JP5082979B2

JP5082979B2 - 電気浸透流ポンプの制御方法及び制御装置並びに燃料電池システム

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Publication number: JP5082979B2
Application number: JP2008083615A
Authority: JP
Inventors: 康守家城
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009236022A

Description

本発明は、電気浸透流ポンプの制御方法及び制御装置並びに燃料電池システムに関し、特に電気浸透流ポンプを安定して動作させることができる制御方法及び制御装置並びにこれを備える燃料電池システムに関する。

電気浸透流現象を用いた電気浸透流ポンプは機械的可動部を持たずに液体を送液するものであるので、長寿命という利点をもつ。例えば、特許文献１に記載された電気浸透流ポンプにおいては、電気浸透材（２８）の両面に電極（３０，３２）が形成され、電気浸透材が筒状のハウジング（２４）に装着され、ハウジング内の空間が電気浸透材によって二つに区画されている。そして、両方の電極間に電圧が印加されると、電気浸透流現象により液体が電気浸透材を透過し、これにより液体の流れが生じる。
特開２００６−２２８０７号公報

ところが、送液する液体に気泡があると、その気泡は電気浸透材を透過しないので、上流側の電極に気泡が集まって、電極全体が気体によって覆われてしまう。そうすると、上流側の電極や電気浸透材に液体が接触しづらくなり、液体の送液効率が低下したり、液体の送液を行えなかったりすることがある。
そこで、本発明は、電気浸透流現象を用いた電気浸透流ポンプにおいて、送液する液体中の気泡によって影響されずに液体を安定して送液することができるようにすることを課題とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明によれば、
電気浸透流現象により液体を流す電気浸透流ポンプを制御する制御方法であって、
前記電気浸透流ポンプによって前記液体を順方向に一定の流量で流している期間中に、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を前記順方向に対して逆方向とし、所定の第１の期間経過後、順方向に戻す制御動作を間欠的に行うことを特徴とする電気浸透流ポンプの制御方法が提供される。

請求項２に係る発明によれば、
前記制御動作は、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を逆方向にした後に順方向に戻す動作を、連続して複数回繰り返して行うことを特徴とする請求項１に記載の電気浸透流ポンプの制御方法が提供される。

請求項３に係る発明によれば、
前記制御動作は、前記電気浸透流ポンプによる液体の流れの方向を逆方向にした後に順方向に戻した後の所定の第２の期間において、前記電気浸透流ポンプによる液体の流量を、前記一定の流量より増加させる動作を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気浸透流ポンプの制御方法が提供される。

請求項４に係る発明によれば、
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記液体の流れの方向を順方向とし、流量を前記一定の流量に設定するときに、前記両電極間に第１の電圧を印加し、
前記制御動作において、前記液体の流れの方向を逆方向にするとき、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧の極性に対して逆の極性を有する電圧に設定し、
前記液体の流れの方向を順方向に戻した後の前記第２の期間において、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧と同じ極性を有し、前記第１の電圧の絶対視より大きい値を有する第２の電圧に設定することを特徴とする請求項３に記載の電気浸透流ポンプの制御方法が提供される。

請求項５に係る発明によれば、
電気浸透流現象により液体を流す電気浸透流ポンプを制御する制御装置であって、
前記電気浸透流ポンプによって前記液体を順方向に一定の流量で流している期間中に、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を前記順方向に対して逆方向とし、所定の第１の期間経過後に順方向に戻す制御動作を、間欠的に行うように制御することを特徴とする電気浸透流ポンプの制御装置が提供される。

請求項６に係る発明によれば、
前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻す動作を、連続して複数回繰り返して行うように制御することを特徴とする請求項５に記載の電気浸透流ポンプの制御装置が提供される。

請求項７に係る発明によれば、
前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻した後の所定の第２の期間において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流量を、前記一定の流量より増加させるように制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の電気浸透流ポンプの制御装置が提供される。

請求項８に係る発明によれば、
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記液体の流れの方向が順方向に設定され、流量が前記一定の流量に設定されているときに、前記両電極間に第１の電圧を印加し、前記制御動作において、前記液体の流れの方向を逆方向にする際に、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧の極性に対して逆の極性を有する電圧に設定し、前記液体の流れの方向を順方向戻した後の前記第２の期間において、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧と同じ極性を有し、前記第１の電圧の絶対視より大きい値を有する第２の電圧に設定することを特徴とする請求項７に記載の電気浸透流ポンプの制御装置が提供される。

請求項９に係る発明によれば、
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記両電極間に印加する電圧の絶対値を設定する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
ハイレベルとローレベルを有して前記両電極間に印加する電圧の極性を設定する切替信号を出力する切替信号出力手段と、
前記駆動信号及び前記切替信号が供給され、前記駆動信号及び前記切替信号の信号レベルに基づく電圧レベルと極性を有する電圧を生成し、前記両電極間に印加して、前記電気浸透流ポンプにおける前記液体の流れの方向と流量を制御する正逆転回路と、
を備えることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の電気浸透流ポンプの制御装置が提供される。

