JP5127772B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、自動販売機と固体高分子型燃料電池を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムに関する。

近年、自動販売機の市場の伸びは横這いに近いが安定しており、売り上げはスパーマーケット、コンビニエンスストアに比べて遜色がないほど、日本の自動販売機ビジネスの市場規模は巨大である。とりわけ、飲料自動販売機の売り上げは、全体シェアの役半分を占めている。

一方、消費電力量についても、飲料自販機が自販機全体の約５０％を占めており、その中でもアルミ缶やペットボトル式の自動販売機が９０％の消費電力量を占めている。

従って、省エネ化に関する取り組みは、昨今の地球環境保全の問題と絡めて重要な課題となっている。省エネ方法としては、飲料水の冷却や加熱時の室外への放熱損失を小さくするための気密、断熱性向上、圧縮機入力の低減や冷凍サイクルの成績係数向上、制御機器の省電力化、照明量・時間の削減等、様々な方法が考えられ、実際行われてきた。

また、電力発電所の普及が頭打ちになっている現状の、夏場昼間の電力ピークをカットする様々な施策の一つとして、自動販売機の運転を一定時間停止するエコベンダータイプの普及は著しいものがあるが、実際のところ大きな省エネ効果は得られていない。

従って、抜本的な省エネ対策としては、効率の良い新エネルギーを採用する方法も考えられるが具体化する迄には至っていない。

新エネルギーを採用する方法としては、太陽電池や燃料電池の利用が考えられるが、前者はイニシャルからランニングを考慮したいわゆるライフサイクル評価（ＬＣＡ）での省エネ性、後者は技術発展途上であり、実際得られる場合の発電効率の大きさに、それぞれ左右されると考えられる。

後者の燃料電池を採用する案としては、ガソリンエンジン等を利用した他発電機同様、停電時のバックアップ電源（非常用電源）が主体であり、そのような運転特許として、特許文献１、特許文献２、特許文献３が公開されている。これらの特許は、系統電力と燃料電池出力の切り替えをスムーズに行う電気的な省エネ制御の提案が主体となっている。

特開平９−１３０９７５号公報 特開平１０−１１５００号公報 特開平１０−１３６５８４号公報 特開平１１−１３２１０５号公報

しかしながら、自動販売機を対象に、燃料電池の排熱を利用した大幅な省エネ性にまで言及した具体的な提案はなされていない。太陽電池同様に、燃料電池出力は直流電圧であり、家庭用を対象とした場合、ＡＣ１００Ｖの商用電源に変換するインバータの省エネ制御技術が電気的には重要な課題の一つと考えるからである。

一方、燃料電池システムを単なる電気的な発電装置としてしか見ない場合、その省エネ性は発電効率（末端の利用電力／原燃料の発熱量）に左右される。従って、如何にこの発電効率が高い固体高分子型燃料電池システムを開発できるかが技術的なポイントにはなるが、理論的には４０％程度が限界と思われる。また、燃料に水素を使用する場合には問題とならないが、水素に改質する必要のある燃料の場合、例えばプロパンやメタン燃料を使用する場合、プロセス系効率（電池水素消費の発熱量／原燃料の発熱量）が小さいとさらに発電効率は低下する。

そこで、固体高分子型燃料電池のシステム全体の効率を向上させるには、直流電圧出力のみならず、燃料電池冷却系の排熱を利用する排熱利用システムが公開されている（特許文献４）。該排熱利用システムは、需要と供給に応じて排熱を分配する方式であるので、小型化が図れ、メインテナンスを容易にできるというメリットを有するものの、次のような問題点がある。

すなわち、電池本体を冷却するための冷却部を循環する冷却水を、改質器に水蒸気を与えるための水蒸気分離器にも供給する構成となっている。このため、該排熱利用システムの負荷である排熱利用機器の熱負荷が小さいときには問題がないが、該熱負荷が大きいときには、水蒸気分離器に該冷却部から供給される冷却水の温度は低くなり、水蒸気分離器から水蒸気を発生することができず、改質器に水蒸気が供給されないことが考えられる。この場合には、例えば該冷却水の圧力を高めながら温度を上げるために、何らかの手段により該冷却水を加熱する必要がある。このため、該排熱利用システムではその分余計に燃料等を燃焼して得られる熱エネルギーが必要となり、この結果発電効率が低下する。又、冷却系と燃料処理系が独立していないので、これらの制御が複雑となる。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、系統の商用電力使用量に比べて大幅な電力使用量低減を実現し、省エネによる地球環境保全及び燃料電池運転燃料費の低減を図ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水又は熱湯を注入すると共にコーヒ等の原料を溶かすようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
前記燃料ガスを水蒸気により改質するために水を供給する水供給経路並びに該水供給経路とは独立して該燃料電池本体からの発熱を冷却するために、熱交換器を介するか、又は熱交換器を介さず直接水を循環する水冷却経路とを備え、
前記燃料電池本体の酸化剤極の出口と、前記燃料ガスを改質するために前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器の間の水供給経路又は該水供給経路に配設されている水タンクからの生成水を取出し、この生成水を前記自動販売機のカップに注入する水として利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。

