JP2009164099A - 表面に流路が形成された部材ならびにこれを用いたバイオチップ、燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】親水性が向上しかつ安定した親水性が付与された流路を備える部材を提供すること、およびその該部材を使用した小型装置を提供する。
【解決手段】表面に流路が形成された高分子重合体からなる部材であって、流路を構成する壁面の表面の少なくとも一部は、イオン注入によって親水化された親水化領域を有する部材に関する。本発明の部材において、流路を構成する壁面の少なくとも一部の表面は、さらに疎水性領域を有することが好ましい。本発明は、上述の部材を利用したバイオチップ、燃料電池および燃料電池システムに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、親水化を必要とする流路が形成された部材に関し、また、該部材を用いたバイオチップ、燃料電池および燃料電池システムに関する。

マイクロリアクタシステム、電気泳動マイクロシステムおよび遠心分離マイクロシステムなどのマイクロシステムは、近年の化学、生物学、医学での小型装置化および高速アッセイ化の進展に伴い広範に利用されるようになってきている。微細流路は、該マイクロシステムにおいて試薬・薬液等の液流路として用いられ、該マイクロシステムの根幹をなす重要な要素である。

マイクロシステムのメリットとして、一般的に少量の試薬でかつ高速で分析が可能であること、該分析のための装置の小型化・軽量化が可能、集積化・並列処理化が可能であること、また不純物の混入が防止できること等を挙げることができる。そして、マイクロシステムにおいては、液流路を微細化することが必須であり、多くの微細流路が提案されてきている。

従来、マイクロシステムにおける微細流路は、一般にシリコン基板またはガラス基板上に半導体の微細加工技術を用いて形成されていた。特に高精度なマイクロシステムにおいては、微細流路の形状、大きさ、断面積および平坦度のばらつきが該マイクロシステムにおける特性、精度に大きく影響する。したがって、たとえば、微細流路のよしあしは、マイクロリアクタシステムにおいては、反応速度、反応量に影響を与え、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質を電気泳動または遠心分離するマイクロシステムにおいては、質量分析の精度に影響を与える。また、このような微細流路を利用した液体燃料においてもその性能を大きく左右する。

さらに、該マイクロシステムの進展によって該微細流路の形状だけではなく該微細流路の表面の特性が問題になってきている。たとえば該微細流路の断面積が非常に小さい場合、該微細流路の表面が親水性である時に比べて疎水性の時は水が流れにくくなるという現象が生じる。また、該マイクロシステムにおける微細流路を形成する材料として、ガラス部材の利用に代えて、軽量でかつ加工が容易なプラスチックやシリコーン樹脂などの高分子材料の利用が望まれるが、該高分子材料は、ガラス基板よりも親水性が劣るため流量・流速が不足したり流路の微細化が困難であったりといった問題がある。そこで、マイクロシステムにおける微細流路を形成する材料として、該高分子材料を利用する場合には、該微細流路およびその出入り口に親水化処理を施し親水性の向上が図れていきた。

親水性を向上させる従来の方法としては次のような方法が提案されている。たとえば特許文献１（特開平８−１３８６９２号公報）のように流路表面に親水性被膜を形成したり、特許文献２（国際公開第９９／４０６４２号パンフレット）のようにプラズマ処理等の親水性処理したりする方法が提案されている。

しかし、流路表面に親水性被膜を形成する方法では、該流路表面から該親水性被膜が剥離する可能性が高く、また、該流路を有するマイクロシステムの使用中に該親水性被膜が徐々に溶出する可能性がある。また微細流路に均一に該親水性被膜を形成できなかったり、最悪流路を該親水性被膜で埋めてしまったりする可能性もある。また、少なくとも該親水性被膜の膜厚分だけ該微細流路は、厚くなるので小型のマイクロシステムへの応用には不向きであった。

また、ブラズマ処理等の表面処理で親水性処理する場合には、該親水性被膜を形成する場合のような心配は少ないが、時間とともに徐々に親水性が低下し、親水性を長期間保持することが困難であった。
特開平８−１３８６９２号公報 国際公開第９９／４０６４２号パンフレット

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、親水性が向上しかつ安定した親水性が付与された流路を備える部材を提供すること、およびその該部材を使用した小型装置を提供することを目的としている。

本発明は、表面に流路が形成された高分子重合体からなる部材であって、流路を構成する壁面の表面の少なくとも一部は、イオン注入によって親水化された親水化領域を有する部材に関する。

また、本発明の部材において、流路を構成する壁面の少なくとも一部の表面は、さらに疎水性領域を有することが好ましい。

また、本発明の部材において、イオン注入で、炭素イオンを注入されていることが好ましい。

また、本発明の部材において、イオン注入で、負イオンを注入されていることが好ましい。

また、本発明の部材において、イオン注入における注入エネルギは、１ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下であることが好ましい。

また、本発明の部材において、イオン注入におけるイオン注入量は、１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下であることが好ましい。

