JP2018531209A6 - Bipolar plate with force concentrator pattern - Google Patents

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Abstract

本開示の態様は、バイポーラプレートアセンブリに関する。バイポーラプレートアセンブリは、フレームとベースを有する。フレーム及びベースの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、フォースコンセントレーターパターンを有する第1の表面を有し、フォースコンセントレーターパターンは、第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含む。フレーム又はベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによりバイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームまたはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力が生じる。
【選択図】なし
Aspects of the present disclosure relate to bipolar plate assemblies. The bipolar plate assembly has a frame and a base. At least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface with a force concentrator pattern, the force concentrator pattern partially extending over the first surface. Includes raised surfaces. The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or base is constant throughout, so that when the bipolar plate assembly is under compression, a uniform compression pressure is provided along the length of the frame or base. Arise.
[Selection figure] None

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9月21日付けで出願された米国仮出願第62/221,276号の利益を主張する。   [001] This application claims the benefit of US Provisional Application No. 62 / 221,276, filed September 21, 2015, which is incorporated by reference in its entirety.

[002]本発明の開示は、バイポーラプレート、より特定には、フォースコンセントレーターパターン(force concentrator pattern)を有するバイポーラプレートに向けられる。   [002] The present disclosure is directed to bipolar plates, and more particularly to bipolar plates having a force concentrator pattern.

[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発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。基本的な燃料電池は、負に荷電されたアノード、正に荷電されたカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。   [003] Electrochemical cells are usually classified as fuel cells or electrolysis cells and are devices that are used to generate a current through a chemical reaction or to induce a chemical reaction using a current flow. is there. Fuel cells convert the chemical energy of fuels (eg, hydrogen, natural gas, methanol, gasoline, etc.) and oxidants (air or oxygen) into electricity and waste that is heat and water. The basic fuel cell includes a negatively charged anode, a positively charged cathode, and an ion conducting material called an electrolyte.

[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、電解質としてポリマーのイオン伝導性膜を利用する。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およびプロトン(水素イオン)に分けられる。電子は、回路を通ってカソードに流れ、電気を発生させ、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、水素のプロトンは、電子および(カソードに供給された)酸素と反応して、水および熱を生産することができる。   [004] Different fuel cell technologies use different electrolyte materials. Proton exchange membrane (PEM) fuel cells, for example, utilize polymer ion-conducting membranes as electrolytes. In a hydrogen PEM fuel cell, hydrogen atoms are electrochemically divided into electrons and protons (hydrogen ions) at the anode. Electrons flow through the circuit to the cathode, generating electricity, while protons diffuse through the electrolyte membrane to the cathode. At the cathode, hydrogen protons can react with electrons and oxygen (supplied to the cathode) to produce water and heat.

[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。基本的な電解セルは、外部の電位が適用されるときに水を水素および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することができる。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。   [005] Electrolytic cells are representative of fuel cells that operate in reverse. A basic electrolysis cell can function as a hydrogen generator by decomposing water into hydrogen and oxygen gas when an external potential is applied. The basic technology of hydrogen fuel cells or electrolysis cells can be applied to electrochemical hydrogen manipulation, such as electrochemical hydrogen compression, purification, or expansion.

[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有していてもよい。水素を含有するガスが第1の電極と接触し、電位差が第1の電極と第2の電極との間に付与され得る。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、膜を介してセルの第2の電極に電気化学的に送られ、そこでプロトンは2つの迂回した電子と再結合し、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として表すことができる。
第1の電極の酸化反応:H→2H++2e−
第2の電極の還元反応:2H++2e−→H
全体の電気化学反応:H→H
[006] An electrochemical hydrogen compressor (EHC) can be used, for example, to selectively transfer hydrogen from one side of the cell to the other. The EHC may have a proton exchange membrane sandwiched between a first electrode (ie, anode) and a second electrode (ie, cathode). A gas containing hydrogen is in contact with the first electrode, and a potential difference can be applied between the first electrode and the second electrode. At the first electrode, hydrogen molecules can be oxidized and this reaction can produce two electrons and two protons. Two protons are electrochemically sent through the membrane to the second electrode of the cell, where they recombine with two bypassed electrons and are reduced to form hydrogen molecules. The reaction occurring at the first electrode and the second electrode can be expressed as a chemical equation as shown below.
First electrode oxidation reaction: H 2 → 2H ++ 2e−
Reduction reaction of the second electrode: 2H ++ 2e− → H 2
Overall electrochemical reaction: H 2 → H 2 .

[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制限される可能性がある。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繋いで、多段階EHCを形成することができる。多段階EHCにおいて、ガスの流路は、例えば、第1のセルの圧縮された出力ガスが第2のセルの入力ガスになるように設計されていてもよい。代替として、一段階セルは、並行に連結させて、EHCの処理能力(すなわち、総ガス流速)を高めることができる。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、およびアノードを包含していてもよい。各カソード/膜/アノードアセンブリは、「膜電極アセンブリ」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。   [007] EHC operating in this manner is sometimes referred to as a hydrogen pump. When the hydrogen accumulated in the second electrode is limited to a limited space, the electrochemical cell compresses the hydrogen or increases the pressure. The maximum pressure or flow rate that an individual cell can produce may be limited based on the cell design. In order to achieve greater compression or higher pressure, multiple cells can be connected in series to form a multi-stage EHC. In the multi-stage EHC, the gas flow path may be designed, for example, such that the compressed output gas of the first cell becomes the input gas of the second cell. Alternatively, single stage cells can be connected in parallel to increase EHC throughput (ie, total gas flow rate). In both single-stage and multi-stage EHC, the cells may be stacked and each cell may include a cathode, an electrolyte membrane, and an anode. Each cathode / membrane / anode assembly constitutes a “membrane electrode assembly” or “MEA”, which is typically supported by bipolar plates on both sides.

[008]バイポーラプレートは、EHCに機械的な支持を提供することができ、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ことができる。バイポーラプレートはまた、高圧ゾーンも提供することができ、ここに反応物または燃料、例えば水素が累積する。加えて、バイポーラプレートはまた、集電装置/コンダクターとしても作用することができ、さらに反応物または燃料のための通路も提供することができる。典型的には、バイポーラプレートは、例えばステンレス鋼、チタンなどの金属から、また、非金属の電気導体、例えばグラファイトから作製される。   [008] Bipolar plates can provide mechanical support to the EHC and can be physically separated while electrically connecting individual cells in the stack. Bipolar plates can also provide a high pressure zone in which reactants or fuels such as hydrogen accumulate. In addition, the bipolar plate can also act as a current collector / conductor and can also provide a passage for reactants or fuel. Typically, bipolar plates are made from metals such as stainless steel, titanium, etc., and non-metallic electrical conductors such as graphite.

[009]水素圧縮機または水素ポンプは、典型的には、バイポーラプレートにより形成された高圧ゾーンに限定された第2の電極に累積した水素を有する。加えて、水素が形成され続け累積するにつれて、高圧ゾーンの圧力は増加し得る。水素が漏れる可能性を低減し、安全性およびエネルギー効率を改善するために、高圧ゾーンは、バイポーラプレート間の1つまたはそれより多くのシールで密封されていてもよい。EHCまたはEHCスタックのバイポーラプレートに圧縮荷重を適用して、シールを圧縮し、高圧ゾーンの密封を作り出すことができる。シールは、高圧ゾーンの円周の周りに延在するリング型のシールを含んでいてもよいし、および/またはバイポーラプレートの1つまたはそれより多くの表面上にコーティングまたはラミネートされたポリマーフィルムを含んでいてもよい。   [009] A hydrogen compressor or hydrogen pump typically has hydrogen accumulated in a second electrode confined to a high pressure zone formed by a bipolar plate. In addition, as the hydrogen continues to form and accumulate, the pressure in the high pressure zone can increase. To reduce the potential for hydrogen leakage and improve safety and energy efficiency, the high pressure zone may be sealed with one or more seals between the bipolar plates. A compressive load can be applied to the bipolar plate of the EHC or EHC stack to compress the seal and create a high pressure zone seal. The seal may include a ring-shaped seal extending around the circumference of the high pressure zone and / or a polymer film coated or laminated on one or more surfaces of the bipolar plate. May be included.

[010]バイポーラプレート間のシールには、十分で全体的に均一な圧縮圧力が適用される必要がある。適用される最小の圧縮圧力は、シールの材料を変形させることによって密封表面を作り出すことができるように、シールの材料の降伏強度より大きくてもよい。一部の実施態様において、最小の圧縮圧力は、材料の降伏強度未満であってもよい。圧縮圧力が密封表面にわたり全体的に均一ではないかまたは不均一である場合、最小の圧縮圧力が密封表面上の一部の領域に適用されない可能性があり、それにより、その領域で反応物または燃料の漏れを引き起こす可能性がある。シールに適用された不均一な圧縮圧力による漏れの可能性を防ぐまたは低減するための現在の選択肢としては、バイポーラプレートにより高い圧縮荷重を適用して、確実に最小の圧縮圧力が密封表面にわたり適用されるようにすることが挙げられる。しかしながら、より高い圧縮荷重を適用することは、密封表面上により高い圧縮圧力を与えるだけでなく、最小の圧縮圧力が既に適用されておりより高い圧縮圧力に耐えられない可能性があるようなバイポーラプレートの場所にもより高い圧縮圧力を与えてしまうおそれがある。したがって、より高い圧縮荷重は、バイポーラプレートおよび/またはEHCもしくはEHCスタックの他の部品のための材料に、例えば材料の適合性、材料強度、材料コスト、製造コスト、および製造の容易さなどのより高い条件が必要となる可能性がある。それゆえに、密封表面および/またはバイポーラにわたり圧縮圧力のより均一なおよび/または均等な分布を可能にするバイポーラプレートアセンブリの必要性がある。   [010] A sufficient and generally uniform compression pressure needs to be applied to the seal between the bipolar plates. The minimum compression pressure applied may be greater than the yield strength of the seal material so that a sealing surface can be created by deforming the seal material. In some embodiments, the minimum compression pressure may be less than the yield strength of the material. If the compression pressure is not uniform or non-uniform across the sealing surface, the minimum compression pressure may not be applied to some areas on the sealing surface, so that the reactant or May cause fuel leakage. The current option to prevent or reduce the possibility of leakage due to uneven compression pressure applied to the seal is to apply a higher compression load to the bipolar plate to ensure that the minimum compression pressure is applied across the sealing surface It is mentioned to be made. However, applying a higher compressive load not only gives higher compressive pressure on the sealing surface, but also a bipolar where the minimum compressive pressure is already applied and may not withstand the higher compressive pressure. There is a risk of applying a higher compression pressure to the plate location. Thus, higher compressive loads are applied to materials for bipolar plates and / or other parts of an EHC or EHC stack, such as material compatibility, material strength, material cost, manufacturing cost, and ease of manufacturing. High conditions may be required. Therefore, there is a need for a bipolar plate assembly that allows for a more uniform and / or even distribution of compression pressure across the sealing surface and / or bipolar.

