KR20160040607A - 전기화학 전지용 밀봉 구성 - Google Patents

전기화학 전지용 밀봉 구성 Download PDF

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KR20160040607A
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로저 반 보이엔
에드워드 도밋
케빈 베버리지
스콧 블란쳇
존 스탕
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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

전기화학 전지는 한 쌍의 이극성 판들 및 상기 이극성 판들 사이의 멤브레인 전극 조립체를 포함한다. 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실, 및 상기 애노드 격실과 상기 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 상기 전지는 상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성된 밀봉 표면, 및 상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에 위치되는 가스킷을 추가로 포함한다. 상기 가스킷은 상기 캐소드 격실 또는 상기 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉을 실행하도록 소성 변형되도록 구성된다. 상기 밀봉 표면은 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있다.

Description

전기화학 전지용 밀봉 구성{SEAL CONFIGURATION FOR ELECTROCHEMICAL CELL}
본 출원은 2013년 7월 29일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/859,457호의 이익을 청구하며, 이들은 참고로 본원에 합체된다.
본 발명은 전기화학 전지에 관한 것이고, 특히 케스케이드(cascade) 밀봉 구성을 가지며 수소 재생을 위해 구성되는 전기화학 전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지 또는 전해 전지로서 분류되는 전기화학 전지들은 화학 작용으로부터 전류를 발생시키기 위해 사용되거나 또는 전류를 사용하여 화학적 작용을 유도하는 디바이스이다. 연료 전지는 연료(예를 들면, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학적 에너지를 전기로 변환시키고, 열 및 웨이퍼 제품들을 소모시킨다. 기본적인 연료 전지는 음으로 충전된 애노드, 양으로 충전된 캐소드 및 이온 전도성 물질인 전해질을 포함한다.
상이한 연료 전지 기술들은 상이한 전해질 물질들을 사용한다. 예를 들어, 양자 교환 멤브레인(PEM) 연료 전지는 전해질로서 중합성 이온 전도성 멤브레인을 이용한다. 수소 PEM 연료 전지에 있어서, 수소 원자들은 애노드에서 전자들과 양자(소수 이온들)들로 전기 화학적으로 분리될 수 있다. 상기 전자들은 회로를 통해 캐소드로 유동하고 전기를 발생시키는 한편, 상기 양자들은 전해질 멤브레인을 통해 캐소드로 확산된다. 상기 캐소드에서, 수소 양자들은 물과 열을 발생시키기 위해 전자들 및 산소(상기 캐소드에 공급된)와 반응할 수 있다.
전해 전지는 반대로 작동되는 연료 전지를 도시한다. 기본적인 전해 전지는 외부 전위가 인가될 때 물을 수소 및 산소 가스로 분해함으로써 수소 발생기로서 기능할 수 있다. 이와 같은 수소 연료 전지 또는 전해 전지의 기본적인 기술은 전기 화학적 수소 압축, 정제 또는 팽창과 같은 전기 화학적 수소 조작에 제공될 수 있다.
전기 화학적 수소 압축기(EHC)는, 예를 들면, 수소를 전지의 한 측부로부터 다른 측부로 선택적으로 전달하기 위해 사용될 수 있다. 상기 EHC는 제1 전극(즉, 애노드)과 제2 전극(즉, 캐소드) 사이에 샌드위치된 양자 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 수소 함유 가스는 상기 제1 전극과 접촉할 수 있으며, 전위차가 상기 제1 및 제2 전극들 사이에 인가될 수 있다. 상기 제1 전극에서, 상기 수소 분자들은 산화될 수 있으며, 그 반응은 2개의 전자 및 2개의 양자들을 생성할 수 있다. 상기 2개의 양자들은 상기 멤브레인을 통해 상기 전지의 제2 전극으로 전기 화학적으로 구동되며, 제2 전극에서, 양자들은 2개의 루트 변경된(rerouted) 전자들에 의해 재합류되고 수소 분자를 형성하기 위해 환원된다. 상기 제1 전극과 제2 전극에서 발생하는 이와 같은 반응들은 다음과 같은 화학 방정식들로서 나타낼 수 있다.
제1 전극 산화 반응: H2 → 2H+ + 2e-
제2 전극 환원 반응: 2H+ + 2e- → H2
전체 전기 화학 반응: H2 → H2
이와 같은 방식들에서 작동하는 EHC들은 종종 수소 펌프들로서 언급된다. 상기 제2 전극에 축적된 수소가 한정된 공간으로 제한될 때, 상기 전기화학 전지는 수소를 압축하거나 또는 압력을 상승시킨다. 개별 전지를 생성할 수 있는 최대 압력 또는 유량은 전지의 설계에 기초하여 한정될 수 있다.
보다 큰 압축 또는 높은 압력을 달성하기 위해, 다중 전지들이 멀티 스테이지 EHC를 형성하도록 직렬로 링크될 수 있다. 멀티 스테이지 EHC에 있어서, 상기 가스 유동 경로는, 예를 들어, 상기 제1 전지의 압축된 출력 가스가 상기 제2 전지의 입력 가스로 될 수 있도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 단일 스테이지 전지들은 상기 EHC의 처리 용량(즉, 전체 가스 유량)을 증가시키도록 병렬로 링크될 수 있다. 단일 스테이지 및 멀티 스테이지 EHC 모두에 있어서, 상기 전지들은 적층될 수 있으며, 각각의 전지는 캐소드, 전해질 멤브레인, 및 애노드를 포함할 수 있다. 각각의 캐소드/멤브레인/애노드 조립체는 "멤브레인 전극 조립체" 또는 "MEA"를 구성하며, 이들은 일반적으로 이극성 판(bipolar plate)들에 의해 양 측부에서 지지된다. 기계적 지지의 제공에 더하여, 상기 이극성 판들은 적층부에서 개별 전지들을 물리적으로 분리하는 한편, 전지들을 전기적으로는 접속시킨다. 상기 이극성 판들은 또한 집전 장치/전류 도체로서 작용하며, 또한 연료를 위한 통로를 제공한다. 대표적으로, 이극성 판들은 예를 들면 스테인리스강, 티타늄 등과 같은 금속 및 예를 들면 흑연과 같은 비금속 전기 도체로 제조된다.
전기 화학적 수소 조작은 전통적으로 수소 관리를 위해 사용되는 기계적 시스템에 대한 실행 가능한 대안으로서 대두되었다. 에너지 캐리어로서 수소의 성공적인 상업화 및 "수소 경제"의 장기간 유지 능력은 연료 전지들, 전해 전지들, 및 기타 수소 조작/관리 시스템(즉, EHC들)들의 효율과 비용 효과에 크게 좌우된다. 기체 수소는 일반적으로 압축 봉쇄(pressurized containment)에 의한 에너지 저장을 위한 편리하고 공통적인 형태이다. 유리하게도, 고압으로 수소를 저장하는 것은 높은 에너지 밀도를 산출한다.
기계적 압축은 전통적으로 압축을 달성하는 전통적인 수단이다. 그러나, 기계적 압축에는 예를 들어, 상당한 에너지 소모, 가동 부품들 상의 마모 및 균열, 과다한 소음, 대형 장치, 및 수소 취화와 같은 단점이 존재한다. 열적 순환에 의한 압축화가 기계적 압축에 대한 대안책이나, 기계적 압축처럼 에너지 소모가 상당하다. 이와 대조적으로, 전기 화학적 압축은 조용하고, 칭량할 수 있으며(scalable) 모듈식이고, 높은 에너지 효율을 달성할 수 있다.
전기 화학적 수소 압축을 위한 하나의 직면 과제는 압축 수소 가스에 관한 안전성이다. 수소 가스는 극단적인 가연성을 가지며, 고 압축 수소 가스는 안전성 문제를 일으킨다. 주요 관심사로는 상기 전기 화학적 압축기로부터의 고압 가스의 누설 및 비의도적인 배출을 포함할 수 있다. 파멸적 배출이 안전 위험도 문제를 야기한다.
또한, 심각한 수준의 안정성 관심사를 일으키지 않을 정도의 작은 누출의 경우에서 조차도, 전기 화학적 압축기의 효율을 감소시킨다. 따라서, 수소 누출을 방지하거나 또는 감소시킬 필요성이 존재한다.
상술된 상황들을 고려하여, 본 발명은 전지로부터 수소의 비의도적 배출을 제한하도록 구성된 밀봉 구성을 갖는 전기화학 전지에 관한 것이다. 또한, 상기 밀봉 구성은 전지로부터 누출된 수소를 수집 및 재생시킬 수 있다. 본원에 개시된 특정 실시예들에서, 케스케이드 밀봉 구성이 고려된다.
본 발명의 일 양태는, 한 쌍의 이극성 판들 및 멤브레인 전극 조립체로서, 밀봉 표면이 이극성 판들 중 하나에 형성되고, 상기 멤브레인 전극 조립체가 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치되고, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함하는, 상기 한 쌍의 이극성 판들 및 멤브레인 전극 조립체; 고압 구역을 한정하고, 상기 이극성 판들 사이에 위치되며 상기 고압 구역 내에 제1 유체를 수용하도록 구성되는 제1 밀봉부; 중간압 구역을 한정하며, 상기 이극성 판들 사이에 위치하고 상기 중간압 구역 내에 제2 유체를 수용하도록 구성되는 제2 밀봉부를 포함하며; 상기 제1 밀봉부는 캐소드 격실 또는 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉을 생성하도록 소성 변형되도록 구성되는 가스킷에 의해 형성되는, 전기화학 전지에 관한 것이다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 밀봉 표면은 하나 이상의 돌출부들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 전지의 격실을 밀봉하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 한 쌍의 이극성 판들과, 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 배치되는, 애노드 격실, 캐소드 격실 및 양자 교환 멤브레인을 갖는 전기화학 전지를 조립하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 가스킷을 소성 변형시키도록 충분한 힘으로 상기 가스킷을 압축함으로써 상기 이극성 판들 중 하나에 대해 상기 가스킷을 밀봉하는 단계, 및 상기 가스킷에 대해 상기 양자 교환 멤브레인을 밀봉하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명이 또 다른 양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지는 한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체를 포함한다. 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실, 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 상기 전지는 상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성된 밀봉 표면, 및 상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에 위치된 가스킷을 추가로 포함한다. 상기 가스킷은 상기 캐소드 격실 또는 상기 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉를 생성하도록 소성 변형되도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지는 한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체를 포함한다. 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 상기 전기화학 전지는 상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성되는 밀봉 표면을 추가로 포함하며, 상기 밀봉 표면은 하나 이상의 돌출부들을 포함한다. 상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에는 압축 가스킷이 위치하며, 상기 가스킷은 상기 캐소드 격실 또는 상기 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉을 생성하도록 소성 변형된다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지는 한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체를 포함한다. 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 상기 전기화학 전지는 상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성되는 밀봉 표면; 및, 상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에 위치된 가스킷을 추가로 포함하며, 상기 가스킷은 적어도 하나의 돌출부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지는 한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체를 포함한다. 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함한다. 상기 전기화학 전지는 상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성되는 밀봉 표면; 및 상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에 위치된 압축 가스킷을 추가로 포함한다. 상기 가스킷은 압축 전에 적어도 하나의 돌출부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함하는, 상기 한 쌍의 이극성 판들 및 상기 멤브레인 전극 조립체; 고압 구역을 한정하고, 상기 이극성 판들 사이에 위치되고, 또한 상기 고압 구역 내에 제1 유체를 수용하도록 구성되는 제1 밀봉부; 중간압 구역을 한정하고, 상기 이극성 판들 사이에 위치되고, 또한 상기 중간압 구역 내에 제2 유체를 수용하도록 구성되는 제2 밀봉부를 포함하며; 상기 제1 밀봉부는 상기 제1 밀봉부가 안착 해제될(unseat) 때 상기 제1 유체가 상기 중간압 구역 내로 누출되도록 구성되는, 전기화학 전지에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는, 한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체; 상기 이극성 판들 사이에 위치되고 제1 유체를 수용하는 고압 구역; 상기 이극성 판들 사이에 위치되고 제2 유체를 수용하는 중간압 구역; 및 제3 유체를 수용하는 저압 구역을 포함하며; 상기 전기화학 전지는, 상기 이극성 판들에 인가되는 폐쇄력과 상기 제1 유체, 제2 유체 및 제3 유체 중 하나의 압력에 의해 생성되는 개방력 중 적어도 하나에 기초하여, 제1 구성, 제2 구성 및 제3 구성 사이에서 전환하도록 구성되는, 전기화학 전지에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 양태는 케스케이드 밀봉 구성을 갖는 전기화학 전지의 폐쇄력을 조정하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 다수의 밀봉부들을 갖는 전기화학 전지를 케스케이드 밀봉 구성으로 제공하는 단계; 기대 작동 압력에 기초하여 상기 전기화학 전지에 초기 폐쇄력을 인가하는 단계; 상기 전기화학 전지를 작동시키는 단계; 상기 전기화학 전지의 압력을 모니터링하는 단계; 및 상기 모니터링된 압력에 기초하여 상기 전기화학 전지에 인가된 폐쇄력을 조절하는 단계를 포함하며; 상기 폐쇄력을 조절하는 단계는 다수의 밀봉부들 중 적어도 하나를 안착 해제시키는 압력을 변경한다.
