送液方法、液体混合方法、送液装置、液体混合装置及び燃料電池装置
【課題】安定して該２種以上の液体を所定の割合で送ることができる送液方法及び装置、これを利用することで安定して２種以上の液体を所定の割合で混合できる液体混合方法及び装置、さらには発電性能、効率の良好な小形の燃料電池装置を提供する。
【解決手段】２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上のマイクロポンプＰ１〜Ｐ１１を設け、且つ、少なくとも１種の液体については複数個のポンプＰ２〜Ｐ１１を設け、いずれのポンプも同性能のポンプとし、一つのポンプＰ１を設けた液についてはそれを運転するとともに、２以上のポンプＰ２〜Ｐ１１を設けた液についてはそれらのうちから、所定の送液割合に応じて、運転するポンプ数を決定してそれらを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法及び装置。これらを利用した液体混合方法及び装置１００、並びに燃料電池装置Ｃ１。
【解決手段】２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上のマイクロポンプＰ１〜Ｐ１１を設け、且つ、少なくとも１種の液体については複数個のポンプＰ２〜Ｐ１１を設け、いずれのポンプも同性能のポンプとし、一つのポンプＰ１を設けた液についてはそれを運転するとともに、２以上のポンプＰ２〜Ｐ１１を設けた液についてはそれらのうちから、所定の送液割合に応じて、運転するポンプ数を決定してそれらを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法及び装置。これらを利用した液体混合方法及び装置１００、並びに燃料電池装置Ｃ１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２種以上の液体を所定の送液割合で送るための送液方法及び送液装置に関し、さらに、該送液方法、送液装置を利用した液体混合方法、液体混合装置及び燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、マイクロポンプや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、両者を何らかのインターフェースで接続する必要があるが、その接続時に気泡が混入する等の問題が発生する。また、該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り、マイクロ流体システムの利点が生かせない。
【０００４】
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、圧電素子駆動型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。
【０００５】
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。
【０００６】
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 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。
【０００７】
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。
【０００８】
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
【０００９】
この反応式によればメタノールと水は等モルで反応し、ＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。ところ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。
【００１０】
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を回収してこの生成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。
【００１１】
発明者の考えによれば、１例として図１２の発電システムを示すことができる。図１２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燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収する。
【００１２】
燃料極へ供給する燃料中のメタノール濃度を適正化するために、ミキサーＭＸから電池へ向かう燃料のメタノール濃度を濃度検出センサＤＳで検出し、この検出値に基づいてコントローラＣＯＮＴがポンプＰＭ１、ＰＭ２の動作をコントロールするようにし、これによりミキサーへ供給する高濃度メタノール水溶液の量と希釈用液の量の割合を調整することも可能である。
【００１３】
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。
【００１４】
この他、例えば、特開２００３−１３２９２４号公報には、メタノールタンクから、このタンクに付設されたバルブの操作により高濃度メタノール水溶液を希釈タンクへ供給する一方、燃料電池本体の空気極で生成された水を該希釈タンクへ回収し、該希釈タンクにおいてメタノールタンクからのメタノール水溶液を回収水で希釈し、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ことが開示されている。
【００１５】
さらに、該希釈タンクにおけるメタノール水溶液のメタノール濃度を検出し、その検出結果に基づいて前記バルブの開き量を調整することでメタノールタンクから希釈タンクへ供給する高濃度メタノール水溶液量を調整することで、燃料極へ供給するメタノール水溶液のメタノール濃度を制御することも開示されている。
【００１６】
また、特開２００３−３４６８４６号公報には、電池本体の外部に設けた混合室へ、メタノールタンクからメタノール水溶液を、さらに電池本体から未使用メタノール溶液や副生成物をそれぞれ流入させるとともに該混合室内燃料を電池へ導くための回路を設け、電池本体の燃料導入室或いはそれに通じる液通路の容積をそれらに対して設けた圧電アクチュエータで増減させることで該回路に燃料を循環させることが開示されている。この燃料電池装置においても、メタノールタンクに高濃度メタノール水溶液を収容しておき、これを電池本体から混合室へ回収されてくる水で希釈し、該希釈メタノール水溶液を燃料として用いることが可能であると考えられる。
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、混合希釈が求められている。
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４２４１号公報
【特許文献３】特開２００３−２２０３２２号公報
【特許文献４】特開２００３−１３２９２４号公報
【特許文献５】特開２００３−３４６８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、前記特開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号公報や特開２００３−２２０３２２号公報に開示されている送液機構や液体混合機構においては、例えば２種類の液体を１：１或いはそれに近い割合で送液したり、混合したりする場合には実質上問題はないが、１：１から大きく離れた割合、例えば１：１０の割合で送液し、混合するような場合には、２液を精度よく１：１０の割合で送液し、混合するためにマイクロポンプの駆動用圧電素子に印加する駆動波形や該圧電素子の駆動方法を工夫する必要がある。
【００１９】
また、駆動波形等を変更しても流量が１対１０にならない場合はポンプの性能自体を１対１０になるように個々のポンプを設計する必要があるが、個々のポンプの性能を異ならせる場合には、外乱の影響（例えば下流側の液体の状態（抵抗等）の変化）により個々のポンプの特性の変化率も異なってきて、液体の混合（混合希釈を含む）の割合が安定しなくなる。
このような問題は、特開２００１−３２２０９９号公報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利用の送液機構や液体混合機構について発生する問題である。
【００２０】
また、燃料電池におけるメタノール水溶液と希釈液との混合希釈についてみると、図１２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、希釈液供給、液回収用と三つのポンプ、さらに、高濃度メタノール水溶液と回収液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。
【００２１】
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。
【００２２】
特開２００３−１３２９２４号公報や特開２００３−３４６８４６号公報に開示された燃料電池装置では、電池本体以外に高濃度メタノール水溶液と水とのミキシング機構（ミキシング用のタンク）を必要とし、それだけ装置が大型化する。
【００２３】
以上、燃料電池装置に関しては、直接メタノール形燃料電池が採用され、メタノール水溶液を水を含む希釈液で希釈して該希釈メタノール水溶液を該電池の燃料極へ供給するタイプの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該希釈液体燃料を該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）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った。
【００２４】
そこで本発明は、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送る送液方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で送ることができる送液方法及び装置を提供することを課題とする。
また本発明は、かかる送液装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる送液装置を提供することを課題とする。
【００２５】
また本発明は、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送って混合する液体混合方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で混合することができる液体混合方法及び装置を提供することを課題とする。
また本発明は、かかる液体混合装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる液体混合装置を提供することを課題とする。
【００２６】
さらに本発明は、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、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であって、液体燃料の希釈用液による希釈を安定して精度よく行うことができ、それだけ発電性能及び効率が良好であり、しかも全体をコンパクトに小形に形成できる燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
（１）送液方法及び送液装置
前記課題を解決する本発明の送液方法及び装置は次のものである。
＜送液方法＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法。
【００２８】
＜送液装置＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送るための送液装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプである送液装置。
【００２９】
この送液装置によると、一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送ることができる。
【００３０】
（２）液体混合方法及び液体混合装置
前記課題を解決する本発明の液体混合方法及び装置は次のものである。
＜液体混合方法＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設けるとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合（混合による希釈も含む）する液体混合方法。
【００３１】
＜液体混合装置＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられているとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路が設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプである液体混合装置。
【００３２】
この液体混合装置によると、一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合（混合による希釈も含む）することができる。
【００３３】
本発明に係る送液方法及び装置、液体混合方法及び装置では、扱う２種以上の液体のそれぞれについて複数のマイクロポンプを採用してもよい。その場合、各液について、所定の送液割合や混合割合に応じて、該液用の複数のマイクロポンプの全部又は一部を運転することで、該２種以上の液体を所定の割合で送ったり、送って混合したりすることになる。
【００３４】
本発明に係る送液方法及び装置、液体混合方法及び装置によると、送液のための複数のマイクロポンプとして、ポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のもの（例えば同構造、同サイズであることで同性能であるもの）を採用するので、送液対象或いは送液混合対象である２種以上の液体の送液割合を、運転するポンプの数を選択することで容易に調整して、該２種以上の液体を安定して所定の送液割合で送液或いは送液混合することができる。例えば、ポンプ下流側において液体の状態の変化（例えば流れに対する抵抗変化、例えば混合することや温度変化により液体の粘度が変動することなどに起因する抵抗変化など）が生じるようなことがあっても、安定して所定の送液割合で送液或いは送液混合することができる。
【００３５】
また、運転するマイクロポンプの数を変更することで、容易に送液割合或いは送液混合割合を変更することも可能である。
さらに、全体として複数のマイクロポンプが採用されているにも拘らず，それらポンプは同性能のものであるから、ポンプの駆動回路の簡略化も可能である。
【００３６】
本発明に係る送液装置，液体混合装置では、送液ポンプとしてマイクロポンプを用いるので、それだけ装置をコンパクト化、小型化することが可能である。
かかるマイクロポンプの代表例として、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプを挙げることができる。
【００３７】
このタイプのマイクロポンプはアクチュエータに圧電素子を採用しており、液体流路については例えばフィルムや板状体のエッチング処理等により溝や凹所を形成する等し、このフィルムや板状体に第２のフィルムや板状体を貼り合わせて形成できるので、全体としてコンパクトに薄型、小形に形成することが可能であり、ひいては送液装置や液体混合装置のコンパクト化、薄型化、小形化を可能にする。
【００３８】
いずれにしても、かかる圧電素子利用のマイクロポンプの駆動は交番電圧を該圧電素子に印加するポンプ駆動部を用いて行えばよいが、該交番電圧の周波数として２０ｋＨｚ以上の周波数を採用すれば、ポンプ駆動音が人間には聞こえなくなり、送液装置や液体混合装置の運転を騒音による不快感なく行える。
いずれにしても、本発明に係る液体混合方法及び装置では、前記の混合流路として、混合対象液体の所定の混合を確実化するために蛇行流路とし、混合能を向上させてもよい。
【００３９】
（３）液体燃料装置
前記課題を解決する液体燃料装置は次のものである。
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料と希釈用液を所定の送液割合で供給して混合することで該液体燃料を希釈し、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、該燃料電池に第１ポンプユニットが積層されており、該第１ポンプユニットは、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを有しており、且つ、該液体燃料及び希釈用液のうち少なくとも一方に対しては複数個の送液用マイクロポンプを有しているとともに、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を有しており、該混合流路から希釈液体燃料を前記燃料電池へ供給するものであり、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプである燃料電池装置。
【００４０】
