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JP2006002709A - 送液装置及び燃料電池装置 - Google Patents

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JP2006002709A JP2004181872A JP2004181872A JP2006002709A JP 2006002709 A JP2006002709 A JP 2006002709A JP 2004181872 A JP2004181872 A JP 2004181872A JP 2004181872 A JP2004181872 A JP 2004181872A JP 2006002709 A JP2006002709 A JP 2006002709A
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Abstract

【課題】マイクロポンプ中へ気泡が混入することを抑制でき、それだけ安定した流量特性が得られる送液装置を提供する。液体原燃料の希釈用液等の使用液体中の気泡の影響を抑制して希釈液体燃料を電池へ安定して供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】複数種類の液体の混合、希釈等のためにマイクロポンプＰａ、Ｐｂにより液体を送り合流させる送液装置ＭＴ’。ポンプ上流側の液通路に気泡トラップＴｒを設け、トラップＴｒで捕捉される気泡の排除手段（気泡抜き孔ｈ、気泡排除装置ＥＸ、気泡センサＡＳ又は気泡量推測部、コントローラＣＯＮＴ）を設ける。かかる送液装置構造を利用した送液ユニットＰＵ又はポンプユニット１で原燃料を希釈用液で希釈して燃料電池３へ供給し、生成される水を回収容器６を介してユニットＰＵやユニット１へ循環させる燃料電池装置Ｃ１、Ｃ２。容器６に対し気泡排除手段ＡＤを設ける。
【選択図】 図８

