CN105190973B - 具有级联密封配置和用于氢气再生的电化学电池 - Google Patents

Abstract

一种电化学电池包括一对双极板和该双极板之间的膜电极组件。该电化学电池还包括限定高压区的第一密封，其中，该第一密封位于双极板之间并且被配置成容纳高压区内的第一流体。进一步的，电化学电池包括限定中压区的第二密封，其中，第二密封位于双极板之间并且被配置成容纳中压区内的第二流体。当第一密封移位时，第一密封被配置成将第一流体泄漏到中压区。

Description

具有级联密封配置和用于氢气再生的电化学电池

本申请要求于2013年2月28日提交的美国临时申请号61/770,538的优先权，其以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及一种电化学电池，更具体地涉及一种具有级联密封配置并且被配置成用于氢气再生的电化学电池。

背景技术

电化学电池通常分类为燃料电池或电解电池，是用于从化学反应中产生电流或使用电流诱发化学反应的设备。燃料电池将燃料（例如，氢、天然气、甲醇、汽油等）和氧化剂（空气或氧气）的化学能转化为电能和废产物（热量和水）。基本燃料电池包括带负电的阳极、带正电的阴极、和称为电解质的离子传导材料。

不同的燃料电池技术利用不同的电解质材料。例如，质子交换膜（PEM）燃料电池利用聚合物离子传导膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，在阳极处，氢原子可以电化学分解成电子和质子（氢离子）。电子通过电路流到阴极并且产生电力。同时，质子通过电解质膜扩散到阴极。在阴极处，氢质子可以与电子和氧（供应到阴极）反应生成水和热量。

电解电池表示逆向操作的燃料电池。当施加外部电势时，通过将水分解为氢气和氧气，基本电解电池可以用作氢气发生器。氢气燃料电池或电解电池的基本技术可以应用于电化学氢气处理，诸如电化学氢气压缩、纯化、或膨胀。

例如，电化学氢气压缩机（EHC）可以用于选择性地将氢从电池的一侧转移到另一侧。EHC可以包括夹在第一电极（即，阳极）和第二电极（即，阴极）之间的质子交换膜。含氢气体可以接触第一电极并且在第一电极和第二电极之间施加电势差。在第一电极处，氢分子可以被氧化，并且反应可以生成两个电子和两个质子。两个质子通过膜被电化学驱动到电池的第二电极，其中它们被两个重新路由的电子重新结合并且被还原以形成氢分子。发生在第一电极和第二电极处的反应可以被表示为化学方程，如下所示。

第一电极氧化反应：H2→2H++2e-

第二电极还原反应：2H++2e-→H2

整个电化学反应：H2→H2

以这种方式操作的EHC有时是指氢气泵。当聚集在第二电极处的氢气被限制到狭小的空间时，电化学电池压缩氢气或升高压力。单独的电池能够产生的最大压力或流速可以基于电池设计进行限制。

为了实现更大的压缩或更高的压力，可以将多个电池串联以形成多级EHC。在多级EHC中，例如，气体流路可以被配置成以使第一电池的压缩后的输出气体可以是第二电池的输入气体。可选地，单级电池可以并联以增加EHC的吞吐量容量（即，总气体流速）。在单级和多级EHC中，电池可以堆叠并且每个电池可以包括阴极、电解质膜和阳极。每个阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组件”、或“MEA”，其通常通过双极板支撑在两侧上。除了提供机械支撑，该双极板物理地分离堆中的单独的电池，同时将它们电性连接。该双极板还充当集电器/导体，并且提供燃料通道。通常，双极板由金属制成，例如，不锈钢、钛等，并且还由非金属导体制成，例如，石墨。

电化学氢气处理已经成为一种传统上用于氢气管理的机械系统的可行的替代方案。氢气作为能量载体的成功商业化和“氢气经济”的长期可持续性主要取决于燃料电池、电解电池、和其它氢气处理/管理系统（即，EHC）的效率和成本效益。气态氢是一种方便并且常见的通常通过加压容纳储存能量的形式。有利的是，在高压下储存氢产生高能量密度。

机械压缩是一种实现压缩的的传统器件。然而，机械压缩还是有缺点。例如，相当大的能量消耗、对移动部件的磨损和撕裂，过度噪音、笨重的设备、和氢脆。通过热循环加压是一种机械压缩的替代方案，但是，如同机械压缩一样，能量消耗也是相当大的。相反，电化学压缩安静、可扩展、模块化，并且可以实现高能量效率。

电化学氢气压缩的一个挑战是关于加压氢气的安全问题。氢气极易燃烧并且高压氢气提出了安全问题。主要问题可以包括高压气体从电化学压缩机中泄漏或无意释放。灾难性释放会造成安全隐患。

而且，不会上升到重大安全问题水平的甚至很少的泄漏仍然降低了电化学压缩机的效率。因此，需要防止或减少氢气泄漏。

发明内容

考虑到上述情况，本公开涉及一种具有级联密封配置并且被构造成限制氢从电池中无意释放的电化学电池。此外，级联密封配置可以使能够收集和再循环从电池中泄漏的氢。

本公开的一个方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件，其中，膜电极组件包括阳极、阴极、和置于其间的质子交换膜；限定高压区的第一密封，其中，第一密封位于双极板之间并且被配置成容纳高压区内的第一流体；限定中压区的第二密封，其中，第二密封位于双极板之间并且被配置成容纳中压区内的第二流体；并且其中，第一密封被配置成当第一密封移位时，将第一流体泄漏到中压区中。

在另一实施例中，电化学电池还可以包括限定低压区的第三密封，该第三密封被配置成容纳低压区内的第三流体，其中，第二密封被配置成当第二密封移位时，将第二流体泄漏到低压区中。在另一实施例中，第一密封可以容纳在第二密封内并且第二密封容纳有第三密封。在另一实施例中，第一流体的压力比第二流体高并且第二流体的压力比第三流体高。在另一实施例中，第一密封、第二密封和第三密封可以具有大致矩形的横截面。

在另一实施例中，第三密封的厚度可以大于第二密封并且第二密封的厚度大于第一密封。在另一实施例中，第一密封、第二密封、和第三密封可以具有大致圆形的横截面。在另一实施例中，第一流体可以是高压氢，第二流体可以是更低压力的氢，并且第三流体可以是冷却剂流体。在另一实施例中，第三流体可以是氮并且低压区包括围绕电化学电池的氮气层，该氮气层被配置成检测从电化学电池内泄漏的第一流体和第二流体中的至少一种。在另一实施例中，可以监测第三流体的压力，并且压力的升高指示至少第二密封的移位。

在另一实施例中，电化学电池可以被配置成在第三流体达到第三密封移位的压力之前，关闭。在另一实施例中，当施加到该对双极板的闭合力大于该对双极板内的打开力时，该对双极板内的第一密封、第二密封和第三密封可以被配置成保持不动，从而防止第一流体、第二流体、和第三流体泄漏。在另一实施例中，第一密封可以被配置成当施加到该对双极板的闭合力接近该对双极板内的打开力时，在第二流体或第三流体导致第一流体通过第一密封泄露到中压区中之前，移位，这导致该对双极板的第一分离。在另一实施例中，第二密封可以被配置成当闭合力进一步接近打开力，从而导致该对双极板的第二分离时，移位，从而使第二流体通过第二密封泄漏到低压区中。

