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KR20070089964A - 연료 전지 조립체용 폼 인 플레이스 체결 - Google Patents

연료 전지 조립체용 폼 인 플레이스 체결 Download PDF

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KR20070089964A
KR20070089964A KR1020077014744A KR20077014744A KR20070089964A KR 20070089964 A KR20070089964 A KR 20070089964A KR 1020077014744 A KR1020077014744 A KR 1020077014744A KR 20077014744 A KR20077014744 A KR 20077014744A KR 20070089964 A KR20070089964 A KR 20070089964A
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KR
South Korea
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fuel cell
flow field
fastener
cell subassembly
elastomeric material
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Withdrawn
Application number
KR1020077014744A
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English (en)
Inventor
마크 케이. 데베
앤드류 제이. 엘. 스테인바흐
Original Assignee
쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

연료 전지 부조립체는 각각 많은 체결 위치에 형성된 여러 개의 체결구 개구를 포함하는 제1 및 제2 유동장 판을 포함한다. 막 전극 조립체는 제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되고 많은 체결 위치에 형성된 여러 개의 체결구 개구를 포함하며, 각각의 체결구 개구는 체결 구멍을 한정하도록 정렬된다. 탄성중합재로 형성된 폼 인 플레이스 체결구가 각각의 체결 구멍 내에 배치된다. 탄성중합재는 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하는 폼 인 플레이스 체결구의 체적 변위를 용이하게 한다.
폼 인 플레이스 체결구, 연료 전지 부조립체, 유동장 판, 막 전극 조립체

Description

연료 전지 조립체용 폼 인 플레이스 체결{FORM-IN-PLACE FASTENING FOR FUEL CELL ASSEMBLIES}
본 발명은 일반적으로 연료 전지 구성요소를 위한 체결 구성에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지 구성요소 및 조립체를 위한 현장에서 경화 가능한 탄성중합성 체결 구성에 관한 것이다.
통상의 연료 전지 시스템은 하나 이상의 연료 전지가 전력을 생성하는 전원부를 포함한다. 연료 전지는 수소와 산소를 물로 전환하며 그 과정에 전기와 열을 발생시키는 에너지 전환장치이다. 각각의 연료 전지 유닛은 그 중심부에 위치되는 양자 교환 부재와 양자 교환 부재의 양측에 위치되는 기체 확산층을 포함할 수 있다. 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 촉매층은 각각 기체 확산층의 내측에 위치된다. 이런 연료 전지 유닛을 막 전극 조립체(MEA)라 한다. 막 전극 조립체의 기체 확산층 외면 상에는 분리판 또는 유동장 판들이 각각 위치된다. 이런 유형의 연료 전지를 주로 PEM 연료 전지라 한다.
단일 연료 전지에서의 반응은 통상적으로 1 V보다 낮은 전압을 생성한다. 복수의 연료 전지가 적층되어 원하는 전압을 얻도록 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 전류는 연료 전지 적층체로부터 수집되어 부하를 구동시키기 위해 이용된다. 연료 전지는 자동차에서 랩탑 컴퓨터에 이르기까지 다양한 용도를 위한 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있다.
연료 전지 전력 시스템의 효능은 연료 전지 적층체의 개별 연료 전지들 내에서의 다양한 접촉 및 실링 계면의 보전성에 부분적으로 크게 의존한다. 이런 접촉 및 실링 계면은 적층체의 연료 전지 내의 그리고 이들 연료 전지 간의 연료, 냉각제 및 유출물의 이송에 연계된 것들을 포함한다. 연료 전지 적층체 내에서 연료 전지 구성요소와 조립체의 적절한 위치 정렬은 연료 전지 시스템의 효율적인 작업을 보장함에 있어 임계 사항이다. 연료 전지 부조립체를 조립하는 동안의 조작으로 인한 연료 전지 구성요소의 오정렬은 예컨대, 개별 연료 전지의 손상과 연료 전지 시스템의 성능 저하를 가져올 수 있다.
본 발명은 연료 전지 구성요소를 위한 체결 구성 및 이런 체결 구성을 이용한 연료 전지 구성요소의 조립 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예로는 연료 전지 부조립체의 조립 동안 현장에 형성되는 탄성중합성 체결 구성들이 있다.
일 실시예에 따르면, 연료 전지 부조립체는 많은 체결 위치에 형성된 여러 개의 체결구 개구를 포함하는 제1 유동장 판을 포함한다. 제2 유동장 판은 많은 체결 위치에 형성된 여러 개의 체결구 개구를 포함한다. 막 전극 조립체가 제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되며 많은 체결 위치에 한정되는 여러 개의 체결구 개구를 포함한다. 막 전극 조립체와 제1 및 제2 유동장 판의 각각의 체결구 개구는 체결 구멍을 한정한다. 탄성중합재로 형성되는 폼 인 플레이스(form-in-place) 체결구가 각각의 체결 구멍에 배치된다. 탄성중합재는 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 폼 인 플레이스 체결구의 체적 변위를 용이하게 만든다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 부조립체 내의 압축을 관리하는 방법은 각각 많은 체결 위치에 형성된 여러 개의 체결구 개구를 포함하는 제1 및 제2 유동장 판을 제공하는 단계를 포함한다. 막 전극 조립체가 제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되며 많은 체결 위치에 한정되는 여러 개의 체결구 개구를 포함하되 각각의 체결구 개구는 체결 구멍을 한정한다. 본 방법은 또한 각각의 체결 구멍 내에 배치되고 탄성중합재로 형성되는 폼 인 플레이스 체결구를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 단계와, 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 폼 인 플레이스 체결구에 의한 압축 변형을 수용한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료 전지 부조립체 조립 방법은 각각 많은 체결 위치에 형성된 여러 개의 체결구 개구를 포함하는 제1 및 제2 유동장 판과 제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되는 막 전극 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 막 전극 조립체와 제1 및 제2 유동장 판의 체결구 개구들을 정렬하여 체결 구멍을 한정하는 단계와, 체결 구멍 내로 예비-탄성중합재를 유동시켜 체결 구멍 내에 폼 인 플레이스 체결구를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 상술한 설명은 본 발명의 각 실시예 또는 모든 구현 예를 설명하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 장점과 달성 특성은 본 발명에 대한 보다 완전한 이해와 함께 첨부 도면을 참조한 다음의 상세한 설명과 특허청구범위를 참조함으로써 더욱 명백하게 알게 될 것이다.
도1a는 연료 전지 및 그 구성층들을 도시한다.
도1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 단극성 유동장 판을 구비한 단위 전지 조립체를 도시한다.
도1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이극성 판 구성을 구비한 단위 전지 조립체를 도시한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폼 인 플레이스 체결구 구성을 이용한 다중 전지 조립체의 단면도이다.
도3은 도2에 도시된 단극성 판의 상면도이다.
