JP4306220B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノール、水のような燃料をガス化し、改質器で改質した後、ＣＯ除去装置でＣＯ除去を行い、燃料電池スタック（燃料電池本体）に燃料を供給し、発電を行う燃料電池システムに関するものである。更に、本発明は、燃料供給源として、水素タンク、水素貯蔵合金等の水素保存手段から燃料としての水素を燃料電池スタックに供給し、発電する燃料電池システム、あるいは、メタノール水のような水素含有化合物から改質器で水素を取り出し、ＣＯ除去装置等の不純物除去装置で不純物を除去し、燃料電池スタックに水素を供給し、発電する燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、船舶、宇宙船等の動力源として燃料電池を用いることの検討が進められているが、メタノールを原料とする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いる。
【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、更に、燃料電池の反応が発熱反応であることから、数セルに１つずつの冷却部が設けられた構成が一般的である。
【０００４】
このような構成の固体高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置として、例えば、図１に示す如きシステム構成のものが知られている。即ち、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）に低減するようにする。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へ供給するようにしてある。
【０００５】
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のコンプレッサ１７で圧縮して加湿器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の燃焼に用いるようにしてあり、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に改質するようにしてある。
【０００６】
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に導いてコンプレッサ１７を駆動させるようにし、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ようにしてある。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を通過させられるようにしてあり、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へ入れられるようにしてあり、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へ戻されるようにしてある。
【０００７】
また、燃料電池として水素タンク方式も知られており、例えば図２に示すようなシステム構成のものが知られている。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ものである。
【０００８】
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、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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
酸化剤としての空気は、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。
【００１１】
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、空気流量をコンプレッサ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。
【００１２】
また、上記したような燃料電池システムでは、蒸気となった燃料、燃料ガス、高温の燃料あるいは圧縮空気を各機器間に送り込む必要があり、圧送ポンプやターボチャージャなど各種の圧送機が使用され、その圧送機には多くの場合軸受が組み込まれている。
【００１３】
例えば、図３はこのような圧送機の一例（インペラ式圧送機）を示す断面図であるが、図示されるように、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、水蒸気吸込み口３４から吸込まれた水蒸気がインペラ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、この圧送機では、シーリング部材３９のシール性が低下してくると、水蒸気がインペラ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。
【００１４】
また、転がり軸受３３ａ、３３ｂには、潤滑のためにグリースが封入され、従来ではリチウム石鹸−鉱油系グリースが一般的に使用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、特に改質器５で改質された燃料ガスを燃料電池スタックに圧送する圧送機や、蒸気発生器１３から改質器５に蒸気を圧送する圧送機では、高温水蒸気下で使用されることから、グリースの耐熱性も重要になっているが、リチウム石鹸−鉱油系グリースは高温で劣化し易く、圧送機寿命やひいてはシステム全体の寿命を短くしてしまうことが考えられる。更に、グリース中に揮発成分が多いと、これが燃料電池スタックの触媒毒となることも考えられ、好ましいものではい。
【００１５】
また、水素タンク方式燃料電池システムにおいても、エゼクタ圧送機６３が同様の問題を抱えている。
【特許文献１】
特公平３−２６７１７号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、機器間に各種流体を圧送するための圧送機に組み込まれる転がり軸受のグリース劣化を防止して、長期にわたり安定動作を維持できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１７】
【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、以下の通りのグリースを封入した転がり軸受を燃料電池システムに使用することにより、より長寿命で信頼性のあるものとすることができることを知見した。