請求項１０に係る発明によれば、
水素と水の電気化学反応によって発電する燃料電池を有する発電部と、
組成に水素を含む液体燃料が貯留される燃料貯留部と、
燃料貯留部より、電気浸透流現象により前記液体燃料を前記発電部に向けて送る電気浸透流ポンプと、
前記電気浸透流ポンプを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記電気浸透流ポンプによって前記液体を順方向に一定の流量で流している期間中に、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流れの方向を前記順方向に対して逆方向にし、所定の第１の期間経過後に順方向に戻す制御動作を、間欠的に行うように制御することを特徴とする燃料電池システムが提供される。

請求項１１に係る発明によれば、
前記制御装置は、前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻す動作を、連続して複数回繰り返して行うように制御することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１２に係る発明によれば、
前記制御装置は、前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻した後の所定の第２の期間において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流量を、前記一定の流量より増加させるように制御することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１３に係る発明によれば、
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記制御装置は、前記液体の流量が前記一定の流量に設定されているときに、前記両電極間に第１の電圧を印加し、前記制御動作において、前記液体の流れの方向を逆方向にする際に、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧の極性に対して逆の極性を有する電圧に設定し、前記液体の流れの方向を順方向戻した後の前記第２の期間において、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧と同じ極性を有し、前記第１の電圧の絶対視より大きい値を有する第２の電圧に設定することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１４に係る発明によれば、
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記制御装置は、
前記両電極間に印加する電圧の絶対値を設定する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
ハイレベルとローレベルを有して前記両電極間に印加する電圧の極性を設定する切替信号を出力する切替信号出力手段と、
前記駆動信号及び前記切替信号が供給され、前記駆動信号及び前記切替信号の信号レベルに基づく電圧レベルと極性を有する電圧を生成し、前記両電極間に印加して、前記電気浸透流ポンプにおける前記液体の流れの方向と流量を制御する正逆転回路と、
を備えることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、液体を流す電気浸透流ポンプにおいて、液体を間欠的に逆流させるように制御する。それゆえ、液体が逆流したときには、上流側の電極や電気浸透材に接触する気体がそれらから離れるので、液体の送液効率が低下することを抑えて、安定して液体を送ることができる。また、液体の逆流が間欠的であるから、全体として順方向への液体の流量が大きく低下することもない。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜第１の実施形態＞
図１は電気浸透流ポンプ１を示した斜視図であり、図２は電気浸透流ポンプ１を示した分解斜視図であり、図３は電気浸透流ポンプ１を示した縦断面図であり、図４は、電気浸透流ポンプ１により流れる液体の、第１の実施形態における流量の変化を示すタイミングチャートである。この電気浸透流ポンプ１においては、ハウジング３に電気浸透材２が組み付けられ、ハウジング３内が電気浸透材２によって上流室３１と下流室７１の２室に区画されている。

電気浸透材２は、誘電体の多孔質材、繊維材又は粒子充填材を薄板状又は膜状に形成したものである。例えば、シリカ繊維材料又は多孔質セラミックを電気浸透材２に用いることができる。

電気浸透材２の両面には、貴金属（例えば、白金）その他の金属の電極膜２１，２２が成膜されている。電極膜２１，２２はスパッタ法、蒸着法その他の気相成長法により成膜されたものである。電極膜２１，２２が気相成長法により成膜されたものであるから、電極膜２１，２２に多数の微小孔が形成されており、液体がこれら微小孔を通じて電極膜２１，２２を透過する。そのため、電気浸透材２に液体が浸透する。なお、電極膜２１，２２が網目状に形成されたものでもよく、その網目を通じて液体が電極膜２１，２２を浸透する。

電極膜２１と電極膜２２との間に電圧が印加されると、液体が電気浸透材２に電気浸透する。液体が浸透する向きは、電気浸透材２の材料や液体の種類により決まる。液体が水である場合、液体が電極膜２１，２２のうちより高電圧の電極（陽極）からより低電圧の電極（陰極）に向かって浸透する。

ハウジング３は、上流側ケース３０、電極板４０、支持枠５０、電極板６０及び下流側ケース７０を有し、これらが組み付けられてハウジング３が構成される。上流側ケース３０、支持枠５０及び下流側ケース７０は、絶縁性、耐熱性、耐薬品性などの性質をもった材料（例えば、ＰＥＥＫ）からなる。電極板４０，６０は例えば鉄、銅合金又はステンレス鋼（ＳＵＳ）からなり、酸化防止のためにその表面には金メッキが施されている。

上流側ケース３０の下面には上流室３１が凹設され、上流側ケース３０の上面には、ポート３２が凸設されている。ポート３２は管状に形成され、ポート３２の中空部分が反対側の上流室３１に通じている。

