JP5567251B2 - 化学反応装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
「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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
・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。
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。
・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。
・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。
・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。
・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。
一例である。
・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。
・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。
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。
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。
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。
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。
・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。
・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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
・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。
・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。
・英国のMast Carbon社のNovacarb(商標)のような無機炭素触媒
。
・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。
・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。
。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。
・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。
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。
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。
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。
・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。
・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。
・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。
・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。
Claims (21)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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