(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池スタックと、冷却剤貯留槽と、冷却剤流路を抗細菌性、抗真菌性及び／または抗ウイルス性とする抗微生物パターン化表面を備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、抗微生物パターン化表面を備える。本燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０２と、冷却剤貯留槽１０４と、冷却剤貯留槽１０４から燃料電池スタック１０４へ冷却剤を供給するように構成される冷却剤流路１０６と、を備える。燃料電池スタック１０２、冷却剤貯留槽１０４及び冷却剤流路１０６のうちの１つ以上は、抗微生物パターン化表面を備える。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抗微生物パターン化表面を備える燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池スタックと、
冷却剤貯留槽と、
前記冷却剤貯留槽から前記燃料電池スタックへ冷却剤を供給するように構成された冷却剤流路と、を備え、
前記燃料電池スタック、前記冷却剤貯留槽、及び前記冷却剤流路のうちの１つ以上が、前記抗微生物パターン化表面を備える、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項３】
前記抗微生物パターン化表面が、微生物増殖を抑制するためのマイクロスケールの波形を備える、請求項１または２のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項４】
前記マイクロスケールの波形がそれぞれ、１０〜１００ミクロンの幅を有する、請求項３に記載の前記燃料電池システム。
【請求項５】
前記マイクロスケールの波形が、幅方向に１０〜１００ミクロンの間隔で分離される、請求項３〜４のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項６】
前記マイクロスケールの波形がそれぞれ、１０〜１００ミクロンの深さを有する、請求項３〜５のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項７】
前記抗微生物パターン化表面が、セル状レリーフパターンを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項８】
前記抗微生物パターン化表面が、２〜３０の平均粗さ係数を有し、前記平均粗さ係数が、実表面積の幾何学表面積に対する比として決定される、請求項１〜７のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項９】
前記抗微生物パターン化表面が、化学的に不活性である、請求項１〜８のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１０】
前記抗微生物パターン化表面が、化学的に抗微生物性である、請求項１〜８のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１１】
前記冷却剤が水である、請求項２に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１２】
冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置される紫外光源を備え、前記ＵＶ光源が、前記燃料電池スタックの上流に位置付けられる、請求項１〜１１のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１３】
冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置される脱イオン化装置を備え、前記脱イオン化装置が、前記燃料電池スタックの上流に位置付けられる、請求項１〜１２のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１４】
脱イオン化装置が、紫外光源から下流、かつ燃料電池スタックから上流に位置付けられる、請求項１〜１３のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１５】
冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置されるフィルタを備え
、前記フィルタが、前記燃料電池スタックの上流に位置付けられる、請求項１〜１４のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池システムが、
前記燃料電池システム内で冷却剤を輸送するための冷却剤流路と、
前記冷却剤流路における前記冷却剤の圧力を決定するように構成される圧力計と、
前記冷却剤流路内に位置付けられるポンプと、
前記ポンプを制御するように構成されるコントローラと、を備え、
前記コントローラが、前記圧力計から圧力値を受信し、かつ前記圧力値に基づき、前記ポンプを使用して前記冷却剤流路内の冷却剤の流れを制御するように構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池システムが、
