(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を備えた化学反応装置において、前記第１の面と第２の面は互いに対向し、前記第３の面と第４の面が互いに対向し、前記化学反応装置は複数の第１の単位反応装置からなる群と、第２の単位反応装置とからなり、前記第１の単位反応装置からなる群はたがいに隣接して配置される２つ以上の単位反応装置からなり、前記複数の第１の単位反応装置からなる群における各単位反応装置は、
第１の処理層と、
第２の処理層と、
前記化学反応装置の前記第１の面のみに開口を有し、前記第１の面に対して窪んでいる第１の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第２の面から進入する反応物の前記第１の凹部への流入を阻止する密封部をなす第１の周辺バリアと、
前記第２の処理層と隣接する単位反応装置の第１の処理層の間に設けられるとともに、前記化学反応装置の前記第２の面のみに開口を有し、前記第２の面に対して窪んでいる第２の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第１の面から進入する反応物の前記第２の凹部への流入を阻止する密封部をなす第２の周辺バリアとを備え、
前記第２の単位反応装置は、
第１の処理層と、
第２の処理層と、
前記化学反応装置の前記第１の面及び第３の面に開口を有し、前記第１の面及び第３の面に対して窪んでいる第１の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第２の面から進入する反応物の前記第１の凹部への流入を阻止する密封部をなす第１の周辺バリアと、
前記第２の処理層と隣接する単位反応装置の第１の処理層の間に設けられるとともに、前記化学反応装置の前記第２の面及び第４の面に開口を有し、前記第２の面及び第４の面に対して窪んでいる第２の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第１の面から進入する反応物の前記第２の凹部への流入を阻止する密封部をなす第２の周辺
バリアとを備える、化学反応装置。
【請求項２】
前記第２の処理層は前記第１及び第２の周辺バリアの両方と結合してフレームを形成する、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項３】
前記第１の周辺バリアは前記第１の処理層と結合して第１のフレームを形成し、前記第２の周辺バリアは前記第２の処理層と結合して第２のフレームを形成している、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項４】
前記第１の処理層又は前記第２の処理層と前記第１の周辺バリア又は前記第２の周辺バリアは結合して同一材料からなるフレームを形成する、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項５】
前記フレームは一体形成される、請求項２〜４のいずれか一項に記載の化学反応装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の周辺バリアは前記化学反応装置の動作に使用される１つ以上の反応物を透過しない、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項７】
前記第１の凹部は第１の反応物が充満した空間である第１のプレナムから燃料を受けるべく設けられている、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項８】
前記第２の処理層が前記第１及び第２の周辺バリアの両方と結合してなるフレームの一部は前記第１のプレナムの空間を画成する部材の一部と一体形成されている、請求項７に記載の化学反応装置。
【請求項９】
前記第２の凹部は第２の反応物が充満した空間である第２のプレナム又は周囲雰囲気から酸化剤を受けるべく設けられている、請求項７に記載の化学反応装置。
【請求項１０】
前記化学反応装置は複数の処理層が積層された積層型の構造を有し、各処理層は１ナノメートル〜２センチメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１１】
第１及び第２の処理層は前記第１の凹部の間及び第２の凹部の間での輸送プロセスを可能とさせる、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１２】
前記第１の処理層は前記第２の処理層とは異なる役割を果たすために設けられている、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１３】
前記第１の処理層と前記第２の処理層のうちの少なくとも一方は２つ以上の材料から形成されている、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１４】
前記第１の処理層と前記第２の処理層のうちの少なくとも一方は、イオン伝導性又は導電性の処理層からなる、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１５】
前記第１及び第２の凹部は少なくとも部分的に多孔性材料が充填されている、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１６】
前記第１の凹部は、前記第１の面から前記第１の面に対向する第２の面に接する前記第１の周辺バリアまでの距離によって定義される深さと、前記第１及び第２の処理層の間の距離によって定義され、かつ前記第１の面における開口の一辺の長さに対応する高さと、前記第１の面における開口の他の辺の長さによって定義される幅とを有し、前記第１の凹部の高さは前記深さ又は前記幅よりも小さい、請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項１７】
第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を備えた化学反応装置の操作方法であって、前記第１の面と第２の面は互いに対向し、前記第３の面と第４の面が互いに対向し、前記化学反応装置は複数の第１の単位反応装置からなる群と、第２の単位反応装置とからなり、前記第１の単位反応装置からなる群はたがいに隣接して配置される２つ以上の単位反応装置からなり、前記複数の第１の単位反応装置からなる群における各単位反応装置は、第１の処理層と、第２の処理層と、前記化学反応装置の前記第１の面のみに開口を有し、前記第１の面に対して窪んでいる第１の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第２の面から進入する反応物の前記第１の凹部への流入を阻止する密封部をなす第１の周辺バリアと、前記第２の処理層と隣接する単位反応装置の第１の処理層の間に設けられるとともに、前記化学反応装置の前記第２の面のみに開口を有し、前記第２の面に対して窪んでいる第２の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第１の面から進入する反応物の前記第２の凹部への流入を阻止する密封部をなす第２の周辺バリアとを備え、前記第２の単位反応装置は、
第１の処理層と、
第２の処理層と、
前記化学反応装置の前記第１の面及び第３の面に開口を有し、前記第１の面及び第３の面に対して窪んでいる第１の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第２の面から進入する反応物の前記第１の凹部への流入を阻止する密封部をなす第１の周辺バリアと、
前記第２の処理層と隣接する単位反応装置の第１の処理層の間に設けられるとともに、前記化学反応装置の前記第２の面及び第４の面に開口を有し、前記第２の面及び第４の面に対して窪んでいる第２の凹部を画成すべく、前記第１及び第２の処理層の間において前記第１及び第２の処理層の周辺部の少なくとも一部に設けられて、前記化学反応装置の第１の面から進入する反応物の前記第２の凹部への流入を阻止する密封部をなす第２の周辺バリアとを備える、化学反応装置の操作方法において、前記第１及び第２の凹部のそれぞれに対応する反応物を供給する工程を備える、化学反応装置の操作方法。
【請求項１８】
前記反応物を供給する工程は、前記第１の凹部に燃料を供給し、及び前記第２の凹部には酸化剤を供給する工程からなる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記反応物を供給する工程は、前記第１の凹部に燃料を供給し、及び前記第２の凹部を周囲雰囲気に晒す工程からなる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
各反応物は拡散によって対応する凹部全体を移動する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
各反応物は拡散を強化するための強制対流によって対応する凹部全体を移動する、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応装置に関する。本発明は、燃料電池及び電解セルのような電気化学反応装置用に特に使用される。本発明のいくつかの態様は、他のタイプの化学反応装置、熱交換器等に適用することができる。本発明は、また、化学反応装置を製造するための方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願への相互参照）
本願は、下記の以前に提出した米国特許出願の優先権を主張する。
・２００４年４月６日付けの「反応装置フレームを含むコンパクトな化学反応装置」(COMPACT CHEMICAL REACTOR WITH REACTOR FRAME) という名称の米国特許出願第１０／８１８，６１０号；
・２００４年４月６日付けの「コンパクトな燃料電池層」(COMPACT FUEL CELL LAYER) という名称の米国特許出願第１０／８１８，６１１号；
・２００４年４月６日付けの「反応装置フレームを含むコンパクトな化学反応装置を形成するための方法」(METHOD FOR FORMING COMPACT CHEMICAL REACTORS WITH REACTOR FRAMES)という名称の米国特許出願第１０／８１８，６１２号；
・２００４年４月６日付けの「コンパクトな化学反応装置」(COMPACT CHEMICAL REACTOR)という名称の米国特許出願第１０／８１８，７８０号；
・２００４年４月６日付けの「コンパクトな化学反応装置を製造するための方法」(METHOD FOR MAKING COMPACT CHEMICAL REACTORS) という名称の米国特許出願第１０／８１８，８２６号；
・２００４年４月６日付けの「反応装置フレームを含む燃料電池層」(FUEL CELL LAYER
WITH REACTOR FRAME)という名称の米国特許出願第１０／８１８，８４３号
米国の種々の目的のために、この出願は、上記の以前に提出した各出願の一部継続出願である。これらの出願は参照により本明細書に組み込むものとする。
【０００３】
ある種の電気化学セルは、複数の層のスタックからできている。燃料電池は、多くの場合、スタックの形で提供される電気化学反応装置のタイプの一例である。溶融炭酸塩型電池のような高温燃料電池を除けば、大部分のプロトン交換膜、直接メタノール、固体酸化物またはアルカリ型燃料電池は、最初に複数の層が別々の構成要素として形成され、次に、これらの層を相互に接触させて機能型燃料電池スタックにする層状の平面構造を有する。このような層状の電気化学セルの従来の設計は種々の問題を抱えている。
【０００４】
多くの燃料電池スタックは、比較的大量の電力を供給するように設計されている。もっと小型で、もっとコストが安く、もっと携帯に便利な燃料電池を提供することが望ましいことであるが、多くの既存の燃料電池の設計の１つの問題は容易にもっと小型にすることができないことである。
【０００５】
大型の燃料電池スタックでいくつかの層を絶えず接触させておこうとすると、いくつかの問題が出てくる場合がある。各層の総面積が非常に大きいと、燃料電池スタックが正常に動作するのに必要な方法で、燃料電池スタックのいくつかの層を一緒に保持するのに十分な接触圧力を供給するには、非常に大きな締付け力を加えなければならない。このような圧力が、スタックの層間を密封するためにも、スタックのいくつかの層間に電気的な接触を維持するためににも必要になる場合がある。さらに、圧力を均一にするのも難しい。電池のスタックのすべての領域内で層間の圧力を確実に十分なものにするために十分な力を加えると、いくつかの領域内に過度の圧力が加わることになる。
【０００６】
通常のバイポーラ燃料電池スタックの場合には、燃料電池スタックが発生するすべての電流は、スタック内の各層を通らなければならない。燃料電池スタックの電気的抵抗を十分低いレベルに維持するために、層は相互に密着していなければならない。密封し、導電性を維持するには、周辺を密封状態にし、内部接触抵抗を低減するために、組み立てたスタックをかなりの力で一緒に締め付けなければならない。
【０００７】
広い面積の層を有する燃料電池スタックの場合には、燃料電池スタックの活性領域の過熱を防止し、燃料電池の内部の凹部からの水を除去するという難問を抱えている。
既存の燃料電池スタックの場合には、燃料電池の層に平行な平面内を燃料及び酸化剤の両方が流れることができるようにしてやらなければならない。通常、燃料電池スタック内で各単位燃料電池を形成するには、最低４つ、最大６つの異なる層が必要になる。通常、これらの層は、第１の流れフィールド層と、第１の気体拡散層と、第１の触媒層と、第１の電解質層と、第２の触媒層と、第２のガス拡散層と、第２の流れフィールド層と、セパレータとを含む。燃料電池スタックのこれらの部分は、通常、別々の構成要素として製造される。通常、多くの場合、酸化剤及び燃料流れフィールド、及びセパレータとしての働きをするバイポーラ・プレートは、機械加工するのが難しい黒鉛からできていて、燃料電池スタックのコストがかなり高くなる。膜電極組立体（ＭＥＡ）は、通常、電解質層及び触媒層を含む。ＭＥＡは、通常、一方の側面上に触媒を含む固体ポリマー電解質をコーティングし、次に、ガス拡散電極を電解質に押しつけることにより作られる。燃料電池組立体は、直列に一緒に接続される複数の個々のバイポーラ・プレート及び膜電極組立体を必要とする。通常、個々の密封部分は隣接するバイポーラ・プレート及びＭＥＡの間に取り付けなければならないし、密封したバイポーラ及びＭＥＡ層のスタック全体をかなりの圧縮力で一緒に保持しなければならない。層内のガスの拡散ができなくなるほど層を一緒にあまり強く締め付けないように注意しなければならない。しかし、ガスが組み立てた燃料電池スタックの層間から漏洩するのを防止するために層を十分しっかりと一緒に締め付けなければならない。
【０００８】
多くの層からできている燃料電池スタックを組み立てる作業は多くの問題を抱えている。従来の燃料電池スタックを製造するために通常使用する強い力によるアプローチにより材料の層を広げ、これらの層を圧縮する方法は、非効率的であり高価でもある。層状の燃料電池スタックを製造する際には、層を正確に整合させるのが難しい。整合が正確でないと、燃料電池スタックの性能及び耐久性に悪影響がある。
【０００９】
