KR20230104661A - 개선된 접촉 압력 분포를 갖는 연료 전지 조립체 - Google Patents

Abstract

본 기술은 연료 전지 스택 내의 연료 전지 구성요소 사이에 접촉 압력 분포를 제공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 이 기술은 연료 전지 스택 내의 연료 전지의 활성 영역을 가로지르는 더 균일한 접촉 압력 분포를 제공하기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 연료 전지 유동장 플레이트 설계 및 연료 전지 스택용 압축 시스템에 관한 것이다.

Description

개선된 접촉 압력 분포를 갖는 연료 전지 조립체

관련 출원(들)에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 11월 6일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "개선된 접촉 압력 분포를 갖는 연료 전지 조립체(Fuel Cell Assemblies with Improved Contact Pressure Distribution)"인 미국 가특허 출원 제63/110,379호에 관련되고 그로부터 우선권 이익을 주장한다. '379 출원은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다.

발명의 분야

본 기술은 연료 전지 스택 내의 연료 전지 구성요소 사이에 유리한 접촉 압력 분포를 제공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 이 기술은 적어도 몇몇 실시예에서, 연료 전지 스택 내의 연료 전지의 활성 영역을 가로지르는 더 균일한 접촉 압력 분포를 제공하기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 연료 전지 유동장 플레이트 설계 및 연료 전지 스택용 압축 시스템에 관한 것이다.

고체 폴리머 연료 전지는 수소 및 산소와 같은 연료로부터 전력과 물을 생산하는 전기화학 디바이스이다. 개별 고체 폴리머 연료 전지는 애노드와 캐소드를 분리하는 이온 교환 멤브레인 전해질을 포함하고, 애노드와 캐소드는 촉매층을 포함한다. 애노드-전해질-캐소드는 일반적으로 전류를 집전하고, 애노드 및 캐소드 촉매층 각각에 대한 연료 및 산화제의 접근을 용이하게 하고, 연료 전지의 동작 중에 형성된 물의 제거를 제공하는 한 쌍의 전기 전도성 반응제 유동장 플레이트 사이에 개재된다. 연료 전지 전극으로의 반응제의 분배를 용이하게 하는 것, 및 스택 내의 개별 전지로부터 생성된 물의 제거에 추가하여, 유동장 플레이트는 또한 열 관리(냉각) 및 전류 집전을 보조한다.

유동장 플레이트는 일반적으로 그 주 표면 중 하나 또는 양자 모두 상에 하나 이상의 개방면(open-faced) 채널을 포함한다. 이들 채널은 일반적으로 입구와 출구 사이에서 연장되지만, 서로 맞물린 채널과 같은 다른 배열이 때때로 사용된다. 일반적으로, 본 명세서에서 가스 확산층(GDL)이라고 칭하는 다공성의 압축성 유체 분배층이 유동장 플레이트와 각각의 전극 사이에 개재되고, 반응제는 다공성 GDL을 통해 플레이트 내의 채널로부터 촉매층에 접근한다. 멤브레인, 애노드 및 캐소드 촉매층과 한 쌍의 GDL은 종종 조합되어 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 형성하는데, 이는 이어서 한 쌍의 유동장 플레이트 사이에 배치되어 개별 연료 전지 조립체를 형성한다.

복수의 연료 전지 조립체가 연료 전지 스택을 형성하기 위해 배열될 수 있다. 압축 조립체는 일반적으로 적층된 배열로 연료 전지를 유지하고, 압축력을 인가하여 적층된 구성요소 사이에 적합한 접촉을 제공하고 스택으로부터 또는 애노드와 캐소드 사이의 유체의 누설을 방지하는 데 사용되는 밀봉부 및/또는 개스킷을 압축하는 데 사용된다.

종래의 연료 전지 유동장 플레이트에서, 활성 영역 내에서 반응제 채널은 일반적으로 그 길이를 따라 일정한 폭(및 단면적)을 갖는다. 유동장 플레이트 상의 채널(또는 채널의 세그먼트) 사이에 있는 리브 또는 지역인 랜딩은 일반적으로 또한 일정한 폭을 갖는다. 이는 일반적으로 직선형 채널을 갖는 연료 전지 및 또한 사행형 채널을 갖는 연료 전지에 대해 해당한다. 때때로 유동장 플레이트 상에 전이 지역이 있다(예를 들어, 입구 및 출구 매니폴드 개구, 또는 입구 및 출구 포트, 및 나머지 유동장 사이).

미국 특허 제7,838,769호 및 미국 특허 제10,686,199호에 설명된 것들과 같은 개선된 연료 전지는 입구와 출구 사이의 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 단면적을 갖는 반응제 채널을 갖는 유동장 플레이트를 가질 수 있다. 다양한 단면적을 갖는 반응제 채널을 포함하는 연료 전지는, 예를 들어 더 균일한 전류 밀도를 제공하는 것, 전체 전류 밀도를 증가시킴으로써 성능을 향상시키는 것 및/또는 활성 영역을 가로지르는 개선된 물 관리 및 반응제 가용성을 포함하여 전통적인 연료 전지 유동장에 비해 여러 장점을 제공할 수 있다. 입구와 출구 사이의 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 단면적을 갖는 반응제 채널을 갖는 유동장 플레이트를 갖는 몇몇 연료 전지에서, 변하는 것은 채널 폭이다.

연료 전지 유동장 플레이트를 설계할 때, 채널 치수 및 채널 기하학 형상의 선택이 중요할 수 있다. 예를 들어, 채널의 간격, 치수 및 기하학 형상과 채널 사이의 랜딩의 치수 및 기하학 형상은 연료 전지 성능 및 내구성에 영향을 미친다. 랜딩 영역은 인접한 GDL과 접촉하는 유동장 플레이트 표면 상의 지역이다. 이들 랜딩 영역은 전류 집전 및 열 관리(예를 들어, 연료 전지 MEA로부터 일반적으로 유동장 플레이트의 후방면과 접촉하여 유동하는 냉각제로의 열의 전도)를 위해 중요할 수 있다. 유동장 플레이트의 랜딩 영역과 GDL 사이의 낮은 접촉 압력은, 이들 구성요소 사이의 전기 접촉 저항 및 열 접촉 저항을 증가시키기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 다른 한편으로, 랜딩 영역과 GDL 사이의 높은 접촉 압력은 치밀화되어 GDL의 다공성을 감소시키고 이에 의해 반응제 접근 및 GDL을 통한 물 제거를 방해할 수 있다. 이는 또한 GDL 또는 MEA를 손상시키거나 기계적 고장을 유발할 수 있고, 그리고/또는 GDL이 유동 채널 내에 침입하게 할 수 있는데, 이는 채널을 따른 압력 강하를 불리하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 무엇보다도, 랜딩 영역과 GDL 사이의 접촉 압력에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 연료 전지 스택 내의 연료 전지에 인가되는 압축력을 선택하는 데 있어서 절충이 이루어진다.

몇몇 실시예에서, 연료 전지 조립체는 적어도 하나의 단위 전지(unit cell)를 포함하고, 여기서 단위 전지는 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 양성자 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 조립체를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 전극은 제1 가스 확산층 및 제1 촉매층을 포함하고, 제2 전극은 제2 가스 확산층 및 제2 촉매층을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 촉매층은 단위 전지의 활성 영역을 형성한다. 몇몇 실시예에서, 단위 전지는 제1 가스 확산 전극에 인접한 제1 유동장 플레이트 및 제2 전극에 인접한 제2 유동장 플레이트를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 유동장 플레이트는 제1 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖고, 제1 유동장 플레이트는 그 제1 표면에 형성된 복수의 제1 채널을 포함한다. 제1 채널의 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리된다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 제1 채널 길이, 및 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖는다. 실질적으로 균일한 압축력이 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하기 위해 단위 전지에 인가되면 또는 인가될 때, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 몇몇 실시예에서, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 연료 전지 조립체가 비동작 상태에 있을 때, 예를 들어 동작 전에 및/또는 비가압되고 그리고/또는 반응제가 공급되지 않을 때 실질적으로 균일하다. 몇몇 실시예에서, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은, 예를 들어 연료 전지가 반응제가 공급되고 있고 전기 부하에 연결될 때, 전력을 발생하기 위한 연료 전지 조립체의 동작 중에 실질적으로 균일하다.

연료 전지 조립체의 제1 양태의 몇몇 실시예에서, 랜딩-채널 폭 비(LCWR)는 제1 채널 길이를 따라 실질적으로 일정하다. 몇몇 실시예에서, 제1 유동장 플레이트의 제1 표면 상의 랜딩 영역 분율(LAF)은 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 몇몇 실시예에서, 제2 유동장 플레이트는 제2 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖고, 제2 유동장 플레이트는 그 제1 표면에 형성된 복수의 제2 채널을 포함한다. 제2 채널의 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리되고, 제2 채널은 제2 채널 길이를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제2 채널은 제2 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖고, 실질적으로 균일한 압축력이 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하기 위해 단위 전지에 인가될 때, 제2 가스 확산층과 제2 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일하다.

연료 전지 조립체의 제1 양태의 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 제1 채널의 전체 길이를 따라 변하는 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 반응제 유동의 방향으로 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 또는 그 전체 길이를 따라 감소하는 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 자연 지수 함수에 따라 반응제 유동의 방향으로 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 또는 그 전체 길이를 따라 감소하는 폭을 갖는다.

연료 전지 조립체의 제1 양태의 몇몇 실시예에서, 연료 전지 조립체는 복수의 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함한다.