前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水を含む炭酸を注入するようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
前記燃料ガスを水蒸気により改質するために水を供給する水供給経路並びに該水供給経路とは独立して該燃料電池本体からの発熱を冷却するために、熱交換器を介するか、又は熱交換器を介さず直接水を循環する水冷却経路と、
前記燃料ガスを改質するために前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器に有する燃焼器からの燃焼ガスを取込み、該燃焼ガスのうちの炭酸ガスのみを取出す炭酸ガス分離器とを備え、
前記炭酸ガス分離器で分離された炭酸ガスを、前記自動販売機のカップに注入して利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。

前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水又は熱湯を注入すると共にコーヒー等の原料を溶かすようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
前記酸化剤極から排出される水を、前記燃料ガスを水蒸気により改質する改質器に供給する水供給経路と、
前記水供給経路とは独立し、かつ前記燃料電池本体の燃料極及び酸化剤極の間に設け、内部に冷却水を通水可能に構成したものであって、前記冷却水によって前記燃料極及び酸化剤極を冷却する水冷却部と、
前記水冷却部との間で冷却水を循環可能にする水冷却経路と、
前記冷却部の排出側における前記水冷却経路に設け、前記水冷却部からの冷却水を通す電池冷却水放熱熱交換器とを備え、
前記燃料電池本体の酸化剤極の出口と、前記燃料ガスを改質するために前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器の間の水供給経路又は該水供給経路に配設されている水タンクからの生成水を取出し、この生成水を前記自動販売機のカップに注入する水として利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。

前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水を含む炭酸を注入するようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
前記酸化剤極から排出される水を、前記燃料ガスを水蒸気により改質する改質器に供給する水供給経路と、
前記水供給経路とは独立し、かつ前記燃料電池本体の燃料極及び酸化剤極の間に設け、内部に冷却水を通水可能に構成したものであって、前記冷却水によって前記燃料極及び酸化剤極を冷却する水冷却部と、
前記水冷却部との間で冷却水を循環可能にする水冷却経路と、
前記冷却部の排出側における前記水冷却経路に設け、前記水冷却部からの冷却水を通す電池冷却水放熱熱交換器と、
前記燃料ガスを改質する改質器に前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器に有する燃焼器からの燃焼ガスを取込み、該燃焼ガスのうちの炭酸ガスのみを取出す炭酸ガス分離器とを備え、
前記炭酸ガス分離器で分離された炭酸ガスを、前記自動販売機のカップに注入して利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。

本発明によれば、系統の商用電力使用量に比べて大幅な電力使用量低減を実現し、省エネによる地球環境保全及び燃料電池運転燃料費の低減を図ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。

本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第１の実施の形態を示す構成図。 本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第２の実施の形態を示す構成図。 本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第３の実施の形態を示す構成図。 本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第４の実施の形態を示す構成図。 本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第５の実施の形態を示す構成図。 図５の水タンク５６の具体的構成を説明するための図。 本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第６の実施の形態を示す構成図。 本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第７の実施の形態を示す構成図。 本発明の自動販売機に係る第１の実施の形態を示す構成図。 本発明の自動販売機に係る第２の実施の形態を示す構成図。 本発明の自動販売機に係る第３の実施の形態を示す構成図。 本発明の自動販売機に係る第４の実施の形態を示す構成図。 本発明の自動販売機に係る第５の実施の形態を示す構成図。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態を説明する。

図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第１の実施形態を示す概略構成図である。従来装置と異なる点は、燃料電池本体の水冷却部２０の出力側の水冷却経路に、排熱利用部２６具体的には冷却水を循環させる多数のパイプからなる熱交換器２６ａが配設され、又熱交換器２６ａに近接した位置に空気を吹き付ける空気ファン２６ｂを配設した点である。

以下、それ以外の構成について説明する。燃料電池本体は、燃料処理系１０と電池本体のＣＳＡ(Cell Stack Assembly)１１及び補機部１２から構成される。