도4는 내부에 현장 형성된 탄성중합성 체결구가 배치된 체결 구멍을 포함하되, 체결 구멍은 연료 전지 적층체 압축으로 인한 체결구의 체적 변형을 수용하는 하나 이상의 기공을 포함하도록 구성되는 다중 전지 조립체의 일부를 도시한다.
도5는 도4에 도시된 기공을 필요로 하지 않는 체결 구성을 포함하되, 체결구를 형성하는 탄성중합재가 연료 전지 적층체 압축 동안 벌크형 체결구 재료의 체적 변형을 수용하는 가스 또는 그 밖의 압축성 요소를 포함하는 다중 전지 조립체의 일부를 도시한다.
도6은 MCA에서 탄성중합성 체결구 현장 형성 동안 MCA 구성요소의 정밀 정렬을 용이하게 만드는 구성을 예시한다.
비록 본 발명은 다양한 개조 및 대체 형태로 변경 가능하지만, 도면에는 본 발명의 특정 사항들이 예시적으로 도시되어 있으며 이하 이들 사항을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하 설명되는 특별한 실시예에 제한되지 않는다. 반면에, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범위에 속하는 모든 개조, 균등예 및 변형을 포함한다.
예시된 실시예에 대한 아래의 설명은 본 발명의 일부를 형성하고 예시적으로 도시된 첨부도면과 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예를 참조한다. 이들 실시예는 이용 가능한 것들이며 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 이들 실시예에 대한 구조적 변경이 이루어질 수 있다.
이하, 연료 전지 조립체 및 부조립체와, 연료 전지의 적층체와, 연료 전지를 이용하는 전력 시스템와 연계하여 본 발명의 여러 태양을 설명하기로 한다. 비록 본 발명에 따른 체결 방식은 연료 전지 조립체의 내용에서 특히 유리하지만, 본 발명의 원리는 아주 다양한 체결 용도로 구현될 수 있다. 따라서, 이하 설명되는 특별한 실시예들은 제한적인 목적이 아닌 설명을 위한 것이다.
본 발명의 체결 방법론은 다양한 유형의 연료 전지 조립체 및 적층체와, 구성과, 기술에 포함될 수 있다. 도1a에는 통상의 연료 전지가 도시되어 있다. 연료 전지는 수소 연료와 공기에서 얻은 산소를 결합하여 전기, 열 그리고 물을 생성하는 전기 화학 장치이다. 연료 전지는 연소 작용을 이용하지 않으며, 이로써 연료 전지는 해로운 유출물을 거의 생성하지 않는다. 연료 전지는 수소 연료와 산소 를 직접 전기로 전환시키며, 예컨대 내연 발전기보다 훨씬 높은 효율로 작동될 수 있다.
도1a에 도시된 연료 전지(10)는 애노드(14)에 인접한 제1 확산/집전기(DCC: diffuser/collector, 12)를 포함한다. 애노드(14)에 인접한 곳에는 전해질 막(16)이 위치된다. 캐소드(18)은 전해질 막(16)에 인접해서 설치되며 캐소드(18)에 인접한 곳에는 제2 확산/집전기(19)가 설치된다. 작동시, 수소 연료는 연료 전지(10)의 애노드 부분으로 도입되어 제1 확산/집전기(12)를 통해 애노드(14) 위로 통과한다. 애노드(14)에서, 수소 연료는 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다.
전해질 막(16)은 수소 이온 또는 양자만이 전해질 막(16)을 통해 연료 전지(10)의 캐소드 부분으로 이동할 수 있도록 한다. 전자는 전해질 막(16)을 통과할 수 없으며, 그 대신 외부의 전기 회로를 통해 전류 형태로 흐른다. 이 전류는 전기 모터와 같은 전기 부하(17)에 전력을 공급하거나 충전형 배터리와 같은 에너지 저장장치로 진행될 수 있다.
산소는 제2 확산/집전기(19)를 거쳐 연료 전지(10)의 캐소드 측으로 흐른다. 산소가 캐소드(18)를 통과함에 따라, 산소, 양자 그리고 전자가 서로 결합되어 물과 열을 생성한다.
도1a에 도시된 것과 같은 개개의 연료 전지는 후술하는 바와 같이 단위 연료 전지 조립체로 패키징될 수 있다. 본 명세서에서 단위 전지 조립체(UCA, unitized cell assemblies)로 지칭되는 단위화 연료 전지 조립체는 다른 많은 UCA와 결합되 어 연료 전지 적층체를 형성한다. UCA는 적층체 내의 많은 UCA와 전기적으로 직렬 연결되어 적층체의 총 전압을 결정하며 각 전지의 활성 표면적은 전체 전류를 결정한다. 주어진 연료 전지 적층체에 의해 생성되는 전체 전력은 총전압과 총전류를 곱함으로써 결정될 수 있다.
많은 다양한 연료 전지 기술이 본 발명의 원리에 따른 UCA를 구성하기 위해 이용될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 UCA 패키징 방법론이 양자 교환막(PEM) 연료 전지 조립체를 구성하기 위해 이용될 수 있다. PEM 연료 전지는 비교적 저온(약 175 ℉/80 ℃)에서 작동하며 높은 전력 밀도를 가지며 그 출력을 전력 수요의 변동에 맞도록 신속하게 변경시킬 수 있으며 예컨대, 자동차와 같이 신속한 시동이 요구되는 용도로 아주 적합하다.
통상적으로, PEM 연료 전지에 이용되는 양자 교환막은 수소 이온을 통과시킬 수 있지만 기체 반응물을 분리하는 고체 고분자 전해질 박판이다. 통상적으로, 양자 교환막의 양면은 활성 촉매인 금속 또는 금속 합금 입자(예컨대, 플라티늄 또는 플라티늄/루테늄)가 고도로 분산된 상태로 피복된다. 이용되는 전해질은 통상적으로 고체 과불화 술폰산 고분자이다. 고체 전해질을 이용할 경우 부식과 전해질 오염 문제를 낮추기 때문에 유익하다.
수소는 연료 전지의 애노드 측으로 공급되며 애노드에서 촉매는 수소 원자가 전자를 방출하여 수소 이온(양자)이 되도록 촉진시킨다. 전자는 산소가 도입된 연료 전지의 캐소드 측으로 전자가 복귀하기 전에 이용될 수 있는 전류의 형태로 이동한다. 이와 동시에, 양자는 양자 교환막을 통해 캐소드로 확산되고 캐소드에서 수소 이온은 산소와 재결합되어 반응함으로써 물을 생성한다.
막 전극 조립체(MEA)는 수소 연료 전지와 같은 PEM 연료 전지의 중심 요소이다. 상술한 바와 같이, 통상의 MEA는 고체 전해질로서 기능하는 고분자 전해질 막(PEM)[이온 도전성 막(ICM)으로도 알려진]을 포함한다.