연료 전지 조립체의 제2 양태에서, 제1 채널은 제1 채널 길이, 및 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖고, 연료 전지 조립체는 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하고 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 압축 시스템을 더 포함하고, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 몇몇 실시예에서, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 연료 전지 조립체가 비동작 상태에 있을 때, 예를 들어 동작 전에 및/또는 비가압되고 그리고/또는 반응제가 공급되지 않을 때 실질적으로 균일하다. 몇몇 실시예에서, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은, 예를 들어 연료 전지가 반응제가 공급되고 있고 전기 부하에 연결될 때, 전력을 발생하기 위한 연료 전지 조립체의 동작 중에 실질적으로 균일하다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 랜딩-채널 폭 비(LCWR)는 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변한다. 몇몇 실시예에서, 제1 유동장 플레이트의 제1 표면 상의 랜딩 영역 분율(LAF)은 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 변한다. 몇몇 실시예에서, 제2 유동장 플레이트는 제2 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖고, 제2 유동장 플레이트는 그 제1 표면에 형성된 복수의 제2 채널을 포함하고, 제2 채널 중 인접한 것은 랜딩에 의해 분리되고, 제2 채널은 제2 채널 길이를 갖고, 제2 채널은 제2 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖고, 제2 가스 확산층과 제2 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일하다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 제1 채널의 전체 길이를 따라 변하는 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 반응제 유동의 방향으로 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 또는 그 전체 길이를 따라 감소하는 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 자연 지수 함수에 따라 반응제 유동의 방향으로 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 또는 그 전체 길이를 따라 감소하는 폭을 갖는다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 연료 전지 조립체는 복수의 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 압축 시스템은 한 쌍의 단부 플레이트 조립체를 포함하고, 연료 전지 스택이 이들 사이에 개재되고, 단부 플레이트 조립체 중 적어도 하나는 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 복수의 플레이트 세그먼트를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 복수의 플레이트 세그먼트의 각각은 상이한 힘-변위 특성을 갖는 스프링 세트를 포함할 수 있고, 세그먼트 및 그 연관 스프링 세트의 각각은 연료 전지 스택 상에 상이한 압축력을 인가한다. 몇몇 실시예에서, 압축 시스템은 제1 및 제2 단부 플레이트 조립체와 제1 단부 플레이트 조립체와 연료 전지 스택 사이에 개재되어 나란히 위치된 제1 스프링 조립체 및 제2 스프링 조립체를 포함하고, 제1 스프링 조립체는 단위 전지의 활성 영역의 제1 부분 위에 놓이고 제2 스프링 조립체는 단위 전지의 활성 영역의 제2 부분 위에 놓이고, 제1 스프링 조립체는 제2 스프링 조립체와는 상이한 힘-변위 특성을 갖는다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 연료 전지 조립체는 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하고 전력을 생산하기 위해 연료 전지 조립체의 동작 중에 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 압축 시스템을 더 포함하고, 제1 가스 확산층과 제1 유동장 플레이트의 랜딩 사이의 접촉 압력은 연료 전지 조립체의 동작 중에 단위 전지의 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 불균일한 압축력은 예를 들어, 연료 전지의 활성 영역을 가로지르는 불균일한 반응제 스트림 압력에 의해 야기되는 접촉 압력의 변동을 보상할 수 있다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 제1 채널의 전체 길이를 따라 변하는 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 반응제 유동의 방향으로 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 또는 그 전체 길이를 따라 감소하는 폭을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 제1 채널은 자연 지수 함수에 따라 반응제 유동의 방향으로 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 또는 그 전체 길이를 따라 감소하는 폭을 갖는다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 연료 전지 조립체는 복수의 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 압축 시스템은 한 쌍의 단부 플레이트 조립체를 포함하고, 연료 전지 스택이 이들 사이에 개재되고, 단부 플레이트 조립체 중 적어도 하나는 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 복수의 플레이트 세그먼트를 포함한다. 복수의 플레이트 세그먼트의 각각은 상이한 힘-변위 특성을 갖는 스프링 세트를 포함하고, 세그먼트 및 그 연관 스프링 세트의 각각은 연료 전지 스택 상에 상이한 압축력을 인가한다. 몇몇 실시예에서, 복수의 플레이트 세그먼트의 각각은 상이한 힘-변위 특성을 갖는 스프링 세트를 포함할 수 있고, 세그먼트 및 그 연관 스프링 세트의 각각은 연료 전지 스택 상에 상이한 압축력을 인가한다. 몇몇 실시예에서, 압축 시스템은 제1 및 제2 단부 플레이트 조립체와 제1 단부 플레이트 조립체와 연료 전지 스택 사이에 개재되어 나란히 위치된 제1 스프링 조립체 및 제2 스프링 조립체를 포함하고, 제1 스프링 조립체는 단위 전지의 활성 영역의 제1 부분 위에 놓이고 제2 스프링 조립체는 단위 전지의 활성 영역의 제2 부분 위에 놓이고, 제1 스프링 조립체는 제2 스프링 조립체와는 상이한 힘-변위 특성을 갖는다.

연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 연료 전지 활성 영역은 비직사각형이다. 몇몇 이러한 실시예에서, 활성 영역은 사다리꼴이다.

전력을 생산하기 위해 연료 전지 조립체의 동작 중에 고체 폴리머 연료 전지 조립체 내의 구성요소 사이의 접촉 압력 변동을 감소시키기 위한 방법은 연료 전지 조립체의 동작에 의해 야기되는 접촉 압력의 변동을 적어도 부분적으로 보상하기 위해 연료 전지 조립체의 활성 영역을 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1은 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 연료 전지 조립체의 분해 단면도이다.
도 3a는 연료 전지 유동장 플레이트의 평면도이다.
도 3b는 연료 전지 유동장 플레이트의 평면도이다.
도 3c는 연료 전지 유동장 플레이트의 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 입구 부근, 출구 부근 및 중간부 부근의 채널 및 랜딩 폭의 변동을 도시하고 있는, 유동장 A를 갖는 연료 전지의 3개 위치에서의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 입구 부근, 출구 부근 및 중간부 부근의 채널 및 랜딩 폭의 변동을 도시하고 있는, 유동장 B를 갖는 연료 전지의 3개 위치에서의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 입구 부근, 출구 부근 및 중간부 부근의 채널 및 랜딩 폭의 변동을 도시하고 있는, 유동장 C를 갖는 연료 전지의 3개 위치에서의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 입구 부근, 출구 부근 및 중간부 부근의 채널 및 랜딩 폭의 변동을 도시하고 있는, 유동장 D를 갖는 연료 전지의 3개 위치에서의 단면도이다.
도 8은 유동장 A에 대한 정규화된 채널 길이의 함수로서 채널 폭 및 랜딩 폭을 도시하고 있는 그래프이다.
도 9는 유동장 A 내지 D에 대한 정규화된 인접 채널 길이의 함수로서 랜딩 폭을 도시하고 있는 그래프이다.
도 10은 유동장 A 내지 D 및 종래의 유동장에 대한 정규화된 인접 채널 길이의 함수로서 랜딩-채널 폭 비(LCWR)를 도시하고 있는 그래프이다.
도 11은 유동장 A 내지 D 및 종래의 유동장에 대한 정규화된 인접 채널 길이의 함수로서 랜딩 상의 접촉 압력을 도시하고 있는 그래프이다.
도 12는 유동장 A 내지 D에 대한 정규화된 인접 채널 길이의 함수로서 랜딩 활성도 비를 도시하고 있는 그래프이다.
도 13은 유동장 A 내지 D 및 종래의 유동장에 대한 정규화된 인접 채널 길이의 함수로서 랜딩 전기 접촉 저항을 도시하고 있는 그래프이다.
도 14a는 압축의 함수로서 GDL 전기 접촉 저항을 도시하고 있는 그래프이다.
도 14b는 정규화된 압축된 GDL 두께의 함수로서 압축을 도시하고 있는 그래프이다.
도 15a는 스프링에 대해 이동된 거리의 함수로서 스프링 하중을 도시하고 있는 그래프이다.
도 15b는 다른 스프링에 대해 이동된 거리의 함수로서 스프링 하중을 도시하고 있는 그래프이다.
도 16a는 연료 스택에 압축력을 인가하기 위해 인장 로드 및 와셔 및 단부 플레이트를 이용하는 연료 전지 스택 조립체의 분해 사시도이다.
도 16b는 도 16a의 조립된 연료 전지 스택 조립체의 사시도이다.
도 16c는 연료 스택에 압축력을 인가하기 위해 단부 플레이트, 디스크 스프링 및 스트랩을 이용하는 연료 전지 스택 조립체의 분해 사시도이다.
도 17은 연료 스택에 압축력을 제공하기 위해 피스톤을 이용하는 연료 전지 스택 조립체의 부분 사시 단면도이다.
도 18은 유동장의 길이를 따라 변하는 웨지형 가스 확산층의 절결도이다.
도 19는 유동장 D를 갖는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택의 성능과 함께 유동장 A를 갖는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택의 성능을 도시하고 있는 그래프이다.

도 1은 한 쌍의 단부 플레이트(120, 130) 사이에 적층된 복수의 개별 연료 전지 조립체를 포함하는 연료 스택(100)을 도시하고 있다. 몇몇 실시예에서, 디스크 스프링(들)(도 1에는 가시화되어 있지 않음) 및 스트랩(140)은 단부 플레이트(120, 130)를 제 위치에 유지하고 이들을 서로를 향해 압박하여 복수의 연료 전지(110) 상에 압축력을 인가하는 데 사용된다. 몇몇 실시예에서, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 타이 로드(tie-rod), 유압 시스템 및/또는 클램프와 같은, 다른 유형의 압축 시스템이 연료 전지 스택에 사용될 수 있다.

도 2는 한 쌍의 유동장 플레이트(220a, 220b) 사이에 개재된 멤브레인 전극 조립체(MEA)(210)를 갖는 개별 연료 전지(200)의 단순화된 분해 단면도를 도시하고 있다. MEA는 GDL(230a)과 멤브레인(250) 사이에 개재된 애노드 촉매층(240a)을 갖는 애노드측에 멤브레인 전해질(250) 및 가스 확산층(GDL)(230a), 및 GDL(230b)과 멤브레인(250) 사이에 개재된 캐소드 촉매층(240b)을 갖는 캐소드측에 다른 GDL(230b)을 갖는 멤브레인-전해질 샌드위치를 포함한다. 몇몇 연료 전지 제조 방법에서, 촉매층은 멤브레인 상에 퇴적된다. 몇몇 제조 방법에서, 촉매층은 GDL 상에 퇴적된다. 유동장 플레이트(220a, 220b)는 각각의 GDL 및 촉매층으로 연료 및 산화제를 유도하기 위해 그 내부에 형성된 채널(각각 260a, 260b)을 갖는다. 랜딩(270a, 270b)은 각각의 플레이트 상의 채널을 분리하고, 각각의 랜딩의 표면(275a, 275b)은 연료 전지(200)가 함께 조립될 때 및/또는 구성요소의 평면에 수직으로 압축력이 인가될 때 인접한 GDL과 접촉한다.