Description

本発明はマイクロポンプを用いて液体を送る送液装置及び該送液装置を利用した燃料電池装置に関する。
近年、マイクロマシン技術を応用して化学分析や合成などのための装置や手法を微細化して該分析や合成などを行うμ−ＴＡＳ（μ−Total Analysis System)が注目されている。旧来の分析、合成等を行う装置に比べ微細化されたμ−ＴＡＳでは、試料の量が少なく済む、反応時間が短い、廃棄物が少ない等のメリットがある。また、医療分野に採用した場合、検体（血液）の量を少なくすることで患者の負担を軽減でき、試薬の量を少なくすることで検査のコストを下げることができる。さらに、検体及び試薬の量が少ないことから反応時間が大幅に短縮され検査の効率化がはかれる。μ−ＴＡＳは携帯性にも優れており医療検査、環境分析等の広い分野での応用が期待されている。
かかるμ−ＴＡＳではマイクロ流体システムが採用されることがある。マイクロ流体システムを用いる化学分析、環境計測等では、分析、計測等を行うデバイス（チップ）上で送液、液体混合、検出を行うために、シリンジポンプ等の送液手段が必要とされる。しかし、例えばチップと送液手段が切り離されている場合、両者を接続する必要があるが、それでは両者接続部のデッドボリュームが大きくなり、そのために精密な送液制御が困難であったり、無駄な検体や試薬を必要としたりする。さらに、シリンジポンプ等の外付け送液手段を接続した場合、チップを含む装置全体が大きくなる。
この点、例えば、特開２００１−３２２０９９号公報は、分析、計測、検査等を行うデバイス（チップ）に搭載可能のコンパクトで嵩張らない薄型に形成可能の、マイクロポンプを開示しており、特開２００２−２１４２４１号公報は、かかるマイクロポンプを利用したコンパクトで嵩張らない薄型に形成可能の液体供給機構及びこれを利用した液体混合機構を搭載した、被検査液体と試薬との反応を検出するマイクロチップを開示している。さらに、特開２００３−２２０３２２号公報は、かかるマイクロポンプを利用したコンパクトで嵩張らない薄型に形成可能の、改良された液体の拡散混合機構を開示している。
かかるマイクロポンプ利用のマイクロチップや拡散混合機構では、デッドボリュームが非常に小さくなり使用液体量を抑えることができる、応答性が早く精密な送液制御が可能である等の利点もある。
ところで、複数種類の液体の送液、混合等が要求される分野は分析、計測、検査等の分野に限られない。
ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドのような大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点で、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話器等）向けの燃料電池として適していると言える直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)が注目されており、盛んに研究されている。
ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池装置は燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。
ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極側での反応：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+
空気極側での反応：(3/2) Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
全反応 ：ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
この反応式によればメタノールと水は燃料極で等モルで反応し、ＣＯ2 と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って空気極（酸素極）へ、プロトンは電解質膜を通って空気極（酸素極）へそれぞれ別ルートで移動し、そこで反応して水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。
上記反応式によるればメタノールと水は燃料極において等モルで反応するが、実際に燃料極に供給される燃料には通常濃度が３〜５％と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうというクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び空気極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が空気極でも起こり、燃料の無駄と空気極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。
このようにＤＭＦＣでは燃料極へ低濃度メタノール水溶液を供給するのであるが、前記のアクティブ型燃料電池装置では、空気極側で生成される水及び燃料極側から電池の電解質膜を通過して空気極側へ移動してきた水を回収してこの水で高濃度メタノール水溶液を希釈（混合の１種）しながら燃料極に供給する燃料希釈循環形のシステムを構築することが可能である。
１例として図１４の発電システムを示すことができる。図１４に示すシステムでは、通電されるべき負荷Ｌが燃料電池（ＤＭＦＣ）Ｃに接続されており、電池の外部に燃料タンクｔ１、回収タンクｔ２及びミキサー（混合タンク）ＭＸが設けられていて、これらは配管により燃料電池Ｃに接続されている。燃料電池Ｃの空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動液はポンプＰＭ３で回収タンクｔ２へ回収される。発電にあたっては、燃料タンクｔ１からポンプＰＭ１で高濃度メタノール水溶液を、回収タンクｔ２からポンプＰＭ２で希釈用液を、それぞれミキサーＭＸへ供給し、そこでそれらを混合することで高濃度メタノール水溶液を希釈しつつ、該希釈されたメタノール水溶液を電池の燃料極へ供給する。燃料極へ供給された希釈液体燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収する。
このシステムによると、燃料タンク中のメタノール濃度を上げることが可能になり、例えば６０ｗｔ％メタノール水溶液を用いれば当初から３ｗｔ％〜５ｗｔ％メタノール水溶液を用いる場合に比べて略１／２０〜１／１２に燃料タンクを小さくすることができる。 このようにＤＭＦＣ形の燃料電池を採用した燃料電池装置においても、２種類の液体（メタノール含有液と希釈用液）の送液及び合流による混合希釈が求められている。
特開２００１−３２２０９９号公報 特開２００２−２１４２４１号公報 特開２００３−２２０３２２号公報
しかしながら、マイクロポンプ、例えば特開２００１−３２２０９９号公報等に記載されたタイプのマイクロポンプを用いる場合、ポンプ室内に気泡が混入してしまうと、ポン駆動時のポンプ室の変位やポンプ室内の液体の圧力が気泡によって吸収されてしまい、所望の特性（流量）が得られなくなる。
このような気泡の混入には、様々な原因が考えられる。例えば、ポンプ内に液体を初期充填する時の気泡の噛み込みや、液体流路の接合段差部に残った気泡が何らかのはずみでポンプ側に流れ込む場合や、液体中の溶存ガスが気泡となって出てくる場合、ポンプ室内の液体を駆動アクチュエータで振動させる時の圧力変動によるキャビテーション、などが考えられる。
このような気泡がマイクロポンプのポンプ室に混入すると、ポンプの液体吐出力が気泡によって著しく低減するため、そのポンプ自身の力で気泡を排除することが困難になる。 特に、マイクロポンプを利用した機器等の小型化にともなってマイクロポンプが小型化すればするほど、マイクロポンプの駆動部分の変位量が少なくなるために、僅かな体積の気泡でもポンプの吐出力を大幅に低下させるので、気泡の自力排除は一層困難になる。
このような問題は、特開２００１−３２２０９９号公報等に開示されたマイクロポンプを採用する場合だけでなく、一般にマイクロ流体システムに利用できるマイクロポンプを利用した送液機構や液体混合機構等について発生する問題である。
また、直接メタノール形燃料電池(DMFC)におけるメタノール水溶液と希釈用液との混合希釈についてみると、図１４に例示するようなアクティブ型燃料電池装置は、電池本体以外に燃料供給、希釈用液供給、液回収用と三つの分離され、配管を要するポンプ、さらに、高濃度メタノール水溶液と回収水とのミキシング機構（ミキサー）が必要となり、装置が大型化、複雑化し、例えば携帯機器用の電池装置には不向きである。
なお、燃料電池装置の大型化を抑制するためにポンプを必要としないパッシブ型ＤＭＦＣを採用した高濃度メタノール水溶液希釈型の装置が考えられるが、各液の流量等についての積極的な制御を行えない難点がある。
そこで、ＤＭＦＣ形の燃料電池に関するこのような問題を解決する方法として、例えば特開２００１−３２２０９９号公報に記載されたマイクロポンプを利用した特開２００２−２１４２４１号公報に開示されているマイクロチップを応用した送液ユニット、すなわちマイクロポンプを用いて液体原燃料（メタノール含有液）及び希釈用液をそれぞれ送って合流混合させ、かくして得られる希釈液体燃料を電池燃料極へ供給する送液ユニットを採用することや、さらに該送液ユニットを電池本体に積層することが考えられる。この送液ユニットによると、液体原燃料を送るマイクロポンプ、希釈用液を送るマイクロポンプ、及び液体原燃料と希釈用液とを混合するためのミキシング機構は一体的に形成することが可能であり、それだけ燃料電池装置をコンパクト化、小形化でき、例えば、携帯用機器の電源としても利用可能になってくる。
また、電池空気極側にも同タイプのマイクロポンプを利用して、該空気極側で生成される水を前記燃料極側のポンプユニットへ循環供給するポンプユニットを設けることも考えられる。これによりコンパクトで小形の希釈液循環型の燃料電池装置を実現することが可能である。
しかしながら、かかるポンプユニットを採用する場合次のような新たな問題が発生する。すなわち、ＤＭＦＣ型燃料電池においては、空気極側に生成された水をマイクロポンプを用いて循環させる場合、空気極の周りには当然ながら多くの空気が存在しているために、循環水の中に多くの気泡が混入する。また、燃料極側で生成される炭酸ガスが水に溶け込み、その一部が電解質膜を通過して空気極に達することで、循環水の中に炭酸ガスの気泡ができることも懸念される。
これらの気泡が液体の流れにのってマイクロポンプのポンプ室に入ると、ポンプ駆動時のポンプ室の変位やポンプ室内の液体の圧力が気泡によって吸収されてしまい、所望の特性（流量）が得られなくなる。特に、燃料電池装置の小型化にともなってマイクロポンプが小型化すればするほど、マイクロポンプの駆動部分の変位量が少なくなるために、僅かな体積の気泡でもポンプ特性に大きく影響する。ひいては、燃料電池の発電性能が低下する。また、長時間運転することが多い燃料電池装置では、気泡が集まり徐々に大きくなって液体の流れを妨げるようになるという問題もある。
以上、ＤＭＦＣ型燃料電池装置を中心にその問題点を指摘してきたが、一般的に言って、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を電池へ供給するタイプの燃料電池装置においては、液体燃料と希釈用液とを混合するミキシング機構（例えば混合タンク）等が電池本体外に必要となり、該ミキシング機構のために燃料電池装置が大型化するという難点があり、この問題を解決すべく上述のような送液ユニットを採用すると、該送液ユニットにおけるマイクロポンプへ気泡が入り込んで燃料電池装置の発電性能が低下するという問題がある。
そこで本発明は、先ず、１又は２以上のマイクロポンプにより送液する送液装置であって、マイクロポンプ中へ液体中の気泡が混入することを抑制できるとともに該気泡を外部へ排除することができ、それだけ安定した流量特性が得られる送液装置を提供することを課題とする。
また本発明は、、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると全体をコンパクトに小形に形成できるとともに、燃料用に用いる液体中の気泡の影響を抑制して希釈液体燃料を電池へ安定して供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる燃料電池装置を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため本発明は次の送液装置及び燃料電池装置を提供する。
（１）送液装置
１又は２以上のマイクロポンプにより送液する送液装置であって、少なくとも一つのマイクロポンプについて、正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に気泡トラップを有しているとともに該気泡トラップに捕捉される気泡を該液通路外へ排除するための気泡排除手段を有しており、該気泡トラップはマイクロポンプへ向かって流れる液体中の気泡を捕捉する気泡トラップである送液装置。
この送液装置によると、上流側の液通路に気泡トラップを設けたマイクロポンプについては、該ポンプによる正規送液において液体中の気泡は該気泡トラップに捕捉され、ポンプ中へ混入することが抑制され、さらに、該気泡トラップに捕捉される気泡は気泡排除手段により液通路外部へ排除することができるので、それだけ安定した流量特性が得られる。
本発明に係る送液装置はマイクロポンプを一つだけ備えるものでもよいが、複数備えていてもよい。複数のマイクロポンプを備えた送液装置として、例えば２種以上の液体を混合、希釈等の目的で合流させて送る送液装置を例示できる。例えばマイクロポンプが並列配置で複数設けられており、それぞれのマイクロポンプで液体を送って合流させて送る送液装置である。
また、複数のマイクロポンプを備えた送液装置として、複数のマイクロポンプのうち全部又は全部より少ない複数からなる少なくとも１群のマイクロポンプが直列に接続されている送液装置も例示できる。この送液装置は２種以上の液体を混合、希釈等の目的で合流させて送る送液装置であってもよい。