前記燃料電池システム内で冷却剤を輸送するための冷却剤流路と、
前記冷却剤流路における前記冷却剤の温度を決定するように構成される温度計と、
前記冷却剤流路内に位置付けられるポンプと、
前記ポンプを制御するように構成されるコントローラと、を備え、
前記コントローラが、前記温度計から温度値を受信し、かつ前記温度値に基づき、前記ポンプを使用して前記冷却剤流路内の冷却剤の流れを制御するように構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の前記燃料電池システムを備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタック形態で配置される電気化学燃料電池、及び具体的には、そのような燃料電池スタックのための冷却システムに関する。具体的には、本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムのための抗微生物システム、及び燃料電池システムを含む車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、燃料及び酸化剤を、一般的に両方ともガス流の形態で、電気エネルギー及び反応生成物に変換する。水素と酸素との反応用の電気化学燃料電池の最もよく見られるタイプは、膜−電極接合体（ＭＥＡ）内にプロトン交換膜（ＰＥＭ）としても知られる高分子イオン移送膜を備え、膜の各側面を燃料及び空気が通過する。プロトン（すなわち、水素イオン）は、膜を通じて伝導され、燃料電池の陽極と陰極とを接続する回路を通じて伝導される電子によってバランスが保たれる。利用可能な電圧を増大するために、直列に電気配置された多数のＭＥＡを備えるスタックが形成される。各ＭＥＡには、別々の陽極及び陰極流体流路が設けられる。この陽極及び陰極流体流路がそれぞれ、燃料及び酸化剤を膜に送達する。燃料電池スタックは、典型的には、スタックの両端にエンドプレートによって結び付けられている多数の個々の燃料電池プレートを備えるブロック形態にある。
【０００３】
燃料と酸化剤との反応が、電力だけでなく熱も生成するため、燃料電池スタックは、一旦作動温度に達すると、燃料電池への損傷を避けるために冷却を必要とする。冷却は、（陽極を水和させる働きをする）陽極流体流路、及び／または反応物質水と結合する陰極流体流路のいずれかにおいて、冷却剤（水など）をスタック内の個々の電池に送達することによって少なくとも部分的に達成され得る。いずれの場合にも、燃料電池の蒸発冷却が発生し得る。
【０００４】
典型的な配置において、冷却水は、燃料電池スタックの陽極または陰極流体流路内に注入される。冷却水は、高純度でなければならない。汚染された冷却水が燃料電池スタック内に導入されると、汚染物質は、燃料電池スタックの性能に徹底的に影響を与えることができ、かつスタック内の構成要素を劣化させることができる。汚染物質は、無機（金属イオンなど）及び有機（有機汚染物質分子及び細菌／微生物など）であり得る。それ故に、それが燃料電池スタックに入る前に冷却水を処理して汚染物質を除去することが有益である。
【０００５】
オゾンは水中の細菌／微生物を死滅させるための強力な殺菌剤として使用され得る。しかしながら、オゾンは有害となり得るため、予備発電システム及び熱電併給（ＣＨＰ）システムなどの定常及び拘束された環境にある水を殺菌するために、オゾンを使用することが常に実用的であるとは限らない。
【０００６】
紫外（ＵＶ）光を使用して細菌／微生物を死滅させてもよい。しかしながら、ＵＶ光を使用して水を殺菌することは、全ての状況において効果的であるとは限らない。燃料電池システムにおいては、プロセス流体のみがＵＶ光によって処理される（つまり、流体がＵＶ光に曝露される）こととなる。ＵＶ光が燃料電池システムの水の領域（貯水タンク内など）に達しない場合、曝露されていない水はＵＶ光によって洗浄されない。さらに、生物学的汚染物質の集合体が存在する場合（生物膜など）、曝露されている表面のみがＵＶ光によって処理されることとなる。
【０００７】
水が燃料電池システム管路、機序、及び燃料電池スタックを通過する前に、水を供給源で殺菌することが望ましい。このため、水貯留槽／貯蔵槽が使用される場合には、水貯留槽／貯蔵槽内の冷却水を殺菌することが望ましい。上述したように、この目的のためにオゾンを使用することは常に実用的ではなく、貯蔵槽または同様の冷却剤貯留槽が使用されるときには、ＵＶ照明が効果的でない場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様に従って、抗微生物パターン化表面を備える燃料電池システムが提供される。抗微生物パターン化表面は、抗細菌性、抗真菌性、及び／または抗ウイルス性であり得る。有利に、抗微生物表面のパターニングは、例えば表面物質内の化学添加物に対するその抗微生物特性を生み出す。
【０００９】
抗微生物パターン化表面は、表面上の微生物の付着及び増殖／発達を阻害することによって、微生物増殖を抑制し得る。パターンのレリーフは、細菌などの微生物が表面上で繁殖及び／または集まることができないようなものであり得る。これが、燃料電池システム内の表面にわたる生物膜の発達及び蔓延を抑制し得る。微生物増殖及び生物膜発達を抑制することによって、燃料電池システム内の冷却剤は、純度が保たれ得る。
【００１０】
