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: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。
[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.
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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,
[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
[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
[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
[049] In some embodiments, the
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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
[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2cm2/cmから約4cm2/cm、約2cm2/cmから約6cm2/cm、約2cm2/cmから約8cm2/cm、約2cm2/cmから約10cm2/cm、約4cm2/cmから約6cm2/cm、約4cm2/cmから約8cm2/cm、約4cm2/cmから約10cm2/cm、約5cm2/cmから約7cm2/cm、約6cm2/cmから約8cm2/cm、約6cm2/cmから約10cm2/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
[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50cm2から約100cm2、約100cm2から約200cm2、約200cm2から約300cm2、約300cm2から約400cm2、約400cm2から約500cm2、約500cm2から約600cm2、約600cm2から約700cm2、約700cm2から約800cm2、約800cm2から約900cm2、約900cm2から約1000cm2、約1000cm2から約1100cm2、約1100cm2から約1200cm2、約1200cm2から約1300cm2、約1300cm2から約1400cm2、または約1400cm2から約1500cm2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2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
[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
[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
[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
[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
[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
[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,
[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
140 Membrane electrode assembly (MEA)
150, 160
Claims (20)
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.
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.
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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