送液装置、燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法並びに送液装置及び燃料電池装置
【課題】送液装置や燃料電池装置にけるマイクロポンプ中へ混入した気泡の簡易な排除方法、並びに送液装置及び燃料電池装置を提供する。
【解決手段】複数のマイクロポンプＰａ、Ｐｂをそれぞれ用いて液体を送り合流させる送液装置ＭＴ’において、一方のポンプＰａ（Ｐｂ）内の気泡は他方のポンプＰｂ（Ｐａ）を送液駆動して一方のポンプへ液体を逆流させることでポンプ外へ排除する。マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３を用いて送液する燃料電池装置Ｃ１においても、ポンプ内の気泡を同様の手法で排除する。
【解決手段】複数のマイクロポンプＰａ、Ｐｂをそれぞれ用いて液体を送り合流させる送液装置ＭＴ’において、一方のポンプＰａ（Ｐｂ）内の気泡は他方のポンプＰｂ（Ｐａ）を送液駆動して一方のポンプへ液体を逆流させることでポンプ外へ排除する。マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３を用いて送液する燃料電池装置Ｃ１においても、ポンプ内の気泡を同様の手法で排除する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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応用した燃料電池装置におけるマイクロポンプ内の気泡をポンプ外へ排除する気泡排除方法並びに送液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、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。
【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、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。
【０００６】
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。
【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。
【００１０】
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。
【００１１】
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から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。
【００１２】
１例として図１６の発電システムを示すことができる。図１６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移動してきた液はポンプ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燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【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水）の送液及び合流による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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
このような気泡を排除する方法として、外部に吸引機構を設けて吸引する方法が考えられる。しかし、この方法だとマイクロポンプを含む機器全体の大型化が避けられず、コストも高くなる。
【００２１】
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。
【００２２】
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１５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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、マイクロポンプ、例えば特開２００１−３２２０９９号公報等に記載されたマイクロポンプを利用して液体原燃料（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ポンプユニットを電池本体に積層することが考えられる。このポンプユニットによると、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を電池本体外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池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形に形成することができ、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）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ポンプユニットを電池本体に積層すると、該ポンプ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。
【００３０】
そこで本発明は、複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を簡易に排除できる送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法及び該方法を実施できる送液装置を提供することを課題とする。
【００３１】
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、ポンプを用いて液体原燃料及び希釈用液を送り、それらを合流混合させて希釈液体燃料とし、それを燃料電池へ供給する燃料電池装置におけるポンプ内気泡の排除方法であって、燃料電池装置自身のコンパクト化、小形化を達成しつつ、ポンプ内気泡を簡易に排除できる燃料電池装置のポンプ内気泡の排除方法及び該方法を実施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】
【００３２】
前記課題を解決するため本発明は次の送液装置、燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法並びに送液装置及び燃料電池装置を提供する。
（１）送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を排除する方法であり、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで、該気泡を排除する送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【００３３】
この気泡排除方法によると、既に備わっているマイクロポンプを用いて気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡を該ポンプ外へ簡易に排除できる。
【００３４】
送液装置における複数のマイクロポンプの配置態様は送液装置の用途等に応じて任意に決定できるが、例えば、２液以上の液体の混合や、希釈等の目的の送液装置として、複数のマイクロポンプを並列に配置し、それぞれのマイクロポンプで液を送って合流部で合流させて送る送液装置を例示できる。
【００３５】
かかる送液装置の場合、該並列に配置されたいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡をポンプ外へ排除するにあたっては、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して前記合流部を介して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除することができる。
【００３６】
また、気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないでおいてもよく、或いは該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動してもよい。後者の場合には、より確実に気泡を排除でき、また、気泡排除時間を短縮できる。
【００３７】
前記送液装置は各マイクロポンプに連通する前記合流部より下流側へ延びる液通路を有していてもよい。その場合、より確実に気泡を排除するために、該合流部より下流側へ延びる液通路の流路抵抗の値を前記気泡排除対象マイクロポンプの流路抵抗の値と同程度か、又はそれより大きくしてもよい。或いは、該合流部より下流側へ延びる液通路に液体の流れを抑制するための液流抑制手段を設け、前記気泡排除対象マイクロポンプから気泡を排除するにあたり、該液流抑制手段により前記合流部下流側への液流れを抑制してもよい。
【００３８】
かかる液流抑制手段としては、前記合流部より下流側へ延びる液通路の開口を閉じることができる蓋体、該液通路を閉じることができる流体弁、該液通路の流路断面積を減少させ得る絞り機構から選ばれた少なくとも一つを例示できる。
【００３９】
いずれにしても送液装置は、少なくとも一つのマイクロポンプについて、より好ましくは各マイクロポンプについて該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものとしてもよい。その場合、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設け、該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が、該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一方向気泡トラップとすればよい。
【００４０】
かかる一方向気泡トラップがあることで、マイクロポンプ外へ排除された気泡は該一方向気泡トラップに捕捉され、再びマイクロポンプ内へ混入することが抑制される。
【００４１】
前記マイクロポンプとしては、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を例示できる。送液装置におけるマイクロポンプのうち少なくとも一つをこのようなマイクロポンプとしてもよい。
【００４２】
（２）燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
本発明の気泡排除方法実施の対象となる燃料電池装置は、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ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有している燃料電池装置である。
【００４３】
かかる燃料電池装置において、第１マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する。
【００４４】
前記燃料電池装置はさらに燃料電池の空気極に積層された第２ポンプユニットを含んでいてもよい。該第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前記希釈用液として前記第１ポンプユニットの希釈用液供給路へ循環させるためのユニットであり、少なくとも電気化学反応による生成液体を回収する第３のマイクロポンプを含む生成液回収路を有しているものである。該第３マイクロポンプ内気泡を排除するにあたっては、前記第１ポンプユニットの第２マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動させればよい。なお、第２ポンプユニットは、さらに、燃料極側から電解質膜等の部材を通過して空気極側へ移動してきた液体も希釈用液として回収するものであってもよい。
【００４５】
いずれにしても、既に備わっているマイクロポンプを用いて気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡を該ポンプ外へ簡易に排除できる。この気泡排除方法を、マイクロポンプ内に気泡が存在するようになったとき、或いは随時又は定期的に実施することで、使用液体中の気泡の影響を抑制して所定濃度及び量の希釈液体燃料を電池へ安定的に供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる。
【００４６】
また、ここでの燃料電池装置は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を電池本体外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池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形に形成することができ、例えば、携帯機器用の電源としても利用可能である。
【００４７】
このように、燃料電池装置のコンパクト化、小形化を達成しつつポンプ内気泡を簡易に排除できる。
【００４８】
なお、気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないでおいてもよく、或いはより確実に気泡を排除し、また、気泡排除時間を短縮するために該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動してもよい。
【００４９】
また、燃料電池装置は、少なくとも一つのマイクロポンプについて、より好ましくは各マイクロポンプについて、該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものでもよい。その場合、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設け、該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が、該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一方向気泡トラップとすればよい。
【００５０】
かかる一方向気泡トラップがあることで、マイクロポンプ外へ排除された気泡は該一方向気泡トラップに捕捉され、再びマイクロポンプ内へ混入することが抑制される。
【００５１】
マイクロポンプとしては、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を例示できる。送液装置におけるマイクロポンプのうち少なくとも一つをこのようなマイクロポンプとしてもよい。
【００５２】
本発明は前記気泡排除方法を実施できる次の送液装置及び燃料電池装置も提供する。
（３）送液装置
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置であって、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えた送液装置。
（４）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って、該燃料電池と、該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有しており、さらに、第１マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えている燃料電池装置。
【発明の効果】
【００５３】
以上説明したように本発明によると、複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を簡易に排除できる送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法、及び該マイクロポンプ内の気泡を簡易に排除できる送液装置を提供することができる。
また本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、ポンプを用いて液体原燃料及び希釈用液を送り、それらを合流混合させて希釈液体燃料とし、それを燃料電池へ供給する燃料電池装置におけるポンプ内気泡の排除方法であって、燃料電池装置自身のコンパクト化、小形化を達成しつつ、ポンプ内気泡を簡易に排除できる燃料電池装置のポンプ内気泡の排除方法、及び燃料電池装置自身のコンパクト化、小形化を達成しつつポンプ内気泡を簡易に排除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】
【００５４】
＜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のマイクロポンプ内気泡の排除方法等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９及び図１０を参照して説明する。
