KR20180053401A - Bipolar plate with force concentrator pattern - Google Patents

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KR20180053401A
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보이엔 로저 밴
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누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
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Abstract

본 명세서의 실시양태는 바이폴라 플레이트 조립체에 관한 것이다. 바이폴라 플레이트 조립체는 프레임과 베이스를 포함한다. 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴은 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함한다. 상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적은 대체로 일정하여 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어낸다.Embodiments herein relate to bipolar plate assemblies. The bipolar plate assembly includes a frame and a base. Wherein at least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface including a force concentrator pattern, the force concentrator pattern includes a raised surface partially extending over the first surface do. The surface area of the force concentrator pattern across the length of the frame or base is substantially constant to produce a uniform compressive force along the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression.

Description

힘 집중기 패턴을 갖는 바이폴라 플레이트Bipolar plate with force concentrator pattern

본 출원은 2015년 9월 21일에 출원된 미국 가특허출원 62/221,276호의 이익을 주장하며, 상기 출원은 그 내용 전체가 본원에 참고로 포함된다.This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 221,276, filed September 21, 2015, which is incorporated herein by reference in its entirety.

본 명세서는 바이폴라 플레이트, 보다 구체적으로는, 힘 집중기 패턴(force concentrator pattern)을 갖는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.The present specification relates to a bipolar plate, and more particularly to a bipolar plate having a force concentrator pattern.

통상적으로 연료 전지 또는 전해 전지로 분류되는 전기 화학 전지들은 화학 반응으로부터 전류를 발생시키거나, 또는 전류의 흐름을 사용하여 화학 반응을 유도하기 위해 사용되는 장치들이다. 연료 전지는 연료(예를 들어, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학 에너지를 전기와 열 및 물의 폐기물로 변환시킨다. 기본적인 연료 전지는 음으로 하전된 애노드, 양으로 하전된 캐소드 및 전해질로 지칭되는 이온 전도성 물질을 포함한다.Electrochemical cells, which are typically classified as fuel cells or electrolytic cells, are devices that are used to generate currents from chemical reactions or to induce chemical reactions using current flow. Fuel cells convert the chemical energy of a fuel (for example, hydrogen, natural gas, methanol, gasoline, etc.) and an oxidant (air or oxygen) into electricity, heat and water waste. A basic fuel cell includes a negatively charged anode, a positively charged cathode, and an ion conductive material, referred to as an electrolyte.

각종 연료 전지 기술들은 서로 다른 전해질 물질들을 이용한다. 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 연료 전지는, 예를 들어 전해질로서 고분자 이온 전도성 막을 이용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자들은 애노드에서 전자 및 양성자(수소 이온)로 전기 화학적으로 분리될 수 있다. 전자들은 회로를 통해 캐소드로 흐르고 전기를 발생시키는 한편, 양성자들은 전해질막을 통해 캐소드로 확산한다. 캐소드에서는, 수소 양성자들은 (캐소드에 공급되는) 전자 및 산소와 반응하여 물과 열을 생성한다.Various fuel cell technologies use different electrolyte materials. Proton exchange membrane (PEM) fuel cells use a polymeric ion conductive membrane as an electrolyte, for example. In hydrogen PEM fuel cells, hydrogen atoms can be electrochemically separated from the anode to electrons and protons (hydrogen ions). The electrons flow through the circuit to the cathode and generate electricity, while the proton diffuses through the electrolyte membrane to the cathode. At the cathode, hydrogen protons react with electrons and oxygen (supplied to the cathode) to produce water and heat.

전해 전지는 역으로 작동되는 연료 전지를 의미한다. 기본적인 전해 전지는 외부 전위가 인가될 때 물을 수소와 산소 가스로 분해함으로써 수소 발생기로서 기능할 수 있다. 수소 연료 전지 또는 전해 전지의 기본적인 기술은 전기 화학적 수소 압축, 정제 또는 팽창과 같은 전기 화학적 수소 조작에 적용될 수 있다.An electrolytic cell refers to a fuel cell that operates inversely. A basic electrolytic cell can function as a hydrogen generator by decomposing water into hydrogen and oxygen gas when external potential is applied. The basic techniques of a hydrogen fuel cell or an electrolytic cell can be applied to electrochemical hydrogen operation such as electrochemical hydrogen compression, refining or expansion.

전기 화학 수소 압축기(electrochemical hydrogen compressor, EHC)는 예를 들어, 수소를 전지의 한쪽 측면에서 다른쪽 측면으로 선택적으로 전달하는데 사용될 수 있다. EHC는 제1 전극(즉, 애노드)과 제2 전극(즉, 캐소드) 사이에 샌드위치된 양성자 교환막을 포함할 수 있다. 수소 함유 가스는 제1 전극과 접촉할 수 있고, 전위차는 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가될 수 있다. 제1 전극에서, 수소 분자는 산화될 수 있으며, 반응은 2개의 전자와 2개의 양성자를 만들 수 있다. 2개의 양성자는 막을 통해 전지의 제2 전극으로 전기 화학적으로 구동되며, 여기에서, 2개의 경로가 재지정된(rerouted) 전자들에 의해 재결합되고 환원되어 수소 분자를 형성한다. 제1 전극 및 제2 전극에서 일어나는 반응은 하기에 나타낸 화학 반응식으로 표현될 수 있다.An electrochemical hydrogen compressor (EHC) can be used, for example, to selectively deliver hydrogen from one side of the cell to the other. The EHC may comprise a proton exchange membrane sandwiched between a first electrode (i.e., an anode) and a second electrode (i.e., cathode). The hydrogen-containing gas can be in contact with the first electrode, and the potential difference can be applied between the first electrode and the second electrode. At the first electrode, the hydrogen molecule can be oxidized and the reaction can produce two electrons and two protons. Two protons are electrochemically driven through the membrane to the second electrode of the cell where the two paths are recombined and reduced by electrons rerouted to form hydrogen molecules. The reaction occurring at the first electrode and the second electrode can be represented by the chemical reaction formula shown below.

제1 전극 산화 반응: H2 → 2H+ + 2e- A first electrode oxidation reaction: H 2 → 2H + + 2e -

제2 전극 환원 반응: 2H+ + 2e- → H2 Second electrode reduction reaction: 2H + + 2e - ? H 2

전체적인 전기화학 반응: H2 → H2 Overall electrochemical reaction: H 2 → H 2

이러한 방식으로 작동하는 EHC는 흔히 수소 펌프로 지칭된다. 제2 전극에 축적된 수소가 한정된 공간으로 제한될 때, 전기화학 전지는 수소를 압축하거나 또는 압력을 상승시킨다. 개별 전지가 만들 수 있는 최대 압력 또는 유량은 전지 설계에 따라 한정적일 수 있다. 더욱 큰 압축 또는 더욱 높은 압력을 달성하기 위해, 다중 전지들은 직렬로 연결되어 다단계 EHC를 형성할 수 있다. 다단계 EHC에서, 가스 유동 경로는 예를 들어 제1 전지의 압축된 출력 가스가 제2 전지의 입력 가스일 수 있도록 구성될 수 있다. 다르게는, 단일 단계 전지들은 EHC의 처리 용량(즉, 전체 가스 유량)을 증가시키도록 병렬로 연결될 수 있다. 단일 단계 및 다단계 EHC 양자 모두에 있어서, 전지들은 스택화될 수 있으며, 각각의 전지는 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함할 수 있다. 각각의 캐소드/막/애노드 조립체는 통상적으로 바이폴라 플레이트들에 의해 양측면에서 지지되는 "막 전극 조립체(membrane electrode assembly)" 즉 "MEA"를 구성한다. EHCs operating in this manner are often referred to as hydrogen pumps. When the hydrogen stored in the second electrode is confined to a limited space, the electrochemical cell compresses hydrogen or increases the pressure. The maximum pressure or flow rate that an individual cell can make may be limited depending on the battery design. To achieve greater compression or higher pressure, multiple cells may be connected in series to form a multi-stage EHC. In multi-stage EHC, the gas flow path may be configured, for example, such that the compressed output gas of the first cell is the input gas of the second cell. Alternatively, single stage cells may be connected in parallel to increase the throughput capacity of the EHC (i.e., the total gas flow rate). In both single stage and multi-stage EHC, the cells may be stacked, and each cell may comprise a cathode, an electrolyte membrane and an anode. Each cathode / membrane / anode assembly typically comprises a "membrane electrode assembly" or "MEA" supported on both sides by bipolar plates.

바이폴라 플레이트는 EHC에 대한 기계적인 지지를 제공할 수 있으며, 한 스택 내에서 개별 전지들을 전기적으로 연결시키면서 이들을 물리적으로 분리시킬 수 있다. 바이폴라 플레이트는 고압 구역을 제공할 수도 있어서, 여기에서 반응물 또는 연료, 예를 들어 수소가 축적된다. 또한, 바이폴라 플레이트는 집전기/도체로서 작용할 수 있고, 반응물 또는 연료를 위한 통로를 제공할 수 있다. 통상적으로, 바이폴라 플레이트는 금속, 예를 들어 스테인리스강, 티타늄 등, 및 비금속성 전기 도체, 예를 들어 흑연으로 제조된다. The bipolar plate can provide mechanical support for the EHC and physically separate the individual cells in a stack while electrically connecting them. The bipolar plate may provide a high pressure zone where reactants or fuels, such as hydrogen, accumulate. In addition, the bipolar plate can act as a collector / conductor and can provide a passageway for reactants or fuel. Typically, the bipolar plate is made of a metal, for example stainless steel, titanium or the like, and a non-metallic electrical conductor, for example graphite.

수소 압축기 또는 수소 펌프는 통상적으로 바이폴라 플레이트에 의해 형성된 고압 구역으로 제한된 제2 전극에서 축적된 수소를 보유한다. 또한, 상기 고압 구역에서는 점점 더 많은 수소가 형성되어 축적됨에 따라 압력이 증가할 수 있다. 수소 누출의 가능성을 감소시켜 안전성과 에너지 효율을 개선하기 위해, 고압 구역은 바이폴라 플레이트들 사이에 하나 이상의 밀봉부에 의해 밀봉될 수 있다. 압축 하중을 EHC 또는 EHC 스택의 바이폴라 플레이트에 인가하여 밀봉부를 압축하고 상기 고압 구역의 밀봉부를 생성할 수 있다. 상기 밀봉부는 고압 구역의 둘레를 따라 연장하는 고리 형상의 밀봉부를 포함할 수 있고/있거나 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 표면에 코팅 또는 적층된 중합체막을 포함할 수도 있다. Hydrogen compressors or hydrogen pumps typically have accumulated hydrogen at a second electrode limited to a high pressure zone formed by a bipolar plate. Also, the pressure may increase as more and more hydrogen is formed and accumulated in the high-pressure zone. To improve safety and energy efficiency by reducing the likelihood of hydrogen leakage, the high pressure zone may be sealed by 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 seal in the high pressure zone. The seal may comprise an annular seal extending along the periphery of the high pressure zone and / or may comprise a polymeric film coated or laminated to the surface of one or more bipolar plates.