前記気泡排除手段としては、正規送液方向において前記気泡トラップより上流側の液通路に形成された気泡抜き孔と、該気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を送液装置の運転状況から推測する気泡量推測部と、前記気泡抜き孔から気泡を外部へ排除する気泡排除装置と、前記気泡量推測部で推測される気泡量に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいるものを例示できる。
ここで、送液装置の「運転状況」とは、気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を左右する送液装置運転パラメータのうち少なくとも一つを指し、例えば、送液装置の運転開始からの経過時間、送液対象の液種等のうちから選ばれる少なくとも一つのパラメータである。「運転状況」には、少なくとも送液装置運転開始からの経過時間を含める場合を例示できる。
また、ここでの「気泡トラップ上流側の液通路」は、その形態や機能等に特に制限はなく、文字通り液を通過させる通路であってもよく、気泡を貯留する機能を有する液通路や、気泡トラップに連通する液容器等であってもよい。
前記気泡排除手段の他の例として、正規送液方向において前記気泡トラップより上流側の液通路に形成された気泡抜き孔と、該気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を検出する気泡センサと、前記気泡抜き孔から気泡を排除する気泡排除装置と、前記気泡センサからの気泡量検出情報に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいるものを挙げることができる。
ここでも、「気泡トラップ上流側の液通路」は、その形態や機能等に特に制限はなく、文字通り液を通過させる通路であってもよく、気泡を貯留する機能を有する液通路や、気泡トラップに連通する液容器等であってもよい。
気泡センサとしては、光学的に気泡量を検出するセンサ、例えば発光素子から気泡トラップ上流側の液通路に入射された光に基づく光（通過光或いは反射光）を受光素子で受け、該受光素子による受光量に基づいて気泡量を検出する気泡センサを例示できる。
また、気泡センサの他の例として電気的に気泡量を検出するセンサも挙げることができる。例えば、液通路に一対又は複数対の電極を配置し、気泡量に応じて変動する各対電極間の抵抗値をもって気泡量を検出するものを挙げることができる。
なお、気泡センサとして光学的センサと電気的センサとを併用してもよい。
いずれにしても、気泡抜き孔から気泡を排除する気泡排除装置としては、気泡抜き孔から気泡を吸引排除する気泡吸引装置や、気泡抜き孔を形成した液通路を加圧することで該気泡抜き孔から気泡を液通路外へ追い出す加圧装置などを例示できる。
また、いずれにしても、送液装置におけるマイクロポンプとして、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータに交番電圧を印加することで交番電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる正規送液動作、又は第２絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第１絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる逆送液動作をさせ得るマイクロポンプを代表例として挙げることができる。送液装置のマイクロポンプのうち少なくとも一つをこのタイプのマイクロポンプとすることができる。
（２）燃料電池装置
(2-1) 第１の燃料電池装置
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置であり、
該燃料電池と、
該燃料電池の燃料極に積層されて該燃料極へ希釈液体燃料を供給する希釈液体燃料供給部と、
該燃料電池の空気極に積層されて、少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収する液体回収部と、
送液ユニットと、
気泡排除手段とを含んでおり、
該送液ユニットは、液体原燃料を供給する第１マイクロポンプを含む原燃料供給路、希釈用液を供給する第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路、該原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記電池燃料極に積層された希釈液体燃料供給部に連通する液体混合路を有しており、該マイクロポンプのうち少なくとも第２マイクロポンプについて、該マイクロポンプによる正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する気泡トラップを設けてあり、
前記気泡排除手段は該気泡トラップに捕捉される気泡を外部へ排除するものである燃料電池装置。
(2-2) 第２の燃料電池装置
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置であり、
該燃料電池と、
該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットと、
該燃料電池の空気極に積層されて、少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収する液体回収部と、
気泡排除手段とを含んでおり、
前記第１ポンプユニットは、燃料電池の燃料極に対向する面に希釈液体燃料を該燃料極へ供給するための希釈液体燃料通路を有しており、燃料極に対向する面とは反対側部分に、液体原燃料を供給する第１マイクロポンプを含む原燃料供給路、希釈用液を供給する第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路、該原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記希釈液体燃料通路に連通する液体混合路を有しており、該マイクロポンプのうち少なくとも第２マイクロポンプについて、該マイクロポンプによる正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する気泡トラップを設けてあり、
前記気泡排除手段は該気泡トラップに捕捉される気泡を外部へ排除するものである燃料電池装置。
第１の燃料電池装置においては、マイクロポンプを用いて液体原燃料と希釈用液とをそれぞれ送って合流させ、希釈液体燃料として燃料電池へ供給できる送液ユニットが採用されており、マイクロポンプを採用した該送液ユニットは一体的にコンパクトに小形に形成できるので、それだけ燃料電池装置全体をコンパクト化、小型化できる。
第２の燃料電池装置においては、マイクロポンプを用いて液体原燃料と希釈用液とをそれぞれ送って合流させ、希釈液体燃料として燃料電池へ供給できる第１ポンプユニットが採用されており、マイクロポンプを採用した該第１ポンプユニットはコンパクトに小形に形成でき、さらに、該第１ポンプユニットは燃料電池の燃料極に積層されて電池と一体化されているので、それだけ燃料電池装置全体をコンパクト化、小型化できる。
また、第１、第２のいずれの燃料電池装置においても、少なくとも、気泡が多く含まれている恐れの大きい希釈用液を送る第２マイクロポンプについて、その上流側に気泡トラップが設けられており、希釈用液中の気泡は該気泡トラップに捕捉され、さらに、該気泡トラップに捕捉される気泡は気泡排除手段により外部へ排除することができる。従ってそれだけ、液体原燃料及び希釈用液中の気泡の影響を抑制して希釈液体燃料を電池へ安定して供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる。
第１マイクロポンプについてもその上流側液通路に気泡トラップを設け、該気泡トラップで捕捉される気泡を外部へ排除する気泡排除手段を設けてもよい。
第１、第２のいずれの燃料電池装置においても、前記気泡排除手段として、正規送液方向において気泡トラップより上流側の液通路に形成された気泡抜き孔と、該気泡抜き孔から気泡を外部へ排除する気泡排除装置とを含むものを例示できる。さらに、ａ）気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を燃料電池装置の運転状況から推測する気泡量推測部及び該気泡量推測部で推測される気泡量に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラ、或いは、ｂ）気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を検出する気泡センサ及び該気泡センサからの気泡量検出情報に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラを含んでいるものを例示できる。
ここで、燃料電池装置の「運転状況」とは、気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を左右する燃料電池装置の運転パラメータのうち少なくとも一つを指し、例えば、燃料電池装置の運転開始からの経過時間、燃料濃度、発電効率等のうちから選ばれた少なくとも一つのパラメータである。「運転状況」には、少なくとも燃料電池装置運転開始からの経過時間を含める場合を例示できる。
また、ここでの「気泡トラップ上流側の液通路」も、その形態や機能等に特に制限はなく、文字通り液を通過させる通路であってもよく、気泡を貯留する機能を有する液通路や、気泡トラップに連通する液容器等であってもよい。
例えば、第１、第２のいずれの燃料電池装置についても、燃料電池の空気極に積層された液体回収部からの液体を回収する回収容器を設け、第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路を該回収容器に接続し、該第２マイクロポンプについての気泡排除手段は気泡トラップに捕捉される気泡を該回収容器を介して外部へ排除するものとしてもよい。
このような気泡排除手段として、
回収容器に形成された気泡抜き孔と、回収容器に溜まる気泡の量を燃料電池装置の運転状況から推測する気泡量推測部と、気泡抜き孔から気泡を外部へ排除する気泡排除装置と、気泡量推測部で推測される気泡量に応じて気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいるものや、
回収容器に形成された気泡抜き孔と、回収容器に溜まる気泡の量を検出する気泡センサと、気泡抜き孔から気泡を排除する気泡排除装置と、気泡センサからの気泡量検出情報に応じて気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいるものを例示できる。
かかる気泡センサとしては、送液装置の場合と同様に、光学的に気泡量を検出するセンサ、例えば発光素子から気泡トラップ上流側の液通路に入射された光に基づく光（通過光或いは反射光）を受光素子で受け、該受光素子による受光量に基づいて気泡量を検出する気泡センサを例示できる。
また、気泡センサの他の例として電気的に気泡量を検出するセンサも挙げることができる。例えば、液通路に一対又は複数対の電極を配置し、気泡量に応じて変動する各対電極間の抵抗値をもって気泡量を検出するものを挙げることができる。
なお、気泡センサとして光学的センサと電気的センサとを併用してもよい。
いずれにしても、気泡抜き孔から気泡を排除する気泡排除装置としては、気泡抜き孔から気泡を吸引排除する気泡吸引装置や、気泡抜き孔を形成した液通路を加圧することで該気泡抜き孔から気泡を液通路外へ追い出す加圧装置などを例示できる。
第１、第２のいずれの燃料電池装置においても、前記燃料電池の空気極に積層された液体回収部はマイクロポンプを含むものとしてもよい。すなわち、該液体回収部が第２のポンプユニットであり、該第２ポンプユニットは、少なくとも燃料電池の空気極に対向する面に燃料電池における電気化学反応により生成される液体の通路を有しており、該空気極に対向する面とは反対側部分に、該液体通路に連通し、該液体を回収して前記回収容器へ送る第３のマイクロポンプを含む液体回収路を有しており、該第３マイクロポンプについても、該マイクロポンプによる正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する気泡トラップを設けてある場合を例示できる。
この第３イクロポンプについても、その上流側の気泡トラップに捕捉される気泡を外部へ排除する気泡排除手段を設けてもよい。
いずれにしても、燃料電池装置に採用されるマイクロポンプとして、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータに交番電圧を印加することで交番電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる正規送液動作、又は第２絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第１絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる逆送液動作をさせ得るマイクロポンプを代表例として挙げることができる。燃料電池装置のマイクロポンプのうち少なくとも一つをこのタイプのマイクロポンプとすることができる。
また、燃料電池の代表例として、直接メタノール形燃料電池を挙げることができる。この場合、前記液体原燃料はメタノール含有液体燃料であり、前記希釈用液は水を主成分とする液体である。
かかる直接メタノール形燃料電池は燃料電池装置のコンパクト化、小型化のために膜・電極接合体（ＭＥＡ）構造のものとしてもよい。
以上説明した送液装置、燃料電池装置において採用する気泡トラップは、気泡トラップへ向かって流れる液体中の気泡を捕捉できるものであればよく、例えば、液の通過を許すが気泡の通過を阻止する不織布等からなる気泡トラップでもよいが、マイクロポンプへ向かう流れの液体中の気泡を捕捉する一方、反対方向の流れの液体中の気泡の通過を許す一方向気泡トラップでもよい。かかる一方向気泡トラップを採用すると、もしマイクロポンプ中に気泡が混入してしまった場合、液を逆流させて該気泡をポンプ外へ、さらに該一方向気泡トラップより上流側まで排除することが可能になってくる。かかる逆流時に下流側からポンプ内へ気泡が混入することを抑制するため、かかる一方向気泡トラップをマイクロポンプ下流側の液通路にも設けておいてもよい。