PEM의 일 면은 애노드 촉매 전극층과 접촉 상태에 있으며 대향 면은 캐소드 촉매 전극층과 접촉 상태에 있다. 각각의 전극층은 통상적으로 플라티늄 금속을 포함하는 전기화학 촉매를 포함한다. 확산/집전기는 애노드 및 캐소드 재료에서 나오고 이들 재료로 들어가는 기체의 이동을 촉진시키며 촉매층에서 분리기 또는 유동장 판으로 전류를 전도시킨다.
통상의 PEM 연료 전지에서, 양자는 수소 산화를 거쳐 애노드에 형성되고 캐소드로 이동되어 산소와 작용함으로써 전류가 전극들을 연결한 외부의 회로에서 흐를 수 있도록 한다.
DCC는 기체 확산층(GDL: gas diffusion layer)이라고도 할 수 있다. 애노드 및 캐소드 층은 이들 층이 완성된 MEA에서 PEM과 DCC 사이에 배치되기만 한다면 제조 동안 PEM이나 DCC에 적용될 수 있다.
본 발명을 실시함에 있어 임의의 적절한 PEM이 이용될 수 있다. 유용한 PEM 두께는 약 200 ㎛ 내지 약 15 ㎛ 범위에 있다. 통상적으로, PEM은 나피온(등록상표)(Nafion®)[미국 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 듀폰 케미칼즈(Dupont Chemicals)], 플레미온(등록상표)(Flemion®)[일본 도꾜에 소재하는 아사히 글래스 사(Asahi Glass Co., Ltd.)]과 같은 산-기능성 불소 고분자와, Y가 H+ 또는 알칼리 금속 양이온과 같은 다른 단가 양이온인 화학식 YOSO2-CF2-CF2-CF2-CF2-O(고분자 골격)에 따르는 고도로 불화 처리된 골격 및 순환 고리 그룹을 갖는 고분자들로 구성된다. 후자의 고분자들은 국제특허공보 제WO2004062019호에 설명되어 있다. 본 발명에서 유용한 고분자 전해질은 통상적으로 바람직하게는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene)의 공중합체(copolymer)와 하나 이상의 불소화 산-기능성 공단량체(comonomer)이다.
통상적으로, 고분자 전해질은 술폰산염 기능기를 담지한다. 고분자 전해질은 통상적으로 1200 이하, 보다 통상적으로 1100, 그리고 가장 통상적으로 약 1000의 산당량을 갖는다. 800 또는 700 정도로 낮은 당량이 이용될 수 있다.
발명을 실시함에 있어 임의의 적절한 DCC가 이용될 수 있다. 통상적으로, DCC는 탄소섬유를 포함하는 박판재로 구성된다. DCC는 통상적으로 직물 및 부직물 탄소섬유 구성 중에서 선택되는 탄소섬유 구성이다. 발명을 실시함에 있어 유용할 수 있는 탄소섬유 구성으로는 토레이 카본 페이퍼(Toray Carbon Paper), 스펙트라캅 카본 페이퍼(SpectraCarb Carbon Paper), 에이에프엔(AFN) 부직 탄소천, 졸텍(Zoltek) 탄소천 등이 있다. DCC는 탄소 입자 코팅, 친수화 처리 그리고 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 이용한 코팅과 같은 소수화 처리를 포함한 다양한 재료로 피복되거나 첨착될 수 있다.
플라티늄 블랙 또는 미립자, (미국 특허출원공보 제20040107869호에 설명된 바와 같은) 잉크 함유 카본 지지 촉매 입자 또는 (미국 특허 제6,482,763호 및 ㅁ미국 특허 제5,879,827호에 설명된 바와 같은) 나노 구조의 박막 촉매를 포함하는 임의의 적절한 촉매가 본 발명을 실시함에 있어 이용될 수 있다. 촉매는 손과 기계 모두를 포함하는 임의의 적절한 수단과, 핸드 브러싱, 노치 바 코팅, 유체 베어링 다이 코팅, 배선 권취형 로드 코팅, 유체 베어링 코팅, 슬롯 페드 나이프 코팅(slot-fed knife coating), 쓰리-롤(three-roll) 코팅 또는 전사지를 포함하는 방법에 의해 PEM이나 DCC에 도포될 수 있다. 코팅은 한 번의 도포 또는 복수의 도포로 달성될 수 있다.
직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 전해질로서 고분자 막을 이용한다는 점에 있어 PEM 전지와 유사하다. 그러나, DMFC에서는 애노드 촉매 자체가 액체 메탄올 연료로부터 수소를 도입함으로써 연료 개질기가 필요없게 된다. DMFC는 통상적으로 40 내지 90 ℃의 온도에서 작동한다. 직접 메탄올 연료 전지에 대해서는 본 발명의 원리에 따른 UCA 패키징 작업이 수행될 수 있다.
이제 도1b를 참조하면, PEM 연료 전지 기술에 따라 구현된 UCA의 일 실시예가 도시되어 있다. 도1b에 도시된 바와 같이, UCA(20)의 막 전극 조립체(MEA)(25)는 다섯 개의 구성요소층을 포함한다. PEM층(22)이 예컨대, DCC층(24, 26)이나 기체 확산층(GDL)들 사이에 개재된다. 애노드 촉매(30)는 제1 DCC(24)와 막(22) 사이에 설치되고 캐소드 촉매(32)가 막(22)과 제2 DCC(26) 사이에 설치된다.
일 구성에서, PEM층(22)은 일 표면에 형성된 애노드 촉매 코팅(30)을 포함하고 타 표면에 형성된 캐소드 촉매 코팅(32)을 포함하도록 제조된다. 이런 구조를 주로 촉매 코팅막 또는 CCM(catalyst-coated membrane)이라 한다. 다른 구성에 따르면, 제1 및 제2 DCC(24, 26)는 각각 애노드 및 캐소드 촉매 코팅(30, 32)을 포함하도록 제조된다. 또다른 구성에서, 애노드 촉매 코팅(30)은 부분적으로 제1 DCC(24) 상에 그리고 부분적으로 PEM(22)의 일 표면에 배치될 수 있으며 캐소드 촉매 코팅(32)은 부분적으로 제2 DCC(26) 상에 그리고 부분적으로 PEM(22)의 타 표면 상에 배치될 수 있다.
DCC(24, 26)는 통상적으로 탄소섬유 페이퍼 또는 부직재나 직물로 제조된다. DCC(24, 26)는 제품 구성에 따라 일 측면 상에 탄소입자를 가질 수 있다. DCC(24, 26)는 상술한 바와 같이 촉매 코팅을 포함하거나 배제하도록 제조될 수 있다.
도1b에 도시된 특별한 실시예에서, MEA(25)는 제1 모서리 시일 시스템(34)과 제2 모서리 시일 시스템(36) 사이에 개재된다. 모서리 시일 시스템(34, 36)은 다양한 유체(기체/액체) 운송 및 반응 영역이 서로 오염되지 않고 UCA(20)에서 부적절하게 이탈하지 않도록 차단하기 위해 UCA 패키지 내에 필수 실링을 제공하며 유동장 판(40, 42) 사이에 전기적 절연과 단단한 정지 압축 제어를 추가로 제공할 수 있다.