また、上流側ケース３０の上面であってポート３２の周囲には、複数の脱気孔３３が形成され、これら脱気孔３３が上流室３１まで通じている。そして、リング状の気体分離膜３４が上流室３１の天井面に貼着され、これら脱気孔３３が気体分離膜３４によって閉塞されている。なお、脱気孔３３及び気体分離膜３４が設けられる箇所は、上流側ケース３０の上面に限らず、上流側ケース３０の側面又はポート３２であってもよいし、ポート３２に接続される流路の壁面に設けてもよい。

気体分離膜３４は、上流室３１内の液体中の気体を分離する膜である。つまり、気体分離膜３４は、気体（例えば、酸素ガス、水素ガス）を透過させる性質と、液体（例えば、液状の水、液状のメタノール）の透過を遮断する性質とをあわせもつ。また、気体分離膜３４が疎水性を有していれば、気体分離膜３４に液体が親和しにくいので、気体分離膜３４の気体透過性及び液体遮蔽性が向上する。気体分離膜３４としては、例えば、最低ブレークスルーポイント（内圧を高めていったときに膜を液体が通過し始める圧力値）が２８０ｋＰａのアドバンテック製Ｔ０２０Ａを用いることができる。

電極板４０は上流側ケース３０の下面に設けられ、止水性の観点から、電極板４０の上面と上流側ケース３０の下面とが接着剤で接着されていることが好ましい。電極板４０の中央部には孔４１が形成され、電極板４０がリング状に設けられ、この孔４１が上流室３１に重なっている。また、電極板４０の外縁から接片４２が延出し、接片４２にリード線が接続している。

電極板４０の下面に支持枠５０が設けられ、電極板４０が支持枠５０の上面と上流側ケース３０の下面との間に挟まれている。止水性の観点から、電極板４０の下面と支持枠５０の上面とが接着剤で接着されていることが好ましい。

支持枠５０の中央部には孔５１が形成され、支持枠５０がリング状に設けられている。支持枠５０の孔５１に電気浸透材２が嵌め込まれ、電気浸透材２に成膜された電極膜２１が上流室３１に面している。支持枠５０の厚さは、電気浸透材２と電極膜２１，２２の厚さの総計に等しく、支持枠５０の両面が電気浸透材２の両面の電極膜２１，２２に対してそれぞれ面一になっている。孔５１の径及び電気浸透材２の径が電極板４０の孔４１の径よりも大きく、電極膜２１の縁部分が電極板４０の内縁部分に接している。なお、電極膜２１の縁部分と電極板４０の内縁部分が、導電性接着剤（例えば、藤倉化成製ドータイトＦＡ−７３０）によって接着されていてもよい。

支持枠５０の下面には電極板６０が設けられ、支持枠５０が電極板４０と電極板６０との間に挟持されている。止水性の観点から、支持枠５０の下面と電極板６０の上面とが接着剤によって接着されていることが好ましい。

電極板６０の中央部には孔６１が形成され、この孔６１が支持枠５０の孔５１及び電気浸透材２の径よりも小さい。そのため、電極膜２２の縁部分が電極板６０の内縁部分に接し、電気浸透材２及び電極膜２１，２２の外縁部分が電極板４０，６０の間に挟持されている。電極板６０の外縁から接片６２が延出し、接片６２にリード線が接続する。

電極板６０の下面には下流側ケース７０が設けられ、電極板６０が支持枠５０と下流側ケース７０との間に挟持されている。止水性の観点から、電極板６０の下面と下流側ケース７０の上面とが接着剤によって接着されていることが好ましい。

下流側ケース７０の上面には下流室７１が凹設され、電気浸透材２に成膜された電極膜２２が下流室７１に面している。下流側ケース７０の下面には、ポート７２が凸設されている。ポート７２は管状に形成され、ポート７２の中空部分が反対側の下流室７１に通じている。下流室７１の底面に液体分離膜７５が貼着され、液体分離膜７５が下流室７１におけるポート７２の開口を閉塞する。液体分離膜７５は、下流室７１の液体を分離する膜である。つまり、液体分離膜７５は、液体を透過させる性質と、気体の透過を遮断する性質とをあわせもつ。また、液体分離膜７５が親水性を有していれば、液体が液体分離膜７５に親和するので、液体分離膜７５の液体透過性及び気体遮蔽性が向上する。液体分離膜７５としては、例えば最低バブルポイントが２５０ｋＰａの日本ポール製ＳＵＰＯＲ−４５０を用いることができる。

また、下流側ケース７０の下面であってポート７２の周囲には、複数の脱気孔７３が形成され、これら脱気孔７３が下流室７１まで通じている。そして、リング状の気体分離膜７４が下流室７１の底面に貼着され、これら脱気孔７３が気体分離膜７４によって閉塞されている。気体分離膜７４は下流室７１内の液体中の気体を分離する膜であり、気体分離膜３４と同様のものを用いることができる。