この燃料電池装置によると、第１ポンプユニットにおける一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた液については該２以上のマイクロポンプのうちから、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、液体燃料及び希釈用液を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流、混合させることで希釈液体燃料を得、これを燃料電池に供給して発電することができる。
【００４１】
この燃料電池装置においても、液体燃料と希釈用液のそれぞれについて複数のマイクロポンプを採用してもよい。その場合、各液について、所定の送液混合希釈割合に応じて、該液用の複数のマイクロポンプの全部又は一部を運転することで、該２種以上の液体を所定の割合で送って混合希釈することになる。
【００４２】
本発明に係る燃料電池装置によると、第１マイクロポンプユニットにおける送液のための複数のマイクロポンプは、ポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のもの（例えば同構造、同サイズであることで同性能であるもの）であるので、液体燃料及び希釈用液の送液割合を、運転するポンプの数を選択することで容易に調整して、両液体を安定して精度よく所定の送液割合で送液混合し、液体燃料を所定濃度に希釈することができ、それだけ発電性能及び効率を良好ならしめることができる。
【００４３】
また、本発明に係る燃料電池装置では、送液ポンプとしてマイクロポンプを採用したポンプユニットであって液体燃料を希釈用液で希釈して燃料電池に供給できる第１マイクロポンプユニットが燃料電池に積層され、一体化されている。従って、液体燃料と希釈用液とを混合するためのミキシング機構を燃料電池外に離して設ける必要がないとともに該燃料電池とミキシング機構とを接続する配管も必要としない。よって、それだけ燃料電池装置全体をコンパクトに、小型に形成することができ、例えば携帯機器の電源としても利用できる。
【００４４】
第１ポンプユニットにおける前記混合流路は液体燃料と希釈用液との十分な混合のために蛇行させてもよい。
この燃料電池装置は、燃料電池の第１ポンプユニットを積層した面とは反対側の面に第２ポンプユニットを積層してもよい。この場合、第２ポンプユニットは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ものである。燃料電池の燃料極側から電解質層を通過して空気極側へ出てくる液体があるときは、その液体も回収できるものでもよい。
かかる第２ポンプユニットも燃料電池に積層され、燃料電池と一体化されるから、これを設けても燃料電池装置の小形化の妨げにはならない。
【００４５】
可能であるならば、燃料電池における電気化学反応により生成される液体或いはさらに燃料電池の燃料極側から電解質層を通過して空気極側へ出てくる液体も前記の希釈用液として用いてもよい。この場合、第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として前記燃料電池、第１ポンプユニット及び第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して第１ポンプユニットへ供給するものとしてもよい。
【００４６】
或いは、第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として回収容器へ送るものとし、該回収容器から前記第１ポンプユニットへ希釈用液を供給するようにしてもよい。
また、回収容器を設ける場合、前記第１ポンプユニットは、過剰の希釈液体燃料を該回収容器へ送るものでもよい。
【００４７】
なお、希釈前の液体燃料については、液体燃料収容容器を設け、該容器から第１ポンプユニットへ液体燃料を供給すればよい。かかる液体燃料収容容器としては、代表例として、交換可能な容器、例えばカートリッジタイプの容器を挙げることができる。
【００４８】
液通路の配置をできるだけ簡素化して燃料電池装置の一層の小形化を達成するために、 第１ポンプユニットは燃料電池に、その燃料極に隣り合わせて積層することが好ましい。この場合において、前記第２ポンプユニットも設ける場合には、第２ポンプユニットは燃料電池に、その空気極に隣り合わせて積層すればよい。
燃料電池の構造等によっては、必要に応じ、第１ポンプユニットの燃料極に対向する面に該燃料極に電気的に導通された電極膜が形成されていてもよい。第２ポンプユニットについても、空気極に対向する面に該空気極に電気的に導通された電極膜が形成されていてもよい。
【００４９】
いずれにしても、燃料電池装置の一層の小形化のために、燃料電池及び第１ポンプユニットはいずれも、また、第２ポンプユニットを設ける場合はそれも、平坦形状に形成されていることが好ましい。これにより、本発明に係る燃料電池装置を、アクティブ型装置でありながら、パッシブ型装置と略同等のサイズに形成することも可能である。
【００５０】
いずれにしても、第１ポンプユニットを燃料電池の燃料極に隣り合わせて積層する場合、該第１ポンプユニットとして次のものを代表例として挙げることができる。すなわち、燃料極に対向する面に前記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、該燃料極に対向する面とは反対側部分に液体燃料を供給する前記送液用マイクロポンプを含む液体燃料供給路、希釈用液を供給する前記送液用マイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体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前記混合流路を有するポンプユニットである。さらに、該燃料極で発生するガスを前記希釈液体燃料通路を介して放出するためのガス抜き孔を有していてもよい。
【００５１】
この第１ポンプユニットは、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いることで、従来の燃料電池装置における燃料極側のセパレータとしても機能する。
かかる希釈液体燃料通路を有する燃料極に対向する面には導電性膜を形成して該膜を電極として使用してもよい。
この第１ポンプユニットは、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。
【００５２】
また、第２ポンプユニットを燃料電池の空気極に隣り合わせて積層する場合、該第２ポンプユニットとして次のものを代表例として挙げることができる。すなわち、空気極に対向する面に回収すべき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を回収する液回収用マイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているポンプユニットである。さらに、空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有していてもよい。
【００５３】
この第２ポンプユニットは、空気極に対向する面に液体の通路を有していることで、従来の燃料電池装置における空気極側のセパレータとしても機能する。
かかる液体通路を有する空気極に対向する面には導電性膜を形成して該膜を電極として使用してもよい。
この第２ポンプユニットも、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。
【００５４】
いずれにしても、本発明に係る燃料電池装置においても、前記各マイクロポンプは、代表例として、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の、ダイアフラムとして機能し得る可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプを挙げることができる。
【００５５】
かかる圧電素子利用のマイクロポンプの駆動は交番電圧を該圧電素子に印加するポンプ駆動部を用いて行えばよいが、該交番電圧の周波数として２０ｋＨｚ以上の周波数を採用すれば、ポンプ駆動音が人間には聞こえなくなり、燃料電池装置を携帯電話器等へ搭載してもその使用者に不快感を与えない。
【００５６】
前記燃料電池の代表例として、既述のとおり、(1) 構造が簡単、(2) 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から、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)を挙げることができる。
【００５７】
かかるＤＭＦＣを採用する場合、前記液体燃料はメタノール含有液体燃料（例えば高濃度メタノール水溶液）であり、前記希釈用液は水を含む液である。ＤＭＦＣの空気極において生成される水或いはさらに燃料極側からの移動液は希釈用液として利用できる。
また、かかるＤＭＦＣを採用する場合、それは、燃料電池装置の小形化のために、平坦形状に薄型化が可能な所謂膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)構造のものとすることが好ましい。ＭＥＡは電解質膜を燃料極と空気極で挟んだ構造の燃料電池である。
【発明の効果】
【００５８】
以上説明したように本発明によると、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送る送液方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で送ることができる送液方法及び装置を提供することができる。
また、かかる送液装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる送液装置を提供することができる。
【００５９】
また本発明によると、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送って混合する液体混合方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で混合することができる液体混合方法及び装置を提供することができる。
また、かかる液体混合装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる液体混合装置を提供することができる。
【００６０】
さらに、本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、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であって、液体燃料の希釈用液による希釈を安定して精度よく行うことができ、それだけ発電性能及び効率が良好であり、しかも全体をコンパクトに小形に形成できる燃料電池装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る送液方法を実施できる送液装置の１例を利用した液体混合装置の１例を示している。液体混合装置は本発明に係る液体混合方法を実施できる。
図１に示す液体混合装置１００は、複数のマイクロポンプＰ１、Ｐ２〜Ｐ６、Ｐ７〜Ｐ１１を含んでいる。各ポンプは、後ほど図９を参照して詳述する、同構造、同サイズ、同動作を示す同性能のポンプである。
【００６２】
ポンプＰ１に対して第１液体の供給口１１が設けられており、供給口１１は流路１２を介してポンプＰ１の液体吸引側に連通している。ポンプＰ１の液体吐出側には流路１３が連通している。
【００６３】
ポンプＰ２〜Ｐ６、Ｐ７〜Ｐ１１に対して第２液体の供給口１４が設けられている。供給口１４は流路１５及び流路１５から分岐した流路１５１を介してポンプＰ２〜Ｐ６のそれぞれの液体吸引側に連通しているとともに、流路１６及び流路１６から分岐した流路１６１を介してポンプＰ７〜Ｐ１１のそれぞれの液体吸引側に連通している。
【００６４】
ポンプＰ２〜Ｐ６のそれぞれの液体吐出側には流路１７１が連通しており、これら流路１７１は流路１７に合流している。ポンプＰ７〜Ｐ１１のそれぞれの液体吐出側には流路１８１が連通しており、これら流路１８１は流路１８に合流している。
【００６５】
ポンプＰ１に連通している流路１３、ポンプＰ２〜Ｐ６に連通している流路１７及びポンプＰ７〜Ｐ１１に連通している流路１８は合流部１９で合流して混合流路２０へ続いている。混合流路２０の端には吐出口２１を設けてある。吐出口２１は第１液体と第２液体が混合された混合液体を吐出するものである。
【００６６】
流路１３、１７及び１８の合流部１９より上流側の部分は送液装置を構成する部分であり、これに混合流路２０をつなぐことで液体混合装置１００が形成されている。
各ポンプの詳細については後述する。
【００６７】
この液体混合装置１００によると、第１液は供給口１１から供給し、マイクロポンプＰ１を動作させることで流路１３から混合流路２０へ向け送液できる。第２液は供給口１４から供給し、第２液用の１０個のマイクロポンプＰ２〜Ｐ１１のうちから選んだ数のポンプを動作させることで流路１７及び（又は）流路１８から混合流路２０へ向け送液できる。
【００６８】
このとき、各ポンプは同じ性能のポンプであり、各ポンプの送液量はいずれも同じであるから、ポンプ１を動作させつつ、ポンプＰ２〜Ｐ１１のうちいずれか一つのポンプを動作させれば、第１液体と第２液体の送液、混合割合は１：１となる。ポンプＰ２〜Ｐ１１の例えば４個のポンプを動作させれば、第１液体と第２液体の送液、混合割合は１：４となる。
【００６９】
このようにこの液体混合装置１００によると、送液のための複数のマイクロポンプとしてポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のものを採用しているので、ポンプＰ１を運転するとともに、ポンプＰ２〜Ｐ１１の中から運転するポンプの数を、第１、第２の液体の所定の送液、混合割合に応じて選択決定し、その数のポンプを動作させることで、安定して該所定の割合で、送液し、混合流路２０で混合して、さらに言えば、主として混合流路の幅方向における拡散混合を利用して混合して吐出口２１から吐出することができる。例えば、ポンプ下流側において液体の状態の変化（例えば流れに対する抵抗変化、例えば混合することや温度変化により液体粘度が変動することなどに起因する抵抗変化など）が生じるようなことがあっても、両液を安定して所定の割合で送液、混合することができる。なお、ここで液体の「混合」には混合よる希釈も含まれる。
【００７０】
また、ポンプＰ２〜Ｐ１１について運転するポンプ数を変更することで、容易に送液、混合割合を変更することも可能である。さらに、全体として複数のマイクロポンプＰ１〜Ｐ１１が採用されているにも拘らず，それらポンプは同性能のものであるから、ポンプの駆動回路の簡略化も可能である。
【００７１】
マイクロポンプＰ１〜Ｐ１１のそれぞれは、図９に示す構造、動作を示すものである。 すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第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に設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。
【００７２】
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。
【００７３】
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。圧電素子ＰＺＴを駆動する交番電圧として図９（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。
【００７４】
図９（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。
【００７５】
図９（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。
【００７６】
よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＰ１〜Ｐ１１のそれぞれは、かかる構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。図１等において、ポンプＰ１〜Ｐ１１の圧電素子はＰＺＴで示してある。
【００７７】
なお、図９に示すマイクロポンプは、図９（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９（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９（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が、ここでは図９（Ｃ）の駆動波形を採用する。
【００７８】
図１に例示する装置１００における各ポンプは図示省略のポンプ駆動部から該ポンプの圧電素子に交番電圧を印加することで駆動できる。すなわち、第１液、第２液の送液、混合或いは混合希釈にあたっては、ポンプＰ１の圧電素子に印加する電圧の波形として図２（Ａ）に示すものを、ポンプＰ２〜Ｐ１１の圧電素子に印加する電圧の波形として図２（Ｂ）に示すものを採用し、図示省略のポンプ駆動部からポンプ圧電素子にこの駆動波形を印加する。図２（Ａ）、（Ｂ）の波形は図９（Ｃ）に示すタイプの波形であり、且つ、同じ波形である。このように液体混合装置１００では、いずれのマイクロポンプも同じ駆動波形で駆動できるので、図示省略のポンプ駆動部をそれだけ簡素化することができる。