상술된 일반적 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 예시적이며 오직 설명을 위한 것일 뿐 청구된 바와 같은 기재를 제한시키려는 의도를 갖지 아니한다는 사실을 밝혀둔다.
첨부된 도면들은 본 명세서에 합체되며 또한 상기 명세서의 일부를 구성하며, 본 발명의 예시적 실시예들 및 설명들과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된다.
도 1은 전기화학 전지의 다양한 구성 요소들을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 측면도.
도 2a는 예시적 실시예에 따른, 상기 전지의 다양한 밀봉부들 및 압력 구역들을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 정면도.
도 2b는 예시적 실시예에 따른 상기 전지의 다양한 밀봉부들 및 압력 구역들을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 정면도.
도 3a는 예시적 실시예에 따른, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 3b는 예시적 실시예에 따른, 다양한 힘들을 보여주는, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 4a는 예시적 실시예에 따른, 제1 구성을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 4b는 예시적 실시예에 따른, 제2 구성을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 4c는 예시적 실시예에 따른, 제3 구성을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 5는 예시적 실시예에 따른, 전기 화학 수소 재생 시스템을 도시하는 개략도.
도 6은 예시적 실시예에 따른, 전기화학 전지 내의 압력을 제어하는 방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 예시적 실시예에 따른, 전지의 다양한 밀봉부들 및 압력 구역들을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 정면도.
도 8은 예시적 실시예에 따른, 밀봉된 캐소드 격실을 도시하는, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 9a 내지 도 9c는 예시적 실시예에 따른, 다양한 구성들을 갖는 돌출부들을 포함하는 이극성 판의 밀봉 표면을 나타내는 횡단면도들.
도 9d 및 도 9e는, 각각 비압축 및 압축 상태에서, 도 9a에 도시된 이극성 판의 밀봉 표면에 대한 횡단면도들.
도 9f는 치수 정보를 포함하는 도 9a에 도시된 이극성 판의 밀봉 표면에 대한 횡단면도.
도 10은 예시적 실시예에 따른 돌출부들을 갖는 가스킷의 횡단면도.
도 11은 다른 실시예에 따른, 밀봉된 캐소드 격실을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 평면 단면도.
도 12a는 예시적 실시예에 따라 애노드 격실과 PEM 사이의 보강층 및 가스 확산층을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 평면 단면도.
도 12b는 예시적 실시예에 따른, 가스킷의 길이 너머로 연장하는 부분을 갖는 보강층을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 평면 단면도.
도 12c는 예시적 실시예에 따른, 가스킷과 PEM 사이의 보강층을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 평면 단면도.
도 12d는 다른 실시예에 따른, 가스킷의 길이 너머로 연장하는 부분을 갖는 보강층을 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 평면 단면도.
도 13은 예시적 실시예에 따른, 전기화학 전지의 현장 검사 동안 사용을 위한 끼움쇠(shim)를 나타내는, 전기화학 전지의 일부에 대한 횡단면도.
도 14는 예시적 실시예에 따른, 2-피스 이극성 판의 등각도.
본 발명의 예시적 실시예에 대한 상세한 설명이 언급될 것이며, 그의 예들은 첨부 도면들에서 설명하고 있다. 어느 곳에서든지, 동일한 참고 부호들이 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 또는 유사한 부분들을 언급하기 위해 사용된다. 비록 수소를 채택한 전기화학 전지에 관련하여 언급되었으나, 본 발명의 장치들 및 방법들은, 비제한적으로, 전해 전지들, 수소 정화기들, 수소 확장기들 및 수소 압축기들을 포함하는, 다양한 형태의 연료 전지들 및 전기화학 전지들을 채택할 수 있다는 사실을 밝혀둔다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 전기화학 전지(100)의 분해 측면도를 도시한다. 전기화학 전지(100)는 애노드(110), 캐소드(120) 및 상기 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인(PEM)(130)을 포함할 수 있다. 상기 결합된 애노드(110), 캐소드(120) 및 PEM(130)은 멤브레인 전극 조립체(MEA)(140)를 구성할 수 있다. PEM(130)은 순수 중합체 멤브레인, 또는 예를 들면, 실리카, 헤테로폴리산, 층상 금속 인산염, 인산염, 및 지르코늄 인산염과 같은 다른 물질이 중합체 매트릭스에 내장될 수 있는 합성 멤브레인을 포함할 수 있다. PEM(130)은 양자들이 침투할 수 있는 반면에 전자들은 전도하지 못한다. 애노드(110) 및 캐소드(120)는 촉매층을 수용하는 다공성 탄소 전극들을 포함할 수 있다. 예를 들면 플라티늄과 같은 촉매 물질은 반응 속도를 증가시킬 수 있다.
전기화학 전지(100)는 2개의 이극성 판(150, 160)들을 추가로 포함할 수 있다. 상기 이극성 판(150, 160)들은 지지 판들, 도체들로서 작용할 수 있으며, 연료를 위한 각각의 전극 표면들에 통로를 제공하고 또한 압축 연료의 제거를 위한 통로를 제공한다. 이극성 판(150, 160)들은 또한 유체(즉, 물, 글리콜 또는 물-글리콜 혼합물)을 냉각시키기 위한 접근 채널들을 포함할 수 있다. 상기 이극성 판들은 알루미늄, 강, 스테인리스강, 티타늄, 구리, Ni-Cr 합금, 흑연 또는 기타 전기 전도성 물질 또는 합금, 코팅 또는 피복 형태를 하는 이들 재료들의 조합으로 제조될 수 있다. 이극성 판(150, 160)들은 전기 화학 적층부(도시되지 않음)에서 이웃하는 전지들로부터 전기화학 전지(100)를 분리할 수 있다. 예를 들어, 다중 전기화학 전지(100)들은 멀티 스테이지 전기 화학 수소 압축기(EHC)를 형성하기 위해 유용적으로 직렬로 링크될 수 있거나 또는 단일 스테이지 EHC를 형성하기 위해 유용적으로 병렬로 적층될 수 있다.
작동 시에, 예시적 실시예에 따라서, 수소 가스는 이극성 판(150)을 통해 애노드(110)로 공급될 수 있다. 전위가 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 인가될 수 있으며, 애노드(110)에서의 전위는 캐소드(120)에서의 전위보다 크다. 애노드(110)에서의 수소는 수소를 전자들과 양자들로 분리하기 위해 산화될 수 있다. 상기 양자들은 PEM(130)을 통해 전기 화학적으로 운반 또는 펌핑되는 반면, 전자들은 PEM(130) 주위에서 루트 변경된다. PEM(130)의 맞은편 측부 상의 캐소드(120)에서, 운반된 양자들 및 루트 변경된 전자들은 수소를 형성하기 위해 환원된다. 캐소드(120)에 더 많은 수소가 형성될수록, 수소는 제한된 공간 내에서 압축 및 가압될 수 있다.
전기화학 전지(100) 내에서, 다수의 상이한 압력 구역들 및 다수의 밀봉부들이 하나 이상의 상이한 압력 구역을 형성할 수 있다. 도 2a는 전기화학 전지(100) 내의 상이한 다수의 밀봉부들 및 압력 구역들을 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 다수의 밀봉부들은 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181), 및 제3 밀봉부(191)를 포함할 수 있다. 제1 밀봉부(171)는 제2 밀봉부(181) 내에 완전히 수용될 수 있으며, 제2 밀봉부(181)는 제3 밀봉부(191) 내에 완전히 수용될 수 있다. 또한, 다수의 밀봉부들은 보조적인 제1 밀봉부(175, 176)들을 추가로 포함할 수 있다. 보조적인 밀봉부(175 및 176)는 제1 밀봉부(171)의 외부에 위치될 수 있으나, 제2 밀봉부(181) 내에 위치할 수 있다.
제1 밀봉부(171)는 고압 구역(170)을 한정할 수 있으며 고압 구역(170) 내에는 제1 유체(172)(예를 들면, 수소)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제1 밀봉부(171)는 고압 구역(170)의 외부 경계를 구획할 수 있다. 고압 구역(170)은 PEM(130) 고압 캐소드(120) 측부에 대응할 수 있다. 캐소드(130)에서 형성된 수소는 고압 구역(170)에서 수집되고 제1 밀봉부(171)에 의해 수용될 수 있다. 고압 구역(170) 내의 수소는 압축될 수 있으며, 그 결과, 더 많은 수소가 고압 구역(170)에 형성됨에 따라 압력이 증가한다. 고압 구역(170) 내의 수소는 15,000 psig 이상의 압력으로 압축될 수 있다.
보조적인 제1 밀봉부(175, 176)들은 고압 구역(170)과 유체 소통할 수 있는 2개의 보조적인 고압 구역(177, 178)들을 한정할 수 있다. 보조적인 고압 구역(177, 178)들은 고압 구역(170)으로부터 제1 유체(172)를 방출시키도록 구성되는 공통의 통로일 수 있다. 보조적인 고압 구역(177, 178)은 다중 전지 전기 화학 압축기에 있는 인접 전기화학 전지들의 공통 통로들과 유체 소통할 수 있다.
제2 밀봉부(181)는 중간 압축 구역(180)을 한정할 수 있으며, 중간 압축 구역(180) 내에서 제2 유체(182)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제2 밀봉부(181)는 중간압 구역(180)의 외부 경계들을 구획할 수 있다. 중간압 구역(180)은 PEM(130)의 저압 애노드(110) 측부에 대응할 수 있다. 애노드(110)에 공급된 제2 유체(182)(예를 들면, 수소 또는 수소 함유 가스 혼합물)는 그들이 산화되고 또한 PEM(130)을 가로질러 캐소드(120)와 고압 구역(170)으로 펌핑될 때까지 제2 밀봉부(181)에 의해 중간 압축 구역(180)에 수용될 수 있다. 중간압 구역(180) 내의 제2 유체(182)는 공급되는 압력에 기초하여 변할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 중간압 구역(180) 내의 제2 유체(182)는 고압 구역(170) 내의 제1 유체(172)보다 저압일 수 있다.
제3 밀봉부(191)는 저압 구역(190)을 한정할 수 있으며, 저압 구역(190) 내에 제3 유체(192)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제3 밀봉부(191)는 저압 구역(190)의 외부 경계들을 구획할 수 있다. 저압 구역(190)은 냉각 유체 통로들을 포함할 수 있으며, 제3 유체(192)는 냉각 유체를 포함할 수 있다. 냉각 유체는 물, 글리콜 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 고온 시스템에 있어서는, 오일이 냉각 유체로서 사용될 수 있다. 제3 유체(192)는 일반적으로 중간압 구역(180) 내의 제2 유체(182) 및 고압 구역(170) 내의 제1 유체(172)의 압력보다 작은 압력으로 지속될 수 있다. 저압 구역(190)은 제3 유체(192)가 저압 구역(190)을 통해 순환될 수 있도록 구성된 입구 통로 및 출구 통로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같은 대안적 실시예에 있어서, 저압 구역(190)은 전기화학 전지(100) 내에 위치될 수 없고, 오히려 전기화학 전지(100)를 둘러싸고 있는 영역이나 또는 적층부를 형성하는 다수의 전지들에 위치된다. 예를 들어, 저압 구역(190)은 전기화학 전지(100)를 둘러싸거나 또는 다른 실시예들에 있어서 전지들의 적층부를 둘러싸는 질소 블랭킷을 형성하는 질소(192)를 수용할 수 있다. 또한, 아르곤 또는 헬륨과 같은 다른 비활성 유체들이 질소 대신 사용될 수 있다.
