(57)【要約】      （修正有）【課題】水素の漏出を防ぐかまたは低下させることが可能な電気化学セルの提供。【解決手段】電気化学セルは、バイポーラプレートの対およびバイポーラプレート間の膜電極接合体を包含する。膜電極接合体は、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む。本セルは、バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面、およびシーリング表面とプロトン交換膜との間に位置するガスケットをさらに包含する。ガスケットは、塑性変形してカソード区画またはアノード区画の１つの周辺にシールが生じるように設計されている。シーリング表面は、１つまたはそれより多くの突起を包含していてもよい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラプレートの対と、該バイポーラプレートの対の間に位置する、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜とを含む、膜電極接合体；
該バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面であって、該シーリング表面は、１つまたはそれより多くの突起を含む、シーリング表面；および
該シーリング表面と該プロトン交換膜との間に位置するガスケットであって、該ガスケットは、該突起の少なくとも１つの形状に相当する１つまたはそれより多くの形状を有する１つまたはそれより多くの塑性変形した部分を含み、該ガスケット及び該シーリング表面は、該カソード区画または該アノード区画の１つの周辺にシールを形成する、ガスケット
を含む、電気化学セル。
【請求項２】
前記ガスケットが、前記プロトン交換膜材料の降伏強度より大きい降伏強度を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記シーリング表面が、前記ガスケットの降伏強度より大きい降伏強度を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記ガスケットが配置されている面とは逆側の前記プロトン交換膜の面に沿って、補強層が配置されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記補強層が、前記アノード区画中に位置している、請求項４に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記補強層が、前記ガスケットの長さ寸法と実質的に同じ長さ寸法を有する、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記補強層が、前記ガスケットの長さ寸法より大きい長さ寸法を有する、請求項５に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記ガスケットが、その圧縮されていない状況において、０．８：１〜１．５：１の範囲のｈＧ１：ｄｐの比率を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記ガスケットが、その圧縮されていない状況において、０．０５：１〜０．７５：１の範囲のｈｔ：ｈＧ１の比率を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記ガスケットが、その圧縮されていない状況において、０．５：１〜１０：１の範囲のＳｔ：ｈｔの比率を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記ガスケットが、その圧縮されていない状況において、０．８：１〜１．５：１の範囲のｈＧ１：ｄｐの比率、０．０５：１〜０．７５：１の範囲のｈｔ：ｈＧ１の比率、および０．５：１〜１０：１の範囲のＳｔ：ｈｔの比率を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記突起の少なくとも１つが、０．００１〜０．０２インチの範囲の高さ、および５５〜１２５度の範囲の突起の角度を有する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
バイポーラプレートの対と、該バイポーラプレートの対の間に位置する、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜とを含む、膜電極接合体；
該バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面であって、該シーリング表面は、１つまたはそれより多くの突起を含む、シーリング表面；および
該シーリング表面と該プロトン交換膜との間に位置する圧縮されたガスケットであって、該ガスケットは、圧縮前に少なくとも１つの突起を含み、該突起の少なくとも１つの形状に相当する形状を有する塑性変形した部分を含む、ガスケット
を含む電気化学セル。
【請求項１４】
前記ガスケットが、その圧縮された状況において、０．２５：１〜２：１の範囲のＷＧ２：Ｗｐの比率を有する、請求項１３に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
前記シーリング表面が、１：１〜２０：１の範囲のＷｐ：Ｓｔの比率を有する、請求項１３に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
バイポーラプレートの対であって、該バイポーラプレートの対の一方にシーリング表面が形成されており、シーリング表面は１つまたはそれより多くの突起を含む、バイポーラプレートの対；
該バイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体であって、該膜電極接合体は、アノード、カソード、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む、膜電極接合体；
高圧ゾーンを規定する第一のシールであって、該第一のシールは、該バイポーラプレート間に位置し、該高圧ゾーン内の第一の流体を含有するように設計された、第一のシール；
中圧ゾーンを規定する第二のシールであって、該第二のシールは、該バイポーラプレート間に位置し、該中圧ゾーン内の第二の流体を含有するように設計されている、第二のシール
を含む電気化学セルであって、
ここで該第一のシールは、塑性変形して該カソード区画または該アノード区画の１つの周辺にシールが生じるように設計されているガスケットによって形成されており、
該ガスケットは、該突起の少なくとも１つの形状に相当する形状を有する１つまたはそれより多くの塑性変形した部分を含む、上記電気化学セル。
【請求項１７】
前記第二のシールが、塑性変形して該カソード区画または該アノード区画の１つの周辺にシールが生じるように設計されているガスケットによって形成されている、請求項１６に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