さらに、多くの現在の設計による燃料電池及び他の層状の電気化学セルは、燃料電池の動作中、熱及び機械的サイクルにより、長時間使用すると性能が劣化する。
「マイクロ構造の構成要素を含む高出力密度燃料電池層の装置」(APPARATUS OF HIGH POWER DENSITY FUEL CELL LAYER WITH MICRO STRUCTURED COMPONENTS)という名称の国際特許出願公開第０３／０６７６９３号パンフレットに、ガス拡散層、触媒層、及び電解質層の機能が１つの基板に統合されている総合設計の燃料電池が開示されている。このような燃料電池は、望ましい特性を有しているが、製造コストが非常に高くなる場合がある。
【００１０】
ＧＢ２，３３９，０５８号に波状の電解質層を有する燃料電池が開示されている。従来の層状の膜電極組立体（ＭＥＡ）は波状に形成される。ＭＥＡは、バイポーラ・プレート間に設置される。この設計の場合には、所与の容積内に詰め込むことができる活性領域が増大する。しかし、この設計は、依然として、明示的密封を含む高価で複雑な層状構造に依存していて、内部電気接触及び密封を維持するために圧縮力を必要とする。
【００１１】
特開平８−５０９０３号公報に、平面ではないが区分的には直線形状に発電素子を締め付ける働きをする交互の突起部分を含むほぼ平面セパレータを有する固体ポリマー燃料電池が記載されている。
【００１２】
米国特許出願第１０／３４８，８６７号；１０／３４９，１２７号；１０／３４９，１２８号；１０／３４９，１３３号；１０／３４９，１３６号；１０／３４９，３３８号；及び１０／３４９，４５９号に薄層燃料電池が記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電気化学反応装置の分野において行われたすべての研究にも関わらず、既存の化学反応装置の問題のいくつかを少なくとも部分的に解決する、または既存の化学反応装置に取って代わる化学反応装置を提供する実用的な電気化学反応装置が広く求められている。例えば、上記説明から、既存の燃料電池設計が種々の問題を抱えていることがわかる。燃料電池のために使用できる設計はいろいろあるが、広い範囲の電力容量及び物理的サイズ、特に小型またはミクロサイズの大型化または小型化することができる高い容量的電力密度を有する燃料電池が依然として求められている。安価に製造することができるこのような燃料電池に対する需要は特に高い。その容量と比較した場合、大きな活性領域を有する燃料電池及び他の化学反応装置も求められている。燃料電池及び他のコンパクトな化学反応装置を製造するためのコスト・パフォーマンスがよい方法も求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は多数の態様を有する。本発明の第１の態様は、第１の処理層、及び第１の処理層上の周辺バリアを備える化学反応装置を提供する。周辺バリア及び第１の処理層は凹部を形成する。第２の処理層は、第１及び第２の処理層の間に凹部を含む周辺バリアに隣接して配置される。第１及び第２の処理層の間の距離に対する処理層に沿った凹部の寸法のアスペクト比は、１：１より大きい。本発明による通常の化学反応装置は、複数の第１及び第２の処理層を有する。ある実施形態の場合には、第１の処理層及び周辺バリアは、フレームを形成するために相互に取り付けられる。
第２の態様は、第１の態様において、前記第１の処理層及び周辺バリアが、フレームを提供するために相互に取り付けられることを要旨とする。
第３の態様は、第２の態様において、前記フレームが、それぞれが第１の処理層及び前記第１の処理層上の周辺バリアを備える複数のフレームの第１のフレームからでき、前記
反応装置が、前記フレームの周辺バリアが形成する対応する複数の凹部を有することを要旨とする。
第４の態様は、第３の態様において、前記複数の凹部が、複数の第２の凹部とインタリーブしている複数の第１の凹部を含むことを要旨とする。
第５の態様は、第４の態様において、前記第１の凹部が相互に流体連通し、前記第２の凹部が相互に流体連通していることを要旨とする。
第６の態様は、第４の態様において、前記第１の凹部が、前記反応装置の第１の面に開いていることを要旨とする。
第４の態様は、第６の態様において、前記第２の凹部が、前記反応装置の前記第１の面とは異なる前記反応装置の第２の面に開いていることを要旨とする。
第８の態様は、第７の態様において、前記第１の面が、前記第２の面に対向していることを要旨とする。
第９の態様は、第８の態様において、前記第１及び第２の面が、ほぼ平らで相互に平行であることを要旨とする。
第１０の態様は、第７〜９の態様において、前記第１及び第２の処理層間の前記距離が、前記第１及び第２の面の大きさよりも小さいことを要旨とする。
第１１の態様は、第７〜１０の態様において、反応物の供給源に相互に接続している少なくとも１つのプレナムを備え、前記プレナムが前記反応装置の前記第１及び第２の面のうちの１つと流体連通していることを要旨とする。
第１２の態様は、第７〜１１の態様において、ａ．前記反応装置の前記第１の面と流体連通し、第１の反応物の供給源と相互に接続している第１のプレナムと、
ｂ．前記反応装置の前記第２の面と流体連通し、第２の反応物の供給源と相互に接続している第２のプレナムとを備えることを要旨とする。
第１３の態様は、第１２の態様において、各周辺バリアが、前記第１及び第２のプレナムからの反応物が相互に混合するのを防止する材料を含むことを要旨とする。
第１４の態様は、第１〜１３の態様において、少なくとも１つの周辺バリアが、隣接する処理層と一体になっていることを要旨とする。
第１５の態様は、第１〜１３の態様において、前記第１の処理層及び周辺バリアが、相互に取り付ける別々の部材であることを要旨とする。
第１６の態様は、第１〜１５の態様において、前記アスペクト比が、少なくとも２．５：１であることを要旨とする。
第１７の態様は、第１〜１５の態様において、前記アスペクト比が、５：１から１００：１であることを要旨とする。
第１８の態様は、第１〜１５の態様において、前記アスペクト比が、２．５：１から１５：１であることを要旨とする。
第１９の態様は、第２〜１８の態様において、前記凹部が前記フレームの第１及び第２の表面上に開き、前記フレームの前記第１の表面上の前記凹部の開口部が、前記フレームの前記第１の処理層にほぼ平行に延び、前記フレームの前記第２の面上の凹部の開口部が前記第１の処理層の縁部に隣接して配置され、
前記第２の処理層が前記フレームの前記第２の表面に隣接していることを要旨とする。
第２０の態様は、第１９の態様において、前記フレームが薄い平面構成を有し、前記フレームの前記第１の表面が前記フレームの１つの面を形成し、前記フレームの前記第２の表面が前記フレーム縁部を形成していることを要旨とする。
第２１の態様は、第２の態様において、前記周辺バリアが、前記第１の処理層の第１の側面上の第１の凹部を形成する第１の周辺バリアを形成し、前記フレームが、前記フレーム上の第２の凹部を形成し、前記第１の側面に対向する前記第１の処理層の第２の側面上の第２の周辺バリアを含むことを要旨とする。
第２２の態様は、第２１の態様において、前記第１の凹部が前記フレームの第１及び第２の表面上に開き、前記フレームの前記第１の表面上の前記第１の凹部の開口部が前記フレームの前記第１の処理層にほぼ平行に延び、前記フレームの前記第２の面上の前記凹部
の開口部が、前記第１の処理層の縁部に隣接して配置され、
前記第２の凹部が前記フレームの第３及び第４の表面上に開き、前記フレームの前記第３の表面上の前記第２の凹部の開口部が前記第１の処理層にほぼ平行に延び、前記フレームの前記第４の表面上の前記第２の凹部の開口部が、前記第１の処理層の縁部に隣接して配置され、
前記フレームの前記第１及び第３の面が相互に対向し、前記フレームの前記第２及び第４の表面が相互に対向することを要旨とする。
第２３の態様は、第２２の態様において、前記フレームが複数のフレームのうちの１つを備え、
前記第２の処理層が複数の第２の処理層のうちの１つを備え、
前記第２の処理層が、前記複数の各第２の処理層が、一方の側面上に１つのフレームの第１の凹部を有し、その他方の側面上に隣接するフレームの第２の凹部を有するように、前記複数のフレームとインタリーブしていることを要旨とする。
第２４の態様は、第２３の態様において、前記第２の処理層の一方の側面上の１つのフレームの前記第１の凹部の開口部、及び前記第２の処理層の他方の側面上の前記隣接しているフレームの前記第２の凹部の開口部が異なる方向を向いていることを要旨とする。
第２５の態様は、第２の態様において、前記フレームが複数の第１のフレームのうちの１つを形成し、前記反応装置が前記第１のフレーム間でインタリーブしている複数の第２のフレームを備え、前記各第２のフレームが第１の処理層とは異なるタイプの第２の処理層、及び前記第２の処理層上に配置されている周辺バリアを有することを要旨とする。
第２６の態様は、第２５の態様において、前記第１の各フレーム内の凹部が、前記第１の処理層の縁部に隣接して延びる１つまたは複数の開口部を含み、前記各第２のフレーム内の前記凹部が、前記第２の処理層の縁部に隣接して延びる１つまたは複数の開口部を含み、前記第１及び第２のフレームの前記凹部の前記開口部が異なる方向を向いていることを要旨とする。
第２７の態様は、第２５の態様において、前記の異なる方向が対向方向であることを要旨とする。
第２８の態様は、第２５〜２７の態様において、前記第１のフレームの前記処理層が電子伝導性であり、前記第２のフレームの前記処理層がイオン伝導性であることを要旨とする。
第２９の態様は、第１〜２８の態様において、前記反応装置の前記１つまたは複数の凹部が、多孔性媒体により少なくとも一部が充填されていることを要旨とする。
第３０の態様は、第２９の態様において、前記多孔性媒体が前記１つまたは複数の各凹部内に多孔性材料の複数の層を含み、前記複数の層が相互に異なる特性を有することを要旨とする。
第３１の態様は、第３０の態様において、多孔性材料の前記複数の層が、層が位置する前記凹部を囲んでいる処理層にほぼ平行に延びることを要旨とする。
第３２の態様は、第２の態様において、前記フレームが第１のフレームを形成し、前記化学反応装置が、第３の処理層及び前記第３の処理層上の周辺部を含む第２のフレームを備え、前記周辺バリアが前記第２のフレーム上に凹部を形成し、前記第２の処理層が前記第１及び第２のフレーム上の凹部間に配置されることを要旨とする。
第３３の態様は、第３２の態様において、前記第１のフレーム内の前記凹部が、前記第１の処理層の縁部に隣接して延びる１つまたは複数の開口部を含み、前記第２のフレーム内の前記凹部が、前記第３の処理層の縁部に隣接して延びる１つまたは複数の開口部を含み、前記第１及び第２のフレームの前記凹部の前記開口部が異なる方向を向いていることを要旨とする。
第３４の態様は、第３２〜３３の態様において、複数の相互に接続している中間組立体を備え、前記各中間組立体が、第１のフレーム、第２の処理層及び第２のフレームを備え、各中間組立体の前記第２の処理層が、前記第１及び第２のフレーム上の前記凹部間に配置されることを要旨とする。
第３５の態様は、第３４の態様において、前記第１及び第２のフレームが金属でできていることを要旨とする。
第３６の態様は、第３２〜３５の態様において、前記第１及び第２のフレームの前記凹部内にガス拡散電極材料を備えることを要旨とする。
第３７の態様は、第３２〜３６の態様において、前記第１の処理層が、電子伝導性であることを要旨とする。
第３８の態様は、第３２〜３７の態様において、前記第２の処理層が、イオン伝導性であることを要旨とする。
第３９の態様は、第１〜３８の態様において、第１の触媒が、前記第１の凹部内の前記第２の処理層の第１の表面上または隣接して位置することを要旨とする。
第４０の態様は、第３９の態様において、第２の触媒が、前記第２の凹部内の前記第２の処理層の第２の表面上または隣接して位置することを要旨とする。
第４１の態様は、第１〜４０の態様において、それぞれが少なくとも１つの処理層及び凹部を形成するために前記処理層上に配置される少なくとも１つの周辺バリアを備える複数の相互に接続している単位反応装置を備えることを要旨とする。
第４２の態様は、第４１の態様において、前記複数の相互に接続している単位反応装置が、平らでない表面上に配置され、適合していることを要旨とする。
第４３の態様は、第１〜４２の態様において、前記反応装置が燃料電池であることを要旨とする。
第４４の態様は、第１〜４２の態様において、前記反応装置が電解槽であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第４５の態様は、反応装置の第１の側面及び第２の側面を形成するために、相互に隣接して配置されている少なくとも第１の単位反応装置及び第２の単位反応装置と、第１の側面と連絡している第１の反応物プレナムと、第２の側面と連絡している第２の反応物プレナムとを備える化学反応装置を提供する。第１及び第２のプレナムのうちの一方を環境に向かって任意に開くことができる。各単位反応装置は、第１の処理層と、第２の処理層と、第１及び第２の処理層間に形成されている第１の凹部と、隣接する単位反応装置の第２の処理層及び第１の処理層間に形成されている第２の凹部と、第２の凹部の周辺を形成するために第２の処理層の上に配置されている第１の周辺バリアと、第１の凹部の周辺を形成するために第１の処理層の上に配置されている第２の周辺バリアとを備える。第１の凹部は第１の側面と連絡していて、第２の凹部は第２の側面と連絡している。処理層のうちの少なくとも一方は、反応物プレナム間の搬送プロセスを容易にする。
第４６の態様は、第４５の態様において、前記単位反応装置のうちの少なくとも１つが、前記処理層のうちの１つ及び前記周辺バリアのうちの少なくとも１つから形成される少なくとも１つのフレームを備え、前記凹部のうちの少なくとも１つが前記少なくとも１つのフレームにより形成されることを要旨とする。
第４７の態様は、第４５の態様において、前記単位反応装置のうちの少なくとも１つが、前記処理層のうちの１つ及び前記周辺バリアのうちの２つから形成されるフレームを備え、
前記フレームが前記凹部のうちの２つを形成することを要旨とする。
第４８の態様は、第４５の態様において、前記単位反応装置のうちの少なくとも１つが２つのフレームを含み、前記２つのフレームのそれぞれが、前記処理層のうちの１つ及び前記周辺バリアのうちの少なくとも１つから形成される前記フレームが前記凹部のうちの少なくとも１つを形成することを要旨とする。
第４９の態様は、第４５の態様において、各単位反応装置が、少なくとも１つの周辺バリアと第２の周辺バリアとの間の少なくとも１つの処理層から一体に形成されているフレームを有し、第２の処理層が前記フレーム上に配置されることを要旨とする。
第５０の態様は、第４５〜４９の態様において、前記単位反応装置のうちの１つからの前記フレームが、機械的デバイスにより他の単位反応装置のフレームと接続していることを要旨とする。
第５１の態様は、第４５〜５０の態様において、前記フレームが、突起、及びスナップ・フィット接続、機械的クリップ、タイ・ロッド、接着剤、テープ、外部圧着バンド、キーまたはこれらの組合せを提供する前記フレームから形成される対応する凹みにより一緒に保持されることを要旨とする。