도 3a는 도 2a의 평면(A)을 따르는 전기화학 전지(100)의 횡단면도를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(100)는 MEA(140) 및 이극성 판(150, 160)들을 포함할 수 있다. 상기 이극성 판(150, 160)들 사이에는 고압 구역(170)을 한정하는 제1 밀봉부(171), 중간압 구역(180)을 한정하는 제2 밀봉부(181), 및 저압 구역(190)을 한정하는 제3 밀봉부(191)가 위치할 수 있다. 도 3a에서, 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181), 및 제3 밀봉부(191)는 각각 앞의 도 2a에서 도시된 바와 같은 단일 연속 밀봉부의 2개의 개별 횡단면으로서 도시될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 밀봉부(171)는 제1 어깨부(173)에 기대어 위치될 수 있다. 제1 어깨부(173)는 압력이 고압 구역(170) 내에 형성됨에 따라 제1 밀봉부(171)의 위치를 유지하도록 구성될 수 있다. 고압 구역(170) 내의 압력은 제1 밀봉부(171)에 대항하는 외향력을 인가할 수 있다. 제1 어깨부(173)의 높이는 제1 밀봉부(171)의 비압축 두께의 약 98% 내지 약 25% 범위를 가질 수 있다.
도 3a에 도시된 특정 실시예에 있어서는, 제1 밀봉부(171)보다 내부에는 어떠한 어깨부도 존재하지 않는다. 도 3a에 도시된 바와 같은 내부 어깨부의 부재로 인해 제1 밀봉부(171)가 MEA(140) 또는 그의 일부에 결합, 합병, 연결 또는 통합되게 할 수 있다. MEA(140)에 통합된 제1 밀봉부(171)를 가지는 것은 전기화학 전지(100)의 일정하고, 효율적이며 또한 눙률적인 조립을 촉진시킬 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예들에 있어서, 추가의 어깨부가 제1 밀봉부(171)보다 내부에 위치될 수 있으며, 제1 밀봉부(171)가 위치될 수 있는 홈을 형성하도록 구성될 수 있다.
다시, 도 3a로 돌아가서, 제2 밀봉부(181)는 이극성 판(160)에 있는 2개의 어깨부들 사이에 형성된 제2 홈(183)에 위치될 수 있다. 제2 홈(183)과 제2 밀봉부(181)의 내부에 중간압 구역(180)이 위치될 수 있으며, 제2 홈(183)과 제2 밀봉부(181)의 외부에 저압 구역(190)이 위치될 수 있다. 제2 홈(183)의 깊이는 제2 밀봉부(181)의 비압축 두께의 약 98% 내지 약 25% 범위를 가질 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같은 제3 밀봉부(191)는 이극성 판(160)에 있는 2개의 어깨부들 사이에 형성된 제3 홈(193)에 위치될 수 있다. 제3 홈(193)과 제3 밀봉부(191)의 내부에 저압 구역(190)이 위치될 수 있으며, 제3 홈(193)과 제3 밀봉부(191)의 외부에 전기화학 전지(100)의 주변 환경이 위치될 수 있다. 제3 홈(193)의 깊이는 제3 밀봉부(191)의 비압축 두께의 약 98% 내지 약 25% 범위를 가질 수 있다.
조립되는 동안, 이극성 판(150, 160)들 사이의 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181), 및 제3 밀봉부(191)는 각각의 어깨부(173)들의 적절한 또는 각각의 홈들의 깊이를 선택함으로써 비압축 두께의 미리 결정된 백분율만큼 압축될 수 있다. 제1 어깨부(173) 및 제2 홈(183)과 제3 홈(193)을 형성하는 어깨부들은 도 3a에 도시된 바와 같이 이극성 판(150)을 위한 스토퍼로서 작용할 수 있다. 스토퍼로서 작용함으로써, 상기 밀봉부들을 과압축할 가능성이 감소될 수 있다. 제1 어깨부(173) 및 제2 홈(183)과 제3 홈(193)을 형성하는 어깨부들의 상승은, 표면들이 평행할 때 이극성 판(150)이 동시에 이극성 판(160)의 모든 어깨부 표면들과 접촉할 수 있도록, 동일할 수 있다.
대안적 실시예(도시되지 않음)들에 있어서, 제2 홈(183)과 제3 홈(193)은 이극성 판(160) 대신에 이극성 판(150)에 형성될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제2 홈(183)은 이극성 판(150, 160) 중 하나에 형성될 수 있는 반면, 제3 홈(193)은 다른 판에 형성된다. 또 다른 실시예에 있어서, 제2 홈(183)과 제3 홈(193)의 일부는 양쪽 이극성 판(150, 160)들에 형성될 수 있다.
제2 홈(183)과 제3 홈(193)은 제2 밀봉부(181)와 제3 밀봉부(191)의 형상에 대응하는 기하학적 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 밀봉부와 홈 단면의 기하학적 형상은 정방형, 장방형, 삼각형, 다각형, 원형 또는 타원형일 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 상기 제2 밀봉부(181)와 제3 밀봉부(191)의 폭은 대응하는 홈보다 작을 수 있다. 상기 홈들에 있어서의 추가 공간은 내부 가스들로부터의 온도 변화, 압축 변화 및 이극성 판 압축으로부터의 압력 변화에 의해 발생되는 상기 밀봉부들의 팽창 및 수축을 허용할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 밀봉부들이 내부 측부 대 외부 측부로부터의 높은 압력을 겪게 되므로, 일반적으로 상기 밀봉부들은 상기 홈들 내의 최외부 위치를 향해 외향으로 강제될 수 있다.
제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191)는 가스킷, o-링, 또는 다른 밀봉 요소들일 수 있다. 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181), 및 제3 밀봉부(191)는, 예를 들면, 실리콘, EPDM(에틸렌프로필렌-다이엔-단량체), 플루오로엘라스토머, 니트릴 고무(부나-N), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리체닐렌 설파이드, PEEK(폴리에테르 에테르 케톤), 폴리이미드, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), 폴리우레탄, 네오프렌, 아세탈, 나일론, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, NBR(아크릴로니트릴-부타디엔 고무) 등과 같은, 탄성중합체 또는 중합체 밀봉부 물질로 제조될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181), 및 제3 밀봉부(191)는, 예를 들면, 주석, 주석 합금, 스테인리스강, 은, 백금 및 금을 포함하는 금속 물질로 제조될 수 있다. 각각의 밀봉부의 물질은 다른 밀봉부들의 물질과 다를 수 있으며, 상기 물질은 상기 밀봉부들 중 오직 2개만이 같을 수 있거나, 또는 상기 물질은 모든 밀봉부들에 있어서 같을 수 있다.
상기 물질과 마찬가지로, 각각의 밀봉부의 두께는 다른 밀봉부들의 두께와 다를 수 있다. 두께는 전기화학 전지(100)의 수직 축(Y)을 따라 측정될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 제2 밀봉부(181)의 두께는 제1 밀봉부(171)의 두께보다 크고, 상기 제3 밀봉부(191)의 두께는 제2 밀봉부(181)의 두께보다 크다. 결론적으로, 최외측 밀봉부인, 제3 밀봉부(191)는 가장 큰 두께를 가질 수 있으며, 최내측 밀봉부인, 제1 밀봉부(171)는 가장 작은 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 밀봉부(171)의 두께는 약 0.01 mm 내지 약 1.0 mm 범위를 가질 수 있으며, 제2 밀봉부(181)의 두께는 약 0.02 mm 내지 약 2.0 mm의 범위를 가질 수 있으며, 또한 제3 밀봉부(191)의 두께는 약 0.03 mm 내지 3.0 mm의 범위를 가질 수 있다.
제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191)의 기하학적 횡단면이 원형 또는 타원형일 수 있는 실시예들에 대하여는, 상술된 바와 같은 두께는 원형 또는 타원형 횡단면의 직경을 나타낼 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(100)가 작동하는 동안, 이극성 판(150, 160)들 사이의 각각의 대응하는 구역 내에 인가된 제1 유체(172), 제2 유체(182) 및 제3 유체(192)의 압력이 개방력(200)을 발생시킬 수 있다. 개방력(200)은 어떠한 저지도 없이 이극성 판(150, 160)을 분리시킬 수 있다. 개방력(200)이 이극성 판(150, 160)들을 분리시키는 것을 방지하기 위해, 개방력(200)에 대항하고 극복하기 위해 폐쇄력(210)이 상기 판들에 인가될 수 있다. 제1 유체(172), 제2 유체(182) 및 제3 유체(192)의 압력은 개방력(200)을 나타내는 다수의 화살표들에 의해 나타낸 것보다 더 많은 힘을 생산할 수 있다는 사실을 주목할 필요가 있다. 예를 들어, 개방력(200)에 수직인 횡력(도시되지 않음)도 또한 각각의 압력 구역들로부터 모든 가능한 방향으로 외향으로 지향하는 다른 힘들을 생산할 수 있다.
도 4a는 제1 구성에 있어서의 전기화학 전지(100)의 횡단면을 도시한다. 전기화학 전지(100)는 폐쇄력(210)이 개방력(200)을 극복하고 이극성 판(150, 160)들을 실질적으로 함께 보유하도록 충분할 때 제1 구성을 지속할 수 있다. 반면, 제1 구성에 있어서, 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191)는 모두 이극성 판(150, 160)의 상부 및 하부 밀봉 표면들 모두와의 접촉을 지속할 수 있어서, 제1 유체(172), 제2 유체(182) 또는 제3 유체(192)의 누출 또는 우회를 방지한다. 이와 같은 특정 상황에서, 모든 밀봉부들은 그들의 기능을 달성한다.
전기화학 전지(100)가 제1 구성에 있을 때, 상술된 바와 같이, 이극성 판(150, 160)들의 표면들 사이의 분리에 대한 실제 측정은 변화할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리는 약 0.00 mm로부터 약 0.01 mm, 약 0.05 mm, 약 0.10 mm까지 이르는 범위를 가질 수 있다.
도 4b는 제2 구성에 있어서의 전기화학 전지(100)의 횡단면을 도시한다. 전기화학 전지(100)는, 이극성 판(150, 160)들을 분리시키도록 폐쇄력(210)이 감소되거나 또는 개방력(200)이 증가될 때(즉, 제1 유체(172) 압력이 증가할 때), 제2 구성으로 변경될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 이극성 판(150, 160)들의 제1 분리는 제1 밀봉부(171)를 안착 해제시켜, 제1 유체(172)가 고압 구역(170)으로부터 중간압 구역(180) 내로 바이패스되도록 할 수 있다. 도 4b에 도시된 특정 실시예에 있어서, 제1 밀봉부(171)는 먼저 이극성 판(160)으로부터 안착 해제되어, 제1 유체(172)가 제1 밀봉부(171) 아래 및 주위로 유동하게 하는 것을 나타내고 있다. 그러나, 대안적 실시예(도시되지 않음)들에 있어서, 제1 밀봉부(171)는 먼저 이극성 판(150)으로부터 안착 해제되어, 제1 유체(172)가 상기 제1 밀봉부(171)와 MEA(140) 사이로 통과됨으로써 제1 밀봉부(171) 위로 유동되게 할 수 있다는 사실을 인식할 수 있을 것이다.
고압 구역(170)으로부터 중간압 구역(180)으로의 제1 유체(172)의 유동은 제1 유체(172)와 제2 유체(182) 사이의 압력차에 의해 발생될 수 있으며 또한 최소 저항선을 따라 이동할 수 있다. 제1 밀봉부(171)는 제2 밀봉부(181)와 제3 밀봉부(191)보다 작은 두께를 가짐으로써 제1 밀봉부가 안착 해제되도록 구성될 수 있다. 이는, 이극성 판(150, 160)들의 제1 분리가 제2 구성에 나타남에도 불구하고, 제3 밀봉부(191)와 제2 밀봉부(181)가 양쪽 밀봉면들과의 접촉을 유지하도록 허용하여, 유체가 어느 한쪽의 밀봉부를 우회하는 것을 방지한다.
전기화학 전지(100)가 제2 구성에 있을 때, 상술된 바와 같이, 이극성 판(150, 160)들의 표면들 사이에 존재하는 제1 분리에 대한 실제 측정은 변화할 수 있다. 예를 들어, 제1 분리는 약 0.01 mm로부터 약 0.05 mm, 약 0.10 mm, 약 0.25 mm까지 이르는 범위를 가질 수 있다.
