JP2018530666A - 電気化学セルのためのマルチコンポーネントバイポーラプレート - Google Patents

電気化学セルのためのマルチコンポーネントバイポーラプレート Download PDF

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Abstract

バイポーラプレートアセンブリの提供。バイポーラプレートアセンブリは、第１の高圧シール、第２の高圧シール、及び第１の高圧シールと第２の高圧シールとの間に配置された挿入プレートを含む第１のシールアセンブリを有してよい。挿入プレートは、挿入プレートの上面及び下面に形成された複数の隆起部を有してよく、複数の隆起部は、第１の高圧シール及び第２の高圧シールが該挿入プレート上にプレスされた際、第１の高圧シール及び第２の高圧シールに侵入して該シールアセンブリを形成するように設計される。バイポーラプレートアセンブリはフレーム及びベースを有してもよく、フレーム及びベースは合体してバイポーラプレートを形成し、高圧ゾーンを画定するように設計される。シールアセンブリは、バイポーラプレートに取り付けられた際、高圧ゾーンをシールするように設計されてよい。【選択図】図３

Description

[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１５年８月１１日付けで出願された米国仮出願第６２／２０３，４１４号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、マルチコンポーネントバイポーラプレート、より特定には、電気化学セルのマルチコンポーネントバイポーラプレートのための高圧シールアセンブリに向けられる。
[003]電気化学セルは、通常、燃料電池または電解セルとして分類され、化学反応により電流を生成したり、または電流の流れを使用して化学反応を誘導したりするために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
[004]様々な燃料電池技術が様々な電解質材料を利用している。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子のイオン伝導性膜を利用している。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子とプロトン（水素イオン）とに分離される。電子はカソードへの回路を通って流れて電気を発生させ、その一方でプロトンは電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードでは、水素であるプロトンが、電子および酸素（カソードに供給された）と反応して、水および熱を生産することができる。
[005]電解セルは、それとは逆に稼働する燃料電池の代表である。基礎的な電解セルは、外部の電位が適用されると、水を水素と酸素ガスに分解することによって水素発生器として機能し得る。水素燃料電池または電解セルの基礎的な技術は、電気化学的な水素の操作、例えば電気化学的な水素の圧縮、精製、または膨張に適用することができる。
[006]電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）は、例えば、セルの一方の側から他方へと水素を選択的に移動させるのに使用することができる。ＥＨＣは、第１の電極（すなわち、アノード）と第２の電極（すなわち、カソード）との間に挟まれたプロトン交換膜を含んでいてもよい。水素を含有するガスを第１の電極と接触させて、第１の電極と第２の電極との間に電位差を適用することができる。第１の電極では、水素分子を酸化することができ、この反応は、２個の電子と２個のプロトンを生産することができる。２個のプロトンは、電気化学的に膜を通ってセルの第２の電極に送られ、そこでプロトンは２つの別ルートの電子と再結合し、還元されて、水素分子を形成する。第１の電極および第２の電極で起こる反応は、以下に示すような化学方程式で表すことができる。
第１の電極の酸化反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
第２の電極の還元反応：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
全体の電気化学反応：Ｈ２→Ｈ２。
[007]この方式で作動するＥＨＣは、時には水素ポンプと称される。第２の電極に累積した水素が限定されたスペースに制限されると、電気化学セルは水素を圧縮するかまたは圧力を上昇させる。個々のセルが生産することができる最大の圧力または流速は、セルの設計に基づいて限定される可能性がある。
[008]より大きい圧縮またはより高い圧力を達成するために、複数のセルを連続して連結させて、多段階ＥＨＣを形成することができる。多段階ＥＨＣにおいて、ガス流路は、例えば、第１のセルの圧縮された出力ガスが第２のセルの入力ガスとなり得るように設計され得る代替として、一段階セルを平行に連結させて、ＥＨＣの処理能力（すなわち、総ガス流量）を増加させることができる。一段階および多段階ＥＨＣの両方において、セルはスタックされていてもよく、各セルは、カソード、電解質膜、およびアノードを含んでいてもよい。各カソード／膜／アノード接合体は、「膜電極接合体」、または「ＭＥＡ」を構成し、これは、典型的には両方の側でバイポーラプレートにより支持される。バイポーラプレートは、機械的な支持を提供することに加えて、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離する。またバイポーラプレートは、集電装置／導体としても作用し、プロセス流体のための通路を提供する。典型的には、バイポーラプレートは、金属、例えばステンレス鋼、チタンなどから、および非金属の電気導体、例えばグラファイトから作製される。
[009]近年、マルチコンポーネントバイポーラプレートは、高圧の電気化学セル用途、例えば水素圧縮機への導入が進んでいる。マルチコンポーネントバイポーラプレートの使用は、多数の有利な、例えば改善された性能、製造コストの低減、および材料選択における柔軟性の改善をもたらすことが意図されている。例えば、参照により本明細書に組み入れられる米国仮特許出願第６２／０４２，８８４号は、マルチコンポーネントバイポーラプレート設計の数々の実施態様を開示している。第６２／０４２，８８４号出願で開示されたマルチコンポーネントバイポーラプレートは多くの利点を提供しているが、特にバイポーラプレートコンポーネントの製造に関連する製造コストの低減に関してさらなる改善の達成が可能である。本発明の開示は、より費用効率が高い製造を可能にする改善されたマルチコンポーネントバイポーラプレート設計を提供することに向けられる。
[010]本発明の開示の一形態は、バイポーラプレートアセンブリに向けられる。バイポーラプレートアセンブリは、第１の高圧シール、第２の高圧シール、および第１の高圧シールと第２の高圧シールとの間に配置された挿入プレートを含む第１のシールアセンブリを含んでいてもよい。挿入プレートは、挿入プレートの上面および下面に形成された複数の隆起部（ridges）を有していてもよく、複数の隆起部は、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールが挿入プレート上にプレスされたときに、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールに侵入してシールアセンブリを形成するように設計されている。バイポーラプレートアセンブリはまた、フレームおよびベースを含んでいてもよく、フレームおよびベースは、合体してバイポーラプレートを形成し、高圧ゾーンを画定するように設計されている。シールアセンブリは、バイポーラプレートに取り付けられたとき、高圧ゾーンをシールするように設計されていてもよい。