【００７９】
以上説明したマイクロポンプはアクチュエータに圧電素子を採用しており、液体流路については、後ほど説明するように例えばフィルムや板状体のエッチング処理等により溝や凹所を形成し、この溝や凹所を形成したフィルムや板状体に第２のフィルムや板状体を貼り合わせて形成できるので、全体としてコンパクトに薄型、小形に形成することが可能であり、ひいては液体混合装置１００のコンパクト化、薄型化、小形化が可能である。
【００８０】
図３（Ａ）は以上説明した液体混合装置１００の変形例１００’を示している。この装置１００’は装置１００における混合流路２０を蛇行混合流路２００としたもので、それ以外の点は装置１００と同じであり、装置１００と同じ部品、部分には図１と同じ参照符号を付してある。
液体混合装置１００’では混合流路２００が長く、且つ、蛇行しているので、合流部１９から混合流路２００へ流入してくる第１、第２の液体を十分拡散混合することができる。
図３（Ｂ）は液体混合装置１００のもう一つの変形例１００ａを示している。この装置１００ａは、装置１００において第１液体についても複数のポンプＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１3 を設けたものである。これらポンプのそれぞれもポンプＰ２〜Ｐ１１と同性能のポンプである。この装置１００ａでは第１液体についても、第１、第２の液体の所望の送液、混合割合に応じて、複数のポンプＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１3 のうち１又は２以上を選択運転することができる。
【００８１】
図１の装置１００のように混合流路を短くしても第１液、第２液の混合を行えるようにするために、第１液用のポンプＰ１については、図４（Ａ）に示す間欠駆動波形により間欠的に駆動するとともに、ポンプＰ２〜Ｐ１１のうち選ばれた数のポンプ（動作させるポンプ）については、図４（Ｂ）に示す間欠駆動波形で間欠的に、且つ、ポンプＰ１が動作中は動作停止するように間欠的に駆動することで、混合流路２０へ第１液と第２液を交互に流入させ、これにより、第１、第２の液を混合流路２０中で拡散混合させるようにしてもよい。この場合、流路２０における両液の混合は主として流路の方向における両液の拡散によりなされ、且つ、拡散距離が短くなる。拡散距離が短くなるので混合流路２０は短いもので済む。
【００８２】
また、この場合、ポンプＰ１が動作し、他のポンプが停止している時に、他のポンプ側へ第１液が逆流したり、ポンプＰ１が停止し、他のポンプが動作している時にポンプＰ１側へ第２液が逆流したりすることを抑制するために、ポンプＰ１については図５（Ａ）に示す駆動波形、他のポンプについては図５（Ｂ）に示す駆動波形、すなわち、図４の駆動波形において、本来の駆動波形印加時でないときに本来の駆動波形の電圧値よりずっと低い電圧値を示す駆動波形で動作させて液の逆流を阻止するようにしてもよい。
【００８３】
図１の混合装置１００においては、図２の駆動波形や、図４或いは図５の駆動波形でポンプを駆動する場合、混合液吐出口２１からの液吐出量を増大させようとすると、図２の駆動波形では液流速が速くなり、図４や図５の駆動波形では混合流路へ間欠的に送り込まれる液塊一つあたりの大きさ（量）が大きくなりすぎ、いずれも２液は所定状態に混合される前に吐出口２１に到達してしまう恐れがある。
【００８４】
混合液、あるいは混合希釈液をある程度の流量で欲するときに、このような恐れがあるときは、例えば、図６に示すように、図１に示すタイプの液体混合装置１００（液体混合ブロック）を複数個採用した液体混合装置１００”としてもよい。装置１００”では、個々のブロック１００における流路１５、１６に共通の流路１４１が連通しており、該流路１４１の端に第２液の供給口１４２を設けてある。
【００８５】
装置１００”では複数のブロックを採用することで、図２の駆動波形を採用するときには液体流速を遅くして所望量の混合液、あるいは混合希釈液を得ることができ、図４や図５の駆動波形を採用するときは、混合流路へ間欠的に送り込まれる液塊一つあたりの大きさを小さくして所望量の混合液、あるいは混合希釈液を得ることができる。
【００８６】
また、装置１００”においては個々のポンプの送液量は少なくてもよい、換言すれば個々のポンプを小さくすることができる。従って、ポンプの最適駆動周波数が高くなり、例えば２０ｋＨＺ以上の駆動周波数を採用することも可能になり、２０ｋＨＺ以上の駆動周波数では人間の耳には聞こえなくなり、人に不快感を与えなくて済む。
【００８７】
次に、図７及び図８を参照して図６の液体混合装置１００”を利用した燃料電池装置の１例について説明する。
図７（Ａ）は燃料電池装置Ｃ１の平面図、図７（Ｂ）は該装置の側面図、図７（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図８（Ａ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【００８８】
図示の燃料電池装置Ｃ１は、メタノール含有液（代表的には高濃度メタノール水溶液を希釈用液で希釈して希釈液体燃料として用いる装置であり、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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
かかる電極層は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。
【００９１】
第１ポンプユニット１は、平坦な四角形状の部材１１Ａ、１２Ａ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１１Ａは、図７（Ａ）及び図８（Ａ）に示すように、部材１２Ａに対向する面に、図６に示す液体混合装置１００”を形成するための、溝状の液体流路１２、１３、１５、１６、１７、１８、２０等（図１、図６も参照）を有しており、さらに各ブロック（液体混合装置ブロック）１００の流路１５、１６に対し連通する流路１４１等を有している。部材１１Ａの流路を形成した側の面に部材１２Ａが積層されることで、液体混合装置１００”が形成されている。
【００９２】
この場合の液体混合装置１００”における各ブロック１００のマイクロポンプＰ１を含む流路１２、１３は液体燃料供給路である。流路１２の上流側端から部材１１Ａを貫通する孔１１が形成されており、これが図６の液体混合装置における第１液体供給口１１に相当し、液体燃料供給口１１として用いられる。供給口１１には図示省略の液体燃料収容容器が接続され、該容器からメタノール含有液が供給される。
【００９３】
また、各ブロック１００のマイクロポンプＰ２〜Ｐ１１を含む他の流路１５、１６、１７、１８等、さらに流路１４１は希釈用液（ここでは水）を供給する希釈用液供給路である。流路１４１は凹所状部分１４２に連通しており、該部分１４２は図６の装置１００”における第２液体供給口１４２に相当し、希釈用液供給口１４２として用いられる。供給口１４２にはさらに溝状の流路１４３が連通形成され、流路１４３の端には凹所状の希釈用液受入部１４４が形成されている。
【００９４】
各ブロック１００の流路２０は液体燃料と希釈用液との混合のための混合流路２０として用いられる。流路２０の端には部材貫通孔２１が形成されており、これは図６の装置１００”における混合液吐出口２１に相当し、希釈液体燃料吐出口２１として用いられる。
【００９５】
部材１２Ａは、図８（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櫛状配列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を有している。通路１２２から部材１１Ａ側へ貫通孔１２３が形成されている。貫通孔１２３は部材１１Ａの希釈液体燃料吐出口２１に合致する位置に設けてあり、ここから通路１２２、１２１へ希釈液体燃料が流入し、燃料極３２に供給される。
【００９６】
また、各通路１２１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。さらに、部材１２Ａの端部には、貫通孔１２５が形成されている。貫通孔１２５は部材１１Ａにおける希釈用液受入部１４４に合致する位置に設けてある。なお、電池３には部材１２Ａの貫通孔１２５に合致する液通路３４を形成してある（図７（Ｂ）参照）。
【００９７】
以上のほか、部材１１Ａ、１２Ａ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、例えば希釈液体燃料通路１２１（図８（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。
【００９８】
第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１Ａ、２２Ａ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２１Ａは、図８（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）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２２Ａ側へ貫通孔２１３が形成されている。また、各通路２１１を部材外部と連通させる溝状の空気取り入り孔２１４が形成されている。部材２１Ａの端部には貫通孔２１５が形成されおり、該孔は電池３の液体通路３４に合致する位置にある。
【００９９】
部材２２Ａは、図７（Ｃ）及び図８（Ｄ）に示すように、部材２１Ａに対向する面に、前記ポンプＰ１等と同構造、動作を示すマイクロポンプＰＸ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）或いはさらに燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ来ることがある液体を回収するものである。液体回収路２２１のポンプＰＸ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、ポンプＰ３より下流側の端には凹所状の液体排出部２２３が形成されている。
【０１００】
電池の空気極３３側で生成された水或いはさらに燃料極３２側からの移動液は、ポンプＰＸの運転により、部材２１Ａの液体通路２１１、２１２から部材２１Ａの貫通孔２１３を通って部材２２Ａの液体受入部２２２へ流入し、部材２２Ａの液体回収路２２１から液体排出部２２３を経て、部材２１Ａの貫通孔２１５、電池の液体通路３４、第１ポンプユニット１における部材１２Ａの貫通孔１２５、部材１１Ａの液体受入部１４４、流路１４３を経て希釈用液供給口１４２へ送られる。かくして、第１ポンプユニット１のブロック１００におけるポンプＰ２〜Ｐ１１のうち少なくとも一つを運転することで希釈用液を混合流路２０へ供給することができる。
【０１０１】
以上のほか、部材２１Ａ、２２Ａには、図８（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、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、例えば液体通路２１１（図８（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。
【０１０２】
以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると次のように発電させることができる。
第１ポンプユニット１に図示省略の液体燃料収容容器から液体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図示省略のポンプ駆動部により各ブロック１００のポンプＰ１を駆動して混合流路２０へメタノール含有液を供給する。
【０１０３】
さらに、各ブロック１００において、ポンプＰ２〜Ｐ１１のうちから選んだ個数のポンプを駆動して希釈用液を混合流路２０へ供給する。これらにより各ブロック１００から希釈液で希釈された希釈メタノール含有液を電池３の燃料極３２へ供給する。
ポンプＰ２〜Ｐ１１のうち運転するポンプ数はメタノール含有液の所定の希釈割合、従ってメタノール含有液と希釈液との所定の送液割合が得られるように決定する。
【０１０４】
かくして燃料電池３では、
ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ の反応が生じ、発電するので、電池３に接続した図示省略の負荷に通電することができる。
【０１０５】
この燃料電池装置Ｃ１の使用開始当初、電池３に供給されるのは図示省略の液体燃料収容容器から供給された液体燃料（メタノール含有液）と例えば予めポンプＰ２〜Ｐ１１内に充填されている希釈用液であるが、その後、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水等が第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１へ供給され始め、第１ポンプユニット１は、容器４から供給されるメタノール含有液を第２ポンプユニット２から供給されてくる希釈用液で混合希釈し、希釈液体燃料として燃料電池３に供給でき、これにより容器４に収容された原燃料をもって長時間発電させることができる。なお、ポンプＰ２〜Ｐ１１への予めの希釈液の充填は、例えばポンプＰ２〜Ｐ１１へ通じる希釈液流路に連通する希釈液の供給口（図示省略）を設けておいて該供給口から水等希釈液を供給することで行うことができ、かかる供給口はその後閉じておけばよい。
【０１０６】
以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると、第１マイクロポンプユニット１における送液のための複数のマイクロポンプＰ１〜Ｐ１１は、ポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のものであるので、液体燃料及び希釈用液の送液割合を、運転するポンプの数を選択することで容易に調整して、両液体を安定して精度よく所定の送液割合で送液混合し、液体燃料を所定濃度に希釈することができ、それだけ発電性能及び効率を良好ならしめることができる。
【０１０７】
例えば液体燃料として６０％メタノール水溶液を用いる場合、各ブロック１０において該６０％メタノール水溶液用の１個のポンプＰ１に対し希釈液用の１０個のポンプＰ２〜Ｐ１１を全部駆動することで、メタノール濃度５〜６％程度の希釈燃料が得られる。
【０１０８】
また、希釈液用ポンプの駆動個数を制御することで、燃料極３２へ供給する燃料中のメタノール濃度を制御することが可能であり、これにより、燃料電池に接続される機器の動作負荷に応じた最適な燃料濃度制御も可能である。一般に、電池の特性を上げるためになるべく濃度の濃い燃料を使用したいのだが、電池に対する負荷が小さい場合、濃度が高いとアノード側で反応しきれなかったメタノールがカソード側に移動してしまうクロスオーバーという現象のため電池の特性が落ちてしまう。そこで、負荷が大きい時は濃度を濃く、負荷が小さい時は濃度を薄くすることが有効である。
【０１０９】
また、燃料電池装置Ｃ１は、このあと説明するマイクロポンプ等の製法例から分かるように、全体をコンパクトに平坦形状に薄型に形成することができ、例えばカード状に形成することも可能であり、携帯機器等の電源として適するものである。各ポンプの駆動を周波数２０ｋＨｚ以上の交番電圧印加により行えば、例えば携帯電話器等に搭載しても、ポンプ駆動音が人には聞こえず、電話器使用者に不快感を与えることがない。
【０１１０】
なお、燃料電池装置Ｃ１のマイクロポンプユニット１では、希釈用液を最初一つの供給口１４２から流路１４１によって分岐して供給するようにしているが、各ブロック毎に供給口を設け各ブロック毎に希釈液を空気極側から循環させるようにしてもよい。
また、空気極側で生成された水等は図示省略の回収容器に回収し、該回収容器から希釈液を各ブロック１００に供給するようにしてもよい。さらに、燃料極３２へ供給される希釈液体燃料のうち過剰のものを該回収容器へ回収するようにしてもよい。
【０１１１】
＜送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニットの製造＞
以下に、マイクロポンプを含む送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニットの製造の幾つかの例を挙げておく。
（１）Ｓｉ基板とガラス板で構成する場合
Ｓｉ基板上に流路溝を異方性エッチングにより加工し、このＳｉ基板に平板のガラスを陽極接合して液通路を形成する。駆動用の圧電素子はＳｉ基板におけるダイアフラム部分に接合する。
この方法によると、ヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
（２）樹脂とガラス板で構成する場合
流路溝を樹脂の射出形成、インプリント等により形成し、この樹脂板に薄板ガラスを接着剤により貼り付けて液通路形成する。駆動用圧電素子をガラス板のダイアフラム部分に貼り付ける。
この方法によると安価にポンプユニットを形成できる。
（３）ガラスで構成する場合
