KR20230169219A

KR20230169219A - 전이 구역이 감소 및/또는 제거된 연료 전지 플레이트를 갖는 연료 전지 조립체

Info

Publication number: KR20230169219A
Application number: KR1020237038328A
Authority: KR
Inventors: 데이빗 어윈 카딜락; 클로뎃 케넷; 매튜 파오네
Original assignee: 루프 에너지 인크.
Priority date: 2021-04-10
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-12-15
Also published as: CA3214682A1; EP4315465A1; US20240105968A1; WO2022213214A1

Abstract

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체는 전이 구역이, 제거되지는 않더라도, 감소된 연료 전지 유동장 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 방법 및 장치는 연료 전지 조립체의 연료 전지 플레이트 상의 전이 구역에 의해 점유되는 영역을, 제거하지는 않더라도, 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 스택은 조각된 산화제 입구 커넥터를 포함하는 산화제 입구 조립체, 및 조각된 개구를 갖는 공급 플레이트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 연료 전지 스택은 조각된 개구를 갖는 공급 플레이트를 포함하는 산화제 출구 조립체 및 조각된 산화제 출구 커넥터를 포함할 수 있다.

Description

전이 구역이 감소 및/또는 제거된 연료 전지 플레이트를 갖는 연료 전지 조립체

[관련 출원에 대한 상호 참조]

본 출원은 "Fuel Cell Assemblies with Fuel Cell Plates with Reduced and/or Eliminated Transition Regions"라는 명칭으로 2021년 4월 10일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제63/173,424호에 관련되어 있으며 이로부터 우선권 이익을 주장한다. '424 출원은 그 전체 내용이 참조로 본 출원에 포함된다.

[발명의 분야]

본 개시내용은, 전이 구역이, 제거되지는 않더라도, 감소된 연료 전지 유동장 플레이트를 포함하는 연료 전지 조립체에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 연료 전지 조립체의 연료 전지 플레이트 상의 전이 구역에 의해 점유되는 영역을, 제거하지는 않더라도, 감소시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 연료 전지 스택용 입구 및 출구 조립체에 관한 것이며, 입구 및 출구 조립체는 조각된(sculpted) 커넥터 및/또는 내부에 조각된 포트 또는 개구가 있는 공급 플레이트를 포함한다.

고체 폴리머 연료 전지는 수소 및 산소와 같은 연료로부터 전력과 물을 생성하는 전기화학 디바이스이다. 개별 고체 폴리머 연료 전지는 애노드와 캐소드를 분리하는 이온 교환 멤브레인 전해질을 포함하며, 애노드와 캐소드는 각각 촉매 층을 포함한다. 애노드-전해질-캐소드는 전형적으로 연료와 산화제가 애노드 및 캐소드 촉매 층 각각에 접근하는 것을 용이하게 하고 연료 전지의 동작 중에 형성된 물의 제거를 제공하는 한 쌍의 전기 전도성 반응물 유동장 플레이트 사이에 개재된다. 연료 전지 전극에 대한 반응물의 분포를 용이하게 하고 스택의 개별 전지에서 생성된 물을 제거하는 것 외에도, 유동장 플레이트는 또한 열 관리(냉각) 및 전류 수집을 지원할 수 있다.

유동장 플레이트는 일반적으로 그 주 표면 중 하나 또는 둘 모두에 유동장을 가지고 있다. 유동장은 종종 하나 이상의 개방 채널을 포함하며, 예를 들어, 플레이트의 한 주 표면에 반응물(연료 또는 산화제) 채널이 있으며 다른 주 표면에는 냉각제 채널이 있을 수 있거나, 또는 플레이트의 한 주 표면에 연료 채널이 있으며 다른 주 표면에는 산화제 채널이 있을 수 있다. 채널은 전형적으로 입구와 출구 사이에서 연장되지만, 서로 맞물린 채널이나 격자 채널 패턴과 같은 다른 배열이 때때로 사용된다. 전형적으로, 본 출원에서 가스 확산 층(GDL)으로 지칭되는 다공성 압축성 유체 분포 층은 유동장 플레이트와 각각의 전극 사이에 개재되고, 반응물은 다공성 GDL을 통해 플레이트의 채널로부터 촉매 층에 접근한다. 멤브레인, 애노드 및 캐소드 촉매 층과 한 쌍의 GDL은 종종 조합되어 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 형성하고, 이는 이후 한 쌍의 유동장 플레이트 사이에 배치되어 개별 연료 전지 조립체를 형성한다. 다른 예에서, 유동장은 유동장 플레이트의 한 표면에 형성된 개방형 챔버일 수 있으며, 챔버는 반응물이 통과하여 유동할 수 있는 다공성 재료(예컨대, 폼 또는 메시)를 포함할 수 있거나, 및/또는 인접한 MEA를 지지하는 피처를 포함할 수 있다. 복수의 연료 전지 조립체가 배열되어 연료 전지 스택을 형성할 수 있다. 연료 전지의 활성 영역은 연료 전지의 동작 중에 연료 전지 전기화학적 반응이 일어나 연료와 산화제로부터 전력과 물을 생성하는 구역(또는 그 위쪽의 영역)으로 정의될 수 있다. 일반적으로, 활성 영역은 전기촉매가 유동장을 통해 제공되는 기체 반응물에 접근할 수 있으며 전류가 수집될 수 있는 연료 전지의 구역(들)이다. 일부 실시예에서 유동장에 의해 점유되는 영역은 활성 영역과 동일하며, 이들은 동연적(co-extensive)이다. 일부 실시예에서 유동장은 활성 영역을 넘어 연장되고, 유동장에 의해 점유되는 영역은 활성 영역보다 더 크다. 비활성 영역은 일반적으로 기본적인 연료 전지 반응에 기여하는 전기화학적 활동이 발생하지 않는 구역(들)이다. 비활성 영역은 전형적으로 연료 전지 활성 영역의 주변의 주위에 위치된다.

종래의 연료 전지 유동장 플레이트에서, 활성 영역 내에서 반응물 채널은 전형적으로 그 길이를 따라 일정한 폭(및 단면적)을 갖는다. 이는 일반적으로 직선형 채널을 갖는 연료 전지 및 구불구불한 채널을 갖는 연료 전지의 경우에 대응된다.

연료와 산화제가 연료 전지에 걸쳐 실질적으로 동일한 방향으로 유동(연료와 산화제의 "병류(co-flow)" 구성으로 지칭됨)하는 종래의 직선 채널 연료 전지는 종종 압력 및 반응물 농도가 가장 높은 입구 근방에 국소적인 높은 전류 밀도를 갖는다. 이 구역에서 생성되는 열은 이 구역에 개선된 냉각이 제공될 것을 필요로 할 수 있으며, 이는 종종 반응물 채널의 시작 부분에 또는 그 근방에 입구 냉각제 포트를 위치시키는 단위 전지 설계를 초래한다.

이러한 배열은 캐소드 유동장 플레이트의 산화제 입구 포트가 주 유동 방향으로부터 오프셋되거나 및/또는 산화제 채널의 시작 부분으로부터 약간의 거리에 위치되는 것을 초래할 수 있다. 일부 경우에, 산화제 입구 포트는 산화제가 공급되는 활성 영역 또는 유동장의 폭에 대해 치수적으로 불일치된다(예를 들어, 더 좁다). 이러한 오프셋, 거리 및/또는 치수 불일치는 종종 산화제 입구 포트와 산화제 채널의 시작 부분 사이의 유동장 플레이트에 복잡하게 설계된 입구 전이 구역이 제공될 필요가 있게 만든다. 유사하게, 연료측에서는, 종종 연료 입구 포트와 연료 채널의 시작 부분 사이의 애노드 유동장 플레이트에 입구 전이 구역이 제공된다. 이러한 입구 전이 구역은 일반적으로 유동 방향의 폭이 증가하며, 예를 들어 확장을 통한 유체 운동량의 감소 및 유체의 방향 전환에 의해 일반적으로 하류 채널 사이에서 반응물의 보다 균일한 분포를 제공하는 유동 지향 피처 및 공간으로 설계된다. 종종 전이 구역은 반응물 입구뿐만 아니라 연료 전지의 반응물 출구에도 제공되며, 예를 들어 산화제 채널의 단부와 산화제 출구 포트 사이의 캐소드 유동장 플레이트에 및/또는 연료 채널의 단부와 연료 출구 포트 사이의 애노드 유동장 플레이트에 제공된다. 출구 전이 구역은 전형적으로 유동 방향의 폭이 감소하며, 일반적으로 채널로부터 출구 포트로의 유체의 수집 및 지향을 용이하게 하는 유동 지향 피처 및 공간으로 설계된다.

단위 전지 내의 불균일한 유동 분포는 동일한 플레이트의 다른 채널에 비교하여 특정 채널에 더 많은 유동이 분포되는 경우의 발생을 설명한다. 연료 전지 성능은 일반적으로 애노드보다 캐소드에서 불균일한 채널 간 유동 분포에 더욱 민감하고, 종종 각각의 산화제 채널의 유량이 평균의 특정 백분율 이내로 되도록 캐소드 입구 전이 구역을 설계하는 데 노력이 투입된다. 캐소드 및/또는 애노드에서의 불균일한 유동 분포는 불균일한 전류 밀도 분포로 이어질 수 있으며, 이는 결국 전체 연료 전지 성능을 저하시키거나 및/또는 열화 메커니즘을 가속시킬 수 있다.

연료 전지에서 유동장 플레이트의 전체 활성 영역과 비교할 때 전이 구역에 의해 점유되는 영역은 종종 상당하다. 이는 연료 전지 스택의 전체 전력 밀도에 상당히 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

또한, 그 설계의 특성상, 전이 구역은 일반적으로 산화제 유동의 운동량의 감소를 초래하고 반응물 채널 상류의 압력 강하 및 유동 속도의 감소를 모두 유발한다. 또한, 전이 구역이 활성 영역 내에 있는 경우, 연료, 산화제 및 냉각제 스트림의 유동 방향은 일반적으로 정렬되지 않으며, (예를 들어, 병류 구성에서) 유동이 정렬되었을 경우만큼 온도, 압력 및 농도 구배가 면외 방향으로 크지 않다. 운동량 및 점도 효과가 상이한 다양한 작동 유량에서 전이 구역 내 및 전이 구역으로부터 균일한, 또는 적어도 거의 균일한 유동 분포를 보장해야 하는 추가 과제가 있다. 특히, 산화제 출구에서 전이 구역을 사용하는 경우의 다른 단점은, 이러한 전이 구역에서 물을 효과적으로 제거하기 위한 유체 유동의 용량이 감소된다는 점이다. 전이 구역은 일반적으로 채널 형상이 기본 유동 방향으로 분해되는 구역이며, 액체인 물을 하류로 몰아갈 수 있는 액체인 물의 축적 배후에 압력이 형성될 가능성이 적은 구역이다.

마지막으로, 전이 구역은 일반적으로 특정 작동 조건(예를 들어, 유량, 압력)에 맞게 설계되거나 최적화되기 때문에, 다양한 작동 조건에 대하여 전이 구역을 상이하게 설계하는 것이 필요하거나 유익할 수 있다. 연료 전지 유동장 플레이트는 전형적으로 비용이 많이 드는 하드 툴링(hard tooling)이 필요한 압축 성형 또는 스탬핑을 통해 제조되므로, 작동 변경에 대한 플레이트 설계의 유연함을 떨어뜨린다.