[011]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、フレームおよびベースを有していてもよい。フレームおよびベースの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターン(force concentrator pattern)の形状を有していてもよいし、または第1の表面を有していてもよい。第1の表面は、フォースコンセントレーターパターンを含んでいてもよく、フォースコンセントレーターパターンは、第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含んでいてもよい。フレームまたはベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定(constant)であってもよく、それによってバイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームおよび/またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる。   [011] One aspect of the present disclosure is directed to a bipolar plate assembly. The bipolar plate assembly may have a frame and a base. At least one of the frame and base may have the shape of a force concentrator pattern or may have a first surface. The first surface may include a force concentrator pattern, and the force concentrator pattern may include a raised surface that extends partially across the first surface. The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or base may be entirely constant so that the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression. A uniform compression pressure is produced along

[012]本発明の開示の他の形態は、バイポーラプレートを圧縮する方法に向けられる。本方法は、バイポーラプレートアセンブリのフレームおよびベースを圧縮するステップを包含していてもよい。フレームおよびベースの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有していてもよいし、または第1の表面を有していてもよい。第1の表面は、フォースコンセントレーターパターンを含んでいてもよく、フォースコンセントレーターパターンは、第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含んでいてもよい。フレームまたはベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に不断であってもよい。本方法は、バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームおよび/またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じさせることをさらに包含していてもよい。   [012] Another aspect of the present disclosure is directed to a method of compressing a bipolar plate. The method may include compressing the frame and base of the bipolar plate assembly. At least one of the frame and the base may have the shape of a force concentrator pattern or may have a first surface. The first surface may include a force concentrator pattern, and the force concentrator pattern may include a raised surface that extends partially across the first surface. The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or base may be generally continuous. The method may further include generating a uniform compression pressure along the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression.

[013]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と、バイポーラプレートの対の間に配置された膜電極アセンブリとを包含していてもよい。バイポーラプレートの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有していてもよいし、または第1の表面を有していてもよい。第1の表面は、フォースコンセントレーターパターンを含んでいてもよく、フォースコンセントレーターパターンは、第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含んでいてもよい。フレームまたはベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に不断であってもよい。本方法は、バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームおよび/またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じさせることをさらに包含していてもよい。   [013] Another aspect of the present disclosure is directed to an electrochemical cell. The electrochemical cell may include a pair of bipolar plates and a membrane electrode assembly disposed between the pair of bipolar plates. At least one of the bipolar plates may have a force concentrator pattern shape or may have a first surface. The first surface may include a force concentrator pattern, and the force concentrator pattern may include a raised surface that extends partially across the first surface. The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or base may be generally continuous. The method may further include generating a uniform compression pressure along the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression.

[014]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と予想される。
[015]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のに役立つ。
[014] It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the claimed disclosure.
[015] The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the disclosure of the present invention and, together with the description, serve to explain the principles of the disclosure.

[016]図1は、例示的な実施態様に係る電気化学セルの様々な要素を示す電気化学セルの一部の分解側面図である。[016] FIG. 1 is an exploded side view of a portion of an electrochemical cell showing various elements of the electrochemical cell according to an exemplary embodiment. [017]図2は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。[017] FIG. 2 is a perspective view of a base and frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment. [018]図3は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。[018] FIG. 3 is a perspective view of the base and frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment. [019]図4は、例示的なバイポーラプレートアセンブリのフレームの上面図である。[019] FIG. 4 is a top view of the frame of an exemplary bipolar plate assembly. [020]図5は、例示的なバイポーラプレートアセンブリのフレームの上面図である。[020] FIG. 5 is a top view of the frame of an exemplary bipolar plate assembly. [021]図6は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの斜視図である。[021] FIG. 6 is a perspective view of a frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment. [022]図7は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの拡大図である。[022] FIG. 7 is an enlarged view of a frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment. [023]図8は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。[023] FIG. 8 is a perspective view of a base and frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment. [024]図9は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの上面図である。[024] FIG. 9 is a top view of a frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment. [025]図10は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの斜視図である。[025] FIG. 10 is a perspective view of a frame of a bipolar plate assembly according to an exemplary embodiment.

[026]以下、本開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例は、添付の図面で示される。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。水素を圧縮するための電気化学セルに関して記載されるが、本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、および水素ポンプなどの様々な種類の燃料電池および電気化学セルと共に採用され得ることが理解される。   [026] Reference will now be made in detail to exemplary embodiments of the disclosure, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings to refer to the same or like parts. Although described with respect to electrochemical cells for compressing hydrogen, the devices and methods of the present disclosure are various types of fuel cells such as, but not limited to, electrolysis cells, hydrogen purifiers, hydrogen expanders, and hydrogen pumps. It is understood that it can be employed with electrochemical cells.

[027]図1は、例示的な実施態様に係る電気化学セル100の分解側面図の例示を示す。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を包含していてもよい。アノード110、カソード120、および組み合わされたPEM130は、膜電極アセンブリ(MEA)140を包含していてもよい。PEM130は、純粋なポリマー膜、または、例えばシリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムのような他の材料がポリマーマトリックス中に埋め込まれているような複合膜を包含し得る。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包含していてもよい。触媒材料、例えば白金は、反応物または燃料の反応を増加させることができる。   [027] FIG. 1 shows an illustration of an exploded side view of an electrochemical cell 100 according to an exemplary embodiment. The electrochemical cell 100 may include an anode 110, a cathode 120, and a proton exchange membrane (PEM) 130 disposed between the anode 110 and the cathode 120. The anode 110, cathode 120, and combined PEM 130 may include a membrane electrode assembly (MEA) 140. PEM 130 is a pure polymer film or a composite film in which other materials such as silica, heteropolyacids, layered metal phosphates, phosphates, and zirconium phosphates are embedded in a polymer matrix. Can be included. The PEM 130 does not conduct electrons but can transmit protons. The anode 110 and the cathode 120 may include a porous carbon electrode containing a catalyst layer. A catalyst material, such as platinum, can increase the reaction of the reactants or fuel.

[028]電気化学セル100は、2つのバイポーラプレート150、160をさらに包含していてもよい。バイポーラプレート150、160は、支持体プレート、コンダクターとして作用することができ、反応物または燃料のためのそれぞれの電極表面への通路を提供することができ、圧縮された反応物または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包含していてもよい。バイポーラプレート150、160は、電気化学的なスタック中の隣接するセル(示されていない)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および/または160は、バイポーラプレート150および/または160のそれぞれの側が異なるMEA140と接触するような、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を連続して繋いで多段階電気化学的水素圧縮機(EHC)を形成してもよいし、または並行にスタックして、一段階EHCを形成してもよい。   [028] The electrochemical cell 100 may further include two bipolar plates 150,160. Bipolar plates 150, 160 can act as support plates, conductors, can provide a path to the respective electrode surfaces for the reactants or fuel, and remove the compressed reactants or fuel. Can provide a passageway. Bipolar plates 150, 160 may also include access channels for cooling fluid (ie, water, glycol, or a mixture of water and glycol). Bipolar plates 150, 160 can separate electrochemical cell 100 from adjacent cells (not shown) in the electrochemical stack. In some embodiments, bipolar plates 150 and / or 160 may function as bipolar plates for two adjacent cells such that each side of bipolar plates 150 and / or 160 contacts a different MEA 140. it can. For example, a plurality of electrochemical cells 100 may be connected in series to form a multi-stage electrochemical hydrogen compressor (EHC), or stacked in parallel to form a single-stage EHC.

[029]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に供給され得る。アノード110とカソード120の間に電位が適用されてもよく、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における水素が酸化されることにより、水素を電子およびプロトンに分けることができる。プロトンは、PEM130を通って電気化学的に輸送されるかまたは「ポンプ輸送」され、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と迂回した電子とが還元されて、水素を形成する。カソード120で水素が形成され続けるにつれて、バイポーラプレート160で作り出された高圧ゾーン内で水素を圧縮して加圧することができる。   [029] In operation, hydrogen gas may be supplied to the anode 110 through the bipolar plate 150, according to an exemplary embodiment. A potential may be applied between the anode 110 and the cathode 120, and the potential at the anode 110 is greater than the potential at the cathode 120. As the hydrogen at the anode 110 is oxidized, the hydrogen can be separated into electrons and protons. Protons are electrochemically transported or “pumped” through PEM 130, while electrons bypass PEM 130. At the cathode 120 on the opposite side of the PEM 130, the transported protons and detoured electrons are reduced to form hydrogen. As hydrogen continues to form at the cathode 120, the hydrogen can be compressed and pressurized in the high pressure zone created by the bipolar plate 160.

[030]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のそれぞれは、2つのピースまたは2つの要素で形成されていてもよい。例えば、図2は、2つの要素のバイポーラプレート160の一実施態様を示し、バイポーラプレート160は、フレーム170およびベース180を包含する。フレーム170は、ベース180のフロー構造(示されていない)と流体連通する空隙190を画定することができる。一部の実施態様において、フレーム170およびベース180は、1つの統合された部品または要素として形成されていてもよい。以下の説明ではバイポーラプレート160について述べられるが、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。   [030] In some embodiments, each of the bipolar plates 150 and 160 may be formed of two pieces or two elements. For example, FIG. 2 shows one embodiment of a two-element bipolar plate 160 that includes a frame 170 and a base 180. The frame 170 can define a void 190 in fluid communication with the flow structure (not shown) of the base 180. In some implementations, the frame 170 and base 180 may be formed as one integrated part or element. In the following description, the bipolar plate 160 is described, but such disclosure is equally applicable to the bipolar plate 150.

[031]フレーム170およびベース180は、全体的に平面であってもよく、全体的に長方形のまたは細長いプロファイルを有していてもよい。一部の実施態様において、フレーム170およびベース180は、別の形状、例えば四角形、「レーストラック」(すなわち、実質的に長方形であり、側面が半楕円形である形)、円形、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170およびベース180の形状は、電気化学セル100の他の要素(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] The frame 170 and base 180 may be generally planar and may have a generally rectangular or elongated profile. In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may have other shapes, such as a square, a “race track” (ie, a shape that is substantially rectangular and semi-elliptical on the sides), circular, oval, It may have an oval shape or other shapes. The shape of the frame 170 and base 180 may correspond to other elements of the electrochemical cell 100 (eg, cathode, anode, PEM, flow structure, etc.) or electrochemical cell stack.

[032]フレーム170およびベース180は、同一平面で連結されるように設計されていてもよい。フレーム170およびベース180は、取り外しできるように一緒に連結または固定されていてもよいし、または1つの統合された部品であってもよい。例えば、接合材、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、および/または焼結などの、1つまたはそれより多くの取り付けメカニズムが使用されてもよい。一部の実施態様において、接合材は、接着剤を包含していてもよい。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(例えば熱溶融した熱可塑性シートなど)、ウレタン、嫌気性接着剤、UV硬化接着剤、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170およびベース180は、摩擦嵌合(friction fit)によって連結されてもよい。例えば、要素間における1つまたはそれより多くのシールは、圧縮されたときに要素間に十分な摩擦力を生じさせて、予期せぬスライドを防ぐことができる。   [032] The frame 170 and the base 180 may be designed to be coupled in the same plane. Frame 170 and base 180 may be connected or secured together so that they can be removed, or may be a single integrated piece. Uses one or more attachment mechanisms such as, for example, bonding materials, welding, brazing, soldering, diffusion bonding, ultrasonic welding, laser welding, stamping, riveting, resistance welding, and / or sintering May be. In some embodiments, the bonding material may include an adhesive. Suitable adhesives include, for example, glues, epoxies, cyanoacrylates, thermoplastic sheets (eg, hot melted thermoplastic sheets), urethanes, anaerobic adhesives, UV curable adhesives, and other polymers. In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may be connected by a friction fit. For example, one or more seals between elements can cause sufficient friction between the elements when compressed to prevent unexpected sliding.