第５２の態様は、第４６の態様において、第２の処理層と、前記第２の処理層上に配置される第２の周辺バリアと、少なくとも１つの反応装置フレーム内に形成される第２の凹部とを備え、前記少なくとも１つの凹部が前記反応装置の前記側面のうちの１つと連絡し、前記第２の凹部が前記反応装置の他方の側面と連絡していることを要旨とする。
第５３の態様は、第５２の態様において、前記少なくとも１つの処理層が、前記第１の単位反応装置からの前記フレームを前記第２の単位反応装置内の第２のフレームに結合している機械的デバイスにより正しい位置に保持されることを要旨とする。
第５４の態様は、第４６〜５３の態様において、前記反応物プレナムのうちの１つの少なくとも一部が、前記フレームのうちの少なくとも１つ内に埋め込まれることを要旨とする。
第５５の態様は、第４５〜５４の態様において、前記単位反応装置が、前記反応装置の中心軸の周囲に直交して相互に平行に配置されることを要旨とする。
第５６の態様は、第４５〜５５の態様において、前記単位反応装置が、前記反応装置の中心軸に平行に相互に平行に配置されることを要旨とする。
第５７の態様は、第４５〜５５の態様において、前記単位反応装置が、平行な単位反応装置のグループ内に形成され、各グループが隣接するグループに対して任意の角度で配置されることを要旨とする。
第５８の態様は、第４５〜５７の態様において、隣接する単位反応装置が、隣接する第１の周辺バリア及び第１の処理層と接続していることを要旨とする。
第５９の態様は、第４５〜５８の態様において、前記反応装置が、３つ以上の単位反応装置を備えることを要旨とする。
第６０の態様は、第４５〜５９の態様において、前記反応装置が、円筒形、角柱、箱型または凹凸形状からなるグループから選択した三次元の形をしていることを要旨とする。
第６１の態様は、第４５〜６０の態様において、前記反応装置の前記第１の側面及び前記第２の側面間の全体の厚さを変えることができることを要旨とする。
第６２の態様は、第４５〜６１の態様において、前記反応装置の全長が１ミリメートルから１００センチメートルであり、前記反応装置の全幅が１ミリメートルから５０センチメートルであり、前記反応装置の前記第１の側面と前記第２の側面との間の全厚が１００ナノメートルから５センチメートルであることを要旨とする。
第６３の態様は、第４５〜６２の態様において、前記第１及び第２の単位反応装置のうちの少なくとも１つが、第２の反応物プレナムを形成するように配置されることを要旨とする。
第６４の態様は、第４５〜６３の態様において、前記第１及び第２の単位反応装置のうちの少なくとも一方が、前記第２の反応物プレナムを囲み、前記第２の反応物プレナムの形状に適合することを要旨とする。
第６５の態様は、第４５〜６４の態様において、前記第１の反応物プレナムが構造により囲まれることを要旨とする。
第６６の態様は、第６５の態様において、前記構造が、周囲雰囲気に開いていることを要旨とする。
第６７の態様は、第６５の態様において、前記構造が、密閉容器であることを要旨とす
る。
第６８の態様は、第４５〜６７の態様において、前記第２の反応物プレナムが、デバイスにより囲まれることを要旨とする。
第６９の態様は、第６８の態様において、前記デバイスが、周囲雰囲気に開いていることを要旨とする。
第７０の態様は、第６８の態様において、前記デバイスが密閉容器であることを要旨とする。
第７１の態様は、第４５〜７０の態様において、前記処理層のうちの１つが、前記他の処理層の機能とは異なる機能を行うことを要旨とする。
第７２の態様は、第４５〜７１の態様において、少なくとも１つの処理層がイオン伝導性材料を含むことを要旨とする。
第７３の態様は、第７２の態様において、少なくとも１つの処理層が、電解質、イオン交換膜、プロトン交換膜、電解質で充填された微多孔性構造、マトリックス内に含まれている液体電解質、電解膜、濾過膜、分離膜、マイクロ構造の拡散ミキサ、ヒータ、触媒、電気導体、熱導体またはこれらの組合せを含むことを要旨とする。
第７４の態様は、第４５〜７３の態様において、少なくとも１つの処理層が導電性材料を含むことを要旨とする。
第７５の態様は、第４５〜７４の態様において、隣接する処理層が、交互に、イオン伝導性処理層及び導電性処理層であることを要旨とする。
第７６の態様は、第４５〜７５の態様において、前記処理層のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの薄いシートを含むことを要旨とする。
第７７の態様は、第４５〜７６の態様において、前記処理層のうちの少なくとも１つが、相互に接触している２つ以上の薄い処理層を含むことを要旨とする。
第７８の態様は、第４５〜７７の態様において、少なくとも１つの処理層が、他の処理層の厚さとは異なる厚さを有することを要旨とする。
第７９の態様は、第４５〜７８の態様において、少なくとも１つの凹部の少なくとも一部が、触媒により充填されていることを要旨とする。
第８０の態様は、第４５〜７９の態様において、前記処理層のところの反応物、または反応物の特性、または反応物の反応の副産物の搬送を容易にするために少なくとも１つの凹部の少なくとも一部が材料で充填されることを要旨とする。
第８１の態様は、第４５〜８０の態様において、少なくとも１つの凹部の少なくとも一部が、少なくとも１つの触媒層及び少なくとも１つの多孔性導電性層を含むガス拡散電極構造で充填されることを要旨とする。
第８２の態様は、第８１の態様において、アノードまたはカソードを設けるために前記触媒層がイオン伝導性処理層に隣接し、前記多孔性導電性層が、前記触媒層をガス拡散電極構造間で電流を流すことができるようにする電子伝導性処理層に電気的に接続しているバイポーラ接続反応装置として構成されることを要旨とする。
第８３の態様は、第８１〜８２の態様において、前記多孔性導電性層が少なくとも２つの層を含み、各層が異なる多孔性材料からできていることを要旨とする。
第８４の態様は、第８１の態様において、前記ガス拡散電極が第１及び第２の触媒層を含み、前記第１の触媒層が前記第１の処理層に隣接し、前記第２の触媒層が縁部集中ユニポーラ燃料電池層を形成するために前記第２の処理層に隣接していることを要旨とする。
第８５の態様は、第４５〜８４の態様において、少なくとも１つの凹部が、１：１より大きなアスペクト比を有することを要旨とする。
第８６の態様は、第４５〜８５の態様において、少なくとも１つの凹部が、２．５：１から１５：１のアスペクト比を有することを要旨とする。
第８７の態様は、第４５〜８５の態様において、少なくとも２つの凹部が、相互に異なるアスペクト比を有することを要旨とする。
第８８の態様は、第４５〜８５の態様において、前記第１の周辺バリアが、前記第２の凹部を完全に囲んでいることを要旨とする。
第８９の態様は、第４５〜８８の態様において、前記第２の周辺バリアが、前記第１の凹部を完全に囲んでいることを要旨とする。
第９０の態様は、第４５〜８９の態様において、前記第１及び第２の周辺バリアが、それぞれ１００ナノメートル以上の高さを有することを要旨とする。
第９１の態様は、第４５〜９０の態様において、前記周辺バリアのうちの少なくとも１つがある幅を有し、前記周辺バリア上のある部分の前記幅が前記周辺バリアの他の部分の幅よりもっと狭いことを要旨とする。
第９２の態様は、第４５〜９１の態様において、少なくとも１つの第１の処理層が波状であり、少なくとも１つの第２の処理層が波状であり、少なくとも１つの第１の凹部が波状であり、少なくとも１つの第２の凹部が波状であり、少なくとも１つの第１の周辺バリアが波状であり、少なくとも１つの第２の周辺バリアが波状であることを要旨とする。
第９３の態様は、第４５〜９２の態様において、前記反応装置が燃料電池であることを要旨とする。
第９４の態様は、第４５〜９２の態様において、前記反応装置が電解質反応装置であることを要旨とする。
第９５の態様は、第９３の態様において、電気機器であって、電源として第９３の態様の燃料電池を含む電気機器を要旨とする。
第９６の態様は、第９５の態様において、前記電気機器が、航空機エレクトロニクス、車両エレクトロニクス、レーザ・ポインタ、携帯電話、無線電話、プロジェクタ、テレビジョン、コンパクト・ディスク・プレーヤ、ＤＶＤプレーヤ、ラジオ、フラッシュライト、デジタル・カメラ、デジタル画像形成装置、デジタル画像視認装置からなるグループから選択されることを要旨とする。
【００１６】
また、本発明は、化学反応装置を製造するための方法を提供する。本発明の第９７の態様は、第１の処理層及び第１の処理層上の周辺バリアを設けるステップを含む方法を提供する。周辺バリア及び第１の処理層は、開口部を有する凹部を形成し、開口部は、周辺バリアが形成する周辺を有し、凹部は、１：１より小さいアスペクト比、すなわち第１の処理層の表面に沿った方向の凹部の寸法に対する第１の処理層にほぼ垂直な方向の周辺バリアの高さの比を有し、周辺バリアを第２の処理層に接合し、第２の処理層は、凹部の開口部を閉鎖している。周辺バリアを第２の処理層に結合する前に、多孔性拡散媒体、触媒等のような材料を凹部内に導入することができる。ある実施形態の場合には、周辺バリア内にギャップがあり、この方法は、凹部をギャップにより反応物プレナムと流体連通させるステップを含む。
第９８の態様は、第９７の態様において、前記周辺バリア内にギャップを有し、前記凹部を前記ギャップにより反応物プレナムと流体連通させるステップを含むことを要旨とする。
第９９の態様は、第９７または９８の態様において、前記第２の処理層に前記周辺バリアを結合する前に、前記凹部内にある材料を堆積するステップを含むことを要旨とする。
第１００の態様は、第９９の態様において、前記凹部内にある材料を堆積するステップが、前記凹部内に材料の複数の層を堆積するステップを含むことを要旨とする。
第１０１の態様は、第１００の態様において、前記複数の層が、少なくとも１つの触媒を含む層を含むことを要旨とする。
第１０２の態様は、第９７〜１０１の態様において、第１の処理層及び前記第１の処理層上に周辺バリアを提供するステップが、前記第１の処理層に取り付けられている前記周辺バリアを有するフレームを提供するステップを含むことを要旨とする。
第１０３の態様は、第９７〜１０２の態様において、複数の中間組立体を組み立てるステップであって、前記各中間組立体が少なくとも第１及び第２の処理層、及び前記第１及び第２の処理層の間に形成される凹部を形成する周辺バリアを含むステップと、
前記中間組立体を一緒に組み立てるステップとを含むことを要旨とする。
第１０４の態様は、第１０３の態様において、前記中間組立体を一緒に組み立てるステップが、接着剤により前記中間組立体を相互に取り付けるステップを含むことを要旨とする。
第１０５の態様は、第９７〜１０４の態様において、第１の処理層及び前記第１の処理層上に周辺バリアを提供するステップであって、前記周辺バリア及び第１の処理層が開口部を有する凹部を形成し、前記開口部が前記周辺バリアにより形成されている周辺を有し、前記凹部が、前記第１の処理層の表面に沿った方向の前記凹部の寸法に対する前記第１の処理層にほぼ垂直な方向の前記周辺バリアの高さの比率である１：１より小さいアスペクト比を有するステップと、複数の相互に接続している単位反応装置を備える反応装置を提供するために、前記凹部の開口部を閉鎖している第２の処理層に前記周辺バリアを結合するステップとを反復するステップを含むことを要旨とする。
【００１７】
本発明の第１０６の態様は、化学反応装置を製造するための方法を提供する。この方法は、（ａ）少なくとも２つの低アスペクト比の処理層を形成するステップと、（ｂ）少なくとも１つの低アスペクト比の周辺バリアを形成するステップと、（ｃ）低アスペクト比の処理層のうちの一方の少なくとも１つの側面に、低アスペクト比の周辺バリアを結合することにより低アスペクト比の凹部を有する中間組立体を形成するステップと、（ｄ）低アスペクト比の凹部を有する複数の中間組立体を形成するためにステップ（ａ）からステップ（ｃ）を反復するステップと、（ｅ）中間組立体に低アスペクト比の処理層のうちの一方を結合することにより、高アスペクト比の凹部を形成するステップと、（ｆ）高アスペクト比の凹部を含む化学反応装置を形成する目的で、複数の結合した中間組立体を形成するためにステップ（ｄ）及び（ｅ）を反復するステップと、（ｇ）処理層により反応物プレナム間の搬送プロセスを容易にするために２つの反応物プレナムに化学反応装置を結合するステップとを含む。
第１０７の態様は、第１０６の態様において、前記周辺バリアを形成するステップが、前記処理層の少なくとも１つの一部上に前記バリア材料を堆積するステップと、前記バリア材料をある形に形成するステップとを含むことを要旨とする。
第１０８の態様は、第１０６の態様において、前記周辺バリアを形成するステップが、反応物があるプレナムから他のプレナムに移動するのを防止する構造的形態を形成するステップを含むことを要旨とする。
第１０９の態様は、第１０８の態様において、前記構造的形態が、マイクロ構造または曲がりくねった経路を含む三次元構造であることを要旨とする。
第１１０の態様は、第１０６〜１０９の態様において、前記処理層を形成するステップが、基板上に前駆物質材料を堆積するステップと、前記前駆物質材料をある形に形成するステップとを含むことを要旨とする。
第１１１の態様は、第１０６の態様において、長方形、正方形、三角形、環状リング、アーク、凹凸形状及び他の角柱形状を含むグループから選択した形に前記前駆物質材料を形成するステップを含むことを要旨とする。
第１１２の態様は、第１０６〜１１１の態様において、前記低アスペクト比の凹部のうちの少なくとも１つの凹部の少なくとも一部に、少なくとも１つの材料を充填するステップを含むことを要旨とする。
第１１３の態様は、第１１２の態様において、前記材料が、触媒、多孔性材料、電気導体、疎水性ポリマー・バインダまたはこれらの組合せを含むことを要旨とする。
第１１４の態様は、第１１２〜１１３の態様において、前記低アスペクト比の凹部の少なくとも一部を充填するステップが、前記低アスペクト比の凹部内にマイクロ構造を形成するステップを含むことを要旨とする。
第１１５の態様は、第１１０〜１１１の態様において、前記基板が解放層を備えることを要旨とする。
第１１６の態様は、第１１０〜１１１の態様において、前記基板が、前記低アスペクト比の処理層のうちの１つを備えることを要旨とする。
第１１７の態様は、第１１０〜１１１の態様において、前記基板が、少なくとも一部が充填されている低アスペクト比の凹部を備えることを要旨とする。
第１１８の態様は、第１１０〜１１１の態様において、前記基板が、単位反応装置の少なくとも一部を備えることを要旨とする。
第１１９の態様は、第１０６〜１１８の態様において、前記高アスペクト比の凹部が、１：１より大きい高さＨ対深さＤの比率を有することを要旨とする。
第１２０の態様は、第１０６〜１１９の態様において、前記反応装置が電解槽であることを要旨とする。
第１２１の態様は、第１０６〜１１９の態様において、前記反応装置が燃料電池層であることを要旨とする。
第１２２の態様は、第１２１の態様において、前記２つの反応物プレナムが、酸化剤を含む酸化剤プレナム及び燃料を含む燃料プレナムを形成することを要旨とする。
第１２３の態様は、第１２１の態様において、２つのガス拡散電極を設けるために、前記材料で前記低アスペクト比の凹部の少なくとも１つを少なくとも部分的に充填するステップを含むことを要旨とする。
第１２４の態様は、第１０６〜１２３の態様において、前記複数の結合した中間組立体を形成するステップが、前記中間組立体である容積をほぼ囲むステップを含むことを要旨とする。