在另一实施例中，泄漏到中压区中的第一流体与第二流体组合并且可以被循环。在另一实施例中，泄漏到低压区中的第二流体与第三流体组合并且流出电化学电池而且可以被再生。在另一实施例中，电化学电池可以被配置成接收施加到该对双极板的闭合力，其中，闭合力可基于低压区、中压区、和高压区的压力在电化学电池的运行期间调整。在另一实施例中，电化学电池还可以包括位于第一密封外部和第二密封内部的一对辅助密封，其中，该对辅助密封限定与高压区流体连通的两个辅助高压区。在另一实施例中，双极板中的至少一个可以包括多个部件，并且利用多个部件之间的级联密封配置。

本公开的另一方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件；位于双极板之间的高压区，该高压区容纳第一流体；位于该对双极板之间的中压区，该中压区容纳第二流体；和低压区，该低压区容纳第三流体；其中，电化学电池被配置成基于施加到双极板的闭合力和由第一流体、第二流体、和第三流体中的至少一个的压力所产生的打开力中的至少一个在第一配置、第二配置、和第三配置之间转换。

在另一实施例中，第一配置可以在高压区、中压区、和低压区之间提供大体上无泄漏；第二配置可以提供第一流体从高压区到中压区的一部分的泄漏；并且第三配置可以提供第一流体从高压区到中压区一部分的泄漏和第二流体从中压区到低压区的一部分的泄漏。在另一实施例中，电化学电池还可以包括与电化学电池的低压区流体连通的氢气再生装置，其中，氢气再生装置被配置成再生泄漏到低压区中的第二流体的一部分并且将所再生的第二流体再引入到电化学电池的中压区中。

在另一实施例中，可以监测低压区中的第三流体的压力，并且第三流体的压力的升高使氢气再生装置工作。在另一实施例中，高压区可以容纳在中压区内并且中压区可以容纳在低压区内。在另一实施例中，电化学电池还可以包括被配置成容纳高压区内的第一流体的第一密封、被配置成容纳中压区内的第二流体的第二密封、和被配置成容纳低压区内的第三流体的第三密封。在另一实施例中，第二配置可以包括双极板之间的第一间隔，并且第三配置包括大于双极板之间的第一间隔的第二间隔。

本公开的另一方面涉及一种调谐具有级联密封配置的电化学电池的闭合力的方法，该方法包括：提供电化学电池，该电化学电池在级联密封配置中具有多个密封；基于所期望的操作压力将初始闭合力施加到电化学电池；操作电化学电池；监测电化学电池的压力；和基于所监测的压力调整施加到电化学电池的闭合力，其中，调整闭合力改变多个密封中的至少一个移位的压力。

本公开的另一个方面涉及一种用于电化学电池的双极板，包括至少两个部件；限定高压区的第一密封，其中，该第一密封位于部件之间并且被配置成容纳高压区内的第一流体；限定中压区的第二密封，该第二密封包括中压体（intermediate pressure volume）和中压口，其中，第二密封位于部件之间并且被配置成容纳中压区内的第二流体，其中，第一密封被配置成当第一密封失效并且第一流体可以收集在中压体中并且从中压口中排出时，将第一流体泄漏到中压区中。

本公开的另一方面涉及一种电化学电池，包括一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件和该对双极板之间的第一级联密封配置，其中，每个双极板包括至少两个部件和该至少两个部件之间的第二级联密封配置。

应当理解，以上一般描述和以下详细描述是示例性和说明性的，并不能对所要求保护的本公开构成限制。

附图说明

并入说明书中并且构成本说明书的一部分的附图说明了本公开的实施例，并与说明书一起用来解释本公开的原理。

图1是电化学电池的一部分的侧视图，示出了电化学电池的各种部件。

图2A是根据示例性实施例的示出了电池各种密封和压力区的电化学电池的一部分的正视图。

图2B是根据示例性实施例的示出了电池的各种密封和压力区的电化学电池的一部分的正视图。

图3A是根据示例性实施例的电化学电池的一部分的剖视图。

图3B是根据示例性实施例的示出了各种力的电化学电池的一部分的剖视图。

图4A是根据示例性实施例的示出了第一配置的电化学电池的一部分的剖视图。

图4B是根据示例性实施例的示出了第二配置的电化学电池的一部分的剖视图。

图4C是根据示例性实施例的示出了第三配置的电化学电池的一部分的剖视图。

图5是根据示例性实施例的示出了电化学氢气再生系统的示意图。

图6是根据示例性实施例的图示控制电化学电池内压力的方法的流程图。

图7是根据示例性实施例的示出了电池的各种密封和压力区的电化学电池的一部分的正视图。

图8是根据示例性实施例的两件式双极板的等轴视图。

具体实施方式

现在将详细参照本公开的示例性实施例，其示例在附图中图示。只要有可能，相同的附图标记在所有附图中就用于指示相同或相似的部分。尽管是关于采用氢气的电化学电池描述的，但是，应当理解，本公开的设备和方法可以与各种类型的燃料电池和电化学电池一起采用，包括但不限于，电解电池、氢气净化器、氢气膨胀器、和氢气压缩机。

图1示出了根据示例性实施例的电化学电池100的分解侧视图。电化学电池100可以包括阳极110、阴极120、和布置在阳极110和阴极120之间的质子交换膜（PEM）130。所组合的阳极110、阴极120、和PEM130可以包括膜电极组件（MEA）140。PEM130可以包括纯聚合物膜或复合膜，其中，其它材料（例如，二氧化硅、杂多酸、层状金属磷酸盐、磷酸盐、和磷酸锆）可以包埋在聚合物基质中。PEM130可以透过质子，而不传导电子。阳极110和阴极120可以包括多孔碳电极，该多孔碳电极容纳催化剂层。催化剂材料（例如，铂）可以提高燃料的反应。

电化学电池100还可以包括两个双极板150、160。双极板150、160可以用作支撑板、导体，对于燃料为相应的电极表面提供通道，并且提供通道用于去除压缩后的燃料。双极板150、160还可以包括进入渠道（access channel），用于冷却流体（即，水、二醇或水-乙二醇混合物）。双极板可以由铝、钢、不锈钢、钛、铜、Ni-Cr合金、石墨或任何其它导电材料制成。双极板150、160可以将电化学电池100与电化学堆（未示出）中的相邻电池分离。例如，多个电化学电池100可以串联以形成多级电化学氢气压缩机（EHC）或平行堆叠以形成单级EHC。

在操作中，根据示例性实施例，氢气可以通过双极板150供应到阳极110。在阳极110和阴极120之间可以施加电势，其中，阳极110处的电势大于阴极120处的电势。阳极110处的氢气可以被氧化，从而使得氢气分解成电子和质子。质子通过PEM130电化学输送或“泵送”，而电子在PEM130周围被重新路由。在阴极120处，在PEM130的相对侧上，所输送的质子和所重新路由的电子被还原成氢。随着越来越多的氢在阴极120处形成，可以在有限空间内将氢压缩并且加压。