[033]一部の実施態様において、フレーム170およびベース180は、ファスナー、例えば、ねじ、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連結することができる。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を貫通していてもよいし、またはその外側に沿っていてもよく、電気化学セル100または複数の電気化学セル100をスタックして圧縮するときに、フレーム170およびベース180を一緒に圧縮するのに使用することができる。   [033] In some embodiments, the frame 170 and base 180 can be removably coupled using fasteners, such as screws, bolts, clips, or other similar mechanisms. In some embodiments, the compression rods and nuts may extend through the bipolar plates 150 and 160, or along the outside thereof, and stack the electrochemical cell 100 or a plurality of electrochemical cells 100. Can be used to compress the frame 170 and the base 180 together.

[034]一部の実施態様において、フレーム170およびベース180は、複数の異なる圧力ゾーンの画定を助けることができ、例えば複数のシールは、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ができる。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240、第2のシール250、および第3のシール260を包含していてもよい。第1のシール240は、第2のシール250内に全体が含有されていてもよく、第2のシール250は、第3のシール260内に全体が含有されていてもよい。このシールの配列(すなわち、一方が他方に含まれる)は、カスケードシール配置として分類することができる。カスケードシール配置は、数々の利点を提供することができる。例えば、カスケードシール配置は、多層の密封保護の形態でシールの重複を提供することによって、高圧水素が電気化学セル100から逃れる可能性を制限することができる。水素が漏れる可能性を低減することは、安全性およびエネルギー効率に利益をもたらすことができる。加えて、カスケードシール配置はまた、高圧ゾーンからより低い圧力のゾーンへ高い圧力を徐々に減らすことにより圧力を自己調節することも可能にする。   [034] In some embodiments, the frame 170 and the base 180 can help define a plurality of different pressure zones, eg, the plurality of seals can define one or more different pressure zones. Can do. FIG. 2 illustrates a plurality of different seals and pressure zones according to one embodiment. The plurality of seals may include a first seal 240, a second seal 250, and a third seal 260. The first seal 240 may be entirely contained within the second seal 250, and the second seal 250 may be entirely contained within the third seal 260. This arrangement of seals (ie, one included in the other) can be classified as a cascade seal arrangement. A cascade seal arrangement can provide a number of advantages. For example, a cascade seal arrangement can limit the likelihood of high pressure hydrogen escaping from the electrochemical cell 100 by providing seal overlap in the form of multi-layer seal protection. Reducing the likelihood of hydrogen leaking can benefit safety and energy efficiency. In addition, the cascade seal arrangement also allows the pressure to self-regulate by gradually reducing the high pressure from the high pressure zone to the lower pressure zone.

[035]第1のシール240、第2のシール250、および第3のシール260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および160の形状に対応していてもよい。第1のシール240は、高圧シールとして作用し、高圧ゾーン200の一部を画定することができ、高圧ゾーン200内に第1の流体212(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240は、少なくともフレーム170とベース180との間の高圧ゾーン200の外側境界を定めることができる。フレーム170およびベース180が連結されているとき、またはフレーム170およびベース180が1つの統合されたピースとして形成されているとき、高圧ゾーン200は、少なくとも1つのフロー構造(示されていない)、例えば空隙190を通って延在するカソードフロー構造およびアノードフロー構造を含有するように設計されていてもよい。   [035] The shape of the first seal 240, the second seal 250, and the third seal 260 may generally correspond to the shape of the bipolar plates 150 and 160, as shown in FIG. . The first seal 240 acts as a high pressure seal and can define a portion of the high pressure zone 200 and is designed to contain a first fluid 212 (eg, hydrogen) within the high pressure zone 200. Also good. The first seal 240 can at least define the outer boundary of the high pressure zone 200 between the frame 170 and the base 180. When the frame 170 and the base 180 are connected, or when the frame 170 and the base 180 are formed as one integrated piece, the high pressure zone 200 has at least one flow structure (not shown), for example It may be designed to contain a cathode flow structure and an anode flow structure extending through the void 190.

[036]第1の流体212、例えば水素などは、カソード120で形成されて高圧ゾーン200に累積してもよいし、フレーム170とベース180との間の連結部は、第1のシール240で密封されていてもよい。高圧ゾーン200内の水素は圧縮されてもよく、結果として、水素が形成され続けて高圧ゾーン200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200中の水素は、例えば、約10,000psigより大きい圧力、約15,000psigより大きい圧力、約20,000psigより大きい圧力、約25,000psigより大きい圧力、約30,000psigより大きい圧力、または約35,000psigより大きい圧力に圧縮されてもよい。   [036] A first fluid 212, such as hydrogen, may be formed at the cathode 120 and accumulate in the high pressure zone 200, and the connection between the frame 170 and the base 180 may be at the first seal 240. It may be sealed. The hydrogen in the high pressure zone 200 may be compressed, and as a result, the pressure can be increased as hydrogen continues to form and is collected in the high pressure zone 200. The hydrogen in the high pressure zone 200 may be, for example, a pressure greater than about 10,000 psig, a pressure greater than about 15,000 psig, a pressure greater than about 20,000 psig, a pressure greater than about 25,000 psig, a pressure greater than about 30,000 psig, Or it may be compressed to a pressure greater than about 35,000 psig.

[037]図2で示されるように、第1のシール240は、高圧ポート210の外周に延在するように設計されていてもよい。高圧ポート210は、高圧ゾーン200から第1の流体212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210は、マルチセル電気化学的圧縮機中で、隣接する電気化学セルの高圧ポートと流体連通していてもよい。高圧ポート210は、カソードフロー構造(示されていない)と流体連通していてもよく、このカソードフロー構造は、空隙190を通じて延在するベース180の上部に配置されていてもよい。   [037] As shown in FIG. 2, the first seal 240 may be designed to extend to the outer periphery of the high pressure port 210. The high pressure port 210 may be designed to supply or drain the first fluid 212 from the high pressure zone 200. The high pressure port 210 may be in fluid communication with the high pressure port of an adjacent electrochemical cell in a multi-cell electrochemical compressor. High pressure port 210 may be in fluid communication with a cathode flow structure (not shown), which may be disposed on top of base 180 that extends through void 190.

[038]一部の実施態様において、第2のシール250は、中圧ゾーン202の外周を画定することができる。中圧ゾーン202は、第1のシール240、第2のシール250、フレーム170、およびベース180によって境界を定めることができる。図2で示されるように、中圧ゾーン202は、第1のシール240で隔てられた高圧ゾーン200の円周の周りに延在していてもよい。中圧ゾーン202は、第2の流体214を含有するように設計されていてもよい。中圧ゾーン202の断面積および体積は、フレーム170、ベース180、第1のシール240、および第2のシール250の幾何学的配置に基づいて様々であり得る。中圧ゾーン202は、1つまたはそれより多くの中圧ポート220をさらに包含していてもよく、それらと流体連通していてもよい。中圧ポート220は、中圧ゾーン202内に含有される第2の流体214を排出するように設計されていてもよい。中圧ポート220は、アノードフロー構造(示されていない)と流体連通していてもよく、アノードフロー構造は、空隙190を通じて延在するカソードフロー構造の上部に配置されていてもよい。   [038] In some implementations, the second seal 250 can define the outer periphery of the intermediate pressure zone 202. The intermediate pressure zone 202 can be bounded by the first seal 240, the second seal 250, the frame 170, and the base 180. As shown in FIG. 2, the intermediate pressure zone 202 may extend around the circumference of the high pressure zone 200 separated by the first seal 240. The intermediate pressure zone 202 may be designed to contain the second fluid 214. The cross-sectional area and volume of the intermediate pressure zone 202 can vary based on the geometry of the frame 170, base 180, first seal 240, and second seal 250. Intermediate pressure zone 202 may further include one or more intermediate pressure ports 220 and may be in fluid communication therewith. The intermediate pressure port 220 may be designed to drain the second fluid 214 contained within the intermediate pressure zone 202. The intermediate pressure port 220 may be in fluid communication with an anode flow structure (not shown), and the anode flow structure may be disposed on top of the cathode flow structure that extends through the gap 190.

[039]中圧ポート220の形状および数は、様々であってもよい。例えば、中圧ポート220は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、卵形、または他の形状であってもよい。中圧ポート220の数は、1個から25個までの間で変動してもよいし、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220は、バイポーラプレート160のフレーム170およびベース180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220は、中圧ゾーン202の全円周に延在していてもよい。   [039] The shape and number of intermediate pressure ports 220 may vary. For example, the medium pressure port 220 may be square, rectangular, triangular, polygonal, circular, oval, or other shape. The number of intermediate pressure ports 220 may vary between 1 and 25, or more. As shown in FIG. 2, the intermediate pressure ports 220 may be evenly distributed along the length of the frame 170 and base 180 of the bipolar plate 160. In some embodiments, the intermediate pressure port 220 may extend around the entire circumference of the intermediate pressure zone 202.

[040]一部の実施態様において、中圧ポート220を介して排出された第2の流体212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220を介して排出された第2の流体214は、収集され再利用されてもよい。中圧ゾーン202中の第2の流体214は、一般的に、高圧ゾーン200中の第1の流体212より低い圧力を有し得る。   [040] In some embodiments, the second fluid 212 discharged via the intermediate pressure port 220 may be re-supplied to the electrochemical cell 100. In some embodiments, the second fluid 214 discharged via the medium pressure port 220 may be collected and reused. The second fluid 214 in the intermediate pressure zone 202 may generally have a lower pressure than the first fluid 212 in the high pressure zone 200.

[041]一部の実施態様において、第3のシール260は、低圧ゾーン204を画定することができ、低圧ゾーン204内に第3の流体216を含有するように設計されていてもよい。低圧ゾーン204は、第2のシール250、第3のシール260、フレーム170、およびベース180によって境界を定めることができる。図2で示されるように、低圧ゾーン204は、第2のシール250で隔てられた中圧ゾーン202の円周の周りに延在していてもよい。低圧ゾーン204の断面積および体積は、フレーム170、ベース180、第2のシール250、および第3のシール260の幾何学的配置に基づいて様々であり得る。低圧ゾーン204は、1つまたはそれより多くの低圧ポート230をさらに包含していてもよく、それらと流体連通していてもよい。低圧ポート230は、低圧ゾーン204内に収集および/または含有される第3の流体216を排出する。   [041] In some embodiments, the third seal 260 can define the low pressure zone 204 and may be designed to contain the third fluid 216 within the low pressure zone 204. The low pressure zone 204 can be bounded by the second seal 250, the third seal 260, the frame 170, and the base 180. As shown in FIG. 2, the low pressure zone 204 may extend around the circumference of the intermediate pressure zone 202 separated by the second seal 250. The cross-sectional area and volume of the low pressure zone 204 can vary based on the geometry of the frame 170, base 180, second seal 250, and third seal 260. The low pressure zone 204 may further include one or more low pressure ports 230 and may be in fluid communication therewith. The low pressure port 230 discharges the third fluid 216 collected and / or contained within the low pressure zone 204.

[042]低圧ポート230の形状および数は、様々であってもよい。例えば、低圧ポート230は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、卵形、または他の形状であってもよい。低圧ポート230の数は、例えば1個から50個までまでの間で変動してもよいし、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230は、第2のシール250と第3のシール260との間に間隔を開けて存在していてもよいし、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、低圧ポート230は、低圧ゾーン204の全円周に延在していてもよい。   [042] The shape and number of low pressure ports 230 may vary. For example, the low pressure port 230 may be square, rectangular, triangular, polygonal, circular, oval, or other shape. The number of low pressure ports 230 may vary, for example, between 1 and 50, or more. As shown in FIG. 2, the low pressure port 230 may be spaced between the second seal 250 and the third seal 260, and may be uniform along the length of the bipolar plate 160. May be distributed. In some embodiments, the low pressure port 230 may extend around the entire circumference of the low pressure zone 204.