미국 특허 제7,838,769호 및 미국 특허 제10,686,199호에 설명된 것과 같은 개선된 연료 전지는 입구와 출구 사이의 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변화되는 단면적을 갖는 반응물 채널이 있는 유동장 플레이트를 가질 수 있다. 다양한 단면적을 갖는 반응물 채널을 포함하는 연료 전지는, 예를 들어 보다 균일한 전류 밀도 제공, 전체 전류 밀도 증가를 통한 성능 개선, 및/또는 활성 영역에 걸친 개선된 물 관리 및 반응물 가용성을 포함하여, 종래의 연료 전지 유동 분야에 비해 여러 이점을 제공할 수 있다. 입구와 출구 사이의 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변화되는 단면적을 갖는 반응물 채널이 있는 유동장 플레이트를 갖는 일부 연료 전지에 있어서, 변화되는 것은 채널 폭이다.

이들 개선된 유동장 플레이트(입구와 출구 사이의 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변화되는 단면적을 갖는 산화제 및/또는 연료 채널이 있음)를 사용하면, 연료 전지 조립체의 연료 전지 유동장 플레이트에서 전이 구역에 의해 점유되는 영역을 감소시킬 수 있거나, 또는 전이 구역을 제거할 수 있다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체는 제1 유동장 플레이트, 제2 유동장 플레이트, 제1 유동장 플레이트와 제2 유동장 플레이트 사이의 멤브레인 전극 조립체를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 유동장 플레이트는 제1 입구 포트; 제2 입구 포트; 제1 출구 포트; 및/또는 제2 출구 포트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제2 유동장 플레이트는 대응하는 제1 입구 포트; 대응하는 제2 입구 포트; 대응하는 제1 출구 포트; 및 대응하는 제2 출구 포트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 입구 포트 및 대응하는 제1 입구 포트는 정렬되어 제1 입구 헤더의 적어도 일부를 형성하고, 제2 입구 포트 및 대응하는 제2 입구 포트는 정렬되어 제2 입구 헤더의 적어도 일부를 형성하며, 제1 출구 포트 및 대응하는 제1 출구 포트는 정렬되어 제1 출구 헤더의 적어도 일부를 형성하고, 제2 출구 포트 및 대응하는 제2 출구 포트는 정렬되어 제2 출구 헤더의 적어도 일부를 형성하며, 제1 입구 포트는 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트에 유체 연결되고, 제2 입구 포트는 제2 유동장을 통해 제2 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 입구는 제1 입구 전이 구역을 통해 제1 입구 포트에 유체 연결되고, 제1 복수의 채널의 채널 출구는 제1 출구 전이 구역을 통해 제1 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역과 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 입구 포트와 제1 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 제1 입구 전이 구역과 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장 영역의 20% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 제1 입구 전이 구역과 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장 영역의 5% 미만이다.

일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역의 유동 단면적은 제1 입구 포트와 제1 복수의 채널의 채널 입구 사이에서 실질적으로 일정하다. 일부 실시예에서, 제1 출구 전이 구역의 유동 단면적은 제1 복수의 채널의 채널 출구와 제1 출구 포트 사이에서 실질적으로 일정하다.

일부 실시예에서, 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 가지며, 제2 복수의 채널의 채널 입구는 제2 입구 전이 구역을 통해 제2 입구 포트에 유체 연결되며, 제2 복수의 채널의 채널 출구는 제2 출구 전이 구역을 통해 제2 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역 및 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 입구 포트, 제1 출구 포트, 제2 입구 포트 및 제2 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만이다.

일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역 및 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장 영역의 20% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역 및 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장 영역의 5% 미만이다.

일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고, 제1 복수의 채널의 채널 입구는 제1 입구 포트에 위치되거나 및/또는 제1 복수의 채널의 채널 출구는 제1 출구 포트에 위치된다.

일부 실시예에서, 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고, 제2 복수의 채널의 채널 입구는 제2 입구 포트에 위치되거나 및/또는 제2 복수의 채널의 채널 출구는 제2 출구 포트에 위치된다.

일부 실시예에서, 제1 유동장 플레이트는 제3 입구 포트 및 제3 출구 포트를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 유동장 플레이트는 대응하는 제3 입구 포트 및 대응하는 제3 출구 포트를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제3 입구 포트 및 대응하는 제3 입구 포트는 정렬되어 제3 입구 헤더의 적어도 일부를 형성한다. 일부 실시예에서, 제3 출구 포트 및 대응하는 제3 출구 포트는 정렬되어 제3 출구 헤더의 적어도 일부를 형성한다. 일부 실시예에서, 제3 입구 포트는 제3 유동장을 통해 제3 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는다. 일부 실시예에서, 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는다. 일부 실시예에서, 제3 유동장은 제3 복수의 채널을 포함하고, 제3 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는다.

일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 입구는 제1 입구 전이 구역을 통해 제1 입구 포트에 유체 연결되고, 제1 복수의 채널의 채널 출구는 제1 출구 전이 구역을 통해 제1 출구 포트에 유체 연결되고, 제2 복수의 채널의 채널 입구는 제2 입구 전이 구역을 통해 제2 입구 포트에 유체 연결되고, 제2 복수의 채널의 채널 출구는 제2 출구 전이 구역을 통해 제2 출구 포트에 유체 연결되고, 제3 복수의 채널의 채널 입구는 제3 입구 전이 구역을 통해 제3 입구 포트에 유체 연결되고, 및/또는 제3 복수의 채널의 채널 출구는 제3 출구 전이 구역을 통해 제3 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역, 제2 출구 전이 구역, 제3 입구 전이 구역 및 제3 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 입구 포트, 제1 출구 포트, 제2 입구 포트, 제2 출구 포트, 제3 입구 포트 및 제3 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만이다.

일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역, 제2 출구 전이 구역, 제3 입구 전이 구역 및 제3 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장 영역의 20% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역, 제2 출구 전이 구역, 제3 입구 전이 구역 및 제3 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장 영역의 5% 미만이다.

일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 입구는 제1 입구 포트에 위치되고, 제1 복수의 채널의 채널 출구는 제1 출구 포트에 위치되고, 제2 복수의 채널의 채널 입구는 제2 입구 포트에 위치되고, 제2 복수의 채널의 채널 출구는 제2 출구 포트에 위치되고, 및/또는 제3 복수의 채널의 채널 입구는 제3 입구 포트에 위치되고, 제2 복수의 채널의 채널 출구는 제3 출구 포트에 위치된다.

일부 실시예에서, 제1 입구 포트는 제1 입구 포트 폭을 갖고, 제1 복수의 채널의 채널 입구에서, 제1 복수의 채널은 제1 입구 유동장 폭에 걸쳐 있으며, 제1 출구 포트는 제1 출구 포트 폭을 갖고, 제1 복수의 채널의 채널 출구에서, 제1 복수의 채널은 제1 출구 유동장 폭에 걸쳐 있다.

일부 실시예에서, 제1 입구 유동장 폭은 제1 입구 포트 폭과 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 제1 출구 유동장 폭은 제1 출구 포트 폭과 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 제1 입구 포트 폭과 제1 입구 유동장 폭은 제1 입구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다르다. 일부 실시예에서, 제1 출구 포트 폭과 제1 출구 유동장 폭은 제1 출구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다르다.

일부 실시예에서, 제1 입구 포트, 제1 출구 포트 및 제1 유동장은 산화제를 운반하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제2 입구 포트, 제2 출구 포트 및 제2 유동장은 연료를 운반하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체는 사다리꼴인 활성 영역을 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 유동장 플레이트와 제2 유동장 플레이트는 사다리꼴이다.

일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 중 일부 또는 전부는 채널 입구로부터 채널 출구까지 채널 길이의 적어도 일부를 따라 단면적이 감소한다. 일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 중 일부 또는 전부는 채널 입구로부터 채널 출구까지 단면적이 단조롭게 감소한다. 일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 중 일부 또는 전부는 채널 입구로부터 채널 출구까지 채널 길이의 적어도 일부를 따라 단면적이 선형적으로 감소한다. 일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 중 일부 또는 전부는 채널 입구로부터 채널 출구까지 채널 길이의 적어도 일부를 따라 단면적이 기하급수적으로 감소한다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±20% 이내이다. 일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±15% 이내이다. 일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±10% 이내이다. 일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±2.5% 이내이다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 실질적으로 동일하다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±20% 이내이다. 일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±15% 이내이다. 일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±10% 이내이다. 일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±1% 이내이다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체의 동작 중에, 제1 입구 헤더에는 제1 반응물이 공급되고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 실질적으로 동일하다.

일부 실시예에서, 제1 입구 포트, 제1 출구 포트 및 제1 유동장은 산화제를 운반하도록 구성되고, 제2 입구 포트, 제2 출구 포트 및 제2 유동장은 연료를 운반하도록 구성되고, 및/또는 제3 입구 포트, 제3 출구 포트 및 제3 유동장은 냉각제를 운반하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 제3 복수의 채널은 Z 형상 유동 구성을 따른다.

일부 실시예에서, 연료 전지 스택은 연료 전지 조립체(예컨대, 위에 인용된 실시예 중 하나), 제1 단부 플레이트 조립체; 및 제2 단부 플레이트 조립체를 포함한다.

일부 실시예에서, 연료 전지 스택은 디스크 스프링, 타이 로드, 유압 시스템, 클램프, 제1 단부 플레이트 조립체와 제2 단부 플레이트 조립체를 서로를 향해 가압하도록 구성된 스트랩, 및/또는 제1 입구 헤더에 유체 연결되는 조각된 제1 입구 커넥터를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 조각된 제1 입구 커넥터는 전이 구역으로 작용한다.

일부 실시예에서, 연료 전지 스택의 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고, 제1 복수의 채널의 채널 입구는 제1 입구 포트에 위치된다.

일부 실시예에서, 연료 전지 조립체를 동작하는 방법(예컨대, 위에 인용된 실시예 중 하나)은 제1 반응물이 제1 입구 포트로부터 제1 방향으로 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하도록 제1 입구 헤더에 제1 반응물을 공급하는 단계, 제2 반응물이 제2 입구 포트로부터 제2 방향으로 제2 유동장을 통해 제2 출구 포트로 유동하도록 제2 입구 헤더에 제2 반응물을 공급하는 단계를 수반한다. 일부 실시예에서, 제1 방향과 제2 방향은 실질적으로 동일하고, 이에 의해, 연료 전지 조립체는 병류 반응물 구성으로 동작된다.

연료 전지 조립체를 동작하는 방법(예컨대, 위에 인용된 실시예 중 하나)의 일부 실시예에서, 산화제는 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 방향으로 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 연료는 제2 입구 헤더에 공급되며 제2 입구 포트로부터 제2 방향으로 제2 유동장을 통해 제2 출구 포트로 유동하고, 냉각제는 제3 입구 헤더에 공급되며 제3 입구 포트로부터 제3 방향으로 제3 유동장을 통해 제3 출구 포트로 유동한다. 일부 실시예에서, 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향은 실질적으로 동일하고, 이에 의해, 연료 전지 조립체는 병류 반응물 및 냉각제 구성으로 동작된다.

병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 실질적으로 동일하다.

병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±20% 이내이다. 병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±15% 이내이다. 병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±10% 이내이다. 병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 제1 반응물의 유량은 제1 복수의 채널 사이의 제1 반응물의 평균 유량의 ±2.5% 이내이다.

병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 실질적으로 동일하다.

병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±20% 이내이다. 병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±15% 이내이다. 병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±10% 이내이다. 병류 반응물 구성 또는 병류 반응물 및 냉각제 구성을 갖는 일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널 각각의 압력은 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±1% 이내이다.

일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 입구에서의 제1 반응물의 속도와 제1 입구 포트에서의 제1 반응물의 속도는 30% 이하만큼 다르다.