【００１８】
即ち、上記の目的を達成するために本発明は、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において、前記圧送機が、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリースが封入された転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システム、並びに少なくとも、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において、前記圧送機が、ジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリースが封入された転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムに関して詳細に説明するが、燃料電池システム自体の構成は制限されるものではなく、図１に示したような固体高分子電解質型燃料電池システム並びに図２に示したような水素タンク方式燃料電池システムを例示することができる。
【００２０】
また、圧送機についても制限はなく、図３に示したようなインペラ式圧送機の他にも、例えば以下に示すスクロール式、斜板式、スクリュー式等の圧送機を使用できる。
【００２１】
図４はスクロール式圧送機の一例を示す側面断面図である。図示されるスクロール式圧送機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４に示す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が、上記何れの自転防止機構を採用しても構わない。
【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４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４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（図４中右端部側）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】
上記の如く概略構成されるスクロール式圧送機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との間に空気等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、圧縮された空気等を吐出口１１４から燃料電池の電極側に吐出させる。
【００２８】
また、スクロール式圧送機として図５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式圧送機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４に示したスクロール式圧送機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】
図６は斜板式圧送機の一例を示す側面断面図である。図示される斜板式圧送機１６０は、燃料電池の電極に送る空気等の流体を、斜板１７１の回転に伴う両頭ピストン１７２の往復動で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。
【００３２】
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、斜板１７１にシュー１７３を介して連結されている。また斜板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。
【００３３】
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。
【００３４】
モータ主軸１８２は、軸方向略中央より図６中左側を、図６中左右一対の転がり軸受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６中右側を、図６中左右一対の転がり軸受１７５を介して支持部材１６２に回転自在に支持されている。
【００３５】
上記の如く構成される斜板式圧送機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、空気等を吸入・圧縮させ、燃料電池の電極側に吐出させる。
【００３６】
図７はスクリュー式圧送機の一例を示す側面断面図である。図示されるスクリュー式圧送機１９０は、燃料電池の電極に送る空気等の流体を、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６に示した斜板式圧送機１６０と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
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７中左側の回転軸２０１ａを図７中左右一対の転がり軸受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７中右側の回転軸２０１ａを転がり軸受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７中左側の回転軸２０２ａを図７中左右一対の転がり軸受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７中右側の回転軸２０２ａを転がり軸受２０６を介してハウジング２０７に回転自在に支持されている。
【００３８】
また、主ロータ２０１の図７中左右両側の回転軸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２０８が介在されている。副ロータ２０２の図７中左右両側の回転軸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２０９が介在されている。
【００３９】
主ロータ２０１及び副ロータ２０２は、図７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７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。
【００４０】
また、駆動軸１８８は、図７中左右一対の転がり軸受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２１４が介在されている。