電極膜２１が電極膜２２よりも高電圧になると、電気浸透材２における電気浸透流現象によって、液体が上流室３１から下流室７１へ電気浸透材２を浸透する。これにより、液体が順方向に送液される。つまり、電気浸透流ポンプ１の上流側の液体がポート３２を通って上流室３１に流れ込み、下流室７１に浸透した液体は液体分離膜７５を透過し、更にポート７２を通って下流へ流出する。液体の流量は電極膜２１と電極膜２２の間の電圧に従ったものとなり、電極膜２１と電極膜２２の間の電圧が高くなるにつれて液体の流量が高くなる。

液体が流れている時に、上流室３１内に気泡が発生すると、その気体が気体分離膜３４を透過して、ハウジング３の外に排気される。また、下流室７１内に気泡が発生すると、気体分離膜７４を透過して、ハウジング３の外に排気される。また、下流室７１内の気体は液体分離膜７５を透過しないので、ポート７２から流れ出る液体には気体が混入しない。

ところで、液体が順方向に流れていると、電極膜２１の表面に気泡が徐々に蓄積し、その気泡が集まって、その気体の塊が電極膜２１を覆って、電極膜２１に液体が接触しなくなるようなことが生じる。また、電気浸透材２の内部にも気泡が徐々に発生してしまうことがある。更に、下流室７１にも気泡が徐々に蓄積し、貯まった気体が液体分離膜７５を透過してしまうこともある。また、電気浸透材２を通じた液体の電気化学反応により、電極膜２１，２２の表面には気泡が発生する。

そのような現象を防止するべく、本実施形態においては、電気浸透流ポンプ１によって液体が順方向に流れている間において、電気浸透流ポンプ１による液体の流れの方向を短時間だけ逆方向にした後に順方向に戻す動作（制御動作）を間欠的に（例えば所定期間経過ごとに）行う（図４参照）。つまり、電極膜２１を電極膜２２よりも高電圧にして液体を定常的に、第１の流量（Ｒ１）で順方向に流している期間の間の期間（図４の期間Ｔ１、Ｔ１^*の間の期間）において、その電圧を一時的に反転させることで、間欠的に電極膜２２を電極膜２１よりも高電圧にする（図４の期間Ｔ２）。電極膜２２が電極膜２１よりも高電圧になると、電気浸透材２における電気浸透流現象によって、液体が下流室７１から上流室３１へ電気浸透材２を浸透する。これにより液体が逆方向に、第２の流量（Ｒ２）で送液される。液体が逆流すると、電気浸透材２の内部に発生した気泡が上流室３１内に吹き出るとともに電極膜２１に接していた気泡が離れ、上流室３１内において気泡が気体分離膜３４に向かう。そうすると、気体が気体分離膜３４を透過して排出されるから、上流室３１内の気泡が減少する。すなわち、この制御動作は気泡を減少させ、除去するための動作である。

間欠的に電極膜２２を電極膜２１よりも高電圧にして、電気浸透流ポンプ１による液体の流れを逆流させると、順方向に送られる液体の流量が減少してしまう。その流量低下を補うべく、反転後に電極膜２１を電極膜２２よりも高電圧に戻した後の期間（図４の期間Ｔ３）、その時の電極膜２１と電極膜２２との間の電圧を、期間Ｔ１、Ｔ１^*において電極膜２１と電極膜２２との間に印加される電圧よりも上昇させる。そうすると、期間Ｔ３における電極膜２１と電極膜２２との間の電圧は、期間Ｔ１における電極膜２１と電極膜２２との間の電圧よりも高くなり、順方向に流れる液体の流量は、第１の流量（Ｒ１）より増加した第３の流量（Ｒ２）となる。その後（期間Ｔ３の後）、電極膜２１と電極膜２２との間の電圧を、期間Ｔ１における電極膜２１と電極膜２２殿間の電圧に等しくして（期間Ｔ１^*）、順方向に流れる液体の流量を、元の第１の流量（Ｒ１）に戻す。そうすると、期間Ｔ２において液体が逆流した後に、液体が順方向に流れるが、液体が順方向に流れ出したときの期間Ｔ３では、その流量（第２の流量Ｒ３）が以前の期間Ｔ１における流量（第１の流量Ｒ１）よりも高くなるので、期間Ｔ２、期間Ｔ３全体における流量の平均が期間Ｔ１，Ｔ１^*における流量とほぼ等しくなるようにすることができる。なお、期間Ｔ２と期間Ｔ３の長さは等しくてもよいし、異なっていてもよい。また、期間Ｔ１における電極膜２１と電極膜２２との間の電圧の絶対値と、期間Ｔ２における電極膜２１と電極膜２２との間の電圧の絶対値とが等しくてもよいし、どちらかが他よりも高くてもよい。