図９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９（Ａ）は装置ＭＴの平面図であり、図９（Ｂ）は同装置の側面図であり、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【００５５】
図９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。
【００５６】
流路Ｌ１〜Ｌ４の深さは例えば１７０μｍであり、流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４の幅は例えば１５０μｍ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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
その具体例を図１０を参照して説明する。
図１０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。
【００６０】
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。
【００６１】
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１０（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。
【００６２】
図１０（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。
【００６３】
図１０（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。
【００６４】
また、図１０（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１０（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１０（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。
【００６５】
図９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。
【００６６】
送液装置ＭＴは例えば図１１に示す工程により薄型、小形に形成できる。図１１は図９（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
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一方向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。
【００７０】
＜マイクロポンプ内気泡排除対象の送液装置＞
次に図１を参照してマイクロポンプ内気泡排除対象の送液装置の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９に示す送液装置ＭＴに一方向気泡トラップＴｒ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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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（Ｐａ）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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
ここで、気泡が段差部５２０’を乗り越えられるかどうかは、該段差部での液体流速に大きく依存するが、この送液装置ＭＴ’では、トラップＴｒにおける第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（２５μｍ×５００μｍ）に対し第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（２５μｍ×２５μｍ）は２０分の１と小さく形成されているので、同じ流量で比較すると境界部５２１、５２２では流速も２０倍異なることになる。従って、ポンプへ向かう方向の液体中の気泡のみ捕捉される。
【００７９】
エタノールを用いた実験では、ポンプに近づく方向に対しては３００ｎＬ（ナノリットル）／ｓｅｃ以上の流量でも気泡はトラップされて動かなかったが、ポンプから遠ざかる方向への流れでは、１００ｎＬ／ｓｅｃにも満たない流量でも気泡が通過できることが繰り返し確認された。
【００８０】
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かった。
【００８１】
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。
【００８２】
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２から図５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。
【００８３】
図２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３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。
【００８４】
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３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。
【００８５】
図５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。
【００８６】
なお、図２から図５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２から図５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。
【００８７】
送液装置ＭＴ’では一方向気泡トラップＴｒは各マイクロポンプの両側に一つずつ設けられているだけであるが、少なくとも一つのマイクロポンプについて、マイクロポンプ両側の液通路のうち少なくとも一方に、一方向気泡トラップが複数直列配置で設けられていてもよい。
例えば図６（Ａ）に示すように、図１に示すタイプのトラップＴｒを向きを同じにして複数個直列に配置する場合を挙げることができる。なお図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＺ１−Ｚ１線に沿う切断端面図である。
このようにすると、もし一つのトラップＴｒをすり抜けた気泡があったとしても、次の気泡トラップ部で捕捉することができる。
【００８８】
さらに、直列配置された複数の一方向気泡トラップは、マイクロポンプから遠い方のトラップから近い方のトラップへ、気泡をトラップする部分の流路断面積が段階的に小さくされていてもよい。
例えば図７（Ａ）に示すように、図６（Ａ）に示す複数の直列配置の気泡トラップＴｒの大きさをポンプに近いものほど順次小さくした場合を挙げることができる。なお、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＺ２−Ｚ２線に沿う切断端面図である。
このようにすることで、まず流路断面の大きなトラップ部で大きな気泡をトラップし、ポンプに近いところで小さな気泡をトラップすることができる。また、ポンプから遠いトラップ部の断面積を広げておくことで、ポンプから遠いところで、できるだけ多くの気泡をトラップしておく空間を提供することもできる。
【００８９】
上記のような、同一方向の複数の直列トラップ構造は、図１に示すタイプのトラップＴｒばかりを直列配置するものだけでなく、かかるトラップＴｒの他、図２から図５のそれぞれに示される構造の一方向気泡トラップも採用対象に含めて、これらから選択した一方向気泡トラップを組み合わせてもよい。
例えば、図５に示すような左右非対称のトラップを、左寄りのものと右寄りのものを交互に配置するという方法も考えられる。このようにすると、流路中で左右どちらかに偏った気泡についても、より確実にトラップできる。
【００９０】
送液装置ＭＴ’においては、一方向気泡トラップＴｒのうち少なくとも一つについて、該一方向気泡トラップにおける気泡トラップ部分に連通すの気泡抜き用孔又は該一方向気泡トラップを間にしてマイクロポンプとは反対側に位置する液通路部分に連通する気泡抜き用孔を形成しておいてもよい。
かかる気泡抜き用孔を設けておくことで、メインテナンスモード等において該孔から気泡を外部へ吸引することが可能になる。
【００９１】
気泡抜き用孔は次のように設けてもよい。すなわち、図８（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８（Ｂ）は図８（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。孔Ｈは換言すれば気泡排除孔である。
【００９２】
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。
【００９３】
気泡排除孔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。この孔Ｈに着脱式の蓋（図示省略）を設けておけば、非使用時の液漏れや流路の乾燥、空気の混入などを防げる。また、この蓋をメンテナンス時以外のポンプ動作時には閉めておけば、液体に加わる圧力で液体が漏れ出すことも防止できる。
【００９４】
気泡貯留部ＡＲに溜まった気泡は、孔Ｈの外部に設けた図示省略の吸引装置によって吸引することができる。或いは、ポンプ駆動開始時に孔Ｈの蓋を開けていれば、一定量以上溜まった気泡は勝手に孔Ｈから排出される。或いは、メンテナンス時に通常動作時よりも気泡貯留部ＡＲに大きい圧力がかかるようなポンプ動作を行わせて気泡を排除することもできる。
【００９５】
＜送液装置ＭＴ’のマイクロポンプからの気泡排除方法＞
以上説明したように送液装置ＭＴ’では、一方向気泡トラップＴｒが設けられていることでポンプＰａ、Ｐｂへの気泡混入を抑制できるが、もし、マイクロポンプＰａ、Ｐｂのいずれかでポンプ室ＰＣ中に気泡が存在するようになってしまった場合でも、該気泡をポンプ室から排除することが可能である。以下、ポンプ内気泡の排除方法について説明する。
【００９６】
例えばマイクロポンプＰａにある大きさ以上の気泡が混入した場合、該ポンプを駆動しても気泡が圧力ダンパーとして働くので液体は流れにくくなり、液体中の気泡もその場に滞留したまま動かなくなってしまう。かかるポンプＰａ中の気泡は、並列に配置されているもう一つのマイクロポンプＰｂを駆動したときに生じる液流を利用して排除できる。
【００９７】
具体的には、例えば、マイクロポンプＰｂを所定の駆動波形（図１０（Ｃ）の交番電圧波形）で駆動することによって、ポンプＰｂから合流部Ｌ３の方へ液体を送液する。この時、合流部Ｌ３より下流側の液体出口Ｌｏに蓋（栓）をしておく。
そうすると、ポンプＰｂから送り出された液体は、合流部Ｌ３を通ってマイクロポンプＰａに流れ込む。この流れによって、ポンプＰａのポンプ室ＰＣ内に滞留した気泡を液体供給口Ｌｉ１の方向へ逆流させて押し出すことができる。
【００９８】
このとき、少なくとも、押し出された気泡がポンプＰａの上流側（液体供給口側）の一方向気泡トラップＴｒを通り抜けてポンプＰａから離れた流路に押し出されるまで気泡排出動作を行う。
気泡は、一旦気泡トラップＴｒよりも上流側に押し出されれば、再び液体が正規送液方向ＬＤに送液された場合にも、その気泡は該気泡トラップＴｒに捕捉されるために、再びポンプＰａ内へ混入することが抑制される。
【００９９】
かかる気泡排除によると、気泡排出動作時に気泡を液体供給口Ｌｉ１まで完全に押し戻す必要がないので、液体の逆流送液量は僅かでもよく、それだけ気泡排出動作時間を短縮できる。また、逆流させる液量が少なくて済むので、液体の無駄も少なく済むという利点もある。
【０１００】
つまり、例えば、送液装置ＭＴ’を２液混合装置として用いる場合、気泡排出動作時には、第２の液体で第１の液体を押すことになり、第２の液体が合流部Ｌ３を通ってポンプＰａ側の流路の途中まで進入することになる。この時、既述した一方向気泡トラップＴｒを設けてあるので、マイクロポンプＰａ内での液体の逆流量が少なくて済むので、ポンプＰｂで送られる第２の液体がポンプＰａ側の流路へ進入する進入量も少なくて済む。
【０１０１】
もしそうでなければ、この進入量の分の液体は、その後の通常送液時の２液混合比を狂わせる原因になるので、その分の液体は廃棄せざるを得なくなり、液体の無駄が生じてしまう。しかし、送液装置ＭＴ’では、一方向気泡トラップＴｒをポンプＰａの上流側の近い位置に設けてあるので、かかる無駄な液体の量は少しで済むようになる。
【０１０２】
気泡は液体供給口Ｌｉ１まで押し戻して排出してしまってもよい。
既述のとおり、装置ＭＴ’では、マイクロポンプＰａ、Ｐｂのそれぞれの上流側だけでなく下流側にも一方向気泡トラップＴｒを設けているので、気泡排出動作時に合流部Ｌ３の方からポンプＰａに逆流してくる液体中に気泡が存在していても、その気泡がポンプＰａ内に混入することを抑制でき、それだけ安心して気泡排除動作を行える。
【０１０３】
前記の気泡排出動作で気泡を排出するには、気泡排出動作時には、気泡が混入したポンプＰａには駆動電圧を全く印加しないという方法が、最も簡易的に考えられる方法である。しかし、気泡の排出をさらに効果的に行うためには、マイクロポンプＰａには気泡排出をアシストするアシスト駆動電圧波形をかけてもよい。
【０１０４】
例えば、マイクロポンプＰａには、マイクロポンプＰｂとは逆向き送液用の、図１０（Ｆ）に例示するような電圧波形を印加する方法である。このような電圧波形を加えると、ポンプＰａのポンプ室ＰＣから気泡が抜け出た瞬間にポンプＰａが気泡の無い状態でのポンプ本来の機能を果たせるようになり、抜け出た気泡を速やかに気泡トラップＴｒまで送り出せるため、気泡排出動作の時間を短縮できる。
【０１０５】
また、ポンプＰａの圧電素子ＰＺＴａには、単にポンプ室ＰＣ内の圧力を増減振動させるためだけの駆動電圧波形をかけ、それによりポンプ室内の気泡を揺らしてポンプ室内壁面から気泡が剥離しやすいようにすることで、ポンプＰｂからの液体の流れにのって気泡を抜けやすくするという方法もある。
【０１０６】
以上、マイクロポンプＰａ中に気泡が存在している場合を例にとって説明したが、マイクロポンプＰｂ中に気泡が存在していても同様に該気泡を排除することができる。
また、マイクロポンプを含む液通路の数が３以上に増えても、同様にポンプ内気泡を排除できる。つまり、いずれのマイクロポンプも気泡排出動作の駆動源になり、気泡排出対象ポンプの側にまわることもある。このことは、各マイクロポンプのサイズが異なっていても成り立つことである。
【０１０７】
以上説明したポンプ内気泡排除は複数のマイクロポンプが並列に配置されている場合のものであるが、図１４（Ａ）に例示するように、複数のマイクロポンプＰａ１〜Ｐａ３が直列に並んでいる場合でも、ポンプ内気泡排除を行える。すなわち、気泡が入ったポンプ室内の気泡を、直列に並んでいる残りのマイクロポンプで押出すことが可能である。
さらに、図１４（Ｂ）に例示するように、直列と並列が混在した複合システムでも気泡が入ったポンプ室内の気泡を同様に排出できる。これら各液通路に属するマイクロポンプは、それぞれ別々の液体を送液するものであってもよいし、そのなかの幾つかの液通路についてはそれに属するポンプの全部が同じ液体を送液するものでもよい。また、小さなマイクロポンプで流量を稼ぐために複数のマイクロポンプを並列配置したものなどでもよい。いずれもポンプ内気泡排除を行える。
【０１０８】
なお、直列配置されたポンプ群についてみれば、ポンプ室に気泡が入ったマイクロポンプ自身にも、残りのポンプと同じように気泡排除のための駆動電圧波形をかけ続けていてもよい。
マイクロポンプの配列と、それらを含んでいる液通路の繋がり方、そしてそれぞれのマイクロポンプ内の液体の種類に関して、任意の組み合わせにおいてポンプ内気泡排除が可能である。
【０１０９】
例えば三つ以上の複数のマイクロポンプが並列に配置されている場合、気泡が入ったマイクロポンプ以外の残りすべてのマイクロポンプを駆動するとポンプ内気泡排除に最も効果的である。しかし、必ずしも残りすべてのマイクロポンプを駆動することが必須というわけではない。例えば、気泡排除用に駆動させるマイクロポンプを予め決めておき、それだけを駆動させてもよい。この時、残りのマイクロポンプは駆動を休んでいてもよいし、或いは残りのマイクロポンプ内の液体が気泡排除用マイクロポンプの発生圧力に負けて押し戻されない程度に微弱な圧力で（例えば、図１０（Ｃ）の電圧波形において電圧を微弱化した駆動波形で）駆動を行っていてもよい。後者の方法にすると、気泡排除動作させているマイクロポンプからの液の逆流入が抑えられるため、混合比率が不適正となって廃棄しなければならない液の量が少なく済み、液体が無駄になることを抑制できる。