[011]本発明の開示の他の形態は、マルチコンポーネントバイポーラプレートを組み立てる方法に向けられる。本方法は、挿入プレートの下面上に第１の高圧シールをプレスする工程であって、下面は、第１の高圧シールに侵入することによって第１のシーリング表面を作り出すように設計された第１の複数の隆起部を有する、工程を含んでいてもよい。本方法はまた、挿入プレートの上面上に第２の高圧シールをプレスする工程であって、上面は、第２の高圧シールに侵入することによって第２のシーリング表面を作り出すように設計された第２の複数の隆起部を有する、工程を含んでいてもよい。挿入プレートの下面上に第１の高圧シールをプレスする工程および挿入プレートの上面上に第２の高圧シールをプレスする工程は、第１のシールアセンブリを形成し得る。本方法はまた、シールアセンブリをバイポーラプレートのフレームおよびベースに取り付けることによって、バイポーラプレートの高圧ゾーンをシールする工程を含んでいてもよい。
[012]本発明の開示の他の形態は、電気化学セルに向けられる。電気化学セルは、バイポーラプレートの対およびバイポーラプレートの対間に配置された膜電極接合体を含んでいてもよい。バイポーラプレートの少なくとも１つは、第１の高圧シール、第２の高圧シール、および第１の高圧シールと第２の高圧シールとの間に配置された挿入プレートを含む第１のシールアセンブリを含んでいてもよい。挿入プレートは、挿入プレートの上面および下面に形成された複数の隆起部を有していてもよく、複数の隆起部は、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールが挿入プレート上にプレスされたときに、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールに侵入してシールアセンブリを形成するように設計されている。バイポーラプレートはまた、フレームおよびベースを含んでいてもよく、フレームおよびベースは、合体してバイポーラプレートを形成し、高圧ゾーンを画定するように設計されている。シールアセンブリは、フレームおよびベースに取り付けられたとき、バイポーラプレートの高圧ゾーンをシールするように設計されていてもよい。
[013]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないことが理解されるべきである。
[014]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明する役割を果たす。
[015]図１は、電気化学セルの様々なコンポーネントを示す電気化学セルの一部の側面図である。 [016]図２は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートのベースおよびフレームの透視図である。 [017]図３は、例示的な実施態様に係る第１のシールアセンブリ、ベース、およびフレームの分解組み立て図である。 [018]図４は、例示的な実施態様に係る挿入プレートの上面の拡大図である。 [019]図５は、例示的な実施態様に係る挿入プレートの下面の拡大図である。 [020]図６は、例示的な実施態様に係る第１のシールアセンブリの一部の断面図である。 [021]図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、例示的な実施態様に係る挿入プレートの一部の断面図である。 [022]図８は、例示的な実施態様に係る挿入プレートの一部の断面図である。
[023]以下、本開示の本発明の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例は添付の図面に例示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。水素を採用する電気化学セルに関して説明されるが、本発明の開示のデバイスおよび方法は、これらに限定されないが、電解セル、水素精製器、水素エキスパンダー、および水素圧縮機などの様々な種類の燃料電池および電気化学セルに採用できることが理解される。
[024]図１は、例示的な実施態様に係る電気化学セル１００の分解側面図を示す。電気化学セル１００は、アノード１１０、カソード１２０、およびアノード１１０とカソード１２０との間に配置されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）１３０を含んでいてもよい。膜電極接合体（ＭＥＡ１４０）は、アノード１１０、カソード１２０、およびＰＥＭ１３０の組み合せを含んでもよい。ＰＥＭ１３０は、純粋な高分子膜またはコンポジット膜を含んでいてもよく、これらにおいて、他の材料、例えば、シリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩（layered metal phosphate）、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムが、高分子マトリックス中に埋め込まれていてもよい。ＰＥＭ１３０は、電子は伝導させないがプロトンを透過させることができる。アノード１１０およびカソード１２０は、触媒層を含有する多孔質炭素電極を含んでもよい。触媒材料、例えば白金は、反応速度を増加させることができる。
[025]電気化学セル１００は、２つのバイポーラプレート１５０、１６０をさらに含んでもよい。バイポーラプレート１５０、１６０は、支持体プレート、導体として作用することができ、それぞれの電極表面への燃料の通路を提供することができ、圧縮燃料を除去するための通路を提供することができる。バイポーラプレート１５０、１６０はまた、冷却流体（すなわち、水、グリコール、または水とグリコールとの混合物）のためのアクセスチャネルを含んでいてもよい。バイポーラプレート１５０、１６０は、電気化学スタック（示されていない）中で、隣接するセルから電気化学セル１００を隔てることができる。一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０、１６０は、バイポーラプレート１５０、１６０のそれぞれの側が異なるＭＥＡ１４０と接触した状態になるように、２つの隣接するセルのためのバイポーラプレートとして機能することができる。例えば、複数の電気化学セル１００は、直列に流体連結して多段階電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）を形成してもよいし、または並列に流体連結して一段階ＥＨＣを形成してもよい。
[026]作動中、例示的な実施態様に従って、水素ガスは、バイポーラプレート１５０を通ってアノード１１０に供給されてもよい。アノード１１０とカソード１２０との間に電位が適用されてもよく、その場合、アノード１１０における電位は、カソード１２０における電位より大きい。アノード１１０で水素が酸化されると、水素は電子とプロトンに分けられる。プロトンは、ＰＥＭ１３０を通って電気化学的に輸送、すなわち「ポンプ」輸送され（pumped）、一方で電子は、ＰＥＭ１３０を迂回する。ＰＥＭ１３０の逆側におけるカソード１２０で、輸送されたプロトンが迂回した電子によって還元されて、水素が形成される。カソード１２０で水素が形成され続けることにより、限定されたスペース内での水素の圧縮と加圧が可能になる。
[027]例示的な実施態様によれば、バイポーラプレート１５０および１６０はそれぞれ、少なくとも２つのピースまたはコンポーネントから形成されていてもよい。マルチコンポーネント（例えば、２コンポーネント）バイポーラプレートは、様々な理由で有利であり得る。例えば、製造コストの低減、製造におけるフレキシビリティー、材料コストの低減、便利さの増大、および材料選択能（例えば、導電率および耐食性）の改善がある。
