(57)【要約】【課題】  待機時の消費エネルギーを殆ど必要とせず、また燃料電池を具備してもその燃料補給を必要としない画像形成装置を提供すること、更には商用電源を効率良く利用することにより、商用電源のワット数を大きくしなくても定着装置の昇温時間を短縮することができると共に高速大量印刷時にも電源不足等を生じさせない画像形成装置を提案すること。【課題手段】商用電源が供給されると共に、燃料電池を具備する画像形成装置において、上記の燃料電池の燃料発生装置を具備すると共に、該燃料発生装置は商用電源を利用して該燃料電池の燃料を発生させる。【選択図】  図２
2006023671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源が供給されると共に、燃料電池を具備する画像形成装置において、上記の燃料電池の燃料発生装置を具備すると共に、該燃料発生装置は商用電源を利用して該燃料電池の燃料を発生させる画像形成装置。
【請求項２】
上記の燃料電池で発生するエネルギー源を画像形成装置の定着装置の昇温時及び／又は高速印刷時の補助エネルギー源とする請求項１記載の画像形成装置。
【請求項３】
上記の燃料電池の燃料は水素であり、上記燃料発生装置が水の電気分解装置からなる請求項２記載の画像形成装置。
【請求項４】
上記の燃料電池で発生させる電気エネルギーの他に、該燃料電池で生じる熱エネルギーを熱交換器を介して上記補助エネルギー源とする請求項２又は３記載の画像形成装置。
【請求項５】
上記燃料電池と燃料発生装置との間の燃料移送ラインが密閉系で構成される請求項３記載の画像形成装置。
【請求項６】
上記燃料電池で発生する水を燃料発生装置で回収して電気分解する請求項３又は４記載の画像形成装置。
【請求項７】
上記燃料電池と燃料発生装置とこれらの間の各ラインとが密閉された循環系である請求項５又は６記載の画像形成装置。
【請求項８】
上記の循環系に圧力検知手段を設けてなる請求項５又は７記載の画像形成装置。
【請求項９】
上記の燃料電池は高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池である請求項１〜８の何れかに記載の画像形成装置。
【請求項１０】
上記請求項１記載の画像形成装置による画像形成方法において、上記画像形成装置の定着装置への加熱期間以外に上記燃料発生装置で電気分解をする画像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成装置及びそれを用いた画像形成方法に関するものであり、特に、限られた小設備の商用電源を省エネで使用することのできる複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置及びそれを用いた画像形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、水素と空気を用いて電気化学反応で発生する電源エネルギーを利用する所謂燃料電池を搭載した画像形成装置が提案され、燃料電池によって発生した電気エネルギーを画像形成装置の駆動部及び制御部に供給すると共に、燃料電池に発生した熱エネルギーを定着装置の加熱部の加熱に使用するものが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
一般に複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置は、感光体、現像ローラ等の駆動部、その制御部、及び普通紙、ＯＨＰ紙等にトナー像を定着させるための加熱定着装置を具備する。これらの駆動部、制御部、及び定着部などは商用電源からの電力供給を受けて稼働する。特に、定着装置の加熱に当たっては、商用電源でハロゲンヒータ、セラミックヒータを直接加熱しているため、商用電源は最大で数千Ｗの大電力を必要とする。このため、商用電源ラインでは電磁波ノイズが発生し、ノイズは制御部などにしばしば悪影響を及ぼす場合があった。
【０００３】
そこで、上述のように、燃料電池によって発生した電気エネルギーを画像形成装置の駆動部及び制御部に供給して安定性を図ると共に、電源ラインで発生するノイズ及び電源ラインの電圧降下、フリッカ現象などの影響を少なくすることが考えられている。また燃料電池で発生する熱エネルギーを定着装置に加熱部に供給すること提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