ここで説明したことは、図１４（Ｂ）に例示するような複合システムの場合にも、例えば各液通路に属するポンプを一つとみなして同様に適用できる。
【０１１０】
いずれにしても、気泡排出動作は、気泡を適当な気泡検知手段で検知するようにし、該検知手段が気泡を検知すると行ってもよいし、ポンプが動作不良を起こしたことを流量センサーで検知したり、液体混合路の混合生成物の状態などを見て判断して行ってもよい。
【０１１１】
また、かかる検知によらず、定期的に、あるいは随時、気泡排出動作を行ってもよい。この場合、複数のマイクロポンプのうちのどれに気泡が混入しているか分からない。そこで、例えば、気泡の有無は問わずに任意のマイクロポンプを一つだけ選び、選んだマイクロポンプだけを駆動ＯＦＦにして、他のマイクロポンプの駆動をＯＮにするという操作を所定時間行い、これをすべてのマイクロポンプについて行えば、すべてのマイクロポンプの気泡排出が可能になる。
【０１１２】
なお、図１４（Ｂ）に例示するような複合システムの場合も含めて、並列配置のマイクロポンプの個数が多く、且つ、気泡が混入してしまったマイクロポンプの数がその中で大きな割合を占める場合、以上説明した気泡排除方法では気泡排除のために駆動するポンプだけでは、気泡排除のための流量が少ないうえ、その流れが気泡が存在するすべてのマイクロポンプに分散して流れ込んでしまうために、十分な気泡除去能力が得られない可能性がある。このような場合、前記の操作を一通り行っても、すべてのマイクロポンプの気泡を取り除けるとは限らない。
【０１１３】
しかし、一度すべてのマイクロポンプについて前記の操作を行えば、そのうちのいくつかは気泡が抜けきるため、もう一度同じ操作を繰り返し行えば前回よりも気泡が抜ける確率は高くなる。したがって、より確実にすべてのポンプ内の気泡を抜きとるには、前記操作を繰り返し行うことが有効である。
【０１１４】
以上説明した気泡排除においては、気泡排除動作で駆動するマイクロポンプの送液方向はマイクロポンプから液通路の合流部に向かう方向であるが、この方向は各マイクロポンプで統一していれば逆方向でもよい。その場合、マイクロポンプから排出される気泡は合流部方向へ排出される。液体供給口側への気泡の戻りが好ましくないようなシステムの時、このような方法を採用できる。
【０１１５】
先の送液装置ＭＴ’におけるポンプＰａ内からの気泡排除においては液体出口Ｌｏに蓋（栓）をしたが、これに代えて、合流部Ｌ３に続く混合流路Ｌ４の一部に流体弁を設けたり、流路断面積を減少させる機構などを設ける等して、気泡排除動作中には合流部Ｌ３より下流への液体の流れが抑制されるようにそれらを作用させるようにしてもよい。
【０１１６】
合流部Ｌ３から液体出口Ｌｏに至るまでの流路Ｌ４が、ある程度の大きさ以上の流路抵抗値を持っている場合は、前記のように液体出口Ｌｏに蓋をするような工夫をしなくてもよい場合がある。例えば、かかる流路抵抗値がマイクロポンプＰａの流路抵抗の値と同程度の値であれば、マイクロポンプＰｂを駆動して送液される液体のうちの半分の量はマイクロポンプＰａの方向へ送られる。従って、前記流路抵抗値が概ねマイクロポンプＰａの流路抵抗の値と同程度か、或いはそれ以上の値であれば、液体出口Ｌｏに蓋（栓）をしなくてもポンプＰａ内気泡を排除できることになる。
もっとも、前記流路抵抗の値がマイクロポンプＰａの流路抵抗の値より低いからといって、かならずしも液体出口Ｌｏに蓋をするなどが必須条件になるというわけでほない。
【０１１７】
＜マイクロポンプ内気泡排除対象の燃料電池装置＞
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１２及び図１３を参照して説明する。
図１２（Ａ）は燃料電池装置Ｃ１の平面図、図１２（Ｂ）は該装置の側面図、図１２（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図１３（Ａ）は図１２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図１３（Ｂ）は図１２（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図１３（Ｃ）は図１２（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１３（Ｄ）は図１２（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【０１１８】
燃料電池装置Ｃ１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。
【０１１９】
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、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る。ポンプユニットの構成部材を導電性材料製とすることで該電極層を得てもよい。この電極層は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。
【０１２０】
第１ポンプユニット１は、平坦な四角形状の部材１１、１３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１２（Ａ）及び図１３（Ａ）に示すように、下層の部材１３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１３へ向け開放された溝状のものである。
【０１２１】
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、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受入れ部１１６が形成されているとともにその間に図示省略の蓋体（栓）で開閉可能の希釈用液供給口１１５が貫通形成されている。希釈用液受入れ部１１６は下層部材１３へ向け開放された凹所状のものである。
【０１２２】
また、液体原燃料供給路１１１におけるポンプＰ１より上流側部分及び下流側部分のそれぞれに一方向気泡トラップＴｒ１１、Ｔｒ１２が設けられているとともに、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側部分及び下流側部分のそれぞれに一方向気泡トラップＴｒ１３、Ｔｒ１４が設けられている。なお、図１２、図１３では、これら一方向気泡トラップは鎖線楕円で簡略化して示してある。
【０１２３】
これら一方向気泡トラップはいずれも図１に示す送液装置ＭＴ’における一方向気泡トラップＴｒと同構造のものであり、いずれもポンプＰ１、Ｐ２へ向かう流れの液中の気泡を捕捉できるように設けてある。なお、これら一方向気泡トラップのそれぞれは図２から図８に示されるいずれかのトラップ構造に置き換えることもできる。
【０１２４】
部材１３は、図３（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１３１を有しているとともに該複数本の通路１３１に連通する共通の凹所状の希釈液体燃料通路１３２を有している。通路１３２から部材１１側へ貫通孔１３３が形成されている。貫通孔１３３は部材１１の液体混合路１１３に連通している。
【０１２５】
部材１３には、さらに、各通路１３１を部材外部へ連通させる溝状のガス抜き孔１３４が形成されており、ガス抜き孔１３４の間には貫通孔１３５が形成されている。貫通孔１３５は部材１１の希釈用液受入れ部１１６に連通しているとともに電池３の貫通液体通路３４（図１２（Ｂ）参照）に連通している。ガス抜き孔１３４は燃料極側で生成される炭酸ガスの放出に用いられる。
【０１２６】
以上のほか、部材１１、１３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１３１（図１３（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。
【０１２７】
第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１、２３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１３（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）及び電池の燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた液体（水或いは水等）を通すための通路、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２３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り孔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。
【０１２８】
部材２３は、図１２（Ｃ）及び図１３（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２３１を有している。液体回収路２３１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）及び電池の燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた液体を回収するものである。液体回収路２３１のポンプＰ３より上流側の端には凹所状の液体受入れ部２３２が形成されており、ポンプＰ３より下流側の端には液体排出部２３３が形成されている。液体受入れ部２３２は部材２１の貫通孔２１３に連通しており、液体排出部２３３は部材２１の貫通孔２１５に連通している。液体排出部２３３は空気極側で生成される水や燃料極側からの移動水を部材２１の貫通孔２１５へ供給する。なお、例えば液体排出部２３３等に液放出口を設けておいて、該放出口から原燃料の希釈に要するより過剰の水を外部へ放出できるようにしてもよい。後述するポンプＰ３内気泡の排除にあたっては該放出口を閉じればよい。
【０１２９】
また、液体回収路２３１におけるポンプＰ３より上流側部分及び下流側部分のそれぞれに一方向気泡トラップＴｒ２１、Ｔｒ２２が設けられている。なお、図１２、図１３では、これら一方向気泡トラップは鎖線楕円で簡略化して示してある。
これら一方向気泡トラップも、図１に示す送液装置ＭＴ’における一方向気泡トラップＴｒと同構造のものであり、いずれもポンプＰ３へ向かう流れの液中の気泡を捕捉できるように設けてある。なお、これら一方向気泡トラップのそれぞれは図２から図８に示されるいずれかのトラップ構造に置き換えることもできる。
【０１３０】
以上のほか、部材２１、２３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１３（Ｄ）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。
【０１３１】
ポンプユニット２における部材２３の液体排出部２３３、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１３の貫通孔１３５及び部材１１の希釈用液受入部１１６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第１ポンプユニット１へ供給する循環路３０を形成している（図１２（Ｂ）参照）。
【０１３２】
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１０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。
【０１３３】
第１ポンプユニット１の部材１１における液体燃料供給口１１４には図示省略のカートリッジタイプの液体燃料収容容器を交換可能に接続できる。また、希釈用液供給口１１５は必要に応じ、開くことができ、そこから希釈用液（ここでは水）を供給したりできる。マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、それらの圧電素子にポンプ駆動部５（図１２（Ｂ）参照）から所定電圧を印加して駆動可能である。
【０１３４】
燃料電池装置Ｃ１によると、第１ポンプユニット１に液体燃料収容容器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
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、該電池３に接続した負荷Ｌに通電することができる。
【０１３５】
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る液体原燃料（メタノール含有液）と、希釈用液供給口１１５から供給される希釈用液との混合による希釈液体燃料であるが、その後、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水及び燃料極側から電解質膜３１を通過して移動してきた水が第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、液体燃料収容容器から供給される液体原燃料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水で混合希釈し、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、第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１に供給される水のうち過剰の水は供給口１１５を通じて外部に排出される。供給口１１５に希釈用液を収容する容器を接続している場合はこの容器に回収するようにしてもよい。
【０１３６】
燃料電池装置を希釈用液循環型の燃料電池装置とすると、常に新しい液体を電池３へ供給する場合と比べて、各マイクロポンプへの気泡の混入の危険性が高くなる。これは、燃料電池の反応が気液２相反応であるため、反応に用いるための空気や、反応によって生成した炭酸ガスが水中に混在したまま循環してくる可能性があるからである。
【０１３７】
しかしここでの燃料電池装置Ｃ１では、ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの上流側、下流側に一方向気泡トラップを設けて液体中の気泡がポンプ内へ混入することを抑制しているので、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所定濃度及び量の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。
【０１３８】
また、燃料電池装置Ｃ１では、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を電池本体３外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池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薄形、小形に形成することができ、例えば、携帯用機器の電源としても利用可能である。
【０１３９】
なお、燃料電池装置Ｃ１のマイクロポンプユニット１、２の一方向気泡トラップＴｒ１１〜Ｔｒ１４、Ｔｒ２１〜Ｔｒ２１に捕捉された気泡は、メンテナンスモードで各ポンプを逆方向に駆動したり、図示省略の外部吸引機構でガス抜き孔１３４、２１４等から吸引したり、原燃料供給口１１４、希釈用液受入れ部１１５等から吸引したりして、外部へ排出できる。
【０１４０】
一方向気泡トラップの気泡トラップ部等に気泡抜き孔を形成しておいて、溜まった気泡をその場で該孔から外部へ排出してしまう方法も有効である。燃料電池装置Ｃ１では、空気極側で生成された水が第２ポンプユニット２のポンプＰ３へ流れ込むときに、最も気泡混入の危険性が懸念される。そこで、ポンプＰ３の上流側の気泡トラップＴｒ２１にはかかる気泡抜き孔を設けるなどして、他の気泡トラップ部からよりも、溜まった気泡を排出しやすいようにしてもよい。
【０１４１】
燃料電池装置Ｃ１では、第２ポンプユニット２で回収される水の量は、ポンプユニット１での原燃料希釈に要する水量より過剰になる傾向がある。従って、余分な水は外部へ放出できるようにしておくことが好ましく、そのために、例えば、気泡トラップＴｒ２１に対して気泡抜き孔を設けておき、且つ、該孔は大きめに形成しておき、該孔から水と一緒に気泡を排出できるようにしてもよい。そうすれば、気泡のみを選択的に排出するよりも、容易に気泡を排出できる。
【０１４２】