[028]図２は、２コンポーネントバイポーラプレート１６０の例示的な実施態様を示し、バイポーラプレート１６０は、ベース７０およびフレーム８０を含む。フレーム８０は、少なくともフロー構造２００（示されていない）を格納するように設計された空隙１９０を画定することができ、一部の実施態様において、ＭＥＡの両方の側に位置するＭＥＡ（示されていない）およびフロー構造（示されていない）を格納することができる。以下の説明はバイポーラプレート１６０について述べているが、このような開示は、バイポーラプレート１５０にも同等に適用可能である。
[029]電気化学セル１００は、図１で示されるように、電気化学セル１００中、ＭＥＡ１４０のそれぞれの側に導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）（示されていない）をさらに含んでいてもよい。一部の実施態様において、ＧＤＬは、セル内のガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体としての役割を果たすことができ、バイポーラプレート１５０および１６０とＰＥＭ１３０との間の電気伝導を提供することができ、セルからの熱およびプロセス水の除去を助けることができ、一部のケースでは、ＰＥＭ１４０に機械的な支持を提供し得る。加えて、一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０において、流れ場として知られるチャネル（示されていない）が、ＭＥＡ１４０のアノード１１０およびカソード１２０にガスを供給するように設計されていてもよい。ＰＥＭ１３０のそれぞれの側における反応物ガスは、流れ場を通って流れ、多孔質ＧＤＬを通って拡散することができる。流れ場およびＧＤＬは、隣接して位置され、内部流体ストリーム（internal fluid streams）によって接続されていてもよい。したがって、流れ場およびＧＤＬは、合わせて、フロー構造２００を画定することができる。
[030]フレーム８０およびベース７０は、全体的に平面であり、全体的に長方形の輪郭を有していてもよい。一部の実施態様において、フレーム８０およびベース７０は、別の形状、例えば、正方形、「レーストラック」（すなわち、側面が半楕円形の実質的に長方形の形状）、丸形、卵形、楕円形、または他の形状を有していてもよい。フレーム８０およびベース７０の形状は、電気化学セル１００の他のコンポーネント（例えば、カソード、アノード、ＰＥＭ、フロー構造など）または電気化学セルスタックに対応していてもよい。
[031]フレーム８０およびベース７０は、同一平面での接続のために設計されていてもよい。フレーム８０およびベース７０は、取り外しできるように接続されていてもよいし、または固定して接続されていてもよい。１つまたはそれより多くの取り付けメカニズムを使用することができ、このようなメカニズムとしては、例えば、結合材、溶接、ろう付け、はんだ付け、拡散接合、超音波溶接、レーザー溶接、スタンピング、リベット締め、抵抗溶接、または焼結が挙げられる。一部の実施態様において、結合材としては、接着剤を挙げることができる。好適な接着剤としては、例えば、グルー、エポキシ、シアノアクリレート、熱可塑性シート（例えば熱結合した熱可塑性シートなど）、ウレタン、嫌気性接着剤、ＵＶ硬化、および他のポリマーが挙げられる。一部の実施態様において、フレーム８０およびベース７０は、摩擦嵌合によって接続されていてもよい。例えば、コンポーネント間に１つまたはそれより多くのシールを設けることにより、コンポーネント間で十分な摩擦力を生じさせることができ、圧縮されたときに、予期せぬ滑りを防ぐことができる。
[032]一部の実施態様において、フレーム８０およびベース７０は、ファスナー、例えばスクリュー、ボルト、クリップ、または他の類似のメカニズムを使用して、取り外しできるように接続されていてもよい。一部の実施態様において、コンプレッションロッドおよびナットが、バイポーラプレート１５０および１６０を貫通して、または外側に沿って配置されていてもよく、電気化学セル１００または複数の電気化学セル１００をスタック中で圧縮するのと共に、フレーム８０およびベース７０を圧縮するのに使用されてもよい。
[033]連結されたフレーム８０およびベース７０は、複数の異なる圧力ゾーンを形成することもできるし、複数のシールは、１つまたはそれより多くの異なる圧力ゾーンを画定することもできる。図２に、一実施態様に係る複数の異なるシールおよび圧力ゾーンを示す。複数のシールは、第１のシール２１０、第２のシール２２０、および第３のシール２３０を含んでいてもよい。第１のシール２１０は、全体的に第２のシール２２０内に含有されていてもよいし、第２のシール２２０は、全体的に第３のシール２３０内に含有されていてもよい。このシールの配列（すなわち、一方が他方の内側に含まれる配列）は、カスケード式のシール配置と分類される場合がある。カスケード式のシール配置は、数々の利点をもたらすことができる。例えば、カスケード式のシール配置は、シールによる保護を多層の形態にすることでシールを重複化することにより、電気化学セル１００から高圧水素が散逸する可能性を制限することができる。水素漏出の可能性を低減させることは、安全性とエネルギー効率に利益をもたらすことができる。加えて、カスケード式のシール配置はまた、高圧ゾーンからより低圧のゾーンへと高い圧力を徐々に下げることによって、圧力の自己調節も可能にする。
[034]第１のシール２１０、第２のシール２２０、および第３のシール２３０の形状は、図２で示されるように、全体的にバイポーラプレート１５０または１６０の形状に対応していてもよい。第１のシール２１０は、高圧シールとして作用し、高圧ゾーン２４０の一部を画定して、高圧ゾーン２４０内に第１の流体２５０（例えば、水素）を含有するように設計されていてもよい。第１のシール２１０は、少なくともフレーム８０とベース７０との間で高圧ゾーン２４０の外側の境界を定めることもできる。高圧ゾーン２４０は、フレーム８０およびベース７０が接続されているときに、空隙１９０を通じて延在するフロー構造２００を含んでいてもよい。第１の流体２５０は、カソード１３０からフロー構造２００を通って高圧ゾーン２４０全体に流動することができる。
[035]カソード１３０で形成された水素は、高圧ゾーン２４０に収集されてもよく、フレーム８０とベース７０との連結部は、第１のシール２１０でシールされていてもよい。高圧ゾーン２４０内の水素は、圧縮されていてもよく、結果として、水素が形成され続けて高圧ゾーン２４０に収集されるにつれて、圧力を増加させることができる。高圧ゾーン２４０中の水素は、例えば約１５，０００ｐｓｉより大きい圧力に圧縮されてもよい。
[036]図２で示されるように、第１のシール２１０は、高圧ポート２６０の外部の周りに延在するように設計されていてもよい。高圧ポート２６０は、高圧ゾーン２４０から第１の流体２５０を供給または排出するように設計されていてもよい。高圧ポート２６０は、マルチセル電気化学的圧縮機において隣接する電気化学セルの高圧ポートと流体連通した状態であってもよい。
[037]第２のシール２２０は、中圧ゾーン２７０の外周を画定することができる。中圧ゾーン２７０は、第１のシール２１０、第２のシール２２０、フレーム８０およびベース７０によって境界が定められていてもよい。中圧ゾーン２７０は、第２の流体２８０を含有するように設計されていてもよい。中圧ゾーン２７０は、１つまたはそれより多くの中圧ポート２９０をさらに含んでいてもよい。
[038]中圧ゾーン２７０は、第２の流体２８０を収集して中圧ポート２９０に方向付けるように設計されていてもよい。図２で示されるように、中圧ゾーン２７０は、第１のシール２１０によって隔てられた高圧ゾーン２４０の周囲に延在していてもよい。中圧ゾーン２７０の断面積および体積は、フレーム８０、ベース７０、第１のシール２１０、および第２のシール２２０の幾何学的配置に基づいて変動し得る。