本燃料電池システムは、燃料電池スタックと、冷却剤貯留槽と、冷却剤貯留槽から燃料電池スタックへ冷却剤を供給するように構成される冷却剤流路とを備え、燃料電池スタック、冷却剤貯留槽、及び冷却剤流路のうちの１つ以上が抗微生物パターン化表面を備える。
【００１１】
抗微生物パターン化表面は、微生物増殖を抑制するためのマイクロスケールの波形または隆線（連続または非連続）を備え得る。マイクロスケールの波形はそれぞれ、１〜１００ミクロン、１０〜１００ミクロン、及び場合によっては２〜２５ミクロンの幅を有し得る。マイクロスケールの波形は、幅方向に１〜１００ミクロン、１０〜１００ミクロン、及び場合によっては２〜２５ミクロンの間隔で分離され得る。マイクロスケールの波形はそれぞれ、１〜１００ミクロン、１０〜１００ミクロン、及び場合によっては２〜２０ミクロンの深さを有し得る。抗微生物パターン化表面は、セル状レリーフパターンを備え得る。パターン化表面の繰り返しセルが効率的な製造を提供するため、これは有利である。
【００１２】
抗微生物パターン化表面は、２〜３０の平均粗さ係数を有し得、平均粗さ係数は、実表面積の幾何学表面積に対する比として決定される（いくつかの例においては、平均粗さ係数は３０より大きい場合がある）。有利に、パターン化表面は、燃料電池システム内の微生物の集合及び発達／蔓延を防ぐように、特定のマイクロスケールの寸法を有するパターンを形成する表面レリーフ構造を有する特定の表面レリーフパターニングで設計及び製造され得る。
【００１３】
抗微生物パターン化表面は、化学的に不活性であり得る。有利に、表面は、特定の表面パターニングに起因して抗微生物特性を有し得るため、抗微生物化学剤なしで抗微生物表面を提供する。これは、燃料電池システム内の燃料電池スタックへの純粋な冷却剤供給を維持するために望ましい場合がある。
【００１４】
抗微生物パターン化表面は、化学的に抗微生物であり得る。有利に、表面は、特定の表面パターニングだけでなく化学的に活性の抗微生物剤にも起因して抗微生物特性を有し得る。このため、パターン化表面に起因して微生物増殖を抑制し得、かつ化学抗微生物特性に起因して既存の微生物を死滅させ得る「二重作用」抗微生物表面が、燃料電池システム内で使用され得る。
【００１５】
冷却剤は、水、具体的には精製水または脱イオン水であり得る。
燃料電池システムは、冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置される紫外光源を備え得、ＵＶ光源は燃料電池スタックの上流に位置付けられる。有利に、燃料電池システムの冷却剤流路内に存在する微生物を死滅させるように構成されるＵＶ光源を使用することは、純粋な冷却剤の燃料電池スタック（複数可）への供給を可能にし得、ＵＶ光が浸透することができない可能性のある生物膜等の構築を減少させる助けをする抗微生物パターン化表面とうまく機能する。
【００１６】
燃料電池システムは、冷却剤を燃料電池スタックへ供給するための冷却剤流路内に配置される脱イオン化装置を備え得、脱イオン化装置は燃料電池スタックの上流に位置付けられる。有利に、燃料電池システム内の冷却剤とのイオン交換のために構成される脱イオン化装置を使用することは、純粋な冷却剤の燃料電池スタック（複数可）への供給を可能にし得、抗微生物パターン化表面とうまく機能して脱イオン化装置が生物膜で覆われないようにする。脱イオン化装置は、脱イオン化カラムであってもよい。
【００１７】
脱イオン化装置は、燃料電池システム内の紫外光源から下流、かつ燃料電池スタックから上流に位置付けられ得る。有利に、冷却剤は、冷却剤内の微生物を破壊するためにＵＶ光を使用して洗浄され得、次いで冷却剤は、燃料電池スタック（複数可）に到着する前に、イオン交換のために脱イオン化装置を通過する。
【００１８】
燃料電池システムは、冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置されるフィルタを備え得、フィルタは、燃料電池スタックの上流に位置付けられる。
【００１９】
燃料電池システムは、燃料電池システム内の冷却剤を輸送するための冷却剤流路と、冷却剤流路内の冷却剤圧力を決定するように構成される圧力計と、冷却剤流路内に位置付けられるポンプと、ポンプを制御するように構成されるコントローラとを備え得、コントローラは、圧力計から圧力値を受信し、かつこの圧力値に基づいて、ポンプを使用して冷却剤流路内の冷却剤の流れを制御するように構成され得る。有利に、冷却剤流路内で圧力が低下すると、コントローラは、冷却剤の流れを増大させるようにポンプを制御し得る。
【００２０】
燃料電池システムは、燃料電池システム内の冷却剤を輸送するための冷却剤流路と、冷却剤流路内の冷却剤温度を決定するように構成される温度計と、冷却剤流路内に位置付けられるポンプと、ポンプを制御するように構成されるコントローラとを備え得、コントローラは、温度計から温度を受信し、かつこの温度に基づいて、ポンプを使用して冷却剤流路内の冷却剤の流れを制御するように構成され得る。有利に、冷却剤流路内で温度が上昇すると、コントローラは、冷却剤の流れを増大させるようにポンプを制御し得る。
【００２１】
本発明のさらなる態様において、本明細書に開示されるような燃料電池システムを備える車両が提供される。
【００２２】
本発明のさらなる態様において、本明細書に開示されるような燃料電池システムのための抗微生物システムが提供される。そのようなシステムは、例えば、燃料電池システムへの接続のための冷却剤貯留槽であり得る。冷却剤貯留槽は、抗微生物パターン化表面を備え得る。