유동장 판(40, 42)은 각각 제1 및 제2 모서리 시일 시스템(34, 36)에 인접 위치된다. 각각의 유동장 판(40, 42)은 수소 및 산소 공급 연료가 통과하는 포트들과 기체 유동 채널(43)의 장을 포함한다. 유동장 판(40, 42)은 또한 냉각체 채널과 포트들도 포함할 수 있다. 냉각제 채널은 기체 유동 채널(43)을 포함하는 표면에 대향하는 유동장 판(40, 42)의 표면 상에 형성될 수 있다.
도1b에 도시된 구성에서, 유동장 판(40, 42)은 하나의 MEA(25)가 그 사이에 개재되어 있는 단극성 유동장 판들로 구성된다. 본 실시예와 그 밖의 실시예에서의 유동장은 공유된 미국 특허 제6,780,536에 개시된 바와 같이 측면 저유속(low lateral flux) 유동장일 수 있다.
도1c는 하나 이상의 이극성 판 유동장 판(56)의 이용을 통해 다중 MEA(25)를 포함하는 UCA 또는 다중-전지 조립체(MCA)(50)를 예시한다. 도1c에 도시된 구성에서, UCA(50)는 두 개의 MEA(25a, 25b)와, 일체형 냉각 채널(59)을 포함하는 하나의 이극성 유동장 판(56)을 포함한다. MEA(25a)는 DCC(66a, 64a) 사이에 개재된 캐소드(62a)/막(61a)/애노드(60a) 층상 구조물을 포함하다. DCC(66a)는 이극성 판(56)에 대해 도시된 바와 같이 일체형 냉각 채널(59)을 구비한 단극성 유동장 판 또는 이극성 판으로 구성될 수 있는 유동장 단부판(52)에 인접해서 설치된다. DCC(64a)는 이극성 유동장 판(56)의 제1 유동장 표면(56a)에 인접해서 설치된다. 마찬가지로, MEA(25b)는 DCC(66b, 64b) 사이에 개재된 캐소드(62b)/막(61b)/애노드(60b) 층상 구조물을 포함하다. DCC(64b)는 이극성 판(56)에 대해 도시된 바와 같이 일체형 냉각 채널(59)을 구비한 단극성 유동장 판 또는 이극성 판으로 구성될 수 있는 유동장 단부판(54)에 인접해서 설치된다. DCC(66b)는 이극성 판 유동장 판(56)의 제1 유동장 표면(56b)에 인접해서 설치된다.
도1b 및 도1c에 도시된 UCA 구성은 본 발명에 따르는 폼 인 플레이스 체결 방법론과 관련하여 이용을 위해 구현될 수 있는 대표적인 두 가지 특별한 구성이다. 이들 두 구성은 단지 예시를 위한 것으로서 본 발명의 범위에 속하는 모든 가 능한 구성을 대표하지 않는다. 그 보다, 도1b와 도1c는 특별한 연료 전지 조립체 설계에 선택적으로 포함될 수 있는 다양한 구성요소들을 예시하고 있다.
본 발명의 다른 태양은 연료 전지 조립체 또는 부조립체를 조립하기 위한 체결구 또는 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 태양은 또한 다중 전지-조립체(MCA)들 또는 UCA들의 서브 유닛을 서로 적층함으로써 축조되는 연료 전지 적층체에 관한 것으로, 이때 각각의 MCA(또는 UCA) 모듈은 그 자체가 적어도 하나의 막 전극 조립체(MEA)와 적어도 두 개의 이극성 또는 단극성 유동장 판(또는 이극성 판 및 단극성 유동장 판의 혼합 쌍)을 포함하는 "단기-적층체(short-stack)"이다.
일 예로, 본 발명에 따르면, 연료 전지 부조립체는 각각 많은 체결 위치에 마련되는 여러 개의 체결구 개구를 갖는 한 쌍의 유동장 판을 포함한다. 막 전극 조립체가 두 개의 유동장 판 사이에 설치되고 많은 체결 위치에 마련된 여러 개의 체결구 개구도 포함한다. MEA와 한 쌍의 유동장 판의 체결구 개구들은 체결 구멍을 한정한도록 정렬된다. 탄성중합재로 형성된 폼 인 플레이스 체결구가 각각의 체결 구멍에 배치된다. 탄성중합재는 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 폼 인 플레이스의 체적 변위를 용이하게 만든다.
본 발명에 따르는 체결구 구성과 체결 방법의 실시예들은 연료 전지 조립체, 부조립체 또는 모듈의 구성요소들을 적층체 내에 완전 압축시키기에 앞서 고도의 정렬 정밀도를 갖고 유지하기 위해 탄성중합재로 형성되는 폼 인 플레이스 체결구를 이용한다. 본 발명의 체결 방식은 적층체의 가압력이 인가됨에 따라 발생하는 압축 변형의 변화를 수용함으로써 전체 연료 전지 적층체의 압축 동안 발생하는 MCA의 두께 변화를 허용한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 체결구 구성은 MCA 모듈에 포함될 수 있다. 이런 MCA 모듈은 임의의 수의 MEA와 이와 연계된 이극성 또는 단극성 유동장 판을 포함할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 서브-적층체 모듈의 일 목적이 기대 이하의 MEA가 적층체 내의 나머지 MEA를 훼손시키지 않고도 적층체로부터 제거될 수 있도록 하는 것이기 때문에 둘에서 네 개의 MEA가 유용한 숫자인 것으로 판단된다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 폼 인 플레이스 체결구 구성을 이용하는 다중 전지 조립체의 단면도가 도시되어 있다. 도2에 도시된 바와 같이, MCA(100)는 두 개의 MEA(104A, 104B) 및 네 개의 단극성 유동장 판(102)을 포함한다. 단극성 판은 이극성 판이 그 대향하는 양 표면에 애노드 및 캐소드 반응 유동장 모두를 갖는 반면, 단극성 판은 일 표면에 한 가지 유형의 반응 유동장만을 갖고 이에 대향하는 표면 상에 냉각제 채널을 갖는다는 점에서 이극성 판과 구별된다. MCA(100)는 도2에 도시된 하나 이상의 단극성 판(102)과 함께 또는 그 대신에 하나 이상의 이극성 유동장 판을 포함할 수 있다.
