(57)【要約】【課題】  高温での使用が可能で、耐食性を有し、安価で長寿命の燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受を提供する。【解決手段】  燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受の内輪および外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有している。【選択図】      図３
2006300137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受において、
内輪と外輪と転動体とを備え、
前記内輪および外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有していることを特徴とする、転がり軸受。
【請求項２】
前記転動体は、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有している、請求項１に記載の転がり軸受。
【請求項３】
前記転がり軸受は、基本動定格荷重の１０％以下の軽荷重で使用される、請求項１または２に記載の転がり軸受。
【請求項４】
燃料電池発電装置用補機の回転軸と、
前記回転軸を支持する転がり軸受とを含み、
前記転がり軸受は、
内輪と外輪と転動体とを備え、
前記内輪および外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有していることを特徴とする、燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受および燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造に関し、特に、燃料電池発電装置用補機の転がり支持装置として使用される転がり軸受および燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は環境にやさしい新しいエネルギー源として注目されており、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや自動車等の駆動源として開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、水素等の燃料と酸素等の酸化剤を電極に供給することによって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。しかし、燃料である水素は自然界に存在せず、燃料として製造しなければならない。一般的に、都市ガスやＬＰガス等の炭化水素系燃料から水素を取出す場合、改質装置が使用される。この改質装置は、炭化水素系燃料に水蒸気を加え、水蒸気改質と呼ばれる改質法によって、水素を生成する。燃料電池発電装置としての改質装置内に、水蒸気を加えるための補機として圧縮機、ポンプ、ブロワ等が使用される。
【０００４】
燃料電池発電装置を、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムや自動車等の駆動源として使用する場合、耐用年数は５年以上であり、燃料電池に使用される軸受にも高い信頼性が求められる。一般に軸受寿命は軸受の構成部品である、内輪、外輪および転動体の金属疲労による寿命で表わされるが、燃料電池発電装置の場合は、軸受に負荷される加重は非常に小さく（基本動定格荷重の１０％以下）、金属疲労寿命に至らないケースがほとんどである。
【０００５】
一方で、上記した、水蒸気を含んだ空気を改質装置に送り込むポンプやブロワの回転軸を支持するために使用される転がり軸受は、高温水蒸気に曝されるため、発錆し易い環境におかれる。
【０００６】
このような、発錆し易い環境下での使用が可能な軸受が、たとえば、特開２００４−１１８９６号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１によれば、耐食性を向上するために、軸受の内輪と外輪とを高耐食ステンレス鋼を素材としたり、転動体をマルテンサイト系ステンレス鋼としたりして軸受の各要素の金属材料成分を最適化している。
【０００７】
また、軸受に発生した錆がポンプやブロワを通じて改質物質内に侵入した場合、燃料電池発電装置本体内まで到達してしまい、触媒毒と呼ばれる有害物質になるおそれがある。触媒毒は燃料電池の発電効率を下げてしまうため、これを避けるために、たとえば、特表２００２−５３０１８１号（特許文献２）に記載されているように、各種の研究開発がなされている。
【特許文献１】特開２００４−１１８９６号公報（段落番号０００７等）
【特許文献２】特表２００２−５３０１８１号（段落番号００４０〜００５０等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池発電装置用補機に使用される軸受のような、発錆し易い環境で使用される転がり軸受としては、特許文献１に記載のような軸受があった。
【０００９】
しかしながら、このような特殊金属材料で構成された転がり軸受は、材料の入手が困難であるとともに、価格が高価になるという問題があった。
【００１０】