第１２５の態様は、第１０６〜１２０の態様によって作った電解槽を要旨とする。
【００１８】
本発明の第１２６の態様は、高アスペクト比の凹部を有する化学反応装置を製造するための方法を提供する。この方法は、（ｉ）処理層、周辺バリア及び少なくとも１つの低アスペクト比の凹部を有する少なくとも１つのフレーム、または（ｉｉ）１つの処理層、２つの周辺バリア、及び処理層の一方の側面上に配置されている少なくとも２つの低アスペクト比の凹部を有する少なくとも１つのフレーム、または（ｉｉｉ）少なくとも１つの低アスペクト比の凹部を有する処理層の一方の側面上に形成された周辺バリアを含む少なくとも１つの層、または（ｉｖ）一緒に結合した（ｉ）及び（ｉｉｉ）の組合せのうちの１つを有する少なくとも１つの中間組立体を形成するステップと、少なくとも１つの高アスペクト比の凹部を有する化学反応装置を形成するために少なくとも２つの中間組立体を一緒に結合するステップと、処理層により反応物プレナムの間の搬送プロセスを容易にするために、２つの反応物プレナムに化学反応装置を結合するステップとを含む。
第１２７の態様は、第１２６の態様において、前記中間組立体を形成するステップが、反応物が一方の反応物プレナムから他方の反応物プレナムに移動するのを防止する構造的形態を形成するステップを含むことを要旨とする。
第１２８の態様は、第１２７の態様において、前記構造的形態が、マイクロ構造または曲がりくねった経路を含む三次元構造であることを要旨とする。
第１２９の態様は、第１２６〜１２８の態様において、前記周辺バリアを形成するステップが、バリア材料からバリアを形成するステップと、次に前記処理層の少なくとも１つの少なくとも一部に、前記形成したバリア材料を結合するステップとを含むことを要旨とする。
第１３０の態様は、第１２６〜１２９の態様において、前記中間組立体を形成するステップが、それぞれが長方形、正方形、三角形、環状リング、アーク、及び任意のパターンを含むグループから選択した形を有する処理層を形成するステップをさらに含むことを要旨とする。
第１３１の態様は、第１２６〜１３０の態様において、反応物材料の搬送または反応物特性の搬送を容易にするために、ある材料で前記低アスペクト比の凹部のうちの１つの凹部の少なくとも一部を少なくとも部分的に充填するステップを含むことを要旨とする。
第１３２の態様は、第１３１の態様において、前記低アスペクト比の凹部を充填するために使用する前記材料がマイクロ構造を形成することを要旨とする。
第１３３の態様は、第１２６〜１３２の態様において、高アスペクト比の凹部が、１：１より大きなアスペクト比を有することを要旨とする。
第１３４の態様は、第１２６〜１３３の態様において、前記中間組立体を形成するステップが、前記処理層のうちの少なくとも１つを波状の処理層にするステップを含むことを要旨とする。
第１３５の態様は、第１２６〜１３４の態様の方法により作った薄い平らな化学反応装置を要旨とする。
第１３６の態様は、第１２６〜１３４の態様の方法により作った薄い曲線化学反応装置を要旨とする。
第１３７の態様は、第１２６〜１３４の態様において、前記化学反応装置が燃料電池層であることを要旨とする。
第１３８の態様は、第１３７の態様において、ガス拡散電極を形成するために、ガス拡散電極材料で前記低アスペクト比の凹部を充填するステップを含むことを要旨とする。
第１３９の態様は、第１３８の態様において、前記２つの反応物プレナムが、前記ガス拡散電極内に燃料及び酸化剤をそれぞれ搬送するために燃料プレナム及び酸化剤プレナムを形成することを要旨とする。
【００１９】
本発明の他の態様及び本発明の実施形態の特徴については以下に説明する。
添付の図面は、本発明の実施形態を示すが、これら実施形態は本発明を制限するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
下記の説明全体を通して、本発明をよりよく理解してもらうために特に本発明について詳細に説明する。しかし、本発明は、これらの詳細な説明以外の方法でも実行することができる。他の例の場合には、無駄な説明で本発明が分かりにくくなるのを避けるために周知の素子は図示していないか、詳細な説明は省略してある。それ故、明細書及び図面は例示としてのものであって、本発明を制限するものと見なすべきではない。
【００２１】
本発明は、複数の単位セルを有する化学反応装置を提供する。単位セルは、単位セルが隣接して配置されている薄層反応装置を提供するために他のフレームまたは処理層に取り付けられているフレームを有する。フレームは、処理層と周辺密封部とを結合する構造である。周辺密封及び処理層は、一緒に浅い凹部を形成する。本発明のいくつかの実施形態は燃料電池を提供する。本発明の他の実施形態は、電解セルまたは他のタイプの化学または電気化学反応装置を提供する。
【００２２】
図１，１Ａは、本発明の一実施形態による化学反応装置１０を示す。化学反応装置１０は、例えば、燃料電池であっても、電解セル等であってもよい。化学反応装置１０は、複数のフレーム１２及び層１４からなる。各フレーム１２は、第１の処理層となる基部１６と、基部１６の少なくとも一方の側面上の周辺バリア１８とを備える。層１４は、第２の処理層を提供する。フレーム１２の基部１６によって設けられる処理層は、層１４によって設けられる処理層と同種のものであっても、異なる種類のものであってもよい。図示し
た実施形態の場合には、フレーム１２は、それぞれ、それぞれが一方の側面上だけに周辺バリア１８を含む基部１６を有する端部フレーム１２Ａ，１２Ｂを除いて、基部１６の両方の側面上に周辺バリア１８を有する。
【００２３】
化学反応装置１０の第１の面２４上に開口部２２を有する凹部２０は、フレーム１２及び層１４により形成される。各凹部２０の周辺は、その開口部２２の近くを除けば、フレーム１２の１つの周辺バリア１８により閉鎖される。化学反応装置１０の第２の面２９上に開口部２８を有する凹部２６も、フレーム１２及び層１４により形成される。各凹部２６の周辺は、その開口部２８の近くを除けば、フレーム１２の１つの周辺バリア１８により閉鎖される。開口部２２，２８は、周辺バリア１８内にギャップを含む。
【００２４】
図に示すように、フレーム１２は、ほぼ平らである。フレーム１２及び層１４の縁部は、化学反応装置１０の面２４，２９を形成する。
周辺バリア１８及び基部１６は、同じ材料で一体に形成することもできるし、または予備製造ステップの際に相互に取り付けられる別々の部分を有することもできる。図１Ａ内の点線３５が、基部１６から周辺バリア１８が分離した場合を示す。図の実施形態の場合には、周辺バリア１８はほぼＵ字形をしている。
【００２５】
凹部２６は、凹部２０と凹部２０の間にて交互に配置される。化学反応装置１０の端部のところの凹部２０Ａを除いて、各凹部２０は２つの凹部２６間に位置する。層１４は各凹部２０及び１つの隣接する凹部２６間に位置する。フレーム１２の基部１６は、凹部２０と他の隣接する凹部２６との間に位置する。化学反応装置１０は、例えば、基部１６及び層１４のために適当な材料を選択することにより、及び以下にさらに詳細に説明するように、適当な触媒及び拡散層のような他の機能を追加することにより、燃料電池として動作するように特定の機能を実行するように適応させることができる。
【００２６】
参照番号３２により概略示すプレナムにより、第１の反応物を凹部２０内に導入することができる。参照番号３４により概略示す第２のプレナムにより、第１の反応物を凹部２６内に導入することができる。化学反応装置１０が１つの反応物として周囲空気を受け入れる場合には、プレナム３２または３４の一方を省略することができる。周辺バリア１８は、プレナム３２から反応物がプレナム３４内に移動するのを防止し、その逆も防止する。化学反応装置１０が、一方のプレナム３２、３４内に燃料を有し、他方のプレナム３４、３２内に酸化剤を有する燃料電池である場合には、周辺バリア１８は、燃料と酸化剤との制御できない混合を防止する。反応物は、矢印３６，３７で示すように、それぞれプレナム３２，３４から凹部２０，２６内に入ることができる。
【００２７】
周辺バリア１８は、ある材料からできていて、周辺バリア１８が形成するチャンバ２０または２６からの反応物の移動を阻止する形をしている。周辺バリア用の材料は、下記のものを無制限に含むことができる。
【００２８】
・ステンレス鋼のような金属；
・ミシガン州ミッドランド所在のＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社が販売しているＲＴＶ（商標）のようなシリコーン；
・ニューヨーク州ランカスター所在のＡｐｐｌｅ  Ｒｕｂｂｅｒ社が販売しているゴムのようなゴム；
・デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ社が販売しているナイロン（例えば、ナイロン６またはナイロン６，６）のようなポリアミド；
・デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ社が販売しているＫａｐｔｏｎ（商標）のようなポリイミド；
・ベルギーのエデジェム所在のＤｏｗ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｒｕｂｂｅｒ社が販売しているＢＵＮＡのような合成ゴム；
・例えば、マサチューセッツ州ビルリカ所在のＥＰＯ  Ｔｅｃｈ社が販売しているエポキシのような適当なエポキシ；
・テフロン（商標）として販売されているポリテトラフルオロエチレン；
・ペンシルバニア州フィラデルフィア所在のＡｒｋｅｍａ  Ｉｎｃ．社がＫｙｎａｒ（商標）として販売しているポリビニルジフルオリド；
・これら材料の合成物、積層物、合金、混合物及び／または他の組合せ。
【００２９】
周辺バリア用に使用することができる形としては、マイクロ構造または反応物用の曲がりくねった経路及び反応物の移動を阻止する簡単な密封部を形成する三次元構造等がある。
【００３０】
図１Ａに示すように、凹部２０は、それぞれ高さＨ１及び深さＤ１を有する。すべての凹部２０のＨ１及びＤ１は必ずしも同じでなくてもよい。凹部２６は、それぞれ高さＨ２及び深さＤ２を有する。すべての凹部２６のＨ２及びＤ２は必ずしも同じでなくてもよい。Ｈ１，Ｈ２は必ずしも同じでなくてもよいし、Ｄ１，Ｄ２は必ずしも同じでなくてもよい。また、特定の凹部２０内でＨ１，Ｄ１は必ずしも一定でなくてもよい。
【００３１】
凹部２０，２６は、それぞれ高いアスペクト比（すなわち、Ｄ１：Ｈ１比またはＤ２：Ｈ２比）を有する。好適には、凹部２０，２６の少なくとも一方のアスペクト比は、少なくとも１：１であることが好ましいが、少なくとも２．５：１であってもよい。アスペクト比は、より好適には１：１〜１００：１、最も好適には約２．５：１〜１５：１であることが好ましい。高いアスペクト比の凹部を形成すると、層１４及びフレーム１２の本体部分１６の活性領域を面２４，２９の面積に対して大きくすることができる。より詳細に説明すると、層１４の活性領域の合計を、面２４または２９の面積より容易に大きくすることができる。凹部の高さＨ１，Ｈ２は、対応する周辺バリア１８の高さにより決まるので、第１または第２の面（２４または２９）からその面上に開いている凹部（２０または２６）の対向側面までの距離は、周辺バリア１８の高さより遥かに大きい。
【００３２】
凹部のアスペクト比は、反応物及び凹部内に入れることができる任意の多孔性媒体の特性を考慮して選択しなければならない。例えば、燃料電池内においては、プレナムから凹部内に形成されているガス拡散電極への燃料及び酸化剤の搬送は、主として拡散により行われるので、反応物が凹部内へ拡散する速度が電極全体を通しての反応を保持するのに不十分になるような高いアスペクト比になってはならない。
【００３３】
化学反応装置１０は、少なくとも２つの面を提供する構成になっていることを理解することができるだろう。化学反応装置１０は、角柱形状にすることができる。図の実施形態の場合には、化学反応装置１０のコアは、少なくとも２つの平面を有するスラブまたはブロックの形をしている。第１の凹部２０は面の一方（面２４）と連絡していて、一方、第２の凹部２６は他方の面（面２９）と連絡している。図の実施形態の場合には、面２４，２９は、相互に平行であり、相互に対向しているが、必ずしもそうでなくてもよい。その中のいくつかについては以下に説明する他の実施形態の場合には、第１の凹部２０を内部プレナムにより相互に接続することができ、及び／または第２の凹部２６を内部プレナムにより相互に接続することができる。内部プレナムが形成されている場合には、内部プレナムと連絡している凹部は、必ずしも化学反応装置の面上に開いていない。そのような場合、周辺バリア１８は、凹部の周囲を完全に囲むことができる。
【００３４】
化学反応装置１０は、例えば、フレーム１２をもっと大きくすることにより（すなわち、開口部２２に平行な方向にフレーム１２を延ばすことにより）、及び／または多数のフ
レームを使用することによりもっと大きくすることができる。化学反応装置１０は、非常に小型にすることができる。何故なら、化学反応装置１０は、特に小型の場合には、一緒に保持するために機械的固定具を必要としないからである。
【００３５】
図１の化学反応装置１０は、下記の多数の有利な機能を有する。
・反応を行うことができる比較的広い表面積。
・化学反応装置１０は、大型にすることもできるし、非常に小さなサイズを含む小型にもすることができる。
【００３６】
・化学反応装置１０は、一緒に保持するために外部締付けシステムを必要としないような方法で製造することができる。
・以下に説明するように、化学反応装置１０は、広い範囲の形状要因を含むように作ることができる。
【００３７】
・化学反応装置１０は、いくつかの他の層状の化学反応装置よりも少ない部材を有し、そのため組立て及び整合がより簡単であり、製造コストが安い。
・化学反応装置１０は、一緒に保持するために締付けを必要としない方法で製造することができる。
【００３８】
・フレーム１２を使用しているので、設計全体が簡単になり、化学反応装置１０の構成要素を相互に整合できる精度が向上する。
・化学反応装置１０は、化学反応装置１０の最終的組立体が、異なる材料の相互接着を必要としないように合成フレームを使用するように設計することができる。
【００３９】
化学反応装置１０は、例えば、基部１６及び層１４のために適当な材料を選択することにより、及び以下にさらに詳細に説明するように、適当な触媒層及び拡散層のような他の機能を追加することにより、及び凹部２０，２６内に適当な反応物を供給することにより、燃料電池として動作するための特定の機能を実行するように適応させることができる。化学反応装置１０は一連の単位セル３０からできている。図１の化学反応装置は、６つの単位セル３０を有する。
【００４０】
図１Ｂは、化学反応装置１０の基本的構造に類似の基本的構造を有する燃料電池１０Ａを示す。燃料電池１０Ａ内においては、複数の層１４のうちの１つ及びフレーム１２の基部１６が電子を伝導し、他の部分がイオン（例えば、プロトン）を伝導する。層１４及び基部１６は、それぞれ燃料または酸化剤の流れを防止するガス・バリアを実質的に形成する。図の実施形態の場合には、基部１６は、電子導体であり、層１４はイオン導体である。
【００４１】