また、マイクロポンプ上流側の一方向気泡トラップのうち少なくとも一つについて、該一方向気泡トラップと同構造で逆向きの逆一方向気泡トラップを該一方向気泡トラップに隣り合わせてマイクロポンプとは反対側に設けるとともに、該両トラップ間の液通路部分に連通する気泡抜き孔を形成しておき、該気泡抜き孔から気泡を排除するようにしてもよい。
以上説明したように本発明によると、１又は２以上のマイクロポンプにより送液する送液装置であって、マイクロポンプ中へ液体中の気泡が混入することを抑制できるとともに該気泡を外部へ排除することができ、それだけ安定した流量特性が得られる送液装置を提供することができる。
また本発明よると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると全体をコンパクトに小形に形成できるとともに、燃料用に用いる液体中の気泡の影響を抑制して希釈液体燃料を電池へ安定して供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる燃料電池装置を提供することができる。
＜送液装置の基本構造例＞
次に、本発明の実施形態に係る送液装置及び燃料電池装置について説明するが、その前に送液装置の１例の基本構造及びマイクロポンプ例について図１１及び図１２を参照して説明する。
図１１に示す送液装置ＭＴは薄型、小形に形成可能のマイクロチップ型の送液装置である。図１１（Ａ）は装置ＭＴの平面図であり、図１１（Ｂ）は同装置の側面図であり、図１１（Ｃ）は図１１（Ｂ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
図１１に示す送液装置ＭＴは、２液の混合、希釈等の目的で第１、第２の液をそれぞれ送って合流させるものである。装置ＭＴは、マイクロポンプＰａを含む第１液体供給路Ｌ１、マイクロポンプＰｂを含む第２液体供給路Ｌ２を備えており、供給路Ｌ１のポンプ上流側端には液体供給口Ｌｉ１が、供給路Ｌ２のポンプ上流側端には液体供給口Ｌｉ２が設けられている。供給路Ｌ１、Ｌ２のポンプ下流側端は合流部Ｌ３でＹ字状に合流し、混合流路Ｌ４に続き、該流路端の液体出口Ｌｏに達している。
流路Ｌ１〜Ｌ４は例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。装置ＭＴの外形寸法は例えば、約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。もっとも、寸法、形状は、これに限るものではない。
マイクロポンプＰａ、Ｐｂのそれぞれは、液体供給口Ｌｉ１、Ｌｉ２から液体出口Ｌｏの方へ向かう正規送液方向ＬＤの送液を行えるが、装置メインテナンス等にあたり、必要に応じその逆方向にも送液できる双方向型マイクロポンプである。
ここで例示する双方向マイクロポンプＰａ、Ｐｂは基本的に、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータに交番電圧を印加することで交番電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる正規送液動作、又は第２絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第１絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる逆送液動作をさせ得るマイクロポンプである。
その具体例を図１２を参照して説明する。
図１２に示すマイクロポンプは、第１絞り流路ｆ１、第２絞り流路ｆ２、該第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２間のポンプ室ＰＣ、ポンプ室ＰＣの可撓性壁（ダイアフラム）ＤＦに設置された駆動アクチュエータ（図示例では圧電素子ＰＺＴ）を含んでいる。
圧電素子ＰＺＴに交番電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動（連続的に変形）させることでポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、第１絞り流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出できる。或いは液を逆流させることもできる。
さらに説明すると、第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２は断面積が同じ又は略同じであるが、流路ｆ１より流路ｆ２は長く形成されている。正規送液方向への送液時には、圧電素子ＰＺＴを駆動する交番電圧として図１２（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示す交番電圧を用いる。
図１２（Ａ）に示すように、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。
図１２（Ｂ）に示すように、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。
よって、正規送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで正規送液方向に送液できる。
また、図１２（Ｆ）に示すように、圧電素子ＰＺＴに緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示す交番電圧を印加することで、図１２（Ｄ）に示すように流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出させ、図１２（Ｅ）に示すように流路ｆ２から液体を吸引させることもできる。
図１１に示す送液装置ＭＴでは各ポンプの圧電素子ＰＺＴａ、ＰＺＴｂに駆動部から交番電圧を印加することで該交番電圧波形に応じて供給口Ｌｉ１、Ｌｉ２から第１、第２の液体を吸引し、送液し、合流部Ｌ３で合流させ、混合流路Ｌ４で混合して液体出口Ｌｏから吐出することができる。また、各ポンプは液を逆流させるように動作させることもできる。
送液装置ＭＴは例えば図１３に示す工程により薄型、小形に形成できる。図１３は図１１（Ｃ）のα−α線に沿う切断端面部分を代表的にとりあげて、装置製造工程を示している。
図１３（Ａ）に示すように、シリコン基板ＳｉＳを準備する。シリコン基板ＳｉＳとしては、例えば厚さ２００μｍのシリコンウエハーを用いる。次に、図１３（Ｂ）に示すように、シリコン基板ＳｉＳの上下面に、シリコン酸化膜ＳｉＯ2 を形成する。酸化膜は、例えば、それぞれの厚さが１．７μｍとなるように、熱酸化により形成する。次に、上面にレジストを塗布して所定パターンのマスクを形成し、該マスクパターンで露光し、次いで現像して酸化膜をエッチングする。そして、上面のレジストを剥離した後、再びレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行う。これにより、図１３（Ｃ）に示すように、酸化膜を完全に除去した部分ａと、厚さ方向に途中まで除去した部分ｂを形成する。
レジスト塗布には、例えば東京応化社製ＯＦＰＲ８００等のレジストを用いスピンコ一ターで回転塗布し、レジスト膜の厚さは、例えば１μｍとする。露光はアライナ一により行い、現像はデベロッパーにより行う。酸化膜のエッチングには、例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）を用いる。レジストの剥離には、剥離液、例えば硫酸過水を用いる。
次に、図１３（Ｄ）に示すように上面についてシリコンエッチングを途中まで行った後に、ｂの部分の酸化膜をエッチングにより完全に除去し、再びシリコンエッチングを行い、図１３（Ｅ）に示すようにシリコン基板ＳｉＳを１７０μｍエッチングした部分ａ’と、２５μｍエッチングした部分ａ”とを形成する。シリコンエッチングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ、Ind uctively Coupled Plasma ）によるエッチング法を用いる。さらに、図１３（Ｅ）に示すように酸化膜を、例えばＢＨＦを用いて完全に除去する。
次に、図１３（Ｆ）に示すように、シリコン基板の下面に電極膜ｅ（例えばＩＴＯ膜）を成膜する。そして、図１３（Ｇ）に示したように、シリコン基板の上面にガラス板ＧＬを貼り付ける。この貼り付けは、例えば、１２００Ｖ、４００℃で、陽極接合により行う。最後に、図１３（Ｈ）に示すように、ポンプ室ＰＣの振動板の部分に圧電素子を接着する。
送液装置ＭＴはこのようにして薄型に小形に形成できるが、このあと説明する本発明の実施形態に係る気泡トラップを備えた送液装置や、燃料電池装置における送液ユニットやポンプユニットも板状部材のエッチング処理等により同様な手法で精度よく形成できる。
＜本発明の実施形態に係る送液装置＞
次に図１を参照して本発明に係る送液装置の１例（送液装置ＭＴ’）について説明する。図１に示す送液装置ＭＴ’は図１１に示す送液装置ＭＴに一方向気泡トラップＴｒ及び気泡排除手段（気泡抜き孔ｈ、気泡排除装置ＥＸ、気泡センサＡＳ、コントローラＣＯＮＴ）を設けたものであり、薄型、小形に形成可能のマイクロチップ型のものである。一方向気泡トラップＴｒ及び気泡排除手段を設けた点を除けば装置ＭＴと実質上同構造、作用のものであり、装置ＭＴにおける部分、部品と実質上同じ部分、部品には装置ＭＴと同じ参照符号を付してある。
図１（Ａ）は装置ＭＴ’の平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＹ−Ｙ線に沿う切断端面図である。
図１の送液装置ＭＴ’では、正規送液方向ＬＤにおいてマイクロポンプＰａに隣り合う上流側及び下流側のそれぞれの液通路に一方向気泡トラップＴｒを設けてあるとともに、マイクロポンプＰｂに隣り合う上流側及び下流側のそれぞれの液通路にも一方向気泡トラップＴｒを設けてある。これら一方向気泡トラップＴｒはいずれも同構造のものであり、一方向へ流れる液体中の気泡を捕捉するが、反対方向に流れる液体中の気泡の通過を許すものである。装置ＭＴ’における各マイクロポンプ両側の気泡トラップＴｒは、マイクロポンプＰａ（Ｐｂ）を間にして互いに逆向きに、且つ、マイクロポンプＰａ（Ｐｂ）へ向かって流れる液体中の気泡を捕捉するが、マイクロポンプから遠ざかる方向へ流れる液体中の気泡の通過を許すように設けてある。
気泡トラップＴｒについて、ポンプＰｂの上流側のトラップＴｒ（Ｔｒｂ）を例にとって説明すると、トラップＴｒ（Ｔｒｂ）はマイクロポンプＰｂへ向かって順次配置された第１、第２及び第３の流路部分５１、５２、５３を含んでいる。第１、第３の流路部分はいずれも深さ１７０μｍ、幅５００μｍであるが、第２流路部分５２は深さが２５μｍと浅く形成されている。さらに、第２流路部分５２と第１流路部分５１との境界部５２１の流路断面積が（深さ２５μｍ×幅５００μｍ）であり、第２流路部分５２と第３流路部分５３との境界部５２２の流路断面積（深さ２５μｍ×幅２５μｍ）より大きく形成されている。第１、第２の流路部分の境界部に対して深さ１４５μｍの段差部５２０が提供されている。他の気泡トラップＴｒも同寸法構造に形成されている。
マイクロポンプＰａ、Ｐｂのそれぞれにおける第１絞り流路ｆ１は、流路断面積が〔深さ（高さ）２５μｍ×幅２５μｍ〕であり、長さは２５μｍである。第２絞り流路ｆ２は、流路断面積が〔深さ２５μｍ×幅３６μｍ〕であり、長さ４４０μｍである。
送液装置ＭＴ’では、正規送液方向ＬＤに送液する場合において、ポンプＰａ（Ｐｂ）の上流側（液体供給口Ｌｉ１、Ｌｉ２側）の一方向気泡トラップＴｒに対して気泡を含む液体がポンプＰａ（Ｐｂ）のポンプ室ＰＣに向かう方向に流れてきた場合、気泡の大部分はトラップＴｒの段差部分５２０で引っかかり、捕捉され、それだけポンプ内への気泡混入が抑制される。かくして、送液装置ＭＴ’は、それだけ安定した流量特性が得られる。
装置ＭＴ’のメインテナンス時等において、例えば双方向型ポンプＰａ、Ｐｂを正規送液方向ＬＤとは逆方向に送液するように駆動して液体を逆流させる場合においても、ポンプＰａ（Ｐｂ）の下流側（液体出口側）の一方向気泡トラップＴｒに対して気泡を含む液体がポンプＰａ（Ｐｂ）のポンプ室ＰＣに向かう方向に流れてきた場合、気泡の大部分は該トラップＴｒの段差部分５２０で引っかかり、捕捉され、該気泡がマイクロポンプ中へ混入することが抑制される。
また、かかる逆流により、正規送液時にポンプ上流側の一方向気泡トラップＴｒに捕捉されていた気泡を該トラップＴｒより上流側へ追い出し排除することもできる。かかる気泡の追い出し排除は、ポンプ下流側にも一方向気泡トラップＴｒを設けてあることで、逆流液体中の気泡のポンプへの混入を抑制する状態で行える。
これらにより、逆流を伴うメインテナンス等を円滑に、効率よく行えるとともにその後の正規送液方向への送液において安定した流量特性が得られる。
正規送液方向であれ、その逆方向であれ、マイクロポンプから遠ざかる方向に流れる液体がトラップＴｒへ進入してくる場合、該液体はトラップＴｒの第２、第３の流路部分５２、５３の、流路断面積が著しく絞られた境界部５２２へ進入することになり、そのとき流速が上がるので、該液体中に気泡が含まれていても、該気泡は該境界部５２２の部位にある段差部５２０’を乗り越えてトラップＴｒの外側へ抜け出ることができる。
なお、送液装置ＭＴ’のマイクロポンプＰａ、Ｐｂでは、ポンプ室ＰＣ両側に絞り流路ｆ１、ｆ２が設けられているが、この部分の開口断面積は気泡トラップＴｒの気泡トラップ機能のある境界部５２１の流路断面積よりも十分に狭い断面積であることから、かかる絞り流路ｆ１、ｆ２に気泡が溜まってしまうことは無い。
一方向気泡トラップＴｒの境界部５２１と段差部５２０は形状効果のみでも気泡を捕捉する能力を有するが、さらに、かかる部分の壁面の一部等にフッ素系樹脂を塗布するなどによって撥水処理を施したり、壁面を粗らしたりして気泡を動きにくくすると、気泡捕捉により有効である。