[039]図２で示されるように、中圧ゾーン２７０は、１つまたはそれより多くの中圧ポート２９０と流体連通した状態であってもよい。中圧ポート２９０は、中圧ゾーン２７０内に含有される第２の流体２８０を排出するように設計されていてもよい。中圧ポート２９０の形状および数は、様々であり得る。例えば、中圧ポートは、正方形、長方形、三角形、多角形、丸形、卵型、または他の形状であってもよい。中圧ポート２９０の数は、１から２５個の範囲で様々であり、またはそれより多くてもよい。図２で示されるように、中圧ポート２９０は、バイポーラプレート１６０の長さに沿って均一に分布していてもよい。一部の実施態様において、中圧ポート２９０は、中圧ゾーン２７０の全周囲に延在していてもよい。
[040]一部の実施態様において、中圧ポート２９０を介して排出された第２の流体２８０は、電気化学セル１００に再供給されてもよい。一部の実施態様において、中圧ポート２９０を介して排出された第２の流体２８０は、収集され再利用されてもよい。中圧ゾーン２７０中の第２の流体２８０は、一般的に、高圧ゾーン２４０中の第１の流体２５０より低圧であってもよい。
[041]第３のシール２３０は、低圧ゾーン３００を画定して、低圧ゾーン３００内に第３の流体３１０を含有するように設計されていてもよい。低圧ゾーン３００は、第２のシール２２０、第３のシール２３０、フレーム８０、およびベース７０によって境界が定められていてもよい。低圧ゾーン３００は、第３の流体３１０を含有するように設計されていてもよい。低圧ゾーン３００は、１つまたはそれより多くの低圧ポート３２０をさらに含んでいてもよい。
[042]低圧ゾーン３００は、第３の流体３１０を収集して低圧ポート３２０に方向付けるように設計されていてもよい。図２で示されるように、低圧ゾーン３００は、第２のシール２２０によって隔てられた中圧ゾーン２７０の周囲に延在していてもよい。低圧ゾーン３００の断面積および体積は、フレーム１８０、ベース７０、第２のシール２２０および第３のシール２３０の幾何学的配置に基づいて変動し得る。
[043]図２で示されるように、低圧ゾーン３００は、１つまたはそれより多くの低圧ポート３２０と流体連通した状態であってもよい。低圧ポート３２０は、低圧ゾーン３００内に含有される第３の流体３１０を排出するように設計されていてもよい。低圧ポート３２０の形状は、様々であり得る。例えば、低圧ポート３２０は、正方形、長方形、三角形、多角形、丸形、卵型、または他の形状であってもよい。低圧ポート３２０の数は、例えば、１から５０個の範囲で様々であり、またはそれより多くてもよい。図２で示されるように、低圧ポート３２０は、第２のシール２２０と第３のシール２３０との間で間隔を開けて存在し、バイポーラプレート１６０の長さに沿って均一に互い違いになっていてもよい。一部の実施態様において、低圧ポート３２０は、低圧ゾーン３００の全周囲にわたり存在していてもよい。
[044]低圧ポート３２０を介して排出された第３の流体３１０は、電気化学セル１００に再供給されてもよい。一部の実施態様において、低圧ポート３２０を介して排出された第３の流体３１０は、収集され再利用されてもよい。低圧ゾーン３００中の第３の流体３１０は、一般的に、高圧ゾーン２４０中の第１の流体２５０および中圧ゾーン２７０中の第２の流体２８０より低圧であってもよい。
[045]例示的な実施態様によれば、第１のシール２１０、第２のシール２２０、および第３のシール２３０は、バイポーラプレート１６０の異なる圧力ゾーン（例えば、高圧ゾーン２４０、中圧ゾーン２７０、および低圧ゾーン３００）をシールし、長い期間（例えば、１０年より長い期間）にわたり１５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力に耐え、多くの圧力サイクル（例えば、７，０００サイクルより多く）に耐えることが可能なシーリングコンポーネントのアセンブリの一部であってもよい。
[046]一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０は、ちょうど２つの圧力ゾーンが形成されるように設計されていてもよい。例えば、バイポーラプレート１５０および１６０は、第１のシール２１０および第３のシール２３０だけで高圧ゾーン２４０および低圧ゾーン３００を形成して、第２のシール２２０および中圧ゾーンがなくなるように設計されていてもよい。一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０が、３つより多くの圧力ゾーンが形成されるように設計され得ることも予期される。例えば、第４の圧力ゾーンが形成されていてもよい。
[047]例示的な実施態様によれば、第１のシール２１０は、第１のシールアセンブリ３３０を含んでいてもよい。図３は、ベース１７０およびベース１７０の上部に位置するフレーム１８０の別の例示的な実施態様に整合させた第１のシールアセンブリ３３０の分解組み立て図を示す。第１のシールアセンブリ３３０は、第１の高圧シール３４０、挿入プレート３５０、第２の高圧シール３６０、および２つの高圧ポートシール３７０を含んでいてもよい。一部の実施態様において、高圧ポートシール３７０は、第２の高圧シール３６０の一部として形成されていてもよく、それによって単一の高圧シールを構成する。第１のシールアセンブリ３３０は、単一のコンポーネントに組み立てることができ、次いでフレーム１８０への差し込み型のインサートとしてバイポーラプレート１５０に取り付けることができ、ベース１７０上に設置することができるように設計されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１８０、高圧ゾーン２４０およびシールアセンブリ３３０の対応する幾何学的配置は、フレーム１８０に挿入されてベース１７０上に設置されるように、シールアセンブリ３３０の自己整合（self-alignment）を可能とするものである。
[048]例示的な実施態様によれば、第１のシールアセンブリ３３０は、ベース１７０およびフレーム１８０を分離する必要なくフレーム１８０から第１のシールアセンブリ３３０を取り外すことによって交換可能である。この簡単なシールアセンブリ３３０の交換可能性は、予め搭載されたスタック総数に関係なく、シール圧縮の独立した調整を可能にする。加えて、この簡単な交換可能性は、本明細書でより詳細に説明されるような厚さ、機械特性、および材料を変更することによって、性能およびシール能力をより好都合に最適化することを可能にする。
[049]図３で示されるように、第１の高圧シール３４０は、「レーストラック」型のシールであってもよく、これは、高圧ゾーン２４０の外周に整合されていてもよく、高圧ポート２６０の周りに延在していてもよい。他の実施態様において、第１の高圧シール３４０の形状は、例えば、高圧ゾーン２４０の形状と一致するように変動してもよい。第１の高圧シール３４０は、高圧ゾーン２４０内に第１の流体２５０（例えば、水素）を含有させるのを助けるように設計されていてもよい。第１の高圧シール３４０は、各端部に、切り抜かれた部分を含んでいてもよく、このような切り抜かれた部分は、高圧ポート２６０に整合し、対応していてもよい。第１の高圧シール３４０はまた、第１の流体２５０が高圧ポート２６０と高圧ゾーン２４０との間を流動できるように、切り抜かれた部分と高圧ゾーン２４０との間に延在する１つまたはそれより多くのチャネル３８０を含んでいてもよい。