在电化学电池100内，多个不同的压力区和多个密封可以限定一个或多个不同的压力区。图2A示出了电化学电池100内多个不同密封和压力区。如图2A所示，多个密封可以包括第一密封171、第二密封181、和第三密封191。第一密封171可以完全容纳在第二密封181内并且第二密封181可以完全容纳在第三密封191内。另外，多个密封还可以包括第一辅助密封175、176。该辅助密封175和176可以位于第一密封171外，但是在第二密封181内。

第一密封171可以限定高压区170并且被配置成容纳高压区170内的第一流体172（例如，氢气）。第一密封171可以限定高压区170的外边界。高压区170可以与PEM130的高压阴极120侧相对应。在阴极130处形成的氢可以收集在高压区170中并且被第一密封171所容纳。高压区170内的氢可以被压缩，并且因此，随着越来越多的氢在高压区170中形成，压力就增加。高压区170中的氢可以压缩至压力大于15，000 psi。

第一辅助密封175、176可以限定两个辅助高压区177、178，该两个辅助高压区177、178可以与高压区170流体连通。辅助高压区177、178可以是公共通道，该公共通道被配置成从高压区170中排出第一流体172。辅助高压区177、178可以与多电池电化学压缩机中的相邻电化学电池的公共通道流体连通。

第二密封181可以限定中压区180并且被配置成容纳中压区180内的第二流体182。第二密封181可以划定中压区180的外边界。中压区180可以与PEM130的低压阳极110侧相对应。供应到阳极110的第二流体182（例如，氢气或含氢气体混合物）可以通过第二密封181容纳在中压区180中，直至其被氧化并且“泵送”穿过PEM130到阴极120和高压区170为止。中压区180内的第二流体182可以基于正在供应的压力变化。无论如何，中压区180中的第二流体182的压力通常可以低于高压区170中的第一流体172。

第三密封191可以限定低压区190并且被配置成容纳低压区190内的第三流体192。第三密封191可以划定低压区190的外边界。低压区190可以包括冷却剂流体通道并且第三流体192可以包括冷却剂流体。冷却液流体可以包括水、乙二醇、或其组合。在高温系统中，可以使用油作为冷却剂流体。第三流体192的压力通常可以保持小于中压区180中的第二流体182和高压区170中的第一流体172。低压区190可以包括所配置的入口通道和出口通道（未示出），以使第三流体192可以通过低压区190循环。

在另一实施例中，如图2B所示，低压区190可以不位于电化学电池100内，而是位于围绕电化学电池100或形成堆的多个电池的区域。例如，低压区190可以容纳形成围绕电化学电池100或在其它实施例中围绕多个电池的氮气层的氮气192。

图3A示出了沿着图2A的平面A的电化学电池100的剖视图。如图2A所描述的，电化学电池100可以包括MEA140和双极板150、160。在双极板150、160之间可以是限定高压区170的第一密封171、限定中压区180的第二密封181、和限定低压区190的第三密封191。在图3A中，如图2A先前所示，第一密封171、第二密封181、和第三密封191每个可以被示为单个连续密封的两个分离的横截面。

如图3A所示，第一密封171可以抵靠第一肩部173。因为会在高压区170内产生压力，所以第一肩部173可以被配置成保持第一密封171的位置。高压区170内的压力可以对第一密封171施加向外的力。第一肩部173的高度范围可以从第一密封171的未压缩厚度的约98 %至约25 %。

在图3A所示的特定实施例中，在第一密封171内部没有肩部。缺少如图3A所示的内肩部可以允许第一密封171组合、结合、连接或整合到MEA140或其部分。将第一密封171整合到MEA140可以有助于一致、高效和流线型组装电化学电池100。然而，在替代实施例中，附加的肩部可以置于第一密封171的内部，其可以被配置成产生凹槽，第一密封171可以置于该凹槽中。

再参照图3A，第二密封181可以置于在双极板160中的两个肩部之间形成的第二凹槽183中。第二凹槽183和第二密封181的内部可以是中压区180并且第二凹槽183和第二密封181的外部可以是低压区190。第二凹槽183的深度范围可以从第二密封181的未压缩厚度的约98 %至约25 %。

如图3A所示，第三密封191可以置于在双极板160中的两个肩部之间形成的第三凹槽193中。第三凹槽193和第三密封191的内部可以是低压区190并且第三凹槽193和第三密封191的外部可以是电化学电池100的周围环境。第三凹槽193的深度范围可以从第三密封191的未压缩厚度的约98 %至约25 %。

在组装期间，双极板150、160之间的第一密封171、第二密封181、和第三密封191通过选择它们相应的肩部173的适当高度或它们相应的凹槽183和193的深度被压缩它们未压缩厚度的预定百分比。如图3A所示，第一肩部173与形成第二凹槽183和第三凹槽193的肩部可以用作用于双极板150的止动件。通过用作止动件，可以降低过压缩密封的可能性。第一肩部173与形成第二凹槽183和第三凹槽193的肩部的高度可以相等，以使当表面平行时，双极板150可以立刻与双极板160的所有肩部表面接触。

在替代实施例（未示出）中，第二凹槽183和第三凹槽193可以形成在双极板150中，而非形成在双极板160中。在另一实施例中，第二凹槽183可以形成在双极板150、160中的任何一个中，而第三凹槽193形成在另一板中。在又一个实施例，第二凹槽183和第三凹槽193的部分可以形成在两个双极板150、160中。

第二凹槽183和第三凹槽193可以具有与第二密封181和第三密封191的形状相对应的横截面几何形状。例如，密封和凹槽横截面的几何形状可以是正方形、矩形、三角形、多边形、圆形、或椭圆形。在各个实施例中，第二密封181和第三密封191的宽度可以小于对应的凹槽。凹槽中的附加空间可以允许由温度变化、来自内部气体的压力变化、和来自双极板压缩的压力变化所引起的密封的膨胀和收缩。如图3A所示，通常，因为密封经受来自比外侧压力高的内侧压力，所以密封可以被迫向凹槽内的最外部位置运动。

在其它实施例中，凹槽（例如，第二凹槽183和第三凹槽193）的深度可以减小至零或被消除，并且第一密封171、第二密封181、和第三密封191可以由平坦的衬垫材料形成，其可以切成（cut in）被配置成维持级联配置的扩大图案。例如，通过第一密封171泄漏的第一流体可以收集在中压区180中。

第一密封171、第二密封181和第三密封191可以为衬垫、O形圈或者其它密封部件。第一密封171、第二密封181、和第三密封191可以由弹性体或聚合物密封材料（例如，硅树脂、EPDM（乙烯-丙烯-二烯-单体橡胶）、含氟弹性体、丁腈橡胶（Buna-N）、PTFE（聚四氟乙烯）、聚砜、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、PEEK（聚醚醚酮）、聚酰亚胺、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、HDPE（高密度聚乙烯）、聚氨酯、氯丁橡胶、乙缩醛、尼龙、聚对苯二甲酸丁二醇酯、NBR（丙烯腈-丁二烯橡胶）等等）制成，每个密封的材料可以不同于其它密封的材料，对于密封中的仅两个密封，材料可以相同，或对于所有密封，材料可以相同。