続いて、電気浸透流ポンプ１を制御する制御装置の具体的な構成について説明する。図５は電気浸透流ポンプ１の制御装置８０を示したブロック図であり、図６は図５に示されたドライバ及び正逆転回路の構成の一例を示した回路図であり、図７は、図６の構成において、図４に示した液体の流量の制御を行うための、電極膜２１と電極膜２２との間の電圧と、制御信号（駆動信号、切替信号）の変化を示すタイミングチャートである。なお、図７（ａ）における期間Ｔ１、Ｔ１^*、Ｔ２、Ｔ３は図４に示した同期間に対応するものである。
この制御装置８０は、コントローラであるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）８１と、ドライバ８２と、正逆転回路８３と、を有する。なお、ドライバ８２がなく、ドライバ８２の機能がマイコン８１に内蔵されていてもよいし、正逆転回路８３がなく、正逆転回路８３の機能がマイコン８１に内蔵されていてもよいし、ドライバ８２及び正逆転回路８３の両方の機能がマイコン８１に内蔵されていてもよい。

マイコン８１は、ドライバ８２を介して電気浸透流ポンプ１の流量を制御するとともに、正逆転回路８３を介して電気浸透流ポンプ１による液体の流れる向きの切り替えを行う。具体的には、マイコン８１は、ハイ・ローの二値で表された切替信号を正逆転回路８３に出力する切替信号出力手段として機能するとともに、電気浸透流ポンプ１の電極膜２１，２２間に印加する電圧を表した多段的又はアナログ的な駆動信号をドライバ８２に出力する駆動信号出力手段として機能する。

ドライバ８２は、マイコン８１から出力された駆動信号を増幅して、その増幅した駆動信号（信号のレベルは電圧で表されたものである）を、正逆転回路８３を介して電気浸透流ポンプ１に出力する。

正逆転回路８３は、マイコン８１から出力された切替信号に応じて、ドライバ８２によって増幅された信号の反転・非反転を制御する。なお、正逆転回路８３の出力が、リード線を介して電気浸透流ポンプ１の電極板４０，６０の接片４１，６１に接続されている。
ドライバ８２及び正逆転回路８３は、具体的には、例えば図６に示す回路構成によって構成される。図６に示すように、ドライバ８２は、オペアンプＯＰ１及び抵抗Ｒ１，Ｒ２を有する非反転増幅器８４と、オペアンプＯＰ２を有するボルテージフォロワ（インピーダンス変換器）８５とを有する。正逆転回路８３は、インバータＩｎｖ、ｎ型のトランジスタ（ＦＥＴ）Ｔｒ１〜Ｔｒ４、ｐ型のトランジスタ（ＦＥＴ）Ｔｒ５，Ｔｒ６及び抵抗Ｒ３，Ｒ４を備える。ドライバ８２の入力（オペアンプＯＰ１の非反転入力端子）には、マイコン８１から駆動信号（例えば１〜５Ｖの電圧レベルによる信号）が入力される。駆動信号は非反転増幅器８４によって増幅され、インピーダンス変換がボルテージフォロワ８５によって行われ、増幅された駆動信号がボルテージフォロワ８５の出力より出力される。
正逆転回路８３に入力される切替信号がハイであると、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ５がオンとなり、電気浸透流ポンプ１の電極板６０・電極膜２２が接地される。また、ドライバ８２の出力（ボルテージフォロワ８５の出力）が電気浸透流ポンプ１の電極板４０・電極膜２１に入力され、増幅された駆動信号による電圧が電気浸透流ポンプ１の電極板４０・電極膜２１に印加される。そのため、電極膜２１が電極膜２２よりも高電圧であるので、電気浸透流ポンプ１によって液体が順方向に流れる。
一方、正逆転回路８３に入力される切替信号がローであると、トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ６がオンとなり、電気浸透流ポンプ１の電極板４０・電極膜２１が接地される。また、ドライバ８２の出力が電気浸透流ポンプ１の電極板６０・電極膜２２に入力され、増幅された駆動信号による電圧が電気浸透流ポンプ１の電極板６０・電極膜２２に印加される。そのため、電極膜２２が電極膜２１よりも高電圧であるので、電気浸透流ポンプ１によって液体が逆方向に流れる。