また、高温雰囲気に長期間曝されると、金属組織が経年変化により寸法や形状精度が変化し、軸受性能を満足できなくなるという問題もあった。
【００１１】
それゆえ、この発明の目的は、高温での使用が可能で、耐食性を有し、安価で長寿命の燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受および燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る、燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受は、内輪と外輪と転動体とを備え、内輪および外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有していることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、転動体は、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有している。
【００１４】
転がり軸受は、基本動定格荷重の１０％以下の軽荷重で使用される。
【００１５】
この発明の他の局面によれば、燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造は、燃料電池発電装置用補機の回転軸と、回転軸を支持する転がり軸受とを含む。転がり軸受は、内輪と外輪と転動体とを備え、内輪および外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
耐食性転がり軸受の内輪と外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有しているため、特殊な金属材料を使用することなく、軽荷重において十分な耐食性と寿命を有している。
【００１７】
その結果、高温での使用が可能で、耐食性を有し、安価で長寿命の、燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受を提供できる。
【００１８】
この発明の他の局面によれば、燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造は、燃料電池発電装置用補機の回転軸と、回転軸を支持する転がり軸受とを含み、転がり軸受は、内輪と外輪と転動体とを備え、内輪および外輪は、それぞれ、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなり、その表面硬さがＨＲＣ５０〜５７の範囲内にあり、その表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を有している。
【００１９】
その結果、高温での使用が可能で、耐食性を有し、安価で長寿命の燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の一実施の形態に係る、転がり軸受および燃料電池発電装置用補機の回転軸支持構造について説明する。
【００２１】
ここでは、燃料電池発電装置用補機の一例として、空気圧縮機について説明する。図１は、空気圧縮機の要部縦断面図である。空気圧縮機（以下、単に圧縮機と記す）１１は、燃料電池の酸素（空気）供給に供される同軸タービン駆動（あるいは、電動）の遠心式であり、インペラハウジング1３と、回転軸１５の端部に固着されたインペラ１７と、回転軸１５を回動自在に支持する深溝玉軸受１０とを有している。
【００２２】
この圧縮機１１では、インペラハウジング１３の吸入ポート２１から取り込まれた空気（酸素および窒素）と水蒸気との混合流体が、吐出ポート２３から燃料電池セル（図示せず）側に圧送される。尚、燃料電池では、燃料電池セル内での反応速度を高めるべく、圧縮機１１や混合流体が所定温度以上に昇温されている。尚、この圧縮機１１は、低中荷重下で比較的低中速で運転される。
【００２３】
すなわち、燃料電池発電装置用補機の回転軸を支持する転がり軸受や、燃料電池発電装置用補機の回転支持構造の使用条件は、基本動定格荷重の１０％以下の軽荷重で、かつ、耐食性が要求される使用条件である。
【００２４】
図２は、上記条件下で使用される、深溝玉軸受１０の構造を示す図である。図２を参照して、ステンレスＳＵＳ４４０Ｃ材からなる素材を用い、呼び番号６０８に相当する単列深溝玉軸受１０の内輪ａ（軌道部材）、外輪ｂ（軌道部材）、および転動体ｃを製作する。
【００２５】
クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなる素材を所定形状に加工し、被加工物に対し、先ず、粗い精度で切削加工を行った後、熱処理を行う。このときの、実施例、比較例１、比較例２の熱処理条件を以下に示す。
・実施例
内輪ａ、外輪ｂ、転動体ｃに対し、焼入れ後、サブゼロ処理を行わずに、４８０〜５４０℃で高温焼き戻しを行う。このとき、被加工物の硬度は、ＨＲＣ５０〜５７程度となる。
・比較例１
内輪ａ、外輪ｂ、転動体ｃに対し、焼入れ後、サブゼロ処理を行い、その後、４８０℃で高温焼き戻しを行う。このとき、被加工物の硬度は、ＨＲＣ５８以上となる。
・比較例２