【００２３】
別の態様に従って、本発明は、本明細書に開示されるような燃料電池システムを備える車両を提供する。
【００２４】
これより本発明の実施形態が、例として、及び以下の添付図面を参照して、記載される
。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】抗微生物パターン化表面を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図１ｂ】抗微生物パターン化表面を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図１ｃ】抗微生物パターン化表面を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図２ａ】例示的な抗微生物パターン化表面の概略図を示す。
【図２ｂ】例示的な抗微生物パターン化表面の概略図を示す。
【図３ａ】抗微生物パターン化表面、紫外光源、及び／または脱イオン化装置を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図３ｂ】抗微生物パターン化表面、紫外光源、及び／または脱イオン化装置を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図３ｃ】抗微生物パターン化表面、紫外光源、及び／または脱イオン化装置を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図４ａ】抗微生物パターン化表面、フィルタ、及び／またはポンプを備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図４ｂ】抗微生物パターン化表面、フィルタ、及び／またはポンプを備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図４ｃ】抗微生物パターン化表面、フィルタ、及び／またはポンプを備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図５ａ】抗微生物パターン化表面、及び他の構成要素を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【図５ｂ】抗微生物パターン化表面、及び他の構成要素を備える燃料電池システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に記載される様々な実施形態は、燃料電池スタック１０２、３０２、４０２、５０２と、冷却剤貯留槽１０４、３０４、４０４、５０４と、貯留槽１０４、３０４、４０４、５０４から燃料電池スタック１０２、３０２、４０２、５０２へ冷却剤を供給するための冷却剤流路１０６、３０６、４０６、５０６とを有する、燃料電池システム１００、３００、４００、５００を備える。パターン化抗微生物表面１０８、１１０、１１２、２００、３０８、４０８、５０８は、蒸発冷却される燃料電池スタック１０２、３０２、４０２、５０２への冷却水供給の細菌汚染を防ぐために、燃料電池システム１００、３００、４００、５００内に存在する。
【００２７】
本明細書に記載される燃料電池システムは、蒸発冷却される燃料電池／燃料電池スタックを使用する熱電併給（ＣＨＰ）及び予備供給ユニットでの使用に好適であり得る。
【００２８】
本明細書に記載される実施形態は、生物膜／微生物／細菌の増殖を抑制する抗微生物（具体的には、抗細菌性）パターン化表面を備える。このため、本発明は、燃料電池スタックの蒸発冷却のために供給される冷却剤内の微生物の増殖を抑制することによって、改善された燃料電池スタックアセンブリを有利に提供する。抗微生物パターン化表面は、化学的に活性である必要がない。
【００２９】
パターン化表面は、隆起した形体及び低くなった領域を持つパターン化されたレリーフ構造を有することに起因して、その表面上での微生物／細菌の増殖及び群生成を抑制し得る。隆起した形体のサイズ及び隆起した形体間の間隔は、ミクロン範囲であり得る。隆起した形体のサイズは、微生物が隆起した形体の上部に定着することを防ぐほどに小さくてもよい。隆起した形体間の間隔のサイズは、微生物が隆起した形体の間に定着することができないように十分に小さくてもよい。このようにして、表面レリーフは、表面上への微
生物の定着及び付着を妨害する。生命体の最小寸法のサイズのおよそ２５％〜７５％の間隔をあけて隆起した形体が、微生物生命体の生物接着を抑制するために好適であり得る。
【００３０】
以下の議論は、「冷却剤」という用語を使用する。水、具体的には精製水または脱イオン水が好適な冷却剤として使用され得るが、本実施形態は、好適な冷却剤として水の使用に限られる必要がないことを、当業者は理解するであろう。
【００３１】
図１ａ〜１ｃは、抗微生物パターン化表面１０８、１１０、１１２を備える燃料電池システム１００の実施形態例を示す。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０２と、冷却剤貯留槽１０４と、冷却剤貯留槽１０４から燃料電池スタック１０２へ冷却剤を供給するように構成される冷却剤流路１０６とを備える。
【００３２】