도 4c는 제3 구성에 있어서의 전기화학 전지(100)의 횡단면을 도시한다. 전기화학 전지(100)는, 폐쇄력(210)이 추가로 감소되거나 또는 개방력(200)이 추가로 증가될 때 이극성 판(150, 160)들이 제2 분리를 겪도록, 제3 구성으로 변경될 수 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 이극성 판(150, 160)들의 제2 분리는 제1 밀봉부(171)와 제2 밀봉부(181) 모두를 안착 해제시켜, 제1 유체(172)가 고압 구역(170)으로부터, 그리고 제2 유체(182)가 중간압 구역(180)으로부터 저압 구역(190) 내로 바이패스되도록 할 수 있다. 도 4c에 도시된 특정 실시예에 있어서, 제2 밀봉부(181)는 먼저 이극성 판(150)으로부터 안착 해제되어 제2 유체(182)가 제2 밀봉부(181) 위로 유동하게 하는 것을 나타내고 있다. 그러나, 대안적 실시예(도시되지 않음)들에 있어서, 제2 밀봉부(181)는 먼저 이극성 판(160)으로부터 안착 해제되어, 제2 유체(182)가 상기 제2 밀봉부(181) 아래와 둘래로 유동되게 할 수 있다는 사실을 이해할 수 있을 것이다.
중간압 구역(180)으로부터 저압 구역(190)으로의 제2 유체(182)의 유동은 제2 유체(182)와 제3 유체(192) 사이의 압력차에 의해 발생될 수 있다. 제2 밀봉부(181)는 제1 밀봉부(171)보다 더 두껍게 되지만 제3 밀봉부(191)만큼 두껍지 않게 됨으로써 제2 밀봉부가 안착 해제되도록 구성될 수 있다. 따라서, 제3 밀봉부(191)가 제1 밀봉부(171)와 제2 밀봉부(181) 모두보다 두껍게 될 수 있으므로, 제3 밀봉부(191)는 양쪽 밀봉면들과 접촉을 유지할 수 있어서, 이극성 판(150, 160)들의 제2 분리에도 불구하고 유동이 우회되는 것을 방지한다.
전기화학 전지(100)가 제3 구성에 있을 때, 상술된 바와 같이, 제2 분리에 대한 실제 측정은 변화할 수 있다. 예를 들어, 제2 분리는 약 0.05 mm로부터 약 0.25 mm, 약 0.50 mm까지 이르는 범위를 가질 수 있다.
전기화학 전지(100)는 작업 동안 폐쇄력(210)과 개방력(200)의 크기 변화에 기초하여 제1 구성으로부터 제2 구성으로, 그리고 제2 구성으로부터 제3 구성으로 전환하도록 구성될 수 있다. 또한, 전기화학 전지(100)는 폐쇄력(210)과 개방력(200)의 크기 변화에 기초하여 제3 구성으로부터 제2 구성으로, 그리고 제2 구성으로부터 제1 구성으로 전환할 수 있다. 제1 구성, 제2 구성 및 제3 구성 사이의 전환은 작동 중에 폐쇄력(210)과 개방력(200)의 크기 변화에 반응하여 연속적으로 발생할 수 있다는 사실을 고려한다.
다른 실시예에 있어서, 밀봉부들의 탄성 계수 또는 경도계(durometer)는 밀봉부들의 분산된 안착 해제를 제공하기 위해 상기 밀봉부들의 두께 대신 상이하게 될 수 있다는 사실이 고려된다. 또 다른 실시예에 있어서, 두께 및 탄성 계수는 변할 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 상술된 바와 같은 밀봉부들의 구성은 케스케이드 밀봉 구성으로서 분류될 수 있다. 상기 케스케이드 밀봉 구성은 여러가지 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 케스케이드 밀봉 구성은 3가지 레벨의 밀봉 보호 형태로 밀봉 가외성을 제공함으로써 전기화학 전지(100)를 빠져나가는 고압 수소의 잠재성을 제한시킬 수 있다. 수소 누출의 잠재성이 감소됨으로써 안전성과 에너지 효율 측면에서 유익할 수 있다.
또한, 상기 케스케이드 밀봉 구성은 압력을 자기 조절을 허용할 수 있다. 압력의 자기 조절은 밀봉부 두께의 차이로 인해 달성될 수 있으며, 그 결과 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191)의 안착 해제가 분산된다. 예를 들어, 전기화학 전지(100)가 도 4b에 도시된 바와 같이 제2 구성에 있을 때, 제1 밀봉부(171)는 제1 유체(172)를 중간압 구역(180) 내로 누출시키기 위해 안착 해제될 수 있다. 중간압 구역(180) 내로 누출된 제1 유체(172)는 고압 구역(170)으로부터 압력을 추출할 수 있다. 고압 구역(170)으로부터 압력을 추출함으로써, 개방력(200)은 감소될 수 있다. 개방력(200)의 강하는 이극성 판(150, 160)들의 제1 분리가 역전되도록 허용하여, 제2 구성으로부터 제1 구성으로의 전기화학 전지(100)의 전환 및 제1 밀봉부(171)의 재안착을 발생시킬 수 있다.
제1 밀봉부(171)에 의해 누출되는 제1 유체(172)는 제2 유체(182)와 결합될 수 있으며 전기화학 전지(100)에 의해 활용될 수 있으며, 실제로, 누출된 제1 유체(172)는 재생될 수 있다. 이와 같이 누출 및 이어지는 재생의 결과는 누출된 수소가 PEM(130)을 통해 2배 펌핑되므로 압축 효율의 손실을 초래할 수 있다. 그러나, 전체 효율 손실보다는 여전히 작은 압축 효율에 있어서의 잠재적 손실은 누출된 수소가 회복되지 않고 대신에 전기화학 전지(100)의 외부로 누출되고 소실되는 경우에만 발생한다.
고압 구역(170)으로부터의 압력의 추출이 제2 구성으로부터 제1 구성으로의 전환을 발생시키기에 충분하지 않을 경우, 제2 분리가 발생하여, 전기화학 전지를 제2 구성으로부터 제3 구성으로 전환시킬 수 있다. 도 4c에 도시된 바와 같은 제3 구성에 있어서, 이극성 판(150, 160)들의 제2 분리는 제2 밀봉부(181)를 안착 해제시켜, 제2 유체(182)가 저압 구역(190) 내로 누출되게 할 수 있다. 저압 구역(190) 내로 누출되는 제2 유체(182)는 중간압 구역(180)으로부터 압력을 추출할 수 있다. 중간압 구역(180)으로부터 압력을 추출함으로써, 개방력(200)은 추가로 감소될 수 있다. 개방력(200)의 강하는 이극성 판(150, 160)들의 제2 분리가 역전되도록 허용하여 제3 구성으로부터 제2 구성으로의 전기화학 전지(100)의 전환 및 적어도 제2 밀봉부(181)의 재안착을 발생시킬 수 있다.
중간압 구역(180)으로부터 저압 구역(190)으로의 제2 유체(182)의 추출 결과 전지 효율이 손실될 수 있다. 그러나, 제2 유체(182)(즉, 수소 가스)가 전기화학 전지(100)로부터 방출될 가능성을 감소시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
다양한 실시예들에 있어서, 저압 구역(190)에서의 제3 유체(192)의 압력은 모니터링될 수 있다. 제2 밀봉부(181)의 안착 해제는 제2 유체(182) 압력을 저압 구역(190) 내로 추출시킴으로써 발생되는 저압 구역(190)에서의 압력 증가를 유발시킬 수 있다. 따라서, 제3 유체(192)의 압력을 모니터링함으로써, 제2 밀봉부(181)의 안착 해제가 감지될 수 있다. 또한, 전기화학 전지(100)는 저압 구역(190) 내의 압력이 임계 압력에 도달하기 전에 정지되도록 구성될 수 있다. 상기 임계 압력은 제1 유체(172), 제2 유체(182) 및 제3 유체(192)가 전기화학 전지(100)를 빠져나가도록 제3 밀봉부(191)가 안착 해제되는 압력 바로 미만으로 설정될 수 있다.
압력의 모니터링은 다양한 수단으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 압력 전송기가 각각 중간압 구역 또는 저압 구역(180 또는 190)에서의 압력을 판독하도록 구성될 수 있으며, 상기 압력이 임계 압력 설정값에 도달할 때, 애노드(110)와 캐소드(120)에 대한 전위가 차단되어, 수소가 PEM(130)을 가로질러 펌핑되는 것을 추가로 방지할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 중간압 구역(180)에서의 제2 유체(182)의 압력과 고압 구역(170)에서의 제1 유체(172)의 압력이 또한 모니터링될 수 있다. 예를 들어, 제2 유체(182)의 압력을 모니터링함으로써, 압력이 제2 밀봉부(181)가 안착 해제될 수 있는 지점에 도달하기 전에, 전지를 정지시킬 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, 제1 유체(172) 또는 제2 유체(182)(예를 들면, 고압 또는 저압 수소)가 저압 구역(190) 내로 추출될 때, 이는 제3 유체(192)(예를 들면, 냉각 유체)와 혼합될 수 있고, 순환하는 제3 유체(192)에 의해 저압 구역(190) 외부로 운반될 수 있다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 전기 화학 수소 재생 시스템(EHRS)(500)을 도시한다. EHRS(500)은 상술된 바와 같이 케스케이드 밀봉 구성을 갖는 전기화학 전지(100)를 포함할 수 있다. 전기화학 전지(100)에 더하여, EHRS(500)은 수소 복구 장치(510)를 포함할 수 있다. 장치(510)는 전기화학 전지(100)의 중간압 구역(180) 및 저압 구역(190)과 유체 소통할 수 있다. 장치(510)는 저압 구역(190)으로부터 방출되는 제3 유체(192)를 수용할 수 있으며, 제3 유체(192)에 수용된 어떠한 제2 유체(182)의 적어도 일부를 회수하도록 구성될 수 있다. 제3 유체(192)가 수소 재생 장치(510)를 통과한 후에, 제3 유체는 저압 구역(190)으로 재공급될 수 있다. 수소 재생 장치(510)에 의해 제3 유체(192)로부터 회수된 어떠한 제2 유체(182)도 수소 재생 장치(510)과 중간압 구역(180)을 유체 연결하도록 구성된 재생 라인(520)에 의해 중간압 구역(180) 내로 재도입될 수 있다. 재생 제2 유체(182)는 전체 시스템 효율을 개선시킬 수 있다. 제2 유체(182)가 수소 가스일 때, 예를 들면, 재생 제2 유체(182)는 새롭게 요구되는 수소의 양을 감소시킨다.
수소 재생 장치(510)는 제3 유체(192)로부터 제2 유체(182)를 분리하기 위해 예를 들어, 액체 냉각제로부터 액화된 가스 분리 또는 질소 블랭킷으로부터의 수소 분리 멤브레인과 같은 다양한 기술을 사용할 수 있다.
다양한 실시예들에 있어서, EHRS(500)은 저압 구역(190)에 있는 제3 유체(192)의 압력을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 저압 구역(190) 내의 제3 유체(192)의 압력을 모니터링함으로써, 수소 재생 장치(510)는, 제2 밀봉부(182)가 안착 해제되고 제2 유체가 저압 구역(190) 내로 누출되었음을 나타낼 수 있는, 오직 증가된 압력이 감지되었을 때만 결합 또는 에너지화될 수 있도록 구성될 수 있다. 수소 재생 장치의 사용을 한정시킴으로써, 전체 시스템 효율이 증가될 수 있다.
전기화학 전지(100)는 약 15,000 psig 초과의 압력차에서 작동할 수 있다. 예를 들어, 압력차는 약 -10 psig 내지 약 0 psig, 또는 약 0 psig 내지 약 25 psig, 약 100 psig, 약 500 psig, 약 1,000 psig, 또는 약 6,000 psig 범위를 가질 수 있는 제2 유체(182) 압력(즉, 입구 수소 압력)과 상기 입구 수소 압력의 저부 경계로부터 약 15,000 psig 초과로의 범위를 가질 수 있는 제1 유체(172) 압력(즉, 압축된 수소 압력) 사이의 차이로서 측정될 수 있다. 상술된 바와 같은 차압은 제1 밀봉부(171)에 의해 겪은 차압일 수 있다. 제2 밀봉부(181)는 제2 유체(182)와 제3 유체(192) 사이에서 약 0 psig 내지 약 25 psig 사이, 약 100 psig, 약 500 psig, 약 1,000 psig, 또는 약 6,000 psig 범위의 차압을 겪을 수 있다.