燃料処理系１０は、脱硫器１３、燃焼器１４ａと熱交換器１４ｂからなる水蒸気発生器１４、改質器１５、ＣＯシフト反応器１６、ＣＯ選択酸化器１７から構成される。

ＣＳＡ１１は、アノード（燃料極）１８、カソード（酸化剤極）１９、水冷却部２０から構成される。

補機部１２は、熱交換器２１ａと空気ファン２１ｂからなる電池冷却水放熱熱交換器２１、熱交換器２２ａと空気ファン２２ｂからなるカソード出口ガス凝縮熱交換器２２、電池冷却水用水ポンプ２３、改質用水ポンプ２４、空気ブロア２５、その他から構成される。燃料供給部６は例えばプロパンボンベである。

ここで、このように構成の固体高分子型燃料電池システムの発電原理を簡単に説明する。燃料に、プロパンを使用した場合、プロパンから水素ガスへの改質は、燃料処理系１０で行われる。最初に、脱硫器１３を通過したプロパンは、例えば活性炭吸着によって硫黄分が取り除かれ、次に改質器１５を通過する。

改質器１５の手前で、水蒸気発生器１４で水が加熱され、ガス化した水蒸気がプロパンガスに合流する。改質器１５では、触媒によりプロパンと水蒸気の反応から、水素が生成されるが同時にＣＯも生成される。図示はしていないが、この水蒸気改質は吸熱反応のため、改質器１５には燃焼器１４ａを利用するか、又は別途設置する燃焼器が必要となる。

固体高分子型燃料電池は、ＣＳＡ１１の電解質膜及び触媒層から構成されるＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)でのＣＯの被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ₂へ酸化させる必要がある。このため、ＣＯシフト反応器１６及びＣＯ選択酸化器１７では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、それぞれ水蒸気及び空気供給により酸化反応を進める必要がある。

また、図示しないが改質器１５を含めたこれらの触媒反応はそれぞれ異なり、改質器１５の例えば７００℃から、ＣＯシフト反応器１６では例えば３００℃、選択酸化器１７では例えば１５０℃と、改質ガスの上流と下流の温度差が大きいため、実際には下流側温度を下げるための水熱交換器が必要となり、例えば水蒸気発生器１４を兼用する構成も考えられる。ＣＯ選択酸化器１７を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス、水蒸気からなっている。これらのガスがＣＳＡ１１のアノード１８に送り込まれる。

アノード１８に送り込まれた水素ガスは、ＭＥＡの触媒層を経て、プロトンＨ＋が電解質膜を通過、カソード１９を通過する空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。従って、アノード１８は−極、カソード１９は＋極となり、電位を持つことになり直流電圧を発電する。この電位間に負荷、例えば自動販売機を運転するための圧縮機やヒータ、照明灯の駆動力を設ければ、電源としての機能を持つことになる。

ＭＥＡ触媒での反応温度は、通常１００℃以下が適当であり、ＣＳＡ１１の温℃例えば７５℃以下になるように、電池冷却水用水ポンプ２３で送り込まれる冷却水で冷却されるが、熱を必要とする機器例えば、自動販売機の飲料水缶の加温に使われる排熱利用部２６で放熱しきれない場合、電池冷却水放熱熱交換器２１でさらに放熱され、ＣＳＡ入り口の冷却水温度例えば７０℃が一定になるように電気制御部（図示せず）を介して制御される。

以上述べた実施形態によれば、発電効率が高い固体高分子型燃料電池の電気出力を利用して運転することができるので、系統の商用電力使用時よりも、省エネ運転でＣＯ₂排出量を抑制する地球環境保全化が実現できる。

又、水冷却部２０の排出側に熱交換器２６ａを設け、熱交換器２６ａを空気ファン２６ｂで風でそのシステムの排熱を利用して運転することができるので、大幅に省エネ運転でＣＯ₂の排出量を大幅に抑制する地球環境保全化が実現できる。

図２は、本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第２の実施形態を示す概略構成図である。図１と異なる点は、燃料電池本体の水冷却部２０の出力側に、設けた排熱利用部２６を設けず、この代わりに水蒸気発生器１４の熱交換器１４ｂの周囲に発生する熱（温度例えば７０〜８０℃）を収集できるように熱収集部５３を設けたものである。これ以外の構成は、図１と同一であり、従って作用効果も図１と同一である。

図３は、本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第３の実施形態を示す概略構成図である。図１と異なる点は、燃料電池本体の水冷却部２０の出力側に、設けた排熱利用部２６を設けず、この代わりに燃料処理系１０の改質器１５、ＣＯシフト反応器１６、ＣＯ選択酸化器１７の外囲器の少なくとも一方の周囲に発生する熱を熱収集部５３により収集できるように構成したものである。これ以外の構成は、図１と同一であり、従って作用効果も図１と同一である。