[043]一部の実施態様において、低圧ポート230を介して排出された第3の流体216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230を介して排出された第3の流体216は、収集され再利用されてもよい。低圧ゾーン204中の第3の流体216は、一般的に、高圧ゾーン200中の第1の流体212および中圧ゾーン202中の第2の流体214より低い圧力を有し得る。   [043] In some embodiments, the third fluid 216 discharged via the low pressure port 230 may be re-supplied to the electrochemical cell 100. In some embodiments, the third fluid 216 discharged via the low pressure port 230 may be collected and reused. The third fluid 216 in the low pressure zone 204 may generally have a lower pressure than the first fluid 212 in the high pressure zone 200 and the second fluid 214 in the intermediate pressure zone 202.

[044]例示的な実施態様によれば、第1のシール240、第2のシール250、および第3のシール260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200、中圧ゾーン202、および低圧ゾーン204)を密封し、約15,000psigを超過する圧力、約20,000psigを超過する圧力、約25,000psigを超過する圧力、約30,000psigを超過する圧力、約35,000psigを超過する圧力、約40,000psigを超過する圧力、または約40,000psigを超過する圧力に、長期にわたり(例えば、10年より長く)耐え、多くの圧力サイクル(例えば、1,000サイクルより多く)に耐えることが可能な、シール要素のアセンブリの一部であり得る。例えば、第1のシール240は、約25,000psigから約40,000psigの範囲の圧力を有する高圧ゾーン200を密封することが可能であり、第2のシール250は、約0psigから約3,000psigの範囲の圧力を有する中圧ゾーン202を密封することが可能であり、第3のシール260は、約0psigから約20psigの範囲の圧力を有する低圧ゾーン204を密封することが可能である。   [044] According to an exemplary embodiment, the first seal 240, the second seal 250, and the third seal 260 are different pressure zones of the bipolar plate 160 (eg, high pressure zone 200, intermediate pressure zone 202). , And low pressure zone 204), a pressure exceeding about 15,000 psig, a pressure exceeding about 20,000 psig, a pressure exceeding about 25,000 psig, a pressure exceeding about 30,000 psig, about 35,000 psig Withstand pressures greater than about 40,000 psig, or pressures greater than about 40,000 psig for extended periods of time (eg, greater than 10 years) and many pressure cycles (eg, greater than 1,000 cycles) ) Can be part of the assembly of sealing elements. For example, the first seal 240 can seal the high pressure zone 200 having a pressure in the range of about 25,000 psig to about 40,000 psig, and the second seal 250 can be about 0 psig to about 3,000 psig. The intermediate pressure zone 202 having a pressure in the range of 3 can be sealed, and the third seal 260 can seal the low pressure zone 204 having a pressure in the range of about 0 psig to about 20 psig.

[045]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、2つのみの圧力ゾーンが形成されるように設計されてもよい。例えば、バイポーラプレート150および160は、第1のシール240および第3のシール260だけで高圧ゾーン200および低圧ゾーン204を形成するように設計されてもよく、それによって第2のシール250および中圧ゾーン202をなくすることができる。一部の実施態様において、バイポーラプレート150および160は、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てもよいことも予期される。例えば、第4のシールを追加することによって第4の圧力ゾーンが形成されていてもよい。   [045] In some embodiments, bipolar plates 150 and 160 may be designed such that only two pressure zones are formed. For example, bipolar plates 150 and 160 may be designed to form high pressure zone 200 and low pressure zone 204 with only first seal 240 and third seal 260, thereby providing second seal 250 and medium pressure. The zone 202 can be eliminated. It is also anticipated that in some embodiments, bipolar plates 150 and 160 may be designed such that more than three pressure zones are formed. For example, a fourth pressure zone may be formed by adding a fourth seal.

[046]従来、フレーム170とベース180との間に作り出された高圧ゾーン200、中圧ゾーン202、および/または低圧ゾーン204を密封するために、さらに高圧ポート210を密封するために、第1のシール240、第2のシール250、および/または第3のシール260には、エラストマーシール(例えば、O−リング)が使用される。エラストマーはしばしば、高圧システムにおいて信頼性の問題がある。エラストマーシールは、電気化学セルの強健さや許容性を低くすることに加えて、ダイカット、手作業での設置、オーバーモールド、またはx−yテーブルを使用した堆積のいずれかを行い、次いで硬化する必要がある。さらにエラストマーシールは、フレーム170またはベース180のいずれかが表面上にグランド(gland)または溝を有することを必要とする場合もある。エラストマーシールは、溝に接合させることができるが、それらは、製作、組立ておよび/または作動中にその場からずれる可能性がある。エラストマーシールによって引き起こされる低い信頼性および製作プロセスの複雑さのために、一部の実施態様において、フレーム170とベース180との間に形成された圧力ゾーンの少なくとも1つを密封するために、ポリマーシールを有利に使用することができる。   [046] In order to seal the high pressure zone 200, the intermediate pressure zone 202, and / or the low pressure zone 204 that are conventionally created between the frame 170 and the base 180, and further to seal the high pressure port 210, the first An elastomer seal (eg, an O-ring) is used for the second seal 240, the second seal 250, and / or the third seal 260. Elastomers often have reliability issues in high pressure systems. Elastomeric seals must be either die cut, manually installed, overmolded, or deposited using an xy table and then cured in addition to reducing the robustness and acceptability of the electrochemical cell There is. In addition, the elastomeric seal may require that either the frame 170 or the base 180 have a gland or groove on the surface. Elastomeric seals can be joined to the grooves, but they can be displaced in situ during fabrication, assembly and / or operation. Due to the low reliability caused by the elastomeric seal and the complexity of the fabrication process, in some embodiments a polymer is used to seal at least one of the pressure zones formed between the frame 170 and the base 180. Seals can be used advantageously.

[047]ポリマーシールは、様々な技術、例えばラミネート、スプレーコーティング、または浸漬被覆によって、フレーム170および/またはベース180に適用することができる。ポリマーシールを利用することは、バイポーラプレート150、160の複雑さを低減させることができる。例えば、フレーム170および/またはベース180の表面上のグランドまたは溝をなくすことができる。グランドまたは溝をなくすことは、フレーム170および/またはベース180をより薄くし、必要な機械加工および/または製造の量を低減し、フレーム170とベース180との間の密封表面の面積を増加させることを可能にし、それによりフレーム170および/またはベース180が耐える必要がある圧縮圧力を低減することができる。別の例の場合、ポリマーシールを使用することは、フレーム170およびベース180を1つの統合されたピースとして形成することを可能にし、それによりバイポーラプレート150、160の厚さをさらに低減することができる。加えて、ラミネートまたはスプレーコーティングされたポリマーシールは、フレーム170および/またはベース180にしっかりと接合させることができ、したがって、その場にしっかりと保持させることができる。ポリマーシールは、バイポーラプレート150および160の機械加工をより少なくすることによるより低い製作コスト、より低い適用コスト、およびバイポーラプレート150および160の材料の低減を可能にする。   [047] The polymer seal can be applied to the frame 170 and / or the base 180 by a variety of techniques, such as lamination, spray coating, or dip coating. Utilizing a polymer seal can reduce the complexity of the bipolar plates 150,160. For example, grounds or grooves on the surface of the frame 170 and / or the base 180 can be eliminated. Eliminating the gland or groove makes frame 170 and / or base 180 thinner, reduces the amount of machining and / or manufacturing required, and increases the area of the sealing surface between frame 170 and base 180. The compression pressure that the frame 170 and / or the base 180 needs to withstand can be reduced. In another example, using a polymer seal may allow the frame 170 and base 180 to be formed as one integrated piece, thereby further reducing the thickness of the bipolar plates 150, 160. it can. In addition, the laminated or spray-coated polymer seal can be securely bonded to the frame 170 and / or the base 180 and thus can be held securely in place. The polymer seal allows for lower fabrication costs, lower application costs, and reduced material for the bipolar plates 150 and 160 by less machining the bipolar plates 150 and 160.

[048]図3で示されるように、ポリマーシール175は、例えば、フレーム170および/またはベース180の一方または両方の表面上にラミネートまたはコーティングされていてもよい。圧縮荷重がフレーム170およびベース180に適用されると、ポリマーシール175は、変形して、高圧ゾーン200、中圧ゾーン202、および/または低圧ゾーン204を密封することができる。ポリマーシール175は、例えば、第1の流体212を高圧ゾーン200内に含有させること、第2の流体214を中圧ゾーン202内に含有させること、および/または第3の流体216を低圧ゾーン204内に含有させることに役立つように設計されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、フレーム170および/またはベース180の表面領域の一部または全てをカバーしていてもよい。ポリマーシール175は、フレーム170とベース180との間の圧縮された領域にわたり延在するシール表面を有していてもよいし、高圧ゾーン200、中圧ゾーン202、および/または低圧ゾーン204の円周の周りに延在していてもよい、
[049]一部の実施態様において、ポリマーシール175は、第1のシール240、第2のシール250、および/または第3のシール260の代わりに使用することができる。例えば、図4で示されるように、ポリマーシール175は、高圧ゾーン200を密封する第1のシール240、ならびに中圧ゾーン202および低圧ゾーン204を密封するポリマーシール175と共に使用することができる。一部の実施態様において、1つまたはそれより多くのチャネルが、中圧ポート220と高圧ゾーン200の間に形成されていてもよく、それにより中圧ポート220が、第1のシール240、高圧ゾーン200、および/またはアノードフロー構造(示されていない)と流体連通することを可能にする。ポリマーシール175はまた、1つまたはそれより多くのチャネル178を包含していてもよく、それにより中圧ポート220が高圧ゾーン200と流体連通することを可能にする。
[048] As shown in FIG. 3, the polymer seal 175 may be laminated or coated, for example, on one or both surfaces of the frame 170 and / or the base 180. When compressive load is applied to the frame 170 and base 180, the polymer seal 175 can deform to seal the high pressure zone 200, the intermediate pressure zone 202, and / or the low pressure zone 204. The polymer seal 175 may include, for example, containing the first fluid 212 in the high pressure zone 200, containing the second fluid 214 in the intermediate pressure zone 202, and / or containing the third fluid 216 in the low pressure zone 204. It may be designed to help contain within. In some embodiments, the polymer seal 175 may cover some or all of the surface area of the frame 170 and / or the base 180. The polymer seal 175 may have a seal surface that extends over a compressed region between the frame 170 and the base 180, and may be a circle of the high pressure zone 200, the intermediate pressure zone 202, and / or the low pressure zone 204. May extend around the circumference,
[049] In some embodiments, the polymer seal 175 can be used in place of the first seal 240, the second seal 250, and / or the third seal 260. For example, as shown in FIG. 4, the polymer seal 175 can be used with a first seal 240 that seals the high pressure zone 200 and a polymer seal 175 that seals the intermediate pressure zone 202 and the low pressure zone 204. In some embodiments, one or more channels may be formed between the intermediate pressure port 220 and the high pressure zone 200 such that the intermediate pressure port 220 is connected to the first seal 240, high pressure. Allows fluid communication with the zone 200 and / or the anode flow structure (not shown). The polymer seal 175 may also include one or more channels 178, thereby allowing the intermediate pressure port 220 to be in fluid communication with the high pressure zone 200.