如同材料一样，每个密封的厚度可以与其它密封不同。可以沿着电化学电池100的垂直轴线（Y）测量厚度。如图3A所示，第二密封181的厚度大于第一密封171的厚度并且第三密封191的厚度大于第二密封181的厚度。因此，最外部的密封即第三密封191可以具有最大厚度并且最里面的密封即第一密封171可以具有最小的厚度。例如，第一密封171的厚度范围可以为约0.01 mm～1.0 mm，第二密封181的厚度范围可以为约0.02 mm～约2.0 mm，并且第三密封191的厚度范围可以为约0.03 mm～3.0 mm。

对于第一密封171、第二密封181、和第三密封191的横截面几何形状可以为圆形或椭圆形的实施例，如上所述的厚度可以是指圆形或椭圆形横截面的直径。

如图3B所示，在电化学电池100的操作期间，应用在双极板150、160之间的每个对应的区内的第一流体172、第二流体182、和第三流体192的压力可以产生打开力200。无对抗的打开力200可以导致双极板150、160分离。为了防止打开力200分离双极板150、160，可以对该板施加闭合力210，以便对抗和克服开启力200。应当理解，第一流体172、第二流体182和第三流体192的压力会产生比由表示开启力200的多个箭头表示的那些更大的力。例如，会产生垂直于开启力200的横向力（未示出）以及在所有可能的方向上从每个压力区向外指向的其它力。

图4A示出了第一配置下的电化学电池100的横截面。当闭合力210足以克服开启力200并且将双极板150、160大体上保持在一起时，电化学电池100可以维持第一配置。当在第一配置中的时候，第一密封171、第二密封181和第三密封191均可以维持与双极板150、160的顶部密封面和底部密封面两者接触，从而防止第一流体172、第二流体182、或第三流体192泄漏或绕过。在这种特定情况下，所有密封都满足它们的功能。

当电化学电池100处于第一配置下时，如上所述，双极板150、160的表面之间的间隔的实际测量可以变化。例如，该间隔的范围可以为约0.00 mm～约0.01 mm、0.00 mm～约0.05 mm、0.00 mm～约0.10 mm。

图4B示出了第二配置下的电化学电池100的横截面。当减少闭合力210或增加打开力200（例如，第一流体172压力增加），从而导致双极板150、160分开时，电化学电池100可以改变为第二配置。如图4B所示，双极板150、160的第一间隔可以导致第一密封171移位，从而允许第一流体172从高压区170绕到中压区180中。在图4B所示的特定实施例中，首先示出了第一密封171从双极板160移位，从而允许第一密封171下面和周围的第一流体172流动。然而，应当理解，在替代实施例（未示出）中，首先，第一密封171可以从双极板150移位，从而使第一流体172通过在第一密封171和MEA140之间经过流过第一密封171。

第一流体172从高压区170流到中压区180中可以由第一流体172和第二流体182之间的压力差引起并且可以沿最小阻力的路径行进。第一密封171可以被配置成密封中的第一个以通过厚度小于第二密封181和第三密封191移位。这可以允许第三密封191和第二密封181维持与两个密封表面接触，从而尽管双极板150、160的第一间隔存在于第二配置中，还是防止流体绕过任一密封。

当电化学电池100处于第二配置下时，如上所述，存在于双极板150、160之间的第一间隔的实际测量可以变化。例如，第一间隔的范围可以为约0.01 mm～约0.05 mm、约0.01mm～0.10 mm、约0.01 mm～约0.25 mm。

图4C示出了第三配置下的电化学电池100的横截面。当进一步降低闭合力210或者进一步增加打开力200，从而使得双极板150、160经受第二分离时，电化学电池100能够改变为第三配置。如图4C所示，双极板150、160的第二分离可以导致第一密封171和第二密封181两者移位，从而允许第一流体172从高压区170绕到低压区190并且允许第二流体182从中压区180绕到低压区190。在图4C所示的特定实施例中，首先示出了第二密封181从双极板150移位，从而允许第二密封181下面和周围的第二流体182流动。然而，应当理解，在替代实施例（未示出）中，第二密封181首先可以从双极板160移位，从而允许第二密封181下面和周围的第二流体182流动。

第二流体182从中压区180流到低压区190中可以由第二流体182和第三流体192之间的压力差引起。第二密封181可以被配置成为第二密封以通过比第一密封171厚但是不和第三密封191一样厚移位。因此，因为第三密封191可以比第一密封171和第二密封181两者都厚，所以第三密封191可以维持与两个密封表面接触，从而尽管双极板150、160的第二分离，但仍防止流绕开。

当电化学电池100处于第三配置下时，如上所述，第二分离的实际测量可以变化。例如，第二分离的范围可以从约0.05 mm～约0.25 mm、约0.05 mm～约0.50 mm。

电化学电池100可以被配置成在操作期间基于闭合力210和开启力200的改变幅度从第一配置转换到第二配置并且从第二配置转换到第三配置。此外，电化学电池100还可以基于闭合力210和开启力200的改变幅度从第三配置转换到第二配置并且从第二配置转换到第一配置。可以设想，第一配置、第二配置、和第三配置之间的转换在操作期间可以连续发生，以响应于闭合力210和开启力200的改变幅度。

在其它实施例中，可以设想，密封的弹性模量可以不同，而非密封的厚度来使得密封能够分散移位。在又一个实施例中，厚度和弹性模量两者均可以变化。

如上所述的密封的布置可以分类为级联密封配置。级联密封配置可以提供若干个优点。例如，级联密封配置可以通过提供三级密封保护形式的密封冗余来限制高压氢气逃逸电化学电池100的可能性。降低氢气泄漏的可能性有益于安全性和能量效率。

此外，级联密封配置还可以允许自调整压力。因为密封厚度不等和第一密封171、第二密封181和第三密封191的所得的分散移位，所以可以实现自调整压力。例如，当电化学电池100处于如图4B所示的第二配置下时，第一密封171可以移位，从而允许第一流体172泄漏到中压区180中。泄漏到中压区180中的第一流体172可以从高压区170中泄放压力。通过从高压区170中泄放压力，可以减小打开力200。打开力200的降低可以允许双极板150、160的第一分离以被反转，从而导致电化学电池100从第二配置转换到第一配置并且复位第一密封171。

通过第一密封171泄漏的第一流体172可以与第二流体182组合并且被电化学电池100利用，实际上，所泄漏的第一流体172可以再循环。因为所泄漏的氢通过PEM130被“泵送”两次，所以这种泄漏和随后的再循环的结果可以是压缩效率的损失。然而，如果所泄漏的氢没有被回收而是泄漏到电化学电池100外部并且损失，则压缩效率的潜在损失仍小于整体效率的损失。