燃料電池装置Ｃ１は、電池３の空気極３３側で生成される液体（水）を原燃料希釈用の液として循環使用するものであり、ポンプユニット２からポンプユニット１へ供給される希釈用液のうち過剰のものは供給口１１５を通じて排出又は回収されるようにしているが、空気極３３側で生成される水は、第２ポンプユニット２から図示省略の生成水回収通路、例えば第１ポンプユニット１、電池３及び第２ポンプユニット２の積層体に設けた生成水回収通路を介して図示省略の回収タンクへ回収するようにしてもよい。さらに、該回収タンクから第１ポンプユニット１へ希釈用液を供給するようにしてもよい。また、ポンプユニット１の希釈液体燃料通路へ供給される希釈液体燃料のうち過剰のものは、そこから図示省略の排出通路を介してポンプユニット１外へ排出するようにしてもよい。さらにこのようにして排出される過剰希釈液体燃料は回収タンクへ回収するようにしてもよい。
【０１４３】
＜燃料電池装置Ｃ１のマイクロポンプからの気泡排除方法＞
まず、マイクロポンプユニット１のマイクロポンプＰ１、Ｐ２のいずれかに気泡が混入してしまった場合の気泡排除方法について説明する。
図１２、図１３に示す燃料電池装置Ｃ１ではマイクロポンプＰ１、Ｐ２は並列関係にあり、これらポンプを含む液供給路１１１、１１２は混合路１１３へ合流して、電池燃料極３２に臨む希釈液体燃料通路１３２、１３１へ連通している。ポンプユニット１にはガス抜き孔１３４があるが、液体が外部に流れ出す開口部はない。従って、希釈液体燃料通路１３２、１３１へ流れ込んだ希釈液体燃料は燃料電池３の燃料極３２で化学反応で消費されるか、電解質膜３１を通過して空気極３３側へ染み出すしか逃げ道がない。
【０１４４】
従って、第２ポンプユニット２におけるマイクロポンプＰ３を相対的に吐出圧力が強くなるように駆動して、マイクロポンプＰ１の駆動を止めた場合、マイクロポンプＰ２から流れ出た液体の一部は混合路１１３を通ってマイクロポンプＰ１の方向に流れることになる。このようにしてポンプＰ１に液体を逆流させることで、ポンプＰ１内に混入した気泡を液体原燃料の供給口１１４の方へ排除することができる。
マイクロポンプＰ２に気泡が混入した場合も、ポンプＰ２の駆動を止めることでポンプＰ２に液体を逆流させて該気泡を希釈用液供給口１１５の方へ排除することができる。
【０１４５】
また、空気極側で生成された水を排出、循環させるための第２ポンプユニット２におけるマイクロポンプＰ３はポンプユニット１におけるポンプＰ２と直列配置関係にある。これら二つのマイクロポンプＰ２、Ｐ３間をつなぐ流路は、外部から水を供給するための供給口１１５やユニット２の部材２３における液体排出部２３３などが大気に連通していれば、互いのマイクロポンプの力が及ばない可能性がある。そこで、例えばマイクロポンプＰ３のポンプ室内に気泡が混入した場合は、該供給口１１５など大気に通じる部分を閉じてからポンプＰ２を逆方向に駆動すればよい。そうすれば、互いのマイクロポンプの間で力が直接働きあうようになるので、ポンプＰ２を逆駆動することによってポンプＰ３のポンプ室内の気泡を抜くことができる。
【０１４６】
本発明に係る送液装置や燃料電池装置おけるマイクロポンプ内の気泡の排除はポンプ駆動部の指示のもとになされるように該駆動部を構成しておけばよいのであるが、かかる気泡排除のための駆動部の動作の１例を図１５を参照して説明しておく。
図１５（Ａ）のフローチャートに示すように、駆動部は、図示省略の気泡センサによる気泡検知やタイマの予め定めた時間のカウントアップ等に応じて、気泡排除動作を開始させる必要があれば（ステップＳ１でＹＥＳ）、ポンプ群に気泡排除動作を行わせる（ステップＳ２）。気泡排除動作が終了したのち、ポンプ群に通常動作を行わせる（ステップＳ３）。通常動作は終了の指示など終了する必要が生じるまで継続され、必要に応じて気泡排除動作が逐次実行される（ステップＳ４）。気泡排除動作は、図１５（Ｂ）に示すサブルーチンを実行することで行われる。すなわち、ステップＳ２１に示すように、複数ポンプのうち特定のものを気泡排除動作させ、残りのポンプを大気状態（休止或いは微弱電圧による駆動）とする。気泡排除動作が完了（センサ等で気泡排除完了を確認してもよいし、気泡が抜けるに十分な時間の経過により完了したとしてもよい）すれば（ステップＳ２２でＹＥＳ）、気泡排除処理が必要な他のポンプがある場合（ステップＳ２３でＮＯ）、気泡排除動作させるポンプと待機状態にするポンプを適宜切り換えて（ステップＳ２４）、ステップＳ２１に戻り同様の動作を実行する。必要なすべてのポンプについて気泡排除を行う処理を再度実行する必要があるときは（ステップＳ２５でＹＥＳ）、ステップＳ２１に戻って同様の動作を再実行する。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明の気泡排除方法は、マイクロポンプを用いて送液する送液装置や燃料電池装置に適用してそれらの所期の性能を発揮させることに利用できる。
なお、送液装置は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、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】
【０１４８】
【図１】本発明に係る気泡排除方法の実施対象である送液装置の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】一方向気泡トラップの他の例を示す図である。
【図３】一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。
【図４】一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。
【図５】一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。
【図６】一方向気泡トラップの配置の他の例を示す図であり、図６（Ａ）はその平面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＺ１−Ｚ１線に沿う切断端面図である。
【図７】一方向気泡トラップの配置のさらに他の例を示す図であり、図７（Ａ）はその平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＺ２−Ｚ２線に沿う切断端面図である。
【図８】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８（Ａ）はその平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＺ３−Ｚ３線に沿う切断端面図である。
【図９】送液装置の基本構造例を示すもので、図９（Ａ）その平面図、図９（Ｂ）はその側面図、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１０】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１０（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図１０（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図１０（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１０（Ｄ）は図１０（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図１０（Ｅ）は図１０（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図１０（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】図９に示す送液装置の製造工程例を示す図である。
【図１２】本発明に係る気泡排除方法の実施対象である燃料電池装置の１例を示すもので、図１２（Ａ）はその平面図、図１２（Ｂ）はその側面図、図１２（Ｃ）はその底面図である。
【図１３】図１３（Ａ）は図１２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図１３（Ｂ）は図１２（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図１３（Ｃ）は図１２（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１３（Ｄ）は図１２（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】（Ａ）、（Ｂ）はマイクロポンプ配列の他の例を示す図である。
【図１５】ポンプ駆動部の気泡排除のための動作の１例を示すフローチャートである。
【図１６】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】
【０１４９】
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
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
Ｈ 気泡抜き用孔（気泡排除孔）
ＡＲ 気泡貯留部
Ｃ１ 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
Ｐ１、Ｐ２ マイクロポンプ
１１１ 液体原燃料供給路
１１２ 希釈用液供給路
１１３ 液体混合路
１１４ 液体燃料供給口
１１５ 希釈用液供給口
１１６ 希釈用液受入れ部
Ｔｒ１１〜Ｔｒ１４ 一方向気泡トラップ
１３ ポンプユニット１の部材
１３１、１３２ 希釈液体燃料通路
１３３ 貫通孔
１３４ ガス抜き孔
１３５ 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
２３ ポンプユニット２の部材
Ｐ３ マイクロポンプ
２３１ 液体回収路
２３２ 液体受入れ部
２３３ 液体排出部
Ｔｒ２１、Ｔｒ２２ 一方向気泡トラップ
３ 燃料電池
３１ 電解質膜
３２ 燃料極
３３ 空気極
３４ 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
【技術分野】
【０００１】
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応用した燃料電池装置におけるマイクロポンプ内の気泡をポンプ外へ排除する気泡排除方法並びに送液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、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。
【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、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。
【０００６】
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。
【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。
【００１０】
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。
【００１１】
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から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。
【００１２】
１例として図１６の発電システムを示すことができる。図１６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移動してきた液はポンプ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燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【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水）の送液及び合流による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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
このような気泡を排除する方法として、外部に吸引機構を設けて吸引する方法が考えられる。しかし、この方法だとマイクロポンプを含む機器全体の大型化が避けられず、コストも高くなる。
【００２１】
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。
【００２２】
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１５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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、マイクロポンプ、例えば特開２００１−３２２０９９号公報等に記載されたマイクロポンプを利用して液体原燃料（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ポンプユニットを電池本体に積層することが考えられる。このポンプユニットによると、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を電池本体外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池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形に形成することができ、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）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ポンプユニットを電池本体に積層すると、該ポンプ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。
【００３０】
そこで本発明は、複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を簡易に排除できる送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法及び該方法を実施できる送液装置を提供することを課題とする。
【００３１】
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、ポンプを用いて液体原燃料及び希釈用液を送り、それらを合流混合させて希釈液体燃料とし、それを燃料電池へ供給する燃料電池装置におけるポンプ内気泡の排除方法であって、燃料電池装置自身のコンパクト化、小形化を達成しつつ、ポンプ内気泡を簡易に排除できる燃料電池装置のポンプ内気泡の排除方法及び該方法を実施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】
【００３２】
前記課題を解決するため本発明は次の送液装置、燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法並びに送液装置及び燃料電池装置を提供する。
（１）送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を排除する方法であり、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで、該気泡を排除する送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【００３３】
この気泡排除方法によると、既に備わっているマイクロポンプを用いて気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡を該ポンプ外へ簡易に排除できる。
【００３４】
送液装置における複数のマイクロポンプの配置態様は送液装置の用途等に応じて任意に決定できるが、例えば、２液以上の液体の混合や、希釈等の目的の送液装置として、複数のマイクロポンプを並列に配置し、それぞれのマイクロポンプで液を送って合流部で合流させて送る送液装置を例示できる。
【００３５】
かかる送液装置の場合、該並列に配置されたいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡をポンプ外へ排除するにあたっては、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して前記合流部を介して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除することができる。
【００３６】
また、気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないでおいてもよく、或いは該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動してもよい。後者の場合には、より確実に気泡を排除でき、また、気泡排除時間を短縮できる。
【００３７】