[050]形状、厚さ、および幅などの第１の高圧シール３４０の寸法は、様々であってよく、電気化学セル１００およびバイポーラプレート１６０の寸法に基づいていてもよい。第１の高圧シール３４０の断面は、様々な形状を有していてもよい。例えば、第１の高圧シール３４０の断面は、正方形、長方形、丸形、卵型、または他の類似の形状であってもよい。図６で示されるような一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０は、実質的に直線で囲まれた断面を有していてもよい。第１の高圧シール３４０の断面と同様に、厚さもまた、例えば、電気化学セル１００のサイズ、バイポーラプレート１５０および１６０の幾何学的配置、電気化学セル１００の作動圧力、第１の高圧シール３４０の材料に応じて変動し得る。第１の高圧シール３４０の厚さは、例えば、約０．１ｍｍから約１．０ｍｍの範囲であり得る。
[051]第２の高圧シール３６０は、第１の高圧シール３４０の挿入プレート３５０の逆側に位置していてもよく、その場合、第１の高圧シール３４０の形状に対応していてもよく、第１の高圧シール３４０のように、高圧ゾーン２４０の外周に整合されていてもよい。しかしながら、一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０とは異なり、第２の高圧シール３６０は、図３で示されるように、高圧ポート２６０の周りに延在しないように設計されていてもよい。その代わりに、これらの実施態様において、別の高圧ポートシール３７０が、高圧ポート２６０の周りに延在し、隣接する第２の高圧シール３６０に取り付けられるように設計されていてもよい。
[052]図３で示されるように、挿入プレート３５０は、上面３９０および下面４００を含んでいてもよい。挿入プレート３５０は、第１の高圧シール３４０と、第２の高圧シール３６０および高圧ポートシール３７０との間に配置されていてもよい。挿入プレート３５０の輪郭は、挿入プレート３５０が高圧ゾーン２４０および高圧ポート２６０の外周の周りに延在するように、第１の高圧シール３４０および高圧ゾーン２４０に対応していてもよい。挿入プレート３５０は、１つまたはそれより多くの高圧通路４１０を含んでいてもよい。例えば、高圧通路４１０は、高圧ポート２６０に対応する位置における挿入プレート３５０の各端部に位置していてもよく、それによって、流体（例えば、第１の流体２５０）を、高圧ポート２６０を通して、さらに挿入プレート３５０を通して流動させることができる。例えば、第１の流体２５０は、高圧ポート２６０および挿入プレート３５０を通って、電気化学セル１００に、および隣接する電気化学セル１００から流動させることができる。
[053]図４は、上面３９０に面した挿入プレート３５０の一方の端部の拡大図である。挿入プレート３５０の一方の端部のみが示されているが、他方の端部も同一であってもよい。図４で示されるように、挿入プレート３５０は、上面３９０上に形成された（例えば、そこにエッチングされた）複数の隆起部４２０を有していてもよい。複数の隆起部４２０の配向および方向は、上面３９０の断面に応じて変更することができる。例えば、図４で示されるように、第１の複数の隆起部４２１は、高圧通路４１０の周りを一周していてもよい。第１の複数の隆起部４２１は、高圧通路４１０から所定距離がセットバックされて、高圧通路４１０の周りに凹んだ環４３０が設けられていてもよい。第２の複数の隆起部４２２は、挿入プレート３５０の外周の周りに延在していてもよい。例えば、図４で示されるように、第２の複数の隆起部４２２は、上面３９０の内部の端から外部の端まで広がっていてもよく、それによって上面３９０の大半をカバーすることになる。
[054]第３の複数の隆起部４２３は、第１の複数の隆起部４２１と第２の複数の隆起部４２２との間に延在していてもよい。第３の複数の隆起部４２３は、第２の高圧シール３６０および高圧ポートシール３７０の全領域にわたり均一な圧縮を生じるように設計されていてもよい。それゆえに、一部の実施態様において、第１の複数の隆起部４２１、第２の複数の隆起部４２２、および第３の複数の隆起部４２３は、挿入プレート３５０の凹んだ環４３０以外の上面全体を全体的にカバーしていてもよい。凹んだ環４３０中の隆起部がないことにより、その領域中に第１の流体２５０が流動する可能性がある。凹んだ環４３０は、図３で示されるように、高圧シールの切り抜かれた部分に整合されていてもよい。
[055]図５は、下面４００に面する挿入プレート３５０の一方の端部の拡大図である。挿入プレート３５０の一方の端部のみが示されているが、他方の端部も同一であってもよい。図５で示されるように、挿入プレート３５０は、下面４００上に形成された（例えば、そこにエッチングされた）複数の隆起部４２０を有していてもよい。複数の隆起部の配向および方向は、下面４００の断面に応じて変更することができる。例えば、図５で示されるように、第４の複数の隆起部４２４は、高圧通路４１０の周りを含む挿入プレート３５０の全周の周りに延在していてもよい。第５の複数の隆起部４２５は、第４の複数の隆起部の間に延在していてもよく、それによって挿入プレート３５０の凹んだ環４３０以外の下面４００の大半を全体的にカバーする。第５の複数の隆起部４２５は、第１の高圧シール３５０の全領域にわたり均一な圧縮を生じるように設計されていてもよい。図５で示されるように、下面４００にある凹んだ環４３０は、隆起部がなくてもよく、それによってこの領域中に第１の流体２５０が流動することが可能となる。下面４００の凹んだ環４３０は、図３で示されるように、第１の高圧シール３４０の切り抜かれた部分に整合し、対応していてもよい。
[056]図５で示されるように、第５の複数の隆起部４２５は、凹んだ環４３０から挿入プレート３５０の内部の空孔へと延在するチャネル４４０を有していてもよい。チャネル４４０は、第１の高圧シール３４０の切り抜かれたチャネル３８０に整合し、対応していてもよい。チャネル４４０および切り抜かれたチャネルは、高圧ゾーン２４０と高圧通路４１０と高圧ポート２６０との間の流動を可能にするように設計されていてもよい。
[057]第１のシールアセンブリ３３０は、第１の高圧シール３４０を挿入プレート３５０の下面４００上にプレスすることができ、第２の高圧シール３６０および高圧ポートシール３７０を挿入プレート３５０の上面３９０上にプレスすることができ、それによって第１のシールアセンブリ３３０を構成する単一のコンポーネントが形成されるように設計されていてもよい。
[058]図６は、例示的な実施態様に係る第１のシールアセンブリ３３０の一部の断面を示し、ここで第１の高圧シール３４０が挿入プレート３５０の下面４００上にプレスされ、第２の高圧シール３６０が、挿入プレート３５０の上面３９０上にプレスされる。図６には高圧ポートシール３７０が示されていないが、本明細書における第２の高圧シール３６０に関する記載は、高圧ポートシール３７０にも同等に適用可能である。
[059]第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０は、圧縮（例えば、プレス）下で、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０が主に塑性変形を受けるように設計されていてもよい。特定には、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０は、高いクリープ弾性率および圧縮降伏強度を有する「硬質」の材料で作製されていてもよい。例えば、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０は、１０，０００から２０，０００ｐｓｉの圧縮降伏強度を有し、１５，０００ｐｓｉより高い圧力に耐えるのに十分な範囲のクリープ弾性率を有する材料で作製されていてもよい。