このような制御装置８０においては、マイコン８１より出力された駆動信号に応じたレベルの電圧が、電極膜２１と電極膜２２との間に印加される。これにより、電気浸透流ポンプ１が作動し、液体の流れが生じる。ここで、電極膜２１，２２の正負は、マイコン８１より出力される切替信号により決まる。例えば、切替信号がハイである場合、電極膜２１が電極膜２２よりも高電圧になって液体が正方向に流れ、切替信号がローである場合、電極膜２２が電極膜２１よりも高電圧になって液体が逆方向に流れる。
本実施形態においては、マイコン８１は、定常運転時（図７（ａ）のＴ１の期間）においては、図７（ｂ）に示すように駆動信号を第１のレベル（Ｌ１）に設定し、図７（ｃ）に示すように切替信号をハイレベルに設定する。これにより、図７（ａ）に示すように、電気浸透流ポンプ１の電極膜２１と電極膜２２との間に第１の電圧Ｖ１が印加されて、液体が第１の流量（Ｒ１）で順方向に流れる。次いで、マイコン８１は、図７（ａ）の期間Ｔ２に対応する期間に、駆動信号を第２のレベル（Ｌ２）に設定し、切替信号をローにする。そうすると、図７（ａ）に示すように、電極膜２１と電極膜２２との間に印加される電圧が負電圧の第２の電圧Ｖ２となり、電極膜２２が電極膜２１よりも高電圧になって、液体が第２の流量（Ｒ２）で逆流する。次いで、マイコン８１は、図７（ａ）の期間Ｔ３に対応する期間に、駆動信号を第３のレベル（Ｌ３）に上げ、切替信号をローからハイに戻す。これにより、図７（ａ）に示すように、電極膜２１と電極膜２２との間に印加される電圧が第１の電圧Ｖ１より高い第３の電圧Ｖ３となり、液体が流れる方向は順方向となり、液体の流量は第１の流量より増加した高い第３の流量（Ｒ３）となる。その後の定常運転時（図７（ａ）のＴ１^*の期間）においては、マイコン８１は、駆動信号のレベルを、Ｔ１の期間のときと同じ第１のレベル（Ｌ１）に戻す。これにより、再び、液体は第１の流量（Ｒ１）で順方向に流れる。このように、マイコン８１は、切替信号をハイにしている期間に駆動信号のレベルを制御して、液体が順方向に流れる時の流量が調整される。なお、切替信号のハイ・ローと、電極膜２１，２２の電圧の高低との関係は逆であってもよい。

以上のように、本実施形態によれば、液体が間欠的に逆流することによって、電極膜２１の表面に集まった気体が電極膜２１から離れたり、電気浸透材２内の気泡が上流室３１に吹き出たりするので、安定して液体の送液を行うことができる。特に、電極膜２１の対向位置に気体分離膜３４・脱気孔３３が設けられているから、液体の逆流時に気泡が排出されやすい。
また、液体が逆流した後に順方向の流れに戻った時に、液体の流量が上昇するので、液体が逆流したものとしても、全体として均一な流量で液体を流すことができる。

＜第２の実施の形態＞
図８は、電気浸透流ポンプ１により流れる液体の、第２の実施形態における流量の変化と、図６の構成において、液体の流量をそのように制御するための制御信号（駆動信号、切替信号）の変化を示すタイミングチャートである。第２実施形態と第１実施形態とは、電気浸透流ポンプ１及び制御装置８０の構成が同様であるが、マイコン８１によって出力される切替信号の波形が異なり、液体を間欠的に逆流させる態様が異なる。

即ち、第１実施形態においては、期間Ｔ１と期間Ｔ１^*の間において、液体の逆流を１回だけ生じさせたが、第２実施形態においては、期間Ｔ１と期間Ｔ１^*の間において、図８（ａ）に示すように、期間Ｔ２と期間Ｔ３を複数回設けて、液体を逆流して戻すことを複数回繰り返し、このような繰り返しを間欠的に生じさせる。このために、マイコン８１は、切替信号のロー・ハイの切替の繰り返しを、期間Ｔ２と期間Ｔ３に応じて、間欠的に、所定期間経過ごとに、複数回行う。

また、図８（ｂ）に示すように、第１実施形態の場合と同様に、マイコン８１は、切替信号がローからハイに戻った期間Ｔ３に対応する期間に、駆動信号の電圧レベルを第２のレベル（Ｌ２）から第３のレベル（Ｌ３）に上昇させて、液体の流量を第３の流量（Ｒ３）に増加させる。これにより、逆流による流量低下が補われる。

本実施形態においても、液体が逆流することによって、気泡が除去されて、安定して液体の送液を行うことができる。

＜電気浸透流ポンプ及び制御装置の使用例＞
次に、制御装置８０及び電気浸透流ポンプ１の用途について説明する。図９は電気浸透流ポンプ１を用いた燃料電池システムを示したブロック図である。
電気浸透流ポンプ１及び制御装置８０は、図９に示すような燃料電池システム９００に用いることができる。この燃料電池システム９００は電子機器に備え付けられ、燃料電池システム９００により電気エネルギーが電子機器本体１０００に供給され、電子機器本体１０００が動作する。