많은 연료 전지 및 연료 전지 스택에서, 냉각제 채널이 또한 동작하는 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 열 관리를 위해 물 또는 공기와 같은 냉각제 유체의 전달 또는 순환을 위해 제공된다. 냉각제 채널은 예를 들어, 애노드 또는 캐소드 유동장 플레이트의 후방에(달리 말하면, 반응제 채널의 대향면에) 또는 스택 내의 인접한 연료 전지 사이에 개재된 별개의 냉각제 유동장 플레이트에 제공될 수 있다.

랜딩 영역 분율( LAF ) 및 랜딩 -채널 폭 비( LCWR )

도 3a는 랜딩(320a)에 의해 분리되고 경계 지역(315a)에 의해 둘러싸인 복수의 채널(310a)을 도시하고 있는 연료 전지 유동장 플레이트(300a)의 평면도이다. 채널은 입구 매니폴드 개구(330a)를 통해 공급되고 출구 매니폴드 개구(335a)를 통해 배출되는 유체(예를 들어, 반응제)를 갖고 입구 지역(350a)과 출구 지역(355a) 사이에서 연장된다. 부가의 매니폴드 개구(340a, 345a)가 예를 들어, 유동장 플레이트(300a)의 대향 표면 상의 채널로의 그리고 채널로부터의 유체의 공급 및 배출을 위해 유동장 플레이트(300a)에 제공될 수 있다. 채널은, 예를 들어 플레이트의 재료에 따라 스탬핑, 엠보싱, 몰딩, 기계가공 등과 같은 적합한 방법에 의해 유동장 플레이트에 형성될 수 있다.

플레이트의 특정 지역에 대한 랜딩 영역 분율(또는 LAF)은: 플레이트의 그 특정 지역 내의 [랜딩의 표면적] 대 [총 면적(플레이트의 표면에서 랜딩 표면적 및 개방-채널 면적)]의 비로서 정의될 수 있다.

예를 들어, LAF 분율은 특정 연료 전지에서 유동장 플레이트의 활성 영역에 대해 계산되거나 다른 방식으로 결정될 수 있다. 활성 영역은 연료 전지 내의 인접 전극의 촉매층 위에 있는 유동장 플레이트의 지역으로서 정의될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에서 LAF는 350a로 표시된 지역에 대해 결정될 수 있다. 이 예에서, 지역(350a)에 대한 LAF(점선 윤곽에 의해 표시됨)는 대략 [랜딩(320a)의 폭] 대 [랜딩(320a)의 폭 + 채널(310a)의 폭]의 비이다. LAF 분율은 또한 유동장 플레이트의 전체 영역에 걸쳐 계산되거나 다른 방식으로 결정될 수 있으며, 이 경우 랜딩 영역은 GDL과 접촉하는 플레이트의 모든 표면적을 포함할 것이다(예를 들어, 유동장 주위의 경계 지역을 포함함).

주어진 인가된 압축력(예를 들어, 연료 전지 스택 내의 압축 메커니즘에 의해 인가된 힘)에 대해, 유동장 플레이트와 인접한 GDL 사이의 접촉 압력은 일반적으로 그 전체 영역을 가로질러 더 낮은 LAF를 갖는 플레이트에 대해 더 높은데, 이는 압축력이 더 높은 LAF를 갖는 플레이트보다 더 작은 접촉 영역에 걸쳐 GDL로 전달되기 때문이다.

도 3a에 도시되어 있는 유동장 플레이트(300a)에 대해, LAF는 점선 윤곽에 의해 표시된 지역(350a)을 가로질러 실질적으로 균일하다. 도 3b는 채널의 스위프가 랜딩(320b)에 의해 분리되고, 경계 지역(315b)이 유동장 지역(350b)을 둘러싸는(점선 윤곽에 의해 표시됨) 사행형 채널(310b)을 갖는 다른 유동장 플레이트(300b)의 평면도이다. 다시, 유동장 플레이트(300b)의 지역(350b)을 가로지르는 LAF는 실질적으로 균일하다. 예를 들어, 점선(355b) 위의 지역(350b)의 부분의 LAF는 점선(355b) 아래의 지역(350b)의 부분의 LAF와 대략 동일하다.

몇몇 유동장 플레이트에서, LAF는 플레이트를 가로질러, 또는 활성 영역 또는 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 다양할 수 있다. 예를 들어, LAF는 반응제 입구와 출구 사이의 활성 영역을 가로질러 다양할 수 있다. 도 3c는 일정한 폭의 반경방향 서로 맞물린 입구 및 출구 채널(310c), 및 채널 사이의 랜딩(320c)을 갖는 (알려진) 원형 유동장 플레이트(330c)의 평면도이다. 백색 점선 원(350c, 355c) 사이의 유동장 플레이트(300c)의 외부 환형 지역에서의 LAF는 백색 점선 원(355c, 360c) 사이의 환형 지역에서보다 크다는 것을 알 수 있다.

랜딩-채널 폭 비(LCWR)는 또한 예를 들어, 입구로부터 출구까지 유동장 플레이트의 각각의 채널의 길이를 따른 각각의 위치에서 정의될 수 있다. 채널을 따른 특정 지점에서의 LCWR은 다음과 같이 정의될 수 있다:

거리는 채널을 따른 해당 위치에서 채널의 방향에 수직으로 측정된다. 예를 들어, 도 2에 도시되어 있는 단면도에서 채널(260a)에 대해:

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 이들 유동장 플레이트의 LCWR은 각각 채널(310a, 310b)의 길이를 따라 실질적으로 일정하게 유지된다. 도 3c에 도시되어 있는 유동장 플레이트에 대해, LCWR은 이들이 플레이트(300c)의 중심을 향해 이동함에 따라 각각의 채널을 따라 감소하는데; 채널은 일정한 폭을 갖지만, 랜딩 폭은 점점 더 좁아진다.

유동장 플레이트 설계

연료 전지 유동장 플레이트를 설계할 때, 채널 치수 및 채널 기하학 형상의 선택이 중요하다. 채널의 간격, 치수 및 기하학 형상과 채널 사이 랜딩의 치수 및 기하학 형상, 그리고 이들 파라미터(및 전체 연료 전지 형상 및 아키텍처)가 연료 전지 활성 영역을 가로지르는 접촉 압력 분포에 미치는 효과가 고려되어야 한다. 적어도 몇몇 실시예에서, 랜딩 영역은 전류 집전 및 열 관리를 위해 중요하다. 전술된 바와 같이, 적어도 몇몇 실시예에서, 유동장 플레이트의 랜딩 영역과 GDL 사이의 낮은 접촉 압력은, 이들 구성요소 사이의 전기 접촉 저항 및 열 접촉 저항을 증가시키기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 랜딩 영역과 GDL 사이의 높은 접촉 압력은 치밀화되어 GDL의 다공성을 감소시키고 이에 의해 반응제 접근 및 GDL을 통한 물 제거를 방해할 수 있다. 이는 또한 GDL 또는 MEA를 손상시키거나 기계적 고장을 유발할 수 있고, 그리고/또는 GDL이 유동 채널 내에 침입하게 할 수 있는데, 이는 채널을 따른 압력 강하를 불리하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 무엇보다도, 랜딩 영역과 GDL 사이의 접촉 압력에 영향을 미치기 때문에, 연료 전지 스택 내의 연료 전지에 인가되는 압축력을 선택하는 데 있어서 절충이 이루어진다.

유동장 설계, 및 전체 연료 전지 형상 및 아키텍처가 또한 연료 전지 활성 영역을 가로지르는 접촉 압력 분포(접촉 압력의 변동)에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 랜딩의 폭이 유동장 플레이트를 가로질러 변하면, 이는 낮은 및 높은 접촉 압력의 영역을 야기할 수 있다. 예를 들어, 플레이트와 GDL 사이의 접촉 압력은 랜딩이 더 넓은 곳에서 더 낮고 랜딩이 더 좁은 곳에서 더 높을 수 있다. 국소 접촉 압력의 이들 변동은 전술된 바와 같이, 전기 및 열 접촉 저항, GDL의 치밀화와 같은 것에 영향을 미친다. 활성 영역을 가로지르는 접촉 압력의 높은 변동은 바람직하지 않을 수 있다.

랜딩의 폭은 연료 전지 성능과 관련된 다른 것에 영향을 미칠 수 있다. 더 넓은 랜딩은 전류 집전 및 열 제거를 위해 플레이트와 GDL 사이에 더 큰 접촉 영역을 제공할 수 있고, MEA를 손상시킬 가능성이 적지만, 넓은 랜딩의 중심 아래에 놓인 촉매층의 부분에 도달하는 반응제의 능력을 억제할 수 있다.

채널의 폭이 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 연료 전지에서, 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 유리한 접촉 압력 분포를 제공하는 것은 어려울 수 있다.

예를 들어, 채널의 폭이 채널 길이를 따라 출구를 향해 감소하는 연료 전지에서, 인접한 채널 사이의 채널 간격을 동일하게 유지하는 것(즉, 인접한 채널의 중심선이 고정된 거리만큼 이격되어 유지되도록)은 출구를 향해 더 넓은 랜딩을 야기한다. 랜딩 폭이 일정하면 채널이 수렴하고, LCWR이 실질적으로 일정하게 유지되면 채널이 더욱 더 수렴한다.

채널 폭이 기하급수적 방식으로 감소하는 연료 전지에서, 채널 또는 랜딩 간격을 일정하게 유지하거나 그 길이를 따라 선형 방식으로 간격을 변경하면서 채널을 따라 일정한 LCWR을 유지하는 것은 비실용적일 수 있다. 예를 들어, 채널 폭이 기하급수적 방식으로 감소하고 LCWR이 채널의 출구에서 입구에서와 동일한 실시예에서, 랜딩 폭은 입구와 출구 사이에서 적어도 약간 증가한다.