感光性ガラスのフォトリソ加工、ガラスのサンドブラスト加工、ガラス成型、ガラス板のレーザ加工等の方法により流路溝を形成し、流路溝を形成した第１のガラス板に、第２の平板ガラスを直接接合する。或いは第１、第２のガラスの接合面の両方または一方に低融点ガラス膜をスパッタ法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは第１、第２のガラスの一方にＳｉ膜をスパッタ法等により形成して陽極接合する。これらのいずれかの操作により、液流路等を形成し、接合した両ガラスのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によっても安価にポンプユニットを形成できる。
（４）セラミックで構成する場合
グリーンシートの成型、サンドブラスト加工、レーザ加工等の方法で流路溝を形成し、このグリーンシートに、一方または双方が成形されたグリーンシートを位置決めして貼り合せ、加圧しながら焼成することで一体化を行う。或いは同様に成形されたグリーンシートを焼成してセラミック板とし、一方に低融点ガラス膜をスパッタ法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは同様に成形・焼成されたセラミック板の一方にガラスをもう一方にＳｉを成膜することで陽極接合する。これらのいずれかの操作により、液流路等を形成し、接合した両セラミックのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によるとヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
【０１１２】
上記のほか、液体や気体が流通できる溝が形成された電鋳品、カーボンの成形品、ステンレススチール板をエッチング加工したもの等も利用できる。
なお、上記（１）〜（４）のいずれの製法を採用するにしても、必要に応じガス抜き孔や空気取り入れ孔も同時に形成する。ガス流通部ＤＧについては可能であれば同時に形成してもよいし、後で形成してもよい。
【０１１３】
次に、液体混合装置の製法の具体例を説明するが、説明を簡略化し、理解を容易にするため、送液装置、液体混合装置として機能する図１０に示すマイクロチップＭＴを例にとって説明する。図１０（Ａ）はマイクロチップＭＴの平面図、図１０（Ｂ）は該チップの側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【０１１４】
図１０に示すチップＭＴでは第１液用ポンプ、第２液用ポンプは本発明と異なり１個ずつであるが、本発明に係る送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニットは、ポンプの数、液流路の数、配置等がチップＭＴと異なるだけであり、チップＭＴと同様にして、コンパクトに、平坦形状薄型に、小形に形成できる。
【０１１５】
図１０の液体混合装置ＭＴは、マイクロチップ形のもので、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。
【０１１６】
流路Ｌ１〜Ｌ４は例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。マイクロチップ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。
ポンプＰａ、Ｐｂは図９に示す構造、動作を示すもので、このチップ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。
【０１１７】
このマイクロチップＭＴの製造工程について図１１を参照しながら説明する。図１１は図１０（Ｃ）のα−α線に沿う切断端面の部分の製法を代表的に示している。
図１１（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１１（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１１（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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
次に、図１１（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１１（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１１（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。
【０１２０】
次に、図１１（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１１（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１１（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。
以上説明した製法に準ずる製法により、本発明に係る送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニット等における多数のマイクロポンプや液流路をバラツキ少なく、均一な性能のものに製作できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明の送液方法及び装置、液体混合方法及び装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明に係る送液方法を実施できる送液装置の１例を利用した液体混合装置の１例を示す図である。
【図２】図１に示す液体混合装置におけるマイクロポンプの駆動波形の１例を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は図１に示す液体混合装置の変形例を示す図であり、図３（Ｂ）は図１に示す液体混合装置の他の変形例を示す図である。
【図４】マイクロポンプの駆動波形の他の例を示す図である。
【図５】マイクロポンプの駆動波形のさらに他の例を示す図である。
【図６】液体混合装置のさらに他の例を示す図である。
【図７】図６の液体混合装置を利用した燃料電池装置の１例を示すもので、図７（Ａ）はその平面図、図７（Ｂ）はその側面図、図７（Ｃ）はその底面図である。
【図８】図８（Ａ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図９】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９（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図９（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図９（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９（Ｄ）は図９（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図９（Ｅ）は図９（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図９（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１０】液体混合装置等の製法例を説明するための参考的なマイクロチップを示すもので、図１０（Ａ）はその平面図、図（Ｂ）はその側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】マイクロチップの製造工程例を示す図である。
【図１２】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】
【０１２３】
１００、１００’、１００ａ 液体混合装置
Ｐ１〜Ｐ１１ マイクロポンプ ｆ１ 液体吸引用第１絞り流路 ｆ２ 液体吐出用第２絞り流路 ＰＣ ポンプ室 ＤＦ ポンプ室の可撓性壁（ダイアフラム） ＰＺＴ 圧電素子 １１ 第１液体供給口 １２、１３ 第１液体の流路 １４ 第２液体供給口 １５、１５１、１６、１６１、 １７、１７１、１８、１８１ 第２液体の流路 １９ 合流部 ２０、２００ 混合流路 ２１ 混合液吐出口 １００” 液体混合装置 １４１ 液体流路 １４２ 第２液体の供給口 Ｃ１ 燃料電池装置
１ 第１ポンプユニット
１１Ａ、１２Ａ ポンプユニット部材
１４３ 流路
１４４ 希釈用液受入部
１２１、１２２ 希釈液体燃料通路
１２３ 貫通孔
１２４ ガス抜き孔
１２５ 貫通孔
ＧＤ ガス流通部
２ 第２ポンプユニット
２１Ａ、２２Ａ ポンプユニット部材
２１１、２１２ 液体（水）の通路
２１３ 貫通孔
２１４ 空気取り入り孔
２１５ 貫通孔
ＰＸ マイクロポンプ
２２１ 液体回収路
２２２ 液体受入れ部
２２３ 液体排出部
３燃料電池
３１ 電解質膜
３２ 燃料極
３３ 空気極
３４ 液通路
ＭＴ マイクロチップ
Ｐａ、Ｐｂ マイクロポンプ
ＰＺＴａ、ＰＺＴｂ 圧電素子
Ｌ１、Ｌ２ 液体供給路
Ｌ３ 合流部
Ｌ４ 混合流路
Ｌｉ１、Ｌｉ２ 液体供給口
Ｌｏ 液体出口
ＳｉＳ シリコン基板
Ｃ 燃料電池
Ｌ 負荷
ｔ１ 燃料タンク
ｔ２ 回収タンク
ＭＸ ミキサー（混合タンク）
ＰＭ１〜ＰＭ３ ポンプ
ＣＯＮＴ コントローラ
ＤＳ 濃度検出センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は２種以上の液体を所定の送液割合で送るための送液方法及び送液装置に関し、さらに、該送液方法、送液装置を利用した液体混合方法、液体混合装置及び燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、マイクロポンプや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、両者を何らかのインターフェースで接続する必要があるが、その接続時に気泡が混入する等の問題が発生する。また、該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り、マイクロ流体システムの利点が生かせない。
【０００４】
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、圧電素子駆動型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。
【０００５】
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。
【０００６】
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 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。
【０００７】
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。
【０００８】
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
【０００９】
この反応式によればメタノールと水は等モルで反応し、ＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。ところ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。
【００１０】
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を回収してこの生成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。
【００１１】
発明者の考えによれば、１例として図１２の発電システムを示すことができる。図１２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燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収する。
【００１２】
燃料極へ供給する燃料中のメタノール濃度を適正化するために、ミキサーＭＸから電池へ向かう燃料のメタノール濃度を濃度検出センサＤＳで検出し、この検出値に基づいてコントローラＣＯＮＴがポンプＰＭ１、ＰＭ２の動作をコントロールするようにし、これによりミキサーへ供給する高濃度メタノール水溶液の量と希釈用液の量の割合を調整することも可能である。
【００１３】
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。
【００１４】
この他、例えば、特開２００３−１３２９２４号公報には、メタノールタンクから、このタンクに付設されたバルブの操作により高濃度メタノール水溶液を希釈タンクへ供給する一方、燃料電池本体の空気極で生成された水を該希釈タンクへ回収し、該希釈タンクにおいてメタノールタンクからのメタノール水溶液を回収水で希釈し、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ことが開示されている。
【００１５】
さらに、該希釈タンクにおけるメタノール水溶液のメタノール濃度を検出し、その検出結果に基づいて前記バルブの開き量を調整することでメタノールタンクから希釈タンクへ供給する高濃度メタノール水溶液量を調整することで、燃料極へ供給するメタノール水溶液のメタノール濃度を制御することも開示されている。
【００１６】
また、特開２００３−３４６８４６号公報には、電池本体の外部に設けた混合室へ、メタノールタンクからメタノール水溶液を、さらに電池本体から未使用メタノール溶液や副生成物をそれぞれ流入させるとともに該混合室内燃料を電池へ導くための回路を設け、電池本体の燃料導入室或いはそれに通じる液通路の容積をそれらに対して設けた圧電アクチュエータで増減させることで該回路に燃料を循環させることが開示されている。この燃料電池装置においても、メタノールタンクに高濃度メタノール水溶液を収容しておき、これを電池本体から混合室へ回収されてくる水で希釈し、該希釈メタノール水溶液を燃料として用いることが可能であると考えられる。
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、混合希釈が求められている。
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−３２２０９９号公報
【特許文献２】特開２００２−２１４２４１号公報
【特許文献３】特開２００３−２２０３２２号公報
【特許文献４】特開２００３−１３２９２４号公報
【特許文献５】特開２００３−３４６８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、前記特開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号公報や特開２００３−２２０３２２号公報に開示されている送液機構や液体混合機構においては、例えば２種類の液体を１：１或いはそれに近い割合で送液したり、混合したりする場合には実質上問題はないが、１：１から大きく離れた割合、例えば１：１０の割合で送液し、混合するような場合には、２液を精度よく１：１０の割合で送液し、混合するためにマイクロポンプの駆動用圧電素子に印加する駆動波形や該圧電素子の駆動方法を工夫する必要がある。
【００１９】
また、駆動波形等を変更しても流量が１対１０にならない場合はポンプの性能自体を１対１０になるように個々のポンプを設計する必要があるが、個々のポンプの性能を異ならせる場合には、外乱の影響（例えば下流側の液体の状態（抵抗等）の変化）により個々のポンプの特性の変化率も異なってきて、液体の混合（混合希釈を含む）の割合が安定しなくなる。
このような問題は、特開２００１−３２２０９９号公報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利用の送液機構や液体混合機構について発生する問題である。
【００２０】
また、燃料電池におけるメタノール水溶液と希釈液との混合希釈についてみると、図１２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、希釈液供給、液回収用と三つのポンプ、さらに、高濃度メタノール水溶液と回収液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。
【００２１】
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。
【００２２】
特開２００３−１３２９２４号公報や特開２００３−３４６８４６号公報に開示された燃料電池装置では、電池本体以外に高濃度メタノール水溶液と水とのミキシング機構（ミキシング用のタンク）を必要とし、それだけ装置が大型化する。
【００２３】
以上、燃料電池装置に関しては、直接メタノール形燃料電池が採用され、メタノール水溶液を水を含む希釈液で希釈して該希釈メタノール水溶液を該電池の燃料極へ供給するタイプの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該希釈液体燃料を該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）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った。
【００２４】