図４は、本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第４の実施形態を示す概略構成図であり、図１〜図３の実施形態では、燃料電池本体に発生する熱を有効利用できるように構成したものであるのに対して、図４は燃料電池本体において生成される生成水を有効利用できるようにしたものである。具体的には、図４の改質用水ポンプ２４と熱交換器２２ａ（カソード出口ガス凝縮熱交換器２２の側）の配管接続部に分岐用配管を設けて、これに生成水取出部５４を形成したものである。そして、生成水取出部５４の出口側に分岐部を形成し、この一方に成分混合部５５を設けて、該生成水にミネラル成分を混合できるように構成されている。これ以外の構成は、図１と同一である。

本実施形態によれば、燃料電池本体で生成される生成水を生成水取出部５４から取り出せるので、水を必要とする機器例えば自動販売機のように、特別に水供給システムを設ける場合に比べて小型化が図れ、或いは水供給システムが不要になる。

又、成分混合部５５を設けてあるので、蒸留水である生成水にミネラル成分が混合できることから、生成水を飲料水として利用する場合には、安全で美味しい飲料水が得られる。

図５は、本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第５の実施形態を示す概略構成図であり、図４のカソード出口ガス凝縮熱交換器２２を設けずに、この部分に水タンク５６を設け、この水タンク５６に水道水を導入するように構成したものである。これ以外の点は、図４と同一であり、従って図４の作用効果と同一の作用効果が得られる。

この場合、水タンク５６内には、図６（ａ）に示すように一端がカソード１９の配管系統に接続され、且つ他端の外周面に放熱フィン５７ａが形成された接続配管５７であって、放熱フィン５７ａ側が挿入されている。このように構成することにより、図１〜図４のカソード出口ガス凝縮熱交換器２２と同様な機能が得られる。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の変形例を示す図であり、図６（ａ）の放熱フィン５７ａを設けずに、この部分に配管をコイル状に成形した放熱部５７ｂを形成したものである。この場合も、図１〜図４のカソード出口ガス凝縮熱交換器２２と同様な機能が得られる。

図７は、本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第６の実施形態を示す概略構成図であり、図１の構成に水蒸気発生器１４の燃焼器１４ａで燃焼された燃焼ガスをＣＯ₂分離器５１に導入し、ＣＯ₂（炭酸ガス）を分離できるように構成したものであり、これ以外の構成は図１と同一である。

このように構成することにより、従来のように炭酸飲料水を得る場合には、従来必要であった炭酸ガスボンベの設置が不要となり、ユーザにおいて快適でおいしい飲料水を得ることができる。

図７において、アノード出口改質ガスの方がＣＯ₂の濃度が高く、利用率は高くなるが、このＣＯ₂を含んだ水素燃料が、改質器加熱用燃焼に使われるため、結局ＣＯ₂の分離は、燃焼ガス成分で行なわれることになる。

プロパンを材料として改質した、この燃焼ガス中に含まれるＣＯ2の濃度はおよそ１５％である。この他の排出ガス成分としては、およそ水蒸気３５％、Ｎ２４．５％、残りは酸素リッチの空気である。従って、有害成分は含まれないため、ＣＯ₂分離器５１でＣＯ₂を分離した場合、ＣＯ₂は例え純度が低くても飲料用に供するレベルと考える。

ＣＯ₂分離器５１としては、膜分離や吸脱着分離を利用したものである。膜分離においては、イオン交換膜やポリイミド等の基体分離膜を用いたＣＯ₂分離が一般的である。吸脱着分離においては、セラミックス、例えばリチウムジルコネート、Ｌｉ₂ＺｒＯ₃を利用した吸脱着が考えられる。この場合の関係式は次のようになる。

Ｌｉ₂ＺｒＯ₃＋ＣＯ₂←→ＺｒＯ₂＋Ｌｉ₂ＣＯ₃
このように図７の実施形態によれば、ＣＯ₂が分離できるので、この分離されたＣＯ₂を、炭酸ガス飲料に利用でき、そのためＣＯ₂を収納するためのボンベが不要、もしくはＣＯ₂の貯留量が少なくてすむ。

なお、図７のＣＯ₂分離器５１で分離された残りの成分は、そのまま大気に捨てられる。

図８は、本発明の自動販売機の概略構成を示す図である。この自動販売機は、自動販売機本体１と、例えば前述した図１〜図７の実施形態のように構成した固体高分子型燃料電池システム本体２を組合せたものである。

自動販売機本体１は、缶利用タイプ又はペットボトル利用タイプの自動販売機をイメージしたもので、商品陳列部３と商品取り出し部４から構成され、図に示していないコイン或いは紙幣挿入部にお金を入れ、希望の商品ボタンを押すと商品が取り出せる機能を有している。