図１ａでは、冷却剤貯留槽１０４は、抗微生物パターン化表面１０８を有する内壁を有する。この実施形態は、冷却剤が冷却剤貯留槽から冷却剤流路１０６を通って燃料電池スタック１０２へ移動する前に、冷却剤供給源での細菌増殖を抑制することに効果的であり得る。この例では、冷却剤貯留槽１０４の全内壁がパターン化抗微生物表面１０８を備える。他の例では、一部の内壁のみがパターン化抗微生物表面１０８を備え得る。
【００３３】
図１ｂでは、冷却剤流路１０６は、抗微生物パターン化表面１１０を備える内壁を有する。冷却剤流路１０６の一部分は抗微生物パターン化表面１１０を備えるが、別の部分は備えないということがあり得る。
【００３４】
図１ｃでは、燃料電池スタック１０２は、抗微生物パターン化表面１１２を備える内面を有する。燃料電池スタック１０２のいくつかの内面が抗微生物パターン化表面１１２を備える（冷却剤に曝露されているもののように）一方で、他の内面は備えないということがあり得る。燃料電池システム１００の１つを超える構成要素が、抗微生物パターン化表面を備え得る（例えば、冷却剤貯留槽１０４内及び冷却剤流路１０６内の双方）。
【００３５】
いくつかの例において、抗微生物パターン化表面１０８、１１０、１１２は、構成要素１０２、１０４、１０６を、パターン化抗微生物表面を有するフィルムでコーティングすることによって、構成要素に適用されてもよい。いくつかの例において、パターン化抗微生物表面１０８、１１０、１１２は、好適な抗微生物パターンを有するように表面を機械加工することによって、構成要素１０２、１０４、１０６の表面上に形成されてもよい。
【００３６】
図２ａ〜２ｂは、例示的な抗微生物パターン化表面の概略図を示す。図２ａには、例示的な表面２００の上から見た図が示される。図２ｂには、図２ａの例示的な表面の３つの隆線２０４からの断面図が示される。表面２００は、セル状繰り返しパターン内における表面の基準面２０６から隆起した複数のマイクロスケールの波形２０４を備えると見なされ得る。マイクロスケールの波形は、一連の不連続な隆線、隆起、または突起など、非連続であり得る。故に、表面は、不連続な波形の列／領域を持つ波形の外観を有し得る。
【００３７】
図２ａは、六角形／ひし形形状の単位セル２０２を持つセル状繰り返しパターンを備えるパターン化抗微生物表面を示す。各単位セル２０２は、隆線２０６間の間隔に関連して隆起した長さが様々な６つの平行な隆線２０４を備える。このパターンは、サメの肌の構造を模倣すると見なされ得、各単位セル２０２がサメ肌の鱗を表し、各単位セル２０２は、サメ肌の鱗のものと同様の隆線２０４を備える。
【００３８】
図２ａに示される表面は、不連続な波形の隆線２０４のセル状繰り返しパターンを示すが、細菌増殖及び付着を抑制するための基準を満たす他の表面パターンが使用されてもよい。例えば、表面は、表面の上から見て、実質的に円形、楕円形、三角形、正方形、長方
形、五角形、及び／または六角形の構造体を備えてもよい。別の例として、抗微生物パターン化表面は、表面を貫く筋内にマイクロスケールの構造体を備えてもよい。マイクロスケールの構造体は、表面の基準面から隆起し得、及び／または、表面の基準面内に沈下し得る／くぼみ得る。パターン化抗微生物表面は、１つ以上の異なる形状、構造体高さ、構造体分離、及び／または構造体幅を備え得る。
【００３９】
図２ｂは、そのようなパターン化抗微生物表面のために画定され得る異なる寸法を例証する。この例では、隆線２０４、及び隆線２０６間の間隔は、マイクロスケールの寸法を有する。例えば、隆線２０４はそれぞれ、２〜２５ミクロンの幅２１０を有し得る。マイクロスケールの隆線は、２〜２５ミクロンの間隔２１２によって幅方向に分離され得る。マイクロスケールの隆線２０４はそれぞれ、２〜２０ミクロンの深さ２１４を有し得る。いくつかの例において、幅２１０は２５ミクロンより大きくてもよく、間隔２１２は２５ミクロンより大きくてもよく、及び／または、深さ２１４は２０ミクロンより大きくてもよい。いくつかの例において、幅２１０は２ミクロンより小さくてもよく、間隔２１２は２ミクロンより小さくてもよく、及び／または、深さ２１４は２ミクロンより小さくてもよい。寸法２１０、２１２、２１４は、表面２００上での発達を抑制される生命体のサイズによって調整され得る。
【００４０】
抗微生物パターン化表面は、実表面積の幾何学表面積に対する比として決定される、２〜３０の平均粗さ係数を有し得る。例えば、完全に平滑な１ｃｍ２域は、実面積及び幾何学表面積の両方が１ｃｍ２であり、故に粗さ係数は１である。表面が粗くなると、例えば波形及び表面パターニングに起因して、粗さ係数は増加する。例えば、
１ｃｍ２表面が、合計の曝露表面が面積２ｃｍ２を有するようにパターン化される場合、粗さ係数は２となる。
【００４１】
表面粗さを、他の指標を使用して定量化してもよい。例えば、算術平均粗さ係数Ｒａは、表面に対して決定され得、微生物増殖を抑制するために役立つ特定の範囲内にあり得る。算術平均粗さ係数Ｒａは、平均線からの断面粗さプロファイルの絶対偏差の算術平均である。このため、断面がパターン化表面を通って得られる場合、この断面の平均線からの差の算術平均が算術平均粗さ係数Ｒａを示す。当然のことながら、粗さを測定する他の方法を使用してもよく、これらの方法の１つ以上を使用して決定されるパターン化抗微生物表面の粗さは、微生物増殖を抑制するのに役立つ特定の範囲内にあり得る。
【００４２】