この燃料電池システム９００は、燃料電池９０７と、燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水を液体の状態で貯留した燃料カートリッジ９０１と、燃料カートリッジ９０１から燃料電池９０７の燃料極に向けて水と燃料を送液する電気浸透流ポンプ１と、電気浸透流ポンプ１から燃料電池９０７までの間の過程において燃料と水を気化させる気化器９０２と、気化器９０２から送られた燃料と水から水素ガス等を生成する複合型マイクロ反応装置９０３と、燃料電池９０７により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ９０８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０８に接続される２次電池９０９と、それらを制御する制御装置８０と、を備える。複合型マイクロ反応装置９０３は、改質器９０４と、ＣＯ除去器９０５と、燃焼器９０６とを有する。

電気浸透流ポンプ１が制御装置８０によって制御されて駆動されることによって燃料と水の混合液が燃料カートリッジ９０１から気化器９０２へ送られ、気化器９０２で気化した燃料と水は複合型マイクロ反応装置９０３の改質器９０４に流れ込む。改質器９０４においては燃料と水が触媒により改質反応を起こし、水素ガスが生成されるとともに僅かながら一酸化炭素ガスも生成される（燃料がメタノールの場合には、下記化学式（１）、（２）を参照。）。改質器９０４で生成された水素ガス等はＣＯ除去器９０５に送られ、更に外部の空気がＣＯ除去器９０５に送られる。ＣＯ除去器９０５においては、一酸化炭素ガスが一酸化炭素除去触媒により優先的に酸化する選択酸化反応が起こり、一酸化炭素ガスが除去される（下記化学式（３）を参照）。ＣＯ除去器９０５を経た水素ガス等は燃料電池９０７の燃料極に供給され、燃料電池９０７の酸素極には空気が供給され、燃料電池９０７における電気化学反応により電気エネルギーが生成される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂・・・（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ・・・（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂・・・（３）

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０８は燃料電池９０７により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体１０００に供給する機能の他に、燃料電池９０７により生成された電気エネルギーを２次電池９０９に充電し、燃料電池９０７や複合型マイクロ反応装置９０３等が動作していない時に、２次電池９０９に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体１０００に供給する機能も果たせるようになっている。制御装置８０は気化器９０２、複合型マイクロ反応装置９０３、燃料電池９０７を運転するために必要な図示しないポンプやバルブ類、ヒータ類のほか、電気浸透流ポンプ１及びＤＣ／ＤＣコンバータ９０８等を制御する。上述したように、制御装置８０が、駆動信号の電圧レベルにより電気浸透流ポンプ１による液体の流量を制御することによって、電子機器本体１０００に安定して電気エネルギーが供給される。

ここで、燃料電池９０７の燃料極に供給された水素ガスは全てが反応しない方が高効率であり、残留した水素ガスは燃焼器９０６に供給される。燃焼器９０６には水素ガスの他に空気が供給され、燃焼器９０６内において水素ガスが触媒により酸化され、燃焼熱が発生する。燃焼器９０６で発生した熱によって改質器９０４が加熱される。

電気浸透流ポンプ１が制御装置８０によって上述したように制御されることによって、水と燃料の送液流量が安定するから、燃料電池９０７において安定して発電が起こる。

なお、図８では、燃料電池９０７は水素の電気化学反応により発電するものであるが、液体燃料の電気化学反応により発電するものでもよい。つまり、いわゆるダイレクト燃料式燃料電池（例えば、ダイレクトメタノール式燃料電池）を燃料電池９０７に用いてもよい。この場合、気化器９０２及び複合型マイクロ反応装置９０３が無く、電気浸透流ポンプ１によって送液される燃料は、直接、燃料電池９０７の燃料極に送られる。

電気浸透流ポンプを示した斜視図である。電気浸透流ポンプを示した分解斜視図である。電気浸透流ポンプを示した縦断面図である。電気浸透流ポンプにより流れる液体の、第１の実施形態における流量の変化を示すタイミングチャートである。電気浸透流ポンプの制御装置を示したブロック図である。図５に示されたドライバ及び正逆転回路の構成の一例を示した回路図である。図６の構成において、図４に示した液体の流量の制御を行うための制御信号（駆動信号、切替信号）の変化を示すタイミングチャートである。電気浸透流ポンプにより流れる液体の、第２の実施形態における流量の変化と、図６の構成において、液体の流量をそのように制御するための制御信号（駆動信号、切替信号）の変化を示すタイミングチャートである。電気浸透流ポンプを用いた燃料電池システムを示したブロック図である。