때때로, 채널 및/또는 랜딩의 폭이 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 연료 전지에서, 예를 들어 반경방향 채널/랜딩을 갖는 원형 유동장 플레이트, 이등변 사다리꼴 플레이트 또는 플레이트의 단지 2개의 측면만이 동일한 길이를 갖는 사다리꼴 플레이트와 같은, 비직사각형 유동장 플레이트가 사용된다. 그 형상으로 인해, 이러한 플레이트의 활성 영역을 가로지르는 유리한 접촉 압력 분포를 제공하는 것이 어려울 수 있다.

MEA를 가로지르는 랜딩-대-랜딩 정렬이 또한 고려 사항이다. MEA의 대향 면 상의 이웃 플레이트로부터의 랜딩이 충분한 중첩을 갖지 않으면, 이들은 서로 겹쳐 MEA를 기계적으로 파괴할 수 있다.

도 4a 내지 도 7c는 상부 플레이트 상에 4개의 상이한 유동장: 유동장 A, 유동장 B, 유동장 C 및 유동장 D를 갖는 유동장 플레이트를 도시하고 있다. 도 4a 내지 도 7c에 도시되어 있는 유동장들은 입구로부터 출구까지 직접 유동장 플레이트의 표면을 가로질러 연장하는 채널을 갖는다. 이들 4개의 예의 모두에서, 채널은 입구로부터 출구까지 폭이 감소되고, 채널은 입구로부터 출구까지 수렴한다. 유동장 A에서 랜딩 폭은 입구로부터 출구까지 증가하고, 반면 유동장 B 내지 D에서는 랜딩 폭이 입구로부터 출구까지 감소한다.

본 명세서에 설명된 접근법, 기술, 유동장 설계 고려 사항 및 연료 전지 및 연료 전지 스택 설계에 대한 개선의 양태는 또한 다른 유형의 유동장 및 유동장 채널을 포함하는 연료 전지에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 유동장이 전체 채널 길이를 따라, 단지 채널 길이의 일부를 따라 및/또는 채널 길이의 여러 부분을 따라 폭이 변하는 채널을 포함하는 연료 전지에 적용될 수 있다. 폭의 변동은 예를 들어, 선형, 기하급수적 또는 단계적이고, 임의의 방향일 수 있다. 채널은 예를 들어, 직선형, 파형, 사행형일 수 있고, 몇몇 실시예에서는 서로 맞물릴 수 있다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 상부 유동장 플레이트 상에 유동장 A를 갖는 연료 전지(400)의 부분의 단면도이다. 연료 전지(400)는 제1(상부) 유동장 플레이트(410)와 제2(하부) 유동장 플레이트(420) 사이에 개재된 멤브레인 전극 조립체(440)를 포함한다. 멤브레인 전극 조립체(440)는 2개의 전극(414, 424) 사이에 개재된 이온 교환 멤브레인(430)을 포함한다. 제1 유동장 플레이트(410)는 랜딩 폭(412) 및 채널 폭(416)을 갖는 복수의 랜딩을 갖고, 제2 유동장 플레이트(420)는 폭(422)을 갖는 복수의 랜딩 및 폭(426)을 갖는 채널을 갖는다.

도 4a는 입구 부근의 연료 전지(400)의 단면을 도시하고 있다. 도 4b는 중간부 부근의 연료 전지(400)의 단면을 도시하고 있다. 도 4c는 출구 부근의 연료 전지(400)의 단면을 도시하고 있다. 이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제1 플레이트(410) 상에서 채널 폭(416)은 입구로부터 중간부까지, 그리고 다시 중간부로부터 출구까지 감소한다. 랜딩 폭(412)은 입구로부터 중간부까지 증가하고 중간부와 출구 사이에서 거의 불변이다. 제1(상부) 유동장 플레이트(410)에 대한 채널 길이(정규화됨)에 따른 채널 폭(416) 및 랜딩 폭(412)의 변동이 도 8에 도시되어 있다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 상부 유동장 플레이트 상에 유동장 B를 갖는 연료 전지(500)의 부분의 단면도이다. 연료 전지(500)는 제1(상부) 유동장 플레이트(510)와 제2(하부) 유동장 플레이트(520) 사이에 개재된 멤브레인 전극 조립체(540)를 포함한다. 멤브레인 전극 조립체(540)는 2개의 전극(514, 524) 사이에 개재된 이온 교환 멤브레인(530)을 포함한다. 제1 유동장 플레이트(510)는 폭(512) 및 채널 폭(516)을 갖는 복수의 랜딩을 갖고, 제2 유동장 플레이트(520)는 폭(522)을 갖는 복수의 랜딩 및 폭(526)을 갖는 채널을 갖는다.

도 5a는 입구 부근의 연료 전지(500)의 단면을 도시하고 있다. 도 5b는 중간부 부근의 연료 전지(500)의 단면을 도시하고 있다. 도 5c는 출구 부근의 연료 전지(500)의 단면을 도시하고 있다. 이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제1 유동장 플레이트(510) 상에서 채널 폭(516) 및 랜딩 폭(512)은 입구로부터 중간부까지, 그리고 다시 중간부로부터 출구까지 감소한다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c는 상부 유동장 플레이트 상에 유동장 C를 갖는 연료 전지(600)의 부분의 단면도이다. 연료 전지(600)는 제1(상부) 유동장 플레이트(610)와 제2(하부) 유동장 플레이트(620) 사이에 개재된 멤브레인 전극 조립체(640)를 포함한다. 멤브레인 전극 조립체(640)는 2개의 전극(614, 624) 사이에 개재된 이온 교환 멤브레인(630)을 포함한다. 제1 유동장 플레이트(610)는 랜딩 폭(612) 및 채널 폭(616)을 갖는 복수의 랜딩을 갖고, 제2 유동장 플레이트(620)는 폭(622)을 갖는 복수의 랜딩 및 폭(626)을 갖는 채널을 갖는다.

도 6a는 입구 부근의 연료 전지(600)의 단면을 도시하고 있다. 도 6b는 중간부 부근의 연료 전지(600)의 단면을 도시하고 있다. 도 6c는 출구 부근의 연료 전지(600)의 단면을 도시하고 있다. 이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제1 유동장 플레이트(610) 상에서 채널 폭(616)은 입구로부터 중간부까지, 그리고 다시 중간부로부터 출구까지 감소한다. 이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제1 유동장 플레이트(610) 상에서 채널 폭(616) 및 랜딩 폭(612)은 입구로부터 중간부까지, 그리고 다시 중간부로부터 출구까지 감소한다.

도 7a, 도 7b 및 도 7c는 상부 유동장 플레이트 상에 유동장 D를 갖는 연료 전지(700)의 부분의 단면도이다. 연료 전지(700)는 제1(상부) 유동장 플레이트(710)와 제2(하부) 유동장 플레이트(720) 사이에 개재된 멤브레인 전극 조립체(740)를 포함한다. 멤브레인 전극 조립체(740)는 2개의 전극(714, 724) 사이에 개재된 이온 교환 멤브레인(730)을 포함한다. 제1 유동장 플레이트(710)는 폭(712) 및 채널 폭(716)을 갖는 복수의 랜딩을 갖고, 제2 유동장 플레이트(720)는 폭(722)을 갖는 복수의 랜딩 및 폭(726)을 갖는 채널을 갖는다.

도 7a는 입구 부근의 연료 전지(700)의 단면을 도시하고 있다. 도 7b는 중간부 부근의 연료 전지(700)의 단면을 도시하고 있다. 도 7c는 출구 부근의 연료 전지(700)의 단면을 도시하고 있다. 이들 도면으로부터 명백한 바와 같이, 제1 유동장 플레이트(710) 상에서 채널 폭(716) 및 랜딩 폭(712)은 입구로부터 중간부까지, 그리고 다시 중간부로부터 출구까지 감소한다.

도 4 내지 도 7에 도시되어 있는 이들 실시예의 각각에서 유동장의 채널 폭은 식 (1)에 의해 설명될 수 있다.

(1)

여기서, w는 채널 폭, w₀는 반응제 입구에서의 채널 폭, λ는 (설계) 화학양론, l은 채널 길이를 따라 선택된 위치, l _m 은 채널 길이이다.

유동장 B 및 C는 서로 유사하다. 유동장 B는 채널을 따라 각각의 지점에서 국소 채널 폭의 스케일링된 값에 기초하여 랜딩 폭을 설정함으로써 설계되었고(실질적으로 일정한 LCWR을 달성하기 위해), 반면 유동장 C는 채널의 길이에 따른 예측된 국소 산소 농도에 기초하여 랜딩 폭을 스케일링함으로써 설계되었다(실질적으로 일정한 랜딩 영역 활성도의 경우).

도 8은 유동장 A에 대한 채널 길이의 함수로서 채널 폭 및 랜딩 폭을 도시하고 있는 그래프이다.

도 9는 유동장 A 내지 D의 각각에 대한 (정규화된) 채널 길이의 함수로서 랜딩 폭을 도시하고 있는 그래프이다. 이는 도 4 내지 도 7의 경우에서와 같이 채널을 따라 단지 3개 위치에서의 랜딩 폭을 예시하기보다는, 채널의 길이에 따른 랜딩 폭의 변동을 나타낸다. 유동장 A와 대조적으로, 유동장 B, C 및 D에서는 입구로부터 출구까지 유동장을 따라 이동할 때 랜딩의 폭이 감소한다. 일정한 폭의 채널을 갖는 종래의 유동장에서, 일반적으로 랜딩 폭도 또한 일정하다(예를 들어, 도 3a 참조).

랜딩 폭이 연료 전지에 미칠 수 있는 효과를 더 양호하게 예시하기 위해, 4개의 유동장(유동장 A, 유동장 B, 유동장 C, 및 유동장 D)을 갖는 연료 전지가 아래에 설명되는 바와 같이 모델링되었다.

도 10은 유동장 A 내지 D에 대한 채널 길이의 함수로서 랜딩-채널 폭 비(LCWR)를 도시하고 있는 그래프이다. 유동장 B 내지 D에서, LCWR은 입구로부터 채널의 길이 아래로 주어진 거리에서 유동장 A에 비교하여 비교적 일정하게 유지된다.

유동장 A에서 LCWR의 변동 계수는 0.23이다. 유동장 B에서 LCWR의 변동 계수는 0.00이다. 유동장 C에서 LCWR의 변동 계수는 0.01이다. 유동장 D에서 LCWR의 변동 계수는 0.08이다.