상기 바이폴라 플레이트들 사이의 밀봉부에는 충분하고도 일반적으로 고른 압축력이 인가될 필요가 있다. 인가된 최소 압축력은 밀봉부의 재료가 변형하여 밀봉 표면을 생성하도록 상기 밀봉부 재료의 항복 강도 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 최소 압축력은 해당 재료의 항복 강도 미만일 수 있다. 압축력이 밀봉 표면 전반에 걸쳐서 일반적으로 고르지 않거나 균일하지 않은 경우에는, 상기 밀봉 표면 상에 일부 영역에 최소 압축력이 인가되지 않을 수 있어서, 그러한 영역에 반응물 또는 연료의 누출을 유발할 수 있다. 밀봉부에 인가된 균일하지 않은 압축력으로 인한 누출 가능성을 방지 또는 감소하기 위한 현재의 옵션으로는, 최소 압축력이 밀봉 표면 전반에 걸쳐 가해지도록 바이폴라 플레이트에 높은 압축 하중을 인가하는 것을 포함한다. 그러나, 높은 압축 하중을 인가하는 것은 밀봉 표면에 뿐만 아니라, 최소 압축력이 이미 가해져 높은 압축력을 지탱하지 못할 수도 있는 바이폴라 플레이트 부위들에도 높은 압축력을 유발시킬 수 있다. 따라서, 높은 압축 하중은 예를 들어, 재료 적합성, 재료 강도, 재료의 비용, 제조 비용 및 제조의 용이성을 비롯한 바이폴라 플레이트용 재료 및/또는 EHC 또는 EHC 스택의 다른 성분들에 대한 보다 엄격한 요건을 초래할 수 있다. 따라서, 밀봉 표면 및/또는 바이폴라 플레이트 전반에 걸쳐서 보다 균일하고/하거나 고르게 압축력을 배분할 수 있는 바이폴라 플레이트 조립체에 대한 요구가 대두되고 있다.A sufficient and generally even compressive force needs to be applied to the seal between the bipolar plates. The applied minimum compressive force may be at least the yield strength of the sealing material so that the material of the sealing portion deforms to create a sealing surface. In some embodiments, the minimum compressive force may be less than the yield strength of the material. If the compressive force is generally uneven or uneven across the sealing surface, minimal compressive forces may not be applied to some areas on the sealing surface, which may cause leakage of reactants or fuel to such areas. Current options for preventing or reducing the likelihood of leakage due to the non-uniform compressive force applied to the seal include applying a high compressive load to the bipolar plate such that a minimum compressive force is applied across the sealing surface. However, applying a high compressive load not only on the sealing surface, but also on the portions of the bipolar plate, where minimal compressive forces have already been applied and may not be able to sustain high compressive forces, can result in high compressive forces. Thus, high compressive loads result in stricter requirements for bipolar plate materials and / or other components of the EHC or EHC stack, including, for example, material compatibility, material strength, material cost, manufacturing cost and ease of manufacture . Thus, there is a growing need for bipolar plate assemblies that are able to distribute a more uniform and / or even compressive force across the sealing surface and / or across the bipolar plate.

본 발명의 한 양태는 바이폴라 플레이트 조립체에 관한 것이다. 상기 바이폴라 플레이트 조립체는 프레임과 베이스를 포함할 수 있다. 프레임과 베이스 중 적어도 하나는 힘 집중기 패턴(force concentrator pattern)의 형태를 가지거나 제1 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 표면은 해당 제1 표면 전반에 걸쳐 부분적으로 연장되는 융기 표면을 포함할 수 있는 힘 집중기 패턴을 포함할 수 있다. 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적은 일반적으로 일정하여 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어낼 수 있다.One aspect of the invention relates to a bipolar plate assembly. The bipolar plate assembly may include a frame and a base. At least one of the frame and the base may be in the form of a force concentrator pattern or may comprise a first surface. The first surface may include a force concentrator pattern that may include a raised surface that extends partially across the first surface. The surface area of the force concentrator pattern across the length of the frame or base is generally constant such that a uniform compressive force can be produced along the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression.

본 명세서의 또 다른 양태는 바이폴라 플레이트를 압축하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임과 베이스를 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 프레임과 베이스 중 적어도 하나는 힘 집중기 패턴의 형태를 가지거나 제1 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 표면은 해당 제1 표면 전반에 걸쳐 부분적으로 연장되는 융기 표면을 포함할 수 있는 힘 집중기 패턴을 포함할 수 있다. 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸쳐 힘 집중기 패턴의 표면적은 대체로 일정할 수 있다. 상기 방법은 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 단계를 더 포함할 수 있다.Another aspect of the disclosure relates 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 be in the form of a force concentrator pattern or may comprise a first surface. The first surface may include a force concentrator pattern that 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 substantially constant. The method may further comprise producing a uniform compressive force along the length of the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression.

본 명세서의 또 다른 양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지는 한 쌍의 바이폴라 플레이트와, 상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 사이에 위치한 막 전극 조립체를 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트 중 적어도 하나는 힘 집중기 패턴의 형태를 가지거나 제1 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 표면은 해당 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 신장되는 융기 표면을 포함할 수 있는 힘 집중기 패턴을 포함할 수 있다. 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적은 일반적으로 일정할 수 있다. 상기 방법은 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 단계를 더 포함할 수 있다.Another aspect of the disclosure relates to an electrochemical cell. The electrochemical cell may include a pair of bipolar plates and a membrane electrode assembly positioned between the pair of bipolar plates. At least one of the bipolar plates may be in the form of a force concentrator pattern or may comprise a first surface. The first surface may include a force concentrator pattern that may include a raised surface that extends partially over the first surface. The surface area of the force concentrator pattern across the length of the frame or base may be generally constant. The method may further comprise producing a uniform compressive force along the length of the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression.

상술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명하기 위한 것일 뿐이지, 청구된 바와 같은 본 발명을 한정하지 않는다는 점을 이해해야 한다.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 invention, as claimed.

첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하며, 본 발명의 실시양태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 각종 구성요소를 보여주는 전기화학 전지의 일부에 대한 분해 측면도이다.
도 2는 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 베이스와 프레임에 대한 사시도이다.
도 3은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 베이스와 프레임에 대한 사시도이다.
도 4는 예시적인 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 평면도이다.
도 5는 예시적인 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 사시도이다.
도 7은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 확대도이다.
도 8은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 베이스와 프레임에 대한 사시도이다.
도 9는 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 평면도이다.
도 10은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 사시도이다.
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is an exploded side view of a portion of an electrochemical cell showing various components of an electrochemical cell according to an exemplary embodiment.
Figure 2 is a perspective view of a base and a frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment.
3 is a perspective view of a base and frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment.
4 is a top view of a frame of an exemplary bipolar plate assembly.
5 is a top view of a frame of an exemplary bipolar plate assembly.
6 is a perspective view of a frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment;
7 is an enlarged view of a frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment.
8 is a perspective view of a base and a frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment.
9 is a top view of a frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment.
10 is a perspective view of a frame of a bipolar plate assembly in accordance with an exemplary embodiment;

이하, 첨부된 도면에 예시된 실시예인 본 발명의 대표적인 실시양태에 대하여 상세히 설명한다. 가능하다면, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 나타내기 위해 동일한 도면 부호를 사용한다. 수소를 압축하기 위한 전기화학 전지와 관련하여 기술하였으나, 본 발명의 장치와 방법은 전해 전지, 수소 정제기, 수소 확장기 및 수소 펌프를 비롯하여 이에 제한되지는 않는 각종 형태의 연료 전지 및 전기화학 전지와 함께 이용될 수 있다는 점을 이해할 수 있다.Hereinafter, representative embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the embodiments 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 in the context of an electrochemical cell for compressing hydrogen, the apparatus and method of the present invention may be used with various types of fuel cells and electrochemical cells, including, but not limited to, electrolytic cells, hydrogen purifiers, Can be used.

도 1은 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지(100)에 대한 분해 측면도를 나타낸다. 전기화학 전지(100)는 애노드(110), 캐소드(120) 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치된 양성자 교환막(PEM)(130)을 포함할 수 있다. 조합된 애노드(110), 캐소드(120) 및 PEM(130)은 막 전극 조립체(MEA)(140)를 포함할 수 있다. PEM(130)은 순수 중합체막 또는 복합체막을 포함할 수 있고, 복합체막의 경우 예를 들어 실리카, 헤테로폴리산, 층상 금속 인산염, 인산염 및 인산지르코늄이 중합체 매트릭스에 매립될 수 있다. PEM(130)은 양성자를 투과시킬 수 있지만 전자를 전도시키지 않는다. 애노드(110) 및 캐소드(120)는 촉매층을 함유하는 다공성 탄소 전극들을 포함할 수 있다. 촉매 물질, 예를 들어 백금은 반응물 또는 연료의 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 1 shows 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 combined anode 110, cathode 120 and PEM 130 may comprise a membrane electrode assembly (MEA) 140. The PEM 130 may comprise a pure polymer membrane or composite membrane, and in the case of a composite membrane, for example, silica, heteropoly acid, layered metal phosphate, phosphate and zirconium phosphate may be embedded in the polymer matrix. The PEM 130 can transmit protons but does not conduct electrons. The anode 110 and the cathode 120 may comprise porous carbon electrodes containing a catalyst layer. Catalytic materials, such as platinum, can increase the reaction rate of reactants or fuels.

전기화학 전지(100)는 2개의 바이폴라 플레이트(150, 160)를 더 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트(150, 160)들은 지지 플레이트, 도체로서 작용할 수 있고, 반응물 또는 연료를 위한 각 전극 표면에 통로를 제공할 수 있으며, 압축된 반응물 또는 연료의 제거를 위한 통로를 제공할 수 있다. 바이폴라 플레이트(150, 160)들은 냉각 유체(즉, 물, 글리콜 또는 물-글리콜 혼합물)를 위한 접근 채널들도 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트(150, 160)들은 전기화학적 스택(도시되지 않음)에서 이웃한 전지들로부터 전기화학 전지(100)를 분리할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이폴라 플레이트(150 및/또는 160)는, 해당 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 각 면이 서로 다른 MEA(140)와 접촉하도록 2개의 이웃하는 전지를 위한 바이폴라 플레이트로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 다수의 전기화학 전지(100)들은 직렬로 연결되어 다단계 전기화학 수소 압축기(EHC)를 형성하거나 또는 병렬로 적층되어 단일 단계 EHC를 형성할 수 있다. The electrochemical cell 100 may further include two bipolar plates 150 and 160. The bipolar plates 150, 160 may serve as support plates, conductors, provide a passage for each electrode surface for reactants or fuel, and provide a path for the removal of the compressed reactant or fuel. The bipolar plates 150, 160 may also include access channels for cooling fluid (i.e., water, glycol, or water-glycol mixture). The bipolar plates 150 and 160 can separate the electrochemical cell 100 from neighboring cells in an electrochemical stack (not shown). In some embodiments, the bipolar plates 150 and / or 160 may function as bipolar plates for two neighboring cells such that each side of the bipolar plates 150 and 160 is in contact with a different MEA 140 have. For example, the plurality of electrochemical cells 100 may be connected in series to form a multi-stage electrochemical hydrogen compressor (EHC) or may be stacked in parallel to form a single stage EHC.

작동시, 예시적인 실시양태에 따르면, 수소 가스는 바이폴라 플레이트(150)를 통해 애노드(110)에 공급될 수 있다. 전위는 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 인가될 수 있으며, 애노드(110)에서의 전위는 캐소드(120)에서의 전위보다 크다. 애노드(110)에서의 수소는 산화되어, 수소를 전자와 양성자로 분할시킬 수 있다. 전자가 PEM(130) 주위로 경로가 재지정되는 동안, 양성자는 PEM(130)을 통해 전기화학적으로 수송, 즉 "펌핑"된다. PEM(130)의 반대편 상의 캐소드(120)에서, 수송된 양성자 및 경로가 재지정된 전자는 환원되어 수소를 형성한다. 캐소드(120)에 점점 더 많은 수소가 형성됨에 따라, 수소는 바이폴라 플레이트(160)에 생성된 고압 구역 내에서 압축 및 가압될 수 있다. In operation, according to an exemplary embodiment, hydrogen gas may be supplied to the anode 110 via the bipolar plate 150. The 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. [ The hydrogen in the anode 110 can be oxidized to divide hydrogen into electrons and protons. While the electrons are redirected around the PEM 130, the protons are electrochemically transported, or "pumped" through the PEM 130. In the cathode 120 on the opposite side of the PEM 130, the transported protons and redirected electrons are reduced to form hydrogen. As more and more hydrogen is formed in the cathode 120, hydrogen can be compressed and pressed within the high pressure zone created in the bipolar plate 160.