また、本発明の部材において、イオン注入の後に酸化性雰囲気に曝されたことが好ましい。

また、本発明の部材において、イオン注入の後にプラズマ処理またはオゾン処理したことが好ましい。

また、本発明は、上述の部材を利用したバイオチップに関する。
また、本発明は、上述の部材を利用した燃料電池に関する。

また、本発明は、上述の燃料電池を利用した燃料電池システムであって、燃料電池と、酸素供給部と、燃料供給部と、燃料タンクと、空気タンクと、手動ポンプとを備え、酸素供給部は、燃料電池における酸素の供給口、および空気タンクと連結しており、燃料供給部は、燃料電池における燃料の供給口、および燃料タンクと連結しており、空気タンクは、さらに手動ポンプと連結しており、空気タンクと燃料タンクとは、直接的または間接的に連結されている燃料電池システムに関する。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、空気タンクと燃料タンクとを直接的または間接的に連結する連結部、および／または、燃料タンクと連結するガス排出部には、燃料タンク内の圧力を調整するための圧力調整弁をさらに備え、空気供給部にはさらにレギュレータを設置されていることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料タンクは、燃料電池の電解質膜の面内方向と略平行に燃料を供給できる位置に備えられていることが好ましい。

親水性が向上しかつ安定した親水性が付与された流路を備える部材を提供することができる。また、該部材を利用することで、迅速にサンプルと試薬とを混合することができるようなバイオチップを提供することができる。また、該部材を利用することで、大きな出力を有する燃料電池を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

＜第１実施形態：部材＞
≪構造≫
図１は、本発明における部材の一実施形態の断面図である。図２Ａは、図１におけるＩＩＡ−ＩＩＡ線に沿った断面図である。図２Ｂは、本発明における部材の別局面を表わす一実施形態の断面図である。図３は、本発明における部材の別局面を表わす一実施形態の断面図である。以下、図１〜図３に基づいて説明する。

まず、図１および図２Ａに基づいて説明する。本実施形態は、その表面に流路２０６が形成された高分子重合体からなる部材２１０であって、流路２０６を構成する壁面の表面の少なくとも一部は、イオン注入によって親水化された親水化領域２０５を有するものである。また、本実施形態のように部材２１０は、基板２０１に対して蓋２０７を備えつけて、基板２０１と蓋２０７とで流路２０６を形成したものでもよいし、たとえば基板２０１のみからなるものでもよい。そして、流路２０６は、流路２０６を構成する壁面の表面の少なくとも一部は、疎水性領域を有することが好ましい。ここで、図２Ａに示す実施形態においては、蓋２０７を疎水性領域としている。図２Ｂに示すように、蓋２０７以外に、基板２０１に形成された流路２０６を構成する壁面の表面の少なくとも一部に疎水性領域２０８を有してもよい。そして、部材２１０には、流路２０６のほかに液体および気体を保持するための室２０２を備えることができる。室２０２を構成する壁面の表面にも親水化領域および疎水性領域を適宜備えることができる。

ここで、部材２１０は、高分子重合体からなるものであれば、その形態については特に限定されず、表面に流路２０６が形成されたものであれば本実施形態において問題はない。流路２０６の寸法は特に限定されないが、たとえば液体用の微細流路として幅２００〜１０μｍ、深さ２００〜１μｍ程度の流路を作製することは容易である。原理的には、半導体微細加工の最小加工寸法にまで微細化することが可能である。したがって、本発明においては、従来の塗布法では親水性を付与することが困難な微細構造にも対応できるものである。なお、図３に示す実施形態においても蓋２０７が疎水性領域としている。また、本実施形態における「高分子重合体」とは、広義の意味での無機材料以外の高分子化合物のことを含む。具体的には、合成樹脂として熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂、プラスチックまたは天然樹脂等を挙げることができる。さらに具体的には、高分子重合体の一例としてシリコン樹脂のＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、ポリスチレン、ポリイミド、ポリ乳酸およびシリコーンゴムなどが挙げられる。

また、図２Ａ、図２Ｂおよび図３に示すように、流路２０６の断面の形状については、特に限定されず、液体および気体が流動できるものであればよい。ただし、図３に示す流路２０６のように断面が菱形であるか、または円形であることが好ましい。上述したイオン注入によって、該基板２０１に対して均一に親水化領域を形成することができるためである。

従来の流路を形成したガラス部材と比較して、本実施形態の部材２１０は、軽量かつ破損の心配の少ないため、これを利用する小型装置の幅を広げることができる。また、本実施形態の部材２１０は、従来の親水化されてなる部材等に比べて、厚みを増加させることなく親水度の向上、耐久性の向上が可能となる。そして、本実施形態における流路２０６は、微細なものとしても液体および気体を効率よく流動させることができる。

≪動作≫
本実施形態によって形成された流路２０６は、液体および気体が流動することができる。そして、流路２０６では疎水性領域に沿って気体が効率よく流動し、親水化領域に沿って液体が流動する。このような動作を起こすことで、流路２０６が微細なものであっても、流路２０６を液体は効率よく移動することができる。また、流路２０６における液体に気泡の発生等何らかの理由により気体が混入しても効率よく該液体から該気体を排出して、液体を移動させることができる。

≪製造方法≫
まず、部材２１０となる高分子重合体を準備する。そして、その表面に適宜公知の方法で、流路２０６および室２０２を形成する。次に、部材２１０の表面を洗浄し、乾燥させる。そして、部材２１０における該流路２０６および室２０２を構成する壁面の表面に対して、清浄な状態を保ったまま、イオン注入することによって該流路２０６表面の親水性を向上させた親水化領域を形成することができる。また、親水化領域の耐久性は、従来の方法と比較しても向上させることができる。