前記送液装置は各マイクロポンプに連通する前記合流部より下流側へ延びる液通路を有していてもよい。その場合、より確実に気泡を排除するために、該合流部より下流側へ延びる液通路の流路抵抗の値を前記気泡排除対象マイクロポンプの流路抵抗の値と同程度か、又はそれより大きくしてもよい。或いは、該合流部より下流側へ延びる液通路に液体の流れを抑制するための液流抑制手段を設け、前記気泡排除対象マイクロポンプから気泡を排除するにあたり、該液流抑制手段により前記合流部下流側への液流れを抑制してもよい。
【００３８】
かかる液流抑制手段としては、前記合流部より下流側へ延びる液通路の開口を閉じることができる蓋体、該液通路を閉じることができる流体弁、該液通路の流路断面積を減少させ得る絞り機構から選ばれた少なくとも一つを例示できる。
【００３９】
いずれにしても送液装置は、少なくとも一つのマイクロポンプについて、より好ましくは各マイクロポンプについて該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものとしてもよい。その場合、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設け、該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が、該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一方向気泡トラップとすればよい。
【００４０】
かかる一方向気泡トラップがあることで、マイクロポンプ外へ排除された気泡は該一方向気泡トラップに捕捉され、再びマイクロポンプ内へ混入することが抑制される。
【００４１】
前記マイクロポンプとしては、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を例示できる。送液装置におけるマイクロポンプのうち少なくとも一つをこのようなマイクロポンプとしてもよい。
【００４２】
（２）燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
本発明の気泡排除方法実施の対象となる燃料電池装置は、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ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有している燃料電池装置である。
【００４３】
かかる燃料電池装置において、第１マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する。
【００４４】
前記燃料電池装置はさらに燃料電池の空気極に積層された第２ポンプユニットを含んでいてもよい。該第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前記希釈用液として前記第１ポンプユニットの希釈用液供給路へ循環させるためのユニットであり、少なくとも電気化学反応による生成液体を回収する第３のマイクロポンプを含む生成液回収路を有しているものである。該第３マイクロポンプ内気泡を排除するにあたっては、前記第１ポンプユニットの第２マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動させればよい。なお、第２ポンプユニットは、さらに、燃料極側から電解質膜等の部材を通過して空気極側へ移動してきた液体も希釈用液として回収するものであってもよい。
【００４５】
いずれにしても、既に備わっているマイクロポンプを用いて気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡を該ポンプ外へ簡易に排除できる。この気泡排除方法を、マイクロポンプ内に気泡が存在するようになったとき、或いは随時又は定期的に実施することで、使用液体中の気泡の影響を抑制して所定濃度及び量の希釈液体燃料を電池へ安定的に供給でき、それだけ発電性能を良好に維持できる。
【００４６】
また、ここでの燃料電池装置は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を電池本体外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池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形に形成することができ、例えば、携帯機器用の電源としても利用可能である。
【００４７】
このように、燃料電池装置のコンパクト化、小形化を達成しつつポンプ内気泡を簡易に排除できる。
【００４８】
なお、気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないでおいてもよく、或いはより確実に気泡を排除し、また、気泡排除時間を短縮するために該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動してもよい。
【００４９】
また、燃料電池装置は、少なくとも一つのマイクロポンプについて、より好ましくは各マイクロポンプについて、該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものでもよい。その場合、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設け、該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が、該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一方向気泡トラップとすればよい。
【００５０】
かかる一方向気泡トラップがあることで、マイクロポンプ外へ排除された気泡は該一方向気泡トラップに捕捉され、再びマイクロポンプ内へ混入することが抑制される。
【００５１】
マイクロポンプとしては、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を例示できる。送液装置におけるマイクロポンプのうち少なくとも一つをこのようなマイクロポンプとしてもよい。
【００５２】
本発明は前記気泡排除方法を実施できる次の送液装置及び燃料電池装置も提供する。
（３）送液装置
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置であって、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えた送液装置。
（４）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って、該燃料電池と、該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有しており、さらに、第１マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えている燃料電池装置。
【発明の効果】
【００５３】
以上説明したように本発明によると、複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を簡易に排除できる送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法、及び該マイクロポンプ内の気泡を簡易に排除できる送液装置を提供することができる。
また本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、ポンプを用いて液体原燃料及び希釈用液を送り、それらを合流混合させて希釈液体燃料とし、それを燃料電池へ供給する燃料電池装置におけるポンプ内気泡の排除方法であって、燃料電池装置自身のコンパクト化、小形化を達成しつつ、ポンプ内気泡を簡易に排除できる燃料電池装置のポンプ内気泡の排除方法、及び燃料電池装置自身のコンパクト化、小形化を達成しつつポンプ内気泡を簡易に排除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】
【００５４】
＜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のマイクロポンプ内気泡の排除方法等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９及び図１０を参照して説明する。
図９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９（Ａ）は装置ＭＴの平面図であり、図９（Ｂ）は同装置の側面図であり、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【００５５】
図９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。
【００５６】
流路Ｌ１〜Ｌ４の深さは例えば１７０μｍであり、流路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４の幅は例えば１５０μｍ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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
その具体例を図１０を参照して説明する。
図１０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。
【００６０】
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。
【００６１】
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１０（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。
【００６２】
図１０（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。
【００６３】
図１０（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。
【００６４】
また、図１０（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１０（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１０（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。
【００６５】
図９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。
【００６６】
送液装置ＭＴは例えば図１１に示す工程により薄型、小形に形成できる。図１１は図９（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
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一方向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。
【００７０】
＜マイクロポンプ内気泡排除対象の送液装置＞
次に図１を参照してマイクロポンプ内気泡排除対象の送液装置の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９に示す送液装置ＭＴに一方向気泡トラップＴｒ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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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（Ｐａ）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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
ここで、気泡が段差部５２０’を乗り越えられるかどうかは、該段差部での液体流速に大きく依存するが、この送液装置ＭＴ’では、トラップＴｒにおける第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（２５μｍ×５００μｍ）に対し第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（２５μｍ×２５μｍ）は２０分の１と小さく形成されているので、同じ流量で比較すると境界部５２１、５２２では流速も２０倍異なることになる。従って、ポンプへ向かう方向の液体中の気泡のみ捕捉される。
【００７９】
エタノールを用いた実験では、ポンプに近づく方向に対しては３００ｎＬ（ナノリットル）／ｓｅｃ以上の流量でも気泡はトラップされて動かなかったが、ポンプから遠ざかる方向への流れでは、１００ｎＬ／ｓｅｃにも満たない流量でも気泡が通過できることが繰り返し確認された。
【００８０】
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かった。
【００８１】
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。
【００８２】
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２から図５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。
【００８３】
図２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３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。
【００８４】
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３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。
【００８５】
図５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。
【００８６】
なお、図２から図５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２から図５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。
【００８７】
送液装置ＭＴ’では一方向気泡トラップＴｒは各マイクロポンプの両側に一つずつ設けられているだけであるが、少なくとも一つのマイクロポンプについて、マイクロポンプ両側の液通路のうち少なくとも一方に、一方向気泡トラップが複数直列配置で設けられていてもよい。
例えば図６（Ａ）に示すように、図１に示すタイプのトラップＴｒを向きを同じにして複数個直列に配置する場合を挙げることができる。なお図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＺ１−Ｚ１線に沿う切断端面図である。
このようにすると、もし一つのトラップＴｒをすり抜けた気泡があったとしても、次の気泡トラップ部で捕捉することができる。
【００８８】
さらに、直列配置された複数の一方向気泡トラップは、マイクロポンプから遠い方のトラップから近い方のトラップへ、気泡をトラップする部分の流路断面積が段階的に小さくされていてもよい。
例えば図７（Ａ）に示すように、図６（Ａ）に示す複数の直列配置の気泡トラップＴｒの大きさをポンプに近いものほど順次小さくした場合を挙げることができる。なお、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＺ２−Ｚ２線に沿う切断端面図である。
このようにすることで、まず流路断面の大きなトラップ部で大きな気泡をトラップし、ポンプに近いところで小さな気泡をトラップすることができる。また、ポンプから遠いトラップ部の断面積を広げておくことで、ポンプから遠いところで、できるだけ多くの気泡をトラップしておく空間を提供することもできる。
【００８９】
上記のような、同一方向の複数の直列トラップ構造は、図１に示すタイプのトラップＴｒばかりを直列配置するものだけでなく、かかるトラップＴｒの他、図２から図５のそれぞれに示される構造の一方向気泡トラップも採用対象に含めて、これらから選択した一方向気泡トラップを組み合わせてもよい。
例えば、図５に示すような左右非対称のトラップを、左寄りのものと右寄りのものを交互に配置するという方法も考えられる。このようにすると、流路中で左右どちらかに偏った気泡についても、より確実にトラップできる。
【００９０】
送液装置ＭＴ’においては、一方向気泡トラップＴｒのうち少なくとも一つについて、該一方向気泡トラップにおける気泡トラップ部分に連通すの気泡抜き用孔又は該一方向気泡トラップを間にしてマイクロポンプとは反対側に位置する液通路部分に連通する気泡抜き用孔を形成しておいてもよい。