[050]一部の実施態様において、ポリマーシール175は、異なる圧力ゾーンを密封し、約15,000psigを超過する圧力、約20,000psigを超過する圧力、約25,000psigを超過する圧力、約30,000psigを超過する圧力、約35,000psigを超過する圧力、または約40,000psigを超過する圧力に、長期にわたり(例えば、10年より長く)耐え、多くの圧力サイクル(例えば、1,000サイクルより多く)に耐えることが可能である。例えば、ポリマーシール175は、約25,000psigから約40,000psigの範囲の圧力を有する高圧ゾーン200を密封すること、約0psigから約3,000psigの範囲の圧力を有する中圧ゾーン202を密封すること、および/または約0psigから約20psigの範囲の圧力を有する低圧ゾーン204を密封することが可能である。これは、カソード120で形成された反応物または燃料、例えば水素などを例えば高圧ゾーン200中で高度に圧縮することを可能にする。   [050] In some embodiments, the polymer seal 175 seals the different pressure zones and has a pressure greater than about 15,000 psig, a pressure greater than about 20,000 psig, a pressure greater than about 25,000 psig, Withstand pressures greater than 30,000 psig, pressures greater than about 35,000 psig, or pressures greater than about 40,000 psig for long periods (eg, greater than 10 years) and many pressure cycles (eg, 1,000 More than a cycle). For example, the polymer seal 175 seals the high pressure zone 200 having a pressure in the range of about 25,000 psig to about 40,000 psig, and seals the intermediate pressure zone 202 having a pressure in the range of about 0 psig to about 3,000 psig. And / or the low pressure zone 204 having a pressure in the range of about 0 psig to about 20 psig can be sealed. This allows the reactant or fuel formed at the cathode 120, such as hydrogen, to be highly compressed, for example, in the high pressure zone 200.

[051]形状、厚さ、および幅などのポリマーシール175の寸法は、様々であってもよく、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。ポリマーシール175の厚さは、例えば、約0.01mmから約0.025mm、約0.025mmから約0.05mm、約0.05mmから約0.1mm、約0.1mmから約0.2mm、約0.2mmから約0.3mm、約0.025mmから約0.1mm、約0.025mmから約0.2mm、約0.025mmから約0.254mm、約0.025mmから約0.3mm、約0.05mmから約0.1mm、約0.05mmから約0.2mm、約0.05mmから約0.3mm、約0.1mmから約0.2mm、または約0.1mmから約0.3mmの範囲であってもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、フレーム170とベース180との間に挟まれた別個の薄いポリマーフィルムであってもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、フレーム170もしくはベース180のいずれかの上に、またはフレーム170およびベース180の両方の上に、コーティングまたはラミネートすることができる。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、ベース180に面するフレーム170の表面および/またはフレーム170に面するベース180の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、隣接するセルのベース180に面するフレーム170の表面に適用されてもよいし、および/または隣接するセルのフレーム170に面するベース180の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、フレーム170および/またはベース180の表面の両方に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175の厚さの範囲がフレーム170の厚さの範囲と実質的に同じになるように、フレーム170は、ポリマーシール175の材料で形成されていてもよい。   [051] The dimensions of polymer seal 175, such as shape, thickness, and width, may vary and may be based on the dimensions of electrochemical cell 100 and bipolar plate 160. The thickness of the polymer seal 175 is, for example, from about 0.01 mm to about 0.025 mm, from about 0.025 mm to about 0.05 mm, from about 0.05 mm to about 0.1 mm, from about 0.1 mm to about 0.2 mm, About 0.2 mm to about 0.3 mm, about 0.025 mm to about 0.1 mm, about 0.025 mm to about 0.2 mm, about 0.025 mm to about 0.254 mm, about 0.025 mm to about 0.3 mm, About 0.05 mm to about 0.1 mm, about 0.05 mm to about 0.2 mm, about 0.05 mm to about 0.3 mm, about 0.1 mm to about 0.2 mm, or about 0.1 mm to about 0.3 mm It may be a range. In some embodiments, the polymer seal 175 may be a separate thin polymer film sandwiched between the frame 170 and the base 180. In some embodiments, the polymer seal 175 can be coated or laminated on either the frame 170 or the base 180 or on both the frame 170 and the base 180. In some embodiments, the polymer seal 175 may be applied to the surface of the frame 170 facing the base 180 and / or the surface of the base 180 facing the frame 170. In some embodiments, the polymer seal 175 may be applied to the surface of the frame 170 facing the base 180 of the adjacent cell and / or on the surface of the base 180 facing the frame 170 of the adjacent cell. May be applied. In some embodiments, the polymer seal 175 may be applied to both the frame 170 and / or the surface of the base 180. In some embodiments, the frame 170 may be formed of the material of the polymer seal 175 such that the thickness range of the polymer seal 175 is substantially the same as the thickness range of the frame 170.

[052]一部の実施態様において、第1のシール240、第2のシール250、および/または第3のシール260は、本明細書に記載されるようなポリマーシール175で作製されていてもよいし、またはそれで置き換えられてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175は、第1のシール240、第2のシール250、および/または第3のシール260と共に使用することができる。一部の実施態様において、ポリマーシール175、第1のシール240、第2のシール250、および/または第3のシール260は、これらに限定されないが、Teflon(商標)、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(PC)、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料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ものであり得る。一部の実施態様において、フレーム170および/またはベース180は、シールに役立つように設計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。   [052] In some embodiments, the first seal 240, the second seal 250, and / or the third seal 260 may be made of a polymer seal 175 as described herein. May be replaced by it. In some embodiments, the polymer seal 175 can be used with the first seal 240, the second seal 250, and / or the third seal 260. In some embodiments, the polymer seal 175, the first seal 240, the second seal 250, and / or the third seal 260 are, but are not limited to, Teflon ™, Torlon®, It may be made of a polymer sealing material such as polyetheretherketone (PEEK), polyethyleneimine (PEI), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyimide, and polysulfone. The polymeric material may be acid resistant and may not leach out materials that are detrimental to the operation of the electrochemical cell 100. In some embodiments, the frame 170 and / or base 180 may be coated with an adhesive designed to aid in sealing. The adhesive may be, for example, an adhesive that is activated by pressure or heat.

[053]バイポーラプレート160を組み立てるときに、フレーム170およびベース180(図4には示されていない)を連結することができ、圧縮圧力を、フレーム170、ベース180、ならびにフレーム170および/またはベース180に適用されたポリマーシール175に適用することができる。一部の実施態様において、適用される最小の圧縮圧力は、ポリマーシール175の材料を変形させることによって密封表面を作り出すことができるように、ポリマーシール175の材料の降伏強度より大きくてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール175が適用されるフレーム170および/またはベース180の表面が実質的にポリッシングされており、密封表面を作り出すことができる場合、適用される最小の圧縮圧力は、必ずしもポリマーシール175の材料の降伏強度より大きくなくてもよい。密封表面は、フレーム170および/またはベース180の圧縮された領域で形成されていてもよい。以下の説明ではフレーム170について述べられるが、このような開示は、ベース180にも同等に適用可能である。   [053] When assembling the bipolar plate 160, the frame 170 and the base 180 (not shown in FIG. 4) can be coupled, and the compression pressure is applied to the frame 170, the base 180, and the frame 170 and / or the base. Applicable to polymer seal 175 applied to 180. In some embodiments, the minimum compression pressure applied may be greater than the yield strength of the polymer seal 175 material so that a sealing surface can be created by deforming the polymer seal 175 material. In some embodiments, if the surface of the frame 170 and / or base 180 to which the polymer seal 175 is applied is substantially polished to create a sealing surface, the minimum compression pressure applied is It does not necessarily have to be larger than the yield strength of the material of the polymer seal 175. The sealing surface may be formed from a compressed region of the frame 170 and / or the base 180. Although the following description refers to frame 170, such disclosure is equally applicable to base 180.

[054]図4で示されるように、例えば、フレーム170の圧縮された領域は、フレーム170の上面にわたり延在していてもよい。一部の実施態様において、フレーム170は、第1の端部171、第2の端部172、およびそれらの間に延在する細長い本体173を含む細長い形状を有していてもよい。一部の実施態様において、図4で示されるように、フレーム170の第1の端部171および第2の端部172は、細長い本体173と比較してより幅広な領域を有していてもよく、フレーム170の細長い本体173に沿った圧縮された領域は、フレーム170の第1の端部171および第2の端部172における圧縮された領域より狭いかまたはより小さくてもよい。圧縮荷重がフレーム170の圧縮された領域に適用されると、フレーム170の第1の端部171および第2の端部172における圧縮された領域は、接触面積における差により、フレーム170の細長い本体173に沿った圧縮された領域より小さい圧縮圧力を受ける可能性がある。このような状況は、フレーム170およびポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたり、不均一な圧縮圧力をもたらす可能性がある。これは、密封表面に沿ったどこかの場所、例えば圧縮圧力がより低い可能性があったり、一部の状況では、最小の圧縮圧力を満たさない可能性がある第1の端部171および第2の端部172に近い場所などで流体の漏れを引き起こす可能性がある。   [054] As shown in FIG. 4, for example, the compressed region of the frame 170 may extend across the top surface of the frame 170. In some implementations, the frame 170 may have an elongated shape that includes a first end 171, a second end 172, and an elongated body 173 extending therebetween. In some embodiments, as shown in FIG. 4, the first end 171 and the second end 172 of the frame 170 may have a wider area compared to the elongated body 173. In general, the compressed area along the elongated body 173 of the frame 170 may be narrower or smaller than the compressed area at the first end 171 and the second end 172 of the frame 170. When a compressive load is applied to the compressed region of the frame 170, the compressed region at the first end 171 and the second end 172 of the frame 170 may become elongated due to the difference in contact area. It is possible to experience a compression pressure that is less than the compressed area along 173. Such a situation can result in non-uniform compression pressure across the compressed areas of the sealing surfaces of the frame 170 and the polymer seal 175. This is because somewhere along the sealing surface, for example, the first end 171 and the first end 171 and the compression pressure may be lower, or in some situations may not meet the minimum compression pressure. There is a possibility of causing fluid leakage in a place close to the second end 172.

[055]図5は、不均一な圧縮圧力が、フレーム170およびポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域に適用される場合の例を示す。圧縮圧力の規模は、斜線の密度で示される。図5で示されるように、フレーム170の第2の端部172における適用される圧縮圧力は、フレーム170の細長い本体173に適用される圧縮圧力より小さい。この実施例において、フレーム170の細長い本体173に沿った圧縮された領域に最小の圧縮圧力が適用される場合、最小の圧縮圧力より小さい圧縮圧力が、フレーム170の第2の端部172における圧縮された領域に適用される可能性があり、これは、例えば、高圧ゾーン200から中圧ゾーン202への流体の漏れ、中圧ゾーン202から低圧ゾーン204へのもしくはバイポーラプレートの外部への漏れ、および/または低圧ゾーン204からバイポーラプレートの外部への漏れの潜在的リスクをもたらす。あるいは、フレーム170の第2の端部172における圧縮された領域に適用される圧縮圧力が、最小の圧縮圧力に等しいかまたはそれより十分高い場合、フレーム170の細長い本体173に沿った圧縮された領域に適用される圧縮圧力は、フレーム170の材料が耐え得る最大の圧縮圧力を実質的に超える可能性があり、そのため、過剰な圧縮圧力に順応するために、フレーム170のより多くの設計上の必要条件および/または念入りな設計を要することになり得る。   [055] FIG. 5 shows an example where non-uniform compression pressure is applied to the compressed areas of the sealing surfaces of the frame 170 and the polymer seal 175. FIG. The magnitude of the compression pressure is indicated by the hatched density. As shown in FIG. 5, the compression pressure applied at the second end 172 of the frame 170 is less than the compression pressure applied to the elongated body 173 of the frame 170. In this embodiment, if a minimum compression pressure is applied to the compressed area along the elongated body 173 of the frame 170, a compression pressure that is less than the minimum compression pressure is compressed at the second end 172 of the frame 170. This may be applied to a region that is, for example, a fluid leak from the high pressure zone 200 to the medium pressure zone 202, a leak from the medium pressure zone 202 to the low pressure zone 204 or outside the bipolar plate, And / or introduces a potential risk of leakage from the low pressure zone 204 to the exterior of the bipolar plate. Alternatively, if the compression pressure applied to the compressed region at the second end 172 of the frame 170 is equal to or sufficiently higher than the minimum compression pressure, the compressed along the elongated body 173 of the frame 170 The compression pressure applied to the region may substantially exceed the maximum compression pressure that the material of the frame 170 can withstand, and so more design of the frame 170 to accommodate the excess compression pressure. Requirements and / or careful design may be required.