상술된 케스케이드 밀봉 구성은 폐쇄력(210)이 특정 개방력(200)으로 조절(즉, 감소 또는 증가)되게 한다. 전통적으로 폐쇄력(210)은 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191) 상에 내부 압력에 의해 발생되는 예상 개방력(200)에 충분한 내성을 가질 수 있는 예비부하를 전달하도록 설정될 수 있다. 그러나, 전기화학 전지(100)가 작동하는 동안 예비부하를 변경시키거나 또는 폐쇄력(210)을 조절함으로써, 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191)를 안착 해제시키는 압력이 조정될 수 있어서, 그들은 각각 더욱 적합한 특정 압력에서 안착 해제 및 누출된다.
전기화학 전지(100)의 조정 능력은 상기 장치의 안전성을 강화하기 위해 사용될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 밀봉부들을 안착 해제시킴으로써, 고압의 추출 및 상기 밀봉부들의 재안착을 가능하게 한다. 따라서, 폐쇄력(210)을 조정함으로써, 전기화학 전지는, 고장이 발생할 경우 수소의 방출을 초래할 수 있는 다른 구성 요소들 대신에, 압력 증가에 반응하기 위한 상기 밀봉부들이 첫번째 구성 요소가 되도록 구성될 수 있다.
도 6은 전기화학 전지(100)의 밀봉부들을 조정하는 방법에 대한 흐름도(600)를 도시한다. 상기 방법은 상술된 바와 같은 케스케이드 밀봉 구성에서 다수의 밀봉부들을 가질 수 있는 전기화학 전지(100)를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 다음에, 상기 방법은 예상 작동 압력에 기초하여 상기 전기화학 전지에 초기 폐쇄력을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 초기 폐쇄력을 인가한 후에, 상기 전지는 에너지화될 수 있고 작동이 개시될 수 있다. 작동되는 동안, 전기화학 전지(100) 내의 저압 구역, 중간압 구역 및 고압 구역들의 압력은 연속적으로 또는 단속적으로 모니터링될 수 있다. 모니터링된 압력 및 유발 개방력에 기초하여, 상기 폐쇄력이 조절될 수 있다. 상기 폐쇄력의 조절은 다수의 밀봉부들 중 적어도 하나가 안착 해제되는 압력을 변경시킬 수 있다. 이와 같은 공정은 상기 전기화학 전지의 작동을 통해 지속될 수 있거나, 또는 시동시 초기에 오직 한정된 기간 동안만 실행되도록 구성될 수 있다. 요구에 따라, 전기화학 전지의 작동은 종결될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 밀봉부(171)는 판(150, 160)들이 분리되는 일 없이 고압 구역(170)에 있는 제1 유체(172)의 압력으로 인해 안착 해제될 수 있다는 사실을 고려한다. 마찬가지로, 제1 밀봉부(171)와 제2 밀봉부(181) 모두는 판(150, 160)들이 분리되는 일 없이 고압 구역(170)에 있는 제1 유체(172) 및 중간압 구역(182)에 있는 제2 유체(182)의 압력으로 인해 안착 해제될 수 있다. 이들 실시예들에 있어서, 적어도 제1 유체(172)의 압력, 및 특정 실시예들에 있어서 제1 유체(172) 및 제2 유체(182)의 압력 모두가 모니터링될 수 있다. 모니터링된 압력들에 기초하여, 상기 폐쇄력이 조절될 수 있다. 폐쇄력(210)은 각각 제1 어깨부(173), 제2 홈(183) 및 제3 홈(193)에 대한 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 및 제3 밀봉부(191)의 기하학적 구성 및/또는 두께에 기초하여 추가로 조정될 수 있다.
다소의 밀봉부들 및 압력 구역들이 고려된다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같은 다른 실시예에 있어서, 전기화학 전지(100)는 제1 밀봉부(171)와 제2 밀봉부(181)를 포함할 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 바와 같은 전기화학 전지(100)는 고압 구역(170)을 한정하는 제1 밀봉부(171)를 포함할 수 있다. 제1 밀봉부(171)는 이극성 판(150, 160)들 사이에 위치될 수 있으며 고압 구역(170) 내에 제1 유체(172)를 수용하도록 구성될 수 있다. 전기화학 전지(100)는 중간압 구역(180)을 한정하는 제2 밀봉부(181)를 추가로 포함할 수 있다. 제2 밀봉부(182)는 이극성 판(150, 160)들 사이에 위치될 수 있으며 중간압 구역(180) 내에 제2 유체(182)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제1 밀봉부(171)는 완전히 제2 밀봉부(181)에 포함될 수 있다. 전기화학 전지(100)는 보조적인 제1 밀봉부(175, 176)들을 추가로 포함할 수 있다. 보조적인 밀봉부(175 및 176)는 제1 밀봉부(171) 외부에, 그러나 제2 밀봉부(181) 내에 위치될 수 있다.
또한, 전기화학 전지(100)과 관련하여, 제1 유체(172)는 제2 유체(182)보다 높은 압력에 있게 된다. 제1 밀봉부(171)와 제2 밀봉부(181)는 일반적으로 장방형의 단면을 가질 수 있다. 제2 밀봉부(181)의 두께는 제1 밀봉부(171)의 두께보다 클 수 있다. 제1 밀봉부(171)는 제1 밀봉부(171)가 안착 해제될 때 제1 유체(172)를 중간압 구역(180) 내로 누출시키도록 구성될 수 있다. 그와 같은 실시예에 있어서, 전기화학 전지(100)는 제2 밀봉부(181)가 안착 해제되기 전에 정지되도록 구성될 수 있으며, 따라서 제2 유체(182)가 중간압 구역(180)으로부터 누출될 가능성을 감소시킨다.
전기화학 전지(100) 내의 제1 밀봉부(171) 및 제2 밀봉부(181)는, 이극성 판(150, 160)들에 인가된 폐쇄력이 이극성 판(150, 160)들 내의 개방력보다 클 때, 제1 유체(172) 및 제2 유체(182)의 누출을 방지하는 안착 상태로 남아 있도록 구성될 수 있다. 이극성 판(150, 160)들에 인가된 폐쇄력이 이극성 판(150, 160)들 내의 개방력에 접근할 때, 제1 밀봉부(171)는 제2 밀봉부(181)가 안착 해제되어 제1 유체(172)가 제1 밀봉부(171)를 지나 중간압 구역(180) 내로 누출되기 전에 안착 해제되도록 구성될 수 있다. 제1 밀봉부(171)를 지나 누출된 제1 유체(172)는 제2 유체(182)와 혼합될 수 있으며 재생될 수 있다.
다른 예(도시되지 않음)에 있어서, 전기화학 전지(100)는 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181), 제3 밀봉부(191) 및 제4 밀봉부를 포함할 수 있다. 본 예에 있어서, 상기 제4 밀봉부는, 제2 밀봉부(181)와 제3 밀봉부(191) 사이에서, 제3 밀봉부(191) 내에 완전히 수용될 수 있다. 즉, 상기 제4 밀봉부는, 예를 들면, 제2 유체(182) 및 제3 유체(192) 모두의 압력보다 낮은 압력을 갖는 유체를 수용하는 진공 또는 수소 재생 구역일 수 있는 제4 압력 구역을 한정할 수 있다. 제4 밀봉부는 제2 밀봉부(181)의 두께보다 큰 두께를 가질 수 있다. 이와 같은 방식에 있어서, 제2 밀봉부(181)는 제2 밀봉부(181)가 안착 해제될 때 제2 유체(182)를 상기 제4 압력 구역 내로 누출시키도록 구성될 수 있다.
도 8 및 도 11은 제1 밀봉부(171)의 예시적 실시예들을 도시한다. 상술된 바와 같이, 제1 밀봉부(171)는 고압 구역(170)을 한정하며, 고압 구역(170) 내에 제1 유체(172)(예를 들면, 수소)를 수용하도록 구성될 수 있다. 고압 구역(170)은 PEM(130)의 고압 캐소드측(120)에 대응할 수 있다. 캐소드(120)에 형성된 수소는 고압 구역(170)에 수집될 수 있으며 제1 밀봉부(171)에 의해 수용될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 고압 구역(170) 내 수소는 15,000 psig 초과의 압력을 가질 수 있다.
아래에서 더욱 상세하게 설명되겠지만, 제1 밀봉부(171)는, 전기화학 전지(100)의 격실을 밀봉하고 장 기간(예를 들면, 10년 초과) 동안 15,000 psig 초과의 압력에 견디며 또한 많은 압력 사이클(예를 들면, 10,000 사이클 초과)에 견딜 수 있는 구성 요소들의 조립체를 포함할 수 있다. 상기 예시적 실시예들에 있어서, 상기 밀봉 구성 요소들은 가스킷(300); 이극성 판(150, 160) 중 하나에 형성된 밀봉면(350); 및 PEM(130)을 포함한다. 제1 밀봉부(171)는 밀봉면(350)에 대한 가스킷(300)의 압축 및 가스킷(300)에 대한 PEM(130)의 압축에 의해 형성될 수 있다. 다른 밀봉부들은 아래에서 설명되는 하나 이상의 특징들을 포함할 수 있으며, 제1 밀봉부(171)와 결합하여 사용될 수 있다. 또한, 아래에서 설명하고 있는 특징들은 전기화학 전지의 다른 구성 요소들을 밀봉하기 위해 사용될 수 있으며 및/또는 케스케이드 밀봉 구성을 채택하지 않는 전지들에서 사용될 수 있다는 사실을 이해하게 될 것이다.
도 8은 예시적 실시예에 따른 전기화학 전지(100)의 횡단면도이다. 도 8에 설명된 바와 같이, 전기화학 전지(100)는 애노드 격실(110), 양자 교환 멤브레인(PEM)(130), 및 이극성 판(150, 160)들 사이에 배치된 캐소드 격실(120)을 포함한다. 밀봉면(350)은 이극성 판(150, 160)들 중 하나에 형성될 수 있으며, 밀봉될 격실의 경계에 인접 위치될 수 있다. 도 8에서, 밀봉면(350)은 캐소드 격실(120) 경계의 외부에 위치된다. 가스킷(300)은 밀봉면(350)과 PEM(130) 사이에 위치된다.
전기화학 전지(100)의 조립 동안, 가스킷(300)은 제1 밀봉부(171), 제2 밀봉부(181) 또는 제3 밀봉부(191)를 형성하기 위해 이극성 판(160)과 PEM(130)의 밀봉면(350)에 대해 압축될 수 있다. 가스킷(300)은 밀봉면(350)에 의한 압축 하에 가스킷(300)이 일차로 소성 변형을 겪도록 구성될 수 있다. 특히, 가스킷(300)은 요구되는 밀봉 압력보다 크나 밀봉면(350)의 압축 항복 강도보다 낮은 크리프 율(creep modulus) 및 압축 항복 강도를 갖는 "강성" 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 가스킷(300)은 12,000 psi보다 높은 압력에 대한 충분한 내성을 갖는 범위의 크리프 율 및/또는 압축 항복 강도를 갖는 물질로 제조될 수 있다. 가스킷(300)은 PEM(130)보다 높은 항복 강도를 가질 수 있어서, 밀봉부는 강성 가스킷 물질의 표면에 대항하는 연성의 PEM 물질의 압축에 의해 형성된다. 대안적으로, 가스킷(300)은 요구 밀봉 압력보다 낮은 압축 항복 강도를 갖는 물질로 제조될 수 있다. 요구 밀봉 압력보다 큰 압축 압력은, 밀봉 표면(350) 상의 돌출부들 및 이극성 판(160)의 벽에 의해 속박되는 가스킷에 의해, 여전히 상기 가스킷(300)에 인가될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 가스킷(300)은, 비제한적으로, 톨론®, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리카보나이트, 폴리이미드, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), 폴리우레탄, 아세탈, 나일론, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리술폰을 포함하는 중합체 밀봉 물질로 제조될 수 있다. 상기 중합체 가스킷 물질들은 내산성일 수 있으며, 또한 전기화학 전지(100)의 작동에 유해한 물질들을 침출시키지 않게 된다. 다른 실시예들에 있어서, 가스킷(300)은, 비제한적으로, 주석, 주석 합금, 스테인리스강, 은, 백금 및 금을 포함하는 금속 물질로 제조될 수 있다. 상기 금속 가스킷 물질들은 내부식성이거나 또는 내부식성 코팅을 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 가스킷(300)은 중합체 및/또는 금속 물질들의 합성물로 제조될 수 있다.