일부 실시양태에서, 각 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 2개의 부분 또는 구성요소로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 바이폴라 플레이트(160)가 프레임(170) 및 베이스(180)을 포함하는 이성분계 바이폴라 플레이트(160)의 한 실시양태를 도시한다. 프레임(170)은 베이스(180)의 유동 구조 (도시하지 않음)와 유체연통인 공동(190)을 한정할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 하나의 통합된 부분 또는 구성요소로서 형성될 수 있다. 하기의 설명에 바이폴라 플레이트(160)를 언급하지만, 이러한 개시는 바이폴라 플레이트(150)에도 동일하게 적용될 수 있다.In some embodiments, each bipolar plate 150 and 160 may be formed of two parts or components. 2 illustrates one embodiment of a bicomponent bipolar plate 160 in which the bipolar plate 160 includes a frame 170 and a base 180. In one embodiment, The frame 170 may define a cavity 190 in fluid communication with the flow structure (not shown) of the base 180. In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may be formed as one integrated portion or component. Although the following description refers to the bipolar plate 160, this disclosure is equally applicable to the bipolar plate 150 as well.

프레임(170)과 베이스(180)는 일반적으로 평면일 수 있으며, 대체로 직사각형 또는 신장된 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 또 다른 형상, 예를 들어 정사각형, "레이스-트랙(race-track)"(예를 들어, 반 타원형의 측면을 갖는 실질적으로 직사각형의 형상), 원형, 계란형, 타원형 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 프레임(170)과 베이스(180)의 형상은 전기화학 전지(100)의 다른 구성 요소(예를 들어, 캐소드, 애노드, PEM, 유동 구조 등) 또는 전기 화학 전지 스택에 상응할 수 있다.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 another shape, e.g., square, "race-track" (e.g., a substantially rectangular shape with semi-elliptical sides ), Circular, oval, elliptical, or other shapes. The shape of the frame 170 and the base 180 may correspond to other components of the electrochemical cell 100 (e.g., cathode, anode, PEM, flow structure, etc.) or an electrochemical cell stack.

프레임(170)과 베이스(180)는 동일평면 상의 결합을 위해 구성될 수 있다. 프레임(170)과 베이스(180)는 해제가능하도록 결합되거나 고정적으로 함께 결합될 수 있거나, 또는 하나의 통합된 부분일 수도 있다. 예를 들어, 결합재, 용접, 경납땜, 연납땜, 확산 접합, 초음파 용접, 레이저 용접, 스탬핑, 리벳팅, 저항 용접 및/또는 소결을 비롯한 하나 이상의 부착 방법을 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 결합재는 접착제를 포함할 수 있다. 적절한 접착제로는, 예를 들어, 아교제, 에폭시, 시아노아크릴레이트, 열가소성 시트(열 접착된 열가소성 시트를 포함함) 우레탄, 혐기성 접착제, UV 경화 및 기타 중합체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 마찰 결합(friction fit)에 의해 결합될 수 있다. 예를 들어, 구성 요소들 사이의 하나 이상의 밀봉부는 압축시 구성 요소들 사이에 적절한 마찰력을 만들어 내어 의도하지 않은 미끄러짐을 방지할 수 있다.The frame 170 and the base 180 may be configured for coplanar coupling. The frame 170 and the base 180 may be releasably coupled or fixedly coupled together, or may be an integral portion. For example, one or more attachment methods can be used including bonding, welding, brazing, soldering, diffusion bonding, ultrasonic welding, laser welding, stamping, riveting, resistance welding and / or sintering. In some embodiments, the binder may comprise an adhesive. Suitable adhesives include, for example, binders, epoxies, cyanoacrylates, thermoplastic sheets (including thermally adhered thermoplastic sheets), urethane, anaerobic adhesives, UV curing and other polymers. In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may be joined by a friction fit. For example, one or more seals between components can create an appropriate frictional force between the components upon compression to prevent unintentional slippage.

일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 체결구들, 예를 들어 나사, 볼트, 클립 또는 다른 유사한 메커니즘을 사용하여 해제 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시양태에서, 압축 로드(compression rod) 및 너트는 바이폴라 플레이트(150 및 160)를 통과하거나 또는 외부를 따라 통과할 수 있어서, 전기화학 전지(100) 또는 복수의 전기화학 전지(100)가 하나의 스택으로 압축될 때 프레임(80) 및 베이스(70)를 함께 압축하는데 사용될 수 있다.In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may be releasably coupled using fasteners, e.g., screws, bolts, clips, or other similar mechanisms. In some embodiments, compression rods and nuts can pass through the bipolar plates 150 and 160 or along the exterior so that the electrochemical cell 100 or the plurality of electrochemical cells 100 can be in one May be used to compress frame 80 and base 70 together as they are compressed into a stack of layers.

일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 복수의 서로 다른 압력 구역을 한정하는데 도움을 줄 수 있는데, 예를 들어, 복수의 밀봉부는 하나 이상의 서로 다른 압력 구역들을 한정할 수 있다. 한 실시양태에 따른 복수의 서로 다른 밀봉부 및 압력 구역을 도 2에 나타낸다. 복수의 밀봉부는 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및 제3 밀봉부(260)를 포함할 수 있다. 제1 밀봉부(240)는 제2 밀봉부(250) 내에 완전히 수용될 수 있고, 제2 밀봉부(250)는 제3 밀봉부(260) 내에 완전히 수용될 수 있다. 밀봉부들의 이러한 배열(예를 들어, 하나가 다른 하나 내에 있는 배열)은 캐스케이드 밀봉(cascade seal) 구성으로 분류될 수 있다. 상기 캐스케이드 밀봉 구성은 몇 가지의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 케스케이드 밀봉 구성은 다수의 밀봉 보호층의 형태로 밀봉 중복성을 제공함으로써 고압 수소가 전기화학 전지(100)를 빠져나갈 가능성을 제한할 수 있다. 수소 누출의 가능성을 감소시키는 것은 안전성과 에너지 효율성에 유익할 수 있다. 아울러, 캐스케이드 밀봉 구성은 고압 구역에서 저압 구역으로 고압의 블리딩(bleeding)을 허용함으로써 압력의 자가 조절(self-regulation)을 가능하게 할 수 있다.In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may help define a plurality of different pressure zones, for example, a plurality of seals may define one or more different pressure zones. A plurality of different seals and pressure zones according to one embodiment are shown in Fig. The plurality of seals may include a first seal portion 240, a second seal portion 250, and a third seal portion 260. The first seal portion 240 can be completely contained in the second seal portion 250 and the second seal portion 250 can be completely contained in the third seal portion 260. [ This arrangement of the seals (e.g., one within the other) may be categorized into a cascade seal configuration. The cascade sealing arrangement can provide several advantages. For example, the cascade sealing arrangement can limit the likelihood of high pressure hydrogen exiting the electrochemical cell 100 by providing sealing redundancy in the form of multiple sealing protective layers. Reducing the likelihood of hydrogen leakage can be beneficial to safety and energy efficiency. In addition, the cascade sealing arrangement may allow for self-regulation of pressure by allowing high pressure bleeding from the high pressure zone to the low pressure zone.

제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및 제3 밀봉부(260)의 형상은 일반적으로 도 2에 나타낸 바와 같은 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 형상에 상응할 수 있다. 고압 밀봉부로서 작용하는 제1 밀봉부(240)는 고압 구역(200)의 일부를 한정하여 고압 구역(200) 내에서 제1 유체(212)(예를 들어, 수소)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제1 밀봉부(240)는 적어도 프레임(170)과 베이스(180) 사이에서 고압 구역(200)의 외부 경계의 범위를 정할 수 있다. 고압 구역(200)은 하나 이상의 유동 구조 (도시하지 않음), 예를 들어, 프레임(170)과 베이스(180)가 결합되거나 또는 프레임(170)과 베이스(180)가 하나의 통합된 부분으로 형성될 때 공동(190)을 통해 연장되는 캐소드 유동 구조 및 애노드 유동 구조를 포함하도록 구성될 수 있다. The shapes of the first sealing portion 240, the second sealing portion 250 and the third sealing portion 260 may generally correspond to the shapes of the bipolar plates 150 and 160 as shown in FIG. The first seal 240 acting as a high pressure seal can be configured to receive a first fluid 212 (e.g., hydrogen) within the high pressure zone 200 defining a portion of the high pressure zone 200 have. The first seal 240 may range at least the outer boundary of the high pressure zone 200 between the frame 170 and the base 180. The high pressure region 200 may include one or more flow structures (not shown), e.g., a combination of the frame 170 and the base 180, or the frame 170 and the base 180 may be formed as one integrated portion The cathode flow structure and the anode flow structure that extend through the cavity 190 when they are in contact with each other.

제1 유체(212), 예컨대 수소는 캐소드(120)에서 생성되어 고압 구역(200)에서 축적될 수 있으며, 프레임(170)과 베이스(180) 간의 연결은 제1 밀봉부(240)에 의해 밀봉될 수 있다. 고압 구역(200) 내의 수소는 압축될 수 있고, 그 결과, 고압 구역(240)에서는 점점 더 많은 수소가 생성되고 수집됨에 따라 압력이 증가할 수 있다. 고압 구역(200) 내의 수소는 예를 들어, 약 10,000 psig, 약 15,000 psig, 약 20,000 psig, 약 25,000 psig, 약 30,000 psig 또는 약 35,000 psig를 초과하는 압력으로 압축될 수 있다. The first fluid 212, e.g., hydrogen, may be generated in the cathode 120 and accumulated in the high-pressure region 200, and the connection between the frame 170 and the base 180 may be sealed by the first seal 240 . The hydrogen in the high pressure zone 200 can be compressed and as a result the pressure can increase as more and more hydrogen is produced and collected in the high pressure zone 240. The hydrogen in the high pressure zone 200 may be compressed to a pressure in excess of, for example, about 10,000 psig, about 15,000 psig, about 20,000 psig, about 25,000 psig, about 30,000 psig, or about 35,000 psig.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 밀봉부(240)는 고압 포트(210)들의 외부 주위로 연장되도록 구성될 수 있다. 고압 포트(210)는 고압 구역(200)의 제1 유체(212)를 공급하거나 배출하도록 구성될 수 있다. 고압 포트(210)는 다중 전지 전기화학 압축기에서 인접한 전기화학 전지들의 고압 포트와 유체 연통될 수 있다. 고압 포트(210)는 공동(190)을 통해 연장되는 베이스(180)의 상부에 위치할 수 있는 캐소드 유동 구조 (도시하지 않음)와 유체 연통일 수 있다.As shown in FIG. 2, the first seal 240 may be configured to extend around the outside of the high pressure ports 210. The high pressure port 210 may be configured to supply or discharge the first fluid 212 in the high pressure region 200. The high pressure port 210 may be in fluid communication with the high pressure port of adjacent electrochemical cells in a multiple cell electrochemical compressor. The high pressure port 210 may be in fluid communication with a cathode flow structure (not shown) that may be located above the base 180 that extends through the cavity 190.