そこで本発明は、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送る送液方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で送ることができる送液方法及び装置を提供することを課題とする。
また本発明は、かかる送液装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる送液装置を提供することを課題とする。
【００２５】
また本発明は、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送って混合する液体混合方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で混合することができる液体混合方法及び装置を提供することを課題とする。
また本発明は、かかる液体混合装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる液体混合装置を提供することを課題とする。
【００２６】
さらに本発明は、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、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であって、液体燃料の希釈用液による希釈を安定して精度よく行うことができ、それだけ発電性能及び効率が良好であり、しかも全体をコンパクトに小形に形成できる燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
（１）送液方法及び送液装置
前記課題を解決する本発明の送液方法及び装置は次のものである。
＜送液方法＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法。
【００２８】
＜送液装置＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送るための送液装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプである送液装置。
【００２９】
この送液装置によると、一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送ることができる。
【００３０】
（２）液体混合方法及び液体混合装置
前記課題を解決する本発明の液体混合方法及び装置は次のものである。
＜液体混合方法＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設けるとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合（混合による希釈も含む）する液体混合方法。
【００３１】
＜液体混合装置＞
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられているとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路が設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプである液体混合装置。
【００３２】
この液体混合装置によると、一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合（混合による希釈も含む）することができる。
【００３３】
本発明に係る送液方法及び装置、液体混合方法及び装置では、扱う２種以上の液体のそれぞれについて複数のマイクロポンプを採用してもよい。その場合、各液について、所定の送液割合や混合割合に応じて、該液用の複数のマイクロポンプの全部又は一部を運転することで、該２種以上の液体を所定の割合で送ったり、送って混合したりすることになる。
【００３４】
本発明に係る送液方法及び装置、液体混合方法及び装置によると、送液のための複数のマイクロポンプとして、ポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のもの（例えば同構造、同サイズであることで同性能であるもの）を採用するので、送液対象或いは送液混合対象である２種以上の液体の送液割合を、運転するポンプの数を選択することで容易に調整して、該２種以上の液体を安定して所定の送液割合で送液或いは送液混合することができる。例えば、ポンプ下流側において液体の状態の変化（例えば流れに対する抵抗変化、例えば混合することや温度変化により液体の粘度が変動することなどに起因する抵抗変化など）が生じるようなことがあっても、安定して所定の送液割合で送液或いは送液混合することができる。
【００３５】
また、運転するマイクロポンプの数を変更することで、容易に送液割合或いは送液混合割合を変更することも可能である。
さらに、全体として複数のマイクロポンプが採用されているにも拘らず，それらポンプは同性能のものであるから、ポンプの駆動回路の簡略化も可能である。
【００３６】
本発明に係る送液装置，液体混合装置では、送液ポンプとしてマイクロポンプを用いるので、それだけ装置をコンパクト化、小型化することが可能である。
かかるマイクロポンプの代表例として、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプを挙げることができる。
【００３７】
このタイプのマイクロポンプはアクチュエータに圧電素子を採用しており、液体流路については例えばフィルムや板状体のエッチング処理等により溝や凹所を形成する等し、このフィルムや板状体に第２のフィルムや板状体を貼り合わせて形成できるので、全体としてコンパクトに薄型、小形に形成することが可能であり、ひいては送液装置や液体混合装置のコンパクト化、薄型化、小形化を可能にする。
【００３８】
いずれにしても、かかる圧電素子利用のマイクロポンプの駆動は交番電圧を該圧電素子に印加するポンプ駆動部を用いて行えばよいが、該交番電圧の周波数として２０ｋＨｚ以上の周波数を採用すれば、ポンプ駆動音が人間には聞こえなくなり、送液装置や液体混合装置の運転を騒音による不快感なく行える。
いずれにしても、本発明に係る液体混合方法及び装置では、前記の混合流路として、混合対象液体の所定の混合を確実化するために蛇行流路とし、混合能を向上させてもよい。
【００３９】
（３）液体燃料装置
前記課題を解決する液体燃料装置は次のものである。
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料と希釈用液を所定の送液割合で供給して混合することで該液体燃料を希釈し、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、該燃料電池に第１ポンプユニットが積層されており、該第１ポンプユニットは、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを有しており、且つ、該液体燃料及び希釈用液のうち少なくとも一方に対しては複数個の送液用マイクロポンプを有しているとともに、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を有しており、該混合流路から希釈液体燃料を前記燃料電池へ供給するものであり、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプである燃料電池装置。
【００４０】
この燃料電池装置によると、第１ポンプユニットにおける一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた液については該２以上のマイクロポンプのうちから、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、液体燃料及び希釈用液を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流、混合させることで希釈液体燃料を得、これを燃料電池に供給して発電することができる。
【００４１】
この燃料電池装置においても、液体燃料と希釈用液のそれぞれについて複数のマイクロポンプを採用してもよい。その場合、各液について、所定の送液混合希釈割合に応じて、該液用の複数のマイクロポンプの全部又は一部を運転することで、該２種以上の液体を所定の割合で送って混合希釈することになる。
【００４２】
本発明に係る燃料電池装置によると、第１マイクロポンプユニットにおける送液のための複数のマイクロポンプは、ポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のもの（例えば同構造、同サイズであることで同性能であるもの）であるので、液体燃料及び希釈用液の送液割合を、運転するポンプの数を選択することで容易に調整して、両液体を安定して精度よく所定の送液割合で送液混合し、液体燃料を所定濃度に希釈することができ、それだけ発電性能及び効率を良好ならしめることができる。
【００４３】
また、本発明に係る燃料電池装置では、送液ポンプとしてマイクロポンプを採用したポンプユニットであって液体燃料を希釈用液で希釈して燃料電池に供給できる第１マイクロポンプユニットが燃料電池に積層され、一体化されている。従って、液体燃料と希釈用液とを混合するためのミキシング機構を燃料電池外に離して設ける必要がないとともに該燃料電池とミキシング機構とを接続する配管も必要としない。よって、それだけ燃料電池装置全体をコンパクトに、小型に形成することができ、例えば携帯機器の電源としても利用できる。
【００４４】
第１ポンプユニットにおける前記混合流路は液体燃料と希釈用液との十分な混合のために蛇行させてもよい。
この燃料電池装置は、燃料電池の第１ポンプユニットを積層した面とは反対側の面に第２ポンプユニットを積層してもよい。この場合、第２ポンプユニットは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ものである。燃料電池の燃料極側から電解質層を通過して空気極側へ出てくる液体があるときは、その液体も回収できるものでもよい。
かかる第２ポンプユニットも燃料電池に積層され、燃料電池と一体化されるから、これを設けても燃料電池装置の小形化の妨げにはならない。
【００４５】
可能であるならば、燃料電池における電気化学反応により生成される液体或いはさらに燃料電池の燃料極側から電解質層を通過して空気極側へ出てくる液体も前記の希釈用液として用いてもよい。この場合、第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として前記燃料電池、第１ポンプユニット及び第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して第１ポンプユニットへ供給するものとしてもよい。
【００４６】
或いは、第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として回収容器へ送るものとし、該回収容器から前記第１ポンプユニットへ希釈用液を供給するようにしてもよい。
また、回収容器を設ける場合、前記第１ポンプユニットは、過剰の希釈液体燃料を該回収容器へ送るものでもよい。
【００４７】
なお、希釈前の液体燃料については、液体燃料収容容器を設け、該容器から第１ポンプユニットへ液体燃料を供給すればよい。かかる液体燃料収容容器としては、代表例として、交換可能な容器、例えばカートリッジタイプの容器を挙げることができる。
【００４８】
液通路の配置をできるだけ簡素化して燃料電池装置の一層の小形化を達成するために、 第１ポンプユニットは燃料電池に、その燃料極に隣り合わせて積層することが好ましい。この場合において、前記第２ポンプユニットも設ける場合には、第２ポンプユニットは燃料電池に、その空気極に隣り合わせて積層すればよい。
燃料電池の構造等によっては、必要に応じ、第１ポンプユニットの燃料極に対向する面に該燃料極に電気的に導通された電極膜が形成されていてもよい。第２ポンプユニットについても、空気極に対向する面に該空気極に電気的に導通された電極膜が形成されていてもよい。
【００４９】
いずれにしても、燃料電池装置の一層の小形化のために、燃料電池及び第１ポンプユニットはいずれも、また、第２ポンプユニットを設ける場合はそれも、平坦形状に形成されていることが好ましい。これにより、本発明に係る燃料電池装置を、アクティブ型装置でありながら、パッシブ型装置と略同等のサイズに形成することも可能である。
【００５０】
いずれにしても、第１ポンプユニットを燃料電池の燃料極に隣り合わせて積層する場合、該第１ポンプユニットとして次のものを代表例として挙げることができる。すなわち、燃料極に対向する面に前記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、該燃料極に対向する面とは反対側部分に液体燃料を供給する前記送液用マイクロポンプを含む液体燃料供給路、希釈用液を供給する前記送液用マイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体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前記混合流路を有するポンプユニットである。さらに、該燃料極で発生するガスを前記希釈液体燃料通路を介して放出するためのガス抜き孔を有していてもよい。
【００５１】
この第１ポンプユニットは、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いることで、従来の燃料電池装置における燃料極側のセパレータとしても機能する。
かかる希釈液体燃料通路を有する燃料極に対向する面には導電性膜を形成して該膜を電極として使用してもよい。
この第１ポンプユニットは、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。
【００５２】
また、第２ポンプユニットを燃料電池の空気極に隣り合わせて積層する場合、該第２ポンプユニットとして次のものを代表例として挙げることができる。すなわち、空気極に対向する面に回収すべき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を回収する液回収用マイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているポンプユニットである。さらに、空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有していてもよい。
【００５３】
この第２ポンプユニットは、空気極に対向する面に液体の通路を有していることで、従来の燃料電池装置における空気極側のセパレータとしても機能する。
かかる液体通路を有する空気極に対向する面には導電性膜を形成して該膜を電極として使用してもよい。
この第２ポンプユニットも、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。
【００５４】
いずれにしても、本発明に係る燃料電池装置においても、前記各マイクロポンプは、代表例として、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の、ダイアフラムとして機能し得る可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプを挙げることができる。
【００５５】
かかる圧電素子利用のマイクロポンプの駆動は交番電圧を該圧電素子に印加するポンプ駆動部を用いて行えばよいが、該交番電圧の周波数として２０ｋＨｚ以上の周波数を採用すれば、ポンプ駆動音が人間には聞こえなくなり、燃料電池装置を携帯電話器等へ搭載してもその使用者に不快感を与えない。
【００５６】
前記燃料電池の代表例として、既述のとおり、(1) 構造が簡単、(2) 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から、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)を挙げることができる。
【００５７】
かかるＤＭＦＣを採用する場合、前記液体燃料はメタノール含有液体燃料（例えば高濃度メタノール水溶液）であり、前記希釈用液は水を含む液である。ＤＭＦＣの空気極において生成される水或いはさらに燃料極側からの移動液は希釈用液として利用できる。
また、かかるＤＭＦＣを採用する場合、それは、燃料電池装置の小形化のために、平坦形状に薄型化が可能な所謂膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)構造のものとすることが好ましい。ＭＥＡは電解質膜を燃料極と空気極で挟んだ構造の燃料電池である。
【発明の効果】
【００５８】
以上説明したように本発明によると、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送る送液方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で送ることができる送液方法及び装置を提供することができる。
また、かかる送液装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる送液装置を提供することができる。
【００５９】
また本発明によると、マイクロポンプにより２種以上の液体を所定の割合で送って混合する液体混合方法及び装置であって、安定して該２種以上の液体を所定の割合で混合することができる液体混合方法及び装置を提供することができる。