ここで、該イオン注入において、炭素イオンを注入することが好ましい。これは、後述するバイオチップ等に部材２１０を利用した場合に、該バイオチップの試料に及ぼす悪影響が小さいためである。具体的には、重金属イオン、たとえば銀イオンをイオン注入した場合の部材２１０を後述するようなバイオチップに利用した場合には、該銀イオン等が溶出し、溶出した銀イオンは、バイオチップにおける試料に対する悪影響を及ぼす場合があるためである。また、部材２１０に注入された炭素イオンは、他の金属イオンにくらべて部材２１０に対して安定的に存在できる。また万が一部材２１０から溶出しても、該部材２１０を利用した後述する燃料電池やバイオチップに用いた場合に問題が少ない。

また、該イオン注入において、負イオンを注入することが好ましい。これは、正イオンを用いてイオン注入した場合に比べて、負イオンを用いてイオン注入した場合の方が、該部材２１０の破損や親水化のばらつきなどによる不良品の発生が非常に少ないためである。該負イオンには、具体的に、目的に応じて、炭素負イオンの他、金、銀、白金、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、コバルト、亜鉛、インジウム、タングステン、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウムなどほとんどの金属、半導体元素について負イオンを挙げることができる。

また、該イオン注入において、注入エネルギは、１ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下であることが好ましく、５ｋｅＶ以上３０ｋｅＶ以下であることがさらに好ましい。該注入エネルギが１ｋｅＶ未満では流路２０６において親水化がほとんど見られず、該注入エネルギが１００ｋｅＶ超過しても親水化の効果向上は確認しにくいものとなり、部材２１０の劣化や破損の発生する場合が見受けられるためである。

また、本実施形態においてイオン注入におけるイオン注入量は、１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下であることが好ましく、５×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上５×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下であることが特に好ましい。該イオン注入量が、１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²未満の場合には、流路２０６において親水化がほとんど見られず、該イオン注入量が１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²超過の場合には、表面の荒れが大きくなって、液体の流れを阻害したり表面がスパッタされたりする虞があるためである。また、さらに本実施形態の流路２０６では表面から深さ３０〜７０μｍ付近で注入した元素の濃度を５×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ³〜１×１０²²ｉｏｎｓ／ｃｍ³程度とすることが好ましい。この程度の濃度のとき親水性の向上と耐久性の向上が見られるからである。また、上述のイオン注入については、公知の方法を用いることができる。

また、部材２０１は、イオン注入の後に酸化性雰囲気に曝されることが好ましい。イオン注入後に酸化性雰囲気に曝すと、部材２１０の親水性および耐久性がさらに高まる。酸化性雰囲気とは、酸素、酸化窒素、塩化水素等の雰囲気をさすが、好ましくはオゾンの雰囲気であることが好ましい。オゾンを用いる場合において、低温で短時間の処理で所望の親水化の向上が得られるためである。

また、部材２０１は、イオン注入の後にプラズマまたはオゾン中に曝されることがさらに好ましい。該プラズマとしては、大気中プラズマやＯ2中プラズマ、などを挙げることができる。プラズマまたはオゾン中に曝された部材２０１は、さらに親水性や耐久性がさらに向上する。

ここで、本発明における親水化の評価には、接触角測定法を用いることができる。そして、本発明における親水化領域とは、該接触角測定法において、処理前に比べて接触角の低下の結果が得られるものであり、疎水性領域とは、処理前に比べて接触角が同等以上の結果が得られるものと定義する。本実施形態で用いた材料では、処理前の接触角はおよそ１００〜９０°程度であった。もとの材料の親水／疎水性が分からない場合には、親水／疎水性をその接触角が９０°未満か以上かで分けても良い。また、以下の実施形態において、上述した部材を適宜利用することができる。

＜第２実施形態：バイオチップ＞
図４は、本発明に係る部材を利用したバイオチップをわかりやすく説明するために一部分のみを表した模式的な平面図である。図５は、図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面と、蓋とを示す図である。図６は、本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分のみを抽出して表した平面図である。

本実施形態におけるバイオチップは、第１実施形態で説明したような部材を利用したものである。つまり、該部材の表面には、上述したような流路のほか、液体を保持するための孔や溝が形成されていてもよい。また、該孔や溝等を形成する壁面は、上述と同じ方法によって、親水化領域とされていることが好ましい。

まず、図４および図５に基づいて説明する。本実施形態のバイオチップは、高分子重合体からなる部材１１０においては、基板１０１に、検査薬または被検査物質を含む液体を投入するための室１０３、室１０５、および検査薬と被検査物質とを混合する室１０２が設けられている。室１０３と室１０２との間には、室１０３と室１０２とを空間的に接続するための流路１０４が形成されている。また、室１０５と室１０２とを空間的に接続するために流路１０６が形成されている。また、図５に示すように、基板１０１の上には、蓋１０７が備えられている。本実施形態においては、基板１０１と蓋１０７とで部材１１０を構成する。なお、たとえば部材１１０は、蓋１０７を備えず、基板１０１のみからなるものも含む。

本実施形態におけるバイオチップでは、室１０２、室１０３および室１０５と流路１０４および流路１０６の表面は上述による親水化処理によって親水化領域となっていることが好ましい。