일부 실시양태에서, 제2 밀봉부(250)는 중간 압력 구역(202)의 외부 둘레를 한정할 수 있다. 중간 압력 구역(202)은 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250), 프레임(170) 및 베이스(180)에 의해 그 범위가 정해질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중간 압력 구역(202)은 제1 밀봉부(240)에 의해 분리된 고압 구역(200)의 둘레 주위로 연장될 수 있다. 중간 압력 구역(202)은 제2 유체(214)를 포함하도록 구성될 수 있다. 중간 압력 구역(202)의 단면적 및 부피는 프레임(170), 베이스(180), 제1 밀봉부(240) 및 제2 밀봉부(250)의 기하학적 형태에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. 중간 압력 구역(202)은 하나 이상의 중간 압력 포트(220)를 더 포함하여 이들과 유체 연통될 수 있다. 중간 압력 포트(220)는 중간 압력 구역(202) 내에 수용된 제2 유체(214)를 배출하도록 구성될 수 있다. 중간 압력 포트(220)는 공동(190)을 통해 연장되는 캐소드 유동 구조의 상부에 위치할 수 있는 애노드 유동 구조 (도시하지 않음)와 유체 연통일 수 있다.In some embodiments, the second seal portion 250 may define the outer perimeter of the intermediate pressure region 202. The intermediate pressure zone 202 may be defined 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 configured to include a second fluid 214. Sectional area and volume of the intermediate pressure zone 202 can be variously modified based on the geometry of the frame 170, the base 180, the first seal 240 and the second seal 250. [ The intermediate pressure zone 202 further includes one or more intermediate pressure ports 220 to be in fluid communication therewith. The intermediate pressure port 220 may be configured to discharge the second fluid 214 contained in the intermediate pressure zone 202. The intermediate pressure port 220 may be in fluid communication with an anode flow structure (not shown) that may be located on top of the cathode flow structure extending through the cavity 190.

중간 압력 포트(220)의 형상과 수는 다양하게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 중간 압력 포트(220)는 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 다른 형상일 수 있다. 중간 압력 포트(220)의 수는 1개 내지 25개, 또는 그 이상으로 다양할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 중간 압력 포트(220)는 바이폴라 플레이트(160)의 프레임(170)과 베이스(180)의 길이를 따라 고르게 분포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220)는 중간 압력 구역(202)의 전체 둘레를 연장할 수 있다.The shape and number of the intermediate pressure port 220 can be variously changed. For example, intermediate pressure port 220 may be square, rectangular, triangular, polygonal, circular, elliptical or other shape. The number of intermediate pressure ports 220 may vary from 1 to 25, or more. The intermediate pressure port 220 may be evenly distributed along the length of the frame 170 of the bipolar plate 160 and the base 180, as shown in FIG. In some embodiments, the intermediate pressure port 220 may extend all around the intermediate pressure zone 202.

일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220)를 통해 배출된 제2 유체(214)는 전기화학 전지(100)로 재공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220)를 통해 배출된 제2 유체(214)는 수집되어 재활용될 수 있다. 중간 압력 구역(202) 내의 제2 유체(214)는 대체로 고압 구역(200) 내의 제1 유체(212)보다 압력이 낮을 수 있다.In some embodiments, the second fluid 214 discharged through the intermediate pressure port 220 may be re-supplied to the electrochemical cell 100. In some embodiments, the second fluid 214 discharged through the intermediate pressure port 220 can be collected and recycled. The second fluid 214 in the intermediate pressure zone 202 may be lower in pressure than the first fluid 212 in the high pressure zone 200. [

일부 실시양태에서, 제3 밀봉부(260)는 저압 구역(204)을 한정하여 저압 구역(204) 내에서 제3 유체(216)를 수용하도록 구성될 수 있다. 저압 구역(204)은 제2 밀봉부(250), 제3 밀봉부(260), 프레임(170) 및 베이스(180)에 의해 그 범위가 정해질 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 저압 구역(204)은 제2 밀봉부(240)에 의해 분리된 중간 압력 구역(202)의 둘레 주위로 연장할 수 있다. 저압 구역(204)의 단면적 및 부피는 프레임(170), 베이스(180), 제2 밀봉부(240) 및 제3 밀봉부(250)의 기하학적 형태에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. 저압 구역(204)은 하나 이상의 저압 포트(230)를 더 포함하여 이들과 유체 연통될 수 있다. 저압 포트(230)는 저압 구역(204) 내에서 수집 및/또는 수용된 제3 유체(216)를 배출하도록 구성될 수 있다. In some embodiments, the third seal 260 can be configured to receive the third fluid 216 within the low pressure zone 204 by defining the low pressure zone 204. The low pressure zone 204 can be defined by the second seal 250, the third seal 260, the frame 170 and the base 180. 2, the low pressure zone 204 may extend around the periphery of the intermediate pressure zone 202 separated by the second seal 240. As shown in FIG. The cross-sectional area and volume of the low-pressure area 204 can be varied variously based on the geometry of the frame 170, the base 180, the second seal 240 and the third seal 250. The low pressure zone 204 further includes one or more low pressure ports 230 to be in fluid communication therewith. The low pressure port 230 may be configured to discharge the third fluid 216 collected and / or received within the low pressure zone 204.

저압 포트(230)의 형상과 수는 다양하게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 저압 포트(230)는 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 다른 형상일 수 있다. 저압 포트(230)의 수는 예를 들어 1개 내지 50개, 또는 그 이상으로 다양할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 저압 포트(230)는 제2 밀봉부(240)와 제3 밀봉부(250) 사이에서 이격되어 바이폴라 플레이트(160)의 길이를 따라 고르게 분포할 수 있다. 일부 실시양태에서, 저압 포트(230)는 중간 압력 구역(204)의 전체 둘레를 연장할 수 있다. The shape and number of the low-pressure port 230 can be variously changed. For example, low pressure port 230 may be square, rectangular, triangular, polygonal, circular, elliptical or other shapes. The number of low pressure ports 230 may vary, for example, from 1 to 50, or more. 2, the low pressure port 230 may be evenly distributed along the length of the bipolar plate 160, spaced between the second seal 240 and the third seal 250. In some embodiments, the low pressure port 230 may extend all around the intermediate pressure zone 204.

일부 실시양태에서, 저압 포트(230)를 통해 배출된 제3 유체(216)는 전기화학 전지(100)로 재공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 저압 포트(230)를 통해 배출된 제3 유체(216)는 수집되어 재활용될 수 있다. 저압 구역(204) 내의 제3 유체(216)는 대체로 고압 구역(200) 내의 제1 유체(212) 및 중간 압력 구역(202) 내의 제2 유체(214)보다 압력이 낮을 수 있다.In some embodiments, the third fluid 216 discharged through the low pressure port 230 may be re-supplied to the electrochemical cell 100. In some embodiments, the third fluid 216 discharged through the low pressure port 230 can be collected and recycled. The third fluid 216 in the low pressure zone 204 may be lower in pressure than the first fluid 212 in the high pressure zone 200 and the second fluid 214 in the intermediate pressure zone 202.

예시적인 실시양태에 따르면, 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및 제3 밀봉부(260)는 바이폴라 플레이트(160)의 서로 다른 압력 구역 (예컨대, 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및 저압 구역(204))들을 밀봉하고 장시간(예를 들어, 10년 초과) 동안 약 15,000 psig, 약 20,000 psig, 약 25,000 psig, 약 30,000 psig, 약 35,000 psig, 약 40,000 psig, 또는 약 40,000 psig를 초과하는 압력을 지탱하여 많은 압력 사이클(예를 들어, 1,000 사이클 초과)을 견딜 수 있는 밀봉 구성요소들의 조립체의 일부일 수 있다. 예를 들어, 제1 밀봉부(240)는 약 25,000 psig 내지 약 40,000 psig 범위의 압력을 갖는 고압 구역(200)을 밀봉할 수 있고, 제2 밀봉부(250)는 약 0 psig 내지 약 3,000 psig 범위의 압력을 갖는 중간 압력 구역(202)을 밀봉할 수 있으며, 제3 밀봉부(260)는 약 0 psig 내지 약 20 psig 범위의 압력을 갖는 저압 구역(204)을 밀봉할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the first seal 240, the second seal 250 and the third seal 260 may be disposed in different pressure zones of the bipolar plate 160 (e.g., the high pressure zone 200, About 20,000 psig, about 25,000 psig, about 30,000 psig, about 35,000 psig, about 40,000 psig (for example, intermediate pressure zone 202 and low pressure zone 204) for a long period of time , Or a portion of an assembly of sealing components that can withstand pressures in excess of about 40,000 psig to withstand many pressure cycles (e.g., more than 1,000 cycles). For example, the first seal portion 240 may seal the high pressure zone 200 with a pressure in the range of about 25,000 psig to about 40,000 psig and the second seal portion 250 may seal between about 0 psig and about 3,000 psig The third seal 260 may seal the low pressure zone 204 having a pressure in the range of about 0 psig to about 20 psig.

일부 실시양태에서, 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 단 2개의 압력 구역만이 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 제1 밀봉부(240)와 제3 밀봉부(260)만이 고압 구역(200) 및 저압 구역(204)을 형성하여 제2 밀봉부(250)와 중간 압력 구역(202)을 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 3개 초과의 압력 구역이 형성되도록 구성될 수 있음도 고려될 수 있다. 예를 들어, 제4 압력 구역은 제4 밀봉부를 첨가하여 형성될 수 있다.In some embodiments, the bipolar plates 150 and 160 may be configured to form only two pressure zones. For example, the bipolar plates 150 and 160 may be configured such that only the first seal 240 and the third seal 260 form the high pressure zone 200 and the low pressure zone 204, And may be configured to remove the intermediate pressure zone 202. It is also contemplated that, in some embodiments, the bipolar plates 150 and 160 may be configured to have more than three pressure zones formed. For example, the fourth pressure zone may be formed by adding a fourth seal.

전통적으로, 탄성중합체 밀봉부 (예컨대, O-링)는 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 생성된 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및/또는 저압 구역(204)을 밀봉하기 위해, 그리고 고압 포트(210)를 밀봉하기 위해 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)에 사용된다. 탄성중합체는 고압 시스템에서 신뢰도 문제를 야기하는 경우가 많다. 전기화학 전지를 덜 견고하면서도 내성이 있도록 제조하는 것 이외에, 탄성중합체 밀봉부는 x-y 테이블을 이용하여 다이 컷(die cut)되거나, 수동 배치되거나, 오버몰딩되거나, 또는 증착된 후 경화될 필요가 있다. 추가로, 탄성중합체 밀봉부는 프레임(170) 또는 베이스(180)의 표면 상에 글랜드(gland) 또는 그루브(groove)를 포함시키는 것이 필요할 수 있다. 탄성중합체 밀봉부가 그루브 내로 접합될 수는 있지만, 이들은 제조, 조립하는 동안 및/또는 작동 도중에 제 위치에서 미끄러져 빠져나올 수 있다. 탄성중합체 밀봉부에 의해 야기되는 제조 과정의 불확실성과 복잡성 때문에, 일부 실시양태에서는, 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 형성된 하나 이상의 압력 구역을 밀봉하는데 있어서 중합체 밀봉부가 유리하게 사용될 수 있다. Conventionally, an elastomeric seal (e.g., an O-ring) seals a high pressure zone 200, an intermediate pressure zone 202 and / or a low pressure zone 204 created between the frame 170 and the base 180 The second sealing portion 250, and / or the third sealing portion 260 to seal the high-pressure port 210 and to seal the high-pressure port 210. [ Elastomers often cause reliability problems in high-pressure systems. In addition to making the electrochemical cell less durable and resistant, the elastomeric seal needs to be die cut, manually positioned, overmolded, or deposited using an x-y table and then cured. In addition, the elastomeric seal may need to include a gland or groove on the surface of the frame 170 or the base 180. While the elastomeric seal may be bonded into the grooves, they may slip out of place during manufacture, assembly, and / or operation. Because of the uncertainty and complexity of the manufacturing process caused by the elastomeric seal, in some embodiments, the polymeric seal portion may be advantageously used in sealing one or more pressure zones formed between the frame 170 and the base 180. [

중합체 밀봉부는 다양한 기법, 예를 들어, 적층, 스프레이 코팅 또는 딥 코팅에 의해 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 도포될 수 있다. 중합체 밀봉부를 이용하면 바이폴라 플레이트(150, 160)의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면 상의 글랜드 또는 그루브를 제거할 수 있다. 글랜드 또는 그루브를 제거하면 프레임(170) 및/또는 베이스(180)를 더 얇게하고, 필요한 기계가공 및/또는 제조공정의 양을 감소시키며, 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 밀봉 표면의 면적을 증가시킬 수 있는데, 이로써 프레임(170) 및/또는 베이스(180)가 지탱해야 하는 압축력을 감소시킬 수 있게 된다. 또 다른 예에 있어서, 중합체 밀봉부를 사용하면 프레임(170)과 베이스(180)가 하나의 통합된 부분으로 형성될 수 있는데, 이로써 바이폴라 플레이트(150, 160)의 두께를 더 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 적층되거나 또는 스프레이 코팅된 중합체 밀봉부는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 단단하게 접합될 수 있기 때문에 제자리에 단단히 고정될 수 있다. 중합체 밀봉부는 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 기계가공 횟수를 줄이고, 도포 비용을 낮추며, 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 재료를 감소시키므로 제조 비용을 더 낮출 수 있다. The polymeric seal can be applied to the frame 170 and / or the base 180 by a variety of techniques, for example, lamination, spray coating or dip coating. The use of a polymeric seal can reduce the complexity of the bipolar plates 150, 160. For example, glands or grooves on the surface of frame 170 and / or base 180 may be removed. Removal of the gland or groove may result in thinner frame 170 and / or base 180, reducing the amount of required machining and / or manufacturing processes, and providing a seal surface < RTI ID = 0.0 > Thereby reducing the compressive force that frame 170 and / or base 180 must support. In another example, using a polymeric seal allows the frame 170 and base 180 to be formed as a single integrated portion, thereby further reducing the thickness of the bipolar plates 150 and 160. [ In addition, the laminated or spray coated polymeric seal can be securely held in place because it can be tightly bonded to frame 170 and / or base 180. The polymer seal can reduce manufacturing costs by reducing the number of machining cycles of the bipolar plates 150 and 160, lowering the application cost, and reducing the material of the bipolar plates 150 and 160.