몇몇 실시예에서, 랜딩 영역 분율(LAF)은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하다(여기서 유동장 지역은 반응제 채널이 있는 플레이트의 지역임). 몇몇 이러한 실시예에서, LAF는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 15% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, LAF는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 10% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, LAF는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 5% 미만으로 변한다. 몇몇 실시예에서, LAF는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 균일하다.

몇몇 실시예에서, LCWR은 유동장 플레이트의 표면 상의 유동 채널(들)의 길이를 따라 실질적으로 일정하다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩-채널 폭 비(LCWR)는 유동장 플레이트의 표면 상의 유동 채널(들)의 길이를 따라 15% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, LCWR은 유동장 플레이트의 표면 상의 유동 채널(들)의 길이를 따라 10% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, LCWR은 유동장 플레이트의 표면 상의 유동 채널(들)의 길이를 따라 5% 미만으로 변한다. 몇몇 실시예에서, LCWR은 유동장 플레이트의 표면 상의 유동 채널(들)의 길이를 따라 일정하다.

랜딩 압력은 연료 전지가 압축될 때 랜딩에 의해 GDL에 인가되는 압력이다. 랜딩 압력은 랜딩-채널 폭 비(LCWR)의 함수에 따라 변한다. 더 작은 LCWR을 갖는 랜딩의 지역은 동일한 힘에 대해 더 큰 LCWR을 갖는 지역에 비교하여 더 높은 접촉 압력을 경험한다.

도 11은 유동장 A 내지 D에 대한 랜딩 또는 인접 채널 길이의 함수로서 랜딩에서의 접촉 압력(랜딩 압력)을 도시하고 있는 그래프이다. 유동장 B 내지 D에서 랜딩 압력은 유동장 A에 비교하여 비교적 일정하게 유지된다.

유동장 A에서 랜딩 압력의 변동 계수는 0.27이다. 유동장 B에서 랜딩 압력의 변동 계수는 0.00이다. 유동장 C에서 랜딩 압력의 변동 계수는 0.01이다. 유동장 D에서 랜딩 압력의 변동 계수는 0.08이다.

몇몇 실시예에서, 랜딩 압력은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 압력은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 15% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 압력은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 10% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 압력은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 5% 미만으로 변한다. 몇몇 실시예에서, 랜딩 압력은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 균일하다.

랜딩과 GDL 사이의 접촉 압력을 균일하게 유지하거나 연료 전지 또는 연료 전지 활성 영역을 가로질러 적어도 더 균일하게 유지하는 것의 하나의 이익은 랜딩과 GDL 사이의 전기 접촉 저항이 이어서 일반적으로 균일하거나 적어도 더 균일하다는 것이다. 또한, 적어도 몇몇 실시예에서, 접촉 압력이 더 균일하면, 열 접촉 저항은 일반적으로 연료 전지를 가로질러 더 균일하다.

도 12는 유동장 A 내지 D에 대한 채널 길이의 함수로서 랜딩 활성도 비를 도시하고 있는 그래프이다. 유동장 B 내지 D에서 랜딩 활성도 비는 유동장 A에서보다 유동장 지역을 가로질러 더 균일하다.

반응제 유동장 채널을 따른 반응제 농도의 변화는 연료 전지 전기화학 반응으로 인한 반응제 소비, 채널을 통해 이동하는 가스의 마찰로 인한 압력 강하, 물의 생성으로 인한 채널 내의 가스의 조성의 변화를 고려하는 연료 전지의 열유체학적 모델에 기초하여 계산될 수 있다. 초기 반응제 농도와 반응제 농도의 변화에 기초하여, 국소 반응제 농도가 결정될 수 있다.

유동장 A에서 랜딩 활성도 비의 변동 계수는 0.41이다. 유동장 B에서 랜딩 활성도 비의 변동 계수는 0.02이다. 유동장 C에서 랜딩 활성도 비의 변동 계수는 0.00이다. 유동장 D에서 랜딩 활성도 비의 변동 계수는 0.13이다.

몇몇 실시예에서, 랜딩 활성도 비는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 활성도 비는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 15% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 활성도 비는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 10% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 활성도 비는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 5% 미만으로 변한다. 몇몇 실시예에서, 랜딩 활성도 비는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 균일하다.

적어도 몇몇 실시예에서, 랜딩 영역 아래에서 확산하는 반응제의 능력은 소비되는 반응제의 국소 가용성을 변경하는 결과로서 채널의 길이를 따라 변한다. 적어도 몇몇 실시예에서, 랜딩 폭을 변동하는 것은 적어도 부분적으로, 전지의 길이를 따라 감소된 반응제의 가용성을 보상할 수 있다.

예를 들어, 반응제가 채널로부터 촉매층의 해당 부분으로 이동하게 하기 위해 요구되는 부가의 평면내 확산 거리 때문에, 랜딩이 넓은 경우 랜딩 아래에서 촉매에 접근하는 반응제의 능력이 감소될 수 있다. 채널 반응제 농도에 비례하여 랜딩의 폭을 일정하게 유지하는 것은 이를 보상하는 데 도움이 될 수 있다.

도 13은 유동장 A 내지 D에 대한 채널 길이의 함수로서 랜딩 접촉 저항을 도시하고 있는 그래프이다. 유동장 B 내지 D에서 랜딩 접촉 저항은 유동장 A에 비교하여 비교적 일정하게 유지된다. 몇몇 실시예에서, 연료 전지 활성 영역을 가로지르는 랜딩과 GDL 사이의 전기 접촉 저항을 균일하게 또는 적어도 더 균일하게 유지함으로써, 더 균일한 반응 및 전류 밀도가 달성될 수 있다.

유동장 A에서 랜딩 접촉 저항의 변동 계수는 0.12이다. 유동장 B에서 랜딩 접촉 저항의 변동 계수는 0.00이다. 유동장 C에서 랜딩 접촉 저항의 변동 계수는 0.01이다. 유동장 D에서 랜딩 접촉 저항의 변동 계수는 0.04이다.

몇몇 실시예에서, 랜딩 접촉 저항은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 접촉 저항은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 0.10% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 접촉 저항은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 0.05% 미만으로 변한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 랜딩 접촉 저항은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 0.01% 미만으로 변한다. 몇몇 실시예에서, 랜딩 접촉 저항은 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 균일하다.

그 길이의 적어도 일부를 따라 폭이 변하는 반응제 채널을 갖는 연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 유동장은, LCWR이 랜딩 또는 인접 채널 길이를 따라 실질적으로 일정하도록, 그리고/또는 LAF가 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록, 그리고/또는 랜딩과 GDL 사이의 접촉 압력이 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록, 그리고/또는 랜딩 활성도 비가 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록 그리고/또는 랜딩 접촉 저항이 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록 설계될 수 있다. 다른 실시예에서, 유동장은 이들 조건 중 다양한 조건이 상이한 지역에서 충족되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, LCWR이 랜딩 또는 인접 채널 길이의 일부를 따라 실질적으로 일정하도록, 그리고 랜딩 활성도 비가 랜딩 또는 인접 채널 길이의 다른 부분을 따라 실질적으로 균일하도록 유동장이 설계될 수 있다.

도 14a는 대표적인 GDL에 대한 압축 하의 GDL 관통 평면 전기 저항을 도시하고 있는 그래프이다. 압축의 함수로서 GDL 관통 평면 전기 저항은 각각의 GDL에 특정한 재료 특성이고 일반적으로 현장외(ex situ)에서 측정된다. GDL/랜딩 계면의 전기 접촉 저항은 접촉 압력의 비선형 함수이다.

도 14b는 GDL에 인가되는 압축력의 함수로서 정규화된 압축된 GDL 두께를 도시하고 있는 그래프이다. 이는 GDL이 압축되고 두께가 감소함에 따라, 이를 더 압축하고 치밀화하기가 더 어려워지게 된다는 것(그리고 더 많은 힘이 요구됨)을 예시하고 있다. 압축 하의 GDL 관통 평면 전기 저항(도 14a)과 압축 하의 GDL 두께(도 14b)의 조합의 고려는 GDL을 기계적으로 파괴하고 그리고/또는 물과 반응제 관리를 위한 필수 다공성을 제거할 수 있는 접촉 압력을 초과하지 않으면서 동시에 전기 저항을 감소시키거나 최소화하는 연료 전지를 설계하는 데 사용될 수 있다. 압축 데이터 하의 GDL 두께는 또한 기계적 하중이 주로 스택 내의 연료 전지의 활성 영역으로 전달되도록 밀봉부를 설계하는 데 사용될 수 있다.

유동장 A 내지 D는 그 길이에 따라 변하는 폭을 갖는 채널을 갖는다. 그러나, 본 명세서에 개시된 것의 양태는 채널 길이의 단지 일부를 따라 변하는 폭 및/또는 단면적을 갖는 채널을 갖는 유동장, 또는 그 길이를 따라 일정한 폭 및/또는 단면적을 갖는 채널을 갖는 유동장과 함께 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 채널 깊이는 일정할 수 있고, 몇몇 실시예에서, 이는 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변할 수 있다.

본 명세서에 설명된 연료 전지의 실시예에서, 유동장은 세장형 채널 및 랜딩 이외의 다른 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 포스트, 핀, 기둥, 마이크로채널 등과 같은 특징부가 채널 벽 사이에 통합되어 주어진 단면에서 랜딩 영역에 추가될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 그 길이의 적어도 일부를 따라 T형 단면을 갖는 랜딩이 사용될 수 있다. 이는 채널 폭이 넓고 GDL이 연료 전지 활성 영역 내로 또는 외부로 이어지는 입구 또는 전이 영역과 같은 부가의 지지부로부터 이익을 얻을 수 있는 경우에 유리할 수 있다.

가변 압축 시스템 및 방법

연료 전지 또는 연료 전지 스택의 몇몇 실시예에서, 유동장 플레이트를 가로지르는 GDL-대-플레이트 랜딩 계면에서 균일한(또는 더 균일한) 접촉 압력을 생성하는 것이 유리하다. 이는 연료 전지의 성능 및/또는 내구성을 향상시킬 수 있다. 전술된 바와 같이, 몇몇 연료 전지에서 불균일 랜딩 압력에 대한 경향은 유동장 설계(예를 들어, 특정 채널 기하학 형상에 대한 랜딩 기하학 형상의 선택)를 조정함으로써 부분적으로 또는 완전히 보상될 수 있다.