図５のように必要の応じて流路１０６や室１０２等の一部または全部を蓋１０７等で覆うことはゴミや菌などの不要な物質の侵入を防止できるとの観点から好ましい。本実施形態では室１０５は少なくとも一部は蓋１０７で覆われておらず液体の投入が可能な穴１０８が開いている。また蓋１０７は、流路１０６を介して室１０５と接続されている室１０２に対応する箇所には穴１０９が空いている。これらの穴１０８または穴１０９から直接被検査物体を室１０５または室１０２に投入することも可能である。また、該バイオチップにおいては、穴１０８、１０９があった方が流路１０６に流体がスムーズに流れることができる。さらにこの穴１０８、１０９から小型のポンプによって該流体を吸引することで流路における流量を調節したり増大させたりすることができる。これにより流路１０６から室１０２に供給される薬液等を適正な流量に保つことや検査時間を短縮することができ検査効率の向上が可能である。室１０５に空いた穴１０８に小型ポンプにより圧力を加えて室１０５に投入した薬液等を圧送することも可能である。この場合には穴１０９から液体が噴出したり、室１０２から室１０３の方へ液体が逆流したりすることがあるので穴１０９から液体等の飛散防止のための廃液回収装置を接続しておくことが好ましい。

本実施形態では検査薬と被検査物質とは、両者が混合する室１０２とは別の室１０３，１０５に投入され、微細流路を通って室１０２に流入したが、室１０２に予め検査薬または被検査物質のどちらか一方を備えておき、他方を室１０３または室１０５から流路１０４または流路１０６を通して流入させても構わない。

図６は、本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分を示し、図４において説明や実際には使わない室および流路を削除した構成を示す。被検査物質および検査薬等を２液またはそれ以上を使用する場合には適宜図６に示すバイオチップに室および流路を増設して、検査薬等を投入することが可能である。

図７は、本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分の断面図である。図８は、本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分の断面図である。以下、図７および図８に基づいて説明する。

図７に示すように、流入させる方向に向かって傾斜をつけておいた方が、流路を液体が移動しやすく好ましい。また、図７に示す構造においては、液体の入口としての室１０５側より液体の出口としての室１０２側の方が厚み方向に広くなっている。図７に示す構造の場合には、穴１０９へ気体がスムーズに排出され、室１０２から室１０５へ逆方向に移動する気体が少なく、流路１０６を液体がスムーズに室１０５から室１０２へ流れることができる。また、図７に示すバイオチップは、流路１０６に傾斜面がないため作製が容易であるという利点がある。

また、図８に示すように、室１０５から室１０２へ流路１０６の底面を傾斜させてもよい。図８に示すバイオチップは、室１０２を液体で満たすことが可能となる。

本実施形態のバイオチップでは、誤った検査結果を示すことが非常に少なくすることができる。ここで、上述したイオン注入量が少なかったり、イオン注入する深さが深すぎたりすると効果が少なくなる。したがって、注入エネルギは３０ｋｅＶ以下、注入量は１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上で効果が増大するので好ましい。注入量が１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²を超えても効果があまり増大しないばかりか表面が荒れすぎたりするので注入量は１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²〜１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²が好ましい。また、該バイオチップにおいては、安全マージンをとって、該注入量を５×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下とすることが特に好ましい。

本発明の検査チップの一形態では、１０２〜１０６以外の領域はＡｇイオンまたはＴｉイオンが注入されていることが好ましい。イオン注入は負イオン注入が上述と同様に好ましい。さらに酸化性雰囲気にさらす工程を行なうことが好ましい。これにより万が一、必要外のところに試料が付着したり、ごみが付着してたりしても、雑菌などの増殖を抑制することができるので、誤った検査結果が出ることを抑制することができる。

本実施形態のバイオチップによれば、迅速にサンプルと試薬を混合することができるため、効率的に検査を終えることができる。また、本実施形態のバイオチップによれば、サンプルや試薬を置いたり流したりしたいところだけを親水化することができる。また不要なところに付着したサンプルや試薬を不活性化することができる。したがって、ゴミがチップ上に付着したりチップを再利用する場合にも問題がおきにくい。よって間違った検査結果が出ることを防ぐことができる。

≪第３実施形態：燃料電池≫
図９Ａは、本発明に係る部材を利用した燃料電池の一部分の模式的な断面図である。図９Ｂは、図９Ａに示す燃料電池における流路を構成する壁面の模式的な平面図である。図１０Ａおよび図１０Ｂは、図９Ａに示す燃料電池における流路の一部分の模式的な断面図である。以下、図９Ａ〜図１０Ｂに基づいて説明する。

まず、図９Ａに基づいて本発明に係る燃料電池の構成について説明する。プロトンを選択的に透過させることができる電解質膜５０３を燃料極５０４と酸化剤極５０２で挟んでいる。燃料極５０４は、液体燃料としてのメタノールが供給され、排気ガスとしての二酸化炭素が排出される流路５０５と接している。流路５０５は、壁面５１５および壁面５２５によって形成されている。酸化剤極５０２は、酸素が供給され、水が排出される流路５０１と接している。流路５０１は、壁面５１１および壁面５２１によって形成されている。つまり本実施形態においては、流路５０５は壁面５１５および壁面５２５によって形成されているとともに、壁面５１５および壁面５２５は、上述の第１実施形態で説明した部材に相当する。また、流路５０１は、壁面５１１および壁面５２１によって形成されているとともに、壁面５１１および壁面５２１は、上述の第１実施形態で説明した部材に相当する。