도 3에 나타낸 바와 같이, 중합체 밀봉부(175)는 예를 들어, 프레임(170) 및/또는 베이스(180) 중 하나의 표면 또는 양자 모두의 표면 상에 적층되거나 코팅될 수 있다. 압축 하중이 프레임(170)과 베이스(180)에 인가되는 경우, 중합체 밀봉부(175)는 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및/또는 저압 구역(204)을 변형시켜 밀봉할 수 있다. 중합체 밀봉부(175)는 예를 들어, 고압 구역(200) 내에 제1 유체(212)를 수용하고, 중간 압력 구역(202) 내에 제2 유체(214)를 수용하고/하거나, 저압 구역(204) 내에 제3 유체(216)를 수용하는 것을 보조하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면적의 일부 또는 전부를 덮을 수 있다. 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 압축 영역에 걸쳐 연장하는 밀봉 표면을 가질 수 있으며, 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및/또는 저압 구역(204)의 둘레 주위로 연장할 수 있다. 3, the polymer seal 175 may be laminated or coated on the surface of, for example, one of the frame 170 and / or the base 180, or both. The polymer seal 175 can be modified to seal the high pressure zone 200, the intermediate pressure zone 202 and / or the low pressure zone 204 when a compressive load is applied to the frame 170 and the base 180 have. The polymer seal 175 may be configured to receive the first fluid 212 within the high pressure region 200 and to receive the second fluid 214 within the intermediate pressure region 202 and / To assist in receiving the third fluid 216 within the first fluid 216. [ 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 sealing surface extending across the compression region between the frame 170 and the base 180 and may have a sealing surface extending from the high pressure zone 200 to the intermediate pressure zone 202 and / As shown in Fig.

일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)의 위치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 나타낸 바와 같이, 중합체 밀봉부(175)는 고압 구역(200)을 밀봉하는 제1 밀봉부(240) 및 중간 압력 구역(202)과 저압 구역(204)을 밀봉하는 중합체 밀봉부(175)와 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 채널이 중간 압력 포트(220)와 고압 구역(200) 사이에 형성되어, 중간 압력 포트(220)가 제1 밀봉부(240), 고압 구역(200) 및/또는 애노드 유동 구조(도시하지 않음)와 유체 연통이 되도록 만들 수 있다. 중합체 밀봉부(175)는 하나 이상의 채널(178)을 포함하여 중간 압력 포트(220)가 고압 구역(200)과 유체 연통이 되도록 할 수도 있다.In some embodiments, the polymeric seal 175 can be used at the locations of the first seal 240, the second seal 250, and / or the third seal 260. 4, the polymer seal 175 may include a first seal 240 sealing the high pressure zone 200 and a second seal 240 sealing the intermediate pressure zone 202 and the low pressure zone 204, May be used in conjunction with the seal 175. 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 in communication with the first seal 240, the high pressure zone 200 and / And may be made to be in fluid communication with a flow structure (not shown). The polymer seal 175 may include one or more channels 178 to allow the intermediate pressure port 220 to be in fluid communication with the high pressure zone 200.

일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 서로 다른 압력 구역들을 밀봉하고 장시간(예를 들어, 10년 초과) 동안 약 15,000 psig, 약 20,000 psig, 약 25,000 psig, 약 30,000 psig, 약 35,000 psig 또는 약 40,000 psig를 초과하는 압력을 지탱하여 많은 압력 사이클(예를 들어, 1,000 사이클 초과)을 견딜 수 있다. 예를 들어, 중합체 밀봉부(175)는 약 25,000 psig 내지 약 40,000 psig 범위의 압력을 갖는 고압 구역(200)을 밀봉할 수 있고, 약 0 psig 내지 약 3,000 psig 범위의 압력을 갖는 중간 압력 구역(202)을 밀봉할 수 있고/있거나, 약 0 psig 내지 약 20 psig 범위의 압력을 갖는 저압 구역(204)을 밀봉할 수 있다. 이로써, 캐소드(120)에서 생성된 반응물 또는 연료, 예컨대 수소는 예를 들어, 고압 구역(200)에서 고도로 압축되는 것이 가능해진다. In some embodiments, the polymer seal 175 may seal different pressure zones and provide a pressure of about 15,000 psig, about 20,000 psig, about 25,000 psig, about 30,000 psig, about 35,000 psig, or about 15,000 psig for a long period of time It can withstand pressures in excess of about 40,000 psig to withstand many pressure cycles (e.g., over 1,000 cycles). For example, the polymeric seal 175 may seal the high pressure zone 200 having a pressure in the range of about 25,000 psig to about 40,000 psig, and may have an intermediate pressure zone 202, and / or may seal the low pressure zone 204 with a pressure in the range of about 0 psig to about 20 psig. This allows the reactants or fuels produced in the cathode 120, e.g., hydrogen, to be highly compressed, for example, in the high-pressure zone 200.

형상, 두께 및 폭을 포함하는 중합체 밀봉부(175)의 치수는 다양할 수 있으며, 전기화학 전지(100) 및 바이폴라 플레이트(160)의 치수에 기초할 수 있다. 중합체 밀봉부(175)의 두께는 예를 들어, 약 0.01 mm 내지 약 0.025 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.05 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.254 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm 또는 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 샌드위치된 별도의 중합체 박막일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170) 또는 베이스(180) 상에, 또는 프레임(170)과 베이스(180) 양자 모두 상에 코팅되거나 적층될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면 및/또는 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 인접한 전지의 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면에 도포될 수 있고/있거나, 인접한 전지의 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 양 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은, 중합체 밀봉부(175)의 두께 범위가 프레임(170)의 두께 범위와 실질적으로 동일하도록 중합체 밀봉부(175)의 물질로 형성될 수 있다.The dimensions of the polymer seal 175, including shape, thickness, and width, may vary and may be based on the dimensions of the electrochemical cell 100 and the bipolar plate 160. The thickness of the polymeric seal 175 may be, 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, 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, From about 0.05 mm to about 0.3 mm, from about 0.1 mm to about 0.2 mm, or from about 0.1 mm to about 0.3 mm. In some embodiments, the polymeric seal 175 may be a separate polymeric film sandwiched between the frame 170 and the base 180. In some embodiments, the polymer seal 175 can be coated or laminated on the frame 170 or the base 180, or both on the frame 170 and the base 180. In some embodiments, a polymeric seal 175 may be applied to the surface of the frame 170 facing the base 180 and / or to 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 an adjacent cell and / or may be applied to a base (e.g., 180). ≪ / RTI > In some embodiments, the polymer seal 175 can be applied to both the frame 170 and / or the base 180 surface. In some embodiments, the frame 170 may be formed of a material of the polymer seal 175 so that the thickness range of the polymer seal 175 is substantially equal to the thickness range of the frame 170. [

일부 실시양태에서, 제1 밀봉부(230), 제2 밀봉부(240) 및/또는 제3 밀봉부(250)는 본원에 기술된 중합체 밀봉부(175)로 제조되거나 또는 대체될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)와 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175), 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)는 이에 제한되지는 않지만, TeflonTM, Torlon®, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드 및 폴리설폰을 비롯한 중합체 밀봉 물질로 제조될 수 있다. 상기 중합체 물질은 내산성일 수 있으며, 전기화학 전지(100)의 작동에 유해한 물질을 침출해서는 안된다. 일부 실시양태에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)는 밀봉을 보조하도록 구성된 접착제로 코팅될 수 있다. 상기 접착제는 예를 들어, 압력 또는 열 활성화 접착제일 수 있다.In some embodiments, the first seal portion 230, the second seal portion 240, and / or the third seal portion 250 may be fabricated or replaced with the polymer seal portion 175 described herein. 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 polymeric sealing section (175), the first sealing portion 240, a second sealing unit 250 and / or third sealing section 260 include, but are not limited to, Teflon TM, Torlon ®, May be made of a polymeric sealing material including polyetheretherketone (PEEK), polyethyleneimine (PEI), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyimide and polysulfone. The polymeric material may be acid resistant and should not leach any material that is detrimental to the operation of the electrochemical cell 100. In some embodiments, the frame 170 and / or the base 180 may be coated with an adhesive configured to assist sealing. The adhesive may be, for example, a pressure or heat activated adhesive.

바이폴라 플레이트(160)가 조립되는 경우, 프레임(170)과 베이스(180) (도 4에는 도시되지 않음)는 연결될 수 있고, 프레임(170), 베이스(180) 및 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 도포된 중합체 밀봉부(175)에 압축력이 가해질 수 있다. 일부 실시양태에서, 인가된 최소 압축력은 밀봉부(175)의 재료가 변형하여 밀봉 표면을 생성하도록 상기 밀봉부(175) 재료의 항복 강도 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)가 도포된 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면이 실질적으로 연마되어 밀봉 표면이 생성될 수 있는 경우, 인가된 최소 압축력은 중합체 밀봉부(175) 재료의 항복 강도보다 클 필요는 없다. 밀봉 표면은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 압축 영역에서 형성될 수 있다. 하기의 설명에 프레임(170)을 언급하지만, 이러한 개시는 베이스(180)에도 동일하게 적용될 수 있다. When the bipolar plate 160 is assembled, the frame 170 and the base 180 (not shown in FIG. 4) can be connected and the frame 170, the base 180 and the frame 170 and / A compressive force may be applied to the polymer seal 175 applied to the seal 180. In some embodiments, the applied minimum compressive force may be greater than the yield strength of the material of the seal portion 175 to cause the material of the seal portion 175 to deform to create a seal surface. In some embodiments, when the surface of the frame 170 and / or the base 180 to which the polymer seal 175 has been applied is substantially polished to create a sealing surface, the minimum applied compressive force is applied to the polymer seal 175) material yield strength. A sealing surface may be formed in the compression area of the frame 170 and / or the base 180. Although the following description refers to the frame 170, this disclosure is equally applicable to the base 180 as well.