固体高分子型燃料電池システム本体２は、燃料処理系を含む燃料電池本体部５と燃料供給部６から構成され、本実施形態の場合は燃料収納にボンベを使用している。

燃料電池システム本体２は、出力として直流電力が出力されるので、自動販売機の運転や制御を容易にするため、図示しないインバータで交流の１００Ｖもしくは２００Ｖに変換され、電気配線部７により電気接続されている。なお、場合によっては、自動販売機を直流で運転可能な構成として燃料電池システム本体２の出力の直流電力をそのまま利用するように構成してもよい。

一方、燃料電池からの排熱は、排熱利用パイプ８により自動販売機本体１に接続され、缶等の加温に利用されている。そして、自動販売機本体１と燃料電池システム本体２との電気制御は制御信号線９を介して行われる。

図９は、本発明の自動販売機に係る第１の実施形態を示す構成図である。

燃料処理系を含む電池本体は、前述した図１〜図６の実施形態同様に構成されているので、ここでは同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

ここで、自動販売機本体１の温冷熱動作原理を簡単に説明する。

図９は、飲料液が予めアルミやスチール、或いはペットボトルに封じ込まれて、冷加温された飲料水がユーザに提供される缶利用タイプの自動販売機の温冷熱フロー動作概念図を示している。飲料用の缶もしくはペットボトルは、右室、中室、左室の３部屋に分かれた各部屋それぞれに、多くの本数で収納されている。缶の冷却は、３部屋ともに可能であるが、加温は右室を除いて可能である。

まず、缶の冷却方法を説明する。圧縮機２７を高圧のガスで吐出した冷媒ガスは、凝縮熱交換器（凝縮器）２８を通って周囲空気に熱を放出して高圧の液に凝縮する。そして、絞り機構３０ａ、３０ｂ、３０ｃで低圧の２相流に絞られ、蒸発熱交換器３１ａ、３１ｂ、３１ｃで蒸発し周囲空気を冷却して過熱蒸気になった後、圧縮機２７に低圧ガスとして吸引される。

冷却された周囲空気はファンによって強制対流的に缶を冷却する。各蒸発熱交換器に冷媒を分岐する二方弁２９ａ、２９ｂ、２９ｃは、冷却か加温を選択するための開閉弁であり、閉止時は冷媒が流れないため加温を選択する場合である。

その加温方法を説明する。加温は、固体高分子型燃料電池の排熱利用部２６で行われるが、同じ部屋が冷却モードと重なることはない。万一、加温が不十分で早急に加温を行いたい場合には、電気ヒータ３３ｂ、３３ｃをオプションで用意して併用する場合がある。加温も冷却同様、暖められた周囲の空気をファン２８ｂによって強制対流的に缶を加温する。このように運転することで、各部屋の飲料缶やペットボトルを冷却あるいは加温することが可能となる。

さらに、固体高分子型燃料電池は電池冷却の排熱のみならず、燃料処理系の放排熱、改質器１５や水蒸気発生器１４の燃焼ガス排熱、カソード１９出口から排出される余った空気と生成した水蒸気の排気熱を利用することも可能である。

なお、加温にこの固体高分子型燃料電池排熱を利用した場合、圧縮機による電気冷却と通常の電気ヒータ加温を併用した方式に比べて、自動販売機の年間電気使用量は約４５％であり、プロパンを用いた燃料代も電気代に比べて１５％近く安くなることが机上計算から明らかになっている。

図１０は、本発明の自動販売機に係る第２の実施の形態の構成図である。この実施形態における自動販売機は、紙コップ等にコーヒー等の原料を溶かし込んだ熱湯を注いだり、氷等の冷やされた飲料水をユーザに提供するカップ利用タイプの自動販売機３９である。

本自販機は、冷凍サイクルによる蒸発器によって冷却機能を有しており、その機能は缶式同様、圧縮機２７、凝縮熱交換器２８、絞り機構３０、蒸発熱交換器（蒸発器）３１から構成される。ただ、缶式との違いは、製氷器３４を有する点であり、飲料液の冷却タンク５２も有している。

供給水は、水道水に直結している貯留タンク３６の水を水ポンプ３７で汲み上げた後、加温タンク３５、冷却タンク５２、製氷器３４に分配される。ただし、水道水からの加圧が十分で貯留タンク３６が無い場合は水道水から直接分配される。加温タンク３５には生成水供給管４５を通じて、固体高分子型燃料電池のカソードから排出される暖かい生成水が供給される。図示はしていないが、この生成水は加温タンク３５への供給前に、脱炭酸及びカルシウムやカリウム等のミネラル成分の混合措置がなされている。