특정 유동장 플레이트 형상 및/또는 유동장 설계(예를 들어, 랜딩 및 채널 기하학 형상)가 플레이트를 가로지르는 실질적으로 균일한 압축력의 인가에 의해 유동장 플레이트를 가로지르는 불균일 접촉 압력이 있도록 이루어지는 연료 전지에서, 일 접근법은 접촉 압력을 유동장 플레이트를 가로질러 더 균일하게 하기 위해 플레이트를 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 연료 전지 스택 압축 시스템을 이용하는 것이다. 예를 들어, 이러한 압축 시스템은 접촉 압력이 그렇지 않으면 높을 것인 플레이트의 지역 또는 지역들에 더 적은 힘을 인가할 수 있고, 접촉 압력이 그렇지 않으면 낮을 것인 플레이트의 지역 또는 지역들에 더 많은 힘을 인가할 수 있다.

불균일한 압축 기술을 사용함으로써 균일한 접촉 압력을 생성하려고 시도할 때, 활성 영역 감소로부터 발생할 수 있는 접촉 압력의 변동이 또한 고려될 수 있다. 예를 들어, 때때로 채널 및/또는 랜딩의 폭이 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 연료 전지에서, 비직사각형 유동장 플레이트가 사용된다. 예를 들어, 이등변 사다리꼴 플레이트 또는 플레이트의 단지 2개의 측면만이 동일한 길이를 갖는 사다리꼴 플레이트가 사용될 수 있다. 이러한 플레이트가 종래의 압축 시스템과 함께 사용될 때, 연료 전지는 균일하게 압축되지 않을 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 예를 들어, 본질적으로 스택 내의 유동장 플레이트를 가로지르는 산화제와 연료(및 선택적으로 냉각제)의 동시 유동이 있는 연료 전지 스택에서, 압축 시스템은 반응제 유동 방향으로 변하는 압축력을 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서 압축력은 반응제의 유동 방향으로 감소한다.

도 15a 및 도 15b는 불균일한 압축 시스템의 몇몇 실시예에서 사용될 수 있는 2개의 상이한 유형의 스프링의 스프링 특성을 도시하고 있는 그래프이다. 도시되어 있는 바와 같이, 스프링 곡선은 스프링의 최대 이동의 종료부 부근에서 평탄화된다. 그 결과, 스프링이 하중이 인가될 것으로 예상되는 영역에서, 이들은 동일한 양으로 편향된다. 연료 전지 스택이 더 압축될 때에도, 각각의 스프링은 여전히 초기에 설치되었을 때와 실질적으로 동일한 힘을 인가한다. 각각의 스프링이 동일한 거리를 이동할 수도 있더라도, 인가된 힘은 원래 힘에 가깝고, 각각의 스프링은 동일한 변위에 대해 상이한 힘을 갖는 다른 스프링과 비교하여 상이한 인가된 힘을 유지할 수도 있다. 도 15a에 도시되어 있는 스프링은 도 15b에 도시되어 있는 것보다 강성이고, 더 높은 편향에서 더 높은 힘을 갖는다.

몇몇 실시예에서, 도 15a에 도시되어 있는 것과 같은 스프링이 스택의 입구를 향해 사용될 수 있고, 도 15b에 도시되어 있는 것과 같은 스프링이 출구를 향해 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 실시예에서, 이는 예를 들어 그렇지 않으면 불균일 접촉 압력을 가질 것인 유동장(예를 들어, LAF가 플레이트의 상이한 지역에서 상이한 유동장)에 대해 실질적으로 균일한 접촉 압력을 달성하기 위해 스택 압축 시스템에 의해 유동장 플레이트의 상이한 지역에 상이한 압축력이 인가될 수 있게 한다.

몇몇 실시예에서, 복수의 스프링이 스택 압축 시스템에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상이한 강성 또는 스프링율을 갖는 다수의 압축 스프링이 스택 압축 시스템에서 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스프링은 연료 전지의 영역을 가로질러 다양한 위치에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 더 큰 내경을 갖는 스프링이 더 큰 활성 영역을 갖는 연료 전지 스택을 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가변 압축 스프링(편향이 증가함에 따라 힘 비율이 증가함)이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서 디스크 스프링이 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 연료 전지 스택 압축 시스템은 상이한 장력을 갖는 복수의 스트랩을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 연료 전지 스택 압축 시스템은 상이한 장력을 갖는 복수의 타이 로드를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 타이 로드의 상이한 것은 상이한 기하학 형상을 갖는다.

몇몇 실시예에서, 연료 전지 스택 압축 시스템은 분할된 단부 플레이트 하드웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 유동장 플레이트와 같은 공간에 있는(또는 적층된 유동장 플레이트의 둘레를 넘어 연장되는) 한 쌍의 단부 플레이트를 포함하기보다는, 연료 전지 스택의 하나 또는 양 단부에 있는 단부 플레이트(들)는 적어도 2개의 부분으로 분할될 수 있고, 각각의 부분은 적층된 유동장 플레이트의 상이한 지역 위에 놓인다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 연료 전지 스택 압축 시스템은 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 2개의 단부 플레이트 세그먼트를 포함하는 단부 플레이트 하드웨어를 포함한다.

도 16a 및 도 16b에 도시되어 있는 것과 같은 몇몇 실시예에서, 타이 로드(1630)와 조합하여 다양한 와셔(1620)는 연료 전지 스택(1610) 내의 연료 전지의 상이한 지역에 상이한 정도의 압축력을 부여하기 위해 연료 전지 스택 조립체(1600)와 함께 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 더 큰 압축력이 요구되는 영역에 더 많은 와셔(1620)가 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 와셔(1620)는 스프링 와셔이다.

도 16c의 부분 분해 사시도에 도시되어 있는 연료 전지 스택 조립체(1650)와 같은, 몇몇 실시예에서, 스택 압축 시스템은 한 쌍의 디스크 스프링(1670a, 1670b)이 그 사이에 위치되어 있는 한 쌍의 플레이트(1660, 1665)를 포함하는 상부 단부 플레이트 조립체를 포함한다. 연료 전지 스택(1675) 내의 연료 전지는 단부 플레이트(1665, 1680) 사이에 개재된다. 압축 스트랩(1690a, 1690b, 1690c)은 플레이트(1660) 위로 연장되고 각각의 단부에서 하부 단부 플레이트(1680)의 부착 지점(1685)에 고정되고, 상부 단부 플레이트 조립체 및 하부 단부 플레이트(1680)와 협력하여 연료 전지 스택(1675)에 압축력을 인가한다. 몇몇 실시예에서, 디스크 스프링(1670a, 1670b)은, 상이한 정도의 압축력이 디스크 스프링의 동일한 변위를 위해 연료 전지 스택(1675) 내의 연료 전지의 상이한 지역에 인가되도록 상이한 스프링율을 가질 수 있다. 스트랩(1690a, 1690b, 1690c)의 장력은 또한, 상이한 정도의 압축력이 연료 전지 스택(1675) 내의 연료 전지의 상이한 지역에 인가되도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 나란히 배열된 2개 초과의 디스크 스프링이 있을 수 있고, 그리고/또는 연료 전지 스택의 하나 또는 양 단부에 나란히 배열된 2개 이상의 디스크 스프링 스택 또는 세트가 있을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 압축 스트랩 또는 밴드의 수 및 배열은 예시된 실시예와 상이할 수 있고, 그리고/또는 이들은 단부 플레이트에 부착되기보다는 연료 전지 스택 및 단부 플레이트를 에워쌀 수 있다.

도 17의 부분 단면도에 도시되어 있는 스택 조립체(1700)와 같은, 몇몇 실시예에서, 유압 블래더 및/또는 실린더-피스톤 장치가 연료 전지 스택(1710)에 압축을 인가하기 위해 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 유압 유체는 입구(1760)를 통해 피스톤(1750)에 공급될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 유압 유체는 상이한 면적을 갖는 하나 이상의 다른 피스톤(도 17에는 도시되어 있지 않음)에 공급될 수 있어, 불균일한 압축력이 연료 전지 스택(1710) 내의 연료 전지를 가로질러 인가되게 된다.

전술된 것들과 같은 압축 시스템 요소(예를 들어, 스프링, 타이 로드, 스트랩, 피스톤, 블래더, 층상 및/또는 분할형 단부 플레이트) 및 다른 적합한 요소는 연료 전지 스택 내의 연료 전지를 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 데 사용될 수 있는 압축 시스템을 제공하도록 다양한 조합으로 구성될 수 있다.

그 길이의 적어도 일부를 따라 폭이 변하는 반응제 채널을 갖는 연료 전지 조립체의 몇몇 실시예에서, 압축 시스템은, 랜딩과 GDL 사이의 접촉 압력이 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록, 그리고/또는 랜딩 활성도 비가 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록 그리고/또는 랜딩 접촉 저항이 연료 전지의 활성 영역을 가로질러 또는 유동장 플레이트의 유동장 지역을 가로질러 실질적으로 균일하도록 유동장과 조합하여 설계될 수 있다. 다른 실시예에서, 압축 시스템은 이들 조건 중 다양한 조건이 상이한 지역에서 충족되도록 유동장과 조합하여 설계될 수 있다.