일부 실시예에서, 제1 반응물은 제1 입구 헤더에 공급되며 제1 입구 포트로부터 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트로 유동하고, 제1 복수의 채널의 출구에서의 제1 반응물의 속도는 제1 복수의 채널의 입구에서의 제1 반응물의 속도보다 적어도 40% 더 크다.

일부 실시예에서, 연료 전지 유동장 플레이트는 제1 입구 포트; 제2 입구 포트; 제1 출구 포트; 제2 출구 포트; 제1 주 표면; 및 제2 주 표면을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 입구 포트는 유동장 플레이트의 제1 주 표면 상의 제1 유동장을 통해 제1 출구 포트에 유체 연결된다. 일부 실시예에서, 제2 입구 포트는 유동장 플레이트의 제2 주 표면 상에 형성된 제2 유동장을 통해 제2 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는다.

일부 실시예에서, 제1 복수의 채널의 채널 입구는 제1 입구 전이 구역을 통해 제1 입구 포트에 유체 연결되고, 및/또는 제1 복수의 채널의 채널 출구는 제1 출구 전이 구역을 통해 제1 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역과 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 입구 포트와 제1 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역과 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장에 의해 점유되는 영역의 20% 미만이다.

연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역의 유동 단면적은 제1 입구 포트와 제1 복수의 채널의 채널 입구 사이에서 실질적으로 일정하고, 제1 출구 전이 구역의 유동 단면적은 제1 복수의 채널의 채널 출구와 제1 출구 포트 사이에서 실질적으로 일정하다.

연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고, 제2 복수의 채널의 채널 입구는 제2 입구 전이 구역을 통해 제2 입구 포트에 유체 연결되고, 및/또는 제2 복수의 채널의 채널 출구는 제2 출구 전이 구역을 통해 제2 출구 포트에 유체 연결된다.

일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역 및 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 입구 포트, 제1 출구 포트, 제2 입구 포트 및 제2 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 입구 전이 구역, 제1 출구 전이 구역, 제2 입구 전이 구역 및 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 제1 유동장에 의해 점유되는 영역의 20% 미만이다.

일부 실시예에서, 제1 입구 포트는 제1 입구 포트 폭을 갖고, 제1 복수의 채널의 채널 입구에서, 제1 복수의 채널은 제1 입구 유동장 폭에 걸쳐 있으며, 및/또는 제1 출구 포트는 제1 출구 포트 폭을 갖고, 제1 복수의 채널의 채널 출구에서, 제1 복수의 채널은 제1 출구 유동장 폭에 걸쳐 있다.

일부 실시예에서, 제1 입구 유동장 폭은 제1 입구 포트 폭과 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 제1 출구 유동장 폭은 제1 출구 포트 폭과 실질적으로 동일하다.

일부 실시예에서, 제1 입구 포트 폭과 제1 입구 유동장 폭은 제1 입구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다르다. 일부 실시예에서, 제1 출구 포트 폭과 제1 출구 유동장 폭은 제1 출구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다르다.

도 1은 명확성을 위해 연료 전지 조립체 중 일부가 제거되어 있는 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 2는 연료 전지 조립체의 분해 단면도이다.
도 3은 각각의 입구 및 출구 포트와 채널 사이에 입구 및 출구 전이 구역이 있는 유동장 플레이트의 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 사다리꼴 연료 전지 유동장 플레이트의 하나의 주 표면(캐소드를 향하는 측면)의 평면도이다.
도 5a는 조각된 입구 및 출구 커넥터를 갖는 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 5b는 도 5b의 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 6은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 유사한 유동장 플레이트에 대한 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics)(CFD) 모델링에 기초하여, 각각의 채널의 길이를 따라 동일한 거리에서 결정된, 캐소드 유동장의 복수의 채널 각각에서의 산화제 질량 유량을 도시하는 플롯이다.
도 7은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 유사한 유동장 플레이트에 대한 CFD 모델링에 기초하여, 각각의 채널의 길이를 따라 동일한 거리에서 결정된, 캐소드 유동장에서 복수의 캐소드 채널 각각의 산화제 압력을 도시하는 플롯이다.
도 8은 유동장 플레이트에 대한 CFD 모델링에 기초하여 각각의 채널의 길이를 따라 동일한 거리에서 결정된, 애노드 유동장의 복수의 채널 각각에서의 연료 질량 유량을 도시하는 플롯이다.
도 9는 유동장 플레이트에 대한 CFD 모델링에 기초하여 각각의 채널의 길이를 따라 동일한 거리에서 결정된, 애노드 유동장의 복수의 애노드 채널 각각에서의 연료 압력 프로파일을 도시하는 플롯이다.
도 10은 CFD 모델링에 기초하여, 연료 전지 스택의 헤더를 통해 입구 포트로부터 유동하는 유체의 유속의 평면도를 도시하며, 유체는 조각된 커넥터 및 공급 플레이트를 통해 공급된다.
도 11은 연료 전지 스택의 산화제 입구 커넥터 및 공급 플레이트의 단면도이다.
도 12는 연료 전지 스택용 산화제 출구 커넥터 및 공급 플레이트의 평면 단면도이다.

도 1은 단부 플레이트 조립체(120 및 130) 사이에 적층된 복수의 개별 연료 전지 조립체(110)를 포함하는 연료 전지 스택(100)을 도시한다. 일부 실시예에서, 디스크 스프링(들)(도 1에는 보이지 않음)과 스트랩(140)은 단부 플레이트 조립체(120, 130)를 제 위치에 유지하고 서로를 향해 가압하여 이들 사이에 개재된 복수의 연료 전지 조립체(110)에 압축력을 인가하는 데 사용된다. 일부 실시예에서, 제한되는 것은 아니지만, 타이 로드, 유압 시스템, 및/또는 클램프와 같은 다른 유형의 압축 시스템이 연료 전지 스택에 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 단부 플레이트 조립체(120)는 또한 공급 플레이트로 지칭될 수 있는 데, 이는 반응물(들) 및/또는 냉각제와 같은 유체가 스택의 다양한 유체 입구 및 출구 헤더에 대한 유체 연결(도 1에는 보이지 않음)을 거쳐 공급 플레이트를 통해 연료 전지 스택(100)에 공급되고 그로부터 배출되는 곳일 수 있기 때문이다.

도시된 실시예에서, 각각의 연료 전지 조립체는 조립체의 두께를 통해 연장되는 6개의 개구(또는 포트)(150a, 150b, 150c, 160a, 160b 및 160c)를 갖는다. 본 출원에서는, 이를 유체 포트라고 지칭한다. 연료 전지 스택(100)에서 이들 6개의 포트 각각은 인접한 연료 전지 조립체의 대응 포트와 정렬되어 개별 연료 전지 조립체의 평면에 수직인 방향으로 연료 전지 스택(100)을 통해 연장되는 6개의 유체 헤더를 형성한다. 도시된 실시예에서, 이들 헤더는 유체의 공급 및 배출을 위해 사용된다. 예를 들어, 병류 구성(연료, 산화제 및 냉각제가 실질적으로 동일한 방향으로 연료 전지 조립체(110)에 걸쳐 지향되는 경우)에서, 포트(150a)는 연료 입구 헤더를 형성할 수 있고, 포트(160a)는 연료 출구 헤더를 형성할 수 있으며, 이들 헤더는 연료 전지 조립체(110)의 애노드측의 연료 유동장을 통해 서로 유체 연결된다. 예를 들어, 일부 실시예에서 애노드 유동장은 도 1에 도시된 채널(115)과 같은 복수의 연료 채널을 포함할 수 있다. 유사하게, 포트(150b)는 산화제 입구 헤더를 형성할 수 있고, 포트(160b)는 산화제 출구 헤더를 형성할 수 있으며, 이들 헤더는 연료 전지 조립체(110)의 캐소드측 상의 산화제 유동장을 통해 서로 유체 연결된다. 일부 실시예에서, 포트(150c)는 냉각제 입구 헤더를 형성할 수 있고, 포트(160c)는 냉각제 출구 헤더를 형성할 수 있으며, 이들 헤더는 연료 전지 조립체(110)의 냉각제 유동장을 통해 서로 유체 연결된다. 따라서, 유동장은 연료 전지 플레이트에서 입구 포트와 대응하는 출구 포트 사이, 그리고 연료 전지 조립체에서 입구 헤더와 대응하는 출구 헤더 사이에 유체 연결을 제공한다. 유동장은 플레이트에 형성된 하나 이상의 채널, 다공성 매체를 통한 경로, 상호 연결된 공극, 개방형 챔버 또는 플레넘 등을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서는, 다른 유동 구성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 연료 및 산화제는 연료 전지 조립체에 걸쳐 실질적으로 반대 방향으로 유동하는 역류 구성으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 연료 전지 스택(100)은 포트(150a)가 연료 입구 포트이고 포트(160a)가 연료 출구 포트이며, 포트(160b)가 산화제 입구 포트이고 포트(150b)가 산화제 출구 포트가 되도록 구성 및 연결될 수 있다. 일부 연료 전지 스택에서, 연료 및 산화제는 직교류 구성, 또는 일부 다른 구성 또는 구성들의 조합으로 지향될 수 있다. 유사하게, 연료 및 산화제 유동 방향에 대한 냉각제 유동의 다양한 구성이 사용될 수 있다.

도 2는 한 쌍의 유동장 플레이트(220a 및 220b) 사이에 개재된 멤브레인 전극 조립체(MEA)(210)를 갖는 개별 연료 전지(200)의 예의 단순화된 분해 단면도를 도시한다. MEA(210)는 가스 확산 층(GDL)(230a)과 멤브레인(250) 사이에 개재된 애노드 촉매 층(240a)을 갖는 애노드측에 멤브레인 전해질(250) 및 GDL(230a)과, GDL(230b)과 멤브레인(250) 사이에 개재된 캐소드 촉매 층(240b)을 갖는 캐소드측에 다른 GDL(230b)을 갖는 멤브레인-전해질 샌드위치를 포함한다. 연료 전지를 제조하는 일부 방법에서, 촉매 층은 멤브레인 상에 퇴적된다. 연료 전지를 제조하는 일부 방법에서, 촉매 층은 GDL 상에 퇴적된다. 유동장 플레이트(220a 및 220b)에는 연료 및 산화제를 각각의 GDL 및 촉매 층으로 지향시키기 위해 각각 내부에 형성된 채널(260a) 및 채널(260b)이 있다.

많은 연료 전지 및 연료 전지 스택에서, 동작하는 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 열 관리를 위해 물 또는 공기와 같은 냉각제 유체의 전달 또는 순환을 위해 냉각제 채널이 제공된다. 일부 실시예에서, 냉각제 채널은 애노드 또는 캐소드 유동장 플레이트의 후면(달리 말해서, 반응물 채널의 반대면) 및/또는 스택에서 인접한 연료 전지 사이에 개재된 별개의 냉각제 유동장 플레이트에 제공될 수 있다.