도 4에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 프레임(170)의 압축 영역은 상기 프레임(170)의 상부 표면에 걸쳐 연장할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 제1 단부(171), 제2 단부(172) 및 이들 사이에서 연장되는 신장형 본체(173)를 갖는 신장된 형상을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 제2 단부(172)는 신장형 본체(173)에 비하여 면적이 더 넓을 수 있고, 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따라 압축되는 면적은 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 제2 단부(172)에서의 압축 면적에 비해 더 협소하거나 적을 수 있다. 압축 하중이 프레임(170)의 압축 영역에 인가되는 경우, 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 제2 단부(172)에서의 압축 면적은 접촉 면적의 차이로 인하여 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따라 압축되는 면적보다 더 적은 압축력이 가해질 수 있다. 이러한 상황은 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 균일하지 않은 압축력을 유도할 수 있다. 이는 밀봉 표면을 따라 일부 위치, 예컨대 압축력이 덜할 수 있거나 어떤 경우에는 최소 압축력을 충족하지 않을 수 있는 제1 단부(171) 및 제2 단부(172) 부근의 위치에서 유체의 유출을 초래할 수 있다. As shown in FIG. 4, for example, a compressed region of the frame 170 may extend over the upper surface of the frame 170. In some embodiments, the frame 170 may have an elongated shape having a first end 171, a second end 172, and an elongate body 173 extending therebetween. 4, the first end 171 and the second end 172 of the frame 170 may be wider in area than the elongate body 173 and the frame 170 may have a larger area than the elongate body 173. In some embodiments, The area compressed along the elongate body 173 of the frame 170 may be smaller or smaller than the compression area at the first end 171 and the second end 172 of the frame 170. [ The compressive area at the first end 171 and the second end 172 of the frame 170 can be increased by increasing the elongation of the frame 170 due to the difference in contact area, A compressive force less than the area compressed along the mold body 173 can be applied. This situation can lead to non-uniform compressive forces across the compression region of the frame 170 and the sealing surface of the polymer seal 175. This may result in fluid leakage at some locations along the sealing surface, e.g., near the first end 171 and the second end 172, which may be less compressive or in some cases may not meet the minimum compressive force.

도 5는 균일하지 않은 압축력이 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 인가되는 예를 나타내고 있다. 압축력의 크기는 사선의 밀도로 나타나 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 프레임(170)의 제2 단부(172)에 인가된 압축력은 프레임(170)의 신장형 본체(173)에 인가된 압축력보다 적다. 이 일례에서, 최소 압축력이 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따르는 압축 영역에 인가되는 경우에는, 상기 최소 압축력보다 적은 압축력이 프레임(170)의 제2 단부(172)에서의 압축 영역에 인가될 수 있는데, 이는 예를 들어, 고압 구역(200)에서 중간 압력 구역(202)으로, 중간 압력 구역(202)에서 저압 구역(204) 또는 바이폴라 플레이트의 외부로, 및/또는 저압 구역(204)에서 바이폴라 플레이트의 외부로 유체가 누출될 잠재적인 위험 요인을 내포하고 있다. 다르게는, 프레임(170)의 제2 단부(172)의 압축 영역에 인가된 압축력이 최소 압축력과 동일하거나 그보다 충분히 큰 경우에는, 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따라 압축 영역에 인가된 압축력은 프레임(170)의 재료가 견딜 수 있는 최대 압축력을 사실상 초과할 수 있어서, 이러한 초과 압축력을 수용하기 위한 엄격한 설계 요건 및/또는 프레임(170)의 과잉설계(overdesign)가 필요로 할 수 있다. 5 shows an example in which an uneven compressive force is applied to the compression region of the frame 170 and the sealing surface of the polymer seal 175. [ The magnitude of the compressive force is shown by the density of the oblique line. 5, the compressive force applied to the second end 172 of the frame 170 is less than the compressive force applied to the elongated body 173 of the frame 170. As shown in Fig. In this example, when a minimum compressive force is applied to the compression region along the elongate body 173 of the frame 170, a compressive force less than the minimum compressive force is applied to the compression region 172 at the second end 172 of the frame 170, For example, from the high pressure zone 200 to the intermediate pressure zone 202, from the intermediate pressure zone 202 to the low pressure zone 204 or to the outside of the bipolar plate, and / 204 present a potential risk of fluid leaking out of the bipolar plate. Alternatively, if the compressive force applied to the compressive region of the second end 172 of the frame 170 is greater than or equal to the minimum compressive force, then it is applied to the compressive region along the elongated body 173 of the frame 170 The applied compressive force may substantially exceed the maximum compressive force that the material of the frame 170 can tolerate so that rigid design requirements to accommodate this excessive compressive force and / or overdesign of the frame 170 may be required. have.

프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 인가된 압축력의 균일도를 증가시키기 위해, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)는 힘 집중기 패턴(300)을 한정할 수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 상부 및/또는 하부 표면으로부터 융기된 표면일 수 있다. 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 상부 표면을 화학적으로 에칭하거나 또는 기계가공하여 생성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면 프로파일이 힘 집중기 패턴(300)과 실질적으로 동일할 수 있도록 프레임(170) 및/또는 베이스(180)를 기계가공하여 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 물질을 제거함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 제1 단부(171) 및 제2 단부(172) 부근의 프레임(170)의 일부 물질들은 힘 집중기 패턴(300)을 생성하기 위해 제거되거나 또는 에칭되어 제거될 수 있다. 하기의 설명이 힘 집중기 패턴(300)을 융기 표면으로 언급하고 있지만, 이러한 설명은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 프로파일과 실질적으로 동일한 힘 집중기 패턴(300)에도 동일하게 적용될 수 있다.In order to increase the uniformity of the compression force applied to the frame 170 and / or the compression area of the base 180 and the sealing surface of the polymer seal 175, the frame 170 and / The pattern 300 can be defined. 6, the force concentrator pattern 300 may be a raised surface from the top and / or bottom surface of the frame 170 and / or the base 180. [ For example, the force concentrator pattern 300 can be created by chemically etching or machining the upper surface of the frame 170. [ In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be configured such that the surface profile of the frame 170 and / or the base 180 is substantially identical to the force concentrator pattern 300 and / May be created by machining the base 180 to remove material from the frame 170 and / or the base 180. For example, some of the materials of the frame 170 near the first end 171 and the second end 172 may be removed or etched away to create a force concentrator pattern 300. Although the following description refers to the force concentrator pattern 300 as a raised surface, this description is equally applicable to the force concentrator pattern 300, which is substantially the same as the profile of the frame 170 and / or the base 180 .

도 7에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 상부 표면 위의 융기 표면(300')으로 기술될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 힘 집중기 패턴(300) 상에 적층되거나 코팅될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 중합체 밀봉부(175)에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 두께는, 예를 들어, 약 0.01 mm 내지 약 0.025 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.05 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.254 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm 또는 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm일 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 또는 베이스(180) 상에, 또는 프레임(170)과 베이스(180) 양자 모두 상에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면 및/또는 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면 상에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 인접한 전지의 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면에 존재할 수 있고/있거나, 인접한 전지의 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 양 표면에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 두께는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다.As shown in FIG. 7, for example, the force concentrator pattern 300 can be described as a raised surface 300 'on the upper surface of the frame 170. In this embodiment, the polymer seal 175 may be laminated or coated on the force concentrator pattern 300. In this embodiment, the force concentrator pattern 300 may be formed by the 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, from about 0.1 mm to about 0.2 from about 0.025 mm to about 0.2 mm, from about 0.2 mm to about 0.3 mm, from about 0.025 mm to about 0.1 mm, from about 0.025 mm to about 0.2 mm, from about 0.025 mm to about 0.254 mm, from about 0.025 mm to about 0.3 mm, From about 0.05 mm to about 0.2 mm, from about 0.05 mm to about 0.3 mm, from about 0.1 mm to about 0.2 mm, or from about 0.1 mm to about 0.3 mm. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be on the frame 170 or the base 180, or on both the frame 170 and the base 180. In some embodiments, 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 present on the surface of the frame 170 facing the base 180 of an adjacent cell and / or may be on the base (e.g., 180). ≪ / RTI > In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be present on both sides of the frame 170 and / or the base 180. In some embodiments, 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.

도 6과 도 7에 나타낸 바와 같이, 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 신장형 본체(173)에 걸쳐 연장되고 프레임(170)의 제1 단부(171) 및/또는 제2 단부(172)에 부분적으로 걸쳐 연장될 수 있다. 힘 집중기 패턴(300)은, 프레임(170)에 걸친 압축 영역, 예를 들어, 프레임(170)의 길이에 걸친 압축 영역이 대략적으로 또는 대체로 일정하거나 균일할 수 있도록 설계될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 고압 구역(200)에서 프레임(170)의 외부 엣지(outer edge)까지 연장할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 신장형 본체(173)의 폭보다 협소할 수 있다. 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 내부 엣지에서 프레임(170)의 외부 엣지까지 연장할 수 있거나 연장하지 않을 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역, 힘 집중기 패턴(300)의 표면적 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면의 표면적은 실질적으로 동일할 수 있다. 힘 집중기 패턴(300)의 설계는 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸친 압축력을 대체로 균일하거나 일정하게 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 제1 단부(171) 및/또는 제2 단부(172)에서 힘 집중기 패턴(300)의 표면적을 감소시키는 것은 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸친 압축력의 균일도 또는 고름도를 증가시킬 수 있다. 6 and 7, in some embodiments, the force concentrator pattern 300 extends across the elongate body 173 of the frame 170 and extends through the first end 171 and / / RTI > and / or the second end < RTI ID = 0.0 > 172 < / RTI > The force concentrator pattern 300 may be designed such that the compression region over the length of the compression region over the frame 170, for example, the frame 170, may be roughly or substantially constant or substantially 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 compression area of the frame 170, the surface area of the force concentrator pattern 300, and the surface area of the sealing surface of the polymeric seal 175 may be substantially the same. The design of the force concentrator pattern 300 may make the compressive force across the compression region of the frame 170 and the sealing surface of the polymer seal 175 substantially uniform or constant. In some embodiments, for example, reducing the surface area of the force concentrator pattern 300 at the first end 171 and / or the second end 172 may be achieved by compressing the compression region of the frame 170 and the polymer seal 175 can increase the uniformity or puckering of the compression force across the sealing surface.

도 8은 프레임(170)이 힘 집중기 패턴(300)을 갖는 바이폴라 플레이트(160)의 예시적인 실시양태를 나타내고 있다. 압축 하중이 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 인가되는 경우, 상기 인가된 압축력은 프레임(170)의 힘 집중기 패턴(300), 프레임(170)의 압축 영역 및/또는 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 대체로 균일하게 배분될 수 있다. 프레임(170)의 길이를 따라 압축되는 면적은 약 2 cm2/cm 내지 약 4 cm2/cm, 약 2 cm2/cm 내지 약 6 cm2/cm, 약 2 cm2/cm 내지 약 8 cm2/cm, 약 2 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm, 약 4 cm2/cm 내지 약 6 cm2/cm, 약 4 cm2/cm 내지 약 8 cm2/cm, 약 4 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm, 약 5 cm2/cm 내지 약 7 cm2/cm, 약 6 cm2/cm 내지 약 8 cm2/cm, 약 6 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220) 및/또는 저압 포트(230) 사이의 반복 거리는 약 1 cm 내지 약 3 cm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 길이는 약 15 cm 내지 약 30 cm, 약 15 cm 내지 약 50 cm, 약 15 cm 내지 약 80 cm, 약 15 cm 내지 약 100 cm, 약 30 cm 내지 약 50 cm, 약 30 cm 내지 약 80 cm, 약 30 cm 내지 약 100 cm, 약 50 cm 내지 약 80 cm, 약 50 cm 내지 약 100 cm 또는 약 80 cm 내지 약 100 cm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 폭은 약 5 cm 내지 약 10 cm, 약 10 cm 내지 약 20 cm, 약 20 cm 내지 약 30 cm, 약 5 cm 내지 약 20 cm, 약 5 cm 내지 약 30 cm, 약 10 cm 내지 약 30 cm 또는 약 20 cm 내지 약 30 cm 범위일 수 있다. FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a bipolar plate 160 in which frame 170 has a force concentrator pattern 300. If a compressive load is applied to the frame 170 and / or the base 180, the applied compressive force may be applied to the force concentrator pattern 300 of the frame 170, the compression region of the frame 170, and / RTI ID = 0.0 > 175 < / RTI > The area compressed along the length of the frame 170 may range from about 2 cm 2 / cm to about 4 cm 2 / cm, from about 2 cm 2 / cm to about 6 cm 2 / cm, from about 2 cm 2 / cm to about 8 cm 2 / cm, about 2 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm, about 4 cm 2 / cm to about 6 cm 2 / cm, about 4 cm 2 / cm to about 8 cm 2 / cm, about 4 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm, about 5 cm 2 / cm to about 7 cm 2 / cm, about 6 cm 2 / cm to about 8 cm 2 / cm, about 6 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm. < / RTI > In some embodiments, the repetition distance between intermediate pressure port 220 and / or low pressure port 230 may range from about 1 cm to about 3 cm. In some embodiments, the length of the frame 170 and / or the base 180 is from about 15 cm to about 30 cm, from about 15 cm to about 50 cm, from about 15 cm to about 80 cm, from about 15 cm to about 100 cm From about 30 cm to about 50 cm, from about 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 may range from about 5 cm to about 10 cm, from about 10 cm to about 20 cm, from about 20 cm to about 30 cm, from about 5 cm to about 20 cm From about 5 cm to about 30 cm, from about 10 cm to about 30 cm, or from about 20 cm to about 30 cm.