在压力从高压区170的泄放不足以引起从第二配置转换到第一配置的情况下，第二分离可能发生，从而导致电化学电池从第二配置转换到第三配置。在如图4C所示的第三配置中，双极板150、160的第二分离可以导致第二密封181移位，从而允许第二流体182泄漏到低压区190中。泄漏到低压区190中的第二流体182可以从中压区180泄放压力。通过从中压区180泄放压力，可以进一步降低打开力200。打开力200的降低可以允许双极板150、160的第二分离以被反转，从而导致电化学电池100从第三配置转换到第二配置并且复位至少第二密封181。

从中压区180向低压区190泄放第二流体182的结果可以是电池效率的损失。然而，益处可以是降低第二流体182（即，氢气）逸出电化学电池100的可能性。

在各种实施例中，可以监测低压区190中的第三流体192的压力。第二密封181的移位可以引起由第二流体182压力泄放到低压区190中所导致的低压区190的压力增加。因此，通过监测第三流体192的压力，可以检测到第二密封181的移位和第二流体182的泄漏。此外，电化学电池100可以被配置成在低压区190中的压力达到临界压力之前，关闭。临界压力刚好被设定成低于第三密封191会移位的压力，从而允许第一流体172、第二流体182、和第三流体192逸出电化学电池100。在另一实施例中，可以监测第三流体192的组成，以检测外来液体（例如，第一流体172和第二液体182）的存在。检测传感器（例如，氢气传感器）可以用于检测低压区190中外来流体的存在。

监测压力可以以多种方式来实现。例如，压力传送器可以被配置成读取低压区190中的压力，并且当压力达到临界压力设定点时，可以关闭阳极110和阴极120的电势，从而防止氢气进一步“泵送”穿过PEM130。

在其它实施例中，还可以监测中压区180中的第二流体182和高压区190中的第一流体192的压力。例如，监测第二流体182的压力可以允许在压力达到第二密封181会移位的点之前，关闭电池。

在各种实施例中，当第一流体172或第二流体182（例如，高或低压氢气）泄放到低压区190，它与第三流体192（例如，冷却剂流体）组合并且可以通过循环的第三流体192带离低压区190。

图5示出了根据示例性实施例的电化学氢气再生系统（EHRS）500。EHRS500可以包括如上所述的具有级联密封配置的电化学电池100。除了电化学电池100，EHRS500还可以包括氢气再生装置510。装置510可以与电化学电池100的低压区190和中压区180流体连通。装置510可以接收从低压区190排出的第三流体192并且可以被配置成回收容纳在第三流体192中的任何第二流体182的至少一部分。在第三流体192通过氢气再生装置510之后，第三流体可以重新供应到低压区190。由氢气再生装置510从第三流体182中回收的任何第二流体192可以经由再循环线520被再引入到中压区180中，该再循环线520被配置成流体连接氢气再生装置510和中压区180。再循环第二流体182可以提高总系统效率。例如，当第二流体182是氢气时，再循环第二流体182减少了所需的新氢的量。

氢气再生装置510可以使用多种技术分离第二流体182和第三流体192。例如，从流体冷却剂中分离溶解的气体或从氮气层中氢分离膜。

在各种实施例中，EHRS500可以被配置成检测低压区190中的第三流体192的压力。通过监测低压区190中第三流体192的压力，氢气再生装置510可以被配置成当已经检测到增加的压力时，仅工作或通电，这可以指示第二密封182已经移位并且第二流体已经泄露到低压区190中。通过限制使用氢气再生装置，可以提高整个系统效率。

在其它实施例中，当第一流体172或第二流体182（例如，高或低压氢气）泄放到低压区190中并且与第三流体192（例如，冷却剂流体）组合时，它可以与第三流体192一起循环并且保持循环，直至第三流体192排出而非是从第三流体192中回收或再生为止。

电化学电池100可以在压差高于约15，000 psi下操作。例如，压差可以作为第二液体182压力（即，入口氢气压力）和第一流体172压力（即，压缩后的氢气压力）之间的差异测量，该第二流体182压力的范围可以为约-10 psi～约0 psi、或约0 psi～约25 psi、约100psi、约500 psi、约1，000 psi、或约6，000 psi，该第一流体172压力的范围可以从入口氢气压力的下限到高于约15，000 psi。如上所述的压差可以是第一密封171所经受的压差。第二密封181可以经受第二流体182和第三流体192之间的压差，其范围为约0 psi～约25 psi、约100 psi、约500 psi、约1，000 psi、或约6，000 psi。

上述的级联密封配置可以使闭合力210能够被调谐（即，增加或减小）到特定的打开力200。传统上的闭合力210可以被设定成在第一密封171、第二密封181和第三密封191递送预负荷足以承受由内部压力引起的所期望的打开力200。然而，在操作电化学电池100期间，通过改变预负荷或调整闭合力210，可以调谐第一密封171、第二密封181、和第三密封191移位的压力，以使它们每个在优选的特定压力下移位并且泄漏。

电化学电池100的调谐能力可以用于增强设备的安全性。如上所述，密封的移位使高压能够泄放并且使密封能够复位。因此，通过调谐闭合力210，电化学电池可以被配置成使得密封是第一部件以对压力增加作出反应，而非失效的另一部件会引起氢气释放。

图6示出了调谐电化学电池100的密封的方法的流程图600。该方法可以包括：提供电化学电池100，其可以在如上所述的级联密封配置中具有多个密封。其次，该方法可以包括：基于所期望的操作压力将初始闭合力施加到电化学电池。施加初始闭合力之后，电池可以工作并且操作可以开始。在操作期间，可以连续或间歇地监测电化学电池100内的低、中、高压区的压力。基于所监测到的压力和所得的打开力，可以调整闭合力。调整闭合力可以改变多个密封中的至少一个密封移位的压力。该过程可以在整个电化学电池的操作中继续或可以被配置成最初在启动时运行仅有限的时间段。根据需要，结束电化学电池的操作。

可以设想更多或更少的密封和压力区。例如，在图7所示的另一实施例中，电化学电池100可以包括第一密封171和第二密封181。因此，如图7所示，电化学电池100可以包括限定高压区170的第一密封171。第一密封171可以位于双极板150、160之间并且被配置成容纳高压区170内的第一流体172。电化学电池100还可以包括限定中压区180的第二密封181。第二密封182可以位于双极板150、160之间并且被配置成容纳中压区180内的第二流体182。第一密封171可以完全容纳有第二密封181。电化学电池100还可以包括第一辅助密封175、176。辅助密封175和176可以位于第一密封171外，但是在第二密封181内。

另外，关于电化学电池100，第一流体172的压力比第二流体182高。第一密封171和第二密封181可以具有大致矩形的横截面。第二密封181的厚度可以大于第一密封171。第一密封171可以配置成当第一密封171移位时，将第一流体172泄漏到中压区180中。在这样的实施例中，电化学电池100可以被配置成在第二密封181移位之前，关闭，从而降低第二流体182从中压区180中泄露的可能性。

电化学电池100内的第一密封171和第二密封181可以被配置成保持不动，从而防止当施加到双极板150、160的打开力大于双极板内150、160的打开力时，第一流体172和第二流体182泄漏。当施加到双极板150、160的闭合力接近双极板内150、160的打开力时，第一密封171可以被配置成在第二密封181移位之前，移位，从而导致第一流体172通过第一密封171泄露到中压区180中。通过第一密封171泄漏的第一流体172可以与第二流体182组合并且被再循环。