단극성 판(102)은 통상적으로 얇으며, 금속, 흑연 또는 그 밖의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 단극성 판(102)은 약 1 ㎜ 내지 약 6 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 낮은 범위의 이런 얇은 판(102)은, 예컨대 자동차 연료 전지 용도에 요구되는 바와 같이, 높은 적층 전력 밀도(예컨대, 0.8 ㎾/리터 이상)을 얻는 데 필수적이다. 이런 박판을 이용하여 MCA 모듈을 조립함에 있어, 가압력을 받는 MCA의 전체 두께는 단지 대략 0.5 ㎝일 수 있다. 냉각제 채널을 분리하는 구조를 "랜 드(land)"라 할 수 있다. 인접한 단극성 판(102)의 냉각제 채널 랜드들의 정렬은 냉각제 유동과 간섭하지 않도록 하거나 랜드-대-랜드 접촉 영역을 감소시킴으로써 전류 유동에 대한 판-대-판 저항을 증가시키기 위해 랜드 폭의 수 퍼센트의 엄밀한 공차로 유지되어야 한다.
판(102)들과 MEA(104A, 104B)를 연료 전지 적층체에 통합하기에 앞서 적절한 강도를 갖고 정렬 상태로 유지하기 위해 기계식 착탈형 나사, 리벳, 그로밋(grommet) 또는 그 밖의 장치를 이용하는 것이 고려할 수 있다. 그러나, 조립체의 두께가 과도한 경우에는 구입 가능한 어떤 체결구 구성도 네 개의 단극성 판을 함께 유지할 수 없었다. 또한, 이런 작은 장치는 소정의 연료 전지 조립체의 가스켓들과 MEA들을 완전히 압축시키기 위해 약 100 내지 200 psi(700 내지 1,400 kPa)로 정해진 가압력을 인가할 수 있을 것이라고 기대할 수 없었다. 이는 이런 MCA 체결 장치들은 모두 MCA들이 연료 전지 적층체로 조립되고 전체 적층 압축이 인가될 때 발생하는 부가적인 압축 변형을 수용해야만 함을 의미한다.
이런 문제를 해결한 본 발명의 체결 방식은 예컨대, 탄성중합성 리벳으로서 형성될 수 있는 현장 형성된 탄성중합성 체결구(110)를 이용한다. 체결구(110)는 체결 구멍(106)에 형성된다. 체결 구멍(106)은 유동장 판(102)과 MEA(104A, 104B)들에 정렬된 체결구 개구에 의해 형성된다.
도3은 일 구성에 따른 단극성 판(102)의 상면도이다. 단극성 판(102)은, 하나 이상의 MEA들과 그 밖의 단극성 판(또는 이극성 판)들의 체결구 개구들과 함께, 유동 가능하고 경화 가능한 탄성중합재를 수용하도록 구성된 체결 구멍(106)(도2, 도4 및 도5에 도시)을 한정하는 많은 체결구 개구(106A)를 포함한다. 체결구 개구(106A)의 크기와 형상은 도3에 도시된 것들과 다를 수 있지만, 바람직하게는 이들 개구(예컨대, 사출 포트로서 작용)를 통한 유동 가능한 예비-탄성중합재의 분배를 용이하게 만들도록 구성된다.
각각의 체결구 개구(106A)에 인접한 곳에는 연료 전지 적층체가 조립될 때 타이 로드 또는 볼트가 통과하는 구멍(111)이 마련되는데, 이는 구멍(111)이 체결구 개구(106A)로부터 이격되거나 오프셋될 수 있음을 의미한다. 중심 영역(103)은 애노드 또는 캐소드 반응 유동장 영역 또는 냉각제 채널 영역과 같은 판(102)(어느 한 면 또는 양면)의 활성 영역이다. 체결구 개구(106A)와 구멍(111)의 위치는 바람직하게는 활성 영역(103)의 면적을 최대화하면서, 반응 기체와 냉각제 유로 사이에 필수 격리부를 제공하는 가스켓, 시일 또는 그 밖의 구조물을 위한 충분한 간격을 제공하도록 선택된다.
체결구 개구(106A)[따라서 체결 구멍(106)]은 도3의 예시적인 판 구성도에 도시된 바와 같이 판(102)의 주변 영역을 중심으로 분포될 수 있다. 소정 연료 전지 조립체 구성에서 체결 구멍(106)은 바람직하게는 연료 전지 적층체의 조립전 그리고 조립 동안 조작하기에 충분한 현장 경화된 정합 상태에서 조립체를 탄성중합성으로 보유하기에 충분한 갯수로 마련된다. 일 예로, 연료 전지 조립체 또는 부조립체는 유동장 판 면적의 약 15 ㎠ 내지 약 25 ㎠ 당 하나의 체결 구멍(106)을 포함할 수 있다. 다른 예로, 체결 구멍(106)의 최소 단면적의 합에 대한 유동장 판 면적의 비율은 약 200:1 내지 약 400:1의 범위일 수 있다.
도4와 도5는 본 발명의 폼 인 플레이스 체결구의 두 실시예를 도시한다. 도4는 두 개의 MEA(104A, 104B)와 네 개의 단극성 유동장 판(102)을 포함하는 MCA(101)의 일부를 도시한다. MCA(101)는 내부에 현장 형성된 탄성중합성 체결구(110)가 배치된 체결 구멍(106)을 포함한다. 본 실시예에서, 체결 구멍(106)은 유동 가능한 예비-탄성중합재가 체결구(110)를 형성하기 위해 체결 구멍(106) 내로 분배된 후 사실상 탄성중합재가 없는 상태로 남아 있는 하나 이상의 기공(108)을 포함하도록 구성된다.
기공(108)은 적층체 압축 동안 변형 가능하지만 비압축성인 탄성중합재를 수용할 수 있는 체결 구멍(106) 내의 자유 체적을 나타낸다. 예컨대, 기공(108)은 연료 전지 적층체 압축의 최종 압축 미만에서 폼 인 플레이스 체결구(110)에 의해 채워지지 않은 체결 구멍(106) 내의 체적을 나타낸다. 기공(108)은 또한 체결 구멍(106) 내의 폼 인 플레이스 체결구(110)의 현장 형성 후 채워지지 않은 체결 구멍(106) 내의 체적을 나타낼 수 있다. MCA(101)가 연료 전지 적층체 내에 위치되어 타이 로드나 볼트에 의해 적층체 단부판 사이에서 압축될 때, 현장 형성된 탄성중합성 체결구(110)는 변형되며, 필요한 경우 체결 구멍(106) 내의 미충전 기공(108) 내로 확장된다.
도5에 도시된 실시예에서, 체결 구멍(106)은 도4에 도시된 기공(108)을 포함하도록 구성될 필요가 없다. 본 실시예에 따르면, 체결구(110)를 형성하는 유동 가능한 예비-탄성중합재는 MCA 압축 동안 벌크형 체결구 재료의 체적 변위를 수용하는 기체나 그 밖의 압축성 요소를 포함한다. 본 실시예에서, 체결구(110)를 형 성하는 현장 경화 가능한 탄성중합재는 예컨대, 가스-취입형 탄성중합재, 세포형 탄성중합성 고무, 압축성 중공 비드가 첨착된 탄성중합재일 수 있다. MCA(101)가 연료 전지 적층체에 위치되어 적층체 단부판 사이에서 압축될 때, 현장 형성된 탄성중합성 체결구(110)의 변형은 체결구(110) 자체 내의 기공(예컨대, 기포) 또는 압축성 요소(예컨대, 중공 비드)에 의해 수용된다.