일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역, 힘 집중기 패턴(300)의 표면적 및/또는 중합체 물질(175)의 밀봉 표면의 표면적은 약 50 cm2 내지 약 100 cm2, 약 100 cm2 내지 약 200 cm2, 약 200 cm2 내지 약 300 cm2, 약 300 cm2 내지 약 400 cm2, 약 400 cm2 내지 약 500 cm2, 약 500 cm2 내지 약 600 cm2, 약 600 cm2 내지 약 700 cm2, 약 700 cm2 내지 약 800 cm2, 약 800 cm2 내지 약 900 cm2, 약 900 cm2 내지 약 1000 cm2, 약 1000 cm2 내지 약 1100 cm2, 약 1100 cm2 내지 약 1200 cm2, 약 1200 cm2 내지 약 1300 cm2, 약 1300 cm2 내지 약 1400 cm2 또는 약 1400 cm2 내지 약 1500 cm2 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역 및/또는 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면을 따라 대체로 균일하게 배분된 압축력은 약 5,000 psig 내지 약 10,000 psig, 약 5,000 psig 내지 약 20,000 psig, 약 5,000 psig 내지 약 30,000 psig, 약 5,000 psig 내지 약 40,000 psig, 약 10,000 psig 내지 약 40,000 psig, 약 10,000 psig 내지 약 30,000 psig, 약 10,000 psig 내지 약 20,000 psig, 약 20,000 psig 내지 약 30,000 psig, 약 20,000 psig 내지 약 40,000 psig 또는 약 30,000 psig 내지 약 40,000 psig 범위일 수 있다.In some embodiments, the surface area of the sealing surface of the frame 170, the compression zone, the force concentrator pattern 300, the surface area and / or the polymeric material 175 of 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 to about 800 cm 2, about 800 cm 2 to about 900 cm 2, about 900 cm 2 to about 1000 cm 2, about 1000 cm 2 to about 1100 cm 2, about 1100 cm 2 To about 1200 cm 2 , from about 1200 cm 2 to about 1300 cm 2 , from about 1300 cm 2 to about 1400 cm 2, or from about 1400 cm 2 to about 1500 cm 2 . In some embodiments, the substantially uniformly distributed compressive forces along the compression region of the frame 170 and / or the sealing surface of the polymeric seal 175 can range from about 5,000 psig to about 10,000 psig, from about 5,000 psig to about 20,000 psig, From about 5,000 psig to about 30,000 psig, from about 5,000 psig to about 40,000 psig, from about 10,000 psig to about 40,000 psig, from about 10,000 psig to about 30,000 psig, from about 10,000 psig to about 20,000 psig, from about 20,000 psig to about 30,000 psig, To about 40,000 psig or from about 30,000 psig to about 40,000 psig.

도 9는 본원에 기술된 힘 집중기 패턴(300)을 이용하는 경우, 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 대체로 균일하게 압축력이 배분되는 일례를 도시하고 있다. 압축력의 크기는 사선의 밀도로 나타나 있다. 도 9에서 사선의 균일한 밀도는 프레임(170)의 압축 영역에 걸친 압축력의 크기가 대체로 균일하다는 것을 나타내고 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 제1 단부(171)에서 압축 면적을 감소시키므로, 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 신장형 본체(173)에 걸쳐 연장되는 압축 면적을 대략 일정하게 만들어, 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 대체로 균일하거나 고르게 배분된 압축력을 유도할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 약 1,000,000 파운드의 압축 하중이 주어지면, 힘 집중기 패턴(300)의 면적 및 프레임(170)의 압축 면적은 약 50 in2일 수 있고, 따라서 압축력은 프레임(170)에 걸쳐 약 20,000 psig일 수 있다. 이러한 실질적으로 균일하거나 고르게 배분된 압축력은 고압 구역(200)에서 유체가 누출될 가능성을 감소시키거나 방지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역 및/또는 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸친 압축력의 가변성은 약 2%, 약 5%, 약 8%, 약 10%, 약 15% 또는 약 20%를 초과하지 않을 수 있다.9 illustrates an example in which compressive forces are distributed substantially uniformly over the compression area of the frame 170 and the sealing surface of the polymer seal 175 when using the force concentrator pattern 300 described herein. The magnitude of the compressive force is shown by the density of the oblique line. The uniform density of the oblique lines in Fig. 9 indicates that the magnitude of the compressive force over the compression region of the frame 170 is substantially uniform. 9, since the force concentrator pattern 300 reduces the compression area at the first end 171 of the frame 170, the first end 171 of the frame 170 and the elongated body 173 ) To substantially uniformly or evenly distribute the compressive force over the compression area of the frame 170 and the sealing surface of the polymer seal 175. In some embodiments, for example, given a compressive load of about 1,000,000 pounds, the area of the force concentrator pattern 300 and the compressive area of the frame 170 may be about 50 in 2 , 170). ≪ / RTI > This substantially uniform or evenly distributed compressive force may reduce or prevent the possibility of fluid leaking in the high pressure zone 200. In some embodiments, the variability of the compressive force across the compression region of the frame 170 and / or the sealing surface of the polymeric seal 175 is about 2%, about 5%, about 8%, about 10%, about 15% May not exceed about 20%.

일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)에 걸쳐 연속적이지 않을 수 있다. 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 코너에 분리된 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 나타낸 바와 같이, 코너부(310)는 힘 집중기 패턴(300)의 일부로서 프레임(170)에 부가된 유사하게 융기된 표면일 수 있다. 코너부(310)는 힘 집중기 패턴(300)과 동일한 방식으로 프레임(170)을 화학적으로 에칭하거나 기계가공함으로써 생성될 수 있다. 코너부(310)의 두께는 힘 집중기 패턴(300)의 두께와 동일할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 표면적은 프레임(170)에 코너부(310)를 부가함으로써 감소될 수 있다. 일부 실시양태에서, 코너부(310) 및 힘 집중기 패턴(300)은 함께 프레임(170)의 압축 영역 및 밀봉 표면(175)이 대략적으로 일정하게 만들어 주고, 따라서 압축력이 프레임(170)에 걸쳐 대체로 균일하게 또는 고르게 배분되도록 만들어 준다.In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may not be continuous across the frame 170. For example, the force concentrator pattern 300 may include separate portions at the corners of the frame 170. For example, as shown in FIG. 10, the corner portion 310 may be a similarly raised surface added to the frame 170 as part of the force concentrator pattern 300. The corner portion 310 can be created by chemically etching or machining the frame 170 in the same manner as the force concentrator pattern 300. The thickness of the corner portion 310 may be equal to the thickness of the force concentrator pattern 300. In some embodiments, the surface area of the force concentrator pattern 300 can be reduced by adding a corner portion 310 to the frame 170. [ In some embodiments, the corner portion 310 and the force concentrator pattern 300 together make the compression region of the frame 170 and the sealing surface 175 approximately constant, and therefore compressive forces are applied across the frame 170 Generally, it distributes uniformly or evenly.

일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 중합체 밀봉부(175)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 중합체 밀봉부(175)의 두께는 힘 집중기 패턴(300)에 걸쳐 더 두껍고, 다른 영역에 걸쳐서는 더 얇을 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 일체부일 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 선택된 표면 또는 양 표면에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, EHC 스택 중의 각 EHC 전지는 힘 집중기 패턴(300)을 가질 수 있다.In some embodiments, a force concentrator pattern 300 may be formed in the polymer seal 175. For example, the thickness of the polymer seal 175 may be thicker over the force concentrator pattern 300 and thinner over other areas. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be an integral part of the frame 170 and / or the base 180. In some embodiments, the force concentrator pattern 300 may be on the selected surface or both surfaces of the frame 170 and / or the base 180. In some embodiments, each EHC cell in the EHC stack may have a force concentrator pattern 300.

일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 사용은 프레임(170)과 베이스(180)에 인가된 압축 하중량에 대한 요건을 축소시킬 수 있다. 상기 압축 하중에 대해 축소된 요건은 프레임(170)과 베이스(180)의 물질에 대한 요건을 축소시킬 수 있고, 이로써 프레임(170)과 베이스(180)에 사용될 물질의 광범위한 선택을 가능하게 한다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 프레임(170)과 베이스(180)는 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 철 등과 같은 금속, 또는 니켈 크롬 합금, 니켈-주석 합금, 인코넬, 모넬, 하스텔로이와 같은 금속 합금, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 중합체, 복합재, 세라믹, 또는 조립시 EHC 전지 또는 EHC 스택에 인가되는 압축 하중, 힘 및/또는 압력을 다룰 수 있는 임의의 물질로도 형성될 수 있다. In some embodiments, the use of the force concentrator pattern 300 may reduce the requirements for the compressive weight applied to the frame 170 and the base 180. The reduced requirements for the compressive load can reduce the requirements for the material of the frame 170 and the base 180, thereby enabling a wide selection of materials to be used for the frame 170 and the base 180. In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may be formed of the same material or different materials. The frame 170 and the base 180 may be formed of a metal such as stainless steel, titanium, aluminum, nickel, iron or the like or a metal alloy such as a nickel chromium alloy, a nickel-tin alloy, Inconel, Monel, Hastelloy, . In some embodiments, the frame 170 may be formed of any material capable of handling the compressive load, force, and / or pressure applied to the polymer, composite, ceramic, or EHC cell or EHC stack upon assembly.

일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 피복(clad)된 물질, 예를 들어, 하나 이상의 영역 상에서 스테인리스강으로 피복된 알루미늄을 포함할 수 있다. 피복은 두 금속의 장점을 제공할 수 있는데, 예를 들어, 스테인리스강 피복 알루미늄으로 제조된 바이폴라 플레이트의 경우에, 스테인리스강은 전지가 작동하는 동안 알루미늄 코어를 부식으로부터 보호하는 한편, 높은 강도 대 중량비, 높은 열전도성 및 전기 전도성 등과 같은 알루미늄의 우수한 물질 특성도 제공한다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 애노드 산화되고 밀봉되며 프라이밍된(primed) 알루미늄을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 크롬 도금 및 스프레이 코팅된 알루미늄을 포함할 수 있다.In some embodiments, the frame 170 and the base 180 may comprise a material that is clad, for example, aluminum coated with stainless steel on one or more areas. Cladding can provide the advantage of two metals, for example, in the case of bipolar plates made of stainless steel coated aluminum, stainless steel protects the aluminum core from corrosion while the cell is operating, while high strength to weight ratio , High thermal conductivity and electrical conductivity, and the like. In some embodiments, the frame 170 may include aluminum that is anode oxidized, sealed, and primed. In some embodiments, the frame 170 may comprise chromium-plated and spray-coated aluminum.