該バイポーラプレートが、該ガスケット及び該膜電極接合体に隣接して互いに接する、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
該プロトン交換膜の第一の側が第一のバイポーラプレートに接触している、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
該プロトン交換膜の第二の側が第二のバイポーラプレートに接触している、請求項１９に記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、参照により本明細書に組み入れられる２０１３年７月２９日付けで出願された米国仮出願第６１／８５９，４５７号の利益を主張する。
【０００２】
[002]本発明の開示は、電気化学セルを対象とし、より具体的には、カスケード式のシーリング配置を有し、水素再生用に設計された電気化学セルを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
[003]電気化学セルは、通常、燃料電池または電解セルとして分類されるが、化学反応により電流を発生させたり、または電流の流れを使用して化学反応を誘導したりするために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化剤（空気または酸素）の化学エネルギーを電気ならびに熱および水の廃棄物に変換する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード（anode）、正電荷を有するカソード（cathode）、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００４】
[004]様々な燃料電池技術において様々な電解質材料が利用されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子のイオン伝導性膜を利用している。水素ＰＥＭ燃料電池では、水素原子を、アノードにおいて電気化学的に電子とプロトン（水素イオン）とに分けることができる。電子は回路を介してカソードに流れ、電気を発生させ、その一方でプロトンは電解質膜を介してカソードに拡散する。カソードでは、水素のプロトンが（カソードに供給された）電子および酸素と反応して、水および熱を生産することができる。
【０００５】
[005]電解セルは、逆に作動する燃料電池の代表である。基礎的な電解セルは、外部の電位が適用されると水を水素と酸素ガスに分解することによって水素発生器として機能することができる。水素燃料電池の基礎的な技術または電解セルは、例えば電気化学的な水素の圧縮、精製、または膨張などの電気化学的な水素の操作に適用できる。
【０００６】
[006]電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）は、例えば、セルの一方の側から他方の側に水素を選択的に移動するのに使用することができる。ＥＨＣは、第一の電極（すなわち、アノード）と第二の電極（すなわち、カソード）との間に挟まれたプロトン交換膜を含み得る。水素を含有するガスは、第一の電極と接触することができ、第一の電極と第二の電極との間に電位差を適用することができる。第一の電極では、水素分子を酸化することができ、この反応は、２つの電子と２つのプロトンを生産することができる。２つのプロトンは、電気化学的に膜を介してセルの第二の電極に進み、そこでそれらは、２つのルート変更した電子により再結合し、還元されて、水素分子を形成する。第一の電極と第二の電極で起こる反応は、以下に示すような化学方程式として表すことができる。
【０００７】
第一の電極の酸化反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
第二の電極の還元反応：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
全体の電気化学反応：Ｈ２→Ｈ２
[007]この方式で作動するＥＨＣは、時には水素ポンプと称される。第二の電極に蓄積した水素が限定されたスペースに制限される場合、電気化学セルは水素を圧縮するかまたは圧力を高める。個々のセルが起こすことができる最大の圧力または流速は、セルの設計に基づき限定される可能性がある。
【０００８】
[008]より大きい圧縮またはより高い圧力を達成するために、複数のセルを直列に連結させて、多段階ＥＨＣを形成することができる。多段階ＥＨＣにおいて、ガス流路は、例えば、第一のセルの圧縮された出力ガスが第二のセルの入力ガスとなり得るように設計されていてもよい。その代わりに、一段階セルを並列に連結させて、ＥＨＣの処理能力（すなわち、総ガス流速）を増加させることができる。一段階と多段階ＥＨＣの両方において、セルはスタックされていてもよく、各セルは、カソード、電解質膜、およびアノードを包含していてもよい。各カソード／膜／アノード接合体は、「膜電極接合体」または「ＭＥＡ」を構成し、これは、典型的には、両方の側でバイポーラプレートによって支持される。バイポーラプレートは、機械的な支持体を提供することに加えて、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離する。またバイポーラプレートは、集電装置／導体としても作用し、燃料のための通路を提供する。典型的には、バイポーラプレートは、金属、例えばステンレス鋼、チタンなどで作製され、さらには非金属の電気導体、例えばグラファイトで作製される。
【０００９】
[009]電気化学的な水素の操作は、水素の管理に従来使用されていた機械システムの実用的な代替物として出現した。エネルギーキャリアーとしての水素の商業化の成功および「水素経済」の長期的持続可能性は主に、燃料電池、電解セル、および他の水素の操作／管理システム（すなわち、ＥＨＣ）の効率および費用対効果によって決まる。ガス状水素は、通常加圧封じ込めによる、エネルギー貯蔵のための便利で汎用の形態である。高圧で水素を貯蔵することは、高エネルギー密度をもたらすという利点がある。
【００１０】
[010]機械的圧縮は、圧縮を達成するための従来の手段である。しかしながら、機械的圧縮には不利益がある。例えば、著しいエネルギーの使用、可動部における磨滅、過剰なノイズ、嵩高な器具、および水素脆化などである。熱サイクルによる加圧は、機械的圧縮の代替であるが、機械的圧縮のようにエネルギーの使用が著しい。対照的に、電気化学的な圧縮は、静かで拡張可能なモジュラーであり、高いエネルギー効率を達成することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
[011]電気化学的な水素の圧縮に関する問題の１つは、加圧した水素ガスに関する安全性の懸念である。水素ガスは極めて高い可燃性を有し、高圧水素ガスは安全性の問題をもたらす。主要な懸念としては、電気化学的な圧縮機からの高圧ガスの漏出または予期せぬ放出を挙げることができる。壊滅的な放出は、安全上の危険をもたらす可能性がある。
【００１２】