도 18은 캐소드 및 애노드측 상에 웨지형 가스 확산층(1820, 1825)(가변 두께를 가짐)을 포함하는 연료 전지 조립체(1800)의 단순화된 단면도를 도시하고 있다. 웨지형 GDL은 더 얇은 지역에서보다 더 두꺼운 지역에서 상이한 압축성을 갖는다. 연료 전지 조립체(1800)는 캐소드 채널(1830) 및 애노드 채널(1835)을 포함하고, 채널은 각각의 캐소드 유동장 플레이트(1860) 및 애노드 유동장 플레이트(1865)에 형성된다. 멤브레인 전극 조립체(1850)는 캐소드 유동장 플레이트(1860)와 애노드 유동장 플레이트(1865) 사이에 개재된다. 멤브레인 전극 조립체(1850)는 2개의 GDL(1820, 1825) 사이에 개재된 이온 교환 멤브레인(1870)을 포함할 수 있다. 전기촉매층(도 18에는 도시되어 있지 않음)이 각각의 GDL과 이온 교환 멤브레인(1870) 사이에 배치된다. GDL은 그 영역을 가로질러 달라지는 두께 - 이 예에서, 채널(1830, 1835)의 방향을 따라 좌측으로부터 우측으로 감소함) - 를 갖기 때문에, 이들은 예를 들어 유동장을 가로지르는 다양한 랜드 폭에 의해 야기되는 다양한 접촉 압력을 상쇄할 수 있다. 웨지형 GDL은 균일한 두께를 달성하기 위해 상이한 지역에서 상이한 정도로 압축될 수 있다. 예를 들어, 특정 유동장이 출구를 향해 더 낮은 접촉 압력을 갖는 경향이 있고(예를 들어, 더 높은 LAF 때문에) 따라서 GDL에 더 낮은 압축력을 제공하면, GDL이 출구를 향해 더 압축되게 되어 출구를 향한 랜딩력으로부터의 기여만일 것을 상쇄할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 밀봉 반력이 압축의 증가에 따라 증가하기 때문에, 밀봉 시스템의 체적 및 기하학 형상은 입구로부터 출구까지 밀봉 반력을 균형화하기 위해 밀봉력의 함수로서 변경될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 압축 하의 밀봉 반응 하중은 밀봉부의 체적 및 형상에 기초하여 변한다. 더 넓거나 더 얕은 밀봉부는 더 크거나 더 좁은 밀봉부보다 더 높은 압축 하중 하에서 편향에 저항할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 하중-밸런싱 밀봉부가 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 실시예에서, 하중-밸런싱 밀봉부는 국소 반력으로서 작용한다.

연료 전지 스택 압축의 견지에서 바람직하거나 최적인 것은 연료 전지 스택이 수동 또는 능동 상태인지 여부에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 동적 동작시에, 스택 압축의 견지에서 바람직한 것(예를 들어, 실제 압축력 및 압축력 분포)에 영향을 미칠 수 있는 가스 압력, 애노드와 캐소드 사이의 MEA를 가로지르는 압력차, 채널을 따른 압력 강하 및 상대 습도의 과도 현상이 있을 수 있다.

몇몇 실시예에서, 연료 전지 유동장 또는 연료 전지 스택 압축 시스템, 또는 양자 모두의 조합은 연료 전지 스택이 동작 전에 조립되고 압축될 때(예를 들어, 반응제 및 냉각제 없이) 연료 전지를 가로질러 원하는 접촉 압력 분포를 달성하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 연료 전지 유동장 또는 연료 전지 스택 압축 시스템, 또는 양자 모두의 조합은 연료 전지 스택이 동작 중일 때 연료 전지를 가로질러 원하는 접촉 압력 분포를 달성하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스택 압축 시스템은 조정 가능하고, 상이한 동작 조건 하에서 또는 동작 전 및 중에 연료 전지를 가로지르는 원하는 접촉 압력 분포를 달성하도록 구성되고 조정될 수 있다.

동작시에, 그 길이를 따라 일정한 폭과 실질적으로 일정한 LCWR(및/또는 활성 영역에 걸쳐 균일한 LAF)을 갖는 채널을 이용하는 종래의 연료 전지도 예를 들어, 동작 중에 채널을 따라 발생하는 유체 압력, 상대 습도 및 차압의 변동으로 인해, 활성 영역을 가로질러(또는 랜딩의 길이에 따라) 접촉 압력이 변하는 것을 볼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 그 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 채널 폭을 갖는 연료 전지는 연료 전지가 동작 중일 때 종래의 연료 전지보다 플레이트를 가로질러 더 균일한 조건을 나타내는 경향이 있다. 그러나, 이는 항상 해당하는 것은 아니다. 접촉 압력은 스택이 조립될 때 상당히 균일하더라도, 동작시에 활성 영역을 가로질러 변할 수 있다. 어느 경우든, 불균일 압축력을 연료 전지에 인가하는 연료 전지 스택 압축 시스템의 실시예는 그 예상되는 동작 조건 하에서의 스택의 동작 중에 발생할 것으로 예상되는 접촉 압력의 변동을 완전히 또는 부분적으로 보상하는 데 사용될 수 있다.

채널의 폭이 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 연료 전지에서, 채널 사이 랜딩의 치수 및 기하학 형상의 선택은 접촉 압력 분포(전술된 바와 같이) 및/또는 예를 들어, 랜딩 아래의 반응제 접근, 전기 접촉 저항 및 전류 집전, 열 접촉 저항 및 열 관리와 같은 다른 파라미터에 영향을 미칠 수 있다. 유사하게, 압축 시스템이 이들 파라미터에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 실시예에서 유동장 및/또는 압축 시스템은 연료 전지 성능에 영향을 미칠 수 있는 하나의 특정 파라미터를 개선하거나 최적화하도록 설계될 수 있지만, 다른 실시예에서 유동장 또는 압축 시스템(또는 이들의 조합)은 적절한 절충을 통해 여러 경쟁 파라미터를 가로질러 허용 가능한 레벨을 달성하도록 설계될 수 있다.

도 19는 유동장 D를 갖는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(스택 D)의 성능과 함께 유동장 A를 갖는 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택(스택 A)의 성능을 도시하고 있다. 유동장 A와 유동장 D의 채널/랜딩 기하학 형상 사이의 차이가 도 9 내지 도 12와 관련하여 설명된다. 스택은 동일한 조건 하에서 동작되었고, 동일한 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 채용했으며, 유동장 플레이트의 외부 치수는 양 스택에서 동일했다. 양 스택 모두 동일한 수의 전지 스택을 가졌다. 도 19의 비교 스택 전압(볼트) 대 전류(암페어) 플롯은, 스택 D(유동장 D를 갖는 전지를 사용함)가 스택 A(유동장 A를 갖는 전지를 사용함)에 비해 개선된 성능을 제공하는 것을 도시하고 있다. 스택 D의 전지 내부 저항은 스택 A보다 스택 D에 대해 14.3% 더 낮은 것으로 판명되었다.

이하의 설명 전체에 걸쳐, 본 발명의 더 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 상세가 설명된다. 그러나, 본 발명은 이들 상세 없이 실시될 수도 있다. 다른 경우에, 공지의 요소는 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 나타내거나 설명되어 있지 않다. 이에 따라, 명세서 및 도면은 한정적인 개념보다는, 예시적인 개념으로 간주되어야 한다.

문맥상 달리 명확하게 요구되지 않으면, 상세한 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐:

● "포함하다", "포함하는" 등은 배타적이거나 포괄적인 개념에 대조적으로 포함적인 개념으로; 즉 "포함하지만, 이에 한정되지 않는"의 개념으로 해석되어야 하고;

● "연결된", "결합된" 또는 이들의 임의의 변형은 2개 이상의 요소 사이의 직접 또는 간접적인 영구 또는 비영구적인 연결 또는 결합을 의미하고; 요소 사이의 결합 또는 연결은 물리적, 논리적 또는 이들의 조합일 수 있고;

● "본 명세서", "위", "아래" 및 유사한 의미의 단어는 본 명세서를 설명하기 위해 사용될 때, 본 명세서의 임의의 특정 부분이 아니라, 전체로서 본 명세서를 지칭할 것이다.

● 2개 이상의 항목의 리스트와 관련하여 "또는"은 단어의 이하의 해석: 리스트 내의 임의의 항목, 리스트 내의 모든 항목, 및 리스트 내의 항목의 임의의 조합의 모두를 커버하고;

● 단수 형태는 또한 임의의 적절한 복수 형태의 의미를 포함한다.

상세한 설명 및 임의의 첨부된 청구범위(존재하는 경우)에 사용된 "수직", "횡방향", "수평", "상향", "하향", "전방", "후방", "내향", "외향", "수직", "횡방향", "좌측", "우측", "앞", "뒤", "상부", "하부", "아래", "위", "하" 등과 같은 방향을 나타내는 단어는 설명되고 도시된 장치의 특정 배향에 의존한다. 본 명세서에 설명된 주제는 다양한 대안적 배향을 취할 수도 있다. 이에 따라, 이들 방향 용어는 엄격하게 정의되는 것은 아니고 좁게 해석되어서는 안 된다.

구성요소(예를 들어, 유동장 플레이트, 가스 확산층, 스프링, 조립체, 디바이스 등)가 상기에 참조되는 경우, 달리 지시되지 않으면, 해당 구성요소의 참조("수단"에 대한 참조를 포함함)는, 설명된 구성요소의 기능을 수행하는 개시된 구조체와 구조적으로 등가이지 않은 구성요소를 포함하여, 설명된 구성요소의 기능을 수행하는(즉, 기능적으로 등가인) 임의의 구성요소를 해당 구성요소의 등가물로서 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시스템, 방법 및 장치의 특정 예는 예시를 위해 본 명세서에 설명되었다. 이들은 단지 예일 뿐이다. 본 명세서에 제공된 기술은 전술된 예시적인 시스템 이외의 시스템에 적용될 수 있다. 많은 변경, 수정, 추가, 생략 및 치환이 본 발명의 실시 내에서 가능하다. 본 발명은 특징, 요소 및/또는 동작을 등가의 특징, 요소 및/또는 동작으로 대체; 상이한 실시예로부터의 특징, 요소 및/또는 동작의 혼합 및 정합; 다른 기술의 특징, 요소 및/또는 동작과 본 명세서에 설명된 바와 같은 실시예로부터의 특징, 요소 및/또는 동작의 조합; 및/또는 설명된 실시예로부터 조합 특징, 요소 및/또는 동작의 생략에 의해 얻어지는 변형을 포함하여, 통상의 기술자에게 명백할 것인 설명된 실시예에 대한 변형을 포함한다.

본 발명의 특정 요소, 실시예 및 용례가 도시되고 설명되었지만, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고, 특히 전술된 교시의 견지에서 수정이 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있기 때문에 본 발명은 이에 한정되지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다.