図の実施形態の場合には、周辺バリア１８を含むフレーム１２は、ステンレス鋼のような適当な金属で一体に形成されている。基部１６は、また、充填金属合成材、ポリマーの充填マイクロ構造、充填エポキシ合成材、黒鉛合成材、またはこれらの組合せ、または銅、ステンレス鋼、アルミニウムまたは錫のような金属の薄膜、またはマサチューセッツ州ピーボディ所在のＴｅｃｈ  Ｆｉｌｍ社が販売しているモデル番号ＴＦ１２２０２のような銀充填エポキシのような他の電気導体を含むことができる。
【００４２】
層１４は、ガス・バリアとしての働きをするが、イオン（例えば、プロトン）を伝導する。層１４は、例えば、適当なプロトン交換膜（ＰＥＭ）、電解質充填微多孔性構造、メッシュのようなマトリックス内に含まれている液体電解質及びその組合せを含むことができる。デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ社が販売しているＮａｆｉｏｎ（商標）は、層１４用に使用することができるＰＥＭの
一例である。
【００４３】
適当な触媒３８が、凹部２０の方を向いている層１４の表面上または表面に隣接して位置する。適当な触媒３９が、凹部２６の方を向いている層１４の表面上にまたは表面に隣接して位置する。触媒３８，３９は、層１４上に塗布することができる。触媒層は、例えば、貴金属触媒、遷移金属触媒、その合金及びその組合せから作ることができる。触媒層は、炭素支持触媒、またはスプレー、スパッタリング、電気メッキ、印刷、パルス・レーザ蒸着、またはこれらの組合せにより形成した薄膜触媒を構成することができる。別の方法としては、触媒層を分解化学反応によって形成することもできる。
【００４４】
凹部２０，２６は、それぞれ少なくとも一部は多孔性導電性材料４０により充填される。多孔性導電性材料４０及びフレーム１２は、矢印４２で示すように、ある単位セルの触媒３８と隣接する単位セルの触媒３９との間に電子を伝導するための経路を形成する。凹部２０内の多孔性材料は、凹部２６内の多孔性材料と同じものであってもよいし、異なるものであってもよい。
【００４５】
凹部２０または２６は、それぞれ異なる多孔性材料の２つ以上の層を保持することができる。そのため、各凹部の高さを横切って多孔性材料の特性を変えることができる。例えば、
・電解質層に最も近い多孔性材料の部分内の表面積が増大するように多孔性材料の多孔性に勾配を付けることができる。
【００４６】
・多孔性材料の水の保持特性を変えるために、多孔性材料の疎水性に勾配を付けることができる。
・触媒及び／または多孔性材料のイオノマーに勾配を付けることができる。
【００４７】
多孔性導電性材料４０は、黒鉛含浸紙、粒子の導電性及びガス浸透性マトリックス、焼結粉末、ポリマー結合炭素合成材、マイクロ構造の炭素モノリシック、多孔性導電性媒体、多孔性金属フォーム、導電性マイクロ構造、これらの組合せ等を含むことができる。材料４０は、例えば、多孔性媒体、触媒、電気導体、バインダまたはこれらの２つ以上の組合せを含むことができる。
【００４８】
化学反応装置がＰＥＭタイプの燃料電池である場合には、水素等の燃料がプレナム３４に供給され、一方、酸素または空気のような酸化剤はプレナム３２に供給される。燃料は多孔性材料４０を通して触媒３９に拡散し、そこでイオンを放出するためのアノード側の電気化学反応に参加し、イオンは層１４を通過し、電子は矢印４２で示すように次の単位セルに流れる。酸化剤は多孔性材料を通して触媒３８に拡散し、そこでカソード側の電気化学反応に参加する。当業者であれば燃料電池の基本的な電気化学は周知のものであるので、これ以上の説明は省略する。
【００４９】
すでに説明したように、本発明による化学反応装置は、広い範囲の形状要因のうちの任意のものを有するようにすることができる。図２は、単位セル３０が薄いほぼ平面スラブ５２内に配置されている化学反応装置５０の斜視図である。全体的に、反応装置５０は薄い平面構造をしている。化学反応装置５０は、例えば、上記のように全構造を有することができる。化学反応装置５０は、少なくとも１０の単位反応装置（セル）３０を備える。各単位反応装置は、図に示すように、２つの処理層を有する。
【００５０】
化学反応装置５０はコンパクトなものであってもよい。例示としての化学反応装置５０は、長さ１センチメートル〜１０センチメートル、幅５ミリメートル〜８０ミリメートル、及び厚さ約０．５ミリメートル〜４ミリメートルの全体寸法を有することができる。好
適には、化学反応装置５０は、長さ約１センチメートル〜約１００センチメートル、幅約１ミリメートル〜約５０センチメートル、及び厚さ約１００ナノメートル〜約４または５ミリメートルの全体寸法を有することができることが好ましい。他の実施形態の場合には、厚さは４または５センチメートル以上であってもよい。
【００５１】
本発明による化学反応装置は、複数の単位セルを含む。反応装置は、任意の実際的な数の単位セルを含むことができる。このような化学反応装置は、２つの単位セルから、例えば５０，０００以上のような非常に多数の単位セルを有することができる。本発明のある実施形態による燃料電池は、２つの単位燃料電池〜３００または５００の単位燃料電池を有する。本発明の好ましい実施形態による燃料電池は、２つの単位燃料電池〜１００の単位燃料電池を有する。図２は、電気的に一緒に接続することができる１５の単位セル３０を有する例示としての化学反応装置を示す。
【００５２】
化学反応装置５０の単位反応装置は、相互に隣接して配置されていて、スラブ５２の第１の面２４及び第２の面２９を形成する。第１の面２４は、第１の反応物プレナム３２と連絡していて、第２の面２９は第２の反応物プレナム３４と連絡している。化学反応装置５０が燃料電池である場合には、第１の反応物プレナム３２は、酸化剤プレナムを形成することができ、一方、第２の反応物プレナム３４は燃料プレナムを形成することができるし、その逆も行うことができる。
【００５３】
第１の反応物プレナム３２を構造５４で任意に閉鎖することができる。構造５４は、密閉容器であっても、周囲雰囲気に開いている容器であってもよい。図２は、構造５４が周囲雰囲気に開いている実施形態を示す。第１の反応物プレナムが雰囲気に開いている場合には、包囲構造５４は任意のものであってもよい。構造５４が雰囲気に開いている場合には、スラブ５２の追加の構造的支持体になる。化学反応装置５０が燃料電池である場合には、構造５４は、酸素、空気のような酸化剤、または過酸化水素のような酸素を発生するための手段を含むことができる。反応物プレナム３２が周囲雰囲気に開いている場合には、構造５４の代わりに開口部２２を塞がないスラブ５２用の任意の適当な構造的支持体を使用することができる。
【００５４】
第２の反応物プレナム３４は、構造５４に類似していてもよいデバイス５６で囲むことができる。デバイス５６は、密閉容器であってもよいし、周囲雰囲気に開いている容器であってもよい。デバイス５６が雰囲気に開いている場合には、スラブ５２に対する追加の構造的支持体になる。図２の実施形態の場合には、デバイス５６は、中空でない背壁部５８を含む密閉容器である。化学反応装置５０が燃料電池である場合には、デバイス５６は、水素、改質油からの水素、液相炭化水素、気相炭化水素、メタノール、エタノール、蟻酸、アンモニア、水素化硼素ナトリウム、または他の化学的水素化物、これらの組合せ、または他の適当な燃料のような燃料を含むことができる。反応物としての働きをすることができる液相材料としては、メタノール、エタノール、ブタノール、蟻酸等がある。気相炭化水素としては、プロパン、ブタン、メタン、及びこれらの組合せ等がある。
【００５５】
第１及び／または第２のプレナム３２，３４の一部は、ある他の機能を提供する壁部により形成することができる。例えば、回路盤、計器ケース等は、プレナム３２，３４の一方または両方を囲む壁部の一部を形成することができる。
【００５６】
図３は、薄い曲線構造６０として形成されている単位セル３０のグループを示す。
図４は、化学反応装置７０を示す。この化学反応装置７０は、全体が円筒状の構成になっている燃料電池であってもよい。一例を挙げて説明すると、化学反応装置７０は、１センチメートル〜５センチメートルの範囲の全直径、５ミリメートル〜８０ミリメートルの範囲の高さを有することができる。反応装置７０の単位セル３０は、例えば、１／８ミリ
メートル〜５ミリメートルの範囲の厚さを有することができる。反応装置７０は、図４Ａに示すように、環状層１４とリング状のフレーム７２を交互に積み重ねて形成することができる。フレーム７２は中央アパーチャ７３を有する。別の場合には、反応装置７０は、その外縁部上に周辺バリア１８を有するリング状のフレーム７４と、その内縁部上に周辺バリア１８を有するリング状のフレーム７６を交互に積み重ねて形成することができる。この実施形態の場合には、各単位反応装置は、層１４、層１４の両側面上のフレーム７２、及びフレーム７２と層１４との間の凹部により形成されている。
【００５７】
図４Ｂは、本発明の他の実施形態内のフレーム７２の代わりに使用することができるフレーム７４，７６を示す。
化学反応装置７０は、単位セル３０からできている構造が、プレナム３４を形成する（または少なくとも一部を囲んでいる）ことを特徴とする。単位燃料電池はプレナム３４と同じ形にすることができる。プレナム３４は、単位燃料電池自身により形成することができる。例えば、化学反応装置７０が燃料電池である場合には、プレナム３４は燃料を含むことができる。プレナム３４は、化学反応装置７０内部の全プレナムを占める必要はない。
【００５８】
他の横断面の形を有する反応装置７０類似の化学反応装置を作ることもできる。反応装置は、長方形、正方形、三角形、八角形、五角形、他の角柱形状、または凹凸形状の横断面を有することができる。所望の形のフレームから化学反応装置を組み立てることによりそうすることができる。単位セルは、角柱形状になるように、箱型形状になるように、または凹凸状の三次元形状になるように配置することができる。
【００５９】
図４の実施形態の場合には、単位セル３０は相互にほぼ平行に配置される。単位セル３０は、化学反応装置７０の中心軸７７に垂直な平面内に配置される。
図５は、相互にほぼ平行に、また中心軸７７に平行に配置されている単位セル３０を有する化学反応装置８０を示す。この実施形態の場合には、単位セルの層が円筒状の構成になるように周囲で自然に湾曲するように、各単位セル３０の横断面を台形にすることができる。
【００６０】
図６は、化学反応装置９０を示す。この場合、単位反応装置３０は、凹凸状の三次元表面９２上に配置されている。単位反応装置３０はグループ単位で配置されている。各スラブ内においては、単位反応装置３０は相互にほぼ平行になっている。図の実施形態の場合には、単位セルの各グループは、隣接するスラブを形成している。各グループの単位反応装置は、化学反応装置９０の中心軸７７に対して任意の角度を有する。単位セル３０の異なるグループの単位セル３０は相互に対して任意の角度を有する。反応装置９０は、外部プレナム９５を形成する容器９４内に任意に位置することができる。内部プレナム９６は表面９２内に位置する。
【００６１】
図２〜図６は、本発明によるフレームからできている単位セルと一緒に形成することができる種々様々な化学反応装置のうちのいくつかを示す。単位セル３０の層は、種々の厚さを有することができる。種々の厚さの単位セルは、所望の形状要因を有する化学反応装置を提供するために使用することができる。単位セルまたは単位セルの層は、一方の端部を狭く、他方の端部を広くすることができる。いくつかの単位セルは、隣接する単位セルの厚さとは異なる厚さを有することができる。異なる形の異なる単位セル用のフレームを作ることにより、またはテーパ状のまたは他の形のフレームを作ることにより、使用できるプレナムに適合することができる化学反応装置を提供することができる。例えば、組み立てた場合に、燃料電池を燃料電池と適合しなければならないプレナムと適合する形にする形状のフレームを設けることにより、燃料電池から電力の供給を受けるデバイス内の使用できるプレナムに適合するように燃料電池を作ることができる。
【００６２】
図７〜図１０は、化学反応装置を形成するために組み立てることができるフレームを提供するために、周辺バリアを処理層に取り付けることができる、または処理層上で形成することができる方法のうちのいくつかを示す。図７は、個々の単位反応装置１００の断面斜視図である。単位反応装置１００は、単位電解質セルであっても、単位燃料電池であっても、または他のタイプの単位反応装置であってもよい。単位反応装置１００は、第１の処理層１０２及び第２の表面層１０４を含む。この図の実施形態の処理層１０２，１０４は薄いシートである。好ましい実施形態の場合には、各処理層は約１ナノメートル〜約２センチメートルの厚さを有する。すべての処理層が、同じ厚さを有する必要はない。１つまたは複数の処理層が、他の処理層とは異なる厚さを有することができる。この処理層は、必ずしも薄いシートでなくてもよい。処理層は、１つの材料からできている層であってもよいし、相互に接触している２つ以上の薄い層を含むこともできる。
【００６３】
処理層は、単位反応装置１００を使用する用途に適している種々の材料のうちの任意のものから作ることができる。例えば、処理層１０２，１０４のうちの一方または両方の材料は下記のものであってもよい。
【００６４】
・電解質
・カナダ、バンクーバ所在のＡｎｇｓｔｒｏｍ  Ｐｏｗｅｒ社が販売しているタイプの炭素で充填されているステンレス鋼のような充填金属合成材
・デラウェア州ニューアーク所在のＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ  ＆  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社が販売しているＰｒｉｍｅａ（商標）膜のようなポリマーの充填マイクロ構造
・マサチューセッツ州ピーボディ所在のＴｅｃｈ  Ｆｉｌｍ社が販売しているような充填エポキシ合成材
・オハイオ州レークウッド所在のＵＣＡＲ  Ｇｒａｐｈ−Ｔｅｃｈ社が販売しているＧｒａｆｏｉｌ（商標）のような黒鉛合成材
・イオン交換膜
・濾過膜
・分離膜
・マイクロ構造の拡散ミキサ
・ヒータ
・触媒
・電気導体
・適当なプロセスにより多孔性にした材料の層、孔部は所望の特性を有する他の材料で充填することができる。
【００６５】
・熱導体、または
・これらの組合せ。
デラウェア州ウィルミントン所在のＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ社が販売しているＮａｆｉｏｎ（商標）は、実行できるイオン交換膜の一例である。
【００６６】
単位反応装置１００は、第１の凹部１０６及び第２の凹部１０８を有する。第１の凹部１０６は、第１及び第２の処理層（１０２及び１０４）の間に形成される。第２の凹部１０８は、２つの単位反応装置１００が相互に隣接して配置された場合に形成される。第２の凹部１０８は、一方の単位反応装置１００の第２の処理層１０４と、隣接する単位反応装置の第１の処理層１０２の間に形成される。各単位反応装置１００は、第１の周辺バリア１１０及び第２の周辺バリア１１１を含む。第１の周辺バリア１１０は、第１の処理層１０２上に位置していて、第２の凹部１０８を形成する。第１の周辺バリア１１０は、第２の凹部１０８へ反応物を導入するための適当な通路が形成される場合には、第２の凹部１０８を任意に完全に囲むことができる。
【００６７】
同様に、第２の周辺バリア１１１は、第２の処理層１０４上に位置することができ、第１の凹部１０６を形成する。第２の周辺バリア１１１は、第１の凹部１０６へ反応物を導入するための適当な通路が形成される場合には、第１の凹部１０６を任意に完全に囲むことができる。