送液装置ＭＴ’ではマイクロホンプＰａ、Ｐｂのそれぞれの上流側の気泡トラップＴｒに対して気泡排除手段を設けてある。この気泡排除手段は、ここでは、各気泡トラップＴｒ上流側の液通路壁に形成された気泡抜き孔ｈ、孔ｈから気泡を排除するための各孔ｈに対して設けられた気泡吸引装置ＥＸ、各気泡トラップＴｒの上流側の液通路に溜まる気泡量を検出する気泡センサＡＳ、各気泡センサＡＳからの気泡量検出情報に基づいて該センサに対応する気泡吸引装置ＥＸの動作を制御するコントローラＣＯＮＴを含んでいる。
気泡センサＡＳは、ここでは図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電気的気泡センサ、或いは図２（Ｃ）に示す光学的気泡センサである。なお、図２（Ａ）は液通路を平面から見た図であり、図２（Ｂ）は液通路の切断端面図である。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示す電気的気泡センサは、トラップＴｒ上流側の液通路壁にそれ自体知られた薄膜形成手法を利用して形成された対電極ｅ１とｅ２及び対電極ｅ２とｅ３のそれぞれの間の抵抗値を抵抗計測器ＲＭで計測することで気泡量を検出するものである。電極ｅ１〜ｅ３は液体流れ方向に沿って平行に配置されている。このセンサを採用する場合、コントローラＣＯＮＴは、入力される二つの抵抗値のうちいずれかが設定値以上になると気泡吸引装置ＥＸに指示して気泡抜き孔ｈから気泡を吸引排除させる。
図２（Ｃ）に示す光学的気泡センサは、発光ダイオードからなる発光素子ＬＥと素子ＬＥからの光を受光して受光量を電気信号に変換するフォトダイオードを含む受光素子ＬＲを含むものである。このセンサを採用する場合、送液装置の光を通過させるべき部分は透明材料で形成しておく。このセンサを採用する場合、コントローラＣＯＮＴは、入力される気泡量が設定値以上になると気泡吸引装置ＥＸに指示して気泡抜き孔ｈから気泡を吸引排除させる。
かかる気泡排除手段の採用により、気泡トラップＴｒに捕捉される気泡を外部へ排出できるので、送液装置ＭＴ’は一層安定した流量特性を維持できる。
送液装置に採用できる一方向気泡トラップは前記のトラップＴｒに限定されない。例えば、一方向気泡トラップに対応するマイクロポンプへ向かって、流路幅方向に延びる段差を呈するように流路断面積が縮小された部分を含む一方向気泡トラップも採用できる。
その具体例として、図３から図６のそれぞれに示すものを挙げることができる。これらは気泡トラップ構成部分の形状に関するものであり、断面の幅が変化している例である。
図３の一方向気泡トラップは、ポンプに向かって急激に断面幅が狭くなり、その後ゆっくりと断面幅が広がっているトラップである。
図４の一方向気泡トラップは、ポンプに向かって、まず一旦断面幅が徐々に広がっており、その後急激に断面幅が狭くなっているトラップである。
図５の一方向気泡トラップは、ポンプに向かって、まず一旦、断面幅が徐々に広がっており、その後急激に断面幅が狭くなり、さらにその後、再びゆっくりと断面幅が広がっているトラップである。
この構成の一方向気泡トラップは、図４のトラップよりも気泡トラップ部の断面積比を大きくすることができる。
図６の一方向気泡トラップは、マイクロポンプへ向かって段差を呈するように流路断面積が縮小された部分が、該部分に隣り合う、該部分より流路断面積が大きい流路部分の断面中心を通って送液方向に延ばした線ＣＬから外れた位置で開口しているトラップである。このトラップは、前後の流路の中心線ＣＬに対して、流路が狭まっている部分の位置が左右どちらかにずれている例である。
このような形にすれば、気泡がトラップされる部分（段差）が流路の左右どちらかに偏って面積が大きくなるので、より大きな気泡もトラップすることができる。
また、幅が狭まっている部分の流路幅よりも直径が大きい気泡に関しては、幅が狭まっている部分がこのように片側に偏っていると、幅狭部の内壁に気泡が触れにくくなるので、より気泡が抜けにくくなるという利点がある。
また、流路が親水性の場合、比較的大き目の気泡（直径が流路幅に対して無視できない大きさの気泡）は、液体が流れているときには流路断面の中心によろうとする傾向がある。従って、幅が狭まっている部分を前後の流路の中心線ＣＬにかからないようにずらすと、気泡捕捉のうえでより有効である。
なお、図３から図６に示す一方向気泡トラップは、いずれも深さが一定の例である。
このようにすると、図１の装置ＭＴ’におけるトラップＴｒのように深さを変える必要がないので、トラップ製作においてエッチングの回数が少なく済むので、作製の手間が少なくてすむ。
なお、図１のトラップＴｒのように深さを変えたトラップと、図３から図６のように幅を変えたトラップを組み合わせた構造の一方向気泡トラップを採用することも可能である。
送液装置ＭＴ’において気泡抜き用孔は次のように設けてもよい。すなわち、図７（Ａ）に例示するように、一方向気泡トラップＴｒについて、該一方向気泡トラップＴｒと同構造で逆向きの逆一方向気泡トラップＴｒ’を一方向気泡トラップＴｒに隣り合わせてマイクロポンプとは反対側に設けるとともに、該両トラップＴｒ、Ｔｒ’間の液通路部分（気泡貯留部ＡＲ）に連通する気泡抜き用孔ｈを形成するのである。なお、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＺ３−Ｚ３線に沿う切断端面図である。
かかる構造は、捕捉された気泡が流路内を動きまわらないように決められた領域ＡＲに留めておいて、そこに設けられた気泡抜き孔ｈから気泡を排出するためのものである。
かかる気泡貯留部ＡＲを含む構造により、液体が逆流した場合でも、一旦トラップＴｒに溜まった気泡が逆流して流路中に戻ることが抑制されるので、流路中の気泡を効率よく排除できる。また、気泡を気泡貯留部に貯めておいて、後で一括して排除することもできるので、メンテナンスが簡単になる。
なお、以上説明したいずれの気泡抜き孔ｈも、そこから液体が勝手に溢れ出さない程度に孔径を狭めて、撥水処理を施すことで使い勝手がよくなる。気泡排除しない間は図示省略の栓体で閉じてもよい。そうすれば、孔ｈからの液漏れや、流路の乾燥、空気の混入などを抑制することができる。また、送液時に液体に加わる圧力で液体が漏れでることも防止できる。
＜本発明の実施形態に係る燃料電池装置＞
（第１の燃料電池装置Ｃ１）
次に図１の送液装置ＭＴ’と同様の送液構造を利用した燃料電池装置Ｃ１について図８（Ａ）を参照して説明する。
図８（Ａ）に示す燃料電池装置Ｃ１は、燃料電池３を含んでいる。
燃料電池３は、本例では直接メタノール形燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」と言うことがある。）であり、ここでは、電解質膜３１の両面に燃料極３２及び空気極３３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のものである。ＭＥＡは各種構造のものが知られているが、本例では電解質膜３１は電解質高分子膜〔例えばデュポン社製ナフィオン（パーフルオロスルホン酸膜）〕であり、燃料極３２は電解質膜３１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、空気極３３も電解質膜３１に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。
燃料電池３の燃料極３２にはプレート状の希釈液体燃料供給部３０１が積層されているとともに空気極３３にプレート状の液体回収部、すなわち、電池３における電気化学反応により空気極側に生成される水及び燃料極３１側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた液（水或いは水を含む液）を回収する液体回収部３０２が積層されている。図示を省略しているが、希釈液体燃料供給部３０１の燃料極３１に向けられた面には燃料極各部へ希釈液体燃料を分配供給するための通路が形成されており、液体回収部３０２の空気極３３に向けられた面には液体の回収路が形成されている。
なお、ＭＥＡの構造によっては電力取り出しのための電極層をかかる部分３０１、３０２の少なくとも一方に設けてもよい。
かかる電極層は、例えば燃料極或いは空気極に対向するポンプユニットの面にスパッタリング法等の各種薄膜形成手法を利用して白金等で形成することができ、この電極膜を例えば導電性接着剤で燃料極或いは空気極に接着すればよい。
この燃料電池装置Ｃ１は、さらに、送液ユニットＰＵ及び気泡排除手段ＡＤを含んでいる。
送液ユニットＰＵは、液体原燃料（ここではメタノール含有液）を供給する第１マイクロポンプＰ１を含む原燃料供給路１１１’、希釈用液を供給する第２マイクロポンプＰ２を含む希釈用液供給路１１２’、該原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記電池燃料極に積層された希釈液体燃料供給部３０１に連通する液体混合路１１３’を有している。
送液ユニットＰＵはさらに、第２マイクロポンプＰ２について、該ポンプによる正規送液方向において該ポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する一方向気泡トラップＴｒを有している。
マイクロポンプＰ１、Ｐ２は図１２に示す基本構造及び作用を示すものであり、トラップＴｒは図１に示す一方向気泡トラップと同構造のものである。圧電素子はＰＺＴ１、ＰＺＴ２で示してある。ポンプＰ１、Ｐ２のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容量、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ、圧電素子に印加する電圧等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにでき、ここでは、液体原燃料及び希釈用液を所定の割合で混合して希釈できるようにポンプＰ１、Ｐ２それぞれの送液能力を定めてある。なお、トラップＴｒは、図３から図６に示す構造のトラップに置き換えることができるし、例えば不織布からなる気泡トラップに置き換えることもできる。
また、この燃料電池装置Ｃ１では、回収容器６が設けられており、ここに電池空気極側で回収される希釈用液として循環使用する水が、液体回収部３０２から液通路６１を介して回収されるとともに、希釈液体燃料供給部３０１から余剰の希釈液体燃料が液通路６２を介して回収される。回収容器６は送液ユニットＰＵの一方向気泡トラップＴｒ上流側の液通路に接続されており、かくしてユニットＰＵの希釈用液供給路１１２’に一方向気泡トラップＴｒの上流側から希釈用液を供給できる。原燃料供給路１１１’のポンプＰ１の上流側部分には、例えばカートリッジタイプの交換可能の原燃料容器４が接続される。
気泡排除手段ＡＤは、回収容器６の天井壁に形成した気泡抜き孔Ｈ及び孔Ｈから気泡を吸引排除する気泡吸引装置ＥＸ１を含んでいる。手段ＡＤはさらに、気泡トラップＴｒ等に捕捉されて回収容器６へ溜まる気泡、或いはさらに回収部３０２からの回収液や供給部３０１からの余剰燃料に混じって回収容器６へ到来する気泡による、回収容器６における気泡の量を燃料電池装置Ｃ１の運転状況に応じて推測する気泡量推測部７及び該気泡量推測部７から入力される推測気泡量が設定量以上を示すと気泡吸引装置ＥＸ１に指示して回収容器天井壁の孔Ｈから気泡を吸引排除させるコントローラＣＯＮＴ１を含んでいる。
ここで気泡量推測部７は燃料電池３に接続されており、既述の燃料電池における化学反応式や、発電密度、発電効率、燃料のメタノール濃度、発電開始からの経過時間（発電時間）等、さらにそれにより計算可能の発生炭酸ガス量、さらに炭酸ガスの液体への溶解度等のうち少なくとも一つ（例えば少なくとも経過時間）を考慮して回収容器６に溜まる気泡量を算出して推測するものである。
なお、回収容器６の気泡抜き孔Ｈは、そこから液体が勝手に溢れ出さない程度に孔径を狭めて、撥水処理を施すことで使い勝手がよくなる。気泡排除しない間は図示省略の栓体で閉じてもよい。そうすれば、孔Ｈからの液漏れや、容器６等の乾燥、空気の混入などを抑制することができる。
以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると、送液ユニットＰＵに原燃料容器４から液体原燃料としてメタノール含有液（例えば高濃度メタノール水溶液）を供給するとともに回収容器６から希釈用液を供給し、ポンプ駆動部５によりポンプＰ１、Ｐ２の圧電素子ＰＺＴ１、ＰＺＴ２にそれぞれ交番電圧を印加してそれらポンプを運転することで燃料電池３に希釈液体燃料を供給し、電池３で
ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ の反応を生じさせ、それにより発電させ、負荷Ｌに通電させることができる。
この発電において電池空気極に積層した液体回収部３０２内の液体は通路６１を介して回収容器６に回収されるとともに電池燃料極に積層した希釈液体燃料供給部３０１内の余剰燃料も回収容器６に回収され、これらは希釈用液として循環使用される。
以上説明した燃料電池装置Ｃ１では、回収容器６内の気泡を吸引装置ＥＸ１で排除するようにしたが、図８（Ｂ）に示すように、回収容器６の天井壁６ｗを合成樹脂などの弾性可撓性材料で形成し、該壁６ｗを加圧装置ＥＸ２を用いて、その押圧機構（例えば天井壁を押圧するプッシャーｐを含むもの））で押圧することで回収容器６内容積を変動させ、これにより気泡を孔Ｈから追い出し排除するようにしてもよい。この場合、気泡の追い出し排除をより確実に行うために、回収容器６から送液ユニットＰＵへの出口部或いはトラップＴｒの直ぐ下流側、液通路６１、６２から回収容器６への液入口部にそれぞれ開閉弁Ｖを設け、これを気泡排除のタイミングで、換言すれば、加圧装置ＥＸ２による容器加圧に先立って、コントローラＣＯＮＴ１の指示により閉じるようにしてもよい。
（第２の燃料電池装置Ｃ２）
次に図１の送液装置ＭＴ’と同様の送液構造を利用したもう一つの燃料電池装置Ｃ２について図９及び図１０を参照して説明する。