ところで、省エネ規制の高まりから画像形成装置のシステムも見直されてきている。例えば、画像形成装置のうちの割合の大きい待機時間消費エネルギーを削減することは省エネ効果が大きい。このため、画像形成装置の未使用時は定着装置の加熱部への電力供給をゼロにすることが好ましい。しかしながら、定着装置で待機時間の加熱部への加熱をゼロにすると、再使用時に加熱部への昇温時間がかかるため待ち時間が長くなり、使用者の近い勝手が悪くなる。また、最近の高速及び大量の連続印刷により、定着装置での電源エネルギーの不足が生じ、一旦、安全制御機構が作動し、途中で温度回復のために印刷が中断してしまう場合がある。
【０００５】
加熱部の昇温時間を短縮するためには、定着装置の加熱部である加熱ローラだけでなく、加圧ローラを含めた定着装置全体の熱容量を下げることが有効とされている。また、加熱部を加熱する単位時間の投入エネルギー、即ち、初期の商用電源の電力を大きくする必要がある。前者の解決方法にあっては物理的に限界があり、また後者の解決方法としては、電源電圧を２００Ｖにして加熱ローラ等の加熱部の昇温時間を短くすることが提案されている。
【０００６】
しかしながら、我が国の一般的なオフィスでは２００Ｖ電源は未だ普及しておらず、商用電源は一般に１００Ｖを使用しており、そのアンペア上限は１５Ａ程度である。このため、加熱部の昇温を速やかに行うためには、１００Ｖの１５Ａの商用電源を２系統分用いて定着装置の加熱部に対する全投入電力を上げた画像形成装置も提案されている。しかし、このような画像形成装置では、２系統以上のコンセントが近くにあることが必要となってくる。１００Ｖ系，２００Ｖ系などの電源ラインに違いがあるにせよ、装置は電源容量の制約を受けるものである。また、上述の従来の燃料電池を具備した画像形成装置では、燃料電池の電気エネルギーが定着装置に直接投入されていないため昇温時の加熱に十分に寄与することはない。従って、商用電源の使用ワット数、或いはアンペア数を高めることなく、定着部における加熱部の昇温が短縮できることが望まれている。
【０００７】
また、従来、燃料電池を画像形成装置に使用する場合には、燃料電池の燃料（水素、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等）が必要とされ、画像形成装置にはその燃料貯蔵部が必要とされる。その貯蔵部に水素等を補給するためのメンテナンスが必要となる。また、燃料電池を使用することによって、水などが生成してくるが、これらの生成物を装置外に放出するとしても、画像形成装置の周囲の湿度を高め、環境を低下させる。
【特許文献１】特開２００３−２７０９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明は、斯かる実情に鑑み、待機時の消費エネルギーを殆ど必要とせず、また燃料電池を具備してもその燃料補給を必要としない画像形成装置を提供すること、更には商用電源を効率良く利用することにより、商用電源のワット数を大きくしなくても定着装置の昇温時間を短縮することができると共に高速大量印刷時にも電源不足等を生じさせない画像形成装置を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、前記の課題を解決するため、画像形成装置に燃料電池を設けると共に、その燃料電池の燃料発生装置を設け、かかる燃料発生装置を商用電源が電子写真プロセスに必要とされない時に作動して燃料を発生させることにより、即ち、商用電源のワット数を大きくしないで、且つ定着装置への待機時のための消費エネルギーが無くても、定着装置を速やかに昇温できること、及び燃料電池の燃料のためのメンテナンスが不要となること、商用電源と燃料電池と一層効率よく組み合わせることができることを見出し、本発明に至ったものである。
即ち、本発明は、以下の（１）乃至（１０）の手段或いは構成を特徴するものである。
【００１０】
（１）商用電源が供給されると共に、燃料電池を具備する画像形成装置において、上記の燃料電池の燃料発生装置を具備すると共に、該燃料発生装置は商用電源を利用して該燃料電池の燃料を発生させる画像形成装置。
【００１１】
（２）上記の燃料電池で発生するエネルギー源を画像形成装置の定着装置の昇温時及び／又は高速印刷時の補助エネルギー源とする上記（１）記載の画像形成装置。
（３）上記の燃料電池の燃料は水素であり、上記燃料発生装置が水の電気分解装置からなる上記（２）記載の画像形成装置。