【００４１】
上記の如く構成されるスクリュー式圧送機１９０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、空気等を吸入・圧縮させ、燃料電池の電極側に吐出させる。
【００４２】
また、これら圧送機に組み込まれる各転がり軸受にも構造上の制限がないが、シールもしくはシールドを備えることが好ましい。そして、本発明においては、これらの転がり軸受には、下記に詳述されるグリースが封入される。
【００４３】
グリースとしては、耐水性、耐熱性に優れる、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリース、もしくはジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリースを使用できる。リチウム石鹸等の単純な金属石鹸系の増ちょう剤を使用したグリースは、ウレア系やフッ素系の増ちょう剤等を使用したグリースに比べ吸水性があるため、使用中に水分を含みやすく、そのため軸受に錆を発生させたり、グリースそのものが流出しやすくなり好ましくない。また、軸受に使用したときの通常の漏れも剪断安定性に優れるウレア系グリースまたはフッ素樹脂系グリースが優れている。
【００４４】
具体的には、増ちょう剤となるフッ素樹脂としては、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ樹脂）、四フッ化エチレン-パーフルオロエチレンアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ樹脂）、四フッ化エチレン-エチレン共重合体（ＦＥＰ樹脂）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の微粉末を挙げることができる。
【００４５】
何れのグリースにおいても、増ちょう剤がグリース全量に対して５〜５０質量％含まれるようにするのが良い。増ちょう剤含有量がこの範囲であれば、グリース漏れを有効に防ぐことができる。また、増ちょう剤含有量が５質量％未満では、良好なグリース状が得られず、５０質量％を越えるとグリースが硬化し好ましくない。
【００４６】
一方、基油については、フッ素油としては、パーフルオロポリエーテル油、クロロパーフルオロエーテル油等が挙げられる。また、合成油としては、エーテル油、エステル油、合成炭化水素油、シリコーン油が好ましく、具体的には、合成炭化水素油としてはポリ−α−オレフィン油等を、エーテル油としてはジアルキルジフェニルエーテル油、アルキルトリフェニルエーテル油、アルキルテトラフェニルエーテル油等を、エステル油としてはジエステル油、ポリオールエステル油またはこれらのコンプレックスエステル油、芳香族エステル油、メチルシリコーン油、フェニルメチルシリコーン油、フルオロシリコーン油等を挙げることができる。これらの合成油は、単独で使用してもよく、混合油として使用してもよい。中でも、高温、高速での潤滑性能並びに潤滑寿命を考慮すると、エステル油、エーテル油の含有が望ましい。また、必要に応じて鉱油を配合してもよく、鉱油としてはパラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油を挙げることができる。
【００４７】
また、これらグリースには、適切な防錆性を付与するため各種の防錆剤を加えるのがよい。特に限定はしないが、フッ素油以外の基油の場合はエステル系、アミン系、スルホン酸やカルボン酸の金属塩系、界面活性剤系の防錆剤が好適である。
【００４８】
更には、二流化モリブデンやグラファイド等の固体潤滑剤を添加してもよく、下記に示すような各種添加剤を添加してもよい。
【００４９】
〔酸化防止剤〕
酸化防止剤としてゴム、プラスチック、潤滑油等に添加する老化防止剤、オゾン劣化防止剤、酸化防止剤から適宜選択して使用する。例えば、以下の化合物を使用することができる。即ち、フェニル−１−ナフチルアミン、フェニル−２−ナフチルアミン、ジフェニル−ｐ−フェニレンジアミン、ジピリジルアミン、フェノチアジン、Ｎ−メチルフェノチアジン、Ｎ−エチルフェノチアジン、３，７−ジオクチルフェノチアジン、ｐ，ｐ′−ジオクチルジフェニルアミン、Ｎ，Ｎ′−ジイソプロピル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ′−ジ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ−フェニレンジアミン等のアミン系化合物、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ジブチルフェノール等のフェノール系化合物等を使用することができる。
【００５０】
〔防錆剤・金属不活性化剤〕
防錆剤として、例えば以下の化合物を使用することができる。即ち、有機スルホン酸のアンモニウム塩、バリウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム等アルカリ金属、アルカリ土類金属の有機スルホン酸塩、有機カルボン酸塩、フェネート、ホスホネート、アルキルもしくはアルケニルこはく酸エステル等のアルキル、アルケニルこはく酸誘導体、ソルビタンモノオレエート等の多価アルコールの部分エステル、オレオイルザルコシン等のヒドロキシ脂肪酸類、１−メルカプトステアリン酸等のメルカプト脂肪酸類あるいはその金属塩、ステアリン酸等の高級脂肪酸類、イソステアリルアルコール等の高級アルコール類、高級アルコールと高級脂肪酸とのエステル、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール、２−メルカプトチアジアゾール等のチアゾール類、２−（デシルジチオ）−ベンゾイミダゾール、ベンズイミダゾール等のイミダゾール系化合物、あるいは、２，５−ビス（ドデシルジチオ）ベンズイミダゾール等のジスルフィド系化合物、あるいは、トリスノニルフェニルフォスファイト等のリン酸エステル類、ジラウリルチオプロピオネート等のチオカルボン酸エステル系化合物等を使用することができる。また、亜硝酸塩等も使用することができる。金属不活性化剤として、例えばベンゾトリアゾールやトリルトリアゾール等のトリアゾール系化合物を使用することができる。
【００５１】
〔油性剤〕
油性剤として、例えば以下の化合物を使用することができる。即ち、オレイン酸やステアリン酸等の脂肪酸、オレイルアルコール等の脂肪酸アルコール、ポリオキシエチレンステアリン酸エステルやポリグリセリルオレイン酸エステル等の脂肪酸エステル、リン酸、トリクレジルホスフェート、ラウリル酸エステルまたはポリオキシエチレンオレイルエーテルリン酸等のリン酸エステル等を使用することができる。また、基油がフッ素油の場合は、酸化マグネシウム、酸化チタン等の無機系防製剤やベンゾトリアゾール等のトリアゾール系防製剤が好適に使用できる。