[012]さらに、重大な安全性の懸念のレベルに達し得ない小さい漏出であっても、電気化学的な圧縮機の効率を低下させる。それゆえに、水素の漏出を防ぐかまたは低下させることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
[013]上述の事情を考慮すると、本発明の開示は、セルからの予期せぬ水素の放出を制限するように構築されたシール配置を有する電気化学セルを対象とする。加えて、シール配置は、セルから漏出した水素の収集および再利用を可能にする。本明細書で開示されたある特定の実施態様において、カスケード式のシール配置が予期される。
【００１４】
[014]本発明の開示の一側面は、バイポーラプレートの対であって、バイポーラプレートの対の一方にシーリング表面が形成されている、バイポーラプレートの対；バイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体であって、膜電極接合体は、アノード、カソード、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む、膜電極接合体；高圧ゾーンを規定する第一のシールであって、第一のシールは、バイポーラプレート間に位置し、高圧ゾーン内の第一の流体を含有するように設計された、第一のシール；中圧ゾーンを規定する第二のシールであって、第二のシールは、バイポーラプレート間に位置し、中圧ゾーン内の第二の流体を含有するように設計されている、第二のシールを含む電気化学セルであって、ここで第一のシールは、塑性変形してカソード区画またはアノード区画の１つの周辺にシールが生じるように設計されているガスケットによって形成されている、上記電気化学セルを対象とする。ある特定の実施態様において、シーリング表面は、１つまたはそれより多くの突起を含む。
【００１５】
[015]本発明の開示のさらに他の側面は、電気化学セルの区画をシールする方法を対象とする。本方法は、バイポーラプレートの対と、バイポーラプレートの対の間に配置された、アノード区画、カソード区画、およびプロトン交換膜とを有する電気化学セルを組み立てることを含む。本方法は、ガスケットを塑性変形させるのに十分な力でガスケットを圧縮することによってバイポーラプレートの一方に対してガスケットをシールすること、およびガスケットに対してプロトン交換膜をシールすることをさらに包含する。
【００１６】
[016]本発明の開示のさらなる側面は、電気化学セルを対象とする。電気化学セルは、バイポーラプレートの対およびバイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体を包含する。膜電極接合体は、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む。本セルは、バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面、およびシーリング表面とプロトン交換膜との間に位置するガスケットをさらに包含する。ガスケットは、塑性変形してカソード区画またはアノード区画の１つの周辺にシールが生じるように設計されている。
【００１７】
[017]本発明の開示の他の側面は、電気化学セルを対象とする。電気化学セルは、バイポーラプレートの対と、バイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体とを包含する。膜電極接合体は、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む。電気化学セルは、バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面をさらに含み、シーリング表面は、１つまたはそれより多くの突起を含む。圧縮されたガスケットは、シーリング表面とプロトン交換膜との間に位置し、ガスケットが塑性変形して、カソード区画またはアノード区画の１つの周辺にシールが生じる。
【００１８】
[018]本発明の開示のさらに他の側面は、電気化学セルを対象とする。電気化学セルは、バイポーラプレートの対およびバイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体を包含する。膜電極接合体は、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む。電気化学セルは、バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面；およびシーリング表面とプロトン交換膜との間に位置するガスケットであって、ガスケットは、少なくとも１つの突起を含む、ガスケットをさらに含む。
【００１９】
[019]本発明の開示のさらなる側面は、電気化学セルを対象とする。電気化学セルは、バイポーラプレートの対と、バイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体とを包含する。膜電極接合体は、アノード区画、カソード区画、およびその間に配置されたプロトン交換膜を含む。電気化学セルは、バイポーラプレートの対の一方に形成されたシーリング表面；およびシーリング表面とプロトン交換膜との間に位置する圧縮されたガスケットをさらに含む。ガスケットは、圧縮前に少なくとも１つの突起を含む。
【００２０】
[020]本発明の開示の追加の側面は、バイポーラプレートの対と、バイポーラプレートの対の間に位置する、アノード、カソード、およびその間に配置されたプロトン交換膜とを含む、膜電極接合体；高圧ゾーンを規定する第一のシールであり、第一のシールは、バイポーラプレート間に位置し、高圧ゾーン内の第一の流体を含有するように設計された、第一のシール；中圧ゾーンを規定する第二のシールであり、第二のシールは、バイポーラプレート間に位置し、中圧ゾーン内の第二の流体を含有するように設計されている、第二のシールを含む電気化学セルであって、ここで第一のシールは、第一のシールが外れると、第一の流体を中圧ゾーンに漏出させるように設計されている、上記電気化学セルを対象とする。
【００２１】
[021]本発明の開示の他の側面は、バイポーラプレートの対およびバイポーラプレートの対の間に位置する膜電極接合体；第一の流体を含有するバイポーラプレート間に位置する高圧ゾーン；第二の流体を含有するバイポーラプレート間に位置する中圧ゾーン；および第三の流体を含有する低圧ゾーンを含む電気化学セルであって、ここで電気化学セルは、バイポーラプレートに適用された閉鎖力、ならびに第一の流体、第二の流体、および第三の流体の少なくとも１つの圧力によって生じた開離力の少なくとも１つに基づき、第一の配置、第二の配置、および第三の配置の間で移行するように設計されている、上記電気化学セルを対象とする。
【００２２】