（４）上記の燃料電池で発生させる電気エネルギーの他に、該燃料電池で生じる熱エネルギーを熱交換器を介して上記補助エネルギー源とする上記（２）又は（３）記載の画像形成装置。
【００１２】
（５）上記燃料電池と燃料発生装置との間の燃料移送ラインが密閉系で構成される上記（３）記載の画像形成装置。
（６）上記燃料電池で発生する水を燃料発生装置で回収して電気分解する上記（３）又は（４）記載の画像形成装置。
（７）  上記燃料電池と燃料発生装置とこれらの間の各ラインとが密閉された循環系である上記（５）又は（６）記載の画像形成装置。
（８）  上記の循環系に圧力検知手段を設けてなる上記（５）又は（７）記載の画像形成装置。
（９）上記の燃料電池は高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池である上記（１）〜（８）の何れかに記載の画像形成装置。
【００１３】
（１０）上記（１）記載の画像形成装置による画像形成方法において、上記画像形成装置の定着装置への加熱期間以外に上記燃料発生装置で電気分解をする画像形成方法。
【発明の効果】
【００１４】
上記の画像形成装置によれば、画像形成装置に燃料電池及びその燃料発生装置を具備するので、燃料電池の燃料、例えば水素、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等を定期的に補給する必要がない。メンテナンスが容易となる。また、燃料電池の副生成物は一般に水蒸気であるが、かかる水蒸気の発生は画像形成装置の周囲環境を悪化させるおそれがある。しかし、燃料電池と燃料発生装置とを一体とした密閉ラインを形成することが可能であるため画像形成装置の周囲の環境を悪くすることを防止することができる。更に、燃料電池の電気エネルギーを電子写真プロセスにおける定着装置の昇温時に投入するようにすれば、商用電源のワット数を大きくしないで、また待機時のための消費エネルギーが無くても、定着装置を迅速に昇温できる。また、高速印刷時に定着装置の温度低下による、途中での温度回復による印刷中断するおそれもない。
更に、電子写真プロセスが作動或いは駆動していないときに、燃料発生装置に商用電源の電気エネルギーを供給するれば、待機時に燃料電池の燃料を補給しておくことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の画像形成装置の実施の形態について、添付図面に従って詳しく説明する。
図１は、本発明に係る画像形成装置の説明概略図である。図２は、本発明に係る画像形成装置に具備される燃料電池及び燃料発生装置とのライン関係を示す概略図である。図３は、燃料電源系制御部で制御タイミングを示すフローチャート図である。
【００１６】
図１に示すように画像形成装置１は、電子写真プロセス部２の他に燃料電池３と燃料発生装置４を具備する。電子写真プロセス部２は、普通紙、ＯＨＰ紙等にトナー像を定着させるための加熱定着装置５の他に、図示しないが原稿読み取り部、感光体、現像ローラ、それ等の駆動部、給紙部、印字部、排紙部等を具備する。これらの駆動部、制御部、及び定着部など商用電源からの電力供給され、特に、定着装置５の加熱に当たっては、商用電源でハロゲンヒータ、セラミックヒータが直接加熱される。
【００１７】
燃料電池３は、燃料が取り込まれる水素移送ライン７と酸素（又はエア）が取り込まれる酸素移送ライン８とを具備し、また水蒸気が放出される排出ライン（又は水回収ライン）９を具備してなる。排出ライン９は直接水貯蔵部２２に接続されても良く、本実施形態のように熱交換器１０介して水貯蔵器２２に接続されていても良い。
熱交換器１０では排出ライン９からの水蒸気を凝縮して回収すると共に、生じる熱エネルギーを定着装置５の加熱に使用される。この場合、熱媒体は、例えば、温度１８０℃以上に変換されて定着装置５に送られる。
また、燃料電池３で発電する電気エネルギーは直接定着装置１２の加熱のために投入される。
【００１８】
図２に示すように、燃料発生装置４は電気分解部からなり、ケーシング２１内の水貯蔵部２２、電極キャップ２３内の水素貯蔵部２４、及び酸素貯蔵部２５を具備する。ケーシング２１内は循環ポンプ２９を介して排出ライン９と連通している。また、ケーシング２１には水素移送ライン７及び酸素移送ライン８が挿通され、水素移送ラインは電極キャップ２３内の水素貯蔵部２４と連通し、酸素移送ライン８は電極キャップ内の酸素貯蔵部２５と連通している。