【００５２】
〔極圧剤、摩耗防止剤〕
例えば、テルルのジチオカルバミン酸塩とリン酸エステル、もしくはモリブデンのジチオカルバミン酸塩と亜鉛のジチオカルバミン酸塩との組み合わせ等、従来公知の極圧剤を単独あるいは併用することにより、耐荷重性や極圧性を更に向上させることができる。具体的には、以下の化合物を使用することができる。即ち、有機金属系のものとしては、ジチオリン酸モリブデン等の有機モリブデン化合物、ジチオリン酸亜鉛、亜鉛フェネート等の有機亜鉛化合物、ジチオカルバミン酸アンチモン、ジチオリン酸アンチモン等の有機アンチモン化合物、ジチオカルバミン酸セレン等の有機セレン化合物、ナフテン酸ビスマス、ジチオカルバミン酸ビスマス等の有機ビスマス化合物、ジチオカルバミン酸鉄、オクチル酸鉄等の有機鉄化合物、ジチオカルバミン酸銅、ナフテン酸銅等の有機銅化合物、ナフテン酸鉛、ジチオカルバミン酸鉛等の有機鉛化合物、マレイン酸スズ、ジブチルスズスルファイド等の有機スズ化合物、あるいは、アルカリ金属、アルカリ土類金属の有機スルホネート、フェネート、ホスホネート、金、銀、チタン、カドミウム等の有機金属化合物も必要ならば使用できる。硫黄系化合物としては、ジベンジルジスルフィド等のスルフィドあるいはポリスルフィド化合物、硫化油脂類、無灰系カルバミン酸化合物類、チオウレア系化合物、もしくはチオカーボネート類等を使用することができる。また、その他、塩素化パラフィン等のハロゲン系の極圧剤、あるいは、二流化モリブデン、二流化タングステン、グラファイト、ＰＴＦＥ、硫化アンチモン、窒化硼素等の硼素化合物等の固体潤滑剤を使用することができる。
【００５３】
これらの添加剤の中では、比較的高温度に曝されることを考慮すると、フッ素油以外の基油の場合は、特に酸化防止剤を組み合わせて使用するのが好ましい。また、添加量は、通常グリースに添加される量で構わない。
【００５４】
【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。
【００５５】
（試験グリースの調製）
下記の表１に示す配合にて、試験グリースＡ〜Ｇを調製した。尚、グリースＢ、Ｃ、Ｅ及び市販のリチウム石鹸−鉱油系グリースは比較例である。
【００５６】
（含水耐久試験）
接触型密封シール付玉軸受６２０３ＤＤ（日本精工製）を用い、これに試験グリースを封入して試験軸受とした。そして、この試験軸受を１２０℃、ラジアル荷重１００Ｎ、アキシアル荷重１００Ｎ、内輪回転速度２０００ｒｐｍで回転させ、２４時間毎に回転を止めて注射器で０．３ｍｌの水を軸受内部に注入した。そして、異常音の発生、起動不可あるいは起動から１分を越えてからも、モータ電流値が無負荷時の＋１０％以上となったときに焼付きと判定し、それまでの時間を計測した。結果を表１に併記する。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１より、本発明に従い、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリース（グリースＧ）、もしくはジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリース（グリースＡ，グリースＤ、グリースＦ）を封入した試験軸受は、リチウムコンプレックスと合成油とからなるリチウムコンプレックスグリース（グリースＢ、グリースＥ）及び市販リチウム−鉱油系グリースを封入した試験軸受に比べて優れた耐久性能を示すことがわかる。また、基油に鉱油を用いたグリースＣ（比較例）では、耐久性能にやや劣っている。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特定のグリースを封入した転がり軸受を圧送機に組み込むことにより、グリース漏れに起因する燃料電池システム全体としての動作不良を防ぐことができ、特に自動車駆動用の燃料電池システムとして有用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】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３】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の一例（インペラ式圧送機）を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の他の例（スクロール式圧送機）を示す断面図である。
【図５】スクロール式圧送機の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の他の例（斜板式圧送機）を示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の他の例（スクリュー式圧送機）を示す断面図である。
【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
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
１１ メタノール供給ライン
１２ 水タンク
１３ 蒸気発生器
１４ 水蒸気ライン
１５ 加湿器
１６ ターボチャージャ
１７ コンプレッサ
１８ タービン
１９ 燃焼器
２０ 燃焼器
２１ 冷却器
２２ カソード排ガスライン
２３ 気水分離器
２４ アノード排ガスライン
２５ 気水分離器
３１ 回転軸
３２ インペラ
３３ａ，３３ｂ 転がり軸受
３４ 水蒸気吸込み口
３５ ハウジング
３６ バックプレート
３７ 加圧ボリュート
３８ 水蒸気吐出口
３９ シーリング部材
４０ 背面空間
４１ 間隙
４２ バッフル
４３ ブッシュ
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノール、水のような燃料をガス化し、改質器で改質した後、ＣＯ除去装置でＣＯ除去を行い、燃料電池スタック（燃料電池本体）に燃料を供給し、発電を行う燃料電池システムに関するものである。更に、本発明は、燃料供給源として、水素タンク、水素貯蔵合金等の水素保存手段から燃料としての水素を燃料電池スタックに供給し、発電する燃料電池システム、あるいは、メタノール水のような水素含有化合物から改質器で水素を取り出し、ＣＯ除去装置等の不純物除去装置で不純物を除去し、燃料電池スタックに水素を供給し、発電する燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車、船舶、宇宙船等の動力源として燃料電池を用いることの検討が進められているが、メタノールを原料とする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いる。