[060]挿入プレート３５０の下面４００および上面３９０から延在する複数の隆起部４２０は、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０を塑性変形させることによってシーリング表面を形成するのに十分な圧力を与えるように設計されていてもよい。例えば、図６で示されるように、第１の高圧シール３４０が挿入プレート３５０の下面４００上にプレスされ得る場合、下面４００から延在する複数の隆起部４２０（例えば、第４の複数の隆起部４２４）は、第１の高圧シール３４０を塑性変形させて第１のシーリング表面４５０を形成するのに十分な圧力を与えることができる。同様に、第２の高圧シール３６０が挿入プレート３５０の上面３９０上にプレスされ得る場合、上面３９０から延在する複数の隆起部４２０（例えば、第２の複数の隆起部４２２）は、第２の高圧シール３６０を塑性変形させて第２のシーリング表面４６０を形成するのに十分な圧力を与えることができる。例えば、約１２，０００ｐｓｉでのシーリングが可能なシールをもたらすのに、約２５，０００ｐｓｉの圧縮圧力が十分であり得る。追加のシーリング表面が高圧ゾーン２４０を画定するように形成されていてもよく、例えば、シーリング表面は、電気化学セル１００がアセンブリである場合、第２の高圧シール３６０の上面とＭＥＡ１４０との間に形成されていてもよく、シーリング表面は、第１のシールアセンブリ３３０がベースプレート１７０上に位置する場合、第１の高圧シール３４０の下面とベースプレート１７０との間に形成されていてもよい。
[061]複数の隆起部４２０は、第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、および高圧ポートシール３７０を変形させるのに十分であればどのような形状を有していてもよい。例えば、複数の隆起部は、三角形の構造４７１（図７Ａ）、尖頭状の構造４７２（図７Ｂ）、またはフラットブレード（flat blade）の構造４７３（図７Ｃ）を有していてもよい。一部の実施態様において、複数の隆起部は、上部が平坦な構造を有していてもよい。上部が平坦な構造は、例えば、正方形、長方形、または円錐形であってもよい。それぞれの複数の隆起部の構造は、他の複数の隆起部の構造と異なっていてもよいし、または全ての突起が同じであってもよいことが予期される。図７Ａ〜７Ｃにおける隆起部の各セットの高さは実質的に同じであるが、一部の実施態様において、複数の隆起部の高さは様々であり得ることが予期される。例えば、１つおきの隆起部が、同じ高さを有していてもよいし、最も外側の隆起部が他より高く、かつ同じ高さであってもよいし、１つまたはそれより多くの内部の隆起部が、他より高くてもよいし、隆起部は、内部から外部にかけて高さが低くもしくは高くなっていてもよいし、または隆起部毎に高さが異なっていてもよい。高さが異なる隆起部を有する実施態様は、他のコンポーネントの機械加工公差における変動をよりよく受け入れるように設計されていてもよい。複数の隆起部４２０は、挿入プレート３５０のフォトエッチングまたは電気化学的な機械加工によって製造されてもよい。
[062]例示的な実施態様において、第１のシーリング表面４５０および第２のシーリング表面４６０は、ナイフエッジ型にエッチングされた複数の隆起部４２０（例えば、図７Ａの三角形の配置）を有するナイフエッジ型のシーリング表面であってもよい。組立て中、複数の隆起部４２０を第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、および高圧ポートシール３７０に対して圧縮して、各隆起部のナイフエッジを対応するシール中にプレスすることによりシールを形成することができる。さらなる圧縮力を第１のシールアセンブリ３３０に適用するにつれ、第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、および高圧ポートシール３７０を塑性変形させて、第１のシーリング表面４５０および第２のシーリング表面４６０を作り出すのに十分な応力が形成されていてもよい。複数の隆起部４２０は、応力を集中させる装置として機能することができ、対応するシール（例えば、第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、高圧ポートシール３７０）にプレスされる場合、材料中に目標とするシーリング圧力より高い局所的な応力を生じさせることができる。複数の隆起部４２０は、それらが相対的に均一な圧縮圧力を第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、および高圧ポートシール３７０に適用するように配列されていてもよい。
[063]複数の隆起部４２０がシールを突き破るのを回避したり、および／またはシールの圧縮を制御したりするために、複数の隆起部４２０が対応するシールに侵入する程度を制御することが有利な場合がある。複数の隆起部の侵入およびシールの圧縮を制御する１つの方法は、第１のシールアセンブリ３３０に接着剤（an adhesive）を取り入れることであり得る。例えば、接着剤は、フレーム１８０の上面または底面に付加されてもよい。接着剤は、適用された圧縮力により多少の変形（例えば、圧縮）を受けるように構成されていてもよいが、接着剤は、設計された圧縮の深さが複数の隆起部４２０の望ましい侵入の深さおよび／またはシールの圧縮に対応するように構成されていてもよい。
[064]複数の隆起部４２０の侵入を制御する別の方法は、同じ表面上で他の複数の隆起部４２０を超えて延在する少なくとも１つの隆起部を有することであり得る。高い方の隆起部は、逆のコンポーネント（例えば、ベース１７０）の表面と接触させることによって「ハードストップ」として機能するように設計されていてもよく、その接触点で挿入プレート３５０の第１の高圧シール３４０内へのさらなる動きを防ぐことができ、それによって他の複数の隆起部４２０の第１の高圧シール３４０へのさらなる侵入を制御することができる。
[065]図８は、例示的な実施態様に係る挿入プレート３５０中に形成され得る複数の隆起部４２０を例示する。図８で示されるように、各隆起部は、特定の高さＨを有し、互いに特定の距離Ｄで間隔を置いて存在していてもよく、各隆起部の傾斜面は、角度αを形成していてもよい。様々な実施態様によれば、隆起部の高さは、様々であってもよく、例えば、約０．００２インチから約０．０１０インチ、約０．００６インチから約０．００８インチ、約０．００５インチから約０．００８インチ、約０．００１インチから約０．０１０インチであってもよいし、または約０．００１インチから０．０１０インチより高くてもよい。様々な実施態様によれば、隆起部間の距離は、様々であってもよく、例えば、約０．０２２インチから約０．０２８インチ、約０．０２０インチから約０．０３０インチ、もしくは約０．０１インチから約０．０５インチであってもよいし、または約０．０１インチから０．０５インチより大きくてもよい。様々な実施態様によれば、角度は、様々であってもよく、例えば、約８５度から約９５度、約７５度から約１０５度、約６５度から約１１５度、約５５度から約１２５度、または約５５度未満から約１２５度であってもよい。
[066]本明細書に記載されるような第１のシールアセンブリ３３０の設計は、第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、高圧ポートシール３７０、および挿入プレート３５０に使用される材料の広範な選択を可能にする。例えば、一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０、第２の高圧シール３６０、および高圧ポートシール３７０は、同じ材料で作製されていてもよいが、一部の実施態様においてそれらは、異なる材料で作製されていてもよい。