在其它实施例中，类似于上述的级联密封配置可以与两件式双极板一起使用。例如，根据一些实施例，双极板150和160每个均可以由两件组成。出于各种原因，两件式双极板可以是有利的。例如，降低制造成本、制造灵活性、降低材料成本、增加可服务性、和改善材料选择能力（例如，导电性和耐腐蚀性）。在其它实施例中，双极板150和160可以从多个件中得到确认。

如下文进一步描述的，双极板的两件之间的级联密封配置可以被配置成用于捕捉、回收，或再生在两件之间泄漏的流体（例如，氢气）。否则，从电化学电池或堆中泄漏的流体会产生潜在的安全问题。另外，如果流体不能放出，则一定体积的流体会在双极板的两件之间积聚。所捕获的高压流体可以导致损坏双极板并且可能引起进一步的泄漏。

图8示出了包括两件式双极板800的双极板150和160的实施例，该两件式双极板800包括第一部件801和第二部件802，被配置成用于级联密封配置。第一部件801可以形成与流动结构805流体连通的空隙803。

如图1所示，电化学电池100在MEA140的每侧上还可以包括电化学电池100内的导电气体扩散层（GDL）（未示出）。GDL可以作为扩散介质，从而使能够输送电池内的气体和液体，在双极板150和160和PEM130之间提供电传导，有助于从电池中除去热量和工艺水，并且在某些情况下，向PEM140提供机械支撑。另外，双极板150和160中的被称为流场的渠道（未示出）可以被配置成向MEA140的阳极110和阴极120供应气体。PEM130的每一侧上的反应气体可以流过流场和通过多孔GDL扩散。该流场和GDL可以被连续地定位并且通过内部流体流耦合。因此，流场和GDL可以共同形成流动结构805。

第一部件801和第二部件802通常可以是平坦的并且具有大致矩形的轮廓。在其它实施例中，部件801和802可以具有形状如方形、“跑道”（即，具有半椭圆形后侧的大体上的矩形）、圆形、卵形、椭圆形、或其它形状的轮廓。第一部件801和第二部件802的形状可以与电化学电池100或电化学堆的其它部件（例如，阴极、阳极、PEM、流动结构等）相对应。

第一部件801和第二部件802每个可以由一种或多种材料形成。第一部件801和第二部件802可以由相同的材料或不同的材料形成。部件801和802可以由金属（诸如，不锈钢、钛、铝、镍、铁等），或金属合金（诸如，镍铬合金、镍锡合金），或其组合形成。

第一部件801和第二部件802在一个或多个区上可以包括覆层材料，例如，具有不锈钢的铝覆层。覆层可以提供两种金属的优点，例如，在双极板由不锈钢包覆的铝制造的情况下，在电池操作期间，不锈钢保护铝芯不受腐蚀，同时提供了铝优异的材料性能，诸如，高强度重量比、高导热率和导电率等。在其它实施例中，第一部件801可以包括阳极化的、密封的、并涂有底漆的铝。

在一些实施例中，第一部件801可以由复合材料（诸如，碳纤维、石墨、玻璃增强聚合物、热塑性复合材料）形成。在一些实施例中，第一部件801可以由金属形成，其被涂覆以防止腐蚀和电传导。

根据各种实施例，第一部件801通常可以是非导电的，从而降低电化学电池之间短路的可能性。第二部件802可以由一种或多种材料形成，该材料在电池操作期间提供导电性以及耐腐蚀性。例如，第二部件802可以被配置成在活性电池部件（例如，流动结构、MEA等）所在的区中是导电的。

第一部件801和第二部件802可以被配置成用于共面耦合。第一部件801和第二部件802可以可释放地耦合或固定耦合。可以使用一个或多个附接机构，包括例如粘合材料、焊接、硬钎焊、软钎焊、扩散粘合、超声波焊接、激光焊接、冲压、铆接、电阻焊接、或烧结。在一些实施例中，粘合材料可以包括粘合剂。合适的粘合剂包括例如胶水、环氧树脂、氰基丙烯酸酯、热塑性片材（包括热粘合热塑性片材）氨基甲酸酯、厌氧、UV-固化、和其它聚合物。在一些实施例中，第一部件801和第二部件802可以通过摩擦配合耦合。例如，当被压缩时，部件之间的一个或多个密封可以在部件之间产生足够的摩擦力以防止无意滑动。

在其它实施例中，第一部件801和第二部件802可以使用紧固件（例如，螺钉、螺栓、夹子、或其它类似机构）可拆卸地耦合。在其它实施例中，当电化学电池100或多个电化学电池100被压缩在堆中时，压杆和螺母可以穿过双极板800或沿着外部并且用于将第一部件801和第二部件802压缩在一起。

耦合后的第一部件801和第二部件802可以形成多个不同压力区并且多个密封可以限定一个或多个不同的压力区。图8示出了多个不同的密封和压力区。如图8所示，多个密封可以包括第一密封871、第二密封881、和第三密封891。第一密封871可以完全容纳在第二密封881内并且第二密封881可以完全容纳在第三密封891内。如图8所示，第一密封871、第二密封881、和第三密封891的形状通常可以与双极板的800形状相对应。

第一密封871、第二密封881、和第三密封891可以是衬垫、O形圈或者其它密封部件。第一密封871、第二密封881、和第三密封891可以由弹性体或聚合物密封材料（例如，硅树脂、EPDM（乙烯-丙烯-二烯-单体橡胶）、含氟弹性体、丁腈橡胶（Buna-N）、PTFE（聚四氟乙烯）、聚砜、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、PEEK（聚醚醚酮）、聚酰亚胺、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）、HDPE（高密度聚乙烯）、聚氨酯、氯丁橡胶、乙缩醛、尼龙、聚对苯二甲酸丁二醇酯、NBR（丙烯腈-丁二烯橡胶）等等）制成。每个密封的材料可以不同于其它密封的材料，对于密封中的仅两个密封，材料可以相同，或对于所有密封，材料可以相同。

在一些实施例中，第一密封871、第二密封881、和第三密封891可以是刀口密封或胶粘密封。例如，第二部件802在第一密封871的位置中可以包括突出物或“牙齿”状突起，该突出物或“牙齿”状突起被配置成塑性变形第一密封871。在又一示例中，胶粘密封可以通过连续的无空隙和间隙涂敷粘合剂形成。在其它实施例中，第一密封171，第二密封181、和第三密封191可以由平坦的衬垫材料形成，其可以切成被配置成维持级联配置的扩大图案。在另一实施例中，薄塑料片材能够放置在第一部件801和第二部件802之间，在电化学电池或堆的压缩负荷下形成衬垫密封。

第一密封871可以限定高压区870的一部分并且被配置成容纳高压区870内的第一流体872（例如，氢气）。第一密封871可以划定至少部件801和802之间的高压区870的外边界。高压区870可以包括流动结构805，该流动结构805当第一部件801和第二部件802耦合时，延伸通过空隙803。在整个高压区870中，第一流体872可以通过流动结构805从阴极130流出。