符号の説明

１電気浸透流ポンプ
２電気浸透材
２１、２２電極膜
４０、６０電極板
８０制御装置
８１マイクロコンピュータ
８２ドライバ
８３正逆転回路

Claims

電気浸透流現象により液体を流す電気浸透流ポンプを制御する制御方法であって、
前記電気浸透流ポンプによって前記液体を順方向に一定の流量で流している期間中に、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を前記順方向に対して逆方向とし、所定の第１の期間経過後、順方向に戻す制御動作を間欠的に行うことを特徴とする電気浸透流ポンプの制御方法。
前記制御動作は、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を逆方向にした後に順方向に戻す動作を、連続して複数回繰り返して行うことを特徴とする請求項１に記載の電気浸透流ポンプの制御方法。
前記制御動作は、前記電気浸透流ポンプによる液体の流れの方向を逆方向にした後に順方向に戻した後の所定の第２の期間において、前記電気浸透流ポンプによる液体の流量を、前記一定の流量より増加させる動作を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気浸透流ポンプの制御方法。
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記液体の流れの方向を順方向とし、流量を前記一定の流量に設定するときに、前記両電極間に第１の電圧を印加し、
前記制御動作において、前記液体の流れの方向を逆方向にするとき、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧の極性に対して逆の極性を有する電圧に設定し、
前記液体の流れの方向を順方向に戻した後の前記第２の期間において、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧と同じ極性を有し、前記第１の電圧の絶対視より大きい値を有する第２の電圧に設定することを特徴とする請求項３に記載の電気浸透流ポンプの制御方法。
電気浸透流現象により液体を流す電気浸透流ポンプを制御する制御装置であって、
前記電気浸透流ポンプによって前記液体を順方向に一定の流量で流している期間中に、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を前記順方向に対して逆方向とし、所定の第１の期間経過後に順方向に戻す制御動作を、間欠的に行うように制御することを特徴とする電気浸透流ポンプの制御装置。
前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻す動作を、連続して複数回繰り返して行うように制御することを特徴とする請求項５に記載の電気浸透流ポンプの制御装置。
前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻した後の所定の第２の期間において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体の流量を、前記一定の流量より増加させるように制御することを特徴とする請求項５又は６に記載の電気浸透流ポンプの制御装置。
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記液体の流れの方向が順方向に設定され、流量が前記一定の流量に設定されているときに、前記両電極間に第１の電圧を印加し、前記制御動作において、前記液体の流れの方向を逆方向にする際に、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧の極性に対して逆の極性を有する電圧に設定し、前記液体の流れの方向を順方向戻した後の前記第２の期間において、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧と同じ極性を有し、前記第１の電圧の絶対視より大きい値を有する第２の電圧に設定することを特徴とする請求項７に記載の電気浸透流ポンプの制御装置。
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記両電極間に印加する電圧の絶対値を設定する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
ハイレベルとローレベルを有して前記両電極間に印加する電圧の極性を設定する切替信号を出力する切替信号出力手段と、
前記駆動信号及び前記切替信号が供給され、前記駆動信号及び前記切替信号の信号レベルに基づく電圧レベルと極性を有する電圧を生成し、前記両電極間に印加して、前記電気浸透流ポンプにおける前記液体の流れの方向と流量を制御する正逆転回路と、
を備えることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の電気浸透流ポンプの制御装置。
水素と水の電気化学反応によって発電する燃料電池を有する発電部と、
組成に水素を含む液体燃料が貯留される燃料貯留部と、
燃料貯留部より、電気浸透流現象により前記液体燃料を前記発電部に向けて送る電気浸透流ポンプと、
前記電気浸透流ポンプを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記電気浸透流ポンプによって前記液体を順方向に一定の流量で流している期間中に、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流れの方向を前記順方向に対して逆方向にし、所定の第１の期間経過後に順方向に戻す制御動作を、間欠的に行うように制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御装置は、前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻す動作を、連続して複数回繰り返して行うように制御することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記制御動作において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流れの方向を逆方向に設定した後に順方向に戻した後の所定の第２の期間において、前記電気浸透流ポンプによる前記液体燃料の流量を、前記一定の流量より増加させるように制御することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記制御装置は、前記液体の流量が前記一定の流量に設定されているときに、前記両電極間に第１の電圧を印加し、前記制御動作において、前記液体の流れの方向を逆方向にする際に、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧の極性に対して逆の極性を有する電圧に設定し、前記液体の流れの方向を順方向戻した後の前記第２の期間において、前記両電極間に印加する電圧を、前記第１の電圧と同じ極性を有し、前記第１の電圧の絶対視より大きい値を有する第２の電圧に設定することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
前記電気浸透流ポンプは電気浸透材及びその両面に設けられた電極を有し、
前記制御装置は、
前記両電極間に印加する電圧の絶対値を設定する駆動信号を出力する駆動信号出力手段と、
ハイレベルとローレベルを有して前記両電極間に印加する電圧の極性を設定する切替信号を出力する切替信号出力手段と、
前記駆動信号及び前記切替信号が供給され、前記駆動信号及び前記切替信号の信号レベルに基づく電圧レベルと極性を有する電圧を生成し、前記両電極間に印加して、前記電気浸透流ポンプにおける前記液体の流れの方向と流量を制御する正逆転回路と、
を備えることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の燃料電池システム。