[067]一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０は、これらに限定されないが、トーロン（Torlon）（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリイミド、およびポリスルホンなどのポリマーシール材で作製されていてもよい。ポリマー材料は、耐酸性であってもよく、電気化学セル１００の作動に有害な材料を浸出させないべきである。一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０は、これらに限定されないが、スズ、スズ合金、ステンレス鋼、銀、白金、および金などの金属材料で作製されていてもよい。このような実施態様において、金属は、耐食性であってもよいし、または耐食性コーティングを有していてもよい。一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０および第２の高圧シール３６０は、ポリマーおよび／または金属材料の複合材料で作製されていてもよい。一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０の、ベース１７０と接触している下面は、ラミネート材料を含んでいてもよい。ラミネート材料の材料特性は、第１の高圧シール３４０の材料特性と異なっていてもよい。例えば、ラミネート材料は、ベース１７０と第１の高圧シール３４０の下面との間に柔らかいシールが形成されるように、第１の高圧シール３４０より柔らかくてもよい。一部の実施態様において、第１の高圧シール３４０の下面は、ベース１７０の表面へのシーリングに役立つように構成された接着剤でコーティングされていてもよい。接着剤は、例えば、圧力または熱によって活性化される接着剤であってもよい。
[068]シールと同様に、第１のシール２１０へのシールアセンブリ３３０の使用は、フレーム１８０、ベース１７０、加えて挿入プレート３５０に使用される材料の広範な選択を可能にする。一部の実施態様において、フレーム１８０、ベース１７０、および挿入プレート３５０は、同じ材料または異なる材料で形成されていてもよい。フレーム１８０、ベース１７０、および挿入プレート３５０は、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属、または例えばニッケルクロム合金、ニッケル−スズ合金、インコネル、モネル、ハステロイなどの金属合金、またはそれらの組合せで形成されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１８０はまた、ポリマー、複合材料、セラミック、または組立て時にセルに適用される圧縮力に対応できるあらゆる材料で形成されていてもよい。例えば、一部の実施態様において、フレーム１８０は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、またはポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）で形成されていてもよい。
[069]一部の実施態様において、フレーム１８０およびベース１７０は、１つまたはそれより多くの領域において、クラッド材料、例えば、ステンレス鋼でクラッドしたアルミニウムを含んでいてもよい。クラッディングは、両方の金属の利点を提供することができ、例えば、ステンレス鋼でクラッドしたアルミニウムから製作されたバイポーラプレートのケースでは、ステンレス鋼が、セル作動中にアルミニウムコアを腐食から保護し、同時に例えば高い重量比強度、高い熱伝導率および導電率などのアルミニウムの優れた材料特性を提供する。一部の実施態様において、フレーム１８０は、陽極酸化された、シールされた、および下塗り処理された（primed）アルミニウムを含んでいてもよい。一部の実施態様において、フレーム１８０は、クロメート処理された、およびスプレーコーティングされたアルミニウムを含んでいてもよい。
[070]一部の実施態様において、フレーム１８０は、複合材料、例えば炭素繊維、グラファイト、ガラス強化ポリマー、熱可塑性複合材料などで形成されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１８０は、腐食と電気伝導の両方を防ぐためにコーティングされた金属で形成されていてもよい。様々な実施態様によれば、フレーム１８０は、一般的に非導電性であってもよく、それにより電気化学セル間で短絡が起こる可能性が低減される。ベース１７０は、セル作動中に導電性と耐食性を提供する１つまたはそれより多くの材料で形成されていてもよい。例えば、ベース１７０は、活性なセルコンポーネントが位置する領域（例えば、フロー構造、ＭＥＡなど）で導電性であるように設計されていてもよい。
[071]コンポーネント（例えば、第１の高圧シール３４０、挿入プレート３５０、第２の高圧シール３６０、高圧ポートシール３７０、フレーム１８０、ベース１７０）の材料および幾何学的配置を選択する際に考慮すべき要素および特性としては、少なくとも、圧縮荷重の要件、材料の適合性、シーリング圧力、材料コスト、製造コスト、および製造の容易さを挙げることができる。本明細書に記載されるシールアセンブリ３３０を利用することによって好適になる様々な材料が、より安価な材料およびそれほどコストのかからない製造の選択を可能にする。例えば、その一部が本明細書に列挙されている比較的低コストの市販のプラスチックは、高圧シールに使用することができる。加えて、従前のマルチコンポーネントバイポーラプレートは、費用がかかる従来のミリング（milling）の使用を必要とするプレート上の複雑な細部のために、製造に費用がかかる可能性があった。本明細書に記載されるようなシールアセンブリ３３０の利用は、バイポーラプレートの不要な要素を取る（de-feature）ことができ、例えば、ベース１７０およびフレーム１８０は、製造コストを押し上げる従来のミリングをまったく使用せずに製造することができる。
[072]高圧ポート２６０の周りをシールするためにシールアセンブリ３３０を使用することもまた、従来これらのポートをシールするのに使用されるエラストマー（例えば、Ｏ−リング）への必要性をなくすことができる。エラストマーは、高圧システムにおける信頼性が問題になることが多く、それゆえにエラストマーを除去することで、電気化学セルをよりロバストかつ抵抗性にすることができる。
[073]本明細書に記載されるフィーチャは、電気化学セルの他のコンポーネントをシールするのに使用することもでき、および／またはカスケード式のシール配置を採用していないセルに使用することもできることが理解される。
[074]上述したようなカスケード式のシール配置は、上述したように電気化学セル１００のバイポーラプレート１５０および１６０の両方に利用してもよい。一部の実施態様において、カスケード式のシール配置は、バイポーラプレート１５０または１６０の一方にだけ利用されてもよい。
[075]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本明細書に記載の本発明の開示の実施から当業者には明らかであるだろう。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図されている。
７０ ベース
８０ フレーム
１００ 電気化学セル
１１０ アノード
１２０ カソード
１３０ プロトン交換膜（ＰＥＭ）
１４０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５０、１６０ バイポーラプレート
２００ フロー構造
１７０ ベース
１８０ フレーム
１９０ 空隙
２１０ 第１のシール
２２０ 第２のシール
２３０ 第３のシール
２４０ 高圧ゾーン
２５０ 第１の流体
２６０ 高圧ポート
２７０ 中圧ゾーン
２８０ 第２の流体
２９０ 中圧ポート
３００ 低圧ゾーン
３１０ 第３の流体
３２０ 低圧ポート
３３０ 第１のシールアセンブリ
３４０ 第１の高圧シール
３５０ 挿入プレート
３６０ 第２の高圧シール
３７０ 高圧ポートシール
３８０ チャネル
３９０ 上面
４００ 下面
４１０ 高圧通路
４２０ 隆起部
４２１ 第１の複数の隆起部
４３０ 凹んだ環
４２２ 第２の複数の隆起部
４２３ 第３の複数の隆起部
４２４ 第４の複数の隆起部