[022]本発明の開示のさらに他の側面は、カスケード式のシール配置を有する電気化学セルの閉鎖力を調整する方法であって、本方法は、カスケード式のシール配置で複数のシールを有する電気化学セルを提供すること；電気化学セルに、予測される作動圧力に基づき初期の閉鎖力を適用すること；電気化学セルを作動させること；電気化学セルの圧力をモニタリングすること；およびモニタリングされた圧力に基づき、電気化学セルに適用した閉鎖力を調節することを含み、閉鎖力を調節することは、複数のシールの少なくとも１つが外れるときの圧力を変化させる、上記方法を対象とする。
【００２３】
[023]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に例示的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないと理解されるものとする。
【００２４】
[024]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、これらは、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】[025]図１は、電気化学セルの様々な構成要素を示す、電気化学セルの一部の側面図である。
【図２Ａ】[026]図２Ａは、セルの様々なシールおよび圧力ゾーンを示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の正面図である。
【図２Ｂ】[027]図２Ｂは、セルの様々なシールおよび圧力ゾーンを示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の正面図である。
【図３Ａ】[028]図３Ａは、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の断面図である。
【図３Ｂ】[029]図３Ｂは、様々な力を示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の断面図である。
【図４Ａ】[030]図４Ａは、第一の配置を示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の断面図である。
【図４Ｂ】[031]図４Ｂは、第二の配置を示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の断面図である。
【図４Ｃ】[032]図４Ｃは、第三の配置を示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の断面図である。
【図５】[033]図５は、例示的な実施態様に係る電気化学的な水素再生システムを示す概略図である。
【図６】[034]図６は、例示的な実施態様に係る電気化学セル内の圧力を制御する方法を例示する流れ図である。
【図７】[035]図７は、セルの様々なシールおよび圧力ゾーンを示す、別の実施態様に係る電気化学セルの一部の正面図である。
【図８】[036]図８は、シールされたカソード区画を示す、例示的な実施態様に係る電気化学セルの一部の断面図である。
【図９Ａ】[037]図９Ａは、例示的な実施態様に係る、様々な配置を有する突起を包含するバイポーラプレートのシーリング表面を示す断面図である。
【図９Ｂ】[037]図９Ｂは、例示的な実施態様に係る、様々な配置を有する突起を包含するバイポーラプレートのシーリング表面を示す断面図である。
【図９Ｃ】[037]図９Ｃは、例示的な実施態様に係る、様々な配置を有する突起を包含するバイポーラプレートのシーリング表面を示す断面図である。
【図９Ｄ】[038]図９Ｄは、それぞれ圧縮されていない状況および圧縮された状況における、図９Ａに表されるバイポーラプレートのシーリング表面の断面図である。
【図９Ｅ】[038]図９Ｅは、それぞれ圧縮されていない状況および圧縮された状況における、図９Ａに表されるバイポーラプレートのシーリング表面の断面図である。
【図９Ｆ】[039]図９Ｆは、寸法の情報を含有する、図９Ａに表されるバイポーラプレートのシーリング表面の断面図である。
【図１０】[040]図１０は、例示的な実施態様に係る突起を有するガスケットの断面図である。
【図１１】図１１は、別の実施態様に係るシールされたカソード区画を示す電気化学セルの一部の上部断面図である。
【図１２Ａ】[041]図１２Ａは、例示的な実施態様に係るガス拡散層およびアノード区画とＰＥＭとの間の補強層を示す電気化学セルの一部の上部断面図である。
【図１２Ｂ】[042]図１２Ｂは、別の例示的な実施態様に係るガスケットの長さを超えて伸長する部分を有する補強層を示す電気化学セルの一部の上部断面図である。
【図１２Ｃ】[043]図１２Ｃは、例示的な実施態様に係るガスケットとＰＥＭとの間の補強層を示す電気化学セルの一部の上部断面図である。
【図１２Ｄ】[044]図１２Ｄは、別の例示的な実施態様に係るガスケットの長さを超えて伸長する部分を有する補強層を示す電気化学セルの一部の上部断面図である。
【図１３】[045]図１３は、例示的な実施態様に係る電気化学セルの本来の場所でないところでの試験中に使用するためのシムを示す、電気化学セルの一部の断面図である。
【図１４】[046]図１４は、例示的な実施態様に係る２ピースのバイポーラプレートの等角投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
[047]以下、本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例は添付の図面で例示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。水素を採用する電気化学セルに関して説明されているが、本発明の開示のデバイスおよび方法は、これらに限定されないが、電解セル、水素精製機、水素エキスパンダー（hydrogen expander）、および水素圧縮機などの様々な種類の燃料電池および電気化学セルで採用される可能性があることが理解される。
【００２７】
[048]図１は、例示的な実施態様に係る電気化学セル１００の分解側面図を示す。電気化学セル１００は、アノード１１０、カソード１２０、およびアノード１１０とカソード１２０との間に配置されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）１３０を含み得る。組み合わされたアノード１１０、カソード１２０、およびＰＥＭ１３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４０を含み得る。ＰＥＭ１３０は、純粋な高分子膜または複合膜を含んでいてもよく、ここで他の材料、例えばシリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムが、高分子マトリックス中に埋め込まれていてもよい。ＰＥＭ１３０は、プロトンを透過させることができるが電子を伝達させないものでもよい。アノード１１０およびカソード１２０は、触媒層を含有する多孔質炭素電極を含んでいてもよい。触媒材料、例えば白金は、反応速度を増加させることができる。
【００２８】