【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、更に、燃料電池の反応が発熱反応であることから、数セルに１つずつの冷却部が設けられた構成が一般的である。
【０００４】
このような構成の固体高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置として、例えば、図１に示す如きシステム構成のものが知られている。即ち、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）に低減するようにする。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へ供給するようにしてある。
【０００５】
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のコンプレッサ１７で圧縮して加湿器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の燃焼に用いるようにしてあり、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に改質するようにしてある。
【０００６】
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に導いてコンプレッサ１７を駆動させるようにし、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ようにしてある。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を通過させられるようにしてあり、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へ入れられるようにしてあり、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へ戻されるようにしてある。
【０００７】
また、燃料電池として水素タンク方式も知られており、例えば図２に示すようなシステム構成のものが知られている。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ものである。
【０００８】
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、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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
酸化剤としての空気は、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。
【００１１】
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、空気流量をコンプレッサ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。
【００１２】
また、上記したような燃料電池システムでは、蒸気となった燃料、燃料ガス、高温の燃料あるいは圧縮空気を各機器間に送り込む必要があり、圧送ポンプやターボチャージャなど各種の圧送機が使用され、その圧送機には多くの場合軸受が組み込まれている。
【００１３】
例えば、図３はこのような圧送機の一例（インペラ式圧送機）を示す断面図であるが、図示されるように、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、水蒸気吸込み口３４から吸込まれた水蒸気がインペラ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、この圧送機では、シーリング部材３９のシール性が低下してくると、水蒸気がインペラ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。
【００１４】
また、転がり軸受３３ａ、３３ｂには、潤滑のためにグリースが封入され、従来ではリチウム石鹸−鉱油系グリースが一般的に使用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、特に改質器５で改質された燃料ガスを燃料電池スタックに圧送する圧送機や、蒸気発生器１３から改質器５に蒸気を圧送する圧送機では、高温水蒸気下で使用されることから、グリースの耐熱性も重要になっているが、リチウム石鹸−鉱油系グリースは高温で劣化し易く、圧送機寿命やひいてはシステム全体の寿命を短くしてしまうことが考えられる。更に、グリース中に揮発成分が多いと、これが燃料電池スタックの触媒毒となることも考えられ、好ましいものではい。
【００１５】
また、水素タンク方式燃料電池システムにおいても、エゼクタ圧送機６３が同様の問題を抱えている。
【特許文献１】
特公平３−２６７１７号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、機器間に各種流体を圧送するための圧送機に組み込まれる転がり軸受のグリース劣化を防止して、長期にわたり安定動作を維持できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１７】
【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、以下の通りのグリースを封入した転がり軸受を燃料電池システムに使用することにより、より長寿命で信頼性のあるものとすることができることを知見した。
【００１８】
即ち、上記の目的を達成するために本発明は、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において、前記圧送機が、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリースが封入された転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システム、並びに少なくとも、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において、前記圧送機が、ジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリースが封入された転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムに関して詳細に説明するが、燃料電池システム自体の構成は制限されるものではなく、図１に示したような固体高分子電解質型燃料電池システム並びに図２に示したような水素タンク方式燃料電池システムを例示することができる。