도 3은 연료 전지 유동장 플레이트(300)의 예를 도시하는 평면도이다. 유동장 플레이트(300)는 산화제 입구 포트(310), 산화제 출구 포트(315), 냉각제 입구 포트(320), 냉각제 출구 포트(325), 연료 입구 포트(330) 및 연료 출구 포트(335)를 포함한다. 복수의 산화제 채널(340)은 유동장 플레이트(300)의 중심 구역에 걸쳐 연장된다. 유동장 플레이트(300)에서, 산화제 유동장은 산화제 입구 전이 구역(350), 채널(340) 및 산화제 출구 전이 구역(355)을 포함한다. 예시된 예에서, 입구 포트(310, 320, 및 330)는 대응하는 출구 포트(315, 325, 및 335)로부터 플레이트의 반대측을 따라 위치되며, 포트 중 어느 것도 산화제 채널(340)을 포함하는 유동장 영역의 전체 폭에 걸쳐 있지 않다. 유동장 플레이트(300)가 연료 전지 스택의 다른 플레이트 및 연료 전지 컴포넌트(예를 들어, MEA)와 적층될 때, 산화제는 산화제 입구 포트(310)로부터 산화제 입구 전이 구역(350)을 거쳐 산화제 채널(340)로 유동하고, 채널(340)을 통해 화살표의 방향으로 유동하고 나서, 산화제 출구 전이 구역(355)을 거쳐 산화제 출구 포트(315)로 유동한다. 유사한 유동장 배열이 연료에 대하여 유동장 플레이트(300)의 하면에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전이 구역(350 및 355)은 산화제 입구 포트(310)와 채널(340) 간의 사이에서 산화제 유동을 지향 및 분포시키고, 채널(340)과 산화제 출구 포트(315) 사이에서 유동을 지향시키고, 인접한 MEA를 지지하도록 기둥(360) 또는 다른 적절한 유동 피처를 포함할 수 있다. 유동장 플레이트(300)의 예시된 실시예에서, 전이 구역(350 및 355)은 유동장 플레이트(300)의 전체 영역의 상당한 부분을 점유한다. 이들은 또한 6개의 포트가 모두 조합된 영역에 대해 및/또는 연료 전지 활성 영역에 대해 상당한 영역을 점유한다(플레이트와 함께 사용되는 MEA의 전기촉매 위치에 따라, 단지 산화제 채널(340)과 이들 사이의 랜딩 영역에 의해 점유되는 영역일 수 있거나 또는 전이 구역(350 및/또는 355)의 영역을 또한 포함할 수 있다. 전이 구역(350 및 355)이 모두 포함된 경우, 활성 영역은 산화제 유동장에 의해 점유되는 영역과 동일하다).

도 4a는 사다리꼴 연료 전지 유동장 플레이트(400)를 도시한다. 연료 전지 유동장 플레이트(400)는 산화제 입구 포트(410), 산화제 출구 포트(415), 냉각제 입구 포트(420), 냉각제 출구 포트(425), 연료 입구 포트(430), 연료 출구 포트(435) 및 연료 전지 유동장 플레이트(400)의 활성 영역(470)에 걸쳐 연장되는 산화제 채널(440)을 포함한다. 이 실시예에서, 활성 영역(470)은 산화제 유동장과 실질적으로 동일한 영역을 점유한다. 이러한 포트 배열을 통해, 플레이트는 예를 들어 산화제, 냉각제 및 연료의 병류를 위해 구성될 수 있다. 연료 전지 유동장 플레이트(400)의 예시된 실시예에서, 산화제 입구 포트(410)는 산화제 채널(440)의 시작 부분에서 활성 영역(470)의 일 단부의 폭에 걸쳐 있으며, 산화제 출구 포트(415)는 산화제 채널(440)의 끝 부분에서 활성 영역(470)의 반대쪽 단부의 폭에 걸쳐 있다. 적어도 일부 실시예에서, 연료 입구 포트(430), 연료 출구 포트(435), 냉각제 입구 포트(420), 및 냉각제 출구 포트(425)는 활성 영역(470)에 대해 "오프셋" 되어 있다. 적어도 일부 실시예에서, 연료 전지 유동장 플레이트(400)가 연료 전지 스택의 다른 플레이트 및 연료 전지 컴포넌트(예를 들어, MEA)와 적층될 때, 산화제는 산화제 입구 포트(410)(산화제 공급 헤더의 일부를 형성함)로부터 플레이트(400)의 하면에 있는 플레넘 및/또는 채널(도 4a에는 보이지 않음)을 통해 산화제 채널(440)로 유동하고, 이어서 산화제 입구 슬롯(450)(플레이트(400)에 형성된 다른 개구임)을 통해 채널(440)의 입구로 유동한다. 적어도 일부 실시예에서, 산화제 채널(440)의 반대쪽 단부에서, 남은 산화제는 채널을 빠져나와 산화제 출구 슬롯(455)을 통해 플레이트(400)의 하면에 전달되고, 그리고 플레넘 및/또는 채널(도 4a에는 보이지 않음)을 거쳐 산화제 출구 포트(415)(산화제 배출 헤더의 일부를 형성함)로 전달된다.

도 4a에 도시된 실시예에서, 유동장 플레이트(400)는 입구로부터 출구까지 그 길이를 따라 폭을 감소시키는 산화제 채널(440)을 갖는다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이의 일부 또는 전부를 따라 단면적이 감소한다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이의 일부 또는 전부를 따라 단면적이 선형적으로 감소한다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이의 일부 또는 전부를 따라 단면적이 기하급수적으로 감소한다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이의 일부 또는 전부를 따라 폭이 선형적으로 감소한다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이의 일부 또는 전부를 따라 폭이 기하급수적으로 감소한다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이를 따라 단면적이 단조롭게 감소한다. 일부 실시예에서 산화제 채널은 그 길이를 따라 폭이 단조롭게 감소한다.

유사하게, 애노드 유동장 플레이트(일 측면에 산화제 채널이 있으며 다른 측면에 캐소드 채널이 있는 양극 플레이트일 수 있음)의 연료 채널은 그 길이의 적어도 일부를 따라 감소하는 단면적 또는 폭을 갖는 연료 채널을 가질 수 있다. 일부 실시예에서 연료 채널은 그 길이를 따라 단면적이 단조롭게 감소한다. 일부 실시예에서 연료 채널은 그 길이를 따라 폭이 단조롭게 감소한다.

적어도 일부 실시예에서, 입구와 출구 사이의 채널 길이의 적어도 일부를 따라 변화되는 단면적을 갖는 반응물 채널이 있는 유동장 플레이트를 갖는 연료 전지는 그 길이를 따라 실질적으로 일정한 단면적을 갖는 반응물 채널이 있는 종래의 유동장 플레이트를 갖는 연료 전지보다 더 균일한 전류 밀도 분포로 동작한다.

적어도 일부 실시예에서, 이러한 보다 균일한 전류 밀도 분포는 연료 전지 활성 영역의 입구 구역에서 고온 구역의 발생을 감소시키고, 따라서 이 구역에서 개선된 냉각에 대한 필요성을 감소시킨다. 고온 구역은 산소 농도가 가장 높은 종래의 유동장(즉, 그 길이를 따라 실질적으로 일정한 단면적을 갖는 채널이 있음)을 갖는 종래의 연료 전지에서는 공통적이다. 일부 실시예에서, 이는 산화제 입구 포트가 산화제 채널의 입구 단부에 있는 활성 영역의 폭과 정렬 및 일치될 수 있게 한다. 이에 대응하여, 일부 실시예에서 산화제 출구 포트는 또한, 예를 들어 도 4a에 예시된 실시예에서와 같이, 산화제 채널의 출구 단부에 있는 활성 영역의 폭과 정렬 및 일치될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같은 일부 실시예에서, 이는 냉각제 입구 및 출구 포트 및/또는 연료 입구 및 출구 포트가, 예를 들어 활성 영역의 양 측면에서 캐소드 입구 및 출구 포트로부터 오프셋될 수 있게 하고, 이에 의해 캐소드 입구 구역(가장 자주 필요한 곳)과 캐소드 출구 구역에서 전이 구역에 대한 필요성이 감소 또는 제거된다. 일부 실시예에서, 냉각제 채널은 Z 형상 유동 구성을 따른다. 일부 실시예에서, 연료 채널은 Z 형상 유동 구성을 따른다. 애노드의 연료 채널 사이에서 연료의 균일한 유동 분포를 달성하는 것은 일반적으로 캐소드의 산화제 채널 사이에서 산화제의 균일한, 또는 적어도 거의 균일한 유동 분포를 달성하는 것보다 덜 중요하다. 이는 연료가 실질적으로 순수한 수소일 때 특히 그럴 수 있으며, 산화제는 공기이다. 이는 연료가 더 농축되어 있기 때문이며, 그 특성(예를 들어, 점도 및 밀도) 때문에 수소가 전기촉매 부위에 더 쉽게 접근할 수 있다. 대조적으로 산화제는 일반적으로 공기이고, 이는 묽은 산소 스트림이다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 캐소드 포트의 배치는 다양한 슬롯 및 포트의 최적화에 의해 산화제 유동 목표가 충족될 수 있게 한다. 플레이트의 두께를 통해 연장되는 입구 슬롯(또는 기타 터널 또는 개구)을 사용하여 특정 반응물이 위치되는 채널이 있는 플레이트의 기본 표면 상의 채널로 진입하기 전에 플레이트의 후면에서 비롯될 수 있는 반응물 유동을 연결할 수 있으며, 출구 슬롯을 사용하여 플레이트의 기본 표면 상의 채널을 통해 나오는 반응물 유동을 플레이트의 후면으로 지향시킬 수 있다. 일부 실시예에서 이는 전이 구역에 대한 필요성을 제거하지는 않더라도 감소시킨다. 캐소드의 경우, 입구 슬롯과 포트는 반응물 채널로의 입구의 전부는 아니더라도 대부분의 폭에 걸쳐 있을 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 유동은 유동장의 폭에 걸쳐 균일하게, 또는 적어도 거의 균일하게 분포될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이는 반응물 채널 사이에 균일한 또는 거의 균일한 유동 분포를 생성할 수 있다.

본 출원에 설명된 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체(예를 들어, 산화제)에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±20% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±15% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±10% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±2.5% 이내이다.

본 출원에 설명된 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체(예를 들어, 산화제)에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±20% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±15% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±10% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 유체 유동 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 유량은 채널 사이의 평균 유량의 ±2.5% 이내이다.

도 4a에 도시된, 그리고 다시 도 4b에 도시된 유동장 플레이트(400)에서와 같이, 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 산화제 입구 포트 폭(W_IP)은 실질적으로 산화제 입구 유동장 폭(W_IF)과 동일하다. 일부 실시예에서, 산화제 입구 포트의 폭과 산화제 유동장 입구의 폭은 산화제 유동장 입구의 폭의 25% 이하만큼 다르다. 일부 실시예에서, 산화제 가스의 분포(채널 사이에 더 균일하게 공급될 수 있도록 함)는 유동장 플레이트의 표면 대신 산화제 입구 포트에서 주로 발생하여, 플레이트의 구역이 이 기능에 대해 전담되게 할 필요성을 방지한다. 적어도 일부 실시예에서, 산화제 압력 분포는 채널의 길이를 따라 취해진 수직 부분에서 산화제 채널 사이에 상대적으로 일정하게 유지되므로, 이러한 채널은 상대적으로 일관된 압력 강하를 경험하게 된다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±20% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±15% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±10% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 모든 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±1% 이내이다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±20% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±15% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±10% 이내이다. 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예는 특정 유체에 대한 채널 사이의 압력 분포를 달성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 해당 유체에 대한 적어도 90%의 채널의 압력 분포는 채널 사이의 평균 압력 분포의 ±1% 이내이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 유동장 플레이트(400)에서와 같이, 연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 산화제 출구 포트 폭(W_OP)은 실질적으로 산화제 출구 유동장 폭(W_OF)과 동일하다. 일부 실시예에서, 산화제 출구 포트의 폭과 산화제 유동장 출구의 폭은 산화제 유동장 출구의 폭의 25% 이하만큼 다르다.