それぞれの電極キャップ２３内には水素発生電極（陰極）２６及び酸素発生電極（陽極）２７が設けられ、これらの電極は図１に示す直流電源１１に接続される。直流電源１１は商用電源から電力が供給され、燃料電源系制御部１４によって制御される。また、ケーシング２１内には圧力センサ（又は圧力検知器）１３が設置され、圧力センサ１３はケーシング２１内、即ち発生する酸素及び水素の圧力を検知し、その検知信号を燃料電源系制御部１４に送信する。また、上述の水素移送ライン７及び酸素移送ライン８には制御弁１５がそれぞれ設けられ、制御弁１５は燃料電源系制御部１４によって制御される。
【００１９】
燃料電池３は、固体高分子型燃料電池であり、アノード極３１とカソード極３３とが電解質膜３２を挟んで対向して配されている。アノード極３１は燃料である水素の拡散可能な導電性材料から形成されており、水素拡散層３５を有している。カソード極３３は酸化剤である酸素或いはエアの拡散可能な導電性材料から形成されており、酸素拡散層３６を有している。高分子電解質膜３２はプロトン導電性或いはイオン透過性の電解質膜であり、固体高分子電解質膜などが使用される他、例えば、モリブドリン酸、タングストリン酸等のヘテロポリ酸の固体電解質を膜状に成形したもの、耐酸性セラミックス微粉末をテフロン（Ｒ）で結着させたマトリックスに酸を含浸させたもの等が使用される。
【００２０】
水素拡散層３５には水素移送ライン７が連通され、酸素拡散層３６に酸素移送ライン８が連通され、酸素拡散層３６からは副生成物である水蒸気が発生し、水蒸気は排出ライン９に回収される。従って、燃料電池３と燃料発生装置４は、循環ポンプ２９、各ライン７、８、及び９を含めて密閉した循環ラインが形成される。
燃料電池３のアノード電極３１及びカソード極３３は定着装置５の加熱ローラ３７に接続され、加熱ローラ３７は燃料電池３の電気エネルギーにより迅速に昇温される。また、燃料電池３で発生する水蒸気は熱交換器１０（吸熱部３８、コンプレッサ３９及び放熱部４０を含む。）によって凝縮・熱エネルギーの生成・放出がされる。燃料電池３で発生する熱エネルギーは隣接する放熱部４０によって加熱ローラ３７の加熱に寄与される。
【００２１】
このように構成される画像形成装置１にあっては、先ず、画像処理装置１に電源が投入されると同時に、燃料電源系制御部１４のスイッチがオンとなり、燃料電源系制御部１４は燃料電池３及び燃料発生装置４のウォームアップ開始が安全に確保出来ているか否かを判定する。
図３に示すように、スタートと同時に圧力センサ１３で水素貯蔵部２４及び酸素貯蔵部２５における圧力が測定される。
圧力測定データは燃料電源系制御部１４に入力され、燃料電源系制御部１４は圧力値が所定の上限値にあるか否かを判定する。
判定がイエスの場合、即ち圧力値が所定上限値を超える場合は警告表示を行う。
警告解除するため、水素移送ライン７及び酸素移送ライン８の制御弁１５を開放し、コンプレッサー３９及び循環ポンプ２９をオンにする。圧力センサ１３からの圧力値が所定の上限値未満になるまで、警告表示等が繰り返される。圧力値が上限値未満となった場合は、警告が解除され、各制御弁１５、コンプレッサー３９、及び循環ポンプ２９をオフにして戻る。
【００２２】
次に、圧力値が所定下限値未満となっているか否かを判定する。
判定がイエスの場合、定着装置５がオンになっているか否かを判定する。判定がイエスの場合は定着装置５がオフになるまで判断をループさせ、定着装置５がオフと確認され、判定がノーとなったときに、燃料発生装置４の電気分解を開始する。圧力値が所定の下限値未満の状態では判断をループさせ、電気分解を継続する。圧力値が下限値以上となった場合は戻る。
ウォームアップ開始が可能か否かを判定し、ノーの場合は、再度の圧力測定から処理を開始する。
【００２３】
ウォームアップ開始がイエスと判定したとき、水素移送ライン７及び酸素移送ライン８の制御弁１５を開放し、コンプレッサー３９及び循環ポンプ２９をオンにして燃料電池３を作動する。燃料電池３の発電が所定値のｎ秒間経過したか否かを判定し、ｎ秒間経過後、水素移送ライン７及び酸素移送ライン８の制御弁１５を閉止し、コンプレッサー３９及び循環ポンプ２９をオフにして燃料電池３を停止する。次に、圧力センサ１３により圧力が正常か否かを判定する。圧力正常でなければ、スタートに戻り、圧力が正常になるまで、上記の処理を繰り返す。圧力が正常な場合には待機状態とし、画像形成装置１のスイッチのオフによりエンドとする。
