JP2016145602A

JP2016145602A - 水素供給システム

Info

Publication number: JP2016145602A
Application number: JP2015022271A
Authority: JP
Inventors: 優介松屋; yusuke Matsuya; 齋藤　剛; Takeshi Saito; 剛齋藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-12

Abstract

【課題】潤滑性に優れており摺動部を長寿命化する効果を有し、さらに、油焼付け皮膜処理処理により潤滑油を金属表面に化学的に吸着させるため、先行技術よりも潤滑剤が保持されやすくフッ素グリース使用時よりも摺動部は長寿命化される水素供給システムを提供する。【解決手段】本発明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摺動面を備える機械要素とを具備する。機械要素の少なくとも１つの摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜を有することを特徴とする。【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。

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。

それに対して、特許文献２の摺動部潤滑に関する構成は、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であり、その基油にはフッ素系高分子樹脂ポリマーで形成された微粒子を包含しているものである。

特開２００５−２３９７５号公報特開２００７−２７１０７５号公報

しかしながら、この構成ではフッ素系グリースを用いており、これは非常に蒸気圧が低いものではあるが、耐摩耗性は不十分であった。さらに、化学的に付着していない余分のフッ素系潤滑油が蒸発することによりアウトガスが発生しやすい。さらに、余分なフッ素系潤滑油は発塵粒子としても放出されることから、アウトガスや発塵による有機汚染がほとんど許容されない環境下で使用するためには、アウトガスや発塵を、より高度に抑制可能な対策が要求されることとなる。

そこで、本発明は水素供給システムの摺動部の金属面に油焼付け皮膜を施すという新規な構成を採用している。具体的には、好ましくは、炭化水素系潤滑油の中で蒸気圧の低いものまたはフッ素系潤滑油に、パウダー状フッ素樹脂を含有させた潤滑剤からなる潤滑膜を形成するように、油焼付け皮膜処理を行う。この構成は、炭素系潤滑油としてシクロペンタンまたはポリフェニルエーテルを使用すると、潤滑性に優れており摺動部を長寿命化する効果を有する。さらに、油焼付け皮膜処理により前述の炭素系潤滑油を金属表面に化学的に吸着させるため、エステル系油を添加すると、先行技術よりも潤滑剤が保持されやすい。また、フッ素系潤滑油とパウダー状フッ素樹脂を使用した場合も、油焼付け皮膜処理により潤滑剤が保持されやすいため、フッ素グリース使用時よりも摺動部は長寿命化される。

上記課題を解決するために、本発明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摺動面を備える機械要素とを具備する。機械要素の少なくとも１つの摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜を有することを特徴とする。

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、フッ素系樹脂またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）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とすることができる。前記金属として、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。

摺動部の粗さは、前記金属、前記樹脂ともに、中心線平均粗さＲａを０．００２〜１．６μｍとすることが好ましい。
好ましくは、樹脂を含有する油焼付け皮膜は、後述する潤滑剤を０．５〜１０質量％と、希釈溶媒９９．５〜９０質量％からなる潤滑剤希釈溶液を、潤滑膜を形成すべき面に付着させて、５０〜２５０℃で１５〜３００分加熱し、希釈溶媒を除去することで形成し、皮膜の厚さは、１〜１０μｍとし、より好ましくは２〜４μｍとする。

好ましくは前記潤滑剤として、フッ素系潤滑剤の使用時に、潤滑膜の元となる潤滑剤は、２０℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下のフッ素系潤滑油と、粒径１μｍ以下のパウダー状フッ素樹脂を含有し、フッ素樹脂の含有量は、５〜４０質量％である。また、前記フッ素系潤滑油は、分子構造中に官能基を有しないフッ素系潤滑油５０〜９８質量％と、官能基を有するもの５０〜２質量％で構成される。

好ましくは、炭化水素系潤滑剤の使用時に、潤滑膜の元となる潤滑剤は、２０℃における蒸気圧が１×１０^−５Ｐａ以下のアルキル化シクロペンタンまたはポリフェニルエーテルを主成分として含有する潤滑油と、粒径１μｍ以下のパウダー状フッ素樹脂とを含有し、フッ素樹脂の含有量が５〜６０質量％である。

本発明によれば、油焼付け皮膜処理により潤滑剤が保持されやすいため、フッ素グリース使用時よりも摺動部は長寿命化される。また、潤滑膜の発塵およびアウトガスを抑制する効果により、水素の清浄度は維持できる。

本発明の水素供給システムの断面図である。図１の異なる方向の断面図である。本発明の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。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。燃料電池の概念を示す図である。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本実施形態は、主に、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皮膜が必要となる。

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６参照）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５は可動弁体７ｃの先端部を示す。図５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５参照）。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）。

（実施例１）
本形態によれば、水素供給システムの所定の摺動面の少なくとも１つの金属の摺動面に、樹脂を含有する油焼付け皮膜を有する。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）の少なくとも１つの金属の摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜を有する。
前記摺動面にグリース等を用いると、水素の清浄度が失われ、一方で無潤滑にすると耐摩耗性が不十分である。そこで、本発明の摺動面の少なくとも１つの金属の摺動面に、樹脂を含有する油焼付け皮膜を有する（例えばシクロペンタン使用）ことで、水素の清浄度を保ったまま耐摩耗性を改善できる。例えば、稼働弁体の素材をＳＵＳ３１６Ｌ（ステンレス）とし、これに対する摺動面の素材をＰＥＥＫ樹脂、両者の表面粗さを０．１〜１μｍＲａとし、すべり速度を６０ｍｍ／ｓ、接触面圧２ＭＰａとした場合、本発明の被膜処理を行うと、デムナムグリース（フッ素系グリース）使用時と比較して、摩耗量は約１／２となる。

（実施例２）
実施例１で、潤滑剤に使用されるシクロペンタンの代わりに、ジアルキルテトラフェニルエーテルで使用すると、非常に低い蒸気圧を保ったまま潤滑剤の価格を約１／３にできる。また、部材、表面粗さ、すべり速度、接触面圧等の条件が実施例１と同じ時、デムナムグリース使用時と比較して、摩耗量は同等となる。

（実施例３）
実施例１で、潤滑剤に使用されるシクロペンタンの代わりに、アルキルジフェニルエーテルで代替すると、蒸気圧は上昇するが潤滑剤の価格を約１／８にできる。また、部材、表面粗さ、すべり速度、接触面圧等の条件が実施例１と同じとき、デムナムグリース使用時と比較して、摩耗量は約１／２となる。

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）の少なくとも１つの金属の摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜１００を有することが好ましい。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）の少なくとも１つの金属の摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜１００を有することが好ましい。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）の少なくとも１つの金属の摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜１００を有することが好ましい。

１水素タンク
２基部
３電磁弁
７減圧弁
１００樹脂を含有する油焼付け皮膜

Claims

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水素供給システムにおいて、機械要素の少なくとも１つの摺動面には、樹脂を含有する油焼付け皮膜を有することを特徴とする水素供給システム。