在阴极130处形成的氢气可以收集在高压区870中并且第一部件801和第二部件802之间的连接可以由第一密封871密封。高压区870内的氢可以被压缩，并且因此随着越来越多的氢在高压区870中形成，压力就增加。高压区870中的氢可以压缩至压力大于15，000psi。高压区870内的压力可以对第一部件801和第二部件802施加分离力。

如图8所示，第一密封871可以被配置成在公共通道804的外部周围延伸。公共通道804可以被配置成从高压区870供应或排出第一流体872。公共通道804可以与多电池电化学压缩机中的相邻电化学电池的公共通道流体连通。

第二密封881可以限定中压区880的外圆周。中压区880可以包括中压体883，该中压体883由第一密封871、第二密封881、第一部件801和第二部件802划定。中压区880可以被配置成容纳第二流体882。中压区880还可以包括一个或多个中压口884。

中压体883可以被配置成收集和引导第二流体882到中压口884。如图8所示，中压体883可以在由第一密封871分离的高压区870的圆周周围延伸。中压体883的横截面积和体积可以基于第一部件801、第二部件802、第一密封871和第二密封881的几何形状变化。

在其它实施例中，中压体883可以被分离成多个中压体883，例如，2、3、4或多个中压体883。多个中压体883可以被多个密封装置分离。如图8所示，中压体883可以被分离成两个中压体883。例如，如图8所示，第一密封871可以延伸穿过中压体883到第二密封881。第一密封881在公共通道804周围延伸的部分可以与将中压体883分离成两个中压体883的第二密封882连接。

如图8所示，一个或多个中压体883每个可以与一个或多个中压口884流体连通。中压口884可以被配置成排出容纳在中压体883内的第二流体882。中压口884的形状可以变化。例如，中压口884可以是正方形、矩形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、或其它形状。每中压体883的中压口884的数量可以从1变化到约25或更多。中压口884的横截面积可以变化。例如，圆形中压口884的直径范围可以为从小于约0.1英寸到约1英寸或更大。如图8所示，中压口884可以均匀地间隔排列在第一密封871和第二密封881之间并且沿着双极板800的长度方向均匀分布。在其它实施例中，中压口884可以延伸通过中压区880的整个圆周。

经由中压口884排出的第二流体882可以被重新供应到电化学电池100。例如，第二流体882可以返回到中压区180。在其它实施例中，经由中压口884排出的第二流体882可以被收集和再循环。中压区880中的第二流体882的压力通常可以比高压区870中的第一流体872低。

第三密封891可以限定低压区890并且被配置成容纳低压区890内的第三流体892。低压区890可以包括低压体893，该低压体893由第二密封881、第三密封891、第一部件801和第二部件802划定。低压区890可以被配置成容纳第三流体892。低压区890还可以包括一个或多个低压口894。

低压体893可以被配置成收集和引导第三流体892到低压口894。如图8所示，低压体893可以在由第二密封881分离的中压区880的圆周周围延伸。低压体893的横截面积和体积可以基于第一部件801、第二部件802、第二密封881、和第三密封891的几何形状变化。根据各种实施例，中压体883可以大于或小于低压体893的体积。

在其它实施例中，低压体893可以被分离成多个中压体893，例如2、3、4或更多个低压体893。多个低压体893可以被多个密封分离。如图8所示，低压体893可以被分离成两个低压体893。例如，一个或多个桥密封895可以穿过低压体883从第二密封881延伸到第三密封891。

如图8所示，一个或多个低压体893每个可以与一个或多个低压口894流体连通。低压口894可以被配置成排出容纳在低压体893内的第三流体892。低压口894的形状可以变化。例如，低压口894可以是正方形、矩形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、或其它形状。每个低压体893的低压口894的数量可以从1变化到约50或更多。低压口894的横截面积可以变化。例如，圆形低压口894的直径范围可以从小于约0.1英寸到约1英寸或更大。如图8所示，低压口894可以间隔排列在第二密封881和第三密封891之间并且沿着双极板800的长度方向均匀地交错。在其它实施例中，低压口894可以延伸通过低压区890的整个圆周。

经由低压口894排出的第三流体892可以被重新供应到电化学电池100。例如，第三流体892可以返回到低压区190。在其它实施例中，经由中压口894排出的第三流体892可以被收集和再循环。低压区890中的第三流体892的压力通常可以低于高压区870中的第一流体872和中压区880中的第二流体882。

如上所述，如上所述的第一部件801和第二部件802之间的级联密封配置可以在电化学电池100的双极板150和160中实施。在其它实施例中，部件801和802之间的级联密封配置可以在不在两个双极板中使用级联密封配置的其它电化学电池中实施。因此，如上所述的两个级联密封配置可以相互独立，以使任何一个均可以在电化学电池中被单独使用或者它们能够在相同的电化学电池中结合使用。

在一些实施例中，第一部件801和第二部件802可以包括互锁特征。互锁特征可以形成匹配几何形状足以将第一部件801和第二部件802固定在一起。例如，第一部件801可以包括一个或多个突出物，并且第二部件802可以包括一个或多个缺口。然而，可以进一步设想，第一部件801和第二部件802可以包括各种不同的附接机构。互锁特征可以包括各种形状和大小。例如，可以形成形状为圆柱形、圆形、椭圆形、矩形、或正方形的突出物和缺口。另外，突出物和缺口可以包括各种多边形的形状。

如图8所示，互锁特征可以包括各种连接，被配置成密封第一部件801和第二部件802。例如，互锁特征可以包括第一密封871、第二密封881、和第三密封891和它们可以安置的对应的密封腔。第一部件801和第二部件802可以包括多个密封腔，该密封腔被配置成接收第一密封871、第二密封881、和第三密封891的至少一部分。每个密封腔可以包括到第一部件801、第二部件802或两种部件801和802的挤出件。挤出件尺寸和几何形状可以与第一密封871、第二密封881、和第三密封891的尺寸和横截面几何形状相对应。

在其它实施例中，第一部件801和第二部件802之间的压力区的数量可以大于或小于三个（即，高、中和低）。例如，第一部件801和第二部件802可以包括仅两个压力区（例如，高和低）或可以包括4个或多个压力区（例如，高-高、高、中和低）。在又一实施例中，压力区可以级联，但非以压力逐渐减小的顺序地级联。[可以提供进一步的细节]

具有仅两个压力区的类似于双极板800的双极板可以包括第一部件、第二部件、分离两个压力区的在两个部件之间形成的密封、围绕密封的体积、和与被配置成排出收集在体积中的流体的与体积流体连通的至少一个口。

在其它实施例中，可以设想，周围的体积可以被配置成只在密封的一部分周围延伸。例如，体积室可以分布在每个压力区内的每个密封的圆周周围。

在操作期间，如上所述，第一部件801和第二部件802之间的级联密封配置可以使能够收集和再循环或再生从高压区870泄露到部件801和802之间的中压区880和低压区890的流体。如上所述，高压区870内的第一流体872可以被压缩至压力超过15，000 psi。第一流体872的压力可以对第一密封871、第一部件801、和第二部件802施加分离力。当第一部件801和第二部件802的耦合力足以抵消分离力并且维持连接而且第一密封871恰当地起作用时，那么第一流体871可以防止通过第一密封871从高压区870泄漏到中压区880中。