また、かかる液体混合装置であって、全体をコンパクトに小形に形成できる液体混合装置を提供することができる。
【００６０】
さらに、本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、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であって、液体燃料の希釈用液による希釈を安定して精度よく行うことができ、それだけ発電性能及び効率が良好であり、しかも全体をコンパクトに小形に形成できる燃料電池装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る送液方法を実施できる送液装置の１例を利用した液体混合装置の１例を示している。液体混合装置は本発明に係る液体混合方法を実施できる。
図１に示す液体混合装置１００は、複数のマイクロポンプＰ１、Ｐ２〜Ｐ６、Ｐ７〜Ｐ１１を含んでいる。各ポンプは、後ほど図９を参照して詳述する、同構造、同サイズ、同動作を示す同性能のポンプである。
【００６２】
ポンプＰ１に対して第１液体の供給口１１が設けられており、供給口１１は流路１２を介してポンプＰ１の液体吸引側に連通している。ポンプＰ１の液体吐出側には流路１３が連通している。
【００６３】
ポンプＰ２〜Ｐ６、Ｐ７〜Ｐ１１に対して第２液体の供給口１４が設けられている。供給口１４は流路１５及び流路１５から分岐した流路１５１を介してポンプＰ２〜Ｐ６のそれぞれの液体吸引側に連通しているとともに、流路１６及び流路１６から分岐した流路１６１を介してポンプＰ７〜Ｐ１１のそれぞれの液体吸引側に連通している。
【００６４】
ポンプＰ２〜Ｐ６のそれぞれの液体吐出側には流路１７１が連通しており、これら流路１７１は流路１７に合流している。ポンプＰ７〜Ｐ１１のそれぞれの液体吐出側には流路１８１が連通しており、これら流路１８１は流路１８に合流している。
【００６５】
ポンプＰ１に連通している流路１３、ポンプＰ２〜Ｐ６に連通している流路１７及びポンプＰ７〜Ｐ１１に連通している流路１８は合流部１９で合流して混合流路２０へ続いている。混合流路２０の端には吐出口２１を設けてある。吐出口２１は第１液体と第２液体が混合された混合液体を吐出するものである。
【００６６】
流路１３、１７及び１８の合流部１９より上流側の部分は送液装置を構成する部分であり、これに混合流路２０をつなぐことで液体混合装置１００が形成されている。
各ポンプの詳細については後述する。
【００６７】
この液体混合装置１００によると、第１液は供給口１１から供給し、マイクロポンプＰ１を動作させることで流路１３から混合流路２０へ向け送液できる。第２液は供給口１４から供給し、第２液用の１０個のマイクロポンプＰ２〜Ｐ１１のうちから選んだ数のポンプを動作させることで流路１７及び（又は）流路１８から混合流路２０へ向け送液できる。
【００６８】
このとき、各ポンプは同じ性能のポンプであり、各ポンプの送液量はいずれも同じであるから、ポンプ１を動作させつつ、ポンプＰ２〜Ｐ１１のうちいずれか一つのポンプを動作させれば、第１液体と第２液体の送液、混合割合は１：１となる。ポンプＰ２〜Ｐ１１の例えば４個のポンプを動作させれば、第１液体と第２液体の送液、混合割合は１：４となる。
【００６９】
このようにこの液体混合装置１００によると、送液のための複数のマイクロポンプとしてポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のものを採用しているので、ポンプＰ１を運転するとともに、ポンプＰ２〜Ｐ１１の中から運転するポンプの数を、第１、第２の液体の所定の送液、混合割合に応じて選択決定し、その数のポンプを動作させることで、安定して該所定の割合で、送液し、混合流路２０で混合して、さらに言えば、主として混合流路の幅方向における拡散混合を利用して混合して吐出口２１から吐出することができる。例えば、ポンプ下流側において液体の状態の変化（例えば流れに対する抵抗変化、例えば混合することや温度変化により液体粘度が変動することなどに起因する抵抗変化など）が生じるようなことがあっても、両液を安定して所定の割合で送液、混合することができる。なお、ここで液体の「混合」には混合よる希釈も含まれる。
【００７０】
また、ポンプＰ２〜Ｐ１１について運転するポンプ数を変更することで、容易に送液、混合割合を変更することも可能である。さらに、全体として複数のマイクロポンプＰ１〜Ｐ１１が採用されているにも拘らず，それらポンプは同性能のものであるから、ポンプの駆動回路の簡略化も可能である。
【００７１】
マイクロポンプＰ１〜Ｐ１１のそれぞれは、図９に示す構造、動作を示すものである。 すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第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に設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。
【００７２】
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。
【００７３】
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。圧電素子ＰＺＴを駆動する交番電圧として図９（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。
【００７４】
図９（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。
【００７５】
図９（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。
【００７６】
よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＰ１〜Ｐ１１のそれぞれは、かかる構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。図１等において、ポンプＰ１〜Ｐ１１の圧電素子はＰＺＴで示してある。
【００７７】
なお、図９に示すマイクロポンプは、図９（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９（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９（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が、ここでは図９（Ｃ）の駆動波形を採用する。
【００７８】
図１に例示する装置１００における各ポンプは図示省略のポンプ駆動部から該ポンプの圧電素子に交番電圧を印加することで駆動できる。すなわち、第１液、第２液の送液、混合或いは混合希釈にあたっては、ポンプＰ１の圧電素子に印加する電圧の波形として図２（Ａ）に示すものを、ポンプＰ２〜Ｐ１１の圧電素子に印加する電圧の波形として図２（Ｂ）に示すものを採用し、図示省略のポンプ駆動部からポンプ圧電素子にこの駆動波形を印加する。図２（Ａ）、（Ｂ）の波形は図９（Ｃ）に示すタイプの波形であり、且つ、同じ波形である。このように液体混合装置１００では、いずれのマイクロポンプも同じ駆動波形で駆動できるので、図示省略のポンプ駆動部をそれだけ簡素化することができる。
【００７９】
以上説明したマイクロポンプはアクチュエータに圧電素子を採用しており、液体流路については、後ほど説明するように例えばフィルムや板状体のエッチング処理等により溝や凹所を形成し、この溝や凹所を形成したフィルムや板状体に第２のフィルムや板状体を貼り合わせて形成できるので、全体としてコンパクトに薄型、小形に形成することが可能であり、ひいては液体混合装置１００のコンパクト化、薄型化、小形化が可能である。
【００８０】
図３（Ａ）は以上説明した液体混合装置１００の変形例１００’を示している。この装置１００’は装置１００における混合流路２０を蛇行混合流路２００としたもので、それ以外の点は装置１００と同じであり、装置１００と同じ部品、部分には図１と同じ参照符号を付してある。
液体混合装置１００’では混合流路２００が長く、且つ、蛇行しているので、合流部１９から混合流路２００へ流入してくる第１、第２の液体を十分拡散混合することができる。
図３（Ｂ）は液体混合装置１００のもう一つの変形例１００ａを示している。この装置１００ａは、装置１００において第１液体についても複数のポンプＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１3 を設けたものである。これらポンプのそれぞれもポンプＰ２〜Ｐ１１と同性能のポンプである。この装置１００ａでは第１液体についても、第１、第２の液体の所望の送液、混合割合に応じて、複数のポンプＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１3 のうち１又は２以上を選択運転することができる。
【００８１】
図１の装置１００のように混合流路を短くしても第１液、第２液の混合を行えるようにするために、第１液用のポンプＰ１については、図４（Ａ）に示す間欠駆動波形により間欠的に駆動するとともに、ポンプＰ２〜Ｐ１１のうち選ばれた数のポンプ（動作させるポンプ）については、図４（Ｂ）に示す間欠駆動波形で間欠的に、且つ、ポンプＰ１が動作中は動作停止するように間欠的に駆動することで、混合流路２０へ第１液と第２液を交互に流入させ、これにより、第１、第２の液を混合流路２０中で拡散混合させるようにしてもよい。この場合、流路２０における両液の混合は主として流路の方向における両液の拡散によりなされ、且つ、拡散距離が短くなる。拡散距離が短くなるので混合流路２０は短いもので済む。
【００８２】
また、この場合、ポンプＰ１が動作し、他のポンプが停止している時に、他のポンプ側へ第１液が逆流したり、ポンプＰ１が停止し、他のポンプが動作している時にポンプＰ１側へ第２液が逆流したりすることを抑制するために、ポンプＰ１については図５（Ａ）に示す駆動波形、他のポンプについては図５（Ｂ）に示す駆動波形、すなわち、図４の駆動波形において、本来の駆動波形印加時でないときに本来の駆動波形の電圧値よりずっと低い電圧値を示す駆動波形で動作させて液の逆流を阻止するようにしてもよい。
【００８３】
図１の混合装置１００においては、図２の駆動波形や、図４或いは図５の駆動波形でポンプを駆動する場合、混合液吐出口２１からの液吐出量を増大させようとすると、図２の駆動波形では液流速が速くなり、図４や図５の駆動波形では混合流路へ間欠的に送り込まれる液塊一つあたりの大きさ（量）が大きくなりすぎ、いずれも２液は所定状態に混合される前に吐出口２１に到達してしまう恐れがある。
【００８４】
混合液、あるいは混合希釈液をある程度の流量で欲するときに、このような恐れがあるときは、例えば、図６に示すように、図１に示すタイプの液体混合装置１００（液体混合ブロック）を複数個採用した液体混合装置１００”としてもよい。装置１００”では、個々のブロック１００における流路１５、１６に共通の流路１４１が連通しており、該流路１４１の端に第２液の供給口１４２を設けてある。
【００８５】
装置１００”では複数のブロックを採用することで、図２の駆動波形を採用するときには液体流速を遅くして所望量の混合液、あるいは混合希釈液を得ることができ、図４や図５の駆動波形を採用するときは、混合流路へ間欠的に送り込まれる液塊一つあたりの大きさを小さくして所望量の混合液、あるいは混合希釈液を得ることができる。
【００８６】
また、装置１００”においては個々のポンプの送液量は少なくてもよい、換言すれば個々のポンプを小さくすることができる。従って、ポンプの最適駆動周波数が高くなり、例えば２０ｋＨＺ以上の駆動周波数を採用することも可能になり、２０ｋＨＺ以上の駆動周波数では人間の耳には聞こえなくなり、人に不快感を与えなくて済む。
【００８７】
次に、図７及び図８を参照して図６の液体混合装置１００”を利用した燃料電池装置の１例について説明する。
図７（Ａ）は燃料電池装置Ｃ１の平面図、図７（Ｂ）は該装置の側面図、図７（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図８（Ａ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【００８８】
図示の燃料電池装置Ｃ１は、メタノール含有液（代表的には高濃度メタノール水溶液を希釈用液で希釈して希釈液体燃料として用いる装置であり、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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
かかる電極層は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。
【００９１】
第１ポンプユニット１は、平坦な四角形状の部材１１Ａ、１２Ａ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１１Ａは、図７（Ａ）及び図８（Ａ）に示すように、部材１２Ａに対向する面に、図６に示す液体混合装置１００”を形成するための、溝状の液体流路１２、１３、１５、１６、１７、１８、２０等（図１、図６も参照）を有しており、さらに各ブロック（液体混合装置ブロック）１００の流路１５、１６に対し連通する流路１４１等を有している。部材１１Ａの流路を形成した側の面に部材１２Ａが積層されることで、液体混合装置１００”が形成されている。
【００９２】
この場合の液体混合装置１００”における各ブロック１００のマイクロポンプＰ１を含む流路１２、１３は液体燃料供給路である。流路１２の上流側端から部材１１Ａを貫通する孔１１が形成されており、これが図６の液体混合装置における第１液体供給口１１に相当し、液体燃料供給口１１として用いられる。供給口１１には図示省略の液体燃料収容容器が接続され、該容器からメタノール含有液が供給される。
【００９３】
また、各ブロック１００のマイクロポンプＰ２〜Ｐ１１を含む他の流路１５、１６、１７、１８等、さらに流路１４１は希釈用液（ここでは水）を供給する希釈用液供給路である。流路１４１は凹所状部分１４２に連通しており、該部分１４２は図６の装置１００”における第２液体供給口１４２に相当し、希釈用液供給口１４２として用いられる。供給口１４２にはさらに溝状の流路１４３が連通形成され、流路１４３の端には凹所状の希釈用液受入部１４４が形成されている。
【００９４】
各ブロック１００の流路２０は液体燃料と希釈用液との混合のための混合流路２０として用いられる。流路２０の端には部材貫通孔２１が形成されており、これは図６の装置１００”における混合液吐出口２１に相当し、希釈液体燃料吐出口２１として用いられる。
【００９５】
部材１２Ａは、図８（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櫛状配列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を有している。通路１２２から部材１１Ａ側へ貫通孔１２３が形成されている。貫通孔１２３は部材１１Ａの希釈液体燃料吐出口２１に合致する位置に設けてあり、ここから通路１２２、１２１へ希釈液体燃料が流入し、燃料極３２に供給される。
【００９６】
また、各通路１２１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。さらに、部材１２Ａの端部には、貫通孔１２５が形成されている。貫通孔１２５は部材１１Ａにおける希釈用液受入部１４４に合致する位置に設けてある。なお、電池３には部材１２Ａの貫通孔１２５に合致する液通路３４を形成してある（図７（Ｂ）参照）。
【００９７】
以上のほか、部材１１Ａ、１２Ａ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、例えば希釈液体燃料通路１２１（図８（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。
【００９８】
第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１Ａ、２２Ａ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２１Ａは、図８（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）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２２Ａ側へ貫通孔２１３が形成されている。また、各通路２１１を部材外部と連通させる溝状の空気取り入り孔２１４が形成されている。部材２１Ａの端部には貫通孔２１５が形成されおり、該孔は電池３の液体通路３４に合致する位置にある。
【００９９】
部材２２Ａは、図７（Ｃ）及び図８（Ｄ）に示すように、部材２１Ａに対向する面に、前記ポンプＰ１等と同構造、動作を示すマイクロポンプＰＸ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）或いはさらに燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ来ることがある液体を回収するものである。液体回収路２２１のポンプＰＸ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、ポンプＰ３より下流側の端には凹所状の液体排出部２２３が形成されている。