図９（Ａ）は燃料電池装置Ｃ２の平面図、図９（Ｂ）は該装置の側面図、図９（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図１０（Ａ）は図９（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図１０（Ｂ）は図９（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図１０（Ｃ）は図９（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１０（Ｄ）は図９（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
燃料電池装置Ｃ２は、燃料電池３と、電池３に積層固定された第１ポンプユニット１及び第２ポンプユニット２を含んでいる。燃料電池３も、ＤＭＦＣ形の電池である。
なお、ＭＥＡの構造によっては電力取り出しのための電極層を第１、第２ポンプユニット１、２の少なくとも一方に設けてもよい。
第１ポンプユニット１は、平坦な四角形状の部材１１、１２を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材１１は、図９（Ａ）及び図１０（Ａ）に示すように、下層の部材１２に対向する面にマイクロポンプＰ１を含む液体原燃料供給路１１１、マイクロポンプＰ２を含む希釈用液供給路１１２、これら両供給路にそれぞれ連通する共通の液体混合路１１３を有している。液供給路１１１、１１２及び混合路１１３は下層部材１２へ向け開放された溝状のものである。
混合路１１３はポンプＰ１、Ｐ２より下流側に形成されている。原燃料供給路１１１においてポンプＰ１より上流側の端には液体原燃料供給口１１４が貫通形成されており、図示を省略しているが、該供給口１１４に図８（Ａ）に示すものと同じ原燃料容器４が接続される。
また、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側の端には希釈用液供給口１１６が形成されている。部材１１にはこの他、余剰希釈液体燃料の出口としての貫通孔１１７、後述するように第２ポンプユニット２において回収される回収液の出口としての貫通孔１１８も形成されている。図示を省略しているが、希釈用液供給口１１６及び貫通孔１１７、１１８には図８（Ａ）に示すものと同じ構造の回収容器４が接続される。 すなわち、該回収容器には、気泡抜き孔Ｈが形成されており、孔Ｈから気泡を抜くための気泡吸引装置ＥＸ１が設けられている。
また、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側部分に気泡トラップＴｒ１１が設けられている。ここでの気泡トラップは不織布からなるものである。かかるトラップＴｒ１１は前記の気泡トラップＴｒや図３から図６に示すような気泡トラップに置き換えることもできる。
部材１２は、図１０（Ｂ）に示すように、電池３の燃料極３２に対向する面に希釈液体燃料を該燃料極へ供給するための溝状の複数本の希釈液体燃料通路１２１を有しているとともに該複数本の通路１２１に連通する共通の凹所状の希釈液体燃料通路１２２及び１２６を有している。通路１２２から部材１１側へ貫通孔１２３が形成されている。貫通孔１２３は部材１１の液体混合路１１３に連通している。通路１２６には貫通孔１２７が形成されており、これは部材１１の貫通孔１１７に連通し、余剰の燃料を回収容器６へ戻せるようになっている。
部材１２には、さらに、各通路１２１等を部材外部へ連通させる溝状のガス抜き孔１２４が形成されており、ガス抜き孔１２４の間には貫通孔１２５が形成されている。貫通孔１２５は部材１１の貫通孔１１８に連通しているとともに電池３の貫通液体通路３４（図９（Ｂ）参照）に連通している。ガス抜き孔１２４は燃料極側で生成される炭酸ガスの放出に用いられる。
以上のほか、部材１１、１２には、互いに位置が合致するようにガス流通部ＧＤが設けられている。ガス流通部ＧＤは複数の微細なガス流通孔を形成するとともに液体の通過を阻止するように撥水処理を施した部分である。ガス流通部ＧＤは少なくとも一つ、より好ましくは複数、例えば各希釈液体燃料通路１２１（図１０（Ｂ）参照）に対応させて設けるとよい。第１ポンプユニット１におけるガス流通部ＧＤはガス放出のためのものである。
第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１、２２を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材２１は、図１０（Ｃ）に示すように、電池３の空気極３３に対向する面に、燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してくる液体の通路、すなわち、櫛状に配列された溝状の複数本の通路２１１及び該通路に連通する共通の凹所状の通路２１２を有している。通路２１２から部材２２側へ貫通孔２１３が形成されている。さらに、各通路２１１を部材外部と連通させる溝状の空気取り入れ孔２１４が形成されており、空気取り入れ孔２１４の間には貫通孔２１５が形成されている。貫通孔２１５は電池３の液体通路３４に連通している。
部材２２は、図９（Ｃ）及び図１０（Ｄ）に示すように、部材２１に対向する面に、マイクロポンプＰ３を含む溝状の液体回収路２２１を有している。液体回収路２２１は燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してくる液体を回収するものである。液体回収路２２１のポンプＰ３より上流側の端には凹所状の液体受入れ部２２２が形成されており、その間には気泡トラップＴｒ２１が設けられている。液体回収路２２１のポンプＰ３より下流側の端には液体排出部２２３が形成されている。液体受入れ部２２２は部材２１の貫通孔２１３に連通しており、液体排出部２２３は部材２１の貫通孔２１５に連通している。
ここでの気泡トラップＴｒ２１も不織布からなるものであるが、前記の気泡トラップＴｒや図３から図７に示すような気泡トラップに置き換えることもできる。
また、部材２１、２２には、互いに位置が合致するようにガス流通部ＧＤが設けられている。ガス流通部ＧＤは第１ポンプユニット１におけるものと同じもので、少なくとも一つ、より好ましくは複数、例えば各液体通路２１１（図１０（Ｃ）参照）に対応させて設けるとよい。ここでのガス流通部ＧＤは外部からの空気取り入れに利用される。
ポンプユニット２における部材２２の液体排出部２２３、部材２１の貫通孔２１５、電池３の液体通路３４、ポンプユニット１における部材１２の貫通孔１２５及び部材１１の回収液出口１１８は、第２ポンプユニット２から希釈用液として用いる水を含む液体を回収容器６へ循環させる循環路３０を形成している（図９（Ｂ）参照）。
以上のほか、図示を省略しているが、この燃料電池装置Ｃ２にも図８（Ａ）に示す装置Ｃ１と同様の気泡量推測部７及びコントローラＣＯＮＴ１を設けてある。
第１ポンプユニット１のマイクロポンプＰ１、Ｐ２、第２ポンプユニト２のマイクロポンプＰ３はいずれも図１２に示す基本構造及び動作を示すものである。
ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容積、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ、圧電素子への印加電圧等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにでき、ここでは、液体原燃料と希釈用液を所定の割合で混合して希釈できるようにポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力を定めてある。
燃料電池装置Ｃ２によると、第１ポンプユニット１に原燃料容器４から液体原燃料としてメタノール含有液（例えば高濃度メタノール水溶液）を供給するとともに回収容器６から希釈用液を供給し、図示省略のポンプ駆動部によりポンプＰ１〜Ｐ３の圧電素子ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３にそれぞれ交番電圧を印加してそれらポンプを運転することで燃料電池３に燃料を供給し、電池３で発電させることができる。
この発電において電池空気極に積層した第２ポンプユニット２により回収される液体は循環通路３０を介して回収容器６に回収されるとともに電池燃料極に積層した第１ポンプユニット１内の余剰燃料も回収容器６に回収され、これらは希釈用液として循環使用される。
燃料電池装置Ｃ２では、回収容器６内の気泡を吸引装置ＥＸ１で排除するが、燃料電池装置Ｃ１の場合と同様に、図８（Ｂ）に示すように、回収容器６の天井壁６ｗを合成樹脂などの弾性可撓性材料で形成し、該壁６ｗを加圧装置ＥＸ２を用いて、その押圧機構ｐで押圧することで回収容器６内容積を変動させ、これにより気泡を孔Ｈから追い出し排除するようにしてもよい。この場合、気泡の追い出し排除をより確実に行うために、回収容器６からポンプユニット１への出口部及びポンプユニット１における液出口１１７、１１８から回収容器６への液入口部にそれぞれ開閉弁を設け、これを気泡排除のタイミングで、換言すれば、加圧装置ＥＸ２による容器加圧に先立って、コントローラＣＯＮＴ１の指示により閉じるようにしてもよい。
以上説明した燃料電池装置Ｃ１においては、マイクロポンプＰ１、Ｐ２を採用した送液ユニットＰＵは一体的にコンパクトに小形に形成できるので、それだけ燃料電池装置全体をコンパクト化、小型化できる。
燃料電池装置Ｃ２においては、マイクロポンプＰ１、Ｐ２を採用した第１ポンプユニット１、マイクロポンプＰ３を採用した第２ポンプユニット２はいずれもコンパクトに小形に形成でき、さらに、第１、第２ポンプユニット１、２は燃料電池３に積層されて電池と一体化されているので、燃料電池装置全体を一層コンパクト化、小型化できる。
また、燃料電池装置Ｃ１、Ｃ２のいずれにおいても、気泡が多く含まれている恐れの大きい希釈用液を送る第２マイクロポンプＰ２、及び第３マイクロポンプＰ３のそれぞれについて、その上流側に気泡トラップＴｒ１１、Ｔｒ２１が設けられており、これらにより送られる液体中の気泡は該気泡トラップに捕捉され、さらに、気泡トラップＴｒ１１に捕捉される気泡や回収容器６中の気泡は気泡排除手段により外部へ排除することができる。従ってそれだけ、使用液中の気泡の影響を抑制して希釈液体燃料を電池へ安定して供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる。
本発明の送液装置は、燃料電池装置における液体燃料とその希釈用液の送液、混合希釈に利用できるほか、生化学検査、免疫検査、遺伝子検査等の医療分野や、環境分析、化学合成や新薬創製など、様々な分野で利用できる。
また、本発明に係る燃料電池装置は例えば携帯機器等に搭載する電源としての利用可能性がある。
本発明に係る送液装置の１例を示すもので図１（Ａ）はその平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＹ−Ｙ線に沿う切断端面図である。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は気泡センサの１例を示すもので、図２（Ａ）は流路を平面から見て示す図、図２（Ｂ）は流路断面で示す図であり、図２（Ｃ）は気泡センサの他の例を示すものである。 一方向気泡トラップの他の例を示す図である。 一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。 一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。 一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。 気泡貯蔵部を提供する一方向気泡トラップの配置例を示す図であり、図７（Ａ）はその平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＺ３−Ｚ３線に沿う切断端面図である。 図８（Ａ）は本発明に係る燃料電池装置の１例を示す図であり、図８（Ｂ）は気泡排除手段の他の例を示す図である。 本発明に係る燃料電池装置の他の例を示すもので、図９（Ａ）はその平面図、図９（Ｂ）はその側面図、図９（Ｃ）はその底面図である。 図１０（Ａ）は図９（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図１０（Ｂ）は図９（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図１０（Ｃ）は図９（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１０（Ｄ）は図９（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。 送液装置の基本構造例を示すもので、図１１（Ａ）その平面図、図１１（Ｂ）はその側面図、図１１（Ｃ）は図１１（Ｂ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 マイクロポンプの１例の基本構造及び動作を示すもので、図１２（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図１２（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図１２（Ｃ）はかかる液体の吐出動作、吸引動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。図１２（Ｄ）は図１２（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図１２（Ｅ）は図１２（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図１２（Ｆ）はかかる反対動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。 図１１に示す送液装置の製造工程例を示す図である。 燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置の考えられる例を示す図である。
符号の説明
ＭＴ 基本構造の送液装置
Ｐａ、Ｐｂ マイクロポンプ
Ｌｉ１、Ｌｉ２ 液体供給口
Ｌｏ 液体出口
Ｌ１、Ｌ２ 液体供給路
Ｌ３ 合流部
Ｌ４ 混合流路
ｅ 電極膜
ＬＤ 正規送液方向