[056]フレーム170および/またはベース180ならびにポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域に適用される圧縮圧力の均一性を高めるために、フレーム170および/またはベース180は、フォースコンセントレーターパターン(force concentrator pattern)300を画定することができる。図6で示されるように、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170および/またはベース180の上面および/または底面から隆起している表面であり得る。例えば、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の上面の化学エッチングまたは機械加工によって作製することができる。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170および/またはベース180の表面のプロファイルがフォースコンセントレーターパターン300と実質的に同じになるように、フレーム170および/またはベース180を機械加工して、フレーム170および/またはベース180の材料を除去することによって作製することができる。例えば、第1の端部171および第2の端部172に近いフレーム170の一部の材料を除去するかまたはエッチングで取り去って、フォースコンセントレーターパターン300を作製することができる。以下の説明では隆起した表面としてフォースコンセントレーターパターン300について述べられるが、このような開示は、フレーム170および/またはベース180のプロファイルと実質的に同じフォースコンセントレーターパターン300にも同等に適用可能である。   [056] In order to increase the uniformity of the compression pressure applied to the compressed area of the sealing surface of the frame 170 and / or base 180 and the polymer seal 175, the frame 170 and / or base 180 may be a force concentrator pattern ( force concentrator pattern) 300 can be defined. As shown in FIG. 6, the force concentrator pattern 300 may be a surface that protrudes from the top and / or bottom of the frame 170 and / or the base 180. For example, the force concentrator pattern 300 can be produced by chemical etching or machining of the upper surface of the frame 170. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 can be used to machine the frame 170 and / or the base 180 such that the surface profile of the frame 170 and / or the base 180 is substantially the same as the force concentrator pattern 300. It can be fabricated by processing to remove the material of the frame 170 and / or the base 180. For example, the force concentrator pattern 300 can be created by removing or etching away a portion of the material of the frame 170 near the first end 171 and the second end 172. Although the following description describes force concentrator pattern 300 as a raised surface, such disclosure is equally applicable to force concentrator pattern 300 that is substantially the same as the profile of frame 170 and / or base 180. is there.

[057]図7で示されるように、例えば、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の上面より高い隆起した表面300’とも記載することができる。このような実施態様において、ポリマーシール175は、フォースコンセントレーターパターン300上にラミネートまたはコーティングされていてもよい。このような実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、ポリマーシール175によって形成されていてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300の厚さは、例えば、約0.01mmから約0.025mm、約0.025mmから約0.05mm、約0.05mmから約0.1mm、約0.1mmから約0.2mm、約0.2mmから約0.3mm、約0.025mmから約0.1mm、約0.025mmから約0.2mm、約0.025mmから約0.254mm、約0.025mmから約0.3mm、約0.05mmから約0.1mm、約0.05mmから約0.2mm、約0.05mmから約0.3mm、約0.1mmから約0.2mm、または約0.1mmから約0.3mmであってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170もしくはベース180のいずれかの上にあってもよいし、またはフレーム170およびベース180の両方の上にあってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、ベース180に面するフレーム170の表面および/またはフレーム170に面するベース180の表面上にあってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、隣接するセルのベース180に面するフレーム170の表面上にあってもよいし、および/または隣接するセルのフレーム170に面するベース180の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170および/またはベース180の表面の両方であってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300の厚さは、フレーム170および/またはベース180の厚さと実質的に同じであってもよい。   [057] As shown in FIG. 7, for example, the force concentrator pattern 300 may also be described as a raised surface 300 ′ that is higher than the top surface of the frame 170. In such an embodiment, the polymer seal 175 may be laminated or coated on the force concentrator pattern 300. In such an embodiment, the force concentrator pattern 300 may be formed by a polymer seal 175. In some embodiments, the thickness of the force concentrator pattern 300 is, for example, from about 0.01 mm to about 0.025 mm, from about 0.025 mm to about 0.05 mm, from about 0.05 mm to about 0.1 mm, about 0.1 mm to about 0.2 mm, about 0.2 mm to about 0.3 mm, about 0.025 mm to about 0.1 mm, about 0.025 mm to about 0.2 mm, about 0.025 mm to about 0.254 mm, about 0.025 mm to about 0.3 mm, about 0.05 mm to about 0.1 mm, about 0.05 mm to about 0.2 mm, about 0.05 mm to about 0.3 mm, about 0.1 mm to about 0.2 mm, or It may be about 0.1 mm to about 0.3 mm. In some implementations, the force concentrator pattern 300 may be on either the frame 170 or the base 180, or on both the frame 170 and the base 180. In some implementations, the force concentrator pattern 300 may be on the surface of the frame 170 facing the base 180 and / or on the surface of the base 180 facing the frame 170. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be on the surface of the frame 170 facing the base 180 of an adjacent cell and / or of the base 180 facing the frame 170 of an adjacent cell. It may be applied to the surface. In some implementations, the force concentrator pattern 300 may be both the frame 170 and / or the surface of the base 180. In some implementations, the thickness of the force concentrator pattern 300 may be substantially the same as the thickness of the frame 170 and / or the base 180.

[058]図6および図7で示されるように、一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の細長い本体173にわたり、さらに、部分的に第1の端部171および/またはフレーム170の第2の端部172にわたり延在していてもよい。フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170にわたる、例えばフレーム170の長さにわたる圧縮された領域が概ねまたは全体的に連続または均一になるように、設計されていてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、高圧ゾーン200からフレーム170の外側の縁へと延在していてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の細長い本体173の幅より狭くてもよい。例えば、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の内側の縁からフレーム170の外側の縁へと延在していてもよいし、またはそうでなくてもよい。一部の実施態様において、フレーム170の圧縮された領域、フォースコンセントレーターパターン300の表面領域、およびポリマーシール175の密封表面の表面領域は、実質的に同じであってもよい。フォースコンセントレーターパターン300の設計により、フレーム170およびポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたり、圧縮圧力を全体的に均一または一定にすることが可能である。一部の実施態様において、例えば第1の端部171および/または第2の端部172中におけるフォースコンセントレーターパターン300の表面積を減少させることは、フレーム170およびポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたる圧縮圧力の均一性または平坦さを増加させることができる。   [058] As shown in FIGS. 6 and 7, in some embodiments, the force concentrator pattern 300 spans the elongate body 173 of the frame 170 and further partially includes the first end 171 and / or It may extend across the second end 172 of the frame 170. The force concentrator pattern 300 may be designed such that the compressed area across the frame 170, eg, the length of the frame 170, is generally or entirely continuous or uniform. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may extend from the high pressure zone 200 to the outer edge of the frame 170. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be narrower than the width of the elongated body 173 of the frame 170. For example, the force concentrator pattern 300 may or may not extend from the inner edge of the frame 170 to the outer edge of the frame 170. In some embodiments, the compressed area of the frame 170, the surface area of the force concentrator pattern 300, and the surface area of the sealing surface of the polymer seal 175 may be substantially the same. The design of the force concentrator pattern 300 allows the compression pressure to be generally uniform or constant across the compressed regions of the sealing surfaces of the frame 170 and the polymer seal 175. In some embodiments, reducing the surface area of the force concentrator pattern 300, for example in the first end 171 and / or the second end 172, compresses the sealing surfaces of the frame 170 and the polymer seal 175. The uniformity or flatness of the compression pressure across the region can be increased.

[059]図8は、フレーム170がフォースコンセントレーションパターン300を有するバイポーラプレート160の例示的な実施態様を示す。圧縮荷重がフレーム170および/またはベース180に適用されているとき、適用される圧縮圧力は、フレーム170のフォースコンセントレーターパターン300、フレーム170および/またはポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたり、全体的に均一に分布されていてもよい。フレーム170の長さにわたる圧縮された領域は、約2cm/cmから約4cm/cm、約2cm/cmから約6cm/cm、約2cm/cmから約8cm/cm、約2cm/cmから約10cm/cm、約4cm/cmから約6cm/cm、約4cm/cmから約8cm/cm、約4cm/cmから約10cm/cm、約5cm/cmから約7cm/cm、約6cm/cmから約8cm/cm、約6cm/cmから約10cm/cmの範囲であり得る。一部の実施態様において、中間ポート220および/または低圧ポート230の間の繰り返しの距離は、約1cmから約3cmの範囲であり得る。一部の実施態様において、フレーム170および/またはベース180の長さは、約15cmから約30cm、約15cmから約50cm、約15cmから約80cm、約15cmから約100cm、約30cmから約50cm、約30cmから約80cm、約30cmから約100cm、約50cmから約80cm、約50cmから約100cm、または約80cmから約100cmの範囲であり得る。一部の実施態様において、フレーム170および/またはベース180の幅は、約5cmから約10cm、約10cmから約20cm、約20cmから約30cm、約5cmから約20cm、約5cmから約30cm、約10cmから約30cm、または約20cmから約30cmの範囲であり得る。 FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a bipolar plate 160 in which the frame 170 has a force concentration pattern 300. When a compressive load is being applied to the frame 170 and / or the base 180, the applied compression pressure will be across the compressed area of the force concentrator pattern 300 of the frame 170, the sealing surface of the frame 170 and / or the polymer seal 175. , It may be distributed uniformly throughout. The compressed region over the length of the frame 170 is about 2 cm 2 / cm to about 4 cm 2 / cm, about 2 cm 2 / cm to about 6 cm 2 / cm, about 2 cm 2 / cm to about 8 cm 2 / cm, about 2 cm. from 2 / cm to about 10cm 2 / cm, from about 4cm 2 / cm about 6cm 2 / cm, from about 4cm 2 / cm about 8cm 2 / cm, about 4cm 2 / cm from about 10cm 2 / cm, about 5cm 2 / It can range from cm to about 7 cm 2 / cm, from about 6 cm 2 / cm to about 8 cm 2 / cm, from about 6 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm. In some embodiments, the repetitive distance between the intermediate port 220 and / or the low pressure port 230 can range from about 1 cm to about 3 cm. In some embodiments, the length of the frame 170 and / or the base 180 is about 15 cm to about 30 cm, about 15 cm to about 50 cm, about 15 cm to about 80 cm, about 15 cm to about 100 cm, about 30 cm to about 50 cm, about It can range from 30 cm to about 80 cm, from about 30 cm to about 100 cm, from about 50 cm to about 80 cm, from about 50 cm to about 100 cm, or from about 80 cm to about 100 cm. In some embodiments, the width of the frame 170 and / or the base 180 is about 5 cm to about 10 cm, about 10 cm to about 20 cm, about 20 cm to about 30 cm, about 5 cm to about 20 cm, about 5 cm to about 30 cm, about 10 cm. To about 30 cm, or about 20 cm to about 30 cm.