【０１００】
電池の空気極３３側で生成された水或いはさらに燃料極３２側からの移動液は、ポンプＰＸの運転により、部材２１Ａの液体通路２１１、２１２から部材２１Ａの貫通孔２１３を通って部材２２Ａの液体受入部２２２へ流入し、部材２２Ａの液体回収路２２１から液体排出部２２３を経て、部材２１Ａの貫通孔２１５、電池の液体通路３４、第１ポンプユニット１における部材１２Ａの貫通孔１２５、部材１１Ａの液体受入部１４４、流路１４３を経て希釈用液供給口１４２へ送られる。かくして、第１ポンプユニット１のブロック１００におけるポンプＰ２〜Ｐ１１のうち少なくとも一つを運転することで希釈用液を混合流路２０へ供給することができる。
【０１０１】
以上のほか、部材２１Ａ、２２Ａには、図８（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、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、例えば液体通路２１１（図８（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。
【０１０２】
以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると次のように発電させることができる。
第１ポンプユニット１に図示省略の液体燃料収容容器から液体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図示省略のポンプ駆動部により各ブロック１００のポンプＰ１を駆動して混合流路２０へメタノール含有液を供給する。
【０１０３】
さらに、各ブロック１００において、ポンプＰ２〜Ｐ１１のうちから選んだ個数のポンプを駆動して希釈用液を混合流路２０へ供給する。これらにより各ブロック１００から希釈液で希釈された希釈メタノール含有液を電池３の燃料極３２へ供給する。
ポンプＰ２〜Ｐ１１のうち運転するポンプ数はメタノール含有液の所定の希釈割合、従ってメタノール含有液と希釈液との所定の送液割合が得られるように決定する。
【０１０４】
かくして燃料電池３では、
ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ の反応が生じ、発電するので、電池３に接続した図示省略の負荷に通電することができる。
【０１０５】
この燃料電池装置Ｃ１の使用開始当初、電池３に供給されるのは図示省略の液体燃料収容容器から供給された液体燃料（メタノール含有液）と例えば予めポンプＰ２〜Ｐ１１内に充填されている希釈用液であるが、その後、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水等が第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１へ供給され始め、第１ポンプユニット１は、容器４から供給されるメタノール含有液を第２ポンプユニット２から供給されてくる希釈用液で混合希釈し、希釈液体燃料として燃料電池３に供給でき、これにより容器４に収容された原燃料をもって長時間発電させることができる。なお、ポンプＰ２〜Ｐ１１への予めの希釈液の充填は、例えばポンプＰ２〜Ｐ１１へ通じる希釈液流路に連通する希釈液の供給口（図示省略）を設けておいて該供給口から水等希釈液を供給することで行うことができ、かかる供給口はその後閉じておけばよい。
【０１０６】
以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると、第１マイクロポンプユニット１における送液のための複数のマイクロポンプＰ１〜Ｐ１１は、ポンプ間においてポンプ性能にバラツキがない同性能のものであるので、液体燃料及び希釈用液の送液割合を、運転するポンプの数を選択することで容易に調整して、両液体を安定して精度よく所定の送液割合で送液混合し、液体燃料を所定濃度に希釈することができ、それだけ発電性能及び効率を良好ならしめることができる。
【０１０７】
例えば液体燃料として６０％メタノール水溶液を用いる場合、各ブロック１０において該６０％メタノール水溶液用の１個のポンプＰ１に対し希釈液用の１０個のポンプＰ２〜Ｐ１１を全部駆動することで、メタノール濃度５〜６％程度の希釈燃料が得られる。
【０１０８】
また、希釈液用ポンプの駆動個数を制御することで、燃料極３２へ供給する燃料中のメタノール濃度を制御することが可能であり、これにより、燃料電池に接続される機器の動作負荷に応じた最適な燃料濃度制御も可能である。一般に、電池の特性を上げるためになるべく濃度の濃い燃料を使用したいのだが、電池に対する負荷が小さい場合、濃度が高いとアノード側で反応しきれなかったメタノールがカソード側に移動してしまうクロスオーバーという現象のため電池の特性が落ちてしまう。そこで、負荷が大きい時は濃度を濃く、負荷が小さい時は濃度を薄くすることが有効である。
【０１０９】
また、燃料電池装置Ｃ１は、このあと説明するマイクロポンプ等の製法例から分かるように、全体をコンパクトに平坦形状に薄型に形成することができ、例えばカード状に形成することも可能であり、携帯機器等の電源として適するものである。各ポンプの駆動を周波数２０ｋＨｚ以上の交番電圧印加により行えば、例えば携帯電話器等に搭載しても、ポンプ駆動音が人には聞こえず、電話器使用者に不快感を与えることがない。
【０１１０】
なお、燃料電池装置Ｃ１のマイクロポンプユニット１では、希釈用液を最初一つの供給口１４２から流路１４１によって分岐して供給するようにしているが、各ブロック毎に供給口を設け各ブロック毎に希釈液を空気極側から循環させるようにしてもよい。
また、空気極側で生成された水等は図示省略の回収容器に回収し、該回収容器から希釈液を各ブロック１００に供給するようにしてもよい。さらに、燃料極３２へ供給される希釈液体燃料のうち過剰のものを該回収容器へ回収するようにしてもよい。
【０１１１】
＜送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニットの製造＞
以下に、マイクロポンプを含む送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニットの製造の幾つかの例を挙げておく。
（１）Ｓｉ基板とガラス板で構成する場合
Ｓｉ基板上に流路溝を異方性エッチングにより加工し、このＳｉ基板に平板のガラスを陽極接合して液通路を形成する。駆動用の圧電素子はＳｉ基板におけるダイアフラム部分に接合する。
この方法によると、ヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
（２）樹脂とガラス板で構成する場合
流路溝を樹脂の射出形成、インプリント等により形成し、この樹脂板に薄板ガラスを接着剤により貼り付けて液通路形成する。駆動用圧電素子をガラス板のダイアフラム部分に貼り付ける。
この方法によると安価にポンプユニットを形成できる。
（３）ガラスで構成する場合
感光性ガラスのフォトリソ加工、ガラスのサンドブラスト加工、ガラス成型、ガラス板のレーザ加工等の方法により流路溝を形成し、流路溝を形成した第１のガラス板に、第２の平板ガラスを直接接合する。或いは第１、第２のガラスの接合面の両方または一方に低融点ガラス膜をスパッタ法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは第１、第２のガラスの一方にＳｉ膜をスパッタ法等により形成して陽極接合する。これらのいずれかの操作により、液流路等を形成し、接合した両ガラスのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によっても安価にポンプユニットを形成できる。
（４）セラミックで構成する場合
グリーンシートの成型、サンドブラスト加工、レーザ加工等の方法で流路溝を形成し、このグリーンシートに、一方または双方が成形されたグリーンシートを位置決めして貼り合せ、加圧しながら焼成することで一体化を行う。或いは同様に成形されたグリーンシートを焼成してセラミック板とし、一方に低融点ガラス膜をスパッタ法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは同様に成形・焼成されたセラミック板の一方にガラスをもう一方にＳｉを成膜することで陽極接合する。これらのいずれかの操作により、液流路等を形成し、接合した両セラミックのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によるとヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
【０１１２】
上記のほか、液体や気体が流通できる溝が形成された電鋳品、カーボンの成形品、ステンレススチール板をエッチング加工したもの等も利用できる。
なお、上記（１）〜（４）のいずれの製法を採用するにしても、必要に応じガス抜き孔や空気取り入れ孔も同時に形成する。ガス流通部ＤＧについては可能であれば同時に形成してもよいし、後で形成してもよい。
【０１１３】
次に、液体混合装置の製法の具体例を説明するが、説明を簡略化し、理解を容易にするため、送液装置、液体混合装置として機能する図１０に示すマイクロチップＭＴを例にとって説明する。図１０（Ａ）はマイクロチップＭＴの平面図、図１０（Ｂ）は該チップの側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【０１１４】
図１０に示すチップＭＴでは第１液用ポンプ、第２液用ポンプは本発明と異なり１個ずつであるが、本発明に係る送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニットは、ポンプの数、液流路の数、配置等がチップＭＴと異なるだけであり、チップＭＴと同様にして、コンパクトに、平坦形状薄型に、小形に形成できる。
【０１１５】
図１０の液体混合装置ＭＴは、マイクロチップ形のもので、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。
【０１１６】
流路Ｌ１〜Ｌ４は例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。マイクロチップ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。
ポンプＰａ、Ｐｂは図９に示す構造、動作を示すもので、このチップ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。
【０１１７】
このマイクロチップＭＴの製造工程について図１１を参照しながら説明する。図１１は図１０（Ｃ）のα−α線に沿う切断端面の部分の製法を代表的に示している。
図１１（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１１（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１１（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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
次に、図１１（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１１（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１１（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。
【０１２０】
次に、図１１（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１１（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１１（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。
以上説明した製法に準ずる製法により、本発明に係る送液装置、液体混合装置、マイクロポンプユニット等における多数のマイクロポンプや液流路をバラツキ少なく、均一な性能のものに製作できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明の送液方法及び装置、液体混合方法及び装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明に係る送液方法を実施できる送液装置の１例を利用した液体混合装置の１例を示す図である。
【図２】図１に示す液体混合装置におけるマイクロポンプの駆動波形の１例を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は図１に示す液体混合装置の変形例を示す図であり、図３（Ｂ）は図１に示す液体混合装置の他の変形例を示す図である。
【図４】マイクロポンプの駆動波形の他の例を示す図である。
【図５】マイクロポンプの駆動波形のさらに他の例を示す図である。
【図６】液体混合装置のさらに他の例を示す図である。
【図７】図６の液体混合装置を利用した燃料電池装置の１例を示すもので、図７（Ａ）はその平面図、図７（Ｂ）はその側面図、図７（Ｃ）はその底面図である。
【図８】図８（Ａ）は図７（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図８（Ｂ）は図７（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図８（Ｃ）は図７（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図８（Ｄ）は図７（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図９】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９（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図９（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図９（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９（Ｄ）は図９（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図９（Ｅ）は図９（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図９（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１０】液体混合装置等の製法例を説明するための参考的なマイクロチップを示すもので、図１０（Ａ）はその平面図、図（Ｂ）はその側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】マイクロチップの製造工程例を示す図である。
【図１２】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】
【０１２３】
１００、１００’、１００ａ 液体混合装置
Ｐ１〜Ｐ１１ マイクロポンプ ｆ１ 液体吸引用第１絞り流路 ｆ２ 液体吐出用第２絞り流路 ＰＣ ポンプ室 ＤＦ ポンプ室の可撓性壁（ダイアフラム） ＰＺＴ 圧電素子 １１ 第１液体供給口 １２、１３ 第１液体の流路 １４ 第２液体供給口 １５、１５１、１６、１６１、 １７、１７１、１８、１８１ 第２液体の流路 １９ 合流部 ２０、２００ 混合流路 ２１ 混合液吐出口 １００” 液体混合装置 １４１ 液体流路 １４２ 第２液体の供給口 Ｃ１ 燃料電池装置
１ 第１ポンプユニット
１１Ａ、１２Ａ ポンプユニット部材
１４３ 流路
１４４ 希釈用液受入部
１２１、１２２ 希釈液体燃料通路
１２３ 貫通孔
１２４ ガス抜き孔
１２５ 貫通孔
ＧＤ ガス流通部
２ 第２ポンプユニット
２１Ａ、２２Ａ ポンプユニット部材
２１１、２１２ 液体（水）の通路
２１３ 貫通孔
２１４ 空気取り入り孔
２１５ 貫通孔
ＰＸ マイクロポンプ
２２１ 液体回収路
２２２ 液体受入れ部
２２３ 液体排出部
３燃料電池
３１ 電解質膜
３２ 燃料極
３３ 空気極
３４ 液通路
ＭＴ マイクロチップ
Ｐａ、Ｐｂ マイクロポンプ
ＰＺＴａ、ＰＺＴｂ 圧電素子
Ｌ１、Ｌ２ 液体供給路
Ｌ３ 合流部
Ｌ４ 混合流路
Ｌｉ１、Ｌｉ２ 液体供給口
Ｌｏ 液体出口
ＳｉＳ シリコン基板
Ｃ 燃料電池
Ｌ 負荷
ｔ１ 燃料タンク
ｔ２ 回収タンク
ＭＸ ミキサー（混合タンク）
ＰＭ１〜ＰＭ３ ポンプ
ＣＯＮＴ コントローラ
ＤＳ 濃度検出センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送ることを特徴とする送液方法。
【請求項２】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプを設け、各液について、該液に対して設けた複数個のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送る請求項１記載の送液方法。