そして、流路５０１が燃料極５０４または酸化剤極５０２に接する側の壁面は、一部または全部が除去されて開口しており燃料極５０４または酸化剤極５０２と接続されている。除去する壁面の合計面積は、構造強度等が保たれる範囲内で、広い方が供給できる燃料や酸素が多くなり好ましい。本実施形態においては、図９Ｂに示すように流路５０５を構成する壁面５２５の一部が複数箇所除去され、開口部を有する。また、同様に流路５０１を構成する壁面５２１の一部も複数箇所除去され、開口部を有する。該開口部は四角形の例を示しているが、円形等ほかの形状でも構わない。また、該開口部の大きさは、たとえば１辺が１００μｍ〜０．０１μｍとすることができる。

本実施形態においては、図１０Ａに示すように、流路５０５を構成する壁面には親水化領域と疎水性領域とを有することが好ましい。本実施形態では流路５０５における少なくとも燃料極５０４側の壁面５２５が親水化されて親水化領域となっている。このとき、壁面５２５は、燃料極５０４と接する側であるために、メタノール等の液体燃料との濡れ性が高いことが好ましいためである。さらに燃料極５０４と反対側の壁面５１５の少なくとも排気ガスの排出口に近い壁面は疎水性領域であることは好ましい。さらに図９に示す燃料電池の場合においては、燃料極５０４と反対側の壁面５１５は、液体燃料供給側は排気ガス排出の側より液体燃料に対する濡れ性が高い方が好ましい。特に、本実施形態において、液体燃料としてメタノールを用いる場合には、親水化領域の親水性が高い方が好ましい。

また、本実施形態においては、図１０Ｂに示すように、流路５０１を構成する壁面には親水化領域と疎水性領域とを有することが好ましい。本実施形態では、流路５０１における少なくとも酸化剤極５０２側の壁面５２１は疎水性領域であることが好ましい。さらに酸化剤極５０２と反対側の壁面５１１の少なくとも水の排出口に近い壁面は親水化されていることが好ましい。図９に示す燃料電池の場合においては、酸化剤極５０２と反対側の壁面５１１の水の排出側は酸素の供給側より親水性が高い方が好ましい。これにより該水が流路５０１を塞いで動作不良を起こすことを抑制できる。したがって本実施形態における燃料電池は、寒冷地での使用が可能になる。また燃料電池のユニットが冷えている状態からでもスムーズに始動させることが可能である。

ここで、図１１は、本実施形態の別の局面に従った燃料電池の一部分の模式的な断面図である。図１１に示す燃料電池のように、液体燃料の供給口および水蒸気の排出口は重力や遠心力の方向、つまり静止状態では下向きに備え、排ガスの排出口および酸素の供給口は上部に設けることが好ましい。このような燃料電池は、さらに燃料電池の効率が向上することが可能である。本実施形態の燃料電池は、燃料電池は最大出力を大きくすることができ、小型化することができる。

≪第４実施形態：燃料電池≫
図１２Ａは、本発明に係る部材を利用した燃料電池の一部分の模式的な断面図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示す燃料電池における流路を構成する壁面の模式的な平面図である。図１３Ａおよび図１３Ｂは、図１２Ａに示す燃料電池における流路の一部分の模式的な断面図である。以下、図１２Ａ〜図１３Ｂに基づいて説明する。

本実施形態においては、上述の第３実施形態に加えて、流路５０５の燃料極５０４と反対側に排出用の流路６３５を備える。さらに好ましくは流路５０１の酸化剤極５０２と反対側に流路６３１を備える。排ガス用の流路６３５を構成する壁面は疎水性である。流路５０５の少なくとも燃料極５０４側の内壁面は親水化されてなる。さらに流路５０５の少なくとも流路６３５側の内壁面は疎水性であることが好ましい。また流路６３１の内壁は親水化されていることが好ましい。

そして、流路５０５および流路６３５を構成する壁面５２５および壁面５１５の一部が複数箇所除去され、開口部を有する。また、同様に流路５０１および流路６３１を構成する壁面５２１および壁面５１１の一部も複数箇所除去され、開口部を有する。該開口部は円形の例を示しているが、ほかの形状でも構わない。

また、本実施形態においては、壁面５１５および壁面５１１は、疎水性領域であることが好ましく、壁面５２５および壁面５２１は、親水化領域であることが好ましい。本実施形態によると、第３実施形態と比較して、燃料の効率的な反応や、燃料の効率的な供給、効率的な排ガス排液の排出などの効果が見込まれる。

ここで、図１４は、本実施形態の別の局面に従った燃料電池の一部分の模式的な断面図である。図１４に示す燃料電池のように、液体燃料の供給口および水蒸気の排出口は重力や遠心力の方向、つまり下側に備え、排ガスの排出口および酸素の供給口は上部に設けることが好ましい。このような燃料電池は、さらに燃料電池の効率が向上することが可能である。本実施形態の燃料電池は、燃料電池は最大出力を大きくすることができ、小型化することができる。

≪第５実施形態：燃料電池≫
図１５Ａは本発明に係る部材を利用した燃料電池の模式的な斜視図であり、図１５Ｂは図１５ＡにおけるＸＶＢ−ＸＶＢ線に沿った断面の一部を模式的に表した図である。また、図１６Ａおよび図１６Ｂは、本実施形態にかかる燃料電池の動作を模式的に表わす図である。

