(57)【要約】【課題】本発明は水素供給システムの摺動部の素材としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかの樹脂を用いるという新規な構成を採用することにより、無潤滑でも、摩耗し難く、発塵やアウトガスを抑制できる水素供給装置を提供する。【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し、前記機械要素の少なくとも１つの摺動部の素材として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかの樹脂を用いることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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つの摺動部の素材には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかの樹脂を用いることを特徴とする水素供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２３９７５号公報
【特許文献２】特開２００７−２７１０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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．
【０００７】
そこで、本発明は水素供給システムの摺動部の素材としてポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかを用いるという新規な構成を採用することにより、無潤滑でも、摩耗し難く、発塵やアウトガスを抑制できる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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し、前記機械要素の少なくとも１つの摺動部の素材として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかの樹脂を用いることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記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、特に高圧水素中での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。また、前記金属の摩耗を抑制する為には、窒化処理することが好ましい。
【００１０】
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。粗さが小さすぎると、焼き付きが発生し易くなり、粗さが大きすぎると、摩耗の進行が速くなるためである。また、樹脂部品の成型方法は削り出しと射出成型のどちらでも可能であるが、量産する場合は射出成型が望ましい。
【００１１】
好ましくは、水素供給システム内の摺動部に上記の樹脂を使用すると、無潤滑でも摩耗し難い為、発塵やアウトガスを抑制できる。特に、超高分子量ポリエチレン（分子量１００万〜７００万）を使用した場合、摺動材料にＰＥＥＫを用いてグリースで潤滑した場合と同等の寿命を維持できる。さらに、潤滑剤に必要であったコストも削減できる。
【００１２】
また、前記水素供給システムの摩耗を抑制する為には、前記摺動部の摺動時の滑り速度は、１５０ｍｍ／ｓ以下、または、前記摺動部の接触面圧は０．１〜５ＭＰａのいずれかまたは両方の条件を満たすことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素供給システムの摺動部が、無潤滑でも、摩耗し難く、発塵やアウトガスを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の水素供給システムの断面図である。
【図２】図１の異なる方向の断面図である。
【図３】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４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】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。
【図６】燃料電池の概念を示す図である。
【００１５】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１６】
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摺動部が必要となる。
【００１７】
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、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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）。
【００２０】
（実施例１）
本形態によれば、水素供給システムの摺動部の少なくとも１つの素材に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかの樹脂を用いる。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）等の摺動面を有する摺動部の少なくとも１つの素材に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートのいずれかの樹脂を用いる。
【００２１】
この様な構成にすることにより、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、前記摺動部の一方をＳＵＳ３１６Ｌ（ステンレス鋼）、これに対する他方の摺動部材をＥｎｓｉｎｇｅｒ社のポリエチレン、ＴＥＣＡＦＩＮＥ  ＰＥ  １０ｂｈとし、両者の表面粗さを０．１〜１μｍＲａ、無潤滑、すべり速度を６０ｍｍ／ｓ、接触面圧２ＭＰａとした場合、同じ条件で「ＴＥＣＡＦＩＮＥ  ＰＥ→ＰＥＥＫ」「無潤滑→フッ素グリース潤滑」という点のみ変更した場合と比較して、摩耗量は同等となる。その上で、先に述べたように低発塵、低アウトガス、低コストという改善を実現できる。
【００２２】
（実施例２）
実施例１で、構造上、すべり速度を上げる（１００〜１５０ｍｍ／ｓ）必要がある場合、ポリエチレンの代わりにポリプロピレンを用いると、耐熱性が高い為、焼き付きを更に抑制することができる。
【００２３】
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つの摺動面１００を有する摺動部の素材に、前記樹脂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つの摺動面１００を有する摺動部の素材には、前記樹脂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。
【００２４】
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つの摺動面１００を有する摺動部の素材には、前記樹脂を有することが好ましい。
【符号の説明】
【００２５】
１…水素タンク
２…基部
３…電磁弁
７…減圧弁
１００…摺動面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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