また、加温タンク３５での飲料液加温が不十分な場合、電気ヒータ３３で加熱の不足分を補う。そして、バルブを通じて（図示せず）、利用コップ置き場３８に冷たい飲料水、氷を含んだ飲料水、そして暖かい飲料水がユーザの希望に応じて供給される。

なお、各飲料液に含めるコーヒー等の各種成分の混合方法、及び構成の説明は省略する。

一方、ユーザが炭酸入り飲料水を望む場合は、炭酸ガス供給管４６を通じて、固体高分子型燃料電池のアノードから排出される炭酸ガスが燃料の水素他と分離されて供給される。

図１１は、本発明の自動販売機に係る第３の実施の形態の構成図である。この実施形態における自動販売機は、熱湯を注いで調理、飲食が可能となる、麺類であるラーメンやうどん、そば等がユーザに提供されるインスタント麺タイプの自動販売機４０である。

この自動販売機は、缶式やカップ式と異なり、冷却機能を持たない。ただ、加温方式はカップ式同様、加温タンク３５を有しており、水道水からの供給水を水ポンプ３７で加温タンク３５にされるが、水道水からの加圧が十分な場合、水ポンプは不要である。加温タンク３５には生成水供給管４５を通じて、固体高分子型燃料電池のカソードから排出される暖かい生成水が供給される。図示はしていないが、この生成水は、カップ式同様、加温タンク３５への供給前に、脱炭酸及びカルシウムやカリウム等のミネラル成分の混合措置がなされている。また、同様に加温タンク３５での飲料液加温が不十分な場合、電気ヒータ３３で加熱の不足分を補う。そして暖かい熱水がインスタント麺カップ置き場４１にその調理用として供給される。

図１２は、本発明の自動販売機に係る第４の実施の形態の構成図である。この実施形態における自動販売機は、飲料液が予めアルミやスチール、或いはペットボトルに封じ込まれて、冷加温された飲料水がユーザに提供される缶利用タイプの自動販売機である。従って、基本機能は図９の実施形態に近い。大きな違いは、自動販売機本体そのものの中に、固体高分子型燃料電池システムが収納されている点であり、全体システムで見た場合の設置スペースは縮小化されている。

本実施形態においては、燃料電池一体型自動販売機４２の左室が冷却、中室が冷却或いは加温、右室が固体高分子型燃料電池システム４３で構成されている。そして、固体高分子型燃料電池システム４３は燃料供給部６、燃料電池本体から構成され、燃料電池本体を構成する燃料処理系１０は右室３２ｄの最上部に配設され、右室３２ｄの最下部に２次電池を含む電気制御回路部４４が配設され、又右室３２ｄの燃料処理系１０と電気制御回路部４４の間にはＣＳＡ１１が配設されている。

また、燃料供給部６にはプロパンボンベが２本用意され、１本が無くなってももう１本で安定して燃料が供給されるため、自動販売機の安定した運転が可能となっている。

２次電池の利用は、本自動販売機の自立運転を可能としている。即ち、起動時の空気ブロアや水ポンプの補機動力運転に利用することによって、系統の商用電源を使うことなく、電気コードレスとなるため、本自動販売機の移動設置が非常に容易となる。

次に、図１２を参照して寒冷地又は寒冷時の自動販売機自体の保温構成について説明する。図１２に示すように、中室３２ｂが飲料缶の加温できる機能を有し、右室３２ｄが燃料処理系を含むＰＥＦＣシステムで構成される場合の自動販売機において、例えば寒冷時、例えば外気温度が氷点下の場合は、改質器１５、ＣＯシフト反応器１６、ＣＯ選択酸化器１７等を含む燃料処理系１０の周囲から放出される排熱を、排気口５０を介して隣合う中室３２ｂに導入し、飲料缶の加温に利用できるように構成したものである。

このように構成することにより、万一、電池冷却水の排熱だけで飲料缶の加温熱量が足りない場合、その不足分を補い、ユーザに満足な暖かい飲料缶を提供できる。

なお、排気口５０の構造としては、通常閉まっていて寒冷時に開き排熱が中室３２ｂに導入される構造となっている。この場合、導入ファンはある構成（強制対流）と、無い構成（熱気が上方に流れる自然対流）の両方を含む。

例えば、北海道、東北等の寒冷地においては、冬場飲料缶の冷却が、圧縮機が作動していなくても外気温度が低いため、飲料缶が冷却されてしまう恐れがある。それを避けるために、燃料電池冷却水の排熱や燃料処理系の排熱を左室３２ａに供給し、逆加温するように構成してもよい。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、例えば以下のように構成してもよい。図１の排熱利用部２６、図２の熱収集部５３、図３の熱収集部５３、図４の生成水取出部５４及び、又は成分混合部５５、図５の水タンク５６並びに生成水取出部５４及び、又は成分混合部５５のうちの幾つかを任意に組合せるように構成してもよい。さらに、図７のＣＯ2分離器５１、図９の排熱利用部２６、図１０の生成水供給管４５及び、又は炭酸ガス供給管４６、図１１の生成水供給管４５、図１２の排気口５０のうちの幾つかを任意に組合せるように構成してもよい。