[049]電気化学セル１００は、２つのバイポーラプレート１５０、１６０をさらに含んでいてもよい。バイポーラプレート１５０、１６０は、支持プレート、導体として作用することができ、それぞれの電極表面に燃料のための通路を提供することができ、圧縮燃料を除去するための通路を提供することができる。バイポーラプレート１５０、１６０はまた、冷却流体（すなわち、水、グリコール、または水とグリコールとの混合物）のためのアクセスチャネルを包含していてもよい。バイポーラプレートは、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、グラファイトもしくは他のあらゆる導電性材料、またはこれらの材料の組み合わせから、合金、コーティングまたはクラッディングの形態で作製することができる。バイポーラプレート１５０、１６０は、電気化学的スタック（示されていない）中で、隣接するセルから電気化学セル１００を隔てることができる。例えば、複数の電気化学セル１００を流体的に直列に連結させて、多段階電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）を形成してもよいし、または流体的に並列でスタックさせて、一段階ＥＨＣを形成してもよい。
【００２９】
[050]作動中、例示的な実施態様によれば、水素ガスは、バイポーラプレート１５０を介してアノード１１０に供給することができる。アノード１１０とカソード１２０との間に電位を適用してもよく、ここでアノード１１０における電位は、カソード１２０における電位より大きい。アノード１１０における水素を酸化して、水素を電子とプロトンとに分離してもよい。プロトンは、ＰＥＭ１３０を介して電気化学的に輸送されるかまたは「ポンプ」で送られ、一方で電子は、ルート変更してＰＥＭ１３０を迂回してもよい。ＰＥＭ１３０の逆側におけるカソード１２０において、輸送されたプロトンとルート変更された電子とが還元されて、水素が形成される。カソード１２０で水素がますます形成されるにつれて、限定されたスペース内で水素を圧縮して加圧することができる。
【００３０】
[051]電気化学セル１００内で、複数の異なる圧力ゾーンおよび複数のシールが、１つまたはそれより多くの異なる圧力ゾーンを規定することができる。図２Ａは、電気化学セル１００内の複数の異なるシールおよび圧力ゾーンを示す。図２Ａで示されるように、複数のシールは、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１を包含していてもよい。第一のシール１７１は、全体が第二のシール１８１内に含有されていてもよいし、第二のシール１８１は、全体が第三のシール１９１内に含有されていてもよい。加えて、複数のシールは、補助的な第一のシール１７５、１７６をさらに包含していてもよい。補助的なシール１７５および１７６は、第一のシール１７１の外側に、ただし第二のシール１８１の内側に配置されていてもよい。
【００３１】
[052]第一のシール１７１は、高圧ゾーン１７０を規定することができ、高圧ゾーン１７０内に第一の流体１７２（例えば、水素）を含有するように設計することができる。第一のシール１７１は、高圧ゾーン１７０の外部境界を定めることができる。高圧ゾーン１７０は、ＰＥＭ１３０の高圧カソード１２０側に対応していてもよい。カソード１３０で形成された水素は、高圧ゾーン１７０で収集されて、第一のシール１７１に入れられてもよい。高圧ゾーン１７０内の水素は、圧縮することができ、結果として、高圧ゾーン１７０で水素がますます形成されるにつれて圧力を増加させることができる。高圧ゾーン１７０中の水素は、最大１５，０００ｐｓｉｇまたはそれより高い圧力に圧縮することができる。
【００３２】
[053]補助的な第一のシール１７５、１７６は、高圧ゾーン１７０と流体連通することができる２つの補助的な高圧ゾーン１７７、１７８を規定することができる。補助的な高圧ゾーン１７７、１７８は、高圧ゾーン１７０から第一の流体１７２を放出するように設計された共通の通路であってもよい。補助的な高圧ゾーン１７７、１７８は、マルチセルの電気化学的な圧縮機中で、隣接する電気化学セルの共通の通路と流体連通することができる。
【００３３】
[054]第二のシール１８１は、中圧ゾーン１８０を規定することができ、中圧ゾーン１８０内に第二の流体１８２を含有するように設計することができる。第二のシール１８１は、中圧ゾーン１８０の外部境界を定めることができる。中圧ゾーン１８０は、ＰＥＭ１３０の低圧アノード１１０側に対応していてもよい。アノード１１０に供給された第二の流体１８２（例えば、水素または水素を含有するガス混合物）は、酸化されてＰＥＭ１３０を通過してカソード１２０および高圧ゾーン１７０に「ポンプで送られる」まで、第二のシール１８１によって中圧ゾーン１８０に含有されていてもよい。中圧ゾーン１８０内の第二の流体１８２は、供給される圧力に基づき変更することができる。それとは関係なく、中圧ゾーン１８０中の第二の流体１８２は、一般的に、高圧ゾーン１７０中の第一の流体１７２より低圧であり得る。
【００３４】
[055]第三のシール１９１は、低圧ゾーン１９０を規定することができ、低圧ゾーン１９０内に第三の流体１９２を含有するように設計することができる。第三のシール１９１は、低圧ゾーン１９０の外部境界を定めることができる。低圧ゾーン１９０は、冷却剤流体の通路を含んでいてもよく、第三の流体１９２は、冷却剤流体を含んでいてもよい。冷却剤流体は、水、グリコール、またはそれらの組み合わせを包含していてもよい。高温のシステムでは、冷却剤流体として油を使用してもよい。第三の流体１９２は、一般的に、中圧ゾーン１８０中の第二の流体１８２および高圧ゾーン１７０中の第一の流体１７２の
圧力より低い圧力で維持されていてもよい。低圧ゾーン１９０は、第三の流体１９２が低圧ゾーン１９０を介して循環できるように設計された入口通路および出口通路（示されていない）を包含していてもよい。
【００３５】
[056]代替の実施態様において、図２Ｂで示されているように、低圧ゾーン１９０は、電気化学セル１００内ではなく、電気化学セル１００またはスタックを形成する複数のセルを取り囲む領域中に配置されていてもよい。例えば、低圧ゾーン１９０は、電気化学セル１００を取り囲む、または他の実施態様においてセルのスタックを取り囲む窒素ブランケットを形成する窒素１９２を含有していてもよい。また他の不活性な流体、例えばアルゴンまたはヘリウムも、窒素の代わりに使用することができる。
【００３６】
[057]図３Ａは、図２ＡのＡ面に沿った電気化学セル１００の断面図を示す。図２Ａに記載されているように、電気化学セル１００は、ＭＥＡ１４０およびバイポーラプレート１５０、１６０を含んでいてもよい。バイポーラプレート１５０、１６０間に、高圧ゾーン１７０を規定する第一のシール１７１、中圧ゾーン１８０を規定する第二のシール１８１、および低圧ゾーン１９０を規定する第三のシール１９１があってもよい。図３Ａにおいて、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１はそれぞれ、これまでに図２Ａで示したように単一の連続シールの２つの別々の断面図として示すこともできる。
【００３７】