【００２４】
このような場合において、燃料発生装置４及び燃料電池３の安全性を確認した後、ウォームアップ開始時から商用電源及び燃料電池３の電気エネルギーが定着装置５に投入される。定着装置５の加熱ローラ３７は所定のｎ秒間経過後、所定の定着加熱温度に到達することができる。
また、燃料発生装置４及び燃料電池３の待機状態においては、高速連続印刷が大量に実行され、加熱ローラ３７の温度が低下して定着装置５が電力不足となった場合、燃料電源系制御部１４は待機状態を解除する呼出しを行い、スタート位置に戻り、燃料電池３のウォームアップ開始の状態を確認後、燃料電池３を再び作動し、この場合には必要により、燃料電池３に設けられる熱交換器１０からの熱エネルギーも加熱ローラ３７の加熱に寄与する。
【００２５】
このように構成される画像形成装置１にあっては、電子写真プロセスの定着装置５の加熱ローラ３７の昇温に商用電源だけでなく燃料電池３の電気エネルギーを投入できる。このため、商用電源のワット数を極力抑えて、定着装置５の昇温時間を短縮することができる。また、高速大量印刷時に定着装置５に燃料電池３からの電気エネルギーが補給されるため、定着装置５の安定した加熱制御ができる。このため、印刷を中断することがない。
【００２６】
また、このように構成される画像形成装置１には燃料電池３と共に燃料発生装置４が設けられるので、燃料電池３の燃料自体を定期的に補給する必要がない。また、待機状態にあっては、燃料を充足させるための電気分解を実施し、その待機状態では商用電源の消費が極力抑えられ、このような電気分解を定着装置５の加熱期間以外で実施することにより、商用電源は電力の余裕があり、電子写真プロセス２の動作に支障をきたすことがない。
【００２７】
更に、燃料電池３と燃料発生装置４との間を密閉された循環系としている。これは、必ずしも密閉系とする必要はなく、外部から水、及び生成する酸素の他に空気を導入することもできる。しかしながら、本実施形態のように燃料電池３と燃料発生装置４との間を密閉された循環系とすることによって、生成される水蒸気などを熱交換器を介して水として回収することができる。これにより、装置の機内、あるいは周囲環境の悪化、即ち湿度が高くなること、即ち、機内湿度上昇によるプロセス条件変動、画質劣化や紙搬送ミス、紙詰り、光学系などへの露結、あるいはオフィスなどの環境劣化が防止される。また、空気の導入をしなくても酸素濃度の低下を防止し、未燃焼ガスの排気が防止できる。
また、圧力センサ１３を設けたことにより、循環系の圧力の異常上昇を検知して、燃料電池の発電、電気分解を停止することにより、過多の電気分解、異常温度上昇などによる燃料電池及び燃料発生装置の破損する事故を防止することができる。
【００２８】
尚、本実施形態では、燃料電池３に高分子電解質膜の固体高分子型燃料電池を用いたが、このような燃料電池に限る必要はない。しかしながら、燃料電池３を固体高分子型燃料電池とすることにより、作動温度が１５０〜３００℃の燐酸型燃料電池やその多の燃料電池のように１００℃以上に予熱をする必要がなく、常温での作動が可能であり、定着装置の補助エネルギーとして有効である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明に係る画像形成装置及び画像形成方法は、小設備の商用電源で使用することができ、また省エネで使用することができ、高速大量印刷にも十分に対応することができることから、産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明に係る画像形成装置の概略説明図である。
【図２】図２は、本発明に係る画像形成装置に具備される燃料電池及び燃料発生装置とのライン関係を示す概略図である。
【図３】図３は、燃料電源系制御部で制御タイミングを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    画像形成装置
２    電子写真プロセス
３    燃料電池
４    燃料発生装置
５    定着装置
７    水素移送ライン
８    酸素移送ライン
９    排出ライン
１０  熱交換器
１３  圧力センサ（圧力検出器）
１４  燃料電源系制御部
１５  制御弁
【図１】
2006023671.tif 000003
【図２】
2006023671.tif 000004
【図３】
2006023671.tif 000005