[060]一部の実施態様において、フレーム170の圧縮された領域、フォースコンセントレーターパターン300の表面領域、および/またはポリマー材料175の密封表面の表面領域は、約50cmから約100cm、約100cmから約200cm、約200cmから約300cm、約300cmから約400cm、約400cmから約500cm、約500cmから約600cm、約600cmから約700cm、約700cmから約800cm、約800cmから約900cm、約900cmから約1000cm、約1000cmから約1100cm、約1100cmから約1200cm、約1200cmから約1300cm、約1300cmから約1400cm、または約1400cmから約1500cmの範囲であり得る。一部の実施態様において、フレーム170および/またはポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域に沿って分布する全体的に均一な圧縮圧力は、約5,000psigから約10,000psig、約5,000psigから約20,000psig、約5,000psigから約30,000psig、約5,000psigから約40,000psig、約10,000psigから約40,000psig、約10,000psigから約30,000psig、約10,000psigから約20,000psig、約20,000psigから約30,000psig、約20,000psigから約40,000psig、または約30,000psigから約40,000psigの範囲であり得る。 [060] In some embodiments, the compressed area of the frame 170, the surface area of the force concentrator pattern 300, and / or the surface area of the sealing surface of the polymeric material 175 is about 50 cm 2 to about 100 cm 2 , about 100 cm 2 to about 200 cm 2 , about 200 cm 2 to about 300 cm 2 , about 300 cm 2 to about 400 cm 2 , about 400 cm 2 to about 500 cm 2 , about 500 cm 2 to about 600 cm 2 , about 600 cm 2 to about 700 cm 2 , about 700 cm 2 from about 800 cm 2, from about 800 cm 2 to about 900 cm 2, about 900 cm 2 to about 1000 cm 2, from about 1000 cm 2 to about 1100 cm 2, about 1100 cm 2 to about 1200 cm 2, about 1200 cm 2 to about 1300 cm 2, or about 1300 cm 2 It can range from about 1400 cm 2, or about 1400 cm 2, about 1500 cm 2. In some embodiments, the generally uniform compression pressure distributed along the compressed region of the sealing surface of frame 170 and / or polymer seal 175 is from about 5,000 psig to about 10,000 psig, about 5, 000 psig to about 20,000 psig, about 5,000 psig to about 30,000 psig, about 5,000 psig to about 40,000 psig, about 10,000 psig to about 40,000 psig, about 10,000 psig to about 30,000 psig, about 10,000 It can range from 000 psig to about 20,000 psig, from about 20,000 psig to about 30,000 psig, from about 20,000 psig to about 40,000 psig, or from about 30,000 psig to about 40,000 psig.

[061]図9は、本明細書に記載されるようなフォースコンセントレーターパターン300を利用する場合、フレーム170およびポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたり全体的に均一な圧縮圧力が分布される例を例示する。圧縮圧力の規模は、斜線の密度で示される。図9において斜線の密度が均一であることは、フレーム170の圧縮された領域にわたる圧縮圧力の規模が全体的に均一であることを示す。図9で示されるように、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の第1の端部171における圧縮された領域を少なくし、したがって、第1の端部171およびフレーム170の細長い本体173にわたり延在する圧縮された領域をほぼ一定にすることが可能になり、結果としてフレーム170およびポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたり全体的に均一なまたは均等な圧縮圧力の分布が生じる。一部の実施態様において、例えば、圧縮荷重が約1,000,000ポンドとすると、フォースコンセントレーターパターン300の面積およびフレーム170の圧縮面積は、約50インチであってもよく、したがって圧縮圧力は、フレーム170にわたり約20,000psigであってもよい。この実質的に均一なまたは均等な圧縮圧力の分布は、高圧ゾーン200からの流体の漏れの可能性を低減するかまたは防ぐことができる。一部の実施態様において、フレーム170および/またはポリマーシール175の密封表面の圧縮された領域にわたる圧縮圧力の変動は、約2%以下、約5%以下、約8%以下、約10%以下、約15%以下、または約20%以下でもよい。 [061] FIG. 9 illustrates that when utilizing a force concentrator pattern 300 as described herein, a generally uniform compression pressure is distributed across the compressed regions of the sealing surfaces of the frame 170 and the polymer seal 175. An example is given. The magnitude of the compression pressure is indicated by the hatched density. In FIG. 9, the uniform density of the diagonal lines indicates that the size of the compression pressure over the compressed region of the frame 170 is uniform overall. As shown in FIG. 9, the force concentrator pattern 300 reduces the compressed area at the first end 171 of the frame 170 and thus extends across the first end 171 and the elongated body 173 of the frame 170. The existing compressed area can be made substantially constant, resulting in an overall uniform or even distribution of compression pressure over the compressed areas of the sealing surfaces of the frame 170 and the polymer seal 175. In some embodiments, for example, if the compression load is about 1,000,000 pounds, the area of the force concentrator pattern 300 and the compression area of the frame 170 may be about 50 inches 2 , and thus the compression pressure May be about 20,000 psig across frame 170. This substantially uniform or even distribution of compression pressure can reduce or prevent the possibility of fluid leakage from the high pressure zone 200. In some embodiments, the variation in compression pressure across the compressed region of the sealing surface of frame 170 and / or polymer seal 175 is about 2% or less, about 5% or less, about 8% or less, about 10% or less, It may be about 15% or less, or about 20% or less.

[062]一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170にわたり不連続であってもよい。例えば、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170の角に別個の部分を包含していてもよい。例えば、図10で示されるように、角の部分310は、フォースコンセントレーターパターン300の一部としての、フレーム170に追加された同様に隆起した表面であってもよい。角の部分310は、フォースコンセントレーターパターン300と同じ方式でのフレーム170の化学エッチングまたは機械加工によって作製することができる。角の部分310は、フォースコンセントレーターパターン300の厚さと同じ厚さを有していてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300の表面領域は、フレーム170に角の部分310を追加することによって低減することができる。一部の実施態様において、角の部分310およびフォースコンセントレーターパターン300は、一緒になって、フレーム170および密封表面175の圧縮された領域をほぼ連続にすることができ、したがって、圧縮圧力をフレーム170にわたり全体的に均一または均等に分布させることができる。   [062] In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be discontinuous across the frame 170. For example, force concentrator pattern 300 may include separate portions at the corners of frame 170. For example, as shown in FIG. 10, corner portion 310 may be a similarly raised surface added to frame 170 as part of force concentrator pattern 300. The corner portion 310 can be made by chemical etching or machining of the frame 170 in the same manner as the force concentrator pattern 300. The corner portion 310 may have the same thickness as the force concentrator pattern 300. In some implementations, the surface area of the force concentrator pattern 300 can be reduced by adding corner portions 310 to the frame 170. In some embodiments, the corner portion 310 and the force concentrator pattern 300 together can make the compressed region of the frame 170 and the sealing surface 175 substantially continuous, thus reducing the compression pressure to the frame. It can be distributed uniformly or evenly over 170.

[063]一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、ポリマーシール175に形成されていてもよい。例えば、ポリマーシール175は、フォースコンセントレーターパターン300にわたりより厚い厚さを有し、他の領域にわたりより薄い厚さを有していてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170および/またはベース180の統合された部分であってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300は、フレーム170および/もしくはベース180の選択された表面上にあってもよいし、または両方の表面上にあってもよい。一部の実施態様において、EHCスタック中の各EHCセルが、フォースコンセントレーターパターン300を有していてもよい。   [063] In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be formed in the polymer seal 175. For example, the polymer seal 175 may have a thicker thickness over the force concentrator pattern 300 and a thinner thickness over other regions. In some implementations, force concentrator pattern 300 may be an integrated part of frame 170 and / or base 180. In some embodiments, force concentrator pattern 300 may be on a selected surface of frame 170 and / or base 180, or on both surfaces. In some embodiments, each EHC cell in the EHC stack may have a force concentrator pattern 300.

[064]一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン300の使用は、フレーム170およびベース180に適用される圧縮荷重の量に関する必要条件を低減させることができる。圧縮荷重に関する必要条件の低減は、フレーム170の材料およびベース180に関する必要条件の低減をもたらすことができ、フレーム170およびベース180に使用される材料の広範囲な選択を可能にする。一部の実施態様において、フレーム170およびベース180は、同じ材料で形成されていてもよいし、または異なる材料で形成されていてもよい。フレーム170およびベース180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170はまた、ポリマー、複合材料、セラミック、または組み立て時にEHCセルまたはEHCスタックに適用される圧縮荷重、力および/または圧力に耐えることが可能なあらゆる材料で形成されていてもよい。   [064] In some implementations, the use of the force concentrator pattern 300 can reduce requirements regarding the amount of compressive load applied to the frame 170 and the base 180. The reduced requirements for compressive loads can result in reduced requirements for the material of the frame 170 and the base 180, allowing a wide selection of materials used for the frame 170 and the base 180. In some implementations, the frame 170 and the base 180 may be formed of the same material, or may be formed of different materials. The frame 170 and the base 180 are formed of a metal such as stainless steel, titanium, aluminum, nickel, iron, or a metal alloy such as nickel chrome alloy, nickel-tin alloy, inconel, monel, hastelloy, or a combination thereof. It may be. In some embodiments, the frame 170 is also formed of a polymer, composite material, ceramic, or any material capable of withstanding compressive loads, forces and / or pressures applied to the EHC cell or EHC stack during assembly. It may be.

[065]一部の実施態様において、フレーム170およびベース180は、1つまたはそれより多くの領域に、クラッド材料、例えば、ステンレス鋼とクラッドされたアルミニウムを包含していてもよい。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−クラッドアルミニウムから製作されたバイポーラプレートの場合、ステンレス鋼は、セル作動中にアルミニウムのコアを腐食から保護し、一方で、高い重量比強度、高い熱伝導率、および高い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170としては、陽極酸化処理された、密封された(sealed)、および下塗り処理されたアルミニウムを挙げることができる。一部の実施態様において、フレーム170としては、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挙げることができる。   [065] In some embodiments, the frame 170 and base 180 may include a cladding material, such as stainless steel and clad aluminum, in one or more regions. Cladding can provide the advantages of both metals, for example, in the case of bipolar plates made from stainless steel-clad aluminum, stainless steel protects the aluminum core from corrosion during cell operation, while Provides excellent material properties of aluminum such as high weight specific strength, high thermal conductivity, and high conductivity. In some embodiments, the frame 170 can include anodized, sealed, and primed aluminum. In some embodiments, the frame 170 can include chromated and spray coated aluminum.

[066]一部の実施態様において、フレーム170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、および熱可塑性の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170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170は、全体的に非導電性であってもよく、電気化学セル間の短絡のおそれを低減する。ベース180は、セル作動中に導電性に加えて耐食性を提供する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180は、活性なセル要素が設置されている領域(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。   [066] In some embodiments, the frame 170 may be formed of a composite material such as carbon fiber, graphite, glass reinforced polymer, and thermoplastic composite material. In some embodiments, the frame 170 may be formed of a metal that is coated to prevent both corrosion and electrical conduction. According to various embodiments, the frame 170 may be entirely non-conductive, reducing the risk of short circuits between electrochemical cells. Base 180 may be formed of one or more materials that provide corrosion resistance in addition to conductivity during cell operation. For example, the base 180 may be designed to be conductive in areas where active cell elements are located (eg, flow structures, MEAs, etc.).