일부 실시예에서, 산화제 입구 포트와 산화제 채널 사이에 전이 구역이 있는 유동장 플레이트 및 연료 전지 조립체와 비교할 때, 대부분의 산화제 채널의 바로 상류에 산화제 입구 포트를 배치하면 연료 전지 스택 전력 밀도가 증가하고, 유동 단락이 감소하며, 채널 사이의 산화제 분포가 개선되고 및/또는 물 제거 용량이 개선된다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 산화제 입구 포트와 산화제 채널 사이 및/또는 산화제 채널과 산화제 출구 포트 사이에 전이 구역이 여전히 존재하지만, 각각의 전이 구역의 폭(또는 전이 구역의 전체 유동 단면적)은 그 입구와 출구 사이의 유동 방향에서 크게 변화되지 않는다. 예를 들어, 도 4b는 일점쇄선으로 표시된 입구 전이 구역(480) 및 출구 전이 구역(485)을 갖는 (도 4a의) 연료 전지 유동장 플레이트(400)를 예시한다. 이러한 전이 구역은 유동장 플레이트(400)의 상대적으로 작은 영역을 점유한다. 각각의 전이 구역(480 및 485)의 폭은 도 3의 전이 구역(350 및 355)과 달리 그 입구로부터 출구까지 실질적으로 변화되지 않으며, 여기서 전이 구역(350)은 산화제 입구 포트(310)로부터 채널(340)로 산화제를 분포시키기 위해 넓어지고, 전이 구역(355)은 채널(340)로부터 산화제를 수집하고 산화제 출구 포트(315)로 지향시키도록 좁아진다. 전이 구역(480 및 485) 각각의 폭은 그 입구로부터 출구까지 실질적으로 변화되지 않기 때문에, 이들 전이 구역은 이를 통해 유동하는 유체의 속도에 큰 변화를 일으키지 않는다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 적어도 산화제에 대해, 그리고 선택적으로 연료 및/또는 냉각제에 대해서도(개별적으로 및/또는 조합하여): 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 연료 전지 활성 영역의 전체 영역의 20% 미만을 구성하며(일부 실시예에서는 전이 구역을 포함하고, 일부 실시예에서는 포함하지 않음), 및/또는 각각의 유동장(전이 구역을 포함)에 의해 점유되는 영역의 20% 미만을 구성한다. 일부 바람직한 실시예에서, 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 연료 전지 활성 영역의 전체 영역의 15% 미만을 구성하며, 및/또는 각각의 유동장에 의해 점유되는 영역의 15% 미만을 구성한다. 일부 더 바람직한 실시예에서, 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 활성 영역의 전체 영역의 10% 미만을 구성하며, 및/또는 각각의 유동장에 의해 점유되는 영역의 10% 미만을 구성한다. 일부 훨씬 더 바람직한 실시예에서, 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 활성 영역의 전체 영역의 7.5% 미만을 구성하며, 및/또는 각각의 유동장에 의해 점유되는 영역의 7.5% 미만을 구성한다. 일부 실시예에서 유동장에 의해 점유되는 영역은 활성 영역과 실질적으로 동일하다(예를 들어, 전이 구역은 전기촉매를 덮기 때문에 활성 영역에 포함됨). 일부 실시예에서 유동장에 의해 점유되는 영역은 활성 영역보다 더 크다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 산화제에 대한 전체 전이 구역 영역(즉, 산화제 입구 전이 구역의 영역 + 산화제 출구 전이 구역의 영역)은 전체 산화제 포트 영역(입구 포트 영역 + 출구 포트 영역)의 150% 미만이다. 예를 들어, 도 4b에 예시된 유동장 플레이트(400)의 실시예를 참조하면, 전이 구역(480 및 485)의 조합된 영역은 포트(410 및 415)의 조합된 영역의 150% 미만일 것이다. 일부 바람직한 실시예에서, 전체 산화제 전이 구역 영역은 전체 산화제 포트 영역의 100% 미만이다. 일부 다른 바람직한 실시예에서, 전체 산화제 전이 구역 영역은 전체 산화제 포트 영역의 75% 미만이다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 연료에 대한 전체 전이 구역 영역(즉, 연료 입구 전이 구역의 영역 + 연료 출구 전이 구역의 영역)은 전체 연료 포트 영역(입구 포트 영역 + 출구 포트 영역)의 150% 미만이다. 일부 바람직한 실시예에서, 전체 연료 전이 구역 영역은 전체 연료 포트 영역의 100% 미만이다. 일부 다른 바람직한 실시예에서, 전체 연료 전이 구역 영역은 전체 연료 포트 영역의 75% 미만이다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 두 반응물에 대한 전체 전이 구역 영역(즉, 연료 및 산화제 입구 전이 구역과 연료 및 산화제 출구 전이 구역의 조합 영역)은 전체 반응물 포트 영역(입구 포트 영역 + 출구 포트 영역)의 150% 미만이다. 일부 바람직한 실시예에서, 전체 반응물 전이 구역 영역은 전체 반응물 포트 영역의 100% 미만이다. 일부 다른 바람직한 실시예에서, 전체 반응물 전이 구역 영역은 전체 반응물 포트 영역의 75% 미만이다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 세 가지 유체(산화제, 연료 및 냉각제) 모두에 대한 전체 전이 구역 영역은 전체 포트 영역(모든 입구 포트 영역 + 모든 출구 포트 영역)의 150% 미만이다. 일부 바람직한 실시예에서, 전체 전이 구역 영역은 전체 포트 영역의 100% 미만이다. 일부 다른 바람직한 실시예에서, 전체 전이 구역 영역은 전체 포트 영역의 75% 미만이다.

일부 실시예에서, 연료 전지 유동장 플레이트는 산화제 입구 포트와 산화제 채널 사이 및/또는 산화제 채널과 산화제 출구 포트 사이에 전이 구역을 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 연료 전지 유동장 플레이트는 연료 입구 포트와 연료 채널 사이 및/또는 연료 채널과 연료 출구 포트 사이에 전이 구역을 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 연료 전지 유동장 플레이트는 냉각제 입구 포트와 냉각제 채널 사이 및/또는 냉각제 채널과 냉각제 출구 포트 사이에 전이 구역을 포함하지 않는다. 이러한 실시예 중 적어도 일부에 있어서, 채널에 대한 입구 및 출구는 각각의 입구 및 출구 포트에 위치된다.

연료 전지 조립체 및 연료 전지 유동장 플레이트의 일부 실시예에서, 적어도 산화제에 대해, 그리고 선택적으로 연료 및/또는 냉각제에 대해서도: 유동장 플레이트에는 유동 단면적이 유동 방향으로 확장되는 구역이 없다.

도 4c는 플레이트가 연료 전지 스택과 같은 동작하는 연료 전지 조립체에 사용될 때 플레이트에 걸쳐 유체(예컨대, 산화제)의 속도를 나타내기 위해 다양한 속도 벡터가 추가되어 있는 (도 4a의) 연료 전지 유동장 플레이트(400)를 예시한다. V₁은 산화제 입구 포트(410)에서의 속도를 나타낸다. V₂는 산화제 채널(440)로의 입구에서의 속도를 나타낸다. V₃은 산화제 채널(440)의 출구에서의 속도를 나타낸다. V₄는 산화제 출구 포트(415)에서의 속도를 나타낸다. 이러한 연료 전지 조립체의 일부 실시예에서, V₁은 V₂와 대략 동일하다. 일부 실시예에서, V₁ 및 V₂는 V₂의 30% 이하만큼 다르다. 일부 실시예에서, V₃은 V₄와 대략 동일하다. 일부 실시예에서, V₃ 및 V₄는 V₄의 30% 이하만큼 다르다. 일부 실시예에서, V₃은 V₂보다 더 크다. 일부 바람직한 실시예에서, V₃은 V₂보다 V₂의 적어도 40%만큼 더 크다. 일부 다른 바람직한 실시예에서, V₃은 V₂보다 V₂의 적어도 100%만큼 더 크다. 일부 다른 바람직한 실시예에서, V₃은 V₂보다 V₂의 적어도 200%만큼 더 크다.

일부 실시예에서, 유동장 플레이트 상의 전이 구역은 주어진 유체 유동에 대한 채널 간 유동 불균일성을 최소화하지는 않더라도 감소시키도록 설계된다. 적어도 일부 실시예에서, 플레이트에서 전이 구역을 제거하고 상류 포트 및/또는 스택 매니폴드로부터 직접 유체 채널에 적절한 유체 분포를 제공하면 광범위한 유동 또는 전력 조건에 걸쳐 동일한 플레이트 설계를 사용할 수 있게 된다. 일부 실시예에서, 대안적인 조건은 공급 또는 유체 분포/수집 플레이트를 변경하거나 및/또는 분포/수집 플레이트에 또는 그 일부에 연결되는 입구 또는 출구 플랜지를 변경함으로써 최적화되거나 적어도 개선될 수 있다.

도 5a는 부분(570)에 적층된 복수의 연료 전지 조립체를 포함하는 연료 전지 스택(500)을 도시한다. 일부 실시예에서, 연료 전지 스택(500)은 조각된(성형된 또는 확개형을 의미함) 캐소드 입구 커넥터(510), 조각된 캐소드 출구 커넥터(530), 및 공급 플레이트(520)를 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 공급 플레이트(520)는 연료 공급 및 배출 커넥터/도관을 각각 연결하기 위한 포트 또는 개구(520a 및 520b)와, 냉각제 공급 및 배출 커넥터/도관을 각각 연결하기 위한 포트 또는 개구(520c 및 520d)를 포함한다. 일부 실시예에서 공급 플레이트의 개구 중 하나 이상이 조각된다. 적어도 일부 실시예에서, 조각된 캐소드 입구 커넥터(510)는 산화제 채널 상류의 스택(즉, 적층된 산화제 입구 포트로 구성됨)의 산화제 입구 헤더(들)의 폭에 걸쳐 (공급 플레이트(520)를 통해) 실질적으로 균일한 유동 분포를 제공하고, 이에 의해, 복수의 산화제 채널 사이에 유동을 분포시키기 위해 각각의 산화제 유동장 플레이트에 전이 구역을 가질 필요성이 제거되거나, 또는 적어도 감소된다. 일부 실시예에서 입구 커넥터의 치수, 또는 적어도 폭은 공급되는 헤더(들)의 폭과 대략적으로 일치한다(도 5b 참조). 적어도 일부 실시예에서, 조각된 캐소드 입구 커넥터(510) 및 조각된 캐소드 출구 커넥터(530)는 스택 내부의 산화제 입구 및 출구 헤더와 더 좁은 산화제 공급 및 배출 도관(515 및 525) 사이의 전이 구역으로서 각각 작용한다.

도 5b는 도 5a의 연료 전지 스택의 분해 사시도로서, 연료 전지 스택(500)의 산화제 입구 헤더가, 조각된 캐소드 입구 커넥터(510) 및 공급 플레이트(520)의 대응하는 개구(550a, 550b 및 550c)를 통해 산화제가 공급되는 3개의 나란한 산화제 공급 서브헤더(540a, 540b 및 540c)로 분할되는 것을 도시한다. 연료 전지 스택(500)의 산화제 출구 헤더는 공급 플레이트(520)의 대응하는 개구(560a 및 560b)를 통해 조각된 캐소드 출구 커넥터(530)로 배출되는 2개의 산화제 배출 서브헤더(도 5a 또는 도 5b에는 보이지 않음)로 분할된다. 일부 실시예에서(예를 들어, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같음), 입구 및 출구 헤더는, 예를 들어 넓은 포트의 경우 플레이트 재료가 지지되지 않고 길게 걸쳐지는 경향이 있기 때문에, 유동장 플레이트가 포트(들) 둘레의 주위에서 덜 취약하도록 2개 이상의 서브헤더로 분할될 수 있다. 도 5b에 예시된 실시예에서, 산화제 공급 서브헤더(540a, 540b 및 540c)는 적층된 연료 전지 유동장 플레이트 및 멤브레인 전극 조립체(MEA)의 정렬된 개구 또는 포트에 의해 형성된다. 연료 전지 유동장 플레이트의 3개의 개구(산화제 공급 서브헤더(540a, 540b 및 540c)에 대응)는 지지 브리지 부분(542a 및 542b)에 의해 분리된다. 일부 실시예에서, 이러한 지지 브리지 부분의 두께는 유동장 플레이트의 다른 부분의 두께보다 작아서, 플레이트와 MEA가 적층될 때 유체가 서브헤더 사이를 통과할 수 있도록 한다. 유사하게, 연료 전지 스택의 출구 서브헤더는 유동장 플레이트의 잔여 부분만큼 두껍지 않은 지지 브리지 부분을 통해 서로 유체 연결될 수 있다.