【００６８】
第１及び第２の凹部１０６及び１０８は、反応物が反応物プレナムから処理層に移動するための経路を形成する。第１の凹部１０６は反応装置構造の第１の面２４（図２）と連絡し、第２の凹部１０８は、反応装置構造の第２の面２９と連絡する。
【００６９】
動作中、反応物は、反応物プレナムから単位反応装置の対応する凹部に移動し、処理層と接触する。ある実施形態の場合には、凹部内への反応物が移動するための唯一の搬送機構は拡散である。他の実施形態の場合には、対流及び強制的な流れのような他の搬送機構により拡散を強化することができる。反応物を凹部１０６及び１０８内に移動するためにポンプ及び／またはブローワ（図示せず）を設置することができる。凹部１０６及び１０８は、材料で充填することもできるし、処理層への反応物の分配を助けるように構成することもできる。凹部への反応物の流れを強化するために、及び／または凹部からの反応副産物の流れを強化するために、マイクロ構造を凹部のうちの少なくとも一方内に埋め込むことができる。
【００７０】
第１の処理層１０２は、第２の処理層１０４とは異なるプロセスを実行することができる。例えば、第１の処理層は電解質であってもよいし、第２の処理層は電気導体を含むことができる。
【００７１】
単位反応装置１００が単位燃料電池である場合には、少なくとも１つの処理層は、第１及び第２の凹部間のイオンの搬送を容易にするために、イオン伝導性処理層でなければならない。そうしたい場合には、少なくとも１つの処理層を、単位燃料電池間で電子を搬送するために電子を伝導することができるようにすることができる。電子伝導性処理層は、電子伝導性材料から作ることもできるし、別の方法としては、多孔性領域を非多孔性導電性材料で充填することにより導電性にすることができる。イオン伝導性処理層は、Ｎａｆｉｏｎ（商標）のようなイオン導体から作ることができる。別の方法としては、フレーム材料は、多孔性領域をイオン伝導性にするＮａｆｉｏｎ（商標）で充填された多孔性領域を含むポリエチレンのような絶縁材料から作ることができる。電子伝導性及びイオン伝導性処理層の一方または両方をフレームに内蔵させることができる。
【００７２】
単位燃料電池は、前面及び裏面を含む。第１の凹部は酸化剤プレナムと連絡していて、第２の凹部は燃料プレナムと連絡している。燃料及び酸化剤は、搬送され、処理層と接触することができる。処理層は、凹部を電気化学的活性材料により充填することにより形成することができるアノード及びカソードを有する。電気は燃料電池の反応により発生する。電気は層構造内の導電性通路を通して燃料電池から搬送される。反応の副産物として水及び熱が発生する。水は凹部から反応物プレナムに戻る。熱は物理的構造から発散する。
【００７３】
各単位反応装置は、１つまたは複数のフレームから作ることができる。図８〜図１０は、例示としてのフレームを示す。フレームは、周辺バリア及び処理層の両方として機能することができる。フレームは、処理層及び周辺バリアとして望ましい特性を有する１つの材料から作ることができる。フレームは、一体に形成することができる。
【００７４】
図８は、１つのフレーム１２２を含む単位反応装置１２０の分解斜視図である。フレーム１２２は、処理層１２４として機能することができ、また、形成された第１の凹部１２６を形成する周辺バリア１２５を設ける。単位反応装置１２０は、燃料電池、電解セル、
または何らかの他のタイプの反応装置として構成することができる。複数のこのような単位反応装置を組み立てて、反応装置を形成することができる。単位反応装置１２０は、フレーム１２２に隣接する第２の凹部１２９を形成するために、フレーム１２２に組み立てることができる処理層１２７及び周辺バリア１２８を含む。
【００７５】
図９は、２つのフレーム１３２，１３４から構成されている単位反応装置１３０の分解斜視図である。各フレーム１３２，１３４は、処理層１３３及び周辺バリア１３５の両方を提供する。周辺バリアは、形成された凹部１３６，１３７を形成する。この実施形態の場合には、２つの処理層は異なる機能を有することができる。例えば、フレーム１３２の処理層は導電性であり、フレーム１３４の処理層は絶縁性であってもよい。単位反応装置１３０は、燃料電池として、電解セルとして、またはある他のタイプの反応装置として構成することができる。反応装置は、一緒に組み立てた複数の単位反応装置１３０を含むことができる。
【００７６】
単位反応装置１３０を燃料電池として使用する場合には、好適には、フレーム１３２，１３４の少なくとも一方をイオン伝導性にすることが好ましい。フレームをイオン伝導性材料から形成することにより、またはそうしなければ非イオン伝導性であるフレームの一部をイオン伝導性にすることによりそうすることができる。フレーム１３２、１３４のうちの一方を電子伝導性にし、他方をイオン伝導性にすると好都合である。電子伝導性フレームは、電子伝導性材料から作ることもできるし、別の方法としては多孔性領域を非多孔性導電性材料で充填することにより導電性にすることができる。イオン伝導性フレームは、Ｅ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ社が販売しているＮａｆｉｏｎ（商標）のようなイオン導体から作ることができる。フレームを作るためにＮａｆｉｏｎ（商標）のような電解質を使用する場合には、フレームの周辺バリアも電解質から作ることができる。別の方法としては、フレームは、この領域をイオン伝導性にするＮａｆｉｏｎ（商標）のような電解質で充填された多孔性領域を含むポリエチレンのような絶縁材料から作ることができる。フレームは、同じ材料から作ることもできるし、各フレームを異なる材料からつくることもできる。
【００７７】
図１０は、処理層１４４、第１の凹部１４６及び第２の凹部１４８を形成するフレーム１４２を有する単位反応装置１４０の斜視図である。各凹部１４６、１４８は、対応する一体型周辺バリア１４７，１４９により囲まれている。単位反応装置１４０を提供するために、フレーム１４２を第２の処理層１５０に結合することができる。単位反応装置１４０は、燃料電池として、電解セルとして、またはある他のタイプの反応装置として構成することができる。
【００７８】
第１の凹部１４６は、フレーム１４２の第１及び第２の表面１５１及び１５２上に開いている。表面１５１への開口は浅い。この開口部の斜視図から見て、凹部１４６のアスペクト比は小さい。表面１５２上への開口部の高さは低い（この高さは周辺バリア１４７の高さで決まる）。この高さは、表面１５２から測定した場合、凹部の深さよりかなり小さい。この開口部の斜視図から、凹部１４６のアスペクト比は大きい。
【００７９】
同様に、第２の凹部１４８はフレーム１４２の第３及び第４の表面１５３及び１５４上に開いている。表面１５３への開口は浅い。この開口部の斜視図から見て、凹部１４８のアスペクト比は小さい。表面１５４上への開口部の高さは低い（この高さは周辺バリア１４９の高さで決まる）。この高さは、表面１５４から測定した場合、凹部の深さよりかなり小さい。この開口部の斜視図から見て、凹部１４８のアスペクト比は大きい。
【００８０】
単位反応装置１４０を燃料電池として構成する場合には、各単位セルは、１つまたは複数のイオン伝導性処理層を含む。これらの処理層は、適当な電解質を含むことができる。
凹部のうちの１つまたは複数は、少なくとも１つのアノードを形成している第１の触媒を含む。１つまたは複数の他の凹部は、少なくとも１つのカソードを形成している第２の触媒を含む。アノード及びカソードは、電解質の一方の側面上に配置される。フレーム１４２は単位燃料電池を分離し、２つの周辺バリア１４７，１４９を形成する。反応装置を形成するために、複数の単位反応装置１４０を一緒に組み立てることができる。
【００８１】
フレームは、基板材料を打ち抜き、エンボッシング、切除、機械加工、成形、鋳込み、ウォータ・ジェット切断、または他のガウジング、または化学エッチングすることにより作ることができる。また、フレームは、適当な接着剤、溶接、拡散接着または他のプロセスにより複数の部材を一緒に取り付けることにより作ることもできる。フレームを作ることができる通常の材料は、ステンレス鋼、Ｎａｆｉｏｎ（商標）、合成材、金属を充填した合成材、電解質を充填した合成材、またはこれらの組合せから作ることができる。フレームの一部を１つまたは複数の反応物または製品による反応に選択的に多孔性にすることができる。
【００８２】
部品の数を少なくするために、フレームは１つの部材からできている構造であると有利である。反応装置を組み立てる場合に、別々の密封部及び処理層を整合するよりも、１つの部材からなるフレームを整合する方が簡単である。そうすれば、化学反応装置を製造するためのコストを低減し、所要時間を短縮することができる。さらに、また、化学反応装置が１つの部材からなるフレームからできていると、異なる材料を相互に接着する必要がなくなる。それ故、このようなフレームで組み立てた化学反応装置は、よりよい統合性を有し、もっと多くの部材を必要とする構成で作られた反応装置と比較すると保守問題が低減する。
【００８３】
図８〜図１０のいずれかに示す凹部、または本明細書に記載する他の反応装置のいずれか内の凹部は、凹部内への反応物の搬送または凹部からの反応副産物の除去を助けるために、１つまたは複数の材料で全体をまたは一部を充填することができる。また、反応装置
の反応または他の機能を助けるために、種々の材料を凹部内に導入することができる。本発明の通常の実施形態の場合には、ガス拡散材料は凹部のうちのあるものまたは全部に導入される。ガス拡散材料は電極を含むことができる。ガス拡散電極は、１つまたは複数の多孔性層及び１つまたは複数の触媒層を含むことができる。好適には、処理層に隣接して位置することが好ましい触媒層は、界面に現われる反応物によりアノードまたはカソードを形成する。いくつかのまたはすべての凹部の少なくとも一部を、反応装置の機能を促進するために触媒または触媒を内蔵する材料で充填することができる。カナダ、ノース・バンクーバ所在のＡｎｇｓｔｒｏｍ  Ｐｏｗｅｒ社が販売している多孔性媒体のような多孔性媒体を、ガス拡散媒体として使用することができる。ある燃料電池の実施形態の場合には、凹部は多孔性媒体でほぼ完全に充填される。ある場合には、燃料電池または凹部内に位置する多孔性媒体を必要とする他の反応装置は、凹部を有する場合、またはそのうちのいくつかが少量の多孔性材料を含んでいる場合に、うまく機能する。例えば、ある凹部においては、多孔性媒体は、凹部の容積の５％しか占めていないが、それでも必要な機能を発揮する。
【００８４】
図１１，１２は、化学反応装置のフレーム内の少なくとも一部を形成しているプレナムを有する化学反応装置を示す。図１１は、燃料電池であってもよい化学反応装置１６０の断面図である。この図は、化学反応装置１６０の２つの単位反応装置１６２，１６４を示す。各単位反応装置の一部は、フレーム１６５により形成されている。処理層１６６は隣接するフレーム１６５の各ペア間に位置する。図１１は、３つのフレーム１６５Ａ，１６５Ｂ，１６５Ｃ内に埋め込まれている反応装置プレナム１６８の一部を示す。プレナム１６８を凹部１７０に接続している通路１６９は、フレーム１６５内に形成されている。凹部１７０は、凹部１７２の代わりをする。凹部１７２は開口部１７４によりプレナムまた
は環境と連絡している。各処理層１６６は凹部１７０と凹部１７２との間に位置する。化学反応装置１６０の一方の側面上に共通のプレナム（例えば、プレナム１６８）を形成することにより、他の反応物プレナムを環境に開いたままで非制御状態で、ある反応物を化学反応装置１６０内に有利に設けることができる。化学反応装置１６０が燃料電池である場合には、好適には共通のプレナム１６８は燃料プレナムであることが好ましい。
【００８５】
チャンバを通して反応物の流れを強制的に供給したい場合には、同じ凹部に適当な通路により２つの反応物プレナムを接続することができる。次に、反応物は凹部を通してあるプレナムから他のプレナムへ循環することができる。
【００８６】
化学反応装置１６０が燃料電池である場合には、好適には、共通のプレナム１６８は、燃料プレナムであることが好ましい。燃料電池においては、処理層１６６は、イオン伝導性のものであってもよいし、フレーム１６５によって設けられる処理層１６７は導電性であってもよい。
【００８７】
図１２は、２つの単位反応装置１８２Ａ，１８２Ｂ（集合的に単位反応装置１８２と呼ぶ）を含む化学反応装置１８０の一部を示す。反応装置１８０は、例えば、燃料電池であってもよい。各単位反応装置１８２は、２つの反応装置フレームを含む。反応装置１８２Ａは、フレーム１８４Ａ，１８５Ａを含む。反応装置１８４Ｂは、フレーム１８４Ｂ，１８５Ｂを含む。第１及び第２の反応物プレナム１９０，１９２はフレーム１８２内に位置する。通路１９４は、第１の反応物プレナム１９０を凹部１９８に接続し、一方、通路１９５は第２の反応物プレナム１９２を凹部１９９に接続する。
【００８８】
図１２も、単位反応装置のフレーム１８４，１８５上に位置する周辺バリア２００，２０１がある寸法の高さと幅を有することを示す。周辺バリア２００，２０１は、それぞれ高さＨ３，Ｈ４を有する。好適には、高さの寸法は約１００ナノメートル〜約１０ミリメートルの範囲であることが好ましい。高さの寸法Ｈ３，Ｈ４は、それぞれ凹部１９８，１９９の高さを決定する。周辺バリア２００，２０１は、それぞれ幅Ｗ１，Ｗ２を有する。好適には、幅の寸法は、約１０ナノメートル〜約５ミリメートルの範囲内であることが好ましい。ある実施形態の場合には、周辺バリア２００，２０１の幅を変えることができ、周辺バリアのある部分の幅を狭く、周辺バリアの他の部分の幅を広くすることができる。周辺バリアの幅を狭くすることにより、フレームと隣接する構造との間の密封状態を強化することができる。非常に狭い周辺バリアは、隣接する構造に食い込むことができる。
【００８９】
本発明による反応装置内の処理層は、必ずしも平らでなくてもよいし、ほぼ平らであってもよい。図１３は、例えば、処理層が波状になっている燃料電池であってもよい単位反応装置２２０の分解斜視図である。波状の処理層は平らではない。波状の処理層は、例えば、正弦波や、アークの形をしてもよいし、または他の何らかの方法で凹凸状の形をしていてもよい。ある処理層は波状であってもよいし、他の処理層は平らであってもよい。波状の処理層を使用することにより、処理層の活性表面積が広くなり、それにより化学反応装置の容積が増大する。
【００９０】
単位反応装置２２０は、処理層２２２，２２４を有する。第１及び第２の波状凹部２２６，２２８は、処理層２２２，２２４に隣接して形成されている。凹部２２６，２２８は、波状の第１及び第２の周辺バリア２３０，２３２により囲まれている。
【００９１】
好適には、各周辺バリア２３０，２３２は、フレームを形成するために、処理層２２２，２２４のうちの１つに取り付けるか、この処理層と一体に形成することが好ましい。図１３Ａは、波状の処理層２２２及び波状の周辺バリア２３０を有するフレーム２３６を示す。周辺バリア２３０，２３２は、両方とも処理層２２２，２２４の同じものに取り付け
ることもできるし、これら処理層と一体に形成することもできるし、またはそれぞれ処理層２２２，２２４の異なるものに取り付けることもできるし、これら処理層と一体に形成することもできる。
【００９２】