図１３は、本発明の自動販売機に係る第５の実施の形態を説明するための構成図である。この実施形態における図１の実施の形態に、以下に述べる自動販売機は、温度センサ６７と、温度制御器６８と、バイパス水供給経路６９と、バルブ７０を追加したものである。

温度センサ６７は、自動販売機本体に収納されている部屋（室）内であって、加温すべき製品例えば飲料缶の周囲温度を検出するものである。

バイパス水供給経路６９は、排熱利用熱交換器２６ａに並列に接続され、該排熱利用熱交換器２６ａ内を循環する冷却水をバイパスさせるものであり、バイパス水供給経路６９の途中バルブ７０が配設されている。

温度制御器６８は、温度センサ６７からの検出温度が温度設定値例えば５５℃を超えたとき、空気ファン２６ｂに対して動作停止指令、バイパス水供給経路６９を活かすための指令具体的にはバルブ７０に対して開指令を与えるものである。

なお、空気ファン２６ｂは水冷却経路に設けた排熱利用熱交換器２６ａの周囲に配設され、排熱利用熱交換器２６ａからの外部放出熱を温風として加温すべき製品飲料缶に吹き付けるものである。

このように構成することにより、次のような作用効果が得られる。排熱利用部２６は、電池冷却水が電池本体の熱で温められ、該熱で温められた排温水が熱交換器２６ａを通り、空気ファン２６ｂの回転によって、強制的に飲料缶が暖められる。この場合、飲料缶の周囲温度が温度設定値５５℃未満のとき空気ファン２６ｂが回転し、飲料缶が徐々に暖められるとともに、バルブ７０が閉じたままとなっている。

このような状態で運転が所定時間継続して、温度センサ６７が温度設定値５５℃を超えた温度を検出したとき、温度制御器６８から空気ファン２６ｂに対して停止指令が与えられ、かつ温度制御器６８からバルブ７０に対して開指令が与えられる。このようなことから、飲料缶を持つには熱過ぎるということはなくなる。これは、図１３のように、温度制御回路を備えていないものでは、燃料電池本体が運転状態にあっては、自然対流の影響で熱くなることが考えられる。

以上述べた実施の形態では、温度制御器６８の出力で、空気ファン２６ｂを停止させ、これと同時にバルブ７０を開くようにしたが、自動販売機の設置場所、季節等によっては、空気ファン２６ｂ及びバルブ７０の少なくともいずれか一方を制御するようにしてもよい。

また、図１３の実施の形態において、排熱利用部２６で加温される飲料缶等が予め低温状態にある場合や、寒冷地などの気温の低い地域に自動販売機を設置する場合には、燃料電池本体に有する電池冷却水放熱熱交換器２１の熱交換器２１ａ及び空気ファン２１ｂを設けず、排熱利用部２６、具体的には排熱用熱交換器２６ａと空気ファン２６ｂのみとし、前述と同様に排熱用熱交換器２６ａと空気ファン２６ｂに、前記温度制御器６８の出力指令を与えるようにしてもよい。

１…自動販売機本体、２…固体高分子型燃料電池システム本体、３…商品陳列部、５…燃料電池本体部、６…燃料供給部、７…電気配線部、８…排熱利用パイプ、９…制御信号線、１０…燃料処理系、１１…ＣＳＡ、１２…補機部、１３…脱硫器、１４ａ…燃焼器、１４ｂ…熱交換器、１４…水蒸気発生器、１５…改質器、１６…ＣＯシフト反応器、１７…ＣＯ選択酸化器、１８…燃料極（アノード）、１９…酸化剤極（カソード）、２０…水冷却部、２１ａ…熱交換器、２１ｂ…空気ファン、２１…電池冷却水放熱熱交換器、２２ａ…熱交換器、２２ｂ…空気ファン、２２…カソード出口ガス凝縮熱交換器、２３…電池冷却水用水ポンプ、２４…改質用水ポンプ、２５…空気ブロア、２６…排熱利用部、２６ａ…熱交換器、２６ｂ…空気ファン、２７…圧縮機、２８、２８ａ…凝縮熱交換器、２８ｂ…空気ファン、２９ａ．２９ｂ二方弁、３０…絞り機構、３０ａ．３０ｂ…絞り機構、３１ａ．３１ｂ…蒸発熱交換器、３２ｂ…中室、３２ａ…右室、３３…電気ヒータ、３３ｂ．３３ｃ…電気ヒータ、３４…製氷器、３５…加温タンク、３６…貯留タンク、３７…水ポンプ、３８…利用コップ置き場、３９…自動販売機、４０…自動販売機、４１…インスタント麺カップ置き場、４２…燃料電池一体型自動販売機、４３…固体高分子型燃料電池システム、４４…電気制御回路部、４５…生成水供給管、４６…炭酸ガス供給管、５０…排気口、５１…分離器、５２…冷却タンク、５３…熱収集部、５４…生成水取出部、５５…成分混合部、５６…水タンク。