以下、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａおよび図１６Ｂに基づいて説明する。本実施形態の燃料電池においては、部材７０１に流路５０５および流路６３５が形成されており、液体燃料７１０が供給口７０８から供給され、二酸化炭素７１１が排出口７０９から排出される。また、該燃料電池は燃料極７０６と、電解質膜７０５と、酸化剤極７０７とを備える。液体燃料７１０が流れる流路５０５の少なくとも燃料極７０６側に接続する部分の壁面は親水化されている。また二酸化炭素等のガスが排出される流路６３５の少なくとも燃料極７０６側に接続する部分の壁面は疎水性である。これにより効率良く液体燃料７１０を供給できる。さらに流路６３５に液体燃料７１０が流出することを抑制することができる。また、本実施形態では燃料極７０６側の壁面にポーラス薄膜７０４のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いることができる。ＰＴＦＥは疎水性であるので本実施形態では流路５０５の壁面となる部分を親水化することができる。流路５０５の他の壁面も親水化されていることが好ましい。流路６３５の他の壁面は疎水性でも構わないが、微量の液体燃料７１０が漏れた場合に排出できるように、親水性であることが好ましい。

また液体燃料７１０が供給される流路５０５の壁面の開口部の幅は二酸化炭素７１１等が排出される流路６３５の壁面の開口部の幅より大きいことが好ましい。これによりさらに効率良く液体燃料７１０を供給できるとともに、液体と気体の圧力差を減らすことで、流路６３５に液体燃料７１０が流出することを抑制することができる。

このような構造にすることで、供給された液体燃料７１０は流路５０５からポーラス膜７０４の細孔から燃料極７０６へ矢印７０２のように流出する。燃料電池のいわゆるＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ａｓｓｅｍｂｌｙ）で反応を起こして電気および二酸化炭素の気泡７１２を発生する。二酸化炭素７１１は燃料極７０６から矢印７０３のようにポーラス薄膜７０４の細孔から二酸化炭素７１１用の流路６３５へ流入し排出される。ポーラス薄膜７０４のうち部分７２０はレジン等で液体や気体が透過できないようにする。超小型の燃料電池を効率よく稼動させるためには図１５Ａに示すように微細な流路を張り巡らせることが好ましい。

なお本明細書では液体に対する濡れ性が高いものを親水性、濡れ性が低いものを疎水性と称している。たとえば、上述の実施形態では燃料電池の燃料としてエタノールを使用しおり、エタノールに対する濡れ性の高低を親水／疎水性で表している。したがって、燃料としていわゆる石油類を用いる場合などでは石油類の流路では親水性を親油性と読み替えることになる。

≪第６実施形態：燃料電池システム≫
図１８は本発明に係る燃料電池を利用した燃料電池システムの一形態を示す模式的な断面図である。本実施形態においては、図１８に基づいて説明する。なお、以下の説明において、燃料電池の構成、動作は、上述の第３実施形態と同様であるため、説明は繰り返さない。

本実施形態の燃料電池システムは、第３実施形態にかかる燃料電池５００と、酸素供給部９１２と、燃料供給部９０９と、燃料タンク９０３と、空気タンク９０１と、手動ポンプ９０２とを備える。そして、酸素供給部９１２は、燃料電池５００における酸素の供給口、および空気タンク９０１と連結している。なお、本発明において以下、「空気タンク」とは酸素を含む気体であり、該気体中の酸素の濃度は特に限定されないが１８％以上であることが好ましく、「空気タンク」は、酸素を充填した「酸素タンク」であってもよい。本実施形態においては、酸素供給部９１２は、筒状の連結部であるが、該酸素の供給口および該空気タンク９０１双方と連結したものであれば、特に形状は限定されない。また、燃料供給部９０９は、燃料電池５００における燃料の供給口、および燃料タンク９０３と連結している。本実施形態においては、燃料供給部９０９は、酸素供給部９１２と同様に筒状の連結部であるが、その形状は、特に限定されない。

また、空気タンク９０１は、該酸素供給部９１２とは別に手動ポンプ９０２と連結している。手動ポンプ９０２は、手動で酸素供給部にたとえば酸素（空気）を導入することができるものであれば特に形状は限定されない。そして、後述するように、空気タンク９０１または酸素供給部９１２にレギュレータを設置することによって、空気タンク９０１の内部を高圧とすることができる。そして、結果として、燃料電池５００に高密度の空気を送り込むことができるので効率よく発電することができる。本実施形態の燃料電池システムによると、特に、山地、高地など大気圧が低い場所でも安定して動作させることができる。

そして、空気タンク９０１と燃料タンク９０３とは、直接的または間接的に連結されている。燃料電池５００で消費された、たとえば空気中の酸素は水蒸気になり、未使用の空気および該水蒸気は、どちらかの一部は燃料タンク９０３に送り込まれる。このように空気タンク９０１の圧力を直接的または間接的に利用することにより燃料タンク９０３の燃料は燃料電池５００に圧送することが可能となる。したがって、燃料を効率よく安定的に供給することができるので、安定的に高出力の燃料電池を実現できる。