【００２０】
また、圧送機についても制限はなく、図３に示したようなインペラ式圧送機の他にも、例えば以下に示すスクロール式、斜板式、スクリュー式等の圧送機を使用できる。
【００２１】
図４はスクロール式圧送機の一例を示す側面断面図である。図示されるスクロール式圧送機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４に示す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が、上記何れの自転防止機構を採用しても構わない。
【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４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４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（図４中右端部側）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】
上記の如く概略構成されるスクロール式圧送機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との間に空気等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、圧縮された空気等を吐出口１１４から燃料電池の電極側に吐出させる。
【００２８】
また、スクロール式圧送機として図５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式圧送機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４に示したスクロール式圧送機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】
図６は斜板式圧送機の一例を示す側面断面図である。図示される斜板式圧送機１６０は、燃料電池の電極に送る空気等の流体を、斜板１７１の回転に伴う両頭ピストン１７２の往復動で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。
【００３２】
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、斜板１７１にシュー１７３を介して連結されている。また斜板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。
【００３３】
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。
【００３４】
モータ主軸１８２は、軸方向略中央より図６中左側を、図６中左右一対の転がり軸受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６中右側を、図６中左右一対の転がり軸受１７５を介して支持部材１６２に回転自在に支持されている。
【００３５】
上記の如く構成される斜板式圧送機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、空気等を吸入・圧縮させ、燃料電池の電極側に吐出させる。
【００３６】
図７はスクリュー式圧送機の一例を示す側面断面図である。図示されるスクリュー式圧送機１９０は、燃料電池の電極に送る空気等の流体を、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６に示した斜板式圧送機１６０と同様であり、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
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７中左側の回転軸２０１ａを図７中左右一対の転がり軸受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７中右側の回転軸２０１ａを転がり軸受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７中左側の回転軸２０２ａを図７中左右一対の転がり軸受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７中右側の回転軸２０２ａを転がり軸受２０６を介してハウジング２０７に回転自在に支持されている。
【００３８】
また、主ロータ２０１の図７中左右両側の回転軸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２０８が介在されている。副ロータ２０２の図７中左右両側の回転軸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２０９が介在されている。
【００３９】
主ロータ２０１及び副ロータ２０２は、図７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７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。
【００４０】
また、駆動軸１８８は、図７中左右一対の転がり軸受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２１４が介在されている。
【００４１】
上記の如く構成されるスクリュー式圧送機１９０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、空気等を吸入・圧縮させ、燃料電池の電極側に吐出させる。
【００４２】
また、これら圧送機に組み込まれる各転がり軸受にも構造上の制限がないが、シールもしくはシールドを備えることが好ましい。そして、本発明においては、これらの転がり軸受には、下記に詳述されるグリースが封入される。
【００４３】