가스킷(300)의 형상, 두께, 및 폭을 포함하는 가스킷(300)의 치수는 변화될 수 있으며, 전기화학 전지(100)의 치수들에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 가스킷(300)은 0.25 인치 내지 0,001 인치 범위의 두께를 갖는 대체로 장방형의 단면을 가질 수 있다. 상기 두께는 전지의 수직 축(Y)을 따라 측정된다. 이와 같은 실시예들에 있어서, 가스킷(300)은 3:1 내지 25:1 이상 범위의 폭-대-두께의 종횡비를 가질 수 있다.
밀봉면(350)은 가스킷(300)을 소성 변형시키고 밀봉부를 생성하기에 충분한 압력을 인가하도록 구성된 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 밀봉면(350)은 하나 이상의 돌출부(380)를 갖는 면일 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 가스킷을 소성 변형시키고 또한 밀봉면을 생성시키기에 충분한 응력을 생성하도록 압축력이 인가된다. 상기 돌출부(380)들은 밀봉부 내로 압축될 때 응력 집중원들로서 기능할 수 있으며, 목표 밀봉 압력보다 큰 재료에서의 국부적 응력을 발생할 수 있다. 비록 3개의 돌출부(360)들이 설명되어 있으나, 그보다 많거나 또는 적은 돌출부들이 제공될 수도 있다는 사실을 이해하게 될 것이다.
상기 돌출부들은 가스킷(300)을 변형시키기에 충분한 어떠한 공지된 기하학적 구성도 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 돌출부들은 삼각형 구성(360a; 도 9a), 커스프(cusp) 구성(360b; 도 9b), 또는 편평 블레이드 구성(360c; 도 9c)을 가질 수 있다. 상기 돌출부들에 대해 고려될 수 있는 다른 기하학적 구성은 부분적으로 라운딩된 구성, 및 반원형 구성을 포함한다. 각각의 돌출부의 구성은 다른 돌출부들의 구성과 다를 수 있거나 또는 모든 돌출부들에 대해 동일할 수 있다는 사실도 고려될 수 있다. 도 9a 내지 도 9c에서는 예시적 돌출부들이 동일한 높이를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 어느 하나 이상은 나머지보다 크거나 짧게 되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 모든 다른 돌출부들은 동일한 높이를 가질 수 있으며, 최외측 돌출부들은 가장 크게 될 수 있고 동일한 높이에 위치할 수 있으며, 하나 이상의 내측 돌출부들이 클 수 있으며, 상기 돌출부들은 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 이동하며 높이가 낮아지거나 높아질 수 있으며, 또한 모든 돌출부가 다른 높이에 위치할 수 있다. 상이한 높이의 돌출부들을 갖는 실시예들은 다른 구성 요소들의 공차들을 기계 가공하는데 있어서 가변성을 더욱 고려하도록 구성될 수 있다.
돌출부(360)들과 가스킷(300)은 가스킷(300) 일부의 상부면과 돌출부(360)들 사이에 작은 갭을 남기도록 서로에 대해 위치될 수 있다. 조립되는 동안, 돌출부(360)들은 가스킷(300)에 대해 압축될 수 있어서 각각의 돌출부(360)가 내부로 압축되고 가스킷(300)으로 밀봉된다. 추가의 압축력들이 이극성 판(150, 160)들에 인가됨에 따라, 충분한 응력이 형성되어, 가스킷(300)을 소성 변형시키고 밀봉부를 생성한다.
예시적 실시예에 있어서, 밀봉면은 예리한 나이프 에지(knife edge)로 기계 가공된 하나 이상의 돌출부를 갖는 나이프 에지 밀봉면일 수 있다. 조립 동안, 이들 돌출부들은 가스킷(300)에 대해 압축될 수 있어서, 각각의 돌출부의 나이프 에지가 가스킷(300) 내에 압축되고 상기 가스킷과 함께 밀봉되게 한다. 추가의 압축력들이 이극성 판(150, 160)들에 인가됨에 따라, 충분한 응력이 형성될 수 있어서, 가스킷(300)을 소성 변형시키고 밀봉부를 생성한다.
가스킷(300)은 돌출부(360)들에 대한 적절한 높이와 폭의 치수를 선택함으로써 비압축된 두께의 미리 결정된 백분율만큼 압축될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 돌출부(360)들은 가스킷 내에 의도적으로 비균일한 응력장을 형성하도록 배열될 수 있으며, 여기서 상기 응력장 부분의 크기는 밀봉될 가스 압력부의 수준보다 크다.
도 9d 및 도 9e는, 각각 비압축된 상태 및 압축된 상태에서의, 도 9a에 도시된 이극성 판의 밀봉면에 대한 단면도를 제공한다. 도 9d에 있어서, 가스킷(300)의 폭은 WG1으로 나타내고, 가스킷(300)의 높이는 hG1으로 나타내고, 이극성 판(160)에서의 포켓 깊이는 dp로 나타내었다. 돌출부(360)들과 관련하여, 높이는 ht로 나타내었고, 돌출부(360)들 사이의 공간은 St로 나타내었다.
특정 실시예들에 있어서, hG1:dp의 비는 0.8:1 내지 1.5:1의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들면, 0.9:1 내지 1.3:1, 0.9:1 내지 1.4:1의 범위, 1:1 내지 1.3:1의 범위, 1:1 내지 1.2:1의 범위를 가질 수 있다. 또한, ht:hG1의 비는 0.05:1 내지 0.75:1의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들면, 0.1:1 내지 0.7:1의 범위, 0.15:1 내지 0.65:1의 범위, 0.2:1 내지 0.6:1의 범위 및 0.25:1 내지 0.6:1의 범위를 가질 수 있다. 또한, St:ht의 비는 0.5:1 내지 10:1의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들면, 0.1:1 내지 10:1의 범위, 0.2:1 내지 8:1의 범위, 0.5:1 내지 6:1의 범위, 및 1:1 내지 5:1의 범위를 가질 수 있다. 추가의 실시예들에 있어서, hG1:dp, ht:hG1 및 St:ht의 비는 모두 상술된 적어도 하나의 범위 내에 있을 수 있다.
도 9e에 있어서, 가스킷(300)의 폭은 WG2로 나타내며, 가스킷(300)의 높이는 hG2로 나타내고 있으며, 상기 가스킷이 압축되는 본 실시예에 있어서, 이극성 판(160)의 포켓 깊이(dp)는 hG2와 동일하다. 본 실시예에 있어서, 상기 포켓 깊이는 Wp로 도시한다.
특정 실시예들에 있어서, WG1:Wp의 비는 0.25:1 내지 2:1의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들면, 0.5:1 내지 2:1의 범위, 0.75:1 내지 2:1의 범위, 1:1 내지 2:1의 범위, 및 0.25:1 내지 1:1의 범위를 가질 수 있다. 또한, WP:St의 비는 1:1 내지 20:1의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들면, 1:1 내지 15:1, 1:1 내지 10:1, 5:1 내지 20:1, 및 5:1 내지 10:1의 범위를 가질 수 있다. 추가의 실시예들에 있어서, WG1:Wp 및 WP:St의 비는 모두 상술된 적어도 하나의 범위 내에 있을 수 있다.
도 9f는 서로로부터 특정 거리(St)만큼 이격된 특정 높이(ht)를 갖는 한 세트의 돌출부(360)들을 설명하고 있으며, 각각의 돌출부의 경사진 측면들은 각도(α)를 형성할 수 있다. 다양한 실시예들에 따라서, 상기 돌출부(360)들의 높이는 0.001 내지 0.020 인치의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들어, 0.003 내지 0.020 인치의 범위, 0.005 내지 0.015 인치의 범위, 0.006 내지 0.010 인치의 범위를 가질 수 있다. 다양한 실시예들에 따라서, 돌출부들 사이의 거리는 0.01 내지 0.2 인치의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들어, 0.05 내지 0.1 인치의 범위, 0.02 내지 0.05 인치의 범위, 0.02 내지 0.03 인치의 범위를 가질 수 있다. 다양한 실시예에 따라서, 각도(α)는 55 내지 125°의 범위를 가질 수 있으며, 예를 들면, 60 내지 120°, 65 내지 115°, 75 내지 105°, 및 80 내지 100° 범위를 가질 수 있다. 추가의 실시예들에 있어서, 돌출부들의 높이, 돌출부들 사이의 거리, 및 돌출부들의 각도는 모두 상술된 적어도 하나의 범위 내에 있을 수 있다.
대안적 실시예들에 있어서, 밀봉면(350')이 이극성 판들 중 하나 대신에 가스킷(300') 상에 제공될 수 있다(도 10). 본 실시예에 따르면, 이극성 판(160)은 편평한 면을 가질 수 있으며, 이극성 판(160)과 접촉하는 가스킷(300')의 일부는 돌출부(360')들을 포함하는 밀봉면(350')을 가질 수 있다. 상술된 실시예들에 있어서와 같이, 돌출부(360')들은 예리한 나이프 에지로 기계 가공될 수 있다. 전기화학 전지(100)의 조립시에, 밀봉면(350')은 가스킷(300')의 돌출부(360')들을 소성 가공하기 위해 이극성 판(160)에 대해 압축될 수 있다. 이와 같은 돌출부들이 소성 변형됨에 따라, 각각의 돌출부의 나이프 에지는 밀봉면(350') 내에 압축되고 상기 밀봉면으로 밀봉될 수 있다..
도 8로 돌아가서, PEM(130)은 밀봉면(350) 반대편의 가스킷(300)의 측면에 대해 압축될 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, PEM(130)은 가스킷(300)보다 낮은(예를 들면, 더욱 연성인) 항복 강도를 갖는 물질로 제조될 수 있다. 이와 같은 구성에 있어서, 밀봉부는 강성 가스킷 물질의 표면에 대한 연성 PEM 물질의 압축에 의해 형성된다.
대안적 실시예들에 있어서, 멤브레인 또는 멤브레인형 물질이 가스킷(300)의 적어도 한 측부 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 또는 멤브레인형 물질(370)은 이극성 판(160)과 가스킷(300) 사이에 제공될 수 있다(도 11). 일부 실시예들에 있어서, 멤브레인(370)은 또한 가스킷(300)과 PEM(130) 사이에(예를 들면, 가스킷(300)의 양 측부들 상에) 제공될 수 있다.
멤브레인(370)은 나이프 에지 밀봉부 대신 사용되는 "연성 가스킷"일 수 있다. 특히, 멤브레인(370)은 가스킷(300)보다 작은 크리프 율 및 압축 항복 강도를 갖는 "연성" 물질로 제조될 수 있다. 밀봉부는 가스킷(300)과 이극성 판(160)에 대한 멤브레인(370)의 압축에 의해 형성될 수 있다. 멤브레인(370)이 가스킷(300)의 양 측부들 상에 제공되는 경우, 밀봉부는 또한 가스킷(300)과 PEM(130)에 대해 멤브레인(370)을 압축함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 멤브레인(370)은 접착 물질들 또는 공지된 결합 방법들에 의해 가스킷(300)에 부착될 수 있다. 그와 같은 방법들은 고온 압축 또는 초음파 용접을 포함한다. 멤브레인(370)을 가스킷(300)에 접착함으로써, 전기화학 전지(100)의 조립에 도움을 줄 수 있고, 또한 멤브레인(370)과 가스킷(300) 사이의 밀봉을 개선할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 애노드 격실(110)의 경계는 밀봉된 캐소드 격실(120)의 경계 이상으로 연장할 수 있다(도 12a 내지 도 12d). 이와 같은 실시예들에 있어서, 얇은 가스 확산층(380)이 캐소드 격실(120)의 경계 이상으로 연장하는 애노드 격실(110)의 일부와 PEM(130) 사이에 제공될 수 있다. 도 12a 내지 도 12d에 도시된 예시적 실시예에 있어서, 가스 확산층(380)은 가스킷(300) 맞은편에 위치한 PEM(130)의 측부를 따라 배치된다.
가스 확산층(380)은 전지 내의 가스 및 액체 전송을 위한 확산 매체로서 작용할 수 있으며, 상기 전지로부터 열과 공정 용수를 제거하기 위해 도움을 줄 수 있으며, 일부의 경우, PEM(130)에 약간의 기계적 지지를 제공할 수 있다. 가스 확산층(380)은 직물 또는 비직조 카본 또는 기타 전도성 직물 소재를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, "프릿(frit)"-형 밀집 소결된 금속들, 스크린 팩들, 익스팬디드 메탈(expanded metal), 메탈폼(metal foam) 또는 3차원 다공성 금속 기판이 구조적 지지를 제공하기 위해 가스 확산층(380)의 적어도 일부와 결합하거나 또는 확산층의 적어도 일부를 대신해서 사용될 수 있다.