ここで、空気タンク９０１と燃料タンク９０３とが直接的に連結されている状態とは、空気タンク９０１と燃料タンク９０３とが、連結部９０５等によって直接連結されている状態をいう。具体的には直接的に連結されている場合においては、液体燃料を燃料電池５００に伝送するために空気タンク９０１の圧力を利用する状態をいう。空気タンク９０１と燃料タンク９０３とが間接的に連結されている状態とは、空気タンク９０１と燃料タンク９０３とが間接的に連結されている状態をいう。具体的には、間接的に連結されている状態においては、燃料電池の酸素供給源として酸素供給部９１２と燃料タンク９０３とが燃料電池を介して連結されている状態である。

また、本実施形態においては、燃料電池システムが設置される向きと重力との関係を考慮して連結部９０５、燃料供給部９０９および燃料タンク９０３等の位置が設定されている。たとえば、図１８に向かって下の方向に重力がかかるように燃料電池システムを配置した場合に、燃料電池５００に対して下から液体燃料を供給して、上から二酸化炭素を排出することができる。そして、水蒸気は液化したときに詰まらないように下向きに排出するよう設定することができる。

≪第７実施形態：燃料電池システム≫
図１９は本発明に係る燃料電池を利用した燃料電池システムの一形態を示す模式的な断面図である。本実施形態においては、図１９に基づいて説明する。

本実施形態の燃料電池システムにおいては、第６実施形態の燃料電池システムに対して、さらに圧力調整弁およびレギュレータを備えた設計となる。

本実施形態においては、圧力調整弁９０６および９０８は、空気タンク９０１と燃料タンク９０３とを直接的または間接的に連結する連結部９０５、および／または、燃料タンク９０３と連結するガス排出部９０７に設置されている。連結部９０５に設置されている圧力調整弁９０６は、逆止弁の構造となっている。これにより燃料タンク９０３から燃料が逆流することを防止できる。該ガス排出部９０７に設置された圧力調整弁９０８は、燃料タンク９０３内の圧力を一定にするための弁である。これらの圧力調整弁は、過剰な圧力によって過剰に燃料が供給されることを防止している。

そして、空気供給部９１２に設置されたレギュレータ９０４は、空気タンク９０１から一定圧力の空気を送り出すことができるようにすることができる。また、燃料供給部９０９にもレギュレータ９１０が備えられることが好ましい。燃料を燃料電池５００に一定に供給することができるからである。

また、本実施形態においては、燃料電池システムが設置される向きと重力との関係を考慮して各構成要素の位置が設定されている。たとえば、本実施形態においては、図１９に向かって下の方向に重力がかかるように燃料電池システムを配置した場合に、液体燃料が下から上に供給できるように設定されている。

≪第８実施形態：燃料電池システム≫
図２０は本発明に係る燃料電池を利用した燃料電池システムの一形態を示す模式的な断面図である。本実施形態においては、図２０に基づいて説明する。

本実施形態の燃料電池システムにおいては、第７実施形態の燃料電池システムに対して、各構成要素の配置や向きに工夫を加えている。図２０に向かって下方向に重力がかかるように該燃料電池システムを地面に置いて動作させる場合において、燃料電池における電解質膜５０３が該地面に対して略垂直に配置される。つまり、燃料タンクは、燃料電池の電解質膜５０３の面内方向と略平行に燃料を供給できる位置に備えられている。また、燃料タンクは、燃料電池よりさらに地面に近い側（下側）に位置するように配置する。このような構成をとることによって、水蒸気が燃料電池システムの外部に排出される前に、途中で液化しても重力によってスムーズに液化した水蒸気（水）を燃料電池システムの外部に排出することができる。また、燃料が二酸化炭素側排出側に滲みだした場合であっても、該燃料が燃料電池システムの外部に漏れ出すことを防ぐことができる。

本実施形態の燃料電池システムにおいては、さらに、液体燃料を効率よく安定的に供給することができるので、安定的に高出力を実現できる。

なお、本発明における上述した各実施形態における燃料電池システムは、小型で持ち運びが便利な携帯型の発電機として利用することができる。

また、本発明においては、たとえば第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態の燃料電池に適宜、第６実施形態、第７実施形態および第８実施形態で説明した酸素供給部、燃料供給部、燃料タンク、空気タンク、手動ポンプ等を組み合わせることができる。

また、第６実施形態、第７実施形態および第８実施形態における燃料電池は目視困難な小ささの寸法とし、空気タンクおよび燃料タンクは小型簡易ライター程度の大きさ以上のものを選択することも可能である。また、燃料電池を複数直列または並列に電気的に接続した燃料電池システムを作製することも可能である。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１７に従来のオゾン処理のみを行なった高分子重合体（図中△）と、本発明にかかる表面に流路が形成された高分子重合体（図中●）の親水性およびその耐久性を示すグラフを示す。横軸は、乾燥環境下での放置時間を示し、縦軸は、純水の液滴の接触角度を示す。

本発明にかかる高分子重合体は、炭素負イオンを１０ｋｅＶのエネルギで３×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ²だけイオン注入した。該高分子重合体と、イオン注入を行なわない高分子重合体とを、大気中で約０．５ｍＷ／ｃｍ²のＵＶ照射２０分の条件でオゾン処理した。