체결 구멍(106)은 바람직하게는 두 외부 유동장 판(102)에 대한 기계적 포획을 용이하게 하는 특징을 포함한다. 본 특징은 상술한 바와 같이 연료 전지 적층체 조립을 위해 MCA를 조작할 때 중요한 탄성중합성 현장 경화 정합 상태로 MCA(101)를 유지하는 것을 용이하게 한다. 도4 및 도5에 도시된 포획 특징물은 상부 유동장 판(102)의 외면에 인접한 립 기공(107A)과 하부 유동장 판(102)의 외면에 인접한 립 기공(107B)을 포함한다. 유동 가능한 예비-탄성중합재가 체결 구멍(106) 내로 분배될 때, 이 재료의 일부는 각각의 립 기공(107A, 107B) 내로 유동한다. 립 기공(107A, 107B) 내의 탄성중합재는 경화된 후 두 개의 외부 유동장 판(102)에 대한 기계적 포획을 용이하게 한다.
본 발명의 체결 구성은 경화 가능한 탄성중합재로 형성된, 바람직하게는 현장 경화 가능한 탄성중합재로 형성된 폼 인 플레이스 체결구(110)를 포함한다. 폼 인 플레이스 체결구(110)는 탄화수소 열적 상변화재[예컨대, 왁스 및 탄성중합성 섬유의 복합재 또는 터프 왁스(tough wax)]와 같은 상변화 탄성중합재로 형성될 수 있다. 본 발명의 체결구(110)를 형성하기에 적절한 재료는 실리콘재, 고무재 또는 치과용 인상재를 포함한다. 적절한 치과용 인상재는 3M사에서 판매하는 2-파트 폴 리실록산 치과용 인상재인 임프린트(상표명)(Imprint™) Ⅱ 개런트(상표명)(Garant™) 레귤러 바디드 콘시스턴시(Regular Bodied Consistency) No.9379이다.
본 발명의 체결구(110)를 형성하기에 적절한 재료는 부가 경화, 축합 경화, 방사 경화, 열 경화 또는 자유 라디컬 경화에 따라 경화 가능한 것들을 포함한다. 유용한 부가 경화 실리콘 인상재로는 미국 특허 제4,035,453호와 제4,657,959호에 개시된 것들이 있다. 유용한 부가 경화 폴리에테르로는 DE 4019249 A1에 개시된 것들이 있다. 유용한 축합 경화 실리콘 인상재로는 미국 특허 제6,218,461호, 제5,118,290호, 제4,174,338호 및 DE 1153169에 개시된 것들이 있다. 유용한 아지리디노폴리에테르(aziridinopolyether) 인상재로는 미국 특허 제5,569,691호와 제3,453,242호에 개시된 것들이 있다.
다른 실시예에 따르면, 연료 전지 부조립체 조립 방법은 각각 많은 체결 위치에 마련된 여러 개의 체결구 개구를 구비하는 한 쌍의 유동장 판과 MEA를 제공하는 단계를 포함한다. 조립 방법은 유동장 판과 MEA의 체결구 개구들을 정렬하여 체결 구멍을 한정하는 단계와, MEA의 양 측면에 기계적 압력을 인가하여 MEA를 부분적으로 압축시키는 단계와, 체결 구멍 내로 예비-탄성중합재를 흘려보내어 체결 구멍 내에 폼 인 플레이스 체결구를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 탄성중합재는 바람직하게는 체결 구멍 내에서 현장 경화된다. 예컨대, 조립 방법은 체결 구멍 내에 탄성중합재를 형성하기 위해 예비-탄성중합재를 경화 또는 고화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 MCA가 MEA와 단극성 판을 유지하고 이들을 필수 정합 정밀도를 갖고 최대 변형의 어느 정도 큰 임의의 분율로 부분 압축하는 적절한 지그 내에서 조립된다. 현장 경화 가능한 유동성 탄성중합재(예컨대, 2-파트 실리콘재)가 판, MEA 및 본 목적을 위한 가스켓에 형성된 정렬된 체결 구멍 내로 분배된다. 탄성중합재는 체결 구멍을 채우고 빠르게 경화된다(예컨대, 실온에서 5 내지 8분). 일 실시예와 관련하여 상술한 바와 같이, 체결 구멍 내로 탄성중합재를 분배한 후 채워지지 않은 상태로 남은 적층된 판들의 체결 구멍 내에는 실무상 얼마간의 기공 체적이 있다. 이들 기공은 연료 전지 적층체 압축 동안 변형 가능하지만 비압축성인 탄성중합재를 수용하는 데 필요한 중요한 자유 체적을 나타낸다.
경화후, 잉여 물질은 모서리가 날카로운 칼날을 이용하여 판의 표면에 평행하게 제거된다. MCA가 지그에서 제거되면, MCA는 약간 팽창하며, 탄성중합재는 신장될 수 있기 때문에 판, 가스켓 그리고 MEA를 정합 상태로 유지하면서 파손되지 않고도 그렇게 된다. 그 후, MCA들이 연료 전지 조립체를 형성하도록 적층되고 적층체 단부판 사이에서 볼트에 의해 압축될 때, 현장 형성된 체결구는 압축되고, 필요한 경우 체결 구멍 내의 임의의 비충전 기공 내로 확장된다.
이하, 도2 및 도3을 참조하여 본 발명의 원리에 따르는 연료 전지 부조립체를 조립하는 다양한 방법의 예들을 설명한다.
예1
도2 내지 도4에 도시된 단극성 판(102)이 본 예시적인 실시예의 5 ㎾ 연료 전지 적층체용으로 설계된다. 상부 및 하부판(102)의 주연 상에 현장 탄성중합성 체결구를 형성하기 위한 관통 구멍 또는 개구(106A)가 도시되어 있다. 상술한 현장 형성된 실리콘 고무 체결구(110)를 이용하여 각각의 단극성 판(102) 사이에 가스켓이 마련된 상태로 이런 네 개의 판(102)과 두 개의 MEA(104)를 포함하는 두 개의 동일한 MCA(100)를 제조했다. 우선, 판(102), 가스켓 및 MEA(104)를 순차로 서로 적층시키고 본 임무를 위해 특별히 제조된 지그 내에 부분 압축 하에서 정렬시켜 유지했다.