또한, 이들 실시예들에는 PEM(130)을 지지하기에 충분한 소정 크기, 형상 및/또는 구조를 가질 수 있는 보강층(385)이 제공된다. 보강층(385)은 비균일 유동 범위에 의해 발생되는 과도한 응력으로 인한 압출 또는 파열을 방지하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 보강층(385)은 폴리에스터 수지로 제조될 수 있다.
도 12a 및 도 12c에 도시된 예시적 실시예에 있어서, 보강층(385)은 가스킷(300)과 실제로 동일한 길이 치수를 갖는다. 도 12b 및 도 12d에 도시된 다른 예시적 실시예에 있어서, 보강층(385)은 가스킷(300)의 길이보다 큰 길이, 예를 들면, 가스킷(300)의 가장자리 이상으로 확장하는 보강층(385)의 부분을 갖는다. 도 12b 및 도 12d에 도시된 실시예들에 있어서, 보강층(385)은 PEM(130)이 가스킷(300)의 가장자리에서 절곡되는 경우 PEM(130)에 대한 지지를 제공한다.
다양한 실시예들에 있어서, 밀봉부의 완전성의 손실 없이 전기화학 전지(100)를 조립하기 전에, 가스킷(300), 밀봉면(350) 및 PEM(130) 사이의 밀봉 결합은 현장 검사될 수 있다. 특히, 끼움쇠(390)가 현장 검사 동안 가스킷(300)의 완전 압축을 방지하기 위해 이극성 판(150, 160)들 사이에 배치될 수 있다. 이로 인해 가스킷(300)이 적층부에서 완전 압축될 때 밀봉면(350)에서 높은 응력을 겪을 수 있도록 보장할 수 있게 된다. 도 13에 도시된 예시적 실시예에 있어서, 끼움쇠(390)는 이극성 판(150, 160)들 사이에 위치되어, 밀봉부(171)의 깊이를 증가시키고, 현장 검사 동안 상기 가스킷(300)의 완전 변형을 방지한다.
상술된 밀봉 조립체는 몇가지 장점을 제공할 수 있다. 종래의 탄성중합체 밀봉부들은 적은 압축력을 필요로 하는 반면, 상기 탄성중합체 밀봉부들은 압출 및 폭발적 압력 감소에 민감할 수 있다. 이와는 대조적으로, 상술된 가스킷(300)은 더욱 탄성적일 수 있다. 상술된 바와 같이, 상술된 가스킷(300)은 밀봉면(350)보다 연성이 되도록, 그리고 PEM(130)보다 강성이 되도록 선택될 수 있다. 따라서, 가스킷(300)은 15,000 psi 초과의 압력을 밀봉할 수 있다. 또한, 가스킷(300)은 종래 밀봉 설계들에서보다 포켓 깊이 및 유동 범위 두께에 있어서의 더욱 큰 치수 공차를 제공할 수 있다. 가스킷(300)이 상대적으로 큰 두께 범위 이상으로 변형될 수 있게 됨에 따라, 가스킷(300)은 포켓 깊이 및 유동 범위의 편차를 수용할 수 있게 됨과 동시에 여전히 상대적으로 균일한 압축 압력을 유지할 수 있게 된다.
도 14는 제1 구성 요소(801) 및 케스케이드 밀봉 구성을 위해 구성된 제2 구성 요소(802)를 구비하는 2-피스 이극성 판(800)을 포함하는 이극성 판(150, 160)들의 일 실시예를 도시한다. 제1 구성 요소(801)는 유동 구조체(805)와 유체 소통하는 공동(803)을 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학 전지(100)는 MEA(140)의 각각의 측부 상에서 전기화학 전지(100) 내에 전기 전도성 가스 확산층들을 추가로 포함할 수 있다. 가스 확산층들은 상기 전지 내의 가스 및 액체 전송을 위한 확산 매체로서 작용할 수 있으며, 이극성 판(150, 160)들과 PEM(130) 사이에 전기 접속을 제공하고, 상기 전지로부터 열과 공정 용수를 제거하기 위해 도움을 줄 수 있으며, 일부의 경우, PEM(140)에 기계적 지지를 제공할 수 있다. 또한, 유동 범위들로서 공지된, 이극성 판(150, 160)들 내 채널(도시되지 않음)들은 MEA(140)의 애노드(110) 및 캐소드(120)로 가스를 공급하도록 구성될 수 있다. PEM(130)의 각 측부 상의 반응 가스들은 유동 범위들을 통해 유동할 수 있으며 다공성 가스 확산층을 통해 확산될 수 있다. 유동 범위들 및 가스 확산층들은 연속적으로 위치될 수 있으며 내부 유체 스트림에 의해 결속될 수 있다. 따라서, 상기 유동 범위 및 가스 확산층들은 집합적으로 유동 구조체(805)를 형성할 수 있다.
제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 일반적으로 평평할 수 있으며 또한 일반적으로 장방형의 프로파일을 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 구성 요소(801 및 802)들은 정방형, "레이스-트랙(race-track)"(즉, 반 타원형 측면을 갖는 대체로 장방형), 원형, 계란형, 타원형 또는 기타 형태와 같은 형상의 프로파일을 가질 수 있다. 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)의 형태는 전기화학 전지(100)의 다른 구성 요소(예를 들면, 캐소드, 애노드, PEM, 유동 구조체 등)들 또는 전기화학 전지 적층부에 대응할 수 있다.
제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 각각 하나 이상의 물질들로 제조될 수 있다. 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 동일한 물질이나 또는 상이한 물질들로 제조될 수 있다. 구성 요소(801 및 802)는 스테인리스 강, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 아이언 등과 같은 금속을 제조될 수 있거나, 또는 니켈 크롬 합금, 니켈-주석 합금 또는 그들의 혼합과 같은 금속 합금으로 제조될 수 있다.
제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 피복 물질, 예를 들면 하나 이상의 영역 상에 스테인리스 강을 갖는 알루미늄 피복을 포함할 수 있다. 피복재는, 예를 들면, 스테인리스 강-피복 알루미늄으로 제조된 이극성 판의 경우에, 상기 스테인리스 강은 전지 작동 동안 알루미늄 코어를 부식으로부터 방지하고, 높은 강도-대-중량 비, 높은 열 전도성 및 전기 전도성 등과 같은 알루미늄의 우월적 재료 특성을 제공한다는, 양쪽 금속들이 갖는 장점을 제공할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801)는 양극 처리되고, 밀봉되고 우수한 알루미늄을 포함할 수 있다. 구성 요소(801)로는 페인트 또는 분말 코팅과 같은 다른 코팅부들이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801)는 탄소 섬유, 흑연, 유리 보강된 중합체, 열가소성 합성물과 같은 합성 물질로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801)는 부식 및 전기 전도 모두를 방지하도록 코팅된 금속으로 형성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 제1 구성 요소(801)는 일반적으로 비전도성으로 되어, 전기화학 전지들 사이의 쇼트 가능성을 감소시킨다. 제2 구성 요소(802)는 전지 작동 동안 전기 전도성을 제공할 뿐만 아니라 내식성을 제공하는 하나 이상의 물질들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 구성 요소(802)는 활성 전지 구성 요소들이 위치하는 영역에서 전기 전도성을 갖도록 구성될 수 있다(예를 들면, 유동 구조체, MEA 등).
제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 동일 평면상의 결합을 위해 구성될 수 있다. 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 해제 가능하게 결합될 수 있거나 고정 결합될 수 있다. 사용할 수 있는 하나 이상의 부착 기구로는 예를 들면 접합 물질, 용접, 납땜, 융접, 확산 접합, 초음파 용접, 레이저 용접, 스탬핑, 리벳팅, 저항 용접, 또는 소결을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 접합 물질은 접착제를 포함활 수 있다. 적합한 적찹제로는 예를 들면 아교, 에폭시, 시아노아크릴레이트, 열가소성 시트(열 접합된 열가소성 시트 포함) 우레탄, 혐기성(anaerobic), UV-경화, 및 기타 중합체를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 마찰 결합에 의해 결합될 수 있다. 예를 들면, 상기 구성 요소들 사이의 하나 이상의 밀봉부는 우발적인 활주를 방지하기 위해 압축될 때 상기 구성 요소들 사이에 적절한 마찰력을 생성시킬 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는, 예를 들면, 스크루, 볼트, 클립 또는 기타 유사 기구들과 같은 체결구를 사용하여 해제 가능하게 결합될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 압축봉 및 너트 또는 기타 유사 기계적 압축 시스템이 이극성 판(800)을 통해 또는 외부를 따라 통과할 수 있으며, 또한, 전기화학 전지(100) 또는 다수의 전기화학 전지(100)들이 적층부에 압축됨에 따라, 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)를 함께 압축하도록 사용될 수 있다.
결합된 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)는 다수의 상이한 압력 구역들을 형성할 수 있으며, 다수의 밀봉부들은 하나 이상의 상이한 압력 구역을 한정할 수 있다. 도 14는 다수의 상이한 밀봉부들 및 압력 구역들을 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이, 다수의 밀봉부들은 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891)를 포함할 수 있다. 제1 밀봉부(871)는 제2 밀봉부(881) 내에 완전히 수용될 수 있고, 제2 밀봉부(881)는 제3 밀봉부(891) 내에 완전히 수용될 수 있다. 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891)의 형태는 도 14에 도시된 바와 같이 일반적으로 이극성 판(800)의 형태에 대응할 수 있다.
특정 실시예들에 있어서, 제1 밀봉부(871)는 상술된 바와 같이 돌출부(360)들로부터 형성된다. 예를 들면, 상기 돌출부들은 삼각형 구성(360a; 도 9a), 커스프(cusp) 구성(360b; 도 9b), 또는 편평 블레이드 구성(360c; 도 9c) 또는 밀봉면을 형성하기 위해 적합한 기타 기하학적 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891) 중 적어도 2개의 밀봉부들이 돌출부(360)들로부터 형성되고, 특정 실시예들에 있어서, 3개의 모든 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891)들이 돌출부(360)들로부터 형성된다.
제1 밀봉부(871)는 고압 구역(870)의 일부를 한정할 수 있으며, 고압 구역(870)에서 제1 유체(872)(예를 들면, 수소)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제1 밀봉부(871)는 적어도 구성 요소(801 및 802)들 사이의 고압 구역(870)의 외부 경계를 구획할 수 있다. 고압 구역(870)은 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802)가 결합될 때 공동(803)을 통해 연장하는 유동 구조체(805)를 포함할 수 있다. 제1 유체(872)는 캐소드(130)으로부터 유동 구조체(805)를 통해 고압 구역(870)으로 유동할 수 있다.
캐소드(130)에 형성된 수소는 고압 구역(870)에 수집될 수 있으며, 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802) 사이의 연결부는 제1 밀봉부(871)에 의해 밀봉될 수 있다. 고압 구역(870) 내의 수소는 압축될 수 있으며, 결과적으로, 더 많은 수소가 고압 구역(870)에 형성됨에 따라 압력이 증가한다. 고압 구역(870)에서의 수소는 15,000 psi 초과의 압력으로 압축될 수 있다. 고압 구역(870) 내의 압력은 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802) 상에 별도의 힘을 인가할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 제1 밀봉부(871)는 공통의 통로(804)들의 외부 주위로 연장하도록 구성될 수 있다. 공통의 통로(804)들은 고압 구역(870)으로부터 제1 유체(872)를 공급 또는 방출하도록 구성될 수 있다. 공통의 통로(804)들은 다중 전지 전기 화학 압축기에 있는 인접 전기화학 전지들의 공통 통로들과 유체 소통할 수 있다.
제2 밀봉부(881)는 중간압 구역(880)의 외부 원주를 한정할 수 있다. 중간압 구역(880)은 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)에 의해 구획되는 중간압 용적부(883)를 포함할 수 있다. 중간압 구역(880)은 제2 유체(882)를 수용하도록 구성될 수 있다. 중간압 구역(880)은 하나 이상의 중간압 포트(884)를 추가로 포함할 수 있다.