도 6은 각각의 채널의 입구로부터 동일한 거리에 결정된, 유동장 내 복수의 채널의 각각의 채널에서의 질량 유량을 나타내는 플롯이다. 결과는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 유사한 사다리꼴 캐소드 플레이트에 대한 전형적인 동작 조건의 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션으로부터 도출되었으며, 여기서 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 활성 영역의 전체 영역의 대략 9%를 구성하고, 유동장은 그 길이의 >90%를 따라 폭이 기하급수적으로 감소하는 복수의 산화제 채널을 포함한다. 결과는 채널 간 유량의 편차가 평균 질량 유량을 기준으로 약 3%이며, 데이터 지점에 가장 적합한 선형의 선을 적용할 경우, 편차가 1%임을 도시한다.

도 7은 각각의 채널의 입구로부터 동일한 거리에 결정된, 유동장 내 복수의 채널의 각각의 채널에서의 압력을 나타내는 플롯이다. 결과는 사다리꼴 캐소드 플레이트에 대한 전형적인 동작 조건의 CFD 시뮬레이션으로부터 도출되었으며(도 6의 시뮬레이션에 사용된 것과 유사), 여기서 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 활성 영역의 전체 영역의 대략 9%를 구성하고, 유동장은 그 길이의 >90%를 따라 폭이 기하급수적으로 감소하는 복수의 산화제 채널을 포함한다. 결과는 채널 간 압력 편차가 평균 압력을 기준으로 1% 미만임을 도시한다.

도 8은 각각의 채널의 입구로부터 동일한 거리에 결정된, 유동장 내 복수의 채널의 각각의 채널에서의 질량 유량을 나타내는 플롯이다. 결과는 사다리꼴 애노드 유동장 플레이트에 대한 전형적인 동작 조건의 CFD 시뮬레이션으로부터 도출되었으며, 여기서 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 활성 영역의 전체 영역의 대략 4%를 구성하고, 유동장은 그 길이의 제1 부분을 따라 일정한 단면적을 갖고 그 길이의 제2 부분을 따라 폭이 기하급수적으로 감소하는 복수의 연료 채널을 포함하며, 제2 부분은 그 길이의 약 60%이다. 이 시뮬레이션에 사용된 플레이트에서, 복수의 연료 채널은 애노드 입구 슬롯을 통해 코너 애노드 입구 포트(도 4a의 포트(430) 유사)에 연결되고, 애노드 출구 슬롯을 통해 코너 애노드 출구 포트(도 4a의 포트(435)와 유사)에 연결된다. 결과는 채널 간 유량의 편차가 평균 질량 유량을 기준으로 약 29%이며, 데이터 지점에 가장 적합한 선형의 선을 적용할 경우, 편차가 12%임을 도시한다.

도 9는 각각의 채널의 입구로부터 동일한 거리에 결정된, 유동장 내 복수의 채널의 각각의 채널에서의 압력을 나타내는 플롯이다. 결과는 사다리꼴 애노드 유동장 플레이트의 전형적인 동작 조건의 CFD 시뮬레이션으로부터 도출되었으며(도 8의 시뮬레이션에 사용된 것과 유사), 여기서 입구 전이 구역과 출구 전이 구역을 더한 영역은 활성 영역의 전체 영역의 대략 4%를 구성하고, 유동장은 그 길이의 제1 부분을 따라 일정한 단면적을 갖고 그 길이의 제2 부분을 따라 폭이 기하급수적으로 감소하는 복수의 연료 채널을 포함하며, 제2 부분은 그 길이의 약 60%이다. 결과는 채널 간 압력 편차가 평균 압력을 기준으로 1% 미만임을 도시한다.

도 10은 산화제 입구 도관(605)으로부터, 조각된 산화제 입구 커넥터(610) 및 공급 플레이트(620)를 통과하고, 이어서 CFD 모델링에 기초한 연료 전지 스택(600)의 3개의 평행한 입구 서브헤더(640a, 640b 및 640c)(함께 입구 헤더를 형성함)를 통과하는 유체 유동의 속도를 보여주는 연료 전지 스택(600)을 예시한다.

스택 내의 각각의 연료 전지 유동장 플레이트(630)는 플레이트의 일 측면을 따라 나란하게 위치되는 3개의 산화제 입구 포트(도 10에는 도시되지 않음)를 갖고, 적층된 플레이트의 포트들은 그 길이를 따라 스택(600)을 통해 연장되는 서브헤더(640a, 640b 및 640c)(도 5b의 산화제 공급 서브헤더(540a, 540b 및 540c)와 유사)를 형성하도록 정렬된다. 산화제 입구 커넥터(610)의 내부 표면의 조각 및 로프트(lofting), 그리고 공급 플레이트(620)의 개구의 구성은 3개의 서브헤더(640a, 640b 및 640c) 사이에서 유체 유동을 보다 균일하게 분포시키는 데 도움이 된다. 예를 들어, 중심 베인 또는 루버(louver)를 사용하여 유체를 중심 서브헤더에서 멀리 편향시켜 유체를 보다 균일하게 분포시킬 수 있고; 공급 플레이트의 공급 개구를 통한 유동 단면적이 유동 방향으로, 예를 들어 단조롭고 순조로운 방식으로 증가할 수 있으며; 입구 커넥터의 내부 벽은 유동 방향으로 유동 단면적이 다시 증가하는 연속적인 곡률을 가질 수 있는 등이다. 적어도 부분적으로는 입구 커넥터와 단부 플레이트 공급 개구의 조각으로 인해, 스택의 길이를 따라 기본 유동 방향에 수직하게 취해진 임의의 단면에서, 3개의 서브헤더 각각의 속도는 해당 단면에서 취해진 임의의 서브헤더의 평균 유속의 20% 이내이므로, 각각의 플레이트 상의 산화제 채널로의 공급은 3개의 서브헤더 각각으로부터 상당히 일관된다.

도 11은 연료 전지 스택(도 11에는 도시되지 않음)을 위한 산화제 입구 조립체(700)의 조합된 피처의 세부사항을 예시한다. 도 11은 연료 전지 스택(도 11에는 도시되지 않지만, 예를 들어 도 5a 및 도 5b의 연료 전지 스택(500)과 유사)에서 입구 루버(745a 및 745b)를 사이에 두고 형성된 좌측 입구 헤더 개구(730a), 중앙 입구 헤더 개구(730b) 및 우측 입구 헤더 개구(730c)를 통한 3개의 하류 공급 서브헤더로의 산화제 유체 유동의 균형 잡힌 분포를 달성하는 데 사용되는 조각된 산화제 입구 커넥터(710) 및 공급 플레이트(720)의 조각된 피처를 (단면으로) 도시한다. 산화제 입구 커넥터(710) 및 공급 플레이트(720)를 통한 산화제 유로에서는, 유동 방향의 유동 단면적에 있어서 (유속의 감소를 유발하는 경향이 있는) 주목할 만한 확장이 없다. 적어도 일부 실시예에서, 공급 플레이트(720)는 중앙 입구 헤더 개구(730b)의 개구에서의 유동 단면적이 각각 좌측 및 우측 입구 헤더 개구(730a 및 730c)에서의 유동 단면적보다 작게 구성된다.

적어도 일부 실시예에서, 조각된 산화제 입구 커넥터(710)와 공급 플레이트(720)의 조각된 피처(예를 들어, 745a 및 745b와 같은 입구 루버 포함)의 조합은, 유동 방향 및/또는 압력 강하를 발생하는 어떠한 주목할 만한 유속의 감소 없이, 실질적으로 균일한 질량 유량을 제공하기 위해 산화제 유체를 3개의 서브헤더에 균일하게 분포시킨다. 적어도 일부 실시예에서, 입구 루버(예컨대, 745a 및 745b)를 포함하면, 선호되는 중앙 입구 헤더 개구(730b)로부터 유동이 방향 전환되어, 3개의 헤더 개구 모두에서 목표한 유동 분포를 달성할 수 있게 된다.

일부 실시예에서, 공급 플레이트의 입구 개구는 하나의 입구 루버를 갖는다. 일부 실시예에서, 공급 플레이트의 입구 개구는 다수의 입구 루버를 갖는다. 일부 실시예에서, 입구 루버는 형상이 유사하다. 일부 실시예에서, 입구 루버는 다양한 형상을 갖는다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 입구 루버의 표면은 매끄럽다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 입구 루버의 표면은 홈이 있는 질감으로 된다. 적어도 일부 실시예에서, 입구 루버는 공급 플레이트(720)에 물리적 지지를 제공한다. 유사하게, 조각, 루버 및 기타 피처가, 예를 들어 공급 플레이트의 배출 개구 및/또는 출구 커넥터에서 출구에 사용될 수 있다.

도 12는 연료 전지 스택(도 12에는 도시되지 않음)의 산화제 출구 조립체(800)에 대한 조합된 피처의 세부사항을 예시한다. 도 12는 연료 전지 스택의 연료 전지 조립체에서 나오는 산화제 유체를 수집하는 데 사용되는 공급 플레이트(820)의 조각된 피처 및 조각된 산화제 출구 커넥터(810)를 (단면으로) 도시한다. 연료 전지 스택의 유동장 플레이트로부터의 산화제 유체는 유동 방향의 유동 단면적에서 (유속의 감소를 유발하는 경향이 있는) 주목할 만한 확장 없이 공급 플레이트(820)를 통해 조각된 산화제 출구 커넥터(810) 내로 통과한다. 일부 실시예에서, 공급 플레이트(820)는 산화제 출구에 단일 출구 루버(845)를 갖는다. 일부 실시예에서, 출구 루버는 공급 플레이트를 출구 헤더 개구(830a) 및 출구 헤더 개구(830b)로 분리한다.

일부 실시예에서 입구 헤더(들) 및 대응하는 입구 커넥터의 폭은 출구 헤더(들) 및 대응하는 출구 커넥터의 폭과 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서 입구 헤더(들) 및 대응하는 입구 커넥터의 폭은 출구 헤더(들) 및 대응하는 출구 커넥터의 폭과 다르다. 도 5a 및 도 5b에 예시된 연료 전지 스택과 도 11 및 도 12에 예시된 입구 및 출구 조립체에서, 산화제 입구 헤더(들) 및 대응하는 입구 커넥터의 폭은 산화제 출구 헤더(들) 및 대응하는 출구 커넥터의 폭보다 더 크다. 이는, 이러한 실시예에서, 유동장 플레이트가 사다리꼴이고 캐소드 유동장이 출구보다 입구에서 더 넓기 때문이다.

일부 실시예에서, 공급 플레이트는 다수의 출구 루버를 갖는다. 일부 실시예에서 출구 루버(845)의 표면은 매끄럽다. 일부 실시예에서, 출구 루버(845)의 표면은 홈이 있는 질감으로 된다. 적어도 일부 실시예에서, 출구 루버(들)는 공급 플레이트(820)에 물리적 지지를 제공한다.