図２ｂは、表面２００の全域で同一である隆線高さ２１４、幅２１０、及び分離２１２を示し、他の例では、これらの寸法のうちの１つ以上が表面２００の全域で様々であり得る。構造体が表面の基準面から隆起するのではなく表面内にくぼんだ例では、構造体の高さは、表面の基準面から構造体によって形成されるくぼみ／溝の底までの距離であると見なされ得る。
【００４３】
抗微生物パターン化表面は、細菌生存、及び表面微細パターンを通した細菌移動を抑制するＳｈａｒｋｌｅｔ（登録商標）技術を用いたＴａｃｔｉｖｅｘ（登録商標）表面であってもよい。他の表面を使用することができる。
【００４４】
いくつかの例では、抗微生物パターン化表面は化学的に不活性である。表面は、その化学的活性が冷却剤洗浄／精製に起因して失われた時に必要であり得る化学的に活性の構成要素として「リフレッシュ」される必要があり得ないため、冷却剤精製のためのそのような非化学的システムの使用は有利であり得る。パターン化表面は、化学的に活性の抗微生物構成要素よりも長時間、抗微生物特性を提供することができ得る。
【００４５】
抗微生物パターン化表面は、すでに存在する微生物を攻撃するのではなく、表面上での
微生物の増殖及び発達を抑制するため、受動的な冷却剤精製構成要素であると見なされ得る。微生物増殖を抑制することは、微生物がパターン化抗微生物表面に起因して燃料電池システム上で繁殖することが抑制される場合は、死んだ微生物から生物学的破片を除去する負担が軽減されるため、既存の微生物を死滅させることと比較して有利であり得る。
【００４６】
他の例では、抗微生物パターン化表面は化学的に活性であり得る。これは、化学的に活性の表面特性及び非化学的な表面特性の両方を通じて（つまり、表面レリーフの物理的構造に起因して）冷却剤消毒を提供するのに有利であり得る。このため、微生物は、抗微生物表面のパターニングに起因して増殖／繁殖が抑制され得、冷却剤内に存在する微生物は、表面の化学的に活性の構成要素によって死滅させられ得る。
【００４７】
図３ａ〜３ｃは、燃料電池スタック３０２と、冷却剤貯留槽３０４と、冷却剤貯留槽３０４から燃料電池スタック３０２へ冷却剤を供給するように構成される冷却剤流路３０６とを備える燃料電池システム３００の実施形態例を示す。これらの例における冷却剤貯留槽３０４は、抗微生物パターン化表面３０８を備える。
【００４８】
図３ａでは、ＵＶ光源３１４は、燃料電池スタック３０２の上流に冷却剤流路３０６内に位置付けられる。ＵＶ光源は、例えば、ＵＶランプ、または一連の１つ以上のＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。冷却剤は、冷却剤内の微生物を破壊するように構成されるＵＶ光源３１４を通過する。ＵＶ光源３１４とパターン化抗微生物表面３０８との組み合わせは、冷却剤を精製することに相乗効果を提供すると見なされ得る。パターン化抗微生物表面３０８は、冷却剤内、具体的にはＵＶ光が届かない可能性のある集合体／生物層における表面上での細菌／微生物の増殖及び集合を防ぐ役割を果たす。ＵＶ光源３１４は、冷却剤内の微生物を数が少ない場合はより効果的に破壊すること、冷却剤内の微生物をより分散させること（パターン化抗微生物表面３０８に起因して）ができ得る。このように、パターン化抗微生物表面３０８の効果は、微生物集合体の形成を抑制することによって、ＵＶ光源３１４を冷却剤内の微生物を破壊するのにより効果的にし得る。
【００４９】
図３ｂでは、脱イオン化カラムなどの脱イオン化装置３１６は、燃料電池スタック３０２の上流に冷却剤流路３０６内に位置付けられる。他のそのような例では、冷却剤流体とのイオン交換のために構成される任意の脱イオン化装置が使用され得る。脱イオン化装置３１６は、燃料電池スタック３０２に損傷を与え得、かつ燃料電池スタック３０２の性能を低下させ得る（例えば、燃料電池プレートの腐食の一因となることによって、または燃料電池プレート上に沈着することによって）無機及び有機イオンを冷却剤から除去する役割を果たす。
【００５０】
図３ｃでは、燃料電池システム３００は、ＵＶ光源３１４及び脱イオン化装置３１６の両方を燃料電池スタック３０２の上流に備え得る。脱イオン化装置３１６は、燃料電池スタック３０２の上流、かつＵＶ光源３１４の下流に位置付けられる。能動及び受動両方の冷却剤精製構成要素が図３ｃの燃料電池システム内に存在する。パターン化抗微生物表面３０８は、微生物増殖の破壊にエネルギーを消費しないため、受動構成要素と見なされ得る。ＵＶ光源３１４は、能動的に微生物を攻撃し、汚染物質種を除去することにエネルギーを消費するため、能動構成要素と見なされ得る。
【００５１】
図４ａ〜４ｃは、燃料電池スタック４０２と、冷却剤貯留槽４０４と、冷却剤貯留槽４０４から燃料電池スタック４０２へ冷却剤を供給するように構成される冷却剤流路４０６とを備える燃料電池システム４００の実施形態例を示す。この例における冷却剤貯留槽４０４は、抗微生物パターン化表面４０８を備える。
【００５２】
図４ａでは、フィルタ４１８は、燃料電池スタックの上流に冷却剤流路４０６内に位置
付けられる。冷却剤は、微生物及び細菌破片を冷却剤流路４０６内の冷却剤から除去する役割を果たすフィルタ４１８を通過する。
【００５３】