중간압 용적부(883)는 제2 유체(882)를 중간압 포트(884)들로 수집 및 지향시키도록 구성될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 중간압 용적부(883)는 제1 밀봉부(871)에 의해 분리된 고압 구역(870)의 원주 주위로 연장할 수 있다. 중간압 용적부(883)의 단면적 및 용적은 제1 구성 요소(801), 제2 구성 요소(802), 제1 밀봉부(871) 및 제2 밀봉부(881)의 기하학적 구성에 기초하여 변할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 중간압 용적부(883)는 다수의 중간압 용적부(883)들로, 예를 들면 2, 3, 4개 또는 그 이상의 중간압 용적부(883)들로 분리될 수 있다. 상기 다수의 중간압 용적부(883)들은 다수의 밀봉부들에 의해 분리될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 중간압 용적부(883)는 2개의 중간압 용적부(883)들로 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 밀봉부(871)는 중간압 용적부(883)를 가로질러 제2 밀봉부(881)로 연장할 수 있다. 공통의 통로(804)들 주위로 연장하는 제1 밀봉부(881)의 일부는 중간압 용적부(883)를 2개의 중간압 용적부(883)들로 분리시키는 제2 밀봉부(882)와 연결될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 상기 하나 이상의 중간압 용적부(883)는 각각 하나 이상의 중간압 포트(884)와 유체 소통할 수 있다. 중간압 포트(884)들은 중간압 용적부(883)들 내에 수용된 제2 유체(882)를 방출하도록 구성될 수 있다. 중간압 포트(884)들의 형상은 변할 수 있다. 예를 들어, 중간압 포트(884)들은 정방형, 장방형, 삼각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 기타 형상일 수 있다. 중간압 용적부(883)당 중간압 포트(884)들의 수는 1에서 약 25로 또는 그 이상으로 변할 수 있다. 중간압 포트(884)들의 단면적은 변할 수 있다. 예를 들어, 원형 중간압 포트(884)들의 직경은 약 0.1 인치 미만으로부터 약 1 인치 이상의 범위를 가질 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 중간압 포트(884)들은 제1 밀봉부(871)와 제2 밀봉부(881) 사이에서 균등하게 이격될 수 있으며, 이극성 판(800)의 길이를 따라 균등하게 분배될 수 있다. 대안적으로, 중간압 포트(884)들은 제1 밀봉부(871)와 제2 밀봉부(881) 사이에서 불균등하게 이격될 수 있으며 및/또는 이극성 판(800)의 길이를 따라 가변적 공간을 가질 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 중간압 포트(884)들은 중간압 구역(880)의 전체 원주로 연장할 수 있다.
중간압 포트(884)들을 통해 방출되는 제2 유체(882)는 전기화학 전지(100)로 재공급될 수 있다. 예를 들어, 제2 유체(882)는 중간압 구역(180)으로 복귀될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 중간압 포트(884)들을 통해 방출되는 제2 유체(882)는 수집 및 재생될 수 있다. 중간압 구역(880)에 있는 제2 유체(882)는 일반적으로 고압 구역(870)에 있는 제1 유체(872)보다 낮은 압력일 수 있다.
제3 밀봉부(891)는 저압 구역(890)을 한정할 수 있으며, 저압 구역(890) 내에 제3 유체(892)를 수용하도록 구성될 수 있다. 저압 구역(890)은 제2 밀봉부(881), 제3 밀봉부(891), 제1 구성 요소(801) 및 제2 구성 요소(802)에 의해 구획된 저압 용적부(893)를 포함할 수 있다. 저압 구역(890)은 제3 유체(892)를 수용하도록 구성될 수 있다. 저압 구역(890)은 하나 이상의 저압 포트(894)를 추가로 포함할 수 있다.
저압 용적부(893)는 제3 유체(892)를 저압 포트(894)들로 수집 및 지향시키도록 구성될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 저압 용적부(893)는 제2 밀봉부(881)에 의해 분리된 중간압 구역(880)의 원주 주위로 연장할 수 있다. 저압 용적부(893)의 단면적 및 용적은 제1 구성 요소(801), 제2 구성 요소(802), 제2 밀봉부(881) 및 제3 밀봉부(891)의 기하학적 구성에 기초하여 변할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 상기 중간압 용적부(883)는 저압 용적부(893)의 용적보다 크거나 또는 작을 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 저압 용적부(893)는 각각 하나 이상의 저압 포트(894)와 유체 소통할 수 있다. 저압 포트(894)들은 저압 용적부들(893) 내에 수용된 제3 유체(892)를 방출하도록 구성될 수 있다. 저압 포트(894)들의 형태는 변할 수 있다. 예를 들어, 저압 포트(894)들은 정방형, 장방형, 삼각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 기타 형태일 수 있다. 저압 용적부(893)당 저압 포트(894)들의 수는 1로부터 50 이상으로 변할 수 있다. 저압 포트(894)들의 단면적은 변할 수 있다. 예를 들어, 원형 저압 포트(894)들의 직경은 0.1 인치 미만으로부터 1 인치 이상의 범위를 가질 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 저압 포트(894)들은 제2 밀봉부(881)와 제3 밀봉부(891) 사이의 공간에 위치할 수 있으며, 이극성 판(800)의 길이를 따라 균등하게 지그재그로 위치될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 저압 포트(894)들은 저압 구역(890)의 전체 원주로 연장할 수 있다.
저압 포트(894)들을 통해 방출되는 제3 유체(892)는 전기화학 전지(100)로 재공급될 수 있다. 예를 들어, 제3 유체(892)는 저압 구역(190)으로 복귀될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 중간압 포트(894)들을 통해 방출되는 제3 유체(892)는 수집 및 재생될 수 있다. 저압 구역(890)에 있는 제3 유체(892)는 일반적으로 고압 구역(870)에 있는 제1 유체(872) 및 중간압 구역(880)에 있는 제2 유체(882)보다 낮은 압력일 수 있다.
상술된 바와 같은 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802) 사이의 케스케이드 밀봉 구성은 상술된 바와 같은 전기화학 전지(100)의 이극성 판(150, 160)에서 시행될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802) 사이의 케스케이드 밀봉 구성은 케스케이드 밀봉 구성이 2개의 이극성 판들 사이에서 사용되지 않는 다른 전기화학 전지들에서 시행될 수 있다. 따라서, 상술된 바와 같은 양쪽 케스케이드 밀봉 구성들은 어느 한쪽이 전기화학 전지에서 개별적으로 사용될 수 있거나, 또는 그들이 동일한 전기화학 전지에 결합하여 사용될 수 있도록 서로 독립적으로 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802)는 상호 록킹 특징부들을 포함할 수 있다. 상호 록킹 특징부들은 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802)를 서로 록킹하는데 충분한 맞물림 기하학적 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 구성 요소(801)는 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있으며, 제2 구성 요소(802)는 하나 이상의 압입부들을 포함할 수 있다. 그러나, 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802)는 다양한 부착 기구들을 포함할 수 있다는 사실을 추가로 고려한다. 상호 록킹 특징부들은 다양한 형태와 크기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 돌출부들 및 압입부들은 원통형, 라운드형, 타원형, 장방형 또는 정방형의 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 돌출부들 및 압입부들은 다양한 다각형 형상들을 포함할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 상호 록킹 특징부들은 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802)를 밀봉하도록 구성되는 다양한 연결부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상호 록킹 특징부들은 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891)와 그들이 안착할 수 있는 대응하는 밀봉 캐비티를 포함할 수 있다. 제1 구성 요소(801)와 제2 구성 요소(802)는 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891)들 중 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 다수의 밀봉 캐비티들을 포함할 수 있다. 각각의 밀봉 캐비티는 제1 구성 요소(801), 제2 구성 요소(802) 또는 양쪽 모두의 구성 요소들(801, 802) 내에 돌출부를 포함할 수 있다. 돌출 치수들 및 기하학적 구성은 제1 밀봉부(871), 제2 밀봉부(881), 및 제3 밀봉부(891)의 치수적 및 단면적 기하학적 구성에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 본 발명에 따른 명세 사항 및 실행을 고려함으로써 당업자들에게 명백할 것이다. 상기 명세 사항 및 예들은 오직 예로서 고려될 뿐이며, 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 다음의 청구범위에 의해서 지시될 것임을 목적으로 한다.

Claims (20)

  1. 전기화학 전지로서,
    한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함하는, 상기 한 쌍의 이극성 판들 및 멤브레인 전극 조립체;
    상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성되는 밀봉 표면; 및
    상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에 위치되는 가스킷으로서, 상기 캐소드 격실 또는 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉을 생성하도록 소성 변형되도록 구성되는 상기 가스킷을 포함하는 전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스킷은 상기 양자 교환 멤브레인 재료의 항복 강도보다 큰 항복 강도를 갖는 전기화학 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 표면은 하나 이상의 돌출부를 포함하는 전기화학 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 표면은 상기 가스킷의 항복 강도보다 큰 항복 강도를 갖는 전기화학 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가스킷이 배치되는 측면과 맞은편의 상기 양자 교환 멤브레인의 측면을 따라 보강층이 배치되는 전기화학 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보강층은 상기 애노드 격실에 위치되는 전기화학 전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 보강층은 상기 가스킷의 길이 치수와 실질적으로 동일한 길이 치수를 갖는 전기화학 전지.
  8. 제6항에 있어서, 상기 보강층은 상기 가스킷의 길이 치수보다 큰 길이 치수를 갖는 전기화학 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 가스킷은, 그의 비압축 상태에서, 0.8:1 내지 1.5:1 범위의 hG1:dp의 비를 갖는 전기화학 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가스킷은, 그의 비압축 상태에서, 0.05:1 내지 0.75:1 범위의 ht:hG1의 비를 갖는 전기화학 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가스킷은, 그의 비압축 상태에서, 0.5:1 내지 10:1 범위의 St:ht의 비를 갖는 전기화학 전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가스킷은, 그의 비압축 상태에서, 0.8:1 내지 1.5:1 범위의 hG1:dp의 비, 0.05:1 내지 0.75:1 범위의 ht:hG1의 비, 및 0.5:1 내지 10:1 범위의 St:ht의 비를 갖는 전기화학 전지.
  13. 제1항에 있어서, 돌출부들은 0.001 내지 0.02 인치 범위의 높이, 0.01 내지 0.2 인치 범위의 돌출부들 사이의 거리, 및 55 내지 125° 범위의 돌출 각도를 갖는 전기화학 전지.
  14. 전기화학 전지로서,
    한 쌍의 이극성 판들, 및 상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함하는, 상기 한 쌍의 이극성 판들 및 멤브레인 전극 조립체;
    상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성되고, 하나 이상의 돌출부들을 포함하는 밀봉 표면; 및
    상기 밀봉 표면과 상기 양자 교환 멤브레인 사이에 위치되는 압축 가스킷으로서, 압축 전에 적어도 하나의 돌출부를 포함하는 상기 압축 가스킷을 포함하는 전기화학 전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 가스킷은, 그의 압축 상태에서, 0.25:1 내지 2:1 범위의 WG2:Wp의 비를 갖는 전기화학 전지.
  16. 제14항에 있어서, 상기 밀봉 표면은 1:1 내지 20:1 범위의 Wp:St의 비를 갖는 전기화학 전지.
  17. 전기화학 전지로서,
    한 쌍의 이극성 판들로서, 밀봉 표면이 상기 한 쌍의 이극성 판들 중 하나에 형성되는, 상기 한 쌍의 이극성 판들;
    상기 한 쌍의 이극성 판들 사이에 위치된 멤브레인 전극 조립체로서, 상기 멤브레인 전극 조립체는 애노드 격실, 캐소드 격실 및 상기 애노드 격실과 캐소드 격실 사이에 배치되는 양자 교환 멤브레인을 포함하는, 상기 멤브레인 전극 조립체;
    고압 구역을 한정하는 제1 밀봉부로서, 상기 이극성 판들 사이에 위치되고 또한 상기 고압 구역 내에 제1 유체를 수용하도록 구성되는 상기 제1 밀봉부;
    중간압 구역을 한정하는 제2 밀봉부로서, 상기 이극성 판들 사이에 위치하고 또한 상기 중간압 구역 내에 제2 유체를 수용하도록 구성되는 상기 제2 밀봉부를 포함하며,
    상기 제1 밀봉부는 상기 캐소드 격실 또는 상기 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉을 생성하도록 소성 변형되도록 구성되는 가스킷에 의해 형성되는 전기화학 전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 밀봉부는 상기 캐소드 격실 또는 상기 애노드 격실 중 하나에 대한 밀봉을 생성하도록 소성 변형되도록 구성되는 가스킷에 의해 형성되는 전기화학 전지.
  19. 제17항에 있어서, 상기 밀봉 표면은 하나 이상의 돌출부를 포함하는 전기화학 전지.
  20. 제17항에 있어서, 상기 밀봉 표면은 상기 가스킷의 항복 강도보다 큰 항복 강도를 갖는 전기화학 전지.
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