적어도 일부 실시예에서, 공급 플레이트의 적어도 하나의 출구 루버는 유체가 2개의 출구 서브헤더로부터 출구 커넥터로 유동할 수 있게 하고, 속도의 손실을 초래하게 되는 유동 단면적의 확장을 경험하지 않고 스택을 빠져나갈 수 있게 한다.

일부 실시예에서, 하나 이상의 삽입물, 베인, 루버, 배플, 및/또는 다른 적절한 유동 지향 피처가 캐소드 및/또는 애노드 입구 커넥터 및/또는 인접한 공급 플레이트(들)에 포함되어, 연료 전지 스택의 하류 헤더와 채널에 원하는 유체 분포를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 유사하게, 하나 이상의 삽입물 및/또는 유동 지향 피처가 캐소드 및/또는 애노드 출구 커넥터 및/또는 인접한 공급 플레이트(들)에 포함될 수 있다.

설명된 바와 같이, 연료 전지 유동장 플레이트 상의 전이 구역의 영역을 감소시키는 (또는 제거하는) 것은, 제한되는 것은 아니지만, 연료 전지 스택의 개선된 전력 밀도; 보다 균일한 유동 분포; 개선된 물 관리; 및/또는 포트의 위치확인에 있어서의 더 큰 유연성의 허용을 포함하여, 몇 가지 이점을 제공할 수 있다. 유동장 플레이트로부터 하나 이상의 입구 전이 구역을 감소시키거나 제거하는 것, 및 입구 매니폴드, 커넥터 및/또는 공급 플레이트의 설계에 의해 유동장의 폭에 걸쳐 원하는 유동 분포를 달성하는 것은, 주어진 동작 조건 세트에 대한 호환성을 최적화하거나 또는 적어도 높일 수 있게 하는 증가된 유연성을 또한 허용할 수 있다. 유사하게, 출구측에서, 출구 매니폴드, 커넥터 및/또는 공급 플레이트는 유동장 플레이트로부터 하나 이상의 출구 전이 구역을 감소시키거나 제거하도록 설계될 수 있다.

전해조, 산화환원 흐름 배터리, 및 기타 전기화학 반응기/디바이스를 통한 기타 디바이스도 전이 구역의 감소 또는 제거로부터 이점이 있을 수 있다.

다음의 설명 전반에서, 본 발명의 보다 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 본 발명은 이러한 상세 없이도 실시될 수 있다. 다른 경우에는, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 요소는 상세히 도시되거나 설명되지 않았다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 의미로 고려되어야 한다.

문맥상 명백히 달리 요구되지 않는 한, 상세한 설명과 청구범위 전반에 걸쳐:

● "포함하다", "포함하는" 등은 배타적이거나 완전한 의미가 아닌 포괄적인 의미로 해석되어야 하고; 즉, "포함하지만 이에 제한되지 않는다"는 의미로 해석되어야 하고;

● "연결된", "결합된" 또는 그 변형은 2개 이상의 요소 사이의 직접적 또는 간접적, 영구적 또는 비영구적 연결 또는 결합을 의미하고, 요소들 사이의 결합 또는 연결은 물리적, 논리적, 또는 그 조합일 수 있으며;

● 본 명세서를 설명하는 데 사용된 "본 출원의", "상기의", "하기의" 및 유사한 의미의 단어는 본 명세서의 어느 특정 부분이 아닌 전체로서 본 명세서를 참조하게 되며;

● 2개 이상의 항목의 목록과 관련하여 "또는"은 다음과 같은 단어의 해석, 즉, 목록의 항목들 중 어느 것, 목록의 항목들 모두, 및 목록의 항목들의 임의의 조합을 모두 포함하고;

● 단수 형태("a", "an" 및 "the")에는 임의의 적절한 복수 형태의 의미도 포함된다.

이 설명 및 임의의 첨부의 청구항에서 사용되는 "수직", "가로", "수평", "상향", "하향", "전방", "후방", "내향", "외향", "수직", "가로", "좌", "우", "전", "후", "상", "하", "아래", "위", "밑"과 같은 방향을 나타내는 단어(존재하는 경우)는, 설명 및 예시된 장치의 특정 배향에 따라 달라진다. 본 출원에 설명된 청구 대상은 다양한 대안적인 배향을 가정할 수 있다. 따라서, 이러한 방향적 용어는 엄격하게 정의되지 않으며 협소하게 해석되지 않아야 한다.

컴포넌트(예를 들어, 유동장 플레이트, 가스 확산 층, 스프링, 조립체, 디바이스 등)가 위에 언급된 경우, 달리 명시되지 않는 한, 해당 컴포넌트에 대한 참조("수단"에 대한 참조를 포함)는, 설명된 컴포넌트의 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로 동일하지 않은 컴포넌트를 포함하여, 설명된 컴포넌트의 기능을 수행하는 (즉, 기능적으로 동등한) 임의의 컴포넌트를 해당 컴포넌트의 등가물로서 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

시스템, 방법 및 장치의 특정 예가 예시의 목적으로 본 출원에 설명되었다. 이는 단지 예일 뿐이다. 본 출원에 제공된 기술은 앞서 설명한 예시적인 시스템 이외의 시스템에도 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 내에서 많은 변경, 수정, 추가, 생략, 및 순열이 가능하다. 본 발명은, 특징, 요소 및/또는 동작을 동등한 특징, 요소 및/또는 동작으로 대체하는 것; 서로 다른 실시예로부터의 특징, 요소 및/또는 동작을 혼합 및 일치시키는 것; 본 출원에 설명된 실시예로부터의 특징, 요소 및/또는 동작을 다른 기술의 특징, 요소 및/또는 동작과 조합하는 것; 및/또는 설명된 실시예들로부터의 특징, 요소 및/또는 동작의 조합을 생략하는 것에 의해 획득된 변형을 포함하여, 숙련자에게 명백한 설명된 실시예에 대한 변형을 포함한다.

본 발명의 특정 요소, 실시예 및 응용이 도시되고 설명되었지만, 특히 전술한 교시에 비추어, 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 본 기술 분야의 숙련자에 의해 수정이 이루어질 수 있으므로, 본 발명은 이에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.