일부 실시양태에서, 프레임(170)은 탄소 섬유, 흑연, 유리 강화 중합체 및 열가소성 복합체와 같은 복합재로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 부식 및 전기 전도를 모두 방지하도록 코팅된 금속으로 형성될 수 있다. 다양한 실시양태에 따르면, 프레임(170)은 일반적으로 비전도성이어서, 전기화학 전지들 사이에 단락의 가능성을 감소시킬 수 있다. 베이스(180)는 전지가 작동하는 동안 전기 전도성 및 내부식성을 제공하는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스(180)는 활성 전지 구성요소(예를 들어, 유동 구조, MEA 등)들이 놓이는 영역에서 전기 전도성이 되도록 구성될 수 있다.In some embodiments, the frame 170 may be formed of a composite material, such as carbon fibers, graphite, glass reinforced polymers, and thermoplastic composites. In some embodiments, the frame 170 may be formed of a coated metal to prevent both corrosion and electrical conduction. According to various embodiments, the frame 170 is generally non-conductive, thereby reducing the likelihood of shorting between electrochemical cells. The base 180 may be formed of one or more materials that provide electrical conductivity and corrosion resistance during operation of the battery. For example, the base 180 may be configured to be electrically conductive in areas where active battery components (e.g., flow structures, MEAs, etc.) lie.

구성요소(예컨대, 중합체 밀봉부(175), 제1 밀봉부(230), 제2 밀봉부(240), 제3 밀봉부(250), 프레임(170) 및 베이스(180))를 위한 물질 및 기하학적 형태를 선택할 때 고려되는 인자 및 특성은 적어도 힘 집중기 패턴(300)의 설계, 압축 하중 요건, 재료 적합성, 밀봉 압력 요건, 재료 비용, 제조 비용 및 제조의 용이성을 포함할 수 있다. 본원에 기술된 힘 집중기 패턴(300)에 의해 적절히 만들어진 물질의 다양성은 더 저렴한 재료 및 제조과정을 선택할 수 있도록 해준다. 예를 들어, 그 일부가 본원에 열거된 저렴한 원자재 플라스틱은 중합체 밀봉부 (예컨대, 중합체 밀봉부(175), 제1 밀봉부(230), 제2 밀봉부(240) 및 제3 밀봉부(250))에 사용될 수 있다. 또한, 다성분 바이폴라 플레이트는 고가의 통상적인 밀링의 사용이 필요한 플레이트의 복잡한 세부사항들로 인해 고가의 제조 비용이 들 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 중합체 밀봉부(175) 및 힘 집중기 패턴(300)을 이용하는 것은 바이폴라 플레이트(150 및 160) 제조의 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 프레임(170)과 베이스(180)는 힘 집중기 패턴(300)과 함께 제조될 수 있는데, 이로써 중합체 밀봉부(175) 및 상기 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면을 따라 대체로 균일하게 배분된 압축력을 사용할 수 있게됨에 따라 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 두께, 제조 비용 및 제조의 복잡성을 감소시킬 수 있다.The material for the components (e.g., polymer seal 175, first seal 230, second seal 240, third seal 250, frame 170, and base 180) The factors and characteristics to be considered when selecting the geometric shape may include at least the design of the force concentrator pattern 300, compression load requirements, material compatibility, sealing pressure requirements, material costs, manufacturing costs and ease of manufacture. The diversity of materials made appropriately by the force concentrator pattern 300 described herein allows for selection of less expensive materials and manufacturing processes. For example, inexpensive raw material plastics, some of which are listed herein, may be used in conjunction with a polymeric seal (e.g., a polymeric seal 175, a first seal 230, a second seal 240, and a third seal 250 )). In addition, multicomponent bipolar plates can be expensive to manufacture due to the complex details of the plates that require the use of expensive, conventional milling. The use of the polymer seal 175 and force concentrator pattern 300 as described herein may reduce the cost and complexity of manufacturing the bipolar plates 150 and 160. For example, a frame 170 and a base 180 may be fabricated with a force concentrator pattern 300, whereby the polymer seal 175 and the polymer seal 175, The thickness of the bipolar plates 150 and 160, the manufacturing cost, and the manufacturing complexity can be reduced.

본원에 기술된 특징들은 전기화학 전지의 다른 구성요소들을 밀봉하는데 사용될 수 있고/있거나 케스케이드 밀봉 구성을 이용하지 않는 전지들에서도 사용될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.It will be appreciated that the features described herein may also be used in batteries that may be used to seal other components of an electrochemical cell and / or that do not employ a cascade sealing arrangement.

본 발명의 다른 실시양태들은 본 명세서 및 본원에서 시행된 사항들을 고려하면 당업자에게는 자명할 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야하고, 본 발명의 진정한 범위 및 개념은 하기의 청구항들에 의해 나타낸다.Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the invention. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary only, with a true scope and concept of the invention being indicated by the following claims.

Claims (20)

프레임과 베이스를 포함하는 바이폴라 플레이트 조립체(bipolar plate assembly)로서,
상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴(force concentrator pattern)의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴이 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함하며;
상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 대체로 일정하여, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
A bipolar plate assembly comprising a frame and a base,
Wherein at least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface including a force concentrator pattern, the force concentrator pattern partially extending Lt; / RTI >
Wherein the surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or base is substantially constant to produce a uniform compressive force along the length of the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression. Plate assembly.
제1항에 있어서, 상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 약 2 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm 범위인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.The bipolar plate assembly of claim 1, wherein a surface area of the force concentrator pattern across the length of the frame or base ranges from about 2 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm. 제1항에 있어서, 상기 프레임과 베이스 사이에 하나 이상의 밀봉 조립체를 더 포함하는, 바이폴라 플레이트 조립체.The bipolar plate assembly of claim 1, further comprising at least one sealing assembly between the frame and the base. 제3항에 있어서, 상기 밀봉 조립체가 탄성중합체 밀봉 또는 중합체 밀봉인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.4. The bipolar plate assembly of claim 3, wherein the sealing assembly is an elastomeric seal or a polymer seal. 제3항에 있어서, 상기 밀봉 조립체 상의 압축력은 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 밀봉 조립체 전반에 걸쳐서 대체로 고르게 배분되는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.4. The bipolar plate assembly of claim 3, wherein the compressive forces on the sealing assembly are distributed substantially evenly throughout the sealing assembly when the bipolar plate assembly is under compression. 제1항에 있어서, 상기 프레임과 베이스는 함께 결합된 두 부분이거나 또는 하나의 통합된 부분인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.2. The bipolar plate assembly of claim 1, wherein the frame and the base are two portions joined together or one integral portion. 제6항에 있어서, 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 중합체 물질로 적층되거나, 또는 상부 표면 및/또는 하부 표면 상에 중합체막으로 코팅되는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.7. The bipolar plate assembly of claim 6, wherein at least one of the frame and the base is laminated with a polymeric material or coated with a polymeric film on an upper surface and / or a lower surface. 제7항에 있어서, 상기 중합체 물질 또는 중합체막 상의 압축력은 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스 전반에 걸쳐 대체로 고르게 배분되는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체. 8. The bipolar plate assembly of claim 7, wherein compressive forces on the polymeric material or polymeric membrane are distributed substantially evenly across the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression. 제2항에 있어서, 전기화학 스택을 형성하는 복수의 바이폴라 플레이트 조립체들 중 적어도 하나인, 바이폴라 플레이트 조립체.The bipolar plate assembly of claim 2, wherein the bipolar plate assembly is at least one of a plurality of bipolar plate assemblies forming an electrochemical stack. 제2항에 있어서, 상기 압축력이 5,000 psig 내지 40,000 psig 범위인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.3. The bipolar plate assembly of claim 2, wherein the compressive force ranges from 5,000 psig to 40,000 psig. 제2항에 있어서, 상기 힘 집중기 패턴의 두께가 0.025 mm 내지 프레임 및/또는 베이스 두께 범위인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.3. The bipolar plate assembly of claim 2, wherein the thickness of the force concentrator pattern ranges from 0.025 mm to a frame and / or base thickness range. 제2항에 있어서, 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 상기 힘 집중기 패턴을 포함하는 제2 표면을 갖는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.3. The bipolar plate assembly of claim 2, wherein at least one of the frame and the base has a second surface comprising the force concentrator pattern. 바이폴라 플레이트 조립체를 조립하는 방법으로서,
상기 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임과 베이스를 압축하는 단계로서, 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴이 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함하는 것인 단계를 포함하며,
상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 대체로 일정하여, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체를 조립하는 방법.
A method of assembling a bipolar plate assembly,
Compressing a frame and a base of the bipolar plate assembly, wherein at least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface including a force concentrator pattern, And a raised surface partially extending over the first surface,
Wherein the surface area of the force concentrator pattern over the length of the frame or base is substantially constant to produce a uniform compressive force along the length of the frame and / or the base when the bipolar plate assembly is under compression. A method of assembling a plate assembly.
제13항에 있어서, 상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 약 2 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm 범위인 것인, 방법.14. The method of claim 13, wherein the frame or to the surface area of the force concentrator pattern across the length of the base of about 2 cm 2 / cm to about 10 cm 2 / cm range. 제13항에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 프레임과 베이스 사이에 하나 이상의 밀봉 조립체를 포함하는 것인, 방법.14. The method of claim 13 wherein the bipolar plate assembly comprises one or more sealing assemblies between the frame and the base. 제15항에 있어서, 상기 밀봉 조립체가 탄성중합체 밀봉 또는 중합체 밀봉인 것인, 방법.16. The method of claim 15, wherein the sealing assembly is an elastomeric seal or a polymer seal. 제15항에 있어서, 상기 밀봉 조립체 상의 압축력은 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 밀봉 조립체 전반에 걸쳐 대체로 고르게 배분되는 것인, 방법.16. The method of claim 15 wherein compressive forces on the sealing assembly are distributed substantially evenly throughout the sealing assembly when the bipolar plate assembly is under compression. 제15항에 있어서, 상기 밀봉 조립체 상의 압축력은 상기 밀봉 조립체의 물질의 항복 강도보다 큰 것인, 방법.16. The method of claim 15, wherein the compressive force on the sealing assembly is greater than the yield strength of the material of the sealing assembly. 제13항에 있어서, 상기 프레임과 베이스가 함께 결합된 두 부분이거나 또는 하나의 통합된 부분이고;
상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 중합체 물질로 적층되거나, 또는 상부 표면 및/또는 하부 표면 상에 중합체막으로 코팅되며;
상기 중합체 물질 또는 중합체막 상의 압축력이 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스 전반에 걸쳐 대체로 고르게 배분되는 것인, 방법.
14. The method of claim 13, wherein the frame and the base are two parts joined together, or one integrated part;
Wherein at least one of the frame and the base is laminated with a polymeric material or coated with a polymeric film on an upper surface and / or a lower surface;
Wherein compressive forces on the polymeric material or polymeric membrane are distributed substantially evenly throughout the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression.
한 쌍의 바이폴라 플레이트 조립체와, 상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 조립체 사이에 위치한 막 전극 조립체를 포함하는 전기화학 전지로서,
상기 바이폴라 플레이트 조립체 중 적어도 하나가 프레임과 베이스를 포함하고;
상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴이 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함하며;
상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 대체로 일정하여, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 것인, 전기화학 전지.
An electrochemical cell comprising a pair of bipolar plate assemblies and a membrane electrode assembly positioned between the pair of bipolar plate assemblies,
Wherein at least one of the bipolar plate assemblies comprises a frame and a base;
Wherein at least one of the frame and the base has a shape of a force concentrator pattern or has a first surface including a force concentrator pattern, the force concentrator pattern includes a raised surface that extends partially over the first surface ;
Wherein the surface area of the force concentrator pattern across the length of the frame or base is substantially constant to produce a uniform compressive force along the length of the frame and / or base when the bipolar plate assembly is under compression. Chemical battery.
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