【請求項３】
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設けるとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合することを特徴とする液体混合方法。
【請求項４】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプを設け、各液について、該液に対して設けた複数個のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合する請求項３記載の液体混合方法。
【請求項５】
２種以上の液体を所定の送液割合で送るための送液装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプであることを特徴とする送液装置。
【請求項６】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプが設けられている請求項５記載の送液装置。
【請求項７】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項５又は６記載の送液装置。
【請求項８】
前記マイクロポンプの圧電素子に交番電圧を印加して該ポンプを駆動するためのポンプ駆動部を備えており、該ポンプ駆動部は２０ｋＨｚ以上の周波数の交番電圧を圧電素子に印加するものである請求項７記載の送液装置。
【請求項９】
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられているとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路が設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプであることを特徴とする液体混合装置。
【請求項１０】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプが設けられている請求項９記載の液体混合装置。
【請求項１１】
前記混合流路は蛇行している請求項９又は１０記載の液体混合装置。
【請求項１２】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項９、１０又は１１記載の液体混合装置。
【請求項１３】
前記マイクロポンプの圧電素子に交番電圧を印加して該ポンプを駆動するためのポンプ駆動部を備えており、該ポンプ駆動部は２０ｋＨｚ以上の周波数の交番電圧を圧電素子に印加するものである請求項１２記載の液体混合装置。
【請求項１４】
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料と希釈用液を所定の送液割合で供給して混合することで該液体燃料を希釈し、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、該燃料電池に第１ポンプユニットが積層されており、該第１ポンプユニットは、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを有しており、且つ、該液体燃料及び希釈用液のうち少なくとも一方に対しては複数個の送液用マイクロポンプを有しているとともに、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を有しており、該混合流路から希釈液体燃料を前記燃料電池へ供給するものであり、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプであることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１５】
前記燃料電池の前記第１ポンプユニットを積層した面とは反対側の面に第２ポンプユニットが積層されており、該第２ポンプユニットは少なくとも該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ものである請求項１４記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
前記第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として前記燃料電池、第１ポンプユニット及び第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して前記第１ポンプユニットへ供給する請求項１５記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
前記第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として回収容器へ送り、前記第１ポンプユニットは該回収容器から希釈用液を供給される請求項１５記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
前記第２ポンプユニットは前記燃料電池に、その空気極に隣り合わせて積層されており、前記空気極に対向する面に回収すべき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を回収する液回収用マイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているとともに、該空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有している請求項１５、１６又は１７記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
前記第１ポンプユニットは前記燃料電池に、その燃料極に隣り合わせて積層されており、前記燃料極に対向する面に前記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、該燃料極に対向する面とは反対側部分に液体燃料を供給する前記送液用マイクロポンプを含む液体燃料供給路、希釈用液を供給する前記送液用マイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体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前記混合流路を有しており、さらに該燃料極で発生するガスを前記希釈液体燃料通路を介して放出するためのガス抜き孔を有している請求項１４から１８のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
前記第１ポンプユニットの混合流路は蛇行している請求項１４から１９のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項１４から２０のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２２】
前記マイクロポンプの圧電素子に交番電圧を印加して該ポンプを駆動するためのポンプ駆動部を備えており、該ポンプ駆動部は２０ｋＨｚ以上の周波数の交番電圧を圧電素子に印加するものである請求項２１記載の燃料電池装置。
【請求項２３】
前記燃料電池は直接メタノール形燃料電池であり、前記液体燃料はメタノール含有液体であり、前記希釈用液は水を含む液体である請求項１４から２２のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２４】
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２３記載の燃料電池装置。
【請求項１】
２種以上の液体を所定の送液割合で送る送液方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送ることを特徴とする送液方法。
【請求項２】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプを設け、各液について、該液に対して設けた複数個のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で送る請求項１記載の送液方法。
【請求項３】
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合方法であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを設け、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプを設けるとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を設け、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプとし、
一つのマイクロポンプを設けた液については該一つのマイクロポンプを運転するとともに、２以上のマイクロポンプを設けた各液については該２以上のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合することを特徴とする液体混合方法。
【請求項４】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプを設け、各液について、該液に対して設けた複数個のマイクロポンプのうちから、前記送液割合に応じて、運転するマイクロポンプ数を決定して該数のマイクロポンプを運転することで、該２種以上の液体を所定の送液割合で前記混合流路へ送って合流させ混合する請求項３記載の液体混合方法。
【請求項５】
２種以上の液体を所定の送液割合で送るための送液装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプであることを特徴とする送液装置。
【請求項６】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプが設けられている請求項５記載の送液装置。
【請求項７】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項５又は６記載の送液装置。
【請求項８】
前記マイクロポンプの圧電素子に交番電圧を印加して該ポンプを駆動するためのポンプ駆動部を備えており、該ポンプ駆動部は２０ｋＨｚ以上の周波数の交番電圧を圧電素子に印加するものである請求項７記載の送液装置。
【請求項９】
２種以上の液体を所定の送液割合で送って混合する液体混合装置であり、
該２種以上の液体のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプが設けられており、且つ、該２種以上の液体のうち少なくとも１種の液体については複数個の送液用マイクロポンプが設けられているとともに、該２種以上の液体のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路が設けられており、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプであることを特徴とする液体混合装置。
【請求項１０】
前記２種以上の液体のそれぞれについて複数個の前記送液用マイクロポンプが設けられている請求項９記載の液体混合装置。
【請求項１１】
前記混合流路は蛇行している請求項９又は１０記載の液体混合装置。
【請求項１２】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項９、１０又は１１記載の液体混合装置。
【請求項１３】
前記マイクロポンプの圧電素子に交番電圧を印加して該ポンプを駆動するためのポンプ駆動部を備えており、該ポンプ駆動部は２０ｋＨｚ以上の周波数の交番電圧を圧電素子に印加するものである請求項１２記載の液体混合装置。
【請求項１４】
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料と希釈用液を所定の送液割合で供給して混合することで該液体燃料を希釈し、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、該燃料電池に第１ポンプユニットが積層されており、該第１ポンプユニットは、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して１又は２以上の送液用マイクロポンプを有しており、且つ、該液体燃料及び希釈用液のうち少なくとも一方に対しては複数個の送液用マイクロポンプを有しているとともに、該液体燃料及び希釈用液のそれぞれに対して設けられた送液用マイクロポンプのそれぞれに連通する共通の混合流路を有しており、該混合流路から希釈液体燃料を前記燃料電池へ供給するものであり、いずれの送液用マイクロポンプも同性能のポンプであることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１５】
前記燃料電池の前記第１ポンプユニットを積層した面とは反対側の面に第２ポンプユニットが積層されており、該第２ポンプユニットは少なくとも該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ものである請求項１４記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
前記第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として前記燃料電池、第１ポンプユニット及び第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して前記第１ポンプユニットへ供給する請求項１５記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
前記第２ポンプユニットは回収した液体を希釈用液として回収容器へ送り、前記第１ポンプユニットは該回収容器から希釈用液を供給される請求項１５記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
前記第２ポンプユニットは前記燃料電池に、その空気極に隣り合わせて積層されており、前記空気極に対向する面に回収すべき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を回収する液回収用マイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているとともに、該空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有している請求項１５、１６又は１７記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
前記第１ポンプユニットは前記燃料電池に、その燃料極に隣り合わせて積層されており、前記燃料極に対向する面に前記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、該燃料極に対向する面とは反対側部分に液体燃料を供給する前記送液用マイクロポンプを含む液体燃料供給路、希釈用液を供給する前記送液用マイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体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前記混合流路を有しており、さらに該燃料極で発生するガスを前記希釈液体燃料通路を介して放出するためのガス抜き孔を有している請求項１４から１８のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
前記第１ポンプユニットの混合流路は蛇行している請求項１４から１９のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２１】
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項１４から２０のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２２】
前記マイクロポンプの圧電素子に交番電圧を印加して該ポンプを駆動するためのポンプ駆動部を備えており、該ポンプ駆動部は２０ｋＨｚ以上の周波数の交番電圧を圧電素子に印加するものである請求項２１記載の燃料電池装置。
【請求項２３】
前記燃料電池は直接メタノール形燃料電池であり、前記液体燃料はメタノール含有液体であり、前記希釈用液は水を含む液体である請求項１４から２２のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項２４】
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２３記載の燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−４７８５（Ｐ２００６−４７８５Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８０３６８（Ｐ２００４−１８０３６８）
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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