[058]図３Ａで示されるように、第一のシール１７１は、第一のショルダー１７３に対して配置されていてもよい。第一のショルダー１７３は、高圧ゾーン１７０内で圧力を高くすることができるように、第一のシール１７１の位置を維持するように設計することができる。高圧ゾーン１７０内の圧力は、第一のシール１７１に対して、外側に向かう力を適用することができる。第一のショルダー１７３の高さは、第一のシール１７１の圧縮されていない厚さの約９８％〜約２５％の範囲であってもよい。
【００３８】
[059]図３Ａに示される特定の実施態様において、第一のシール１７１の内部に位置するショルダーがない。図３Ａで示されているように内部のショルダーが存在しないことにより、第一のシール１７１を、ＭＥＡ１４０またはそれらの一部と組み合わせる、合体させる、連結させる、または一体化することを可能にする。第一のシール１７１をＭＥＡ１４０に一体化することにより、電気化学セル１００の、一定した、効率的な、流線形の組立てを容易にすることができる。しかしながら、代替の実施態様において、追加のショルダーは、その中に第一のシール１７１を位置させることができる溝が作り出されるように設計することができる第一のシール１７１の内部に配置されていてもよい。
【００３９】
[060]ここで再度図３Ａを参照すると、第二のシール１８１は、バイポーラプレート１６０中の２つのショルダー間に形成された第二の溝１８３中に配置されていてもよい。第二の溝１８３および第二のシール１８１の内部に、中圧ゾーン１８０があってもよく、第二の溝１８３および第二のシール１８１の外部に、低圧ゾーン１９０があってもよい。第二の溝１８３の深さは、第二のシール１８１の圧縮されていない厚さの約９８％〜約２５％の範囲であってもよい。
【００４０】
[061]図３Ａで示されているような第三のシール１９１は、バイポーラプレート１６０中の２つのショルダー間に形成された第三の溝１９３中に配置されていてもよい。第三の溝１９３および第三のシール１９１の内部に、低圧ゾーン１９０があってもよいし、第三の溝１９３および第三のシール１９１の外部に、電気化学セル１００の周辺の環境があってもよい。第三の溝１９３の深さは、第三のシール１９１の圧縮されていない厚さの約９８％〜約２５％の範囲であってもよい。
【００４１】
[062]組み立て中に、バイポーラプレート１５０、１６０間の第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１を、それら各々のショルダー１７３の適切な高さまたはそれら各々の溝１８３および１９３の深さを選択することによって、それらの圧縮されていない厚さの予め決められたパーセンテージまで圧縮することができる。第一のショルダー１７３ならびに第二の溝１８３および第三の溝１９３を形成するショルダーは、図３Ａで示されているように、バイポーラプレート１５０のためのストップとして作用することができる。ストップとして作用することにより、シールを過剰に圧縮する可能性を低下させることができる。第一のショルダー１７３ならびに第二の溝１８３および第三の溝１９３を形成するショルダーの高度は、表面が平行な場合、バイポーラプレート１５０がバイポーラプレート１６０の全てのショルダー表面と一度に接触することができるように等しくてもよい。
【００４２】
[063]代替の実施態様において（示されていない）、第二の溝１８３および第三の溝１９３は、バイポーラプレート１６０ではなくバイポーラプレート１５０に形成されていてもよい。別の実施態様において、第二の溝１８３が、バイポーラプレート１５０、１６０のいずれかに形成されていてもよく、一方で第三の溝１９３が、他方のプレートに形成される。さらに別の実施態様において、第二の溝１８３および第三の溝１９３の一部が、バイポーラプレート１５０、１６０の両方に形成されていてもよい。
【００４３】
[064]第二の溝１８３および第三の溝１９３は、第二のシール１８１および第三のシール１９１の形状に対応する断面外形を有していてもよい。例えば、シールおよび溝の断面外形は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、または長円形であってもよい。様々な実施態様において、第二のシール１８１および第三のシール１９１の幅は、対応する溝より小さくてもよい。溝中の追加のスペースは、温度変化、内部ガスからの圧力変化、およびバイポーラプレートの圧縮からの圧力変化によって引き起こされるシールの拡張および縮小を許容することができる。図３Ａで示されるように、シールは外部の面と比べて内側からより高い圧力を受けるため、シールは、典型的には溝内の最も外側の位置に向かって外に力がかけられる可能性がある。
【００４４】
[065]第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１は、ガスケット、ｏ−リング、または他のシーリング要素であってもよい。第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１は、エラストマーまたは高分子シール材、例えば、シリコーン、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレン−ジエン単量体）、フルオロエラストマー、ニトリルゴム（Buna-N）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド（polychenylene sulfide）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ポリウレタン、ネオプレン、アセタール、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ＮＢＲ（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）などで作製することができる。いくつかの実施態様において、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１は、例えば、スズ、スズ合金、ステンレス鋼、銀、白金、および金などの金属材料から作製することができる。各シールの材料は、他のシールの材料と異なっていてもよいし、材料は、２つのシールだけ同じであってもよいし、または材料は、全てのシールで同じであってもよい。
【００４５】
[066]材料と同様に、各シールの厚さも、他のシールと異なっていてもよい。厚さは、電気化学セル１００の縦軸（Ｙ）に沿って測定することができる。図３Ａで示されるように、第二のシール１８１の厚さは、第一のシール１７１の厚さより大きく、第三のシール１９１の厚さは、第二のシール１８１の厚さより大きい。その結果として、最も外側のシールである第三のシール１９１が、最大の厚さを有していてもよく、最も内側のシールである第一のシール１７１が、最小の厚さを有していてもよい。例えば、第一のシール１７１の厚さは、約０．０１ｍｍから約１．０ｍｍの間の範囲であってもよいし、第二のシール１８１の厚さは、約０．０２ｍｍから約２．０ｍｍの間の範囲であってもよいし、第三のシール１９１の厚さは、約０．０３ｍｍから３．０ｍｍの範囲であってもよい。