内輪ａ、外輪ｂ、転動体ｃに対し、焼入れ後、サブゼロ処理を行わずに、５４０℃を超える温度で高温焼き戻しを行う。このとき、被加工物の硬度は、ＨＲＣ５０未満となる。
【００２６】
その後、それぞれについて、仕上げの研削加工を行い、被加工物の表面に残存する加工変質層を除去した。次に、この被加工物の表面に、クロム原子と鉄原子の存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を形成した。
【００２７】
上述の方法で製作された、図２に示す、内輪ａ、外輪ｂ、転動体ｃ、プラスチック製の保持器ｄおよびＳＵＳ３０４製の密封板ｅを用いて、呼び番号６０８に相当する単列深溝玉軸受１０を組み立てた。また、潤滑材として、グリースを使用した。組み立てた各転がり軸受に対し、耐食性を調べる試験と、耐久試験を行った。
【００２８】
耐食性を調べる試験としては、塩水噴霧試験を行った。この試験は、「ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１」に準拠して、３５℃の５重量％ＮａＣｌ水溶液を２週間霧状で吹き付ける試験である。試験後に、転がり軸受の各構成部品に腐食が生じているかどうかを目視により調べた。実施例からＨＲＣ５０，５５、比較例１からＨＲＣ６０、比較例２からはＨＲＣ４５の軸受を用いた。実施例に係るＨＲＣ５０，５５の転がり軸受、比較例１に係るＨＲＣ６０の転がり軸受、および、比較例２に係るＨＲＣ４５の転がり軸受のいずれもが、錆の発生無く、耐食性に問題は無かった。
【００２９】
次に耐久試験について説明する。耐久試験は、各転がり軸受を予圧１００Ｎ（１０ｋｇｆ）、回転数５０００ｒｐｍで回転させ、急激な温度上昇、または、振動が大となったときに、寿命と判断する試験である。耐食性試験と同様、実施例からＨＲＣ５０、５５、比較例１からＨＲＣ６０、比較例２からＨＲＣ４５の各転がり軸受を用いた。試験時間は、ＪＩＳ規格で規定する基本定格寿命の１０００倍にあたる１０００×１０６回転で打ち切りとした。試験結果を図３に、また、硬度、熱処理条件、耐食性および図３の結果をまとめたものを表１に示す。
【００３０】
【表１】
2006300137.tif 000003
【００３１】
図３および表１を参照して、比較例２のように、ＨＲＣが５０未満であれば、寿命の点で問題があるが、実施例や比較例１のようにＨＲＣが５０以上であれば、十分な耐久寿命を有しており、基本動定格荷重の１０％以下の軽荷重の用途であれば、軸受硬度がＨＲＣ５０〜５７程度でも十分長寿命を維持することができ、耐食性も問題が無いことがわかった。
【００３２】
したがって、実施例に示す転がり軸受であれば、上記した燃料発電装置用補機の回転軸を支持する回転軸支持構造として十分使用可能である。
【００３３】
次に、図１に示した圧縮機の動作を説明する。燃料電池に電力を発生させるべく圧縮機１１が運転を開始すると、吸入ポート２１から比較的高温高湿の混合流体がインペラハウジング１３内に流入し、混合流体の一部は密封売掛板ｅと内輪ａ（図２参照）との間隙から僅かずつ深溝玉軸受１０内に侵入する。
【００３４】
この発明によれば、このような条件でも、これらの混合流体との接触に起因する発錆は起こらず、従来装置で問題となっていた軸受構成部材の摩耗促進や焼付き等が防止される。
【００３５】
なお、上記実施形態は、本発明を燃料電池発電装置の補機である遠心式空気圧縮機用の深溝玉軸受に適用したものであるが、化学プラントや産業機械等に用いられる種々の圧縮機や送風機等の軸受に適用してもよいし、複列アンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受、ニードル軸受等に適用してもよい。また、図４にその斜視を示したスーパチャージャ用のリショルムコンプレッサを始め、エアコンディショナ用のロータリコンプレッサやスクロールコンプレッサ等、種々の圧縮機や送風機（ブロワ）に適用可能である。
【００３６】
また、上記実施の形態においては、転がり軸受を構成する、内外輪および転動体の全てについて、クロムの含有率が５重量％以上である鉄鋼材料からなる材料を用い、上記の所定の熱処理および熱処理後の材料の表面にクロム原子と鉄原子との存在比（Ｃｒ／Ｆｅ）が０．５以上である酸化被膜を形成した場合について説明したが、これに限らず、内外輪のみについて、上記の素材を用い、上記の熱処理および酸化被膜を形成しても、上記した耐食性および耐久性が得られる。
【００３７】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明に係る転がり軸受が使用される燃料電池発電装置用補機の一例としての空気圧縮機の要部を示す断面図である。
【図２】深溝玉軸受の構造図である。
【図３】耐久性試験結果を示す図である。
【図４】リショルムコンプレッサの斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  深溝玉軸受、１１  空気圧縮機、１３  インペラハウジング、１５  回転軸、ａ  内輪、ｂ  外輪、ｃ  転動体、ｄ  保持器、ｅ  密封板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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