ｆ１ 第１絞り流路
ｆ２ 第２絞り流路
ＰＣ ポンプ室
ＤＦ ポンプ室壁（ダイアフラム）
ＰＺＴ、ＰＺＴａ、ＰＺＴｂ 圧電素子

ＭＴ’ 送液装置
Ｔｒ（Ｔｒｂ） 一方向気泡トラップ
５１、５２、５３
トラップＴｒの第１、第２、第３の流路部分
５２１ 流路部分５１と５２の境界部
５２２ 流路部分５２と５３の境界部
５２０、５２０’ 段差部
ｈ 気泡抜き孔
ＥＸ 気泡吸引装置
ＡＳ 気泡センサ
ＣＯＮＴ コントローラ
ｅ１、ｅ２、ｅ３ 電極
ＲＭ 抵抗計測器
ＬＥ 発光素子
ＬＲ 受光素子
ＣＬ 流路部分断面中心を通る線
Ｔｒ’ 逆向き一方向気泡トラップ
ＡＲ 気泡貯留部

Ｃ１ 燃料電池装置
ＰＵ 送液ユニット
１１１’原燃料供給路
１１２ ’ 希釈用液供給路
Ｐ１、Ｐ２ マイクロホンプ
ＰＺＴ１、ＰＺＴ２ 圧電素子
１１３’ 液体混合路
３ 燃料電池
３１ 電解質膜
３２ 燃料極
３３ 空気極
３０１ 希釈用液供給部 ３０２ 生成液体回収部
４ 原燃料容器
５ ポンプ駆動部
６ 回収容器
６１、６２ 液通路
ＡＤ 気泡排除手段
Ｈ 気泡抜き孔
ＥＸ１ 気泡吸引装置
ＥＸ２ 加圧装置
ｐ プッシャー
Ｖ 開閉弁
７ 気泡量推測部
ＣＯＮＴ１ コントローラ
Ｌ 負荷

Ｃ２ 燃料電池装置
１ 第１ポンプユニット
１１ ポンプユニット１の部材
１１１ 液体原燃料供給路
１１２ 希釈用液供給路
１１３ 液体混合路
１１４ 液体原燃料供給口
１１６ 回収容器が接続される希釈用液供給口
１１７、１１８ 回収容器が接続される貫通孔
Ｔｒ１１ 気泡トラップ
１２ ポンプユニット１の部材
１２１、１２２、１２６ 希釈液体燃料通路
１２３ 貫通孔
１２４ ガス抜き孔
１２５、１２７ 貫通孔
ＧＤ ガス流通部
２ 第２ポンプユニット
２１ ポンプユニット２の部材
２１１、２１２ 生成水通路
２１３ 貫通孔
２１４ 空気取り入り孔
２１５ 貫通孔
２２ ポンプユニット２の部材
Ｐ３ マイクロポンプ
ＰＺＴ３ 圧電素子
２２１ 液体回収路
２２２ 液体受入れ部
２２３ 液体排出部
Ｔｒ２１ 気泡トラップ

３４ 電池３の液体通路
３０ 希釈用液循環路

Ｃ 燃料電池
Ｌ 負荷
ＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３ ポンプ
ｔ２ 回収タンク
ｔ１ 燃料タンク
ＭＸ ミキサー
ＤＳ 濃度検出センサ
ＣＯＮＴ コントローラ

Claims (22)