Claims (41)

1. 단위 전지를 포함하는 연료 전지 조립체이며, 상기 단위 전지는:
   제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 양성자 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 제1 가스 확산층과 제1 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 가스 확산층과 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 촉매층은 상기 단위 전지의 활성 영역을 형성하는, 멤브레인 전극 조립체;
   상기 제1 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 유동장 플레이트로서, 상기 제1 유동장 플레이트는 그 상기 제1 표면에 형성된 복수의 제1 채널을 포함하고, 상기 제1 채널 중 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리되고, 상기 제1 채널은 제1 채널 길이를 갖고, 상기 제1 채널은 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖는, 제1 유동장 플레이트;
   상기 제2 전극에 인접한 제2 유동장 플레이트를 포함하고,
   실질적으로 균일한 압축력이 상기 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하기 위해 상기 단위 전지에 인가될 때, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 접촉 압력은 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
2. 제1항에 있어서, 랜딩-채널 폭 비(LCWR)는 상기 제1 채널 길이를 따라 실질적으로 일정한, 연료 전지 조립체.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 제1 표면 상의 랜딩 영역 분율(LAF)은 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 유동장 플레이트는 상기 제2 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖고, 상기 제2 유동장 플레이트는 그 상기 제1 표면에 형성된 복수의 제2 채널을 포함하고, 상기 제2 채널 중 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리되고, 상기 제2 채널은 제2 채널 길이를 갖고, 상기 제2 채널은 상기 제2 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖고,
   상기 실질적으로 균일한 압축력이 상기 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하기 위해 상기 단위 전지에 인가될 때, 상기 제2 가스 확산층과 상기 제2 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 접촉 압력은 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널은 상기 제1 채널의 전체 길이를 따라 변하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널은 반응제 유동 방향으로 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널은 자연 지수 함수에 따라 반응제 유동 방향으로 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하는, 연료 전지 조립체.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 영역은 비직사각형인, 연료 전지 조립체.
10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 영역은 사다리꼴인, 연료 전지 조립체.
11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실질적으로 균일한 압축력이 상기 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하기 위해 상기 단위 전지에 인가될 때, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 상기 접촉 압력은 상기 연료 전지 조립체가 비동작 상태에 있을 때 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실질적으로 균일한 압축력이 상기 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하기 위해 상기 단위 전지에 인가될 때, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 상기 접촉 압력은 전력을 발생하기 위한 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
13. 단위 전지를 포함하는 연료 전지 조립체이며, 상기 단위 전지는:
    제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 양성자 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 제1 가스 확산층과 제1 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 가스 확산층과 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 촉매층은 상기 단위 전지의 활성 영역을 형성하는, 멤브레인 전극 조립체;
    상기 제1 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 유동장 플레이트로서, 상기 제1 유동장 플레이트는 그 상기 제1 표면에 형성된 복수의 제1 채널을 포함하고, 상기 제1 채널 중 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리되고, 상기 제1 채널은 제1 채널 길이를 갖고, 상기 제1 채널은 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖는, 제1 유동장 플레이트;
    상기 제2 전극에 인접한 제2 유동장 플레이트; 및
    상기 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하고 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 압축 시스템으로서, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 접촉 압력은 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 압축 시스템을 포함하는, 연료 전지 조립체.
14. 제13항에 있어서, 랜딩-채널 폭 비(LCWR)는 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는, 연료 전지 조립체.
15. 제13항에 있어서, 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 제1 표면 상의 랜딩 영역 분율(LAF)은 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 변하는, 연료 전지 조립체.
16. 제13항에 있어서, 상기 제2 유동장 플레이트는 상기 제2 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖고, 상기 제2 유동장 플레이트는 그 상기 제1 표면에 형성된 복수의 제2 채널을 포함하고, 상기 제2 채널 중 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리되고, 상기 제2 채널은 제2 채널 길이를 갖고, 상기 제2 채널은 상기 제2 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖고,
    상기 제2 가스 확산층과 상기 제2 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 접촉 압력은 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널은 상기 제1 채널의 전체 길이를 따라 변하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널은 반응제 유동 방향으로 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
19. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널은 자연 지수 함수에 따라 반응제 유동 방향으로 상기 제1 채널 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
20. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하는, 연료 전지 조립체.
21. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 영역은 비직사각형인, 연료 전지 조립체.
22. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 영역은 사다리꼴인, 연료 전지 조립체.
23. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 상기 접촉 압력은 상기 연료 전지 조립체가 비동작 상태에 있을 때 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
24. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 상기 접촉 압력은 전력을 발생하기 위한 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 연료 전지 조립체.
25. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 압축 시스템은 한 쌍의 단부 플레이트 조립체를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 상기 한 쌍의 단부 플레이트 조립체 사이에 개재되고, 상기 단부 플레이트 조립체 중 적어도 하나는 상기 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 복수의 플레이트 세그먼트를 포함하는, 연료 전지 조립체.
26. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 압축 시스템은 한 쌍의 단부 플레이트 조립체를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 상기 한 쌍의 단부 플레이트 조립체 사이에 개재되고, 상기 단부 플레이트 조립체 중 적어도 하나는 상기 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 복수의 플레이트 세그먼트를 포함하고, 상기 복수의 플레이트 세그먼트의 각각은 상이한 힘-변위 특성을 갖는 스프링 세트를 포함하고, 상기 세그먼트 및 연관 스프링 세트의 각각은 상기 연료 전지 스택 상에 상이한 압축력을 인가하는, 연료 전지 조립체.
27. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 압축 시스템은 제1 및 제2 단부 플레이트 조립체와 상기 제1 단부 플레이트 조립체와 상기 연료 전지 스택 사이에 개재되어 나란히 위치된 제1 스프링 조립체 및 제2 스프링 조립체를 포함하고, 상기 제1 스프링 조립체는 상기 단위 전지의 상기 활성 영역의 제1 부분 위에 놓이고 상기 제2 스프링 조립체는 상기 단위 전지의 상기 활성 영역의 제2 부분 위에 놓이고, 상기 제1 스프링 조립체는 상기 제2 스프링 조립체와는 상이한 힘-변위 특성을 갖는, 연료 전지 조립체.
28. 단위 전지를 포함하는 연료 전지 조립체이며, 상기 단위 전지는:
    제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 양성자 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 제1 전극은 제1 가스 확산층과 제1 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 가스 확산층과 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 촉매층은 상기 단위 전지의 활성 영역을 형성하는, 멤브레인 전극 조립체;
    상기 제1 가스 확산층에 인접한 제1 표면을 갖는 제1 유동장 플레이트로서, 상기 제1 유동장 플레이트는 그 상기 제1 표면에 형성된 복수의 제1 채널을 포함하고, 상기 제1 채널 중 인접한 것들은 랜딩에 의해 분리되고, 상기 제1 채널은 길이를 갖는, 제1 유동장 플레이트;
    상기 제2 전극에 인접한 제2 유동장 플레이트; 및
    상기 제1 및 제2 유동장 플레이트를 서로를 향해 압박하고 전력을 생산하기 위해 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 압축 시스템으로서, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제1 유동장 플레이트의 상기 랜딩 사이의 접촉 압력은 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에 상기 단위 전지의 상기 활성 영역을 가로질러 실질적으로 균일한, 압축 시스템을 포함하는, 연료 전지 조립체.
29. 제28항에 있어서, 상기 제1 채널은 상기 제1 채널의 상기 길이의 적어도 일부를 따라 변하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
30. 제28항에 있어서, 상기 제1 채널은 상기 제1 채널의 전체 길이를 따라 변하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
31. 제28항에 있어서, 상기 제1 채널은 반응제 유동 방향으로 상기 제1 채널의 상기 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
32. 제28항에 있어서, 상기 제1 채널은 자연 지수 함수에 따라 반응제 유동 방향으로 상기 제1 채널의 상기 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 폭을 갖는, 연료 전지 조립체.
33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하는, 연료 전지 조립체.
34. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 영역은 비직사각형인, 연료 전지 조립체.
35. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성 영역은 사다리꼴인, 연료 전지 조립체.
36. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 압축 시스템은 한 쌍의 단부 플레이트 조립체를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 상기 한 쌍의 단부 플레이트 조립체 사이에 개재되고, 상기 단부 플레이트 조립체 중 적어도 하나는 상기 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 복수의 플레이트 세그먼트를 포함하는, 연료 전지 조립체.
37. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 압축 시스템은 한 쌍의 단부 플레이트 조립체를 포함하고, 상기 연료 전지 스택은 상기 한 쌍의 단부 플레이트 조립체 사이에 개재되고, 상기 단부 플레이트 조립체 중 적어도 하나는 상기 연료 전지 스택의 일 단부에 나란히 위치된 복수의 플레이트 세그먼트를 포함하고, 상기 복수의 플레이트 세그먼트의 각각은 상이한 힘-변위 특성을 갖는 스프링 세트를 포함하고, 상기 세그먼트 및 연관 스프링 세트의 각각은 상기 연료 전지 스택 상에 상이한 압축력을 인가하는, 연료 전지 조립체.
38. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 복수의 상기 단위 전지를 포함하는 연료 전지 스택을 포함하고, 상기 압축 시스템은 제1 및 제2 단부 플레이트 조립체와 상기 제1 단부 플레이트 조립체와 상기 연료 전지 스택 사이에 개재되어 나란히 위치된 제1 스프링 조립체 및 제2 스프링 조립체를 포함하고, 상기 제1 스프링 조립체는 상기 단위 전지의 상기 활성 영역의 제1 부분 위에 놓이고 상기 제2 스프링 조립체는 상기 단위 전지의 상기 활성 영역의 제2 부분 위에 놓이고, 상기 제1 스프링 조립체는 상기 제2 스프링 조립체와는 상이한 힘-변위 특성을 갖는, 연료 전지 조립체.
39. 전력을 생산하기 위해 연료 전지 조립체의 동작 중에 고체 폴리머 연료 전지 조립체 내의 구성요소 사이의 접촉 압력 변동을 감소시키기 위한 방법이며, 상기 방법은 상기 연료 전지 조립체의 동작에 의해 야기되는 접촉 압력의 변동을 적어도 부분적으로 보상하기 위해 상기 연료 전지 조립체의 활성 영역을 가로질러 불균일한 압축력을 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
40. 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 신규하고 독창적인 특징부, 특징부의 조합 또는 특징부의 하위 조합을 갖는, 장치.
41. 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 신규하고 독창적인 단계, 동작, 단계 및/또는 동작의 조합 또는 단계 및/또는 동작의 하위 조합을 갖는, 방법.

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