グリースとしては、耐水性、耐熱性に優れる、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリース、もしくはジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリースを使用できる。リチウム石鹸等の単純な金属石鹸系の増ちょう剤を使用したグリースは、ウレア系やフッ素系の増ちょう剤等を使用したグリースに比べ吸水性があるため、使用中に水分を含みやすく、そのため軸受に錆を発生させたり、グリースそのものが流出しやすくなり好ましくない。また、軸受に使用したときの通常の漏れも剪断安定性に優れるウレア系グリースまたはフッ素樹脂系グリースが優れている。
【００４４】
具体的には、増ちょう剤となるフッ素樹脂としては、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ樹脂）、四フッ化エチレン-パーフルオロエチレンアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ樹脂）、四フッ化エチレン-エチレン共重合体（ＦＥＰ樹脂）、フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の微粉末を挙げることができる。
【００４５】
何れのグリースにおいても、増ちょう剤がグリース全量に対して５〜５０質量％含まれるようにするのが良い。増ちょう剤含有量がこの範囲であれば、グリース漏れを有効に防ぐことができる。また、増ちょう剤含有量が５質量％未満では、良好なグリース状が得られず、５０質量％を越えるとグリースが硬化し好ましくない。
【００４６】
一方、基油については、フッ素油としては、パーフルオロポリエーテル油、クロロパーフルオロエーテル油等が挙げられる。また、合成油としては、エーテル油、エステル油、合成炭化水素油、シリコーン油が好ましく、具体的には、合成炭化水素油としてはポリ−α−オレフィン油等を、エーテル油としてはジアルキルジフェニルエーテル油、アルキルトリフェニルエーテル油、アルキルテトラフェニルエーテル油等を、エステル油としてはジエステル油、ポリオールエステル油またはこれらのコンプレックスエステル油、芳香族エステル油、メチルシリコーン油、フェニルメチルシリコーン油、フルオロシリコーン油等を挙げることができる。これらの合成油は、単独で使用してもよく、混合油として使用してもよい。中でも、高温、高速での潤滑性能並びに潤滑寿命を考慮すると、エステル油、エーテル油の含有が望ましい。また、必要に応じて鉱油を配合してもよく、鉱油としてはパラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油を挙げることができる。
【００４７】
また、これらグリースには、適切な防錆性を付与するため各種の防錆剤を加えるのがよい。特に限定はしないが、フッ素油以外の基油の場合はエステル系、アミン系、スルホン酸やカルボン酸の金属塩系、界面活性剤系の防錆剤が好適である。
【００４８】
更には、二流化モリブデンやグラファイド等の固体潤滑剤を添加してもよく、下記に示すような各種添加剤を添加してもよい。
【００４９】
〔酸化防止剤〕
酸化防止剤としてゴム、プラスチック、潤滑油等に添加する老化防止剤、オゾン劣化防止剤、酸化防止剤から適宜選択して使用する。例えば、以下の化合物を使用することができる。即ち、フェニル−１−ナフチルアミン、フェニル−２−ナフチルアミン、ジフェニル−ｐ−フェニレンジアミン、ジピリジルアミン、フェノチアジン、Ｎ−メチルフェノチアジン、Ｎ−エチルフェノチアジン、３，７−ジオクチルフェノチアジン、ｐ，ｐ′−ジオクチルジフェニルアミン、Ｎ，Ｎ′−ジイソプロピル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ′−ジ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ−フェニレンジアミン等のアミン系化合物、２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ジブチルフェノール等のフェノール系化合物等を使用することができる。
【００５０】
〔防錆剤・金属不活性化剤〕
防錆剤として、例えば以下の化合物を使用することができる。即ち、有機スルホン酸のアンモニウム塩、バリウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム等アルカリ金属、アルカリ土類金属の有機スルホン酸塩、有機カルボン酸塩、フェネート、ホスホネート、アルキルもしくはアルケニルこはく酸エステル等のアルキル、アルケニルこはく酸誘導体、ソルビタンモノオレエート等の多価アルコールの部分エステル、オレオイルザルコシン等のヒドロキシ脂肪酸類、１−メルカプトステアリン酸等のメルカプト脂肪酸類あるいはその金属塩、ステアリン酸等の高級脂肪酸類、イソステアリルアルコール等の高級アルコール類、高級アルコールと高級脂肪酸とのエステル、２，５−ジメルカプト−１，３，４−チアジアゾール、２−メルカプトチアジアゾール等のチアゾール類、２−（デシルジチオ）−ベンゾイミダゾール、ベンズイミダゾール等のイミダゾール系化合物、あるいは、２，５−ビス（ドデシルジチオ）ベンズイミダゾール等のジスルフィド系化合物、あるいは、トリスノニルフェニルフォスファイト等のリン酸エステル類、ジラウリルチオプロピオネート等のチオカルボン酸エステル系化合物等を使用することができる。また、亜硝酸塩等も使用することができる。金属不活性化剤として、例えばベンゾトリアゾールやトリルトリアゾール等のトリアゾール系化合物を使用することができる。
【００５１】
〔油性剤〕
油性剤として、例えば以下の化合物を使用することができる。即ち、オレイン酸やステアリン酸等の脂肪酸、オレイルアルコール等の脂肪酸アルコール、ポリオキシエチレンステアリン酸エステルやポリグリセリルオレイン酸エステル等の脂肪酸エステル、リン酸、トリクレジルホスフェート、ラウリル酸エステルまたはポリオキシエチレンオレイルエーテルリン酸等のリン酸エステル等を使用することができる。また、基油がフッ素油の場合は、酸化マグネシウム、酸化チタン等の無機系防製剤やベンゾトリアゾール等のトリアゾール系防製剤が好適に使用できる。
【００５２】
〔極圧剤、摩耗防止剤〕