かかる気泡抜き用孔を設けておくことで、メインテナンスモード等において該孔から気泡を外部へ吸引することが可能になる。
【００９１】
気泡抜き用孔は次のように設けてもよい。すなわち、図８（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８（Ｂ）は図８（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。孔Ｈは換言すれば気泡排除孔である。
【００９２】
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。
【００９３】
気泡排除孔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。この孔Ｈに着脱式の蓋（図示省略）を設けておけば、非使用時の液漏れや流路の乾燥、空気の混入などを防げる。また、この蓋をメンテナンス時以外のポンプ動作時には閉めておけば、液体に加わる圧力で液体が漏れ出すことも防止できる。
【００９４】
気泡貯留部ＡＲに溜まった気泡は、孔Ｈの外部に設けた図示省略の吸引装置によって吸引することができる。或いは、ポンプ駆動開始時に孔Ｈの蓋を開けていれば、一定量以上溜まった気泡は勝手に孔Ｈから排出される。或いは、メンテナンス時に通常動作時よりも気泡貯留部ＡＲに大きい圧力がかかるようなポンプ動作を行わせて気泡を排除することもできる。
【００９５】
＜送液装置ＭＴ’のマイクロポンプからの気泡排除方法＞
以上説明したように送液装置ＭＴ’では、一方向気泡トラップＴｒが設けられていることでポンプＰａ、Ｐｂへの気泡混入を抑制できるが、もし、マイクロポンプＰａ、Ｐｂのいずれかでポンプ室ＰＣ中に気泡が存在するようになってしまった場合でも、該気泡をポンプ室から排除することが可能である。以下、ポンプ内気泡の排除方法について説明する。
【００９６】
例えばマイクロポンプＰａにある大きさ以上の気泡が混入した場合、該ポンプを駆動しても気泡が圧力ダンパーとして働くので液体は流れにくくなり、液体中の気泡もその場に滞留したまま動かなくなってしまう。かかるポンプＰａ中の気泡は、並列に配置されているもう一つのマイクロポンプＰｂを駆動したときに生じる液流を利用して排除できる。
【００９７】
具体的には、例えば、マイクロポンプＰｂを所定の駆動波形（図１０（Ｃ）の交番電圧波形）で駆動することによって、ポンプＰｂから合流部Ｌ３の方へ液体を送液する。この時、合流部Ｌ３より下流側の液体出口Ｌｏに蓋（栓）をしておく。
そうすると、ポンプＰｂから送り出された液体は、合流部Ｌ３を通ってマイクロポンプＰａに流れ込む。この流れによって、ポンプＰａのポンプ室ＰＣ内に滞留した気泡を液体供給口Ｌｉ１の方向へ逆流させて押し出すことができる。
【００９８】
このとき、少なくとも、押し出された気泡がポンプＰａの上流側（液体供給口側）の一方向気泡トラップＴｒを通り抜けてポンプＰａから離れた流路に押し出されるまで気泡排出動作を行う。
気泡は、一旦気泡トラップＴｒよりも上流側に押し出されれば、再び液体が正規送液方向ＬＤに送液された場合にも、その気泡は該気泡トラップＴｒに捕捉されるために、再びポンプＰａ内へ混入することが抑制される。
【００９９】
かかる気泡排除によると、気泡排出動作時に気泡を液体供給口Ｌｉ１まで完全に押し戻す必要がないので、液体の逆流送液量は僅かでもよく、それだけ気泡排出動作時間を短縮できる。また、逆流させる液量が少なくて済むので、液体の無駄も少なく済むという利点もある。
【０１００】
つまり、例えば、送液装置ＭＴ’を２液混合装置として用いる場合、気泡排出動作時には、第２の液体で第１の液体を押すことになり、第２の液体が合流部Ｌ３を通ってポンプＰａ側の流路の途中まで進入することになる。この時、既述した一方向気泡トラップＴｒを設けてあるので、マイクロポンプＰａ内での液体の逆流量が少なくて済むので、ポンプＰｂで送られる第２の液体がポンプＰａ側の流路へ進入する進入量も少なくて済む。
【０１０１】
もしそうでなければ、この進入量の分の液体は、その後の通常送液時の２液混合比を狂わせる原因になるので、その分の液体は廃棄せざるを得なくなり、液体の無駄が生じてしまう。しかし、送液装置ＭＴ’では、一方向気泡トラップＴｒをポンプＰａの上流側の近い位置に設けてあるので、かかる無駄な液体の量は少しで済むようになる。
【０１０２】
気泡は液体供給口Ｌｉ１まで押し戻して排出してしまってもよい。
既述のとおり、装置ＭＴ’では、マイクロポンプＰａ、Ｐｂのそれぞれの上流側だけでなく下流側にも一方向気泡トラップＴｒを設けているので、気泡排出動作時に合流部Ｌ３の方からポンプＰａに逆流してくる液体中に気泡が存在していても、その気泡がポンプＰａ内に混入することを抑制でき、それだけ安心して気泡排除動作を行える。
【０１０３】
前記の気泡排出動作で気泡を排出するには、気泡排出動作時には、気泡が混入したポンプＰａには駆動電圧を全く印加しないという方法が、最も簡易的に考えられる方法である。しかし、気泡の排出をさらに効果的に行うためには、マイクロポンプＰａには気泡排出をアシストするアシスト駆動電圧波形をかけてもよい。
【０１０４】
例えば、マイクロポンプＰａには、マイクロポンプＰｂとは逆向き送液用の、図１０（Ｆ）に例示するような電圧波形を印加する方法である。このような電圧波形を加えると、ポンプＰａのポンプ室ＰＣから気泡が抜け出た瞬間にポンプＰａが気泡の無い状態でのポンプ本来の機能を果たせるようになり、抜け出た気泡を速やかに気泡トラップＴｒまで送り出せるため、気泡排出動作の時間を短縮できる。
【０１０５】
また、ポンプＰａの圧電素子ＰＺＴａには、単にポンプ室ＰＣ内の圧力を増減振動させるためだけの駆動電圧波形をかけ、それによりポンプ室内の気泡を揺らしてポンプ室内壁面から気泡が剥離しやすいようにすることで、ポンプＰｂからの液体の流れにのって気泡を抜けやすくするという方法もある。
【０１０６】
以上、マイクロポンプＰａ中に気泡が存在している場合を例にとって説明したが、マイクロポンプＰｂ中に気泡が存在していても同様に該気泡を排除することができる。
また、マイクロポンプを含む液通路の数が３以上に増えても、同様にポンプ内気泡を排除できる。つまり、いずれのマイクロポンプも気泡排出動作の駆動源になり、気泡排出対象ポンプの側にまわることもある。このことは、各マイクロポンプのサイズが異なっていても成り立つことである。
【０１０７】
以上説明したポンプ内気泡排除は複数のマイクロポンプが並列に配置されている場合のものであるが、図１４（Ａ）に例示するように、複数のマイクロポンプＰａ１〜Ｐａ３が直列に並んでいる場合でも、ポンプ内気泡排除を行える。すなわち、気泡が入ったポンプ室内の気泡を、直列に並んでいる残りのマイクロポンプで押出すことが可能である。
さらに、図１４（Ｂ）に例示するように、直列と並列が混在した複合システムでも気泡が入ったポンプ室内の気泡を同様に排出できる。これら各液通路に属するマイクロポンプは、それぞれ別々の液体を送液するものであってもよいし、そのなかの幾つかの液通路についてはそれに属するポンプの全部が同じ液体を送液するものでもよい。また、小さなマイクロポンプで流量を稼ぐために複数のマイクロポンプを並列配置したものなどでもよい。いずれもポンプ内気泡排除を行える。
【０１０８】
なお、直列配置されたポンプ群についてみれば、ポンプ室に気泡が入ったマイクロポンプ自身にも、残りのポンプと同じように気泡排除のための駆動電圧波形をかけ続けていてもよい。
マイクロポンプの配列と、それらを含んでいる液通路の繋がり方、そしてそれぞれのマイクロポンプ内の液体の種類に関して、任意の組み合わせにおいてポンプ内気泡排除が可能である。
【０１０９】
例えば三つ以上の複数のマイクロポンプが並列に配置されている場合、気泡が入ったマイクロポンプ以外の残りすべてのマイクロポンプを駆動するとポンプ内気泡排除に最も効果的である。しかし、必ずしも残りすべてのマイクロポンプを駆動することが必須というわけではない。例えば、気泡排除用に駆動させるマイクロポンプを予め決めておき、それだけを駆動させてもよい。この時、残りのマイクロポンプは駆動を休んでいてもよいし、或いは残りのマイクロポンプ内の液体が気泡排除用マイクロポンプの発生圧力に負けて押し戻されない程度に微弱な圧力で（例えば、図１０（Ｃ）の電圧波形において電圧を微弱化した駆動波形で）駆動を行っていてもよい。後者の方法にすると、気泡排除動作させているマイクロポンプからの液の逆流入が抑えられるため、混合比率が不適正となって廃棄しなければならない液の量が少なく済み、液体が無駄になることを抑制できる。
ここで説明したことは、図１４（Ｂ）に例示するような複合システムの場合にも、例えば各液通路に属するポンプを一つとみなして同様に適用できる。
【０１１０】
いずれにしても、気泡排出動作は、気泡を適当な気泡検知手段で検知するようにし、該検知手段が気泡を検知すると行ってもよいし、ポンプが動作不良を起こしたことを流量センサーで検知したり、液体混合路の混合生成物の状態などを見て判断して行ってもよい。
【０１１１】
また、かかる検知によらず、定期的に、あるいは随時、気泡排出動作を行ってもよい。この場合、複数のマイクロポンプのうちのどれに気泡が混入しているか分からない。そこで、例えば、気泡の有無は問わずに任意のマイクロポンプを一つだけ選び、選んだマイクロポンプだけを駆動ＯＦＦにして、他のマイクロポンプの駆動をＯＮにするという操作を所定時間行い、これをすべてのマイクロポンプについて行えば、すべてのマイクロポンプの気泡排出が可能になる。
【０１１２】
なお、図１４（Ｂ）に例示するような複合システムの場合も含めて、並列配置のマイクロポンプの個数が多く、且つ、気泡が混入してしまったマイクロポンプの数がその中で大きな割合を占める場合、以上説明した気泡排除方法では気泡排除のために駆動するポンプだけでは、気泡排除のための流量が少ないうえ、その流れが気泡が存在するすべてのマイクロポンプに分散して流れ込んでしまうために、十分な気泡除去能力が得られない可能性がある。このような場合、前記の操作を一通り行っても、すべてのマイクロポンプの気泡を取り除けるとは限らない。
【０１１３】
しかし、一度すべてのマイクロポンプについて前記の操作を行えば、そのうちのいくつかは気泡が抜けきるため、もう一度同じ操作を繰り返し行えば前回よりも気泡が抜ける確率は高くなる。したがって、より確実にすべてのポンプ内の気泡を抜きとるには、前記操作を繰り返し行うことが有効である。
【０１１４】
以上説明した気泡排除においては、気泡排除動作で駆動するマイクロポンプの送液方向はマイクロポンプから液通路の合流部に向かう方向であるが、この方向は各マイクロポンプで統一していれば逆方向でもよい。その場合、マイクロポンプから排出される気泡は合流部方向へ排出される。液体供給口側への気泡の戻りが好ましくないようなシステムの時、このような方法を採用できる。
【０１１５】
先の送液装置ＭＴ’におけるポンプＰａ内からの気泡排除においては液体出口Ｌｏに蓋（栓）をしたが、これに代えて、合流部Ｌ３に続く混合流路Ｌ４の一部に流体弁を設けたり、流路断面積を減少させる機構などを設ける等して、気泡排除動作中には合流部Ｌ３より下流への液体の流れが抑制されるようにそれらを作用させるようにしてもよい。
【０１１６】
合流部Ｌ３から液体出口Ｌｏに至るまでの流路Ｌ４が、ある程度の大きさ以上の流路抵抗値を持っている場合は、前記のように液体出口Ｌｏに蓋をするような工夫をしなくてもよい場合がある。例えば、かかる流路抵抗値がマイクロポンプＰａの流路抵抗の値と同程度の値であれば、マイクロポンプＰｂを駆動して送液される液体のうちの半分の量はマイクロポンプＰａの方向へ送られる。従って、前記流路抵抗値が概ねマイクロポンプＰａの流路抵抗の値と同程度か、或いはそれ以上の値であれば、液体出口Ｌｏに蓋（栓）をしなくてもポンプＰａ内気泡を排除できることになる。
もっとも、前記流路抵抗の値がマイクロポンプＰａの流路抵抗の値より低いからといって、かならずしも液体出口Ｌｏに蓋をするなどが必須条件になるというわけでほない。
【０１１７】
＜マイクロポンプ内気泡排除対象の燃料電池装置＞
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１２及び図１３を参照して説明する。
図１２（Ａ）は燃料電池装置Ｃ１の平面図、図１２（Ｂ）は該装置の側面図、図１２（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図１３（Ａ）は図１２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図１３（Ｂ）は図１２（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図１３（Ｃ）は図１２（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１３（Ｄ）は図１２（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【０１１８】
燃料電池装置Ｃ１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。
【０１１９】
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、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る。ポンプユニットの構成部材を導電性材料製とすることで該電極層を得てもよい。この電極層は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。
【０１２０】
第１ポンプユニット１は、平坦な四角形状の部材１１、１３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１２（Ａ）及び図１３（Ａ）に示すように、下層の部材１３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１３へ向け開放された溝状のものである。
【０１２１】
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、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受入れ部１１６が形成されているとともにその間に図示省略の蓋体（栓）で開閉可能の希釈用液供給口１１５が貫通形成されている。希釈用液受入れ部１１６は下層部材１３へ向け開放された凹所状のものである。
【０１２２】
また、液体原燃料供給路１１１におけるポンプＰ１より上流側部分及び下流側部分のそれぞれに一方向気泡トラップＴｒ１１、Ｔｒ１２が設けられているとともに、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側部分及び下流側部分のそれぞれに一方向気泡トラップＴｒ１３、Ｔｒ１４が設けられている。なお、図１２、図１３では、これら一方向気泡トラップは鎖線楕円で簡略化して示してある。
【０１２３】
これら一方向気泡トラップはいずれも図１に示す送液装置ＭＴ’における一方向気泡トラップＴｒと同構造のものであり、いずれもポンプＰ１、Ｐ２へ向かう流れの液中の気泡を捕捉できるように設けてある。なお、これら一方向気泡トラップのそれぞれは図２から図８に示されるいずれかのトラップ構造に置き換えることもできる。
【０１２４】
部材１３は、図３（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１３１を有しているとともに該複数本の通路１３１に連通する共通の凹所状の希釈液体燃料通路１３２を有している。通路１３２から部材１１側へ貫通孔１３３が形成されている。貫通孔１３３は部材１１の液体混合路１１３に連通している。
【０１２５】
部材１３には、さらに、各通路１３１を部材外部へ連通させる溝状のガス抜き孔１３４が形成されており、ガス抜き孔１３４の間には貫通孔１３５が形成されている。貫通孔１３５は部材１１の希釈用液受入れ部１１６に連通しているとともに電池３の貫通液体通路３４（図１２（Ｂ）参照）に連通している。ガス抜き孔１３４は燃料極側で生成される炭酸ガスの放出に用いられる。
【０１２６】
以上のほか、部材１１、１３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１３１（図１３（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。
【０１２７】
第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１、２３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１３（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）及び電池の燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた液体（水或いは水等）を通すための通路、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２３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り孔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。