図１４は、機械的固定具２４２により一緒に保持されている化学反応装置２４０の立面図である。化学反応装置２４０内の各単位反応装置は、２つ以上のフレームから形成することができる。反応装置２４０は、フレーム２４６間に処理層２２４を含む。化学反応装置を形成する目的で、単位反応装置を接続するために使用することができる機械的デバイスのいくつかの例としては、スナップ・フィット接続、機械的クリップ２４２（図１４に示す）、タイ・ロッド、接着剤、テープ、外部圧着バンド、キー及びこれら機械的デバイスの組合せ等がある。本発明のある実施形態の場合には、反応装置フレームは、隣接する反応装置フレーム上の対応する凹み内に収容される、反応装置フレーム上に１つまたは複数の突起を形成することにより一緒に保持される。突起と凹みはフレーム材料から形成することができ、フレームに取り付けることができる。各単位反応装置上のフレームは、他の単位反応装置に対応するように形成することができる。
【００９３】
図１５は、フレーム２５２からできているバイポーラ燃料電池層２５０の簡単な断面図である。層２５０は、２つの単位燃料電池（２５４Ａ，２５４Ｂ、全体的に２５４）を含む。各単位燃料電池２５４は、イオン伝導性の１つの処理層２５６及び電子伝導性の１つの処理層２５７を含む。
【００９４】
バイポーラ構成においては、図１５に示すように、多孔性導電性層２６０が、触媒層２６２（それぞれ２６２Ａ，２６２Ｂ，２６２Ｃ，２６２Ｄで示す）を電子伝導性処理層２５７に電気的に接続している。触媒層２６２は、それぞれ隣接するイオン伝導性処理層２５６に直接接続している。多孔性層２６０は均一な処理能力を有するものでもよく、またはそうしたい場合には、異なる多孔性材料の２つ以上の層から作ることもできる。図の実施形態の場合には、各多孔性層２６０は多孔性材料の２つの異なる層２６０Ａ，２６０Ｂからできている。多孔性層２６０は、隣接する単位燃料電池の電極間を通して電流を流すことができる。燃料２６３は、燃料電池２５０の一方の側面から導入され、酸化剤２６４は燃料電池２５０の他方の側面から導入される。
【００９５】
図１６は、フレーム２７２からできている燃料電池２７０を示す簡単な断面図である。燃料電池２７０は、縁部を集めるように接続している２つの単位燃料電池２７２Ａ，２７２Ｂを含む。処理層２７５はイオン伝導性である。触媒層２７６Ａ，２７６Ｂは、２つの同じ極性の電極２７８Ａ，２７８Ｂを形成するために処理層２７５に隣接している。同じ極性の電極２７８Ａ，２７８Ｂに流入し、これら電極から流出する電流は、少なくとも１つの多孔性導電性層２８０を通過する。多孔性導電性層２８０を通る電流の流れは、縁部集中ユニポーラ燃料電池層を形成する。
【００９６】
図１７は、燃料電池２８５が電気機器２８６に電力を供給するために使用される実施形態を示す。燃料電池２８５は、それぞれが電解質の１つまたは複数の処理層２８９を含む多数の単位燃料電池２８８を備える。フレームは、処理層２８９の各側面上に凹部２９０，２９１を形成する。１つまたは複数の凹部２９０はカソード２９３を形成している第１の触媒２９２を含む。凹部２９１は、アノード２９４を形成している第２の触媒２９３を含む。アノード２９４及びカソード２９３は、電解質処理層２８９の対向側面上に配置される。１つまたは複数の反応物プレナムは酸化剤２９５を含み、他方の反応物プレナムは燃料２９６を含む。アノード２９４及びカソード２９３は、電気機器に接続していて、電力を供給する。
【００９７】
本発明による燃料電池が電力を供給することができる電気機器の例としては、航空機エ
レクトロニクス、車両エレクトロニクス、レーザ・ポインタ、携帯電話、無線電話、プロジェクタ、テレビジョン、コンパクト・ディスク・プレーヤ、ＤＶＤプレーヤ、ラジオ、フラッシュライト、デジタル・カメラ、デジタル画像形成装置、デジタル画像視認装置等がある。
【００９８】
図１８Ａ〜図１８Ｆは、本発明の特定の実施形態による燃料電池であってもよい化学反応装置３００の構成要素を示す。反応装置３００は、処理層３０４とインタリーブしている複数のフレーム３０２を含む。好ましい実施形態の場合には、フレーム３０２は、例えばステンレス鋼からできている導電性フレームであり、処理層３０４は電解質膜である。処理層３０４は、処理層の一方の側面上の活性領域上に堆積されている触媒（図示せず）の層を有する。
【００９９】
図１８Ａ，１８Ｆに明確に示されているように、フレーム３０２及び処理層３０４はその中にアパーチャを有する。アパーチャは、反応装置３００を通して延びるプレナム３０５Ａ，３０５Ｂを形成する。各フレームの外部３０８は、反応装置３００の活性領域が位置する中央スラブ３１０用の物理的支持体である。外部領域３０８は、また、反応装置３００の動作により発生した熱を吸収することができる。
【０１００】
反応装置３００は、フレームが反応装置の組立て中に相互にフレームを正しく整合するために使用することができる整合機能を含むことができる。図の実施形態の場合には、整合機能は、孔部３１２Ａ，３１２Ｂを含む。孔部３１２Ａ，３１２Ｂは、反応装置３００を組み立てている際に、フレーム３０２及び処理層３０４を整合するために使用することができる。孔部３１２Ａ，３１２Ｂを貫通する固定具は、化学反応装置３００を装着するために、及び／または処理層３０４及びフレーム３０２を一緒に圧着するために任意に使用することができる。反応装置の組立て中のフレームの整合を容易にするために、ノッチ、凹み、突起などのような他の整合機能をフレーム上に形成することもできる。
【０１０１】
図１８Ｃ、１８Ｅに明確に示されているように、各フレームは、プレナム３０５Ａと連絡している凹部３１５Ａ、及びプレナム３０５Ｂと連絡している凹部３１５Ｂを設ける。凹部３１５Ａ，３１５Ｂは、フレーム３０２の対向側面上に位置する。凹部３１５Ａ，３１５Ｂは、プレナム３０５Ａ，３０５Ｂの間を延びるフレーム３０２の一部３１６内に位置する。凹部３１５Ａ，３１５Ｂは、反応物が凹部内の触媒を含む領域に移動することができるように、多孔性導電性材料で充填される。多孔性導電性材料は、フレームと触媒を含む領域間に電子が通ることができる経路を形成する。燃料はプレナム３０５Ａ，３０５Ｂの一方に導入することができ、一方、酸化剤はプレナム３０５Ａ，３０５Ｂの他方に導入される。
【０１０２】
それぞれが燃料プレナムと酸化剤プレナムとの間に位置する、複数の中央スラブ３１０を形成するフレームを設けることができる。各スラブ３１０は、相互に直列に接続している多数の単位燃料電池を含むことができる。異なるスラブ３１０の燃料電池は、導電性フレームにより他のスラブ３１０の燃料電池に並列に電気的に接続することができる。
【０１０３】
本発明は、燃料電池の他に適用反応装置タイプを含む。例えば、本発明による化学反応装置は、処理層のうちのいくつかの一方の側面上にアノード及びカソードを形成し、電気化学的活性材料で凹部の少なくとも一部を充填することにより電解質電池を提供するように構成することができる。反応物プレナムは、電解槽内に搬送され、処理層のところでアノード及びカソードと接触する水で充填することができる。電解質反応は、水を水素と酸素に分解するために電気的エネルギーを使用する。水素及び酸素が電極のところで形成され、対流、拡散、圧力勾配または他の搬送プロセスにより反応物プレナムに送り返される。
【０１０４】
本発明による反応装置は、反応装置内の処理層を横切って反応物または１つまたは複数の反応物の属性を搬送するように構成することができる。処理層（フレームの処理層または別の処理層）を通過することができる属性は下記のものを含む。
【０１０５】
・イオン電荷（例えば、イオン電荷は、燃料電池内の電解質処理層を通過することができる）
・熱（熱交換器として使用した場合）
・水分（加湿器として使用した場合）
・圧力（液体からガスを拡散することができるガス透過性膜と一緒に使用した場合）
・濃度（材料が第１の濃度を有するある物質から材料が異なる濃度を有する他の物質に材料を搬送するために使用した場合）
・電荷
・他の類似の物理的特性
本発明による反応装置内で処理することができる反応物の例としては下記のものがある。
【０１０６】
・燃料
・水
・酸化剤
・ワイン、ジュース、及び粒子を含む液体のような飲料
・メタノール、エタノール、ブタノール及び蟻酸のような液相炭化水素
・プロパン、ブタン、メタン、及びこれらの組合せのような気相炭化水素
・チーズ製品のホエー、チョコレートをベースとする液体のような食品、及び最初は液体で後で固体になる食品
・反応装置内で発生する反応副産物、及び
・これら材料の組合せ。
【０１０７】
反応装置は、熱伝導性処理層を提供することにより熱交換器として動作するように構成することができる。使用できる熱導体としては、金属シートまたはフォイルまたはＴｅｃｈ  Ｆｉｌｍ社が販売しているような熱伝導性エポキシ接着フィルム等がある。このような反応装置は、第１の反応物プレナムから第２の反応物プレナムに大量の熱を伝達することができる。例えば、熱を、一方の側面上の約９０℃のような高温の温水から他方の側面上の約２０℃のような温度の冷水に伝達することができる。
【０１０８】
マイクロ構造の拡散ミキサとして構成されている処理層を形成することにより、分離膜を使用しなくても拡散により液体を一方の凹部から他方の凹部に搬送することができる。マイクロ構造の拡散ミキサは、ワシントン州シアトル所在のＭｉｃｒｏｎｉｃｓから入手することができる。マイクロ構造の拡散ミキサは、細いチャネルを有する。チャネルを通して液体を圧力により送ることができる。マイクロ構造の拡散ミキサの１つの用途としては血液試験がある。このようなミキサは、試験用液体を血液で汚染しないで、血液内に試験用液体を導入するために使用することができる。
【０１０９】
本発明のある実施形態の場合には、１つまたは複数の処理層上にヒータが設置されている。本発明による反応装置での使用に適しているヒータのタイプとしては、コネチカット州スタンフォード所在のＯｍｅｇａ社が販売しているような薄膜抵抗性ヒータがある。
【０１１０】
本発明のある実施形態による反応装置は触媒を含む。このような反応装置で使用することができると考えられる触媒の例としては、下記のものがある。
・英国のＭａｓｔ  Ｃａｒｂｏｎ社のＮｏｖａｃａｒｂ（商標）のような無機炭素触媒
。
【０１１１】
本明細書に記載する実施形態は機能の種々の組合せを有する。これらの実施形態は、例示としてのものに過ぎない。本明細書に記載するいくつかの実施形態の機能は、本発明の他の実施形態を形成するために組み合わせることができる。例えば、通常、上記実施形態の任意のものに記載する構造は、上記の異なるタイプの触媒、処理層、拡散材料の任意のものをサポートすることができる。特定の反応装置の構造で使用する機能の特定の組合せは、反応装置の使用目的により異なる。
【０１１２】
反応装置の他に、本発明は反応装置を製造するための方法を提供する。高アスペクト比の凹部を多孔性拡散媒体のような材料で充填するのが難しい場合がある。凹部の高さが非常に低い場合には（すなわち、図１Ａに示すように、寸法Ｈ１またはＨ２が小さい場合には）、特に難しい。本発明のある実施形態による方法は、反応装置を形成するためのフレームがまだ組み立てられていない時に、フレームにより形成されている凹部を充填するステップを含む。凹部はその広く開口している面を通して充填される。それ故、凹部を、多孔性拡散媒体、触媒、及び／または凹部内に位置することが好ましい任意の他の材料で比較的簡単に充填することができる。反応装置を形成するためにフレームを組み立てた場合、凹部の広く開口している面は、他のフレームまたは処理層により塞がれる。
【０１１３】
図１９は、フレーム及び高アスペクト比の凹部を含む化学反応装置を製造するための方法４００を示すフローチャートである。方法４００は、ステップ４０２でフレームを提供することによりスタートする。フレームは処理層及び周辺バリアを含む。周辺バリア及びフレームは凹部を形成する。図１９Ａは、凹部４１５を形成する処理層４１２及び周辺バリア４１４を有する簡単なフレーム４１０を示す。凹部４１５の深さＨは周辺バリア４１４の高さＨにより決まる。凹部４１５は低アスペクト比の凹部である。すなわち、Ｈは、凹部４１５の広く開口している面の最小寸法より有意に小さい。図の実施形態の場合には、Ｈは寸法Ｄ及びＷのいずれかよりかなり小さい。好適な低アスペクト比は、Ｈに対するＤの比率が１より大きいアスペクト比である（Ｗは通常Ｄよりかなり大きく、そのため好ましい実施形態の場合には、Ｈに対するＷの比率も１より大きい）。
【０１１４】
１つの材料からフレームを形成することにより、または２つ以上の部材からフレームを組み立てることによりフレームを形成することができる。例えば、フレームを下記の方法で製造することができる。
【０１１５】
・処理層に適当なバリア材料から前もって形成することができる周辺バリアを取り付けることにより；
・周辺バリア及び処理層の両方を使用するのに適している特性を有する材料を、処理層と周辺バリアの両方を含む形に成形することにより；
・処理層上に周辺バリアを形成することにより；または
・周辺バリアを含み、処理層を形成したいところに開口部を有する部材を設け、開口部内に処理層を形成するか、または開口部を横切って予め形成した処理層を取り付けることにより。
【０１１６】
フレームとして使用するための材料を整形するステップは、切除、エッチング、打ち抜き、印刷、フライス加工、ダイ切断、成形、鋳込み、水ジェット、射出成形または基板上への材料の堆積により材料を形成するステップを含むことができる。材料は、長方形、正方形、円筒形、三角形、八角形、五角形、凹凸形状、他の角柱形状を含むフレームに必要な任意の形状に形成することができる。ある実施形態の場合には、この形状は、組み立てた反応装置内に１つまたは複数のプレナムを形成する１つまたは複数の中央アパーチャを含む。
【０１１７】
フレームは、電解質のブロックを所望の形に成形または打ち抜くことにより電解質から作ることができる。フレームは、特定の領域内をプロトン伝導性にすることにより電解質機能を持たせた非導電性材料から作ることができる。金属からできているフレームを、電池の一部を分離するために使用することができる。非導電性材料から作られていて、後で導電性経路を有するように形成されるフレームは、相互から分離する機能を提供することができる。
【０１１８】
ある場合には、フレームを形成するステップは、基板上に適当な前駆物質を堆積するステップを含む。この方法と一緒に使用することのできる前駆物質のタイプとしては下記のものがある。
【０１１９】
・電解質
・イオン交換膜（プロトン交換膜であってもよい）
・濾過膜
・分離膜
・マイクロ構造の拡散ミキサ
・ヒータ
・触媒、電気導体
・熱導体
・ポリマーのマイクロ構造
・ポリマーの充填されたマイクロ構造
・充填されたエポキシ合成材
・充填された黒鉛合成材
・充填された金属合成材
・プラスチック、または
・他の類似の材料。
【０１２０】
前駆物質が堆積される基板は、ポリアミド、類似のナイロン、ナイロン６またはナイロン６，６、ポリエチレンまたはポリテトラフルオロエチレンのような解放層であってもよい。基板は、もう１つのフレーム、もう１つの単位反応装置、単位反応装置の一部（フレーム、または充填されたまたは部分的に充填された低アスペクト比の凹部を含む単位反応装置の一部など）、または燃料電池であってもよい。
【０１２１】
図２０Ａ，２０Ｂは、処理層４１２に周辺バリア４１４を追加することによるフレーム４１０の形成を示す略図である。処理層に周辺バリアを接合するステップは、溶接、接着、締付け、ネジ止めで行うことができ、そうでない場合には、処理層に周辺バリアを係合することにより行うことができる。