상술한 3M 치과용 실록산 인상재가 관통 구멍(106A)의 각 측면에 도포됨으로써, MCA(100)들의 양 측면 사이에서 실리콘의 연속성은 완벽했다. 경화가 이루어지고 지그로부터 제1 MCA(100)를 제거한 후, 제1 MCA(100)는 약간 팽창했지만 함께 안정적이고 만족스럽게 유지됨으로써, 용이하고 안전하게 조작될 수 있거나 유닛으로서 포장될 수 있었다. 제2 MCA(100)를 동일한 방식으로 제조했으며, 이들 두 개가 단기 적층체 내에 장착되어 완전 압축되었으며 연료 전지로서 작동되었다. 압축은 명목상 수행되고 적층체가 명목상 작용함으로써 현장 형성된 체결구가 압축 하에서 적절히 작동했음을 나타낸다.
예2
예1에서와 동일한 과정을 이용하여, 이런 15개의 MCA(100)를 조립시켰고, 뒤이어 5 ㎾ 연료 전지를 형성하도록 적층하여 압축시켰다. 적층체는 명목상 작용하고 누출이 없었으며, 이는 단단한 체결장치가 압축 변형의 변화를 수용할 수 없었기 때문에 단단한 체결장치가 허용하지 않았다고 판단된다.
예3
예2에서 제조된 적층체가 장기간 작동하는 동안, MCA(100)들 중 하나 내의 MEA(104)들 중 하나는 성능이 저하되는 것으로 관찰되었다. 적층체는 폐쇄되었고, 타이 로드 및 단부판의 가압력을 해제하여 불완전 MEA(104)를 수용하는 MCA(100)를 제거했다. 원래의 실리콘 고무 체결구(110)를 단극성 판(102)에서 제거하여 폐기했다. 두 개의 새로운 MEA(104)를 MCA(100)의 단극성 판(102)들 사이에 재배치하고 MCA(100)를 함께 유지하기 위해 실리콘 고무 체결구(110)를 다시 현장 형성시켰다. MCA(100)는 적층체 내에서 후방에 위치되었고 적층체는 재압축되어 명목상 작동되었다. 본 예는 현장 형성된 탄성중합성 체결구에 의해 MCA(100)들이 용이하게 재축조되어 재사용될 수 있음을 말해준다.
예4
본 예는 현장 경화 가능한 탄성중합재를 적용하기 전에 MCA 요소를 정밀 정렬 상태로 유지하기 위한 방법을 나타낸다. 이하, 도2, 도3 및 도6을 참조하여 본 목적을 위한 두 방법을 설명한다.
상기 예에서, 냉각제 채널 랜드는 단지 대략 1 ㎜ 폭이며, 판(102)과 MEA(104)를 적층함에 있어, 하나의 판(102)의 배면 상의 냉각 채널은 인접한 판(102) 상의 냉각 채널과 대면한다. 이들 채널은 하나의 판(102)의 채널과 인접한 판(102)의 랜드가 서로에 대해 미끄러지지 않고 판-대-판 접촉을 위한 최대 면적이 최소 저항을 위해 유지될 수 있도록 압축 동안 정렬이 정밀하게 유지되어야만 한다. 이는 어려운 것으로 밝혀졌으며 주의해서 정렬된 조립용 지그를 필요로 한다.
이런 정렬과 조립 과정을 보조하기 위한 장치 개념은 서로의 상부에 하나의 단극성 판(102)을 배치하기 위해 모두 적절한 직경을 갖는 것으로 작은 볼 베어링(202)(반드시 강철일 필요는 없으며 그 밖의 재료로 가능함) 또는 원통형 로드의 사용을 수반한다. 이들 정렬 볼이나 핀(204)은 도6에 도시된 바와 같이 바닥판(102B)에 형성된 V형 구멍이나 슬롯(202)과 상부판(102A)에 형성된 대응하는 구멍이나 슬롯(202)에 끼워질 수 있다.
정렬 구멍/슬롯(202)은 판(102) 상의 어떤 곳이라도 위치될 수 있지만 외부 둘레가 가장 편리할 것이다. 0.050" 두께의 판(102)의 경우, 구멍 또는 슬롯(202)은 판(102)을 관통하여 모든 방면으로 또는 거의 모든 방면으로 절개될 수 있으며, 이로써 예컨대 0.045"의 판 두께가 이용되는 경우, "V"의 각도는 대략 0.863x0.045"x2 = 0.077" 직경의 로드 또는 구를 수용하도록 적어도 45도로 선택될 수 있다.
탄성중합재 사출 단계 동안 MEA(104)와 단극성 판(102)을 정렬 상태로 유지하기 위한 다른 그리고 보다 실용적인 방안으로서, 판(102)들이 서로의 상부와 MEA(104) 상에 적층됨에 따라 판(102)들을 서로에 대해 정밀하게 평행하도록 하는 일련의 단단한 경계 또는 안내부를 제공하기 위해 지그판 장치가 이용되었다. V형 노치가 판의 단부들의 중간에 위치되었고 힘이 적층부 내의 모든 판층들과 접촉을 하기에 충분한 높이의 결합 웨지에 의해 V형 노치의 정점에 인가되었다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 상술한 설명은 예시와 설명을 위해 제시되었다. 본 설명은 완벽한 것이거나 본 발명을 개시된 정밀한 형태로 제한하기 위한 것이 아니다. 상술한 내용에 비추어 많은 변경과 개조가 가능하다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위가 아닌 상세한 설명에 의해 제한되지 않는다.

Claims (38)

  1. 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제1 유동장 판과,
    복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제2 유동장 판과,
    상기 제1 유동장 판 및 상기 제2 유동장 판 사이에 설치되고, 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 막 전극 조립체와,
    상기 막 전극 조립체의 복수의 체결구 개구와 상기 제1 및 제2 유동장 판의 복수의 체결구 개구가 형성하는 복수의 체결 구멍에 배치되는 탄성중합재로 형성된 폼 인 플레이스 체결구를 포함하며,
    상기 탄성중합재는 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 상기 폼 인 플레이스 체결구의 체적 변위를 용이하게 하는 연료 전지 부조립체.
  2. 제1항에 있어서, 탄성중합재는 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 체결 구멍 내의 기공 체적 내로 폼 인 플레이스 체결구의 체적 변위를 용이하게 하는 연료 전지 부조립체.
  3. 제2항에 있어서, 기공 체적은 연료 전지 부조립체 압축의 최종 압축 미만에서 폼 인 플레이스 체결구에 의해 채워지지 않은 체결 구멍 내의 체적을 한정하는 연료 전지 부조립체.
  4. 제2항에 있어서, 기공 체적은 체결 구멍 내에 폼 인 플레이스 체결구를 현장 형성한 후 채워지지 않은 체결 구멍의 체적을 한정하는 연료 전지 부조립체.
  5. 제1항에 있어서, 탄성중합재는 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 폼 인 플레이스 체결구 내의 기공 체적 내로 폼 인 플레이스 체결구의 체적 변위를 용이하게 하는 연료 전지 부조립체.