Claims

연료 전지 조립체이며,
(a) 제1 유동장 플레이트로서,
(i) 제1 입구 포트;
(ii) 제2 입구 포트;
(iii) 제1 출구 포트; 및
(iv) 제2 출구 포트를 포함하는, 제1 유동장 플레이트;
(b) 제2 유동장 플레이트로서,
(i) 대응하는 제1 입구 포트;
(ii) 대응하는 제2 입구 포트;
(iii) 대응하는 제1 출구 포트; 및
(iv) 대응하는 제2 출구 포트를 포함하는, 제2 유동장 플레이트;
(c) 상기 제1 유동장 플레이트와 상기 제2 유동장 플레이트 사이의 멤브레인 전극 조립체를 포함하고,
여기서:
상기 제1 입구 포트 및 상기 대응하는 제1 입구 포트는 정렬되어 제1 입구 헤더의 적어도 일부를 형성하고,
상기 제2 입구 포트 및 상기 대응하는 제2 입구 포트는 정렬되어 제2 입구 헤더의 적어도 일부를 형성하고,
상기 제1 출구 포트 및 상기 대응하는 제1 출구 포트는 정렬되어 제1 출구 헤더의 적어도 일부를 형성하고,
상기 제2 출구 포트 및 상기 대응하는 제2 출구 포트는 정렬되어 제2 출구 헤더의 적어도 일부를 형성하고,
상기 제1 입구 포트는 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트에 유체 연결되고;
상기 제2 입구 포트는 제2 유동장을 통해 상기 제2 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는, 연료 전지 조립체.
제2항에 있어서,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제1 입구 전이 구역을 통해 상기 제1 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제1 출구 전이 구역을 통해 상기 제1 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 조립체.
제3항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역과 상기 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 입구 포트와 상기 제1 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만인, 연료 전지 조립체.
제3항에 있어서, 상기 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 상기 제1 입구 전이 구역과 상기 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 유동장 영역의 20% 미만인, 연료 전지 조립체.
제3항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역의 유동 단면적은 상기 제1 입구 포트와 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구 사이에서 실질적으로 일정한, 연료 전지 조립체.
제6항에 있어서, 상기 제1 출구 전이 구역의 유동 단면적은 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구와 상기 제1 출구 포트 사이에서 실질적으로 일정한, 연료 전지 조립체.
제3항에 있어서,
상기 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 상기 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제2 입구 전이 구역을 통해 상기 제2 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제2 출구 전이 구역을 통해 상기 제2 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 조립체.
제8항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역, 상기 제1 출구 전이 구역, 상기 제2 입구 전이 구역 및 상기 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 입구 포트, 상기 제1 출구 포트, 상기 제2 입구 포트 및 상기 제2 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만인, 연료 전지 조립체.
제8항에 있어서,
상기 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고,
상기 제1 입구 전이 구역, 상기 제1 출구 전이 구역, 상기 제2 입구 전이 구역 및 상기 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 유동장 영역의 20% 미만인, 연료 전지 조립체.
제1항에 있어서,
상기 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제1 입구 포트에 위치되고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제1 출구 포트에 위치되는, 연료 전지 조립체.
제11항에 있어서,
상기 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 상기 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제2 입구 포트에 위치되고, 상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제2 출구 포트에 위치하는, 연료 전지 조립체.
제1항에 있어서, 상기 제1 유동장 플레이트는,
(v) 제3 입구 포트; 및
(vi) 제3 출구 포트를 더 포함하고;
상기 제2 유동장 플레이트는,
(vii) 대응하는 제3 입구 포트; 및
(viii) 대응하는 제3 출구 포트를 더 포함하고;
여기서:
상기 제3 입구 포트 및 상기 대응하는 제3 입구 포트는 정렬되어 제3 입구 헤더의 적어도 일부를 형성하고,
상기 제3 출구 포트 및 상기 대응하는 제3 출구 포트는 정렬되어 제3 출구 헤더의 적어도 일부를 형성하고,
상기 제3 입구 포트는 제3 유동장을 통해 상기 제3 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 조립체.
제13항에 있어서,
상기 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 상기 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제3 유동장은 제3 복수의 채널을 포함하고, 상기 제3 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는, 연료 전지 조립체.
제14항에 있어서,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제1 입구 전이 구역을 통해 상기 제1 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제1 출구 전이 구역을 통해 상기 제1 출구 포트에 유체 연결되고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제2 입구 전이 구역을 통해 상기 제2 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제2 출구 전이 구역을 통해 상기 제2 출구 포트에 유체 연결되고,
상기 제3 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제3 입구 전이 구역을 통해 상기 제3 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제3 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제3 출구 전이 구역을 통해 상기 제3 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 조립체.
제15항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역, 상기 제1 출구 전이 구역, 상기 제2 입구 전이 구역, 상기 제2 출구 전이 구역, 상기 제3 입구 전이 구역 및 상기 제3 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 입구 포트, 상기 제1 출구 포트, 상기 제2 입구 포트, 상기 제2 출구 포트, 상기 제3 입구 포트 및 상기 제3 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만인, 연료 전지 조립체.
제15항에 있어서, 상기 제1 유동장은 제1 유동장 영역을 점유하고, 상기 제1 입구 전이 구역, 상기 제1 출구 전이 구역, 상기 제2 입구 전이 구역, 상기 제2 출구 전이 구역, 상기 제3 입구 전이 구역 및 상기 제3 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 유동장 영역의 20% 미만인, 연료 전지 조립체.
제14항에 있어서,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제1 입구 포트에 위치되고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제1 출구 포트에 위치되고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제2 입구 포트에 위치되고, 상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제2 출구 포트에 위치되고,
상기 제3 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제3 입구 포트에 위치되고, 상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제3 출구 포트에 위치되는, 연료 전지 조립체.
제2항에 있어서,
상기 제1 입구 포트는 제1 입구 포트 폭을 갖고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구에서, 상기 제1 복수의 채널은 제1 입구 유동장 폭에 걸쳐 있고,
상기 제1 출구 포트는 제1 출구 포트 폭을 갖고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구에서, 상기 제1 복수의 채널은 제1 출구 유동장 폭에 걸쳐 있는, 연료 전지 조립체.
제19항에 있어서, 상기 제1 입구 유동장 폭은 상기 제1 입구 포트 폭과 실질적으로 동일한, 연료 전지 조립체.
제20항에 있어서, 상기 제1 출구 유동장 폭은 상기 제1 출구 포트 폭과 실질적으로 동일한, 연료 전지 조립체.
제19항에 있어서, 상기 제1 입구 포트 폭과 상기 제1 입구 유동장 폭은 상기 제1 입구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다른, 연료 전지 조립체.
제22항에 있어서, 상기 제1 출구 포트 폭과 상기 제1 출구 유동장 폭은 상기 제1 출구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다른, 연료 전지 조립체.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 입구 포트, 상기 제1 출구 포트 및 상기 제1 유동장은 산화제를 운반하도록 구성되는, 연료 전지 조립체.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 입구 포트, 상기 제1 출구 포트 및 상기 제1 유동장은 산화제를 운반하도록 구성되고,
상기 제2 입구 포트, 상기 제2 출구 포트 및 상기 제2 유동장은 연료를 운반하도록 구성되는, 연료 전지 조립체.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체는 활성 영역을 가지며, 상기 활성 영역은 사다리꼴인, 연료 전지 조립체.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유동장 플레이트와 상기 제2 유동장 플레이트는 사다리꼴인, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 상기 채널 입구로부터 상기 채널 출구까지 채널 길이의 적어도 일부를 따라 단면적이 감소하는, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 상기 채널 입구로부터 상기 채널 출구까지 단면적이 단조롭게 감소하는, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 상기 채널 입구로부터 상기 채널 출구까지 채널 길이의 적어도 일부를 따라 단면적이 선형적으로 감소하는, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 상기 채널 입구로부터 상기 채널 출구까지 채널 길이의 적어도 일부를 따라 단면적이 기하급수적으로 감소하는, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에, 상기 제1 입구 헤더에 제1 반응물이 공급되고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 상기 제1 반응물의 유량은 상기 제1 복수의 채널 사이의 상기 제1 반응물의 평균 유량의 ±20% 이내인, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에, 상기 제1 입구 헤더에 제1 반응물이 공급되고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 상기 제1 반응물의 유량은 실질적으로 동일한, 연료 전지 조립체.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 전지 조립체의 동작 중에, 상기 제1 입구 헤더에 제1 반응물이 공급되고, 상기 제1 복수의 채널 각각의 압력은 상기 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±20% 이내인, 연료 전지 조립체.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 입구 포트, 상기 제1 출구 포트 및 상기 제1 유동장은 산화제를 운반하도록 구성되고,
상기 제2 입구 포트, 상기 제2 출구 포트 및 상기 제2 유동장은 연료를 운반하도록 구성되고,
상기 제3 입구 포트, 상기 제3 출구 포트 및 상기 제3 유동장은 냉각제를 운반하도록 구성되는, 연료 전지 조립체.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 복수의 채널은 Z 형상 유동 구성을 따르는, 연료 전지 조립체.
연료 전지 스택이며,
(a) 제1항에 기재된 연료 전지 조립체;
(b) 제1 단부 플레이트 조립체; 및
(c) 제2 단부 플레이트 조립체를 포함하는, 연료 전지 스택.
제37항에 있어서,
(d) 상기 제1 단부 플레이트 조립체 및 상기 제2 단부 플레이트 조립체를 서로를 향해 가압하도록 구성된 디스크 스프링, 타이 로드, 유압 시스템, 클램프, 및/또는 스트랩을 더 포함하는, 연료 전지 스택.
제37항에 있어서,
(e) 상기 제1 단부 플레이트 조립체를 통해 상기 제1 입구 헤더에 유체 연결되는 조각된 제1 입구 커넥터; 및/또는
(f) 상기 제2 단부 플레이트 조립체를 통해 상기 제1 출구 헤더에 유체 연결되는 조각된 제1 출구 커넥터를 더 포함하는, 연료 전지 스택.
제39항에 있어서, 상기 제1 단부 플레이트 조립체를 통해 상기 제1 입구 헤더에 유체 연결되는 조각된 제1 입구 커넥터를 포함하고, 상기 조각된 제1 입구 커넥터와 상기 제1 단부 플레이트 조립체의 적어도 하나의 입구 루버의 조합은 유체를 상기 연료 전지 조립체에 분포시키기 위한 전이 구역으로서 작용하는, 연료 전지 스택.
제40항에 있어서, 상기 제2 단부 플레이트 조립체를 통해 상기 제1 출구 헤더에 유체 연결되는 조각된 제1 출구 커넥터를 포함하고, 상기 조각된 제1 출구 커넥터와 상기 제2 단부 플레이트 조립체의 적어도 하나의 출구 루버의 조합은 유체가 상기 유체의 유속의 감소를 초래하게 되는 유동 단면적의 확장을 경험하지 않고 상기 제2 단부 플레이트 조립체와 상기 제1 출구 커넥터를 통해 상기 연료 전지 조립체로부터 배출될 수 있게 하는, 연료 전지 스택.
제39항에 있어서, 상기 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제1 입구 포트에 위치되는, 연료 전지 스택.
연료 전지 스택이며,
(a) 제2항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체;
(b) 제1 단부 플레이트 조립체; 및
(c) 제2 단부 플레이트 조립체를 포함하는, 연료 전지 스택.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
제1 반응물이 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 제1 방향으로 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
제2 반응물이 상기 제2 입구 헤더에 공급되고, 상기 제2 입구 포트로부터 제2 방향으로 상기 제2 유동장을 통해 상기 제2 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 실질적으로 동일하고, 이에 의해, 상기 연료 전지 조립체는 병류 반응물 구성으로 동작되는, 방법.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
산화제가 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 제1 방향으로 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
연료가 상기 제2 입구 헤더에 공급되고, 상기 제2 입구 포트로부터 제2 방향으로 상기 제2 유동장을 통해 상기 제2 출구 포트로 유동하고,
냉각제가 상기 제3 입구 헤더에 공급되고, 상기 제3 입구 포트로부터 제3 방향으로 상기 제3 유동장을 통해 상기 제3 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 방향, 상기 제2 방향 및 상기 제3 방향은 실질적으로 동일하고, 이에 의해, 상기 연료 전지 조립체는 병류 반응물 및 냉각제 구성으로 동작되는, 방법.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
제1 반응물이 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 상기 제1 반응물의 유량은 실질적으로 동일한, 방법.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
제1 반응물이 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널을 통한 상기 제1 반응물의 유량은 상기 제1 복수의 채널 사이의 상기 제1 반응물의 평균 유량의 ±20% 이내인, 방법.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
제1 반응물이 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 복수의 채널 각각의 압력은 상기 제1 복수의 채널 사이의 평균 압력의 ±20% 이내인, 방법.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
제1 반응물이 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 입구에서의 상기 제1 반응물의 속도와 상기 제1 입구 포트에서의 상기 제1 반응물의 속도는 30% 이하만큼 다른, 방법.
제2항 내지 제12항 또는 제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 조립체의 동작 방법이며,
제1 반응물이 상기 제1 입구 헤더에 공급되고, 상기 제1 입구 포트로부터 상기 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트로 유동하고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 출구에서의 상기 제1 반응물의 속도는 상기 제1 복수의 채널의 상기 입구에서의 상기 제1 반응물의 속도보다 적어도 40% 더 큰, 방법.
연료 전지 유동장 플레이트이며,
(i) 제1 입구 포트;
(ii) 제2 입구 포트;
(iii) 제1 출구 포트;
(iv) 제2 출구 포트;
(v) 제1 주 표면; 및
(vi) 제2 주 표면을 포함하고;
여기서:
상기 제1 입구 포트는 상기 유동장 플레이트의 상기 제1 주 표면 상의 제1 유동장을 통해 상기 제1 출구 포트에 유체 연결되고,
상기 제2 입구 포트는 상기 유동장 플레이트의 상기 제2 주 표면 상에 형성된 제2 유동장을 통해 상기 제2 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제51항에 있어서, 상기 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제52항에 있어서,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제1 입구 전이 구역을 통해 상기 제1 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제1 출구 전이 구역을 통해 상기 제1 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제53항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역과 상기 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 입구 포트와 상기 제1 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만인, 연료 전지 유동장 플레이트.
제53항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역과 상기 제1 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 유동장에 의해 점유되는 영역의 20% 미만인, 연료 전지 유동장 플레이트.
제53항에 있어서,
상기 제1 입구 전이 구역의 유동 단면적은 상기 제1 입구 포트와 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구 사이에서 실질적으로 일정하고,
상기 제1 출구 전이 구역의 유동 단면적은 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구와 상기 제1 출구 포트 사이에서 실질적으로 일정한, 연료 전지 유동장 플레이트.
제53항에 있어서,
상기 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 상기 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 입구는 제2 입구 전이 구역을 통해 상기 제2 입구 포트에 유체 연결되고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 제2 출구 전이 구역을 통해 상기 제2 출구 포트에 유체 연결되는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제57항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역, 상기 제1 출구 전이 구역, 상기 제2 입구 전이 구역 및 상기 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 입구 포트, 상기 제1 출구 포트, 상기 제2 입구 포트 및 상기 제2 출구 포트의 조합 영역의 150% 미만인, 연료 전지 유동장 플레이트.
제57항에 있어서, 상기 제1 입구 전이 구역, 상기 제1 출구 전이 구역, 상기 제2 입구 전이 구역 및 상기 제2 출구 전이 구역의 조합 영역은 상기 제1 유동장에 의해 점유되는 영역의 20% 미만인, 연료 전지 유동장 플레이트.
제51항에 있어서,
상기 제1 유동장은 제1 복수의 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제1 입구 포트에 위치되고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제1 출구 포트에 위치되는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제60항에 있어서,
상기 제2 유동장은 제2 복수의 채널을 포함하고, 상기 제2 복수의 채널의 각각의 채널은 채널 입구와 채널 출구를 갖고,
상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 입구는 상기 제2 입구 포트에 위치되고, 상기 제2 복수의 채널의 상기 채널 출구는 상기 제2 출구 포트에 위치하는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제53항에 있어서,
상기 제1 입구 포트는 제1 입구 포트 폭을 갖고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 입구에서, 상기 제1 복수의 채널은 제1 입구 유동장 폭에 걸쳐 있고,
상기 제1 출구 포트는 제1 출구 포트 폭을 갖고, 상기 제1 복수의 채널의 상기 채널 출구에서, 상기 제1 복수의 채널은 제1 출구 유동장 폭에 걸쳐 있는, 연료 전지 유동장 플레이트.
제62항에 있어서, 상기 제1 입구 유동장 폭은 상기 제1 입구 포트 폭과 실질적으로 동일한, 연료 전지 유동장 플레이트.
제63항에 있어서, 상기 제1 출구 유동장 폭은 상기 제1 출구 포트 폭과 실질적으로 동일한, 연료 전지 유동장 플레이트.
제62항에 있어서, 상기 제1 입구 포트 폭과 상기 제1 입구 유동장 폭은 상기 제1 입구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다른, 연료 전지 유동장 플레이트.
제65항에 있어서, 상기 제1 출구 포트 폭과 상기 제1 출구 유동장 폭은 상기 제1 출구 유동장 폭의 25% 이하만큼 다른, 연료 전지 유동장 플레이트.