【０１２８】
部材２３は、図１２（Ｃ）及び図１３（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２３１を有している。液体回収路２３１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）及び電池の燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた液体を回収するものである。液体回収路２３１のポンプＰ３より上流側の端には凹所状の液体受入れ部２３２が形成されており、ポンプＰ３より下流側の端には液体排出部２３３が形成されている。液体受入れ部２３２は部材２１の貫通孔２１３に連通しており、液体排出部２３３は部材２１の貫通孔２１５に連通している。液体排出部２３３は空気極側で生成される水や燃料極側からの移動水を部材２１の貫通孔２１５へ供給する。なお、例えば液体排出部２３３等に液放出口を設けておいて、該放出口から原燃料の希釈に要するより過剰の水を外部へ放出できるようにしてもよい。後述するポンプＰ３内気泡の排除にあたっては該放出口を閉じればよい。
【０１２９】
また、液体回収路２３１におけるポンプＰ３より上流側部分及び下流側部分のそれぞれに一方向気泡トラップＴｒ２１、Ｔｒ２２が設けられている。なお、図１２、図１３では、これら一方向気泡トラップは鎖線楕円で簡略化して示してある。
これら一方向気泡トラップも、図１に示す送液装置ＭＴ’における一方向気泡トラップＴｒと同構造のものであり、いずれもポンプＰ３へ向かう流れの液中の気泡を捕捉できるように設けてある。なお、これら一方向気泡トラップのそれぞれは図２から図８に示されるいずれかのトラップ構造に置き換えることもできる。
【０１３０】
以上のほか、部材２１、２３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１３（Ｄ）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。
【０１３１】
ポンプユニット２における部材２３の液体排出部２３３、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１３の貫通孔１３５及び部材１１の希釈用液受入部１１６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第１ポンプユニット１へ供給する循環路３０を形成している（図１２（Ｂ）参照）。
【０１３２】
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１０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。
【０１３３】
第１ポンプユニット１の部材１１における液体燃料供給口１１４には図示省略のカートリッジタイプの液体燃料収容容器を交換可能に接続できる。また、希釈用液供給口１１５は必要に応じ、開くことができ、そこから希釈用液（ここでは水）を供給したりできる。マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、それらの圧電素子にポンプ駆動部５（図１２（Ｂ）参照）から所定電圧を印加して駆動可能である。
【０１３４】
燃料電池装置Ｃ１によると、第１ポンプユニット１に液体燃料収容容器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
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、該電池３に接続した負荷Ｌに通電することができる。
【０１３５】
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る液体原燃料（メタノール含有液）と、希釈用液供給口１１５から供給される希釈用液との混合による希釈液体燃料であるが、その後、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水及び燃料極側から電解質膜３１を通過して移動してきた水が第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、液体燃料収容容器から供給される液体原燃料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水で混合希釈し、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、第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１に供給される水のうち過剰の水は供給口１１５を通じて外部に排出される。供給口１１５に希釈用液を収容する容器を接続している場合はこの容器に回収するようにしてもよい。
【０１３６】
燃料電池装置を希釈用液循環型の燃料電池装置とすると、常に新しい液体を電池３へ供給する場合と比べて、各マイクロポンプへの気泡の混入の危険性が高くなる。これは、燃料電池の反応が気液２相反応であるため、反応に用いるための空気や、反応によって生成した炭酸ガスが水中に混在したまま循環してくる可能性があるからである。
【０１３７】
しかしここでの燃料電池装置Ｃ１では、ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの上流側、下流側に一方向気泡トラップを設けて液体中の気泡がポンプ内へ混入することを抑制しているので、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所定濃度及び量の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。
【０１３８】
また、燃料電池装置Ｃ１では、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を電池本体３外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池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薄形、小形に形成することができ、例えば、携帯用機器の電源としても利用可能である。
【０１３９】
なお、燃料電池装置Ｃ１のマイクロポンプユニット１、２の一方向気泡トラップＴｒ１１〜Ｔｒ１４、Ｔｒ２１〜Ｔｒ２１に捕捉された気泡は、メンテナンスモードで各ポンプを逆方向に駆動したり、図示省略の外部吸引機構でガス抜き孔１３４、２１４等から吸引したり、原燃料供給口１１４、希釈用液受入れ部１１５等から吸引したりして、外部へ排出できる。
【０１４０】
一方向気泡トラップの気泡トラップ部等に気泡抜き孔を形成しておいて、溜まった気泡をその場で該孔から外部へ排出してしまう方法も有効である。燃料電池装置Ｃ１では、空気極側で生成された水が第２ポンプユニット２のポンプＰ３へ流れ込むときに、最も気泡混入の危険性が懸念される。そこで、ポンプＰ３の上流側の気泡トラップＴｒ２１にはかかる気泡抜き孔を設けるなどして、他の気泡トラップ部からよりも、溜まった気泡を排出しやすいようにしてもよい。
【０１４１】
燃料電池装置Ｃ１では、第２ポンプユニット２で回収される水の量は、ポンプユニット１での原燃料希釈に要する水量より過剰になる傾向がある。従って、余分な水は外部へ放出できるようにしておくことが好ましく、そのために、例えば、気泡トラップＴｒ２１に対して気泡抜き孔を設けておき、且つ、該孔は大きめに形成しておき、該孔から水と一緒に気泡を排出できるようにしてもよい。そうすれば、気泡のみを選択的に排出するよりも、容易に気泡を排出できる。
【０１４２】
燃料電池装置Ｃ１は、電池３の空気極３３側で生成される液体（水）を原燃料希釈用の液として循環使用するものであり、ポンプユニット２からポンプユニット１へ供給される希釈用液のうち過剰のものは供給口１１５を通じて排出又は回収されるようにしているが、空気極３３側で生成される水は、第２ポンプユニット２から図示省略の生成水回収通路、例えば第１ポンプユニット１、電池３及び第２ポンプユニット２の積層体に設けた生成水回収通路を介して図示省略の回収タンクへ回収するようにしてもよい。さらに、該回収タンクから第１ポンプユニット１へ希釈用液を供給するようにしてもよい。また、ポンプユニット１の希釈液体燃料通路へ供給される希釈液体燃料のうち過剰のものは、そこから図示省略の排出通路を介してポンプユニット１外へ排出するようにしてもよい。さらにこのようにして排出される過剰希釈液体燃料は回収タンクへ回収するようにしてもよい。
【０１４３】
＜燃料電池装置Ｃ１のマイクロポンプからの気泡排除方法＞
まず、マイクロポンプユニット１のマイクロポンプＰ１、Ｐ２のいずれかに気泡が混入してしまった場合の気泡排除方法について説明する。
図１２、図１３に示す燃料電池装置Ｃ１ではマイクロポンプＰ１、Ｐ２は並列関係にあり、これらポンプを含む液供給路１１１、１１２は混合路１１３へ合流して、電池燃料極３２に臨む希釈液体燃料通路１３２、１３１へ連通している。ポンプユニット１にはガス抜き孔１３４があるが、液体が外部に流れ出す開口部はない。従って、希釈液体燃料通路１３２、１３１へ流れ込んだ希釈液体燃料は燃料電池３の燃料極３２で化学反応で消費されるか、電解質膜３１を通過して空気極３３側へ染み出すしか逃げ道がない。
【０１４４】
従って、第２ポンプユニット２におけるマイクロポンプＰ３を相対的に吐出圧力が強くなるように駆動して、マイクロポンプＰ１の駆動を止めた場合、マイクロポンプＰ２から流れ出た液体の一部は混合路１１３を通ってマイクロポンプＰ１の方向に流れることになる。このようにしてポンプＰ１に液体を逆流させることで、ポンプＰ１内に混入した気泡を液体原燃料の供給口１１４の方へ排除することができる。
マイクロポンプＰ２に気泡が混入した場合も、ポンプＰ２の駆動を止めることでポンプＰ２に液体を逆流させて該気泡を希釈用液供給口１１５の方へ排除することができる。
【０１４５】
また、空気極側で生成された水を排出、循環させるための第２ポンプユニット２におけるマイクロポンプＰ３はポンプユニット１におけるポンプＰ２と直列配置関係にある。これら二つのマイクロポンプＰ２、Ｐ３間をつなぐ流路は、外部から水を供給するための供給口１１５やユニット２の部材２３における液体排出部２３３などが大気に連通していれば、互いのマイクロポンプの力が及ばない可能性がある。そこで、例えばマイクロポンプＰ３のポンプ室内に気泡が混入した場合は、該供給口１１５など大気に通じる部分を閉じてからポンプＰ２を逆方向に駆動すればよい。そうすれば、互いのマイクロポンプの間で力が直接働きあうようになるので、ポンプＰ２を逆駆動することによってポンプＰ３のポンプ室内の気泡を抜くことができる。
【０１４６】
本発明に係る送液装置や燃料電池装置おけるマイクロポンプ内の気泡の排除はポンプ駆動部の指示のもとになされるように該駆動部を構成しておけばよいのであるが、かかる気泡排除のための駆動部の動作の１例を図１５を参照して説明しておく。
図１５（Ａ）のフローチャートに示すように、駆動部は、図示省略の気泡センサによる気泡検知やタイマの予め定めた時間のカウントアップ等に応じて、気泡排除動作を開始させる必要があれば（ステップＳ１でＹＥＳ）、ポンプ群に気泡排除動作を行わせる（ステップＳ２）。気泡排除動作が終了したのち、ポンプ群に通常動作を行わせる（ステップＳ３）。通常動作は終了の指示など終了する必要が生じるまで継続され、必要に応じて気泡排除動作が逐次実行される（ステップＳ４）。気泡排除動作は、図１５（Ｂ）に示すサブルーチンを実行することで行われる。すなわち、ステップＳ２１に示すように、複数ポンプのうち特定のものを気泡排除動作させ、残りのポンプを大気状態（休止或いは微弱電圧による駆動）とする。気泡排除動作が完了（センサ等で気泡排除完了を確認してもよいし、気泡が抜けるに十分な時間の経過により完了したとしてもよい）すれば（ステップＳ２２でＹＥＳ）、気泡排除処理が必要な他のポンプがある場合（ステップＳ２３でＮＯ）、気泡排除動作させるポンプと待機状態にするポンプを適宜切り換えて（ステップＳ２４）、ステップＳ２１に戻り同様の動作を実行する。必要なすべてのポンプについて気泡排除を行う処理を再度実行する必要があるときは（ステップＳ２５でＹＥＳ）、ステップＳ２１に戻って同様の動作を再実行する。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明の気泡排除方法は、マイクロポンプを用いて送液する送液装置や燃料電池装置に適用してそれらの所期の性能を発揮させることに利用できる。
なお、送液装置は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、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】
【０１４８】
【図１】本発明に係る気泡排除方法の実施対象である送液装置の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】一方向気泡トラップの他の例を示す図である。
【図３】一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。
【図４】一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。
【図５】一方向気泡トラップのさらに他の例を示す図である。
【図６】一方向気泡トラップの配置の他の例を示す図であり、図６（Ａ）はその平面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＺ１−Ｚ１線に沿う切断端面図である。
【図７】一方向気泡トラップの配置のさらに他の例を示す図であり、図７（Ａ）はその平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＺ２−Ｚ２線に沿う切断端面図である。
【図８】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８（Ａ）はその平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＺ３−Ｚ３線に沿う切断端面図である。
【図９】送液装置の基本構造例を示すもので、図９（Ａ）その平面図、図９（Ｂ）はその側面図、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１０】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１０（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図１０（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図１０（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１０（Ｄ）は図１０（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図１０（Ｅ）は図１０（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図１０（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】図９に示す送液装置の製造工程例を示す図である。
【図１２】本発明に係る気泡排除方法の実施対象である燃料電池装置の１例を示すもので、図１２（Ａ）はその平面図、図１２（Ｂ）はその側面図、図１２（Ｃ）はその底面図である。
【図１３】図１３（Ａ）は図１２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図１３（Ｂ）は図１２（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図１３（Ｃ）は図１２（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図１３（Ｄ）は図１２（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１４】（Ａ）、（Ｂ）はマイクロポンプ配列の他の例を示す図である。
【図１５】ポンプ駆動部の気泡排除のための動作の１例を示すフローチャートである。
【図１６】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】
【０１４９】
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
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
Ｈ 気泡抜き用孔（気泡排除孔）
ＡＲ 気泡貯留部
Ｃ１ 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