  1. １又は２以上のマイクロポンプにより送液する送液装置であって、少なくとも一つのマイクロポンプについて、正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に気泡トラップを有しているとともに該気泡トラップに捕捉される気泡を該液通路外へ排除するための気泡排除手段を有しており、該気泡トラップはマイクロポンプへ向かって流れる液体中の気泡を捕捉する気泡トラップであることを特徴とする送液装置。
  2. 前記気泡排除手段は、正規送液方向において前記気泡トラップより上流側の液通路に形成された気泡抜き孔と、該気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を送液装置の運転状況から推測する気泡量推測部と、前記気泡抜き孔から気泡を外部へ排除する気泡排除装置と、前記気泡量推測部で推測される気泡量に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいる請求項１記載の送液装置。
  3. 前記気泡排除手段は、正規送液方向において前記気泡トラップより上流側の液通路に形成された気泡抜き孔と、該気泡トラップ上流側の液通路に溜まる気泡の量を検出する気泡センサと、前記気泡抜き孔から気泡を排除する気泡排除装置と、前記気泡センサからの気泡量検出情報に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいる請求項１記載の送液装置。
  4. 前記気泡センサは光学的に気泡量を検出するセンサである請求項３記載の送液装置。
  5. 前記気泡センサは電気的に気泡量を検出するセンサである請求項３記載の送液装置。
  6. 前記気泡排除装置は前記気泡抜き孔から気泡を吸引排除する気泡吸引装置である請求項２から５のいずれかに記載の送液装置。
  7. 前記気泡排除装置は前記気泡抜き孔を形成した液通路を加圧することで該気泡抜き孔から気泡を液通路外へ追い出す加圧装置である請求項２から５のいずれかに記載の送液装置。
  8. ２種以上の液体を合流させて送る送液装置であり、前記マイクロポンプが並列配置で複数設けられており、それぞれのマイクロポンプで液体を送って合流させる請求項１から７のいずれかに記載の送液装置。
  9. 前記マイクロポンプのうち少なくとも一つは、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータに交番電圧を印加することで交番電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる正規送液動作、又は第２絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第１絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる逆送液動作をさせ得るマイクロポンプである請求項１から８のいずれかに記載の送液装置。
  10. 燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置であり、
    該燃料電池と、
    該燃料電池の燃料極に積層されて該燃料極へ希釈液体燃料を供給する希釈液体燃料供給部と、
    該燃料電池の空気極に積層されて、少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収する液体回収部と、
    送液ユニットと、
    気泡排除手段とを含んでおり、
    該送液ユニットは、液体原燃料を供給する第１マイクロポンプを含む原燃料供給路、希釈用液を供給する第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路、該原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記電池燃料極に積層された希釈液体燃料供給部に連通する液体混合路を有しており、該マイクロポンプのうち少なくとも第２マイクロポンプについて、該マイクロポンプによる正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する気泡トラップを設けてあり、
    前記気泡排除手段は該気泡トラップに捕捉される気泡を外部へ排除するものであること特徴とする燃料電池装置。
  11. 燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置であり、
    該燃料電池と、
    該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットと、
    該燃料電池の空気極に積層されて、少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収する液体回収部と、
    気泡排除手段とを含んでおり、
    前記第１ポンプユニットは、燃料電池の燃料極に対向する面に希釈液体燃料を該燃料極へ供給するための希釈液体燃料通路を有しており、燃料極に対向する面とは反対側部分に、液体原燃料を供給する第１マイクロポンプを含む原燃料供給路、希釈用液を供給する第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路、該原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記希釈液体燃料通路に連通する液体混合路を有しており、該マイクロポンプのうち少なくとも第２マイクロポンプについて、該マイクロポンプによる正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する気泡トラップを設けてあり、
    前記気泡排除手段は該気泡トラップに捕捉される気泡を外部へ排除するものであること特徴とする燃料電池装置。
  12. 前記燃料電池の空気極に積層された液体回収部からの液体を回収する回収容器を備えており、前記第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路は該回収容器に接続されており、前記気泡排除手段は前記気泡トラップに捕捉される気泡を該回収容器を介して外部へ排除するものであり、該回収容器に形成された気泡抜き孔と、該回収容器に溜まる気泡の量を燃料電池装置の運転状況から推測する気泡量推測部と、前記気泡抜き孔から気泡を外部へ排除する気泡排除装置と、前記気泡量推測部で推測される気泡量に応じて前記気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいる請求項１０又は１１記載の燃料電池装置。
  13. 前記燃料電池の空気極に積層された液体回収部からの液体を回収する回収容器を備えており、前記第２マイクロポンプを含む希釈用液供給路は該回収容器に接続されており、前記気泡排除手段は前記気泡トラップに捕捉される気泡を該回収容器を介して外部へ排除するものであり、該回収容器に形成された気泡抜き孔と、該回収容器に溜まる気泡の量を検出する気泡センサと、該気泡抜き孔から気泡を排除する気泡排除装置と、該気泡センサからの気泡量検出情報に応じて該気泡排除装置動作を制御するコントローラとを含んでいる請求項１０又は１１記載の燃料電池装置。
  14. 前記気泡センサは光学的に気泡量を検出するセンサである請求項１３記載の燃料電池装置。
  15. 前記気泡センサは電気的に気泡量を検出するセンサである請求項１３記載の燃料電池装置。
  16. 前記気泡排除装置は前記気泡抜き孔から気泡を吸引排除する気泡吸引装置である請求項１２から１５のいずれかに記載の燃料電池装置。
  17. 前記気泡排除装置は前記気泡抜き孔を形成した回収容器を加圧することで該気泡抜き孔から気泡を回収容器外へ追い出す加圧装置である請求項１２から１５のいずれかに記載の燃料電池装置。
  18. 前記燃料電池の空気極に積層された液体回収部は第２のポンプユニットであり、該第２ポンプユニットは、燃料電池の空気極に対向する面に少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体の通路を有しており、該空気極に対向する面とは反対側部分に、該液体通路に連通し、該液体を回収して前記回収容器へ送る第３のマイクロポンプを含む液体回収路を有しており、該第３マイクロポンプについても、該マイクロポンプによる正規送液方向において該マイクロポンプより上流側の液通路に該マイクロポンプへ向かう液体中の気泡を捕捉する気泡トラップを設けてある請求項１０から１７のいずれかに記載の燃料電池装置。
  19. 第３マイクロポンプ上流側の気泡トラップに捕捉される気泡を外部へ排除する気泡排除手段が設けられている請求項１８記載の燃料電池装置。
  20. 前記マイクロポンプのうち少なくとも一つは、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータに交番電圧を印加することで交番電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる正規送液動作、又は第２絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第１絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる逆送液動作をさせ得るマイクロポンプである請求項１０から１９のいずれかに記載の燃料電池装置。
  21. 前記燃料電池は直接メタノール形燃料電池であり、前記液体原燃料はメタノール含有液体燃料であり、前記希釈用液は水を主成分とする液体である請求項１０から２０のいずれかに記載の燃料電池装置。
  22. 前記直接メタノール形燃料電池は膜・電極接合体（ＭＥＡ）構造のものである請求項２１記載の燃料電池装置。

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007242621A (ja) * 2006-03-09 2007-09-20 Taida Electronic Ind Co Ltd 燃料電池及びその燃料供給モジュール
JP2012047633A (ja) * 2010-08-27 2012-03-08 Toshiba Plant Systems & Services Corp オンライン型サンプル分析装置の前処理装置及びオンライン型サンプル分析装置の前処理装置の制御方法
JP2014096381A (ja) * 2014-01-10 2014-05-22 Murata Mfg Co Ltd 燃料電池
JP2014098393A (ja) * 2014-01-30 2014-05-29 Seiko Epson Corp 流体噴射装置、流体噴射装置の駆動装置、流体噴射装置の駆動方法及び手術用器具
US9510851B2 (en) 2008-09-16 2016-12-06 Seiko Epson Corporation Fluid jet device, drive device of fluid jet device, surgical instrument, and method of driving fluid jet device
WO2019106889A1 (ja) * 2017-12-01 2019-06-06 Ckd株式会社 液体ポンプ
CN110035811A (zh) * 2016-10-14 2019-07-19 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 除气装置

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007242621A (ja) * 2006-03-09 2007-09-20 Taida Electronic Ind Co Ltd 燃料電池及びその燃料供給モジュール
US9510851B2 (en) 2008-09-16 2016-12-06 Seiko Epson Corporation Fluid jet device, drive device of fluid jet device, surgical instrument, and method of driving fluid jet device
JP2012047633A (ja) * 2010-08-27 2012-03-08 Toshiba Plant Systems & Services Corp オンライン型サンプル分析装置の前処理装置及びオンライン型サンプル分析装置の前処理装置の制御方法
JP2014096381A (ja) * 2014-01-10 2014-05-22 Murata Mfg Co Ltd 燃料電池
JP2014098393A (ja) * 2014-01-30 2014-05-29 Seiko Epson Corp 流体噴射装置、流体噴射装置の駆動装置、流体噴射装置の駆動方法及び手術用器具
CN110035811A (zh) * 2016-10-14 2019-07-19 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 除气装置
JP2019532212A (ja) * 2016-10-14 2019-11-07 フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー．ファオ 脱ガス装置
US11111911B2 (en) 2016-10-14 2021-09-07 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Degassing apparatus
CN110035811B (zh) * 2016-10-14 2021-11-16 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 除气装置
WO2019106889A1 (ja) * 2017-12-01 2019-06-06 Ckd株式会社 液体ポンプ
JP2019100258A (ja) * 2017-12-01 2019-06-24 Ckd株式会社 液体ポンプ

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