図４ｂでは、ポンプ４２０は、燃料電池スタックの上流に冷却剤流路４０６内に位置付けられる。ポンプ４２０は、コントローラ４２２に連結される。この例におけるコントローラは、例えば、スタック電圧などの燃料電池スタック作動パラメータを受信するために、燃料電池スタック４０２に連結される。冷却剤は、ポンプ４２０によって冷却剤貯留槽４０４から燃料電池スタック４０２に送り込まれる。この例では、コントローラ４２２は、スタック作動パラメータに基づいて燃料電池スタック４２０への冷却剤の流速を制御するように構成される。他の例では、コントローラ４２２は、例えば、図５ａ及び５ｂとの関連で議論されるような異なるパラメータに基づいて燃料電池スタック４２０への冷却剤の流速を制御するように構成され得る。
【００５４】
図４ｃでは、燃料電池システム４００は、フィルタ４１８と、コントローラ４２２によって制御されるポンプ４２０との両方を備える。ポンプ４２０は、この例では、燃料電池スタック４０２の上流、かつフィルタ４１８の下流に位置付けられる。
【００５５】
図５ａ〜５ｂは、燃料電池スタック５０２と、冷却剤貯留槽５０４と、冷却剤貯留槽５０４から燃料電池スタック５０２へ冷却剤を供給するように構成される冷却剤流路５０６とを備える燃料電池システム５００の実施形態例を示す。この例における冷却剤貯留槽５０４は、抗微生物パターン化表面５０８を備える。
【００５６】
図５ａは、冷却剤流路５０６内に、フィルタ５１８、コントローラ５２２に連結されるポンプ５２０、ＵＶ光源５１４、及び脱イオン化装置５１６が燃料電池スタック５０２の上流に位置付けられることを示す。これらの異なる構成要素は上述されている。また、共にコントローラ５２２に連結される圧力計５２４及び温度計５２６も燃料電池システム５００内に存在する。コントローラ５２２もまた、スタック作動パラメータを受信するために燃料電池スタック５０２に連結される。
【００５７】
圧力計５２４は、燃料電池システム５００内の冷却剤圧力、特に冷却剤流路５０６内の冷却剤圧力を決定するように構成される。コントローラ５２２は、圧力計５２４から圧力値を受信し、その圧力値に基づき、冷却剤流路５０６内の冷却剤の流れを制御するように構成される。このため、冷却剤圧力が所望の圧力閾値を下回る場合、コントローラ５２２は、ポンプ５２０を使用してポンピングを増大させて燃料電池スタック５０２への冷却剤の流れを増大させることができる。
【００５８】
温度計５２６は、燃料電池システム５００内の冷却剤温度、特に冷却剤流路５０６内の冷却剤温度を決定するように構成される。コントローラ５２２は、温度計５２６から温度値を受信し、その温度値に基づき、冷却剤流路５０６内の冷却剤の流れを制御するように構成される。例えば、より高い温度は、スタック５０２内の燃料電池を十分に冷却するためにより高い冷却剤の流れが燃料電池スタック５０２に必要とされることを示し得る。
【００５９】
図５ｂは、図５ａに示される燃料電池システムを踏まえ、流量計（ＦＭ）５２８と、コントローラ５２２に連結されるデータ収集カード（ＤＡＱ）５３０とをさらに備える。流量計５２８は、冷却剤流路５０６を通る冷却剤の流れを測定する。この例では、コントローラ５２２は、ポンプ５２０及びＵＶ光源５１４（この例では、一連のＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ））に連結される。このため、コントローラ５２２は、例えば、スタックもしくは温度／圧力計から受信されるフィードバックに基づいて、または規定の作動プログラムに従って、信号を送信してポンプ５２０及び／またはＵＶ光源５１４を制御することができる。この例では、ＤＡＱ５３０は、冷却剤流路５０６から圧力及び温度測定値を受信
してコントローラ５２２にフィードバックするために、圧力計５２４及び温度計５２６に連結される。コントローラ５２２は、スタック作動パラメータを受信するために燃料電池スタック５０２に連結されて示される。他の例では、ＤＡＱ５３０が、作動パラメータを受信するために燃料電池スタック５０２に連結され得る。
【００６０】
上の実施形態は、燃料電池スタックへの付着に対する抗微生物システムも例示する。図１ａは、燃料電池スタックへ接続するための冷却剤貯留槽を備える抗微生物システムを示し、図１ｂは、燃料電池スタックへ接続するための冷却剤流路を備える抗微生物システムを示す。図３ａ〜３ｃ、４ａ〜４ｃ、及び５ａ〜５ｂもまた、燃料電池スタックへ接続するための冷却剤貯留槽を備える抗微生物システムを示す。
【００６１】
上の例は１つの燃料電池スタックについて議論するものであるが、燃料電池システム内に複数の燃料電池スタックがあってもよいことが理解されよう。さらに、１つを超える特定の構成要素が燃料電池システム内に存在してもよい（例えば、１つのＵＶ光源が冷却剤貯留槽のちょうど下流に存在し得、さらなるＵＶ光源が燃料電池スタックのちょうど上流に存在し得る）。
【００６２】
上記実施形態は、特許請求の範囲内で様々な方法で組み合わされてもよいことが理解されよう。例えば、燃料電池システムは、細菌を破壊するためのＵＶ光源、及び細菌破片を冷却剤から除去するためのフィルタを備えてもよい。他の実施形態は、意図して、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図１ａ】
2020184542.tif 000003
【図１ｂ】
2020184542.tif 000004
【図１ｃ】
2020184542.tif 000005
【図２ａ】
2020184542.tif 000006
【図２ｂ】
2020184542.tif 000007
【図３ａ】
2020184542.tif 000008
【図３ｂ】