另一方面，当耦合力不足以维持连接或第一密封871失灵时，第一流体872可以通过第一密封871从高压区870泄漏到中压区880中。泄漏到中压区880中的第一流体872可以收集在中压体883并且构成第二流体882。收集在中压体883中的第一流体872/第二流体882可以流到中压口884并且通过中压口884流出。所排出的流体（即，第一流体872/第二流体882）可以被再循环或再生，而不损失，其在其它两件式双极设计传统上是这种情况。

低压区890可以提供附加的防泄漏水平。通过第二密封881泄漏的第二流体882可以收集在低压体893中并且构成第三流体892。所收集的第二流体882/第三流体892可以流到低压口894并且通过低压口894流出。如同其它所排出的流体一样，第二流体882/第三流体892可以被再循环或者再生。在下游能够控制流过中压口884和低压口894。例如，一个或多个阀可以打开或关闭以允许流体排出。可以连续的或者间歇地流过中压口884。

使用级联密封配置的方法可以包括：收集由多个密封（例如，第一密封871、第二密封881、和第三密封891）分离的不同体积（例如，中压体883或低压体893）内的流体（例如，第一流体872、第二流体882、和第三流体892）并且通过压力口（例如，中压口884和低压口894）排出所收集的流体，然后再循环所排出的流体。

对本领域的技术人员来说，通过对本文中的本公开的说明书和实践的考虑，本公开的其它实施例将是显而易见的。需要指出的是，说明书和示例被认为仅仅是示例性的，本公开的精神和实际范围由所附权利要求指示。

Claims (21)

1.一种电化学电池，包括：

一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件，其中，膜电极组件包括阳极、阴极、和布置于其间的质子交换膜；

限定高压区的第一密封，其中，第一密封位于双极板之间并且被配置成容纳高压区内的第一流体；

限定中压区的第二密封，其中，第二密封位于双极板之间并且被配置成容纳中压区内的第二流体；和

具有气体扩散层的一对流动结构，其中该流动结构被定位在双极板之间，置于膜电极组件的每侧上；

其中，第一密封被配置成当第一密封移位时，将第一流体泄漏到中压区中；并且

其中双极板中的至少一个包括第一部件和第二部件，该第一部件和第二部件界定容置流动结构和膜电极组件的空隙。

2.权利要求1所述的电化学电池，还包括限定低压区的第三密封，该第三密封被配置成容纳低压区内的第三流体，其中，第二密封被配置成当第二密封移位时，将第二流体泄漏到低压区中。

3.权利要求2所述的电化学电池，其中，第一密封容纳在第二密封内并且第二密封容纳有第三密封。

4.权利要求2所述的电化学电池，其中，第一流体的压力比第二流体高并且第二流体的压力比第三流体高。

5.权利要求2所述的电化学电池，其中，第一密封、第二密封和第三密封具有矩形的横截面。

6.权利要求2所述的电化学电池，其中，第三密封的厚度大于第二密封并且第二密封的厚度大于第一密封。

7.权利要求2所述的电化学电池，其中，第一流体是氢，第二流体是氢，并且第三流体是冷却剂流体，其中第一流体比第二流体处于更高的压力。

8.权利要求2所述的电化学电池，其中，第三流体是氮并且低压区包括围绕电化学电池的氮气层，该氮气层被配置成检测从电化电池内泄漏的第一流体和第二流体中的至少一个。

9.权利要求2所述的电化学电池，其中，监测第三流体的压力，并且压力的升高指示至少第二密封的移位，并且其中，电化学电池被配置成在第三流体达到第三密封移位的压力之前，电化学电池关闭。

10.权利要求2所述的电化学电池，其中，当施加到该对双极板的闭合力大于该对双极板内的打开力时，该对双极板内的第一密封、第二密封和第三密封被配置成保持不动，从而防止第一流体、第二流体、和第三流体泄漏。

11.权利要求2所述的电化学电池，其中，第一密封被配置成当施加到该对双极板的闭合力接近该对双极板内的打开力时，在第二流体或第三流体导致第一流体通过第一密封泄露到中压区中之前，第一密封移位，这导致该对双极板的第一分离。

12.权利要求11所述的电化学电池，其中，第二密封被配置成当闭合力进一步接近打开力，从而导致该对双极板的第二分离时，第二密封移位，从而使第二流体通过第二密封泄漏到低压区中。

13.权利要求11所述的电化学电池，其中，泄漏到中压区中的第一流体与第二流体组合并且被再循环，并且泄漏到低压区中的第二流体与第三流体组合并且流出电化学电池而且被再生。

14.权利要求2所述的电化学电池，还包括位于第一密封外部和第二密封内部的一对辅助密封，其中，该对辅助密封限定与高压区流体连通的两个辅助高压区。

15.权利要求1所述的电化学电池，其中，还包括第一部件和第二部件之间的级联密封配置。

16.一种电化学电池，包括：

一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件；

具有气体扩散层的一对流动结构，其中该流动结构被定位在双极板之间，置于膜电极组件的每侧上；

位于双极板之间的高压区，该高压区容纳第一流体；

位于该对双极板之间的中压区，该中压区容纳第二流体；和

和低压区，该低压区容纳第三流体；

其中，电化学电池被配置成基于施加到双极板的闭合力和由第一流体、第二流体、和第三流体中的至少一个的压力所产生的打开力中的至少一个在第一配置、第二配置、和第三配置之间转换；

其中双极板中的至少一个包括第一部件和第二部件，该第一部件和第二部件界定容置流动结构和膜电极组件的空隙。

17.权利要求16所述的电化学电池，其中，第一配置在高压区、中压区、和低压区之间提供无泄漏；

第二配置提供第一流体从高压区到中压区的一部分的泄漏；和

第三配置提供第一流体从高压区到中压区一部分的泄漏和第二流体从中压区到低压区的一部分的泄漏。

18.权利要求17所述的电化学电池，还包括与电化学电池的低压区流体连通的氢气再生装置，其中，该氢气再生装置被配置成再生泄漏到低压区中的第二流体的一部分并且将所再生的第二流体再引入到电化学电池的中压区中，并且其中，监测低压区中的第三流体的压力，并且第三流体的压力的升高使氢气再生装置工作。

19.权利要求16所述的电化学电池，其中，高压区容纳在中压区内并且中压区容纳在低压区内。

20.权利要求16所述的电化学电池，还包括被配置成容纳高压区内的第一流体的第一密封、被配置成容纳中压区内的第二流体的第二密封、和被配置成容纳低压区内的第三流体的第三密封。

21.一种电化学电池，包括：

一对双极板和位于该对双极板之间的膜电极组件；和

具有气体扩散层的一对流动结构，其中该流动结构被定位在双极板之间，置于膜电极组件的每侧上；

该对双极板之间的第一级联密封配置；

其中，每个双极板包括：

至少两个部件，并且该至少两个部件界定容置流动结构和膜电极组件的空隙；和

该至少两个部件之间的第二级联密封配置。