給システムは図面に示す構造に限定されるものではなく、適宜変更可能である。水素供給システムは燃料電池に水素を供給するシステムに限定されるものではなく、他の水素システムに利用しても良い。

水素供給システムの断面図である。 水素供給システムの異なる方向の断面図である。 水素供給システムの要部の拡大断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 潤滑グリースの基油の蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。 潤滑グリースの概念構造を模擬的に示す概念図である。 減圧弁の摺動面に潤滑グリースの微粒子が介在している状態を模擬的に示す断面図である。 減圧弁の可動弁体が閉弁している状態を示す断面図である。 潤滑グリースの微粒子が摺動面に付着している概念を模擬的に示す図である。 潤滑グリースの微粒子が外力により変形する前の概念を模擬的に示す図である。 潤滑グリースの微粒子が外力により変形した後の概念を模擬的に示す図である。 燃料電池の概念を示す図である。 燃料電池と水素供給システムとの間に配置された減圧弁の摺動面に潤滑グリースの微粒子が付着している概念を模擬的に示す図である。 機械要素の摺動面が窒化処理層を有する状態を模擬的に示す図である。

符号の説明

１…水素タンク、２…基部、３…電磁弁、７…減圧弁、１００…潤滑グリース、１０１…基油、１０３…微粒子

Claims (15)

1. 水素消費部に水素ガスを供給する水素供給源と、前記水素供給源に接続され水素ガスを吐出するアウトポートを備えると共に摺動面を備える機械要素とを具備する水素供給システムにおいて、
   前記機械要素の摺動面には、２００℃における蒸気圧が１×１０^−２Ｐａ以下に設定されている基油を主要成分とする潤滑グリースが塗布されている水素供給システム。
2. 請求項１において、前記潤滑グリースは、前記基油と、前記基油に分散されたフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子とを主要成分として包含する水素供給システム。
3. 水素ガスを供給する水素供給源と、前記水素供給源に接続され水素ガスを吐出するアウトポートを備えると共に摺動面を備える機械要素とを具備する水素供給システムにおいて、
   前記機械要素の前記摺動面には前記潤滑グリースが塗布されており、前記潤滑グリースは、基油と、前記基油に分散されたフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子とを主要成分として包含する水素供給システム。
4. 請求項３において、前記潤滑グリースの前記基油は、２００℃における蒸気圧が１×１０^−２Ｐａ以下に設定されている水素供給システム。
5. 請求項１〜４のうちの一項において、前記機械要素の前記摺動面において、前記潤滑グリースが塗布されている領域の表面粗さは、Ｒａで３．２μｍ以下に設定されている水素供給システム。
6. 請求項１〜５のうちの一項において、前記潤滑グリースが塗布される塗布量は、単位面積（１平方ミリメートル）あたり、２ミリグラム以下に設定されている水素供給システム。
7. 請求項２〜６のうちの一項において、前記フッ素系高分子樹脂ポリマーは、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）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン共重合体（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニリフルオライド（ＰＶＦ）から選ばれる１種または２種以上である水素供給システム。
8. 請求項２〜６のうちの一項において、前記フッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子は、１次粒子径が２μｍ以下である水素供給システム。
9. 請求項１〜８のうちの一項において、前記機械要素の前記摺動面は機械加工されており、機械加工で形成された表面粗さを有する領域に前記潤滑グリースが塗布されている水素供給システム。
10. 請求項１〜９のうちの一項において、前記機械要素の前記摺動面の少なくとも一方は、金属で形成されており、前記摺動面の相手側は、前記微粒子を構成するフッ素系高分子樹脂ポリマーよりも硬い樹脂で形成されていることを特徴とする水素供給システム。
11. 請求項１〜１０のうちの一項において、前記機械要素の前記摺動面は、耐水素脆性を有する金属で形成されていることを特徴とする水素供給システム。
12. 請求項１〜１１のうちの一項において、前記潤滑グリースを１００質量％とするとき、固体潤滑剤粒子の総和は１質量％以下に設定されている水素供給システム。
13. 請求項１２において、前記固体潤滑剤粒子は、二硫化モリブデンおよび／またはカーボン粒子である水素供給システム。
14. 請求項１〜１３のうちの一項において、前記アウトポートの下流は減圧弁を介して燃料電池の燃料極に繋がる水素供給システム。
15. 請求項１〜１４のうちの一項において、前記機械要素の前記摺動面は、窒化処理された窒化処理層を備えており、窒化処理により形成された表面粗さを有する領域に、前記潤滑グリースが塗布されている水素供給システム。

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