Ｐ１、Ｐ２ マイクロポンプ
１１１ 液体原燃料供給路
１１２ 希釈用液供給路
１１３ 液体混合路
１１４ 液体燃料供給口
１１５ 希釈用液供給口
１１６ 希釈用液受入れ部
Ｔｒ１１〜Ｔｒ１４ 一方向気泡トラップ
１３ ポンプユニット１の部材
１３１、１３２ 希釈液体燃料通路
１３３ 貫通孔
１３４ ガス抜き孔
１３５ 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
２３ ポンプユニット２の部材
Ｐ３ マイクロポンプ
２３１ 液体回収路
２３２ 液体受入れ部
２３３ 液体排出部
Ｔｒ２１、Ｔｒ２２ 一方向気泡トラップ
３ 燃料電池
３１ 電解質膜
３２ 燃料極
３３ 空気極
３４ 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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を排除する方法であり、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで、該気泡を排除することを特徴とする送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項２】
前記送液装置は複数のマイクロポンプを並列に配置し、それぞれのマイクロポンプで液を送って合流部で合流させて送る送液装置であり、該並列に配置されたいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して前記合流部を介して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで、該気泡を排除する請求項１記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項３】
前記気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないか、又は該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動する請求項１又は２記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項４】
前記送液装置は前記各マイクロポンプに連通する前記合流部より下流側へ延びる液通路を有しており、該合流部より下流側へ延びる液通路の流路抵抗の値が前記気泡排除対象マイクロポンプの流路抵抗の値と同程度か、又はそれより大きい請求項２又は３記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項５】
前記送液装置は前記各マイクロポンプに連通する前記合流部より下流側へ延びる液通路を有しており、該合流部より下流側へ延びる液通路に液体の流れを抑制ための液流抑制手段を有しており、前記気泡排除対象マイクロポンプから気泡を排除するにあたり、該液流抑制手段により前記合流部下流側への液流れを抑制する請求項２又は３記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項６】
前記液流抑制手段は、前記合流部より下流側へ延びる液通路の開口を閉じることができる蓋体、該液通路を閉じることができる流体弁、該液通路の流路断面積を減少させ得る絞り機構から選ばれた少なくとも一つである請求項５記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項７】
前記送液装置は、各マイクロポンプについて該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものであり、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設けられており、該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が、該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一方向気泡トラップである請求項１から６のいずれかに記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項８】
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７のいずれかに記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項９】
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、該燃料電池と、該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有している燃料電池装置における該第１、第２のマイクロポンプ内の気泡をマイクロポンプ外へ排除する方法であり、第１マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除することを特徴とする燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１０】
前記燃料電池装置はさらに燃料電池の空気極に積層された第２ポンプユニットを含んでおり、該第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前記希釈用液として前記第１ポンプユニットの希釈用液供給路へ循環させるためのユニットであり、少なくとも電気化学反応による生成液体を回収する第３のマイクロポンプを含む液回収路を有しており、該第３マイクロポンプ内気泡を排除するにあたっては、前記第１ポンプユニットの第２マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動させる請求項９記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１１】
前記気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないか、又は該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動する請求項９又は１０記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１２】
前記燃料電池装置は、各マイクロポンプについて該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものであり、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設けられており、該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が、該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一方向気泡トラップである請求項９、１０又は１１記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１３】
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９から１２のいずれかに記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１４】
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置であって、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えたことを特徴とする送液装置。
【請求項１５】
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、該燃料電池と、該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有しており、さらに、第１マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１】
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置における該マイクロポンプ内の気泡を排除する方法であり、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで、該気泡を排除することを特徴とする送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項２】
前記送液装置は複数のマイクロポンプを並列に配置し、それぞれのマイクロポンプで液を送って合流部で合流させて送る送液装置であり、該並列に配置されたいずれかのマイクロポンプに気泡が存在し、該マイクロポンプ内気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して前記合流部を介して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで、該気泡を排除する請求項１記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項３】
前記気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないか、又は該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動する請求項１又は２記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項４】
前記送液装置は前記各マイクロポンプに連通する前記合流部より下流側へ延びる液通路を有しており、該合流部より下流側へ延びる液通路の流路抵抗の値が前記気泡排除対象マイクロポンプの流路抵抗の値と同程度か、又はそれより大きい請求項２又は３記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項５】
前記送液装置は前記各マイクロポンプに連通する前記合流部より下流側へ延びる液通路を有しており、該合流部より下流側へ延びる液通路に液体の流れを抑制ための液流抑制手段を有しており、前記気泡排除対象マイクロポンプから気泡を排除するにあたり、該液流抑制手段により前記合流部下流側への液流れを抑制する請求項２又は３記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項６】
前記液流抑制手段は、前記合流部より下流側へ延びる液通路の開口を閉じることができる蓋体、該液通路を閉じることができる流体弁、該液通路の流路断面積を減少させ得る絞り機構から選ばれた少なくとも一つである請求項５記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項７】
前記送液装置は、各マイクロポンプについて該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものであり、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設けられており、該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が、該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一方向気泡トラップである請求項１から６のいずれかに記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項８】
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７のいずれかに記載の送液装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項９】
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、該燃料電池と、該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有している燃料電池装置における該第１、第２のマイクロポンプ内の気泡をマイクロポンプ外へ排除する方法であり、第１マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内気泡の排除にあたっては、第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除することを特徴とする燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１０】
前記燃料電池装置はさらに燃料電池の空気極に積層された第２ポンプユニットを含んでおり、該第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前記希釈用液として前記第１ポンプユニットの希釈用液供給路へ循環させるためのユニットであり、少なくとも電気化学反応による生成液体を回収する第３のマイクロポンプを含む液回収路を有しており、該第３マイクロポンプ内気泡を排除するにあたっては、前記第１ポンプユニットの第２マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動させる請求項９記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１１】
前記気泡排除対象マイクロポンプ内の気泡の排除中は、該気泡排除対象マイクロポンプは駆動しないか、又は該気泡排除対象マイクロポンプを逆方向に送液を行うように駆動する請求項９又は１０記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１２】
前記燃料電池装置は、各マイクロポンプについて該マイクロポンプに連通して隣り合う液通路に気泡トラップを設けたものであり、該気泡トラップは、マイクロポンプ内気泡を排除する方向側に隣り合う液通路に設けられており、該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が、該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一方向気泡トラップである請求項９、１０又は１１記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１３】
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９から１２のいずれかに記載の燃料電池装置のマイクロポンプ内気泡の排除方法。
【請求項１４】
複数のマイクロポンプを用いて送液する送液装置であって、該複数のマイクロポンプのうちいずれかのマイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたり、該気泡排除対象マイクロポンプ以外のマイクロポンプのうち１又は２以上を送液駆動して該気泡排除対象マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えたことを特徴とする送液装置。
【請求項１５】
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、該燃料電池と、該燃料電池の燃料極に積層された第１ポンプユニットとを含んでおり、第１ポンプユニットは液体原燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料とし、該希釈液体燃料を電池燃料極へ供給するユニットであり、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液体混合路を有しており、さらに、第１マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第２マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第１マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除し、第２マイクロポンプ内に存在する気泡を該マイクロポンプ外へ排除するにあたって第１マイクロポンプを送液駆動して前記液体混合路を介して第２マイクロポンプへ液体を逆流させることで該気泡を排除する動作を実行する駆動部を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−４８３１（Ｐ２００６−４８３１Ａ）
【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２００４−１８１４６９（Ｐ２００４−１８１４６９）
【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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