例えば、テルルのジチオカルバミン酸塩とリン酸エステル、もしくはモリブデンのジチオカルバミン酸塩と亜鉛のジチオカルバミン酸塩との組み合わせ等、従来公知の極圧剤を単独あるいは併用することにより、耐荷重性や極圧性を更に向上させることができる。具体的には、以下の化合物を使用することができる。即ち、有機金属系のものとしては、ジチオリン酸モリブデン等の有機モリブデン化合物、ジチオリン酸亜鉛、亜鉛フェネート等の有機亜鉛化合物、ジチオカルバミン酸アンチモン、ジチオリン酸アンチモン等の有機アンチモン化合物、ジチオカルバミン酸セレン等の有機セレン化合物、ナフテン酸ビスマス、ジチオカルバミン酸ビスマス等の有機ビスマス化合物、ジチオカルバミン酸鉄、オクチル酸鉄等の有機鉄化合物、ジチオカルバミン酸銅、ナフテン酸銅等の有機銅化合物、ナフテン酸鉛、ジチオカルバミン酸鉛等の有機鉛化合物、マレイン酸スズ、ジブチルスズスルファイド等の有機スズ化合物、あるいは、アルカリ金属、アルカリ土類金属の有機スルホネート、フェネート、ホスホネート、金、銀、チタン、カドミウム等の有機金属化合物も必要ならば使用できる。硫黄系化合物としては、ジベンジルジスルフィド等のスルフィドあるいはポリスルフィド化合物、硫化油脂類、無灰系カルバミン酸化合物類、チオウレア系化合物、もしくはチオカーボネート類等を使用することができる。また、その他、塩素化パラフィン等のハロゲン系の極圧剤、あるいは、二流化モリブデン、二流化タングステン、グラファイト、ＰＴＦＥ、硫化アンチモン、窒化硼素等の硼素化合物等の固体潤滑剤を使用することができる。
【００５３】
これらの添加剤の中では、比較的高温度に曝されることを考慮すると、フッ素油以外の基油の場合は、特に酸化防止剤を組み合わせて使用するのが好ましい。また、添加量は、通常グリースに添加される量で構わない。
【００５４】
【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。
【００５５】
（試験グリースの調製）
下記の表１に示す配合にて、試験グリースＡ〜Ｇを調製した。尚、グリースＢ、Ｃ、Ｅ及び市販のリチウム石鹸−鉱油系グリースは比較例である。
【００５６】
（含水耐久試験）
接触型密封シール付玉軸受６２０３ＤＤ（日本精工製）を用い、これに試験グリースを封入して試験軸受とした。そして、この試験軸受を１２０℃、ラジアル荷重１００Ｎ、アキシアル荷重１００Ｎ、内輪回転速度２０００ｒｐｍで回転させ、２４時間毎に回転を止めて注射器で０．３ｍｌの水を軸受内部に注入した。そして、異常音の発生、起動不可あるいは起動から１分を越えてからも、モータ電流値が無負荷時の＋１０％以上となったときに焼付きと判定し、それまでの時間を計測した。結果を表１に併記する。
【００５７】
【表１】
表１より、本発明に従い、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリース（グリースＧ）、もしくはジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリース（グリースＡ，グリースＤ、グリースＦ）を封入した試験軸受は、リチウムコンプレックスと合成油とからなるリチウムコンプレックスグリース（グリースＢ、グリースＥ）及び市販リチウム−鉱油系グリースを封入した試験軸受に比べて優れた耐久性能を示すことがわかる。また、基油に鉱油を用いたグリースＣ（比較例）では、耐久性能にやや劣っている。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特定のグリースを封入した転がり軸受を圧送機に組み込むことにより、グリース漏れに起因する燃料電池システム全体としての動作不良を防ぐことができ、特に自動車駆動用の燃料電池システムとして有用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】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３】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の一例（インペラ式圧送機）を示す断面図である。
【図４】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の他の例（スクロール式圧送機）を示す断面図である。
【図５】スクロール式圧送機の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の他の例（斜板式圧送機）を示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池システムに使用される圧送機の他の例（スクリュー式圧送機）を示す断面図である。
【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
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
１１ メタノール供給ライン
１２ 水タンク
１３ 蒸気発生器
１４ 水蒸気ライン
１５ 加湿器
１６ ターボチャージャ
１７ コンプレッサ
１８ タービン
１９ 燃焼器
２０ 燃焼器
２１ 冷却器
２２ カソード排ガスライン
２３ 気水分離器
２４ アノード排ガスライン
２５ 気水分離器
３１ 回転軸
３２ インペラ
３３ａ，３３ｂ 転がり軸受
３４ 水蒸気吸込み口
３５ ハウジング
３６ バックプレート
３７ 加圧ボリュート
３８ 水蒸気吐出口
３９ シーリング部材
４０ 背面空間
４１ 間隙
４２ バッフル
４３ ブッシュ
Claims (6)
- 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において、
前記圧送機が、フッ素樹脂とフッ素油とからなるフッ素グリースが封入された転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 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において、
前記圧送機が、ジウレア化合物と合成油とからなるウレアグリースが封入された転がり軸受を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 合成油がエステル油または合成炭化水素油であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
- 燃料電池システムが、自動車駆動用の燃料電池システムであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 転がり軸受が、シールあるいはシールド付であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
- 更に、少なくとも、燃料タンク、燃料蒸発器、改質器、ＣＯ除去装置を具備することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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