４２５ 第５の複数の隆起部
３５０ 第１の高圧シール
４４０ チャネル
４５０ 第１のシーリング表面
４６０ 第２のシーリング表面
１７０ ベースプレート
４７１ 三角形の構造
４７２ 尖頭状の構造
４７３ フラットブレード型の構造

Claims (20)

  1. 第１の高圧シール、第２の高圧シール、および第１の高圧シールと第２の高圧シールとの間に配置された挿入プレートを含む第１のシールアセンブリと、
    フレームおよびベースと
    を含むバイポーラプレートアセンブリであって、
    該挿入プレートは、該挿入プレートの上面および下面に形成された複数の隆起部を有し、該複数の隆起部は、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールが該挿入プレート上にプレスされたときに、第１の高圧シールおよび第２の高圧シール中に侵入して該シールアセンブリを形成するように設計されており；
    該フレームおよび該ベースは、合体してバイポーラプレートを形成し、高圧ゾーンを画定するように設計されており；
    該シールアセンブリは、該バイポーラプレートに取り付けられたとき、該バイポーラプレートによって画定された該高圧ゾーンの一部をシールするように設計されている、上記バイポーラプレートアセンブリ。
  2. 前記シールアセンブリの取り付けが、前記シールアセンブリを前記フレームに挿入し、前記ベース上に設置することを含む、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  3. 前記シールアセンブリが、前記挿入プレートの上面上の両端でプレスされるように設計された２つの高圧ポートシールをさらに含む、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  4. 前記複数の隆起部が、前記挿入プレートのフォトエッチングによって形成される、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  5. 前記シールアセンブリが、前記フレームから前記シールアセンブリを取り外すことによって交換可能である、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  6. 前記フレームと前記ベースとの間のカスケード式のシール配置中に配列された第２のシールおよび第３のシールをさらに含む、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  7. 前記フレームおよび前記ベースを分離することなく、前記シールアセンブリの取り付けおよび取り外しが可能である、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  8. 第１の高圧シールおよび第２の高圧シールが前記挿入プレート上にプレスされたときに、前記複数の隆起部が、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールを塑性変形させて、前記挿入プレートと第１の高圧シールとの間に第１のシーリング表面を作り出し、前記挿入プレートと第２の高圧シールとの間に第２のシーリング表面を作り出すように設計されている、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  9. 前記シールアセンブリが、少なくとも１５，０００ｐｓｉの圧力で前記高圧ゾーンをシールするように設計されている、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  10. 前記複数の隆起部が、ナイフエッジ型の隆起部、尖頭型の隆起部、またはフラットブレード型の隆起部の少なくとも１つである、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
  11. マルチコンポーネントバイポーラプレートを組み立てる方法であって、
    挿入プレートの下面上に第１の高圧シールをプレスする工程であって、該下面は、第１の高圧シールに侵入することによって第１のシーリング表面を作り出すように設計された第１の複数の隆起部を有する、工程と、
    該挿入プレートの上面上に第２の高圧シールをプレスする工程であって、該上面は、第２の高圧シールに侵入することによって第２のシーリング表面を作り出すように設計された第２の複数の隆起部を有する、工程と、
    ここで該挿入プレートの下面上に第１の高圧シールをプレスする工程および該挿入プレートの上面上に第２の高圧シールをプレスする工程が、第１のシールアセンブリを形成し、
    該シールアセンブリを該バイポーラプレートのフレームおよびベースに取り付けることによって、該バイポーラプレートの高圧ゾーンをシールする工程と
    を含む、上記方法。
  12. 前記挿入プレートの下面上に第１の高圧シールをプレスする工程が、第１の高圧シールを塑性変形させ、それによって第１のシーリング表面が作り出される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記挿入プレートの上面上に第２の高圧シールをプレスする工程が、第２の高圧シールを塑性変形させ、それによって第２のシーリング表面が作り出される、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記シールアセンブリを取り付けることが、前記シールアセンブリを前記フレームに挿入し、前記ベース上に設置することを含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記挿入プレートの上面上の両端に２つの高圧ポートシール３７０をプレスすることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  16. 前記フレームから前記シールアセンブリを取り外すことによって、前記シールアセンブリを前記バイポーラプレートから取り外し可能である、請求項１１に記載の方法。
  17. 第１のシールアセンブリ、第２のシール、および第３のシールがカスケード式のシール配置に配列されるように、前記フレームと前記ベースとの間に第２のシールおよび第３のシールを取り付ける工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  18. 前記高圧ゾーンが、少なくとも１５，０００ｐｓｉの圧力に対応するように設計されている、請求項１１に記載の方法。
  19. 前記シールアセンブリが、前記フレームおよび前記ベースと自己整合するように設計されている、請求項１１に記載の方法。
  20. バイポーラプレートの対および該バイポーラプレートの対間に配置された膜電極接合体を含む電気化学セルであって、
    該バイポーラプレートの少なくとも１つは、
    第１の高圧シール、第２の高圧シール、および第１の高圧シールと第２の高圧シールとの間に配置された挿入プレートを含む第１のシールアセンブリと、
    調整されて該バイポーラプレートを形成し、高圧ゾーンを画定するように設計された、フレームおよびベースと
    を含み、
    該挿入プレートは、該挿入プレートの上面および下面に形成された複数の隆起部を有し、該複数の隆起部は、第１の高圧シールおよび第２の高圧シールが該挿入プレート上にプレスされたときに、第１の高圧シールおよび第２の高圧シール中に侵入して該シールアセンブリを形成するように設計されており、
    該シールアセンブリは、該フレームおよび該ベースに取り付けられたとき、該バイポーラプレートの該高圧ゾーンをシールするように設計されている、上記電気化学セル。
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