【００４６】
[067]第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１の断面外形が円形または長円形であり得る実施態様の場合、上述したような厚さは、円形または長円形の断面の直径を指す場合がある。
【００４７】
[068]図３Ｂで示されるように、電気化学セル１００の作動中に、バイポーラプレート１５０、１６０間のそれぞれの対応するゾーン内に適用された第一の流体１７２、第二の流体１８２、および第三の流体１９２の圧力は、開離力２００を生じさせる可能性がある。開離力２００は、対抗するものがないと、バイポーラプレート１５０、１６０を分離させる可能性がある。開離力２００によるバイポーラプレート１５０、１６０の分離を防ぐため、プレートに閉鎖力２１０を適用して、開離力２００に対抗してそれに打ち勝つことができる。第一の流体１７２、第二の流体１８２、および第三の流体１９２の圧力は、開離力２００を表す複数の矢印で表された力より沢山の力を生じると予想されることが理解される。例えば、開離力２００に垂直な横方向の力（示されていない）が生じると予想され、同様にあらゆる可能な方向で各圧力ゾーンから外側に向かう他の力が生じると予想される。
【００４８】
[069]図４Ａは、第一の配置における電気化学セル１００の断面を示す。閉鎖力２１０が開離力２００に打ち勝ちバイポーラプレート１５０、１６０を実質的に一緒に保持するのに十分な場合、電気化学セル１００は、第一の配置を維持することができる。第一の配置にある間、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１が全てバイポーラプレート１５０、１６０の上部および底部のシーリング表面の両方との接触を維持して、第一の流体１７２、第二の流体１８２、または第三の流体１９２の漏出または迂回を防ぐことができる。この特定の状況において、全てのシールがそれらの機能を果たしている。
【００４９】
[070]電気化学セル１００が第一の配置にある場合、上述したように、バイポーラプレート１５０、１６０の表面間の分離の実測値は変動する可能性がある。例えば、分離は、約０．００ｍｍから、約０．０１ｍｍまで、約０．０５ｍｍまで、約０．１０ｍｍまでの範囲であってもよい。
【００５０】
[071]図４Ｂは、第二の配置における電気化学セル１００の断面を示す。閉鎖力２１０が低下するかまたは開離力２００が増加して（例えば、第一の流体１７２の圧力が増加して）バイポーラプレート１５０、１６０の分離が引き起こされる場合、電気化学セル１００は、第二の配置に変化する可能性がある。図４Ｂで示されるように、バイポーラプレート１５０、１６０の第一の分離が起こると、第一のシール１７１が外れて、高圧ゾーン１７０から中圧ゾーン１８０への第一の流体１７２の迂回が可能になる。図４Ｂに示される特定の実施態様において、第一のシール１７１がまずバイポーラプレート１６０から外れて、第一のシール１７１の下およびその周りへの第一の流体１７２の流動が可能になることが示される。しかしながら、代替の実施態様において（示されていない）、第一のシール１７１がまずバイポーラプレート１５０から外れて、第一のシール１７１とＭＥＡ１４０との間を通過することにより、第一のシール１７１を超える第一の流体１７２の流動が可能になることが理解される。
【００５１】
[072]高圧ゾーン１７０から中圧ゾーン１８０への第一の流体１７２の流動は、第一の流体１７２と第二の流体１８２との間の圧力差によって引き起こされる可能性があり、最小の抵抗の通路に沿って流れる可能性がある。第二のシール１８１および第三のシール１９１より厚さを薄くすることによって、第一のシール１７１が最初に外れるシールになるように設計することができる。これは、第二の配置でバイポーラプレート１５０、１６０の第一の分離が存在するにもかかわらず流体がどちらかのシールを迂回しないように、第三のシール１９１および第二のシール１８１を両方のシーリング表面と接触させた状態を維持することを可能にする。
【００５２】
[073]電気化学セル１００が第二の配置にある場合、上述したように、バイポーラプレート１５０、１６０間に存在する第一の分離の実測値は変動する可能性がある。例えば、第一の分離は、約０．０１ｍｍから、約０．０５ｍｍまで、約０．１０ｍｍまで、約０．２５ｍｍまでの範囲であってもよい。
【００５３】
[074]図４Ｃは、第三の配置における電気化学セル１００の断面を示す。閉鎖力２１０がさらに低下するかまたは開離力２００がさらに増加してバイポーラプレート１５０、１６０が第二の分離が引き起こされる場合、電気化学セル１００は、第三の配置に変化する可能性がある。図４Ｃで示されるように、バイポーラプレート１５０、１６０の第二の分離が起こると、第一のシール１７１および第二のシール１８１の両方が外れることとなり、第一の流体１７２が高圧ゾーン１７０から、さらに第二の流体１８２が中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０に迂回することが可能になる。図４Ｃに示される特定の実施態様において、第二のシール１８１がまずバイポーラプレート１５０から外れて、第二のシール１８１を超える第二の流体１８２の流動が可能になることが示される。しかしながら、代替の実施態様において（示されていない）、第二のシール１８１がまずバイポーラプレート１６０から外れて、第二のシール１８１の下およびその周りへの第二の流体１８２の流動が可能になることが理解される。
【００５４】
[075]中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０への第二の流体１８２の流動は、第二の流体１８２と第三の流体１９２との間の圧力差によって引き起こされる可能性がある。第二のシール１８１は、第一のシール１７１より厚いが第三のシール１９１ほど厚くならないようにすることにより、第二の外れるシールとなるように設計することができる。それゆえに、第三のシール１９１は、第一のシール１７１および第二のシール１８１の両方より厚くすることができることから、第三のシール１９１は、両方のシーリング表面との接触を維持して、バイポーラプレート１５０、１６０の第二の分離にもかかわらず流動の迂回を防ぐことができる。
【００５５】
[076]電気化学セル１００が第三の配置にある場合、上述したように、第二の分離の実測値は変動する可能性がある。例えば、第二の分離は、約０．０５ｍｍから、約０．２５ｍｍまで、約０．５０ｍｍまでの範囲であってもよい。
【００５６】
[077]電気化学セル１００は、作動中の閉鎖力２１０および開離力２００の変化の規模に基づき、第一の配置から第二の配置に、第二の配置から第三の配置に移行するように設計することができる。加えて、電気化学セル１００はまた、閉鎖力２１０および開離力２００の変化の規模に基づき、第三の配置から第二の配置に、第二の配置から第一の配置に移行することもできる。第一の配置、第二の配置、および第三の配置間の移行は、閉鎖力２１０および開離力２００の変化の規模に応答して、作動中に連続して起こる可能性があることが予期される。