[067]要素(例えば、ポリマーシール175、第1のシール240、第2のシール250、第3のシール260、フレーム170、およびベース180)の材料および幾何学的配置を選択する際に考慮されると予想される要因および特性としては、少なくとも、フォースコンセントレーターパターン300の設計、圧縮荷重の条件、材料の適合性、密封圧力の条件、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フォースコンセントレーションパターン300で好適になる様々な材料は、より安価な材料の選択およびより少ないコストでの製造を可能にする。例えば、より低コストの製品であるプラスチック(本明細書にその一部が列挙される)を、ポリマーシール(例えば、ポリマーシール175、第1のシール240、第2のシール250、および第3のシール260)に使用することができる。加えて多要素のバイポーラプレートは、プレート上の複雑な細部のために従来の高コストなミリングの使用を必要とすることから、製造するのに費用がかかる可能性がある。本明細書に記載されるようなポリマーシール175およびフォースコンセントレーターパターン300を利用することは、バイポーラプレート150および160の製造のコストおよび複雑さを低減することができる。例えば、フレーム170およびベース180は、フォースコンセントレーターパターン300と一緒に製造されてもよく、それにより、ポリマーシール175の使用とポリマーシール175の密封表面に沿った全体的に均一な圧縮圧力分布が可能になることで、バイポーラプレート150および160の厚さ、製造コスト、および製造の複雑さを低減することができる。   [067] Considered in selecting the material and geometry of the elements (eg, polymer seal 175, first seal 240, second seal 250, third seal 260, frame 170, and base 180). Factors and characteristics expected to include at least the design of the force concentrator pattern 300, compression load conditions, material compatibility, sealing pressure conditions, material costs, manufacturing costs, and ease of manufacturing. Can do. The various materials suitable for the force concentration pattern 300 described herein allow for the selection of cheaper materials and manufacturing at lower costs. For example, a lower cost product, plastic (partially listed herein), is replaced with a polymer seal (eg, polymer seal 175, first seal 240, second seal 250, and third seal). It can be used for the seal 260). In addition, multi-element bipolar plates can be expensive to manufacture because they require the use of conventional high-cost milling due to complex details on the plates. Utilizing polymer seal 175 and force concentrator pattern 300 as described herein can reduce the cost and complexity of manufacturing bipolar plates 150 and 160. For example, the frame 170 and base 180 may be manufactured with the force concentrator pattern 300 so that the use of the polymer seal 175 and the generally uniform compression pressure distribution along the sealing surface of the polymer seal 175 is achieved. By enabling, the thickness, manufacturing cost, and manufacturing complexity of the bipolar plates 150 and 160 can be reduced.

[068]本明細書に記載される特徴は、電気化学セルの他の要素を密封することにも使用することができ、および/またはカスケードシール配置を採用していないセルにも使用することができることが理解される。   [068] The features described herein can also be used to seal other elements of an electrochemical cell and / or can be used for cells that do not employ a cascade seal arrangement. It is understood that it can be done.

[069]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と予想される。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る。   [069] Other embodiments of the present disclosure are expected to be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the disclosure of the invention as described herein. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary only, with a true scope and essence of the disclosure being indicated by the following claims.

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 膜電極アセンブリ(MEA)
150、160 バイポーラプレート
170 フレーム
171 第1の端部
172 第2の端部
173 細長い本体
175 ポリマーシール、ポリマー材料、密封表面
178 チャネル
180 ベース
190 空隙
200 高圧ゾーン
202 中圧ゾーン
204 低圧ゾーン
210 高圧ポート
212 第1の流体
214 第2の流体
216 第3の流体
220 中圧ポート
230 低圧ポート
240 第1のシール
250 第2のシール
260 第3のシール
300 フォースコンセントレーターパターン、フォースコンセントレーションパターン
300’ 表面
310 角の部分
100 Electrochemical Cell 110 Anode 120 Cathode 130 Proton Exchange Membrane (PEM)
140 Membrane electrode assembly (MEA)
150, 160 Bipolar plate 170 Frame 171 First end 172 Second end 173 Elongated body 175 Polymer seal, polymer material, sealing surface 178 Channel 180 Base 190 Void 200 High pressure zone 202 Medium pressure zone 204 Low pressure zone 210 High pressure port 212 First Fluid 214 Second Fluid 216 Third Fluid 220 Medium Pressure Port 230 Low Pressure Port 240 First Seal 250 Second Seal 260 Third Seal 300 Force Concentrator Pattern, Force Concentration Pattern 300 ′ Surface 310 Corner part

Claims (20)

フレームおよびベースを含むバイポーラプレートアセンブリであって、
該フレームおよび該ベースの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、またはフォースコンセントレーターパターンを含む第1の表面を有し、該フォースコンセントレーターパターンは、該第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含み;
該フレームまたは該ベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによって該バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、該フレームおよび/または該ベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる、上記バイポーラプレートアセンブリ。
A bipolar plate assembly including a frame and a base,
At least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface that includes a force concentrator pattern, the force concentrator pattern partially extending over the first surface Including a raised surface that extends in a general manner;
The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or the base is generally constant so that the length of the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression. A bipolar plate assembly as described above that produces a uniform compression pressure along the same.
前記フレームまたは前記ベースの長さにわたる前記フォースコンセントレーターパターンの表面領域が、約2cm/cmから約10cm/cmの範囲である、請求項1に記載のバイポーラプレートアセンブリ。 The bipolar plate assembly of claim 1, wherein a surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or the base ranges from about 2 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm. 前記フレームと前記ベースとの間に少なくとも1つのシールアセンブリをさらに含む、請求項1に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 1, further comprising at least one seal assembly between the frame and the base. 前記シールアセンブリが、エラストマーシールまたはポリマーシールである、請求項3に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 3, wherein the seal assembly is an elastomeric seal or a polymer seal. 前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記シールアセンブリ上の前記圧縮圧力が、前記シールアセンブリにわたり全体的に均一に分布している、請求項3に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 3, wherein the compression pressure on the seal assembly is uniformly distributed throughout the seal assembly when the bipolar plate assembly is under compression. 前記フレームおよび前記ベースが、一緒に連結された2つのピースであるか、または1つの統合された部品である、請求項1に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly according to claim 1, wherein the frame and the base are two pieces connected together or one integrated part. 前記フレームおよび前記ベースの少なくとも1つが、上面および/もしくは底面においてポリマー材料でラミネートされているか、またはポリマーフィルムでコーティングされている、請求項6に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   7. The bipolar plate assembly according to claim 6, wherein at least one of the frame and the base is laminated with a polymer material on the top and / or bottom or coated with a polymer film. 前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記ポリマー材料または前記ポリマーフィルム上の前記圧縮圧力が、前記フレームおよび/または前記ベースにわたり全体的に均一に分布している、請求項7に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   8. The compression pressure on the polymer material or the polymer film is evenly distributed throughout the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression. Bipolar plate assembly. 前記バイポーラプレートアセンブリが、電気化学的スタックを形成する複数のバイポーラプレートアセンブリの少なくとも1つである、請求項2に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 2, wherein the bipolar plate assembly is at least one of a plurality of bipolar plate assemblies that form an electrochemical stack. 前記圧縮圧力が、5,000psigから40,000psigの範囲である、請求項2に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 2, wherein the compression pressure is in the range of 5,000 psig to 40,000 psig. 前記フォースコンセントレーターパターンの厚さが、0.025mmから前記フレームおよび/または前記ベースの厚さまでの範囲である、請求項2に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 2, wherein the thickness of the force concentrator pattern ranges from 0.025 mm to the thickness of the frame and / or the base. 前記フレームおよび前記ベースの少なくとも1つが、前記フォースコンセントレーターパターンを含む第2の表面を有する、請求項2に記載のバイポーラプレートアセンブリ。   The bipolar plate assembly of claim 2, wherein at least one of the frame and the base has a second surface that includes the force concentrator pattern. バイポーラプレートアセンブリを組み立てる方法であって、
該バイポーラプレートアセンブリのフレームおよびベースを圧縮すること、
を含み、
該フレームおよび該ベースの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、またはフォースコンセントレーターパターンを含む第1の表面を有し、該フォースコンセントレーターパターンは、該第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含み、
該フレームまたは該ベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによって該バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、該フレームおよび/または該ベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる、上記方法。
A method of assembling a bipolar plate assembly comprising:
Compressing the frame and base of the bipolar plate assembly;
Including
At least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface that includes a force concentrator pattern, the force concentrator pattern partially extending over the first surface Including a raised surface that extends
The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or the base is generally constant so that the length of the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression. A method as described above, which produces a uniform compression pressure along.
前記フレームまたは前記ベースの長さにわたる前記フォースコンセントレーターパターンの表面領域が、約2cm/cmから約10cm/cmの範囲である、請求項13に記載の方法。 The method of claim 13, wherein a surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or the base ranges from about 2 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm. 前記バイポーラプレートアセンブリが、前記フレームと前記ベースとの間に少なくとも1つのシールアセンブリを含む、請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the bipolar plate assembly includes at least one seal assembly between the frame and the base. 前記シールアセンブリが、エラストマーシールまたはポリマーシールである、請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the seal assembly is an elastomeric seal or a polymer seal. 前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記シールアセンブリ上の前記圧縮圧力が、前記シールアセンブリにわたり全体的に均一に分布している、請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the compression pressure on the seal assembly is uniformly distributed throughout the seal assembly when the bipolar plate assembly is under compression. 前記シールアセンブリ上の前記圧縮圧力が、前記シールアセンブリの材料の降伏強度より大きい、請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the compression pressure on the seal assembly is greater than the yield strength of the material of the seal assembly. 前記フレームおよび前記ベースが、一緒に連結された2つのピースであるか、または1つの統合された部品であり、
前記フレームおよび前記ベースの少なくとも1つが、上面および/もしくは底面においてポリマー材料でラミネートされているか、またはポリマーフィルムでコーティングされており、
前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記ポリマー材料または前記ポリマーフィルム上の前記圧縮圧力が、前記フレームおよび/または前記ベースにわたり全体的に均一に分布している、請求項13に記載の方法。
The frame and the base are two pieces connected together or one integrated part;
At least one of the frame and the base is laminated with a polymer material on the top and / or bottom or coated with a polymer film;
14. The compression pressure on the polymeric material or the polymeric film is distributed generally uniformly across the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression. Method.
バイポーラプレートアセンブリの対と、該バイポーラプレートアセンブリの対の間に配置された膜電極アセンブリとを含む電気化学セルであって、
該バイポーラプレートアセンブリの少なくとも1つは、フレームおよびベースを含み、
該フレームおよび該ベースの少なくとも1つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、またはフォースコンセントレーターパターンを含む第1の表面を有し、該フォースコンセントレーターパターンは、該第1の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含み、
該フレームまたは該ベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによって該バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、該フレームおよび/またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる、上記電気化学セル。
An electrochemical cell comprising a pair of bipolar plate assemblies and a membrane electrode assembly disposed between the pair of bipolar plate assemblies,
At least one of the bipolar plate assemblies includes a frame and a base;
At least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface that includes a force concentrator pattern, the force concentrator pattern partially extending over the first surface Including a raised surface that extends
The surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or the base is generally constant, thereby along the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression. Electrochemical cell that produces a uniform compression pressure.
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