【０１２２】
例えば、多孔性媒体のような材料は、ステップ４０３中に凹部４１５に任意に導入される。そうしたい場合には、材料のいくつかの層をステップ４０３中の凹部４１５に順次導入することができる。図２０Ｃ，２０Ｄは、フレーム４１０の凹部４１５内への材料の２つの層４１９Ａ，４１９Ｂの導入を示す。層４１９Ａ、４１９Ｂの材料は、異なる特性を有することができる。例えば、層４１９Ａは触媒を含むことができ、一方、層４１９Ｂは触媒を含んでいないか、または少量の触媒しか含んでいない。異なる方法で凹部４１５内の処理層４１２の表面上に、１つの材料または２つ以上の異なる材料をプレナム的に分配することができる。例えば、１つの材料を処理層の周辺の回りに堆積し、一方、異なる材料を処理層の中央領域上に堆積することができる。任意の種々様々な使用できるプロセスにより、凹部４１５内に層４１９Ａ，４１９Ｂを比較的簡単に導入することができる。何故なら、凹部４１５の広い開口側面４２０を通して層を導入することができるからである
。開口部４２０の場合には、凹部４１５は低アスペクト比の凹部である。
【０１２３】
凹部内に材料を導入するステップを含む実施形態の場合には、材料を凹部内に挿入される予め形成された量の材料として供給することもできるし、または材料を凹部内で形成することもできる。材料の複数の層を凹部内に導入することもできるし、凹部内で形成することもできる。材料は、下記のプロセスを含む任意の適当な堆積プロセスにより凹部内に導入することができる。
【０１２４】
・スプレーイング
・鋳込み
・注射器による注入
・圧縮成形
・シルク・スクリーニング
・拡張
・印刷
・インク・ジェット等。
【０１２５】
反応装置が、燃料電池または触媒の存在を必要とするまたは所望する他の反応装置である場合には、触媒がフレーム内にまだ存在していない場合に触媒をステップ４０３で導入することができる。
【０１２６】
ステップ４０６において、高アスペクト比の凹部を設けるために、フレームがフレームの開いている側面４２０を閉ざしている隣接する部分と組み立てられる。図２０Ｅは、フレーム４１０の開いている側面４２０を閉鎖するための処理層４２２の導入を示す。ステップ４０６は、フレーム４１０を反応装置に組み込むステップを含むことができる。ステップ４０６は、別の方法として、中間組立体を形成するためにフレーム４１０を隣接する部分に組み込むステップを含むことができる。次に、反応装置を形成するために、多数の中間組立体をできれば他の部材と一緒に相互に組み立てることができる。
【０１２７】
ステップ４０６は、適当な接着剤によりフレーム４１０を処理層４２２または他の隣接する部分に組み込むステップを含むことができる。
処理層４２２を正しい位置に設置した後で、開口部４２５を通して凹部４１５にアクセスすることができる。開口部４２５の小さな寸法Ｈは、開口部４２０の寸法ＤまたはＷより遥かに小さい。開口部４２５の場合には、凹部４１５は高アスペクト比の凹部である。すなわち、Ｄに対するＨの比率は１より小さい。
【０１２８】
ステップ４０２、４０６、及び存在する場合には４０３は、反応装置が所望の数の層を含むまで反復して行われる。
ステップ４０８において、反応物プレナムが凹部と流体により連絡する。そうしたい場合には、フレームを反応装置に組み込む前に、フレームの他に２つ以上のフレームまたは１つまたは複数の処理層を含むことができる中間組立体にフレームを組み立てることができる。中間組立体は、フレームの他に、２つ以上のフレームまたは１つまたは複数の処理層を含むことができる。フレームは、中間組立体の組立て作業の一部として、または中間組立体を反応装置に組み込む際に、隣接部分に組み込むことができる。コンパクトな化学反応装置を形成するために、２〜１００，０００の中間組立体が結合される。
【０１２９】
中間組立体を形成する場合、中間組立体は、例えば、（ｉ）処理層、周辺バリア及び少なくとも１つの低アスペクト比の凹部を含む少なくとも１つのフレーム、（ｉｉ）処理層、２つの周辺バリア及び第２の処理層上に配置されている少なくとも２つの低アスペクト比の凹部を備える少なくとも１つのフレーム、（ｉｉｉ）少なくとも１つの低アスペクト
比の凹部を含む処理層の一方の側面上に形成されている周辺バリアを含む少なくとも１つの層、または一緒に結合している（ｉ）及び（ｉｉｉ）の組合せを含む。
【０１３０】
好ましい実施形態の場合には、反応装置を組み立てるステップは、それぞれが単位反応装置３０の１／２からなる少なくとも４つの中間組立体を一緒に接続するステップを含む（図１参照）。好ましい実施形態の場合には、コンパクトな化学反応装置は、２つ以上の単位反応装置（例えば、燃料電池であってもよい）を備える。例えば、図８〜図１０いずれかに示す複数の構成要素を、中間組立体を形成するために結合することができる。
【０１３１】
図２１は、中間組立体４４０Ａ，４４０Ｂ，４４０Ｃ（集合的に４４０と呼ぶ）が、それぞれフレーム４４２，４４４及びフレーム間にサンドイッチ状に挟まれている処理層４４３からできている例を示す。フレーム４４２，４４４が同じ材料でできている場合には、異なる中間組立体のフレーム４４２，４４４は、中間組立体を一緒にリンクするために適当な接着剤４４５で一緒に接着することができる。例えば、フレーム４４２，４４４の両方が金属でできている場合には、中間組立体４４０Ｃのフレーム４４２を、適当な導電性接着剤により中間組立体４４０Ｂのフレーム４４４に接着することができる。結果として得られる反応装置をさらに丈夫にするために追加の機械的支持部材を追加することができる。
【０１３２】
中間組立体４４０は、フレーム４４２を１つまたは複数の適当な材料４４７で充填し、フレーム４４４を適当な材料４４８で充填し、開口部４４９，４５０が中間組立体４４０の異なる面に開くように、充填したフレーム４４２，４４４を処理層４４３の一方の側面上に接着することにより形成することができる。
【０１３３】
中間組立体４４０は、相互に機能的に独立しているので、隣接する中間組立体のフレーム４４２，４４４を相互にしっかりと隙間がないように維持する必要はない。電気的に接続し、反応物がフレーム４４２，４４４の間から漏洩しないようにしっかりとした密封状態を形成するだけでよい。
【０１３４】
中間組立体を組み立てるステップを使用する場合には、また反応装置を組み立てるステップは、フレーム及び／または中間組立体を相互に整合するためにフレームの整合機能を使用するステップを含むことができる。
【０１３５】
ステップ４０８は、反応装置を１つまたは複数の反応物プレナムに結合するステップを含む。好ましい実施形態の場合には、反応物プレナムと処理層との間の搬送プロセスを容易にするために２つの反応物プレナムに反応装置が結合される。反応装置が燃料電池である場合には、反応物プレナムの一方は、燃料の供給源に接続しているまたは接続することができる燃料プレナムを含むことができ、一方、他方は周囲雰囲気に開いているかまたは酸化剤の供給源に接続しているか、接続することができる酸化剤プレナムである。
【０１３６】
燃料電池として使用されるコンパクトな化学反応装置の場合には、２つのタイプのフレーム、すなわち電子伝導性フレーム及びイオン伝導性フレームを、燃料電池を形成する際に使用することができる。電子伝導性フレームは、電子伝導性材料から作ることができ、または別の方法としては、多孔性領域を非多孔性導電性材料で充填することにより導電性にすることができる。イオン伝導性フレームは、Ｎａｆｉｏｎ（商標）のようなイオン導体から作ることができる。Ｎａｆｉｏｎ（商標）を使用する場合には、周辺バリアもＮａｆｉｏｎ（商標）から作ることができる。別の方法としては、フレーム材料を、その領域をイオン伝導性にするために、Ｎａｆｉｏｎ（商標）のような電解質で充填された多孔性領域を含むポリエチレンのような絶縁材料から作ることができる。フレームは、同じ材料から作ることもできるし、または各フレームを異なる材料から作ることもできる。
【０１３７】
フレームは、通常部品の数を有利に少なくするために１つの部材からなる構造である。構造が１つの部材からできていると、コンパクトな化学反応装置の単位反応装置の整合が簡単になり、それによりプロセスのコストが安くなり、層状の材料を使用している構造より迅速に組み立てることができる。
【０１３８】
１つの部材からなる構造のフレームを使用することにより、周辺バリア材料を処理層材料に接着するような異なる材料を一緒に接着する余分なステップを使用しなくてもすむようになる。それ故、フレームにより組み立てたコンパクトな化学反応装置の統合性を改善し、複数の構造よりも保守が簡単になる。
【０１３９】
本発明のもう１つの態様は、下記のステップを含む方法を提供する。
・形成することによりまたは他の方法で、少なくとも２つの処理層を設けるステップ、
・少なくとも１つの低アスペクト比の凹部を有する中間組立体を提供するために、周辺バリアを処理層のうちの少なくとも１つの処理層の少なくとも１つの側面上に形成するステップ、
・それぞれが少なくとも１つの低アスペクト比の凹部を有する追加の中間組立体を形成するために、これら２つのステップを反復するステップ、
・高アスペクト比の凹部を含む化学反応装置を形成するために、中間組立体を一緒に結合するステップ、及び
・高アスペクト比の凹部のうちの少なくとも１つと連絡している少なくとも１つの反応物プレナムを設けるステップ。
【０１４０】
本発明の方法は下記の利点を含む種々の利点を有する種々の方法で実施することができることを理解することができるだろう。
・この方法は、従来の構成の化学反応装置と比較した場合、より広い反応物表面領域を有する化学反応装置を形成するために使用することができる。
【０１４１】
・この方法を使用すれば、ミクロな寸法に小型化することができる化学反応装置を製造することができるので、非常にコンパクトな化学反応装置を形成することができる。
・フレームを使用しているので、構成に必要な構成要素の数を少なくすることにより組立方法が簡単になる。
【０１４２】
・コンパクトな化学反応装置を形成するためにフレームを使用しているので、処理層と周辺バリアとの間の整合の精度が向上する。
・中間組立体内に低アスペクト比の凹部が形成されているので、凹部内に活性材料を挿入する作業が非常に簡単になる。
【０１４３】
構成要素（例えば、処理層、触媒、反応物、固定具、組立体、デバイス、回路等）についてはすでに説明したが、別段の指示がない限り、（「手段」への言及を含めて）上記構成要素に言及した場合には、上記構成要素は、上記構成要素の等価物として、本発明の上記の例示としての実施形態の機能を行う開示の構造と構造が同じでない構成要素を含む上記構成要素の機能を行う（すなわち、機能的に等価な）任意の構成要素を含むと解釈すべきである。
【０１４４】
当業者であれば理解することができると思うが、上記説明を読めば、本発明の範囲から逸脱することなしに、本発明を実行する際に多くの変更及び修正を行うことができる。それ故、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に記載する内容により解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明のある実施形態による化学反応装置の断面斜視図。
【図１Ａ】図１の化学反応装置の拡大断面図。
【図１Ｂ】バイポーラ燃料電池として構成されている図１の化学反応装置の拡大断面図。
【図２】平面構造を有する本発明のある実施形態による化学反応装置の斜視図。
【図３】薄い曲線構造を有する化学反応装置を示す概念図。
【図４】単位セルが反応装置の中心軸に平行に配置されていて、円筒状の表面を形成するように配置されている単位反応装置を有する化学反応装置の概念図。
【図４Ａ】図４の化学反応装置で使用することができるフレームの切断斜視図。
【図４Ｂ】図４の化学反応装置で使用することができるフレームの切断斜視図。
【図５】単位セルが反応装置の中心軸に平行に配置されていて、円筒状の表面を形成するように配置されている単位反応装置を有するもう１つの化学反応装置の概念図。
【図６】いくつかの単位反応装置が、他の単位反応装置に対して任意の角度で配置されている表面を形成するように配置されている単位反応装置を有する化学反応装置の斜視図。
【図７】個々の単位反応装置の一部の斜視図。
【図８】１つのフレームを有する単位反応装置の分解斜視図。
【図９】２つのフレームを有する単位反応装置の分解斜視図。
【図１０】２つの凹部を形成するフレームを有する単位反応装置の分解斜視図。
【図１１】１つの埋め込みプレナムを有する電気化学セル・スタックの２つの単位反応装置を通る簡単な断面図。
【図１２】２つの埋め込みプレナムを有する電気化学セル・スタックの２つの単位反応装置を通る簡単な断面図。
【図１３】波状の単位反応装置の分解斜視図。
【図１３Ａ】波状の処理層を有する化学反応装置用のフレームを示す斜視図。
【図１４】機械的固定具と一緒に保持されている反応装置の断面図。
【図１５】バイポーラ状に接続している２つの単位燃料電池を示す燃料電池を通る断面図。
【図１６】縁部を集中するように接続している２つの単位燃料電池を示すユニポーラ燃料電池の簡単な断面図。
【図１７】電気装置に電力を供給する本発明による燃料電池の模式図。
【図１８Ａ】本発明の例示としての実施形態による反応装置の斜視図。
【図１８Ｂ】本発明の例示としての実施形態による反応装置の部分断面図。
【図１８Ｃ】本発明の例示としての実施形態による反応装置の部分断面図。
【図１８Ｄ】本発明の例示としての実施形態による反応装置のフレームの斜視図。
【図１８Ｅ】本発明の例示としての実施形態による反応装置のフレームの断面図。
【図１８Ｆ】本発明の例示としての実施形態による反応装置のフレームの分解図。
【図１９】化学反応装置を製造するための方法を示すフローチャート。
【図１９Ａ】低アスペクト比の凹部を有するフレームを示す斜視図。
【図２０Ａ】本発明のある実施形態による方法により反応装置を製造する際の中間段階を示す断面図。
【図２０Ｂ】本発明のある実施形態による方法により反応装置を製造する際の中間段階を示す断面図。
【図２０Ｃ】本発明のある実施形態による方法により反応装置を製造する際の中間段階を示す断面図。
【図２０Ｄ】本発明のある実施形態による方法により反応装置を製造する際の中間段階を示す断面図。
【図２０Ｅ】本発明のある実施形態による方法により反応装置を製造する際の中間段階を示す断面図。
【図２１】反応装置を形成するために結合される多数の中間組立体を示す断面図。
【図２２】支持構造となるフレームを示す斜視図。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１３Ａ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
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【図１９】
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【図１９Ａ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２１】
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【図２２】
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