2020184542.tif 000009
【図３ｃ】
2020184542.tif 000010
【図４ａ】
2020184542.tif 000011
【図４ｂ】
2020184542.tif 000012
【図４ｃ】
2020184542.tif 000013
【図５ａ】
2020184542.tif 000014
【図５ｂ】
2020184542.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和2年7月2日(2020.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
冷却剤貯留槽と、
前記冷却剤貯留槽から前記燃料電池スタックへ冷却剤を供給するように構成された冷却剤流路と、を備え、
前記燃料電池スタック、前記冷却剤貯留槽、及び前記冷却剤流路のうちの１つ以上が、微生物増殖を抑制するための抗微生物パターン化表面を備え、前記抗微生物パターン化表面が、マイクロスケールの波形を備え、前記マイクロスケールの波形がそれぞれ、１０〜１００ミクロンの幅と、１０〜１００ミクロンの深さとを有し、
前記マイクロスケールの波形が、それぞれ２〜２５ミクロンの幅を有し、
前記マイクロスケールの波形が、幅方向に１０〜１００ミクロンの間隔で分離される、前記燃料電池システム。
【請求項２】
前記マイクロスケールの波形が、それぞれ２〜２５ミクロンの深さを有する、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項３】
前記マイクロスケールの波形が、それぞれ２〜４ミクロンの幅を有する、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項４】
前記マイクロスケールの波形が、それぞれ２ミクロンの深さを有する、請求項２または３に記載の前記燃料電池システム。
【請求項５】
前記抗微生物パターン化表面が、セル状レリーフパターンを備える、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項６】
前記抗微生物パターン化表面が、２〜３０の平均粗さ係数を有し、前記平均粗さ係数が、実表面積の幾何学表面積に対する比として決定される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項７】
前記抗微生物パターン化表面が、化学的に不活性である、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項８】
前記抗微生物パターン化表面が、化学的に抗微生物性である、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項９】
前記冷却剤が水である、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１０】
冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置される紫外光源を備え、前記ＵＶ光源が、前記燃料電池スタックの上流に位置付けられる、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１１】
冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置される脱イオン化装置を備え、前記脱イオン化装置が、前記燃料電池スタックの上流に位置付けられる、請求項１〜１０のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
【請求項１２】
脱イオン化装置が、紫外光源から下流、かつ燃料電池スタックから上流に位置付けられる、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１３】
冷却剤を燃料電池スタックに供給するための冷却剤流路内に配置されるフィルタを備え、前記フィルタが、前記燃料電池スタックの上流に位置付けられる、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池システムが、
前記燃料電池システム内で冷却剤を輸送するための冷却剤流路と、
前記冷却剤流路における前記冷却剤の圧力を決定するように構成される圧力計と、
前記冷却剤流路内に位置付けられるポンプと、
前記ポンプを制御するように構成されるコントローラと、を備え、
前記コントローラが、前記圧力計から圧力値を受信し、かつ前記圧力値に基づき、前記ポンプを使用して前記冷却剤流路内の冷却剤の流れを制御するように構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池システムが、
前記燃料電池システム内で冷却剤を輸送するための冷却剤流路と、
前記冷却剤流路における前記冷却剤の温度を決定するように構成される温度計と、
前記冷却剤流路内に位置付けられるポンプと、
前記ポンプを制御するように構成されるコントローラと、を備え、
前記コントローラが、前記温度計から温度値を受信し、かつ前記温度値に基づき、前記ポンプを使用して前記冷却剤流路内の冷却剤の流れを制御するように構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
【外国語明細書】
2020184542000001.pdf