図１７に示すように、本発明にかかる高分子重合体は、親水性も耐久性も向上していることが確認された。なお、図１７の親水性の評価には接触角測定法を用いた。直径が１ｎｍ以下または１μＬ程度の水滴を静かに試料上に置き、真横から顕微鏡で写真撮影した。画像上で、液滴を円弧で近似して横幅と高さから接触角を形成した。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における部材の一実施形態の断面図である。 Ａは図１におけるＩＩＡ−ＩＩＡ線に沿った断面図であり、Ｂは本発明における部材の別局面を表わす一実施形態の断面図である。 本発明における部材の別局面を表わす一実施形態の断面図である。 本発明に係る部材を利用したバイオチップの一部分の模式的な平面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面と、蓋とを示す図である。 本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分の平面図である。 本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分の断面図である。 本実施形態の別の局面に従ったバイオチップの一部分の断面図である。 Ａは本発明に係る部材を利用した燃料電池の一部分の模式的な断面図であり、ＢはＡに示す燃料電池における流路を構成する壁面の模式的な平面図である。 ＡおよびＢは、図９Ａに示す燃料電池における流路の一部分の模式的な断面図である。 本実施形態の別の局面に従った燃料電池の一部分の模式的な断面図である。 Ａは本発明に係る部材を利用した燃料電池の一部分の模式的な断面図であり、ＢはＡに示す燃料電池における流路を構成する壁面の模式的な平面図である。 ＡおよびＢは、図１２Ａに示す燃料電池における流路の一部分の模式的な断面図である。 本実施形態の別の局面に従った燃料電池の一部分の模式的な断面図である。 Ａは本発明に係る部材を利用した燃料電池の模式的な斜視図であり、ＢはＡにおけるＸＶＢ−ＸＶＢ線に沿った断面の一部を模式的に表した図である。 ＡおよびＢは、本実施形態にかかる燃料電池の動作を模式的に表わす図である。 従来のオゾン処理のみを行なった高分子重合体（図中△）と、本発明にかかる表面に流路が形成された高分子重合体（図中●）の親水性およびその耐久性を示すグラフを示す。 本発明に係る燃料電池を利用した燃料電池システムの一形態を示す模式的な断面図である。 本発明に係る燃料電池を利用した燃料電池システムの一形態を示す模式的な断面図である。 本発明に係る燃料電池を利用した燃料電池システムの一形態を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１０１，２０１，７０１ 基板、１０２，１０３，１０５，２０２ 室、１０４，１０６，２０６，５０１，５０５，６３５ 流路、１０７ 蓋、１０８，１０９ 穴、１１０，２１０ 部材、２０５ 親水化領域、２０７ 蓋、２０８ 疎水性領域、５００ 燃料電池、５０２，７０７ 酸化剤極、５０３，７０５ 電解質膜、５０４，７０６ 燃料極、５１１，５１５，５２１，５２５，６３１ 壁面、７０２，７０３ 矢印、７０４ ポーラス薄膜、７０８ 供給口、７０９ 排出口、７１０ 液体燃料、７１１ 二酸化炭素、７１２ 気泡、７２０ 部分、９０１ 空気タンク、９０２ 手動ポンプ、９０３ 燃料タンク、９０４ レギュレータ、９０５ 連結部、９０６，９０８ 圧力調整弁、９０７ ガス排出部、９０９ 燃料供給部、９１０ レギュレータ、９１２ 酸素供給部。

Claims (13)

1. 表面に流路が形成された高分子重合体からなる部材であって、
   前記流路を構成する壁面の表面の少なくとも一部は、イオン注入によって親水化された親水化領域を有する部材。
2. 前記流路を構成する壁面の少なくとも一部の表面は、さらに疎水性領域を有する請求項１に記載の部材。
3. 前記イオン注入で、炭素イオンを注入された請求項１または２に記載の部材。
4. 前記イオン注入で、負イオンを注入された請求項１〜３のいずれかに記載の部材。
5. 前記イオン注入における注入エネルギは、１ｋｅＶ以上１００ｋｅＶ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の部材。
6. 前記イオン注入におけるイオン注入量は、１×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²以上１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²以下である請求項１〜５のいずれかに記載の部材。
7. 前記イオン注入の後に酸化性雰囲気に曝された請求項１〜６のいずれかに記載の部材。
8. 前記イオン注入の後にプラズマ処理またはオゾン処理した請求項１〜７のいずれかに記載の部材。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の部材を利用したバイオチップ。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の部材を利用した燃料電池。
11. 請求項１０に記載の燃料電池を利用した燃料電池システムであって、
    前記燃料電池と、酸素供給部と、燃料供給部と、燃料タンクと、空気タンクと、手動ポンプとを備え、
    前記酸素供給部は、前記燃料電池における酸素の供給口、および前記空気タンクと連結しており、
    前記燃料供給部は、前記燃料電池における燃料の供給口、および前記燃料タンクと連結しており、
    前記空気タンクは、さらに前記手動ポンプと連結しており、
    前記空気タンクと前記燃料タンクとは、直接的または間接的に連結されている燃料電池システム。
12. 前記空気タンクと前記燃料タンクとを直接的または間接的に連結する連結部、および／または、前記燃料タンクと連結するガス排出部には、前記燃料タンク内の圧力を調整するための圧力調整弁をさらに備え、
    前記空気供給部にはさらにレギュレータを設置された請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料タンクは、前記燃料電池の電解質膜の面内方向と略平行に燃料を供給できる位置に備えられている、請求項１１または１２に記載の燃料電池システム。

Images