Claims (8)

1. 燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水又は熱湯を注入すると共にコーヒー等の原料を溶かすようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
   前記燃料ガスを水蒸気により改質するために水を供給する水供給経路並びに該水供給経路とは独立して該燃料電池本体からの発熱を冷却するために、熱交換器を介するか、又は熱交換器を介さず直接水を循環する水冷却経路とを備え、
   前記燃料電池本体の酸化剤極の出口と、前記燃料ガスを改質するために前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器の間の水供給経路又は該水供給経路に配設されている水タンクからの生成水を取出し、この生成水を前記自動販売機のカップに注入する水として利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
2. 燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水を含む炭酸を注入するようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
   前記燃料ガスを水蒸気により改質するために水を供給する水供給経路並びに該水供給経路とは独立して該燃料電池本体からの発熱を冷却するために、熱交換器を介するか、又は熱交換器を介さず直接水を循環する水冷却経路と、
   前記燃料ガスを改質するために前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器に有する燃焼器からの燃焼ガスを取込み、該燃焼ガスのうちの炭酸ガスのみを取出す炭酸ガス分離器とを備え、
   前記炭酸ガス分離器で分離された炭酸ガスを、前記自動販売機のカップに注入して利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
3. 燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水又は熱湯を注入すると共にコーヒー等の原料を溶かすようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
   前記酸化剤極から排出される水を、前記燃料ガスを水蒸気により改質する改質器に供給する水供給経路と、
   前記水供給経路とは独立し、かつ前記燃料電池本体の燃料極及び酸化剤極の間に設け、内部に冷却水を通水可能に構成したものであって、前記冷却水によって前記燃料極及び酸化剤極を冷却する水冷却部と、
   前記水冷却部との間で冷却水を循環可能にする水冷却経路と、
   前記冷却部の排出側における前記水冷却経路に設け、前記水冷却部からの冷却水を通す電池冷却水放熱熱交換器とを備え、
   前記燃料電池本体の酸化剤極の出口と、前記燃料ガスを改質するために前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器の間の水供給経路又は該水供給経路に配設されている水タンクからの生成水を取出し、この生成水を前記自動販売機のカップに注入する水として利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
4. 燃料極及び酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行いこの発電電力を、カップ等の容器内に水を含む炭酸を注入するようにしたカップ利用タイプの製品を販売する自動販売機に供給する燃料電池本体と、
   前記酸化剤極から排出される水を、前記燃料ガスを水蒸気により改質する改質器に供給する水供給経路と、
   前記水供給経路とは独立し、かつ前記燃料電池本体の燃料極及び酸化剤極の間に設け、内部に冷却水を通水可能に構成したものであって、前記冷却水によって前記燃料極及び酸化剤極を冷却する水冷却部と、
   前記水冷却部との間で冷却水を循環可能にする水冷却経路と、
   前記冷却部の排出側における前記水冷却経路に設け、前記水冷却部からの冷却水を通す電池冷却水放熱熱交換器と、
   前記燃料ガスを改質する改質器に前記水供給経路の水を水蒸気とする水蒸気発生器に有する燃焼器からの燃焼ガスを取込み、該燃焼ガスのうちの炭酸ガスのみを取出す炭酸ガス分離器とを備え、
   前記炭酸ガス分離器で分離された炭酸ガスを、前記自動販売機のカップに注入して利用するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
5. 前記カップ等の容器内に注入される生成水にミネラル成分を補給可能にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。
6. 前記燃料電池本体は、少なくとも燃料処理系と、電気制御回路部からなり、これらを容器内部に収納する場合には、前記燃料処理系を該容器内部の最上部に配設し、前記電気制御回路部を該容器内部の最下部に配設したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。
7. 前記燃料電池本体と、前記自動販売機本体を同一容器内に区分して収納する場合であって、該自動販売機本体と該燃料電池本体の境界部に、該燃料電池本体の排熱を利用できるように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。
8. 前記燃料電池本体の燃料としてプロパンガスを使用したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池システム。

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