  6. 제1항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구는 상변화 탄성중합재로 형성되는 연료 전지 부조립체.
  7. 제1항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구는 경화 가능한 탄성중합재로 형성되는 연료 전지 부조립체.
  8. 제1항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구는 현장 경화 가능한 탄성중합재로 형성되는 연료 전지 부조립체.
  9. 제1항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구는 실리콘재로 형성되는 연료 전지 부조립체.
  10. 제1항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구는 고무재로 형성되는 연료 전지 부조립체.
  11. 제1항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구는 치과용 인상재로 형성되는 연료 전지 부조립체.
  12. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유동장 판의 체결구 개구는 제1 및 제2 유동장 판의 외면에 인접한 립 기공을 포함하며, 립 기공 내의 폼 인 플레이스 체결구의 부분들은 제1 및 제2 유동장 판에 대한 기계적 포획을 제공하는 연료 전지 부조립체.
  13. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유동장 판의 각각은 약 6 ㎜ 이하의 두께를 갖는 연료 전지 부조립체.
  14. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유동장 판의 각각은 약 1.25 ㎜ 이하의 두께를 갖는 연료 전지 부조립체.
  15. 제1항에 있어서, 체결 구멍은 연료 전지 적층체 조립 전에 조작하기에 충분한 현장 경화된 정합 상태로 부조립체를 탄성중합성으로 유지하기에 충분한 개수인 연료 전지 부조립체.
  16. 제1항에 있어서, 연료 전지 부조립체는 유동장 판 면적의 약 15 ㎠ 내지 약 25 ㎠ 당 하나의 체결 구멍을 포함하는 연료 전지 부조립체.
  17. 제1항에 있어서, 체결 구멍의 최소 단면적의 합에 대한 유동장 판 면적의 비율은 약 200:1 내지 약 400:1의 범위인 연료 전지 부조립체.
  18. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유동장 판 중 적어도 하나는 단극성 유동장 판으로 구성되는 연료 전지 부조립체.
  19. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 유동장 판 중 적어도 하나는 이극성 유동장 판으로 구성되는 연료 전지 부조립체.
  20. 제1항에 있어서, 제2 유동장 판은 이극성 유동장 판으로 구성되며,
    복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제3 유동장 판과,
    제2 유동장 판과 제3 유동장 판 사이에 설치되고 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제2 막 전극 조립체를 추가로 포함하며,
    막 전극 조립체들과 제1, 제2 및 제3 유동장 판의 복수의 체결구 개구는 내 부에 폼 인 플레이스 체결구가 배치되는 체결 구멍을 한정하는 연료 전지 부조립체.
  21. 제1항에 있어서, 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제3 유동장 판과,
    복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제4 유동장 판과,
    제3 및 제4 유동장 판 사이에 설치되고 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제2 막 전극 조립체를 더 포함하며,
    막 전극 조립체들과 제1, 제2, 제3 및 제4 유동장 판의 복수의 체결구 개구는 내부에 폼 인 플레이스 체결구가 배치되는 체결 구멍을 한정하는 연료 전지 부조립체.
  22. 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제1 유동장 판을 제공하는 단계와,
    복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제2 유동장 판을 제공하는 단계와,
    제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되고 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 막 전극 조립체를 제공하는 단계와,
    막 전극 조립체와 제1 및 제2 유동장 판의 복수의 체결구 개구를 정렬하여 체결 구멍을 한정하는 단계와,
    체결 구멍 내로 예비-탄성중합재를 유동시켜 내부에 폼 인 플레이스 체결구를 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  23. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재가 탄성중합재를 형성하도록 상변화되는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  24. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재는 탄화수소 열적 상변화재를 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  25. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 경화시켜 탄성중합재를 형성하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법
  26. 제25항에 있어서, 탄성중합재는 제1 및 제2 유동장 판의 표면과 사실상 같은 높이인 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  27. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 고화시켜 탄성중합재를 형성하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  28. 제27항에 있어서, 탄성중합재는 제1 및 제2 유동장 판의 표면과 사실상 같은 높이인 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  29. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 경화시켜 탄성중합재를 형성하는 단계를 추가로 포함하되, 탄성중합재는 부가 경화, 축합 경화, 방사 경화, 열 경화 또는 자유 라디칼 경화에 따라 경화되는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  30. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 경화시켜 탄성중합재를 형성하는 단계를 더 포함하며, 탄성중합재는 실리콘재를 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  31. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 경화시켜 탄성중합재를 형성하는 단계를 더 포함하며, 탄성중합재는 고무재를 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  32. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 경화시켜 탄성중합재를 형성하는 단계를 더 포함하며, 탄성중합재는 치과용 인상재를 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  33. 제22항에 있어서, 예비-탄성중합재를 경화 또는 고화시킬 때 제1 및 제2 유동장 판을 기계적으로 포획하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  34. 제22항에 있어서, 연료 전지 부조립체의 조립을 용이하게 하도록 구성된 조립 고정구를 제공하는 단계와, 막 전극 조립체와 제1 및 제2 유동장 판의 복수의 체결구 개구를 정렬하기 위해 조립 고정구를 이용하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 부조립체 조립 방법.
  35. 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제1 유동장 판을 제공하는 단계와,
    복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제2 유동장 판을 제공하는 단계와,
    제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되고 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 막 전극 조립체를 제공하는 단계와,
    막 전극 조립체와 제1 및 제2 유동장 판의 복수의 체결구 개구가 한정하는 각각의 체결 구멍 내에 배치되는 탄성중합재를 포함하는 폼 인 플레이스 체결구를 제공하는 단계와,
    연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 단계와,
    연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것에 대응하여 폼 인 플레이스 체결구에 의한 압축 변형을 수용하는 단계를 포함하는 연료 전지 부조립체 내의 압축 수용 방법.
  36. 제35항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구에 의한 압축 변형 수용 단계는 체결 구멍 내의 기공 체적 내로 폼 인 플레이스 체결구의 체적을 변위시키는 단계를 포함하는 연료 전지 부조립체 내의 압축 수용 방법.
  37. 제35항에 있어서, 폼 인 플레이스 체결구에 의한 압축 변형 수용 단계는 폼 인 플레이스 체결구 내의 기공 체적 내로 폼 인 플레이스 체결구의 체적을 변위시키는 단계를 포함하는 연료 전지 부조립체 내의 압축 수용 방법.
  38. 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제1 유동장 판과,
    복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 제2 유동장 판과,
    제1 및 제2 유동장 판 사이에 설치되고 복수의 체결 위치에 형성된 복수의 체결구 개구를 포함하는 막 전극 조립체와,
    막 전극 조립체와 제1 및 제2 유동장 판의 복수의 체결구 개구가 한정하는 체결 구멍에 배치되고 연료 전지 부조립체를 압축 상태로 배치하는 것으로 인한 압축 변형을 탄성적으로 수용하기 위한 수단을 포함하는 연료 전지 부조립체.
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