【００５７】
[078]他の実施態様において、分散されたシールの外れを可能にするために、シールの厚さの代わりに、シールの弾性係数またはデュロメータが異なっていてもよいことが予期される。さらに別の実施態様において、厚さと弾性係数の両方が変更されてもよい。
【００５８】
[079]ある特定の実施態様において、上述したようなシールの配列は、カスケード式のシール配置として分類することができる。カスケード式のシール配置はいくつかの利点をもたらすことができる。例えば、カスケード式のシール配置は、シールによる保護の３つのレベルの形態でシールの余剰性をもたらすことにより、電気化学セル１００から高圧水素が散逸する可能性を制限することができる。水素漏出の可能性を低下させることは、安全性およびエネルギー効率に利益をもたらすことができる。
【００５９】
[080]加えて、カスケード式のシール配置は、圧力の自己調節も可能にする。圧力の自己調節は、シールの厚さの不均衡と、その結果生じた第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１の分散された外れにより達成することができる。例えば、電気化学セル１００が図４Ｂで示されているような第二の配置にある場合、第一のシール１７１が外れて、第一の流体１７２を中圧ゾーン１８０に漏出させることを可能にする。第一の流体１７２の中圧ゾーン１８０への漏出は、高圧ゾーン１７０から圧力をブリーディングさせる可能性がある。高圧ゾーン１７０から圧力をブリーディングさせることによって、開離力２００が低下する可能性がある。開離力２００の低下は、バイポーラプレート１５０、１６０の第一の分離を元に戻して、電気化学セル１００を第二の配置から第一の配置に移行させ、第一のシール１７１を元の位置に戻すことを可能にする。
【００６０】
[081]第一のシール１７１によって漏出する第一の流体１７２を第二の流体１８２と合わせ、電気化学セル１００で利用することができ、事実上、漏出した第一の流体１７２を再利用することができる。この漏出およびそれに続く再利用の結果は、漏出した水素がＰＥＭ１３０を介して２回「ポンプで送られる」ために、圧縮効率の損失となる可能性がある。しかしながら、それでもなお生じ得る圧縮効率の損失は、漏出した水素が回収されず、その代わりに電気化学セル１００の外部に漏出して失われた場合に予想される全体的な効率の損失より少ない。
【００６１】
[082]高圧ゾーン１７０からの圧力のブリーディングが第二の配置から第一の配置への移行を引き起こすほど十分ではない事象において、第二の分離を起こして、電気化学セルを第二の配置から第三の配置に移行させることができる。図４Ｃで示されているような第三の配置において、バイポーラプレート１５０、１６０の第二が分離すると、第二のシール１８１が外れて、第二の流体１８２を低圧ゾーン１９０に漏出させることを可能にする。第二の流体１８２の低圧ゾーン１９０への漏出は、中圧ゾーン１８０から圧力をブリーディングさせる可能性がある。中圧ゾーン１８０から圧力をブリーディングさせることによって、開離力２００がさらに低下する可能性がある。開離力２００の低下は、バイポーラプレート１５０、１６０の第二の分離を元に戻して、電気化学セル１００を第三の配置から第二の配置に移行させ、少なくとも第二のシール１８１を元の位置に戻すことを可能にする。
【００６２】
[083]第二の流体１８２の中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０へのブリーディングの結果は、セル効率の損失となる可能性がある。しかしながら、第二の流体１８２（すなわち、水素ガス）が電気化学セル１００から散逸する可能性を低下させる利益をもたらすことができる。
【００６３】
[084]様々な実施態様において、低圧ゾーン１９０中の第三の流体１９２の圧力をモニタリングしてもよい。第二のシール１８１を外すことは、第二の流体１８２の圧力の低圧ゾーン１９０へのブリーディングによって引き起こされる低圧ゾーン１９０中での圧力増加をもたらすことができる。それゆえに、第三の流体１９２の圧力をモニタリングすることによって、第二のシール１８１の外れを検出することができる。加えて、電気化学セル１００は、低圧ゾーン１９０中の圧力が臨界圧力に達する前に運転停止するように設計することができる。臨界圧力を、第三のシール１９１が外れると予想される圧力をちょうど下回るように設定することにより、第一の流体１７２、第二の流体１８２、および第三の流体１９２が電気化学セル１００から散逸することを可能にする。
【００６４】
[085]圧力のモニタリングは、様々な手段で達成することができる。例えば、圧力伝送器は、それぞれ中圧ゾーン１８０または低圧ゾーン１９０中の圧力を読み取るように設計することができ、圧力が臨界圧力の設定値に達したときに、アノード１１０およびカソード１２０への電位をかけるのを止めて、ＰＥＭ１３０を通過してさらなる水素が「ポンプで送られる」ことを防ぐことができる。
【００６５】
[086]他の実施態様において、中圧ゾーン１８０中の第二の流体１８２の圧力および高圧ゾーン１７０中の第一の流体１７２も、モニタリングしてもよい。例えば、第二の流体１８２の圧力をモニタリングすることは、圧力が第二のシール１８１を外すことができるポイントに達する前に、セルを運転停止させることを可能にする。
【００６６】
[087]様々な実施態様において、第一の流体１７２または第二の流体１８２（例えば、高圧または低圧の水素）が低圧ゾーン１９０にブリーディングする場合、それを第三の流体１９２（例えば、冷却剤流体）と合わせることができ、循環する第三の流体１９２によって低圧ゾーン１９０から運搬することができる。
【００６７】
[088]図５は、例示的な実施態様に係る電気化学的な水素再生システム（ＥＨＲＳ）５００を示す。ＥＨＲＳ５００は、上述したようなカスケード式のシール配置を有する電気化学セル１００を含んでいてもよい。電気化学セル１００に加えて、ＥＨＲＳ５００は、水素再生装置５１０を含んでいてもよい。装置５１０は、電気化学セル１００の低圧ゾーン１９０および中圧ゾーン１８０と流体連通することができる。装置５１０は、低圧ゾーン１９０から放出された第三の流体１９２を受けることができ、第三の流体１９２に含有されるあらゆる第二の流体１８２の少なくとも一部を回収するように設計することができる。第三の流体１９２が水素再生装置５１０を通過した後、第三の流体を低圧ゾーン１９０に再供給することができる。水素再生装置５１０によって第三の流体１９２から回収されたあらゆる第二の流体１８２は、水素再生装置５１０と中圧ゾーン１８０とを流動的に連結するように設計された再利用ライン５２０を経由して中圧ゾーン１８０に再導入することができる。第二の流体１８２を再利用することは、全体的なシステム効率を改善することができる。第二の流体１８２が水素ガスである場合、例えば、第二の流体１８２を再利用することは、必要な新しい水素の量を少なくする。
【００６８】
[089]水素再生装置５１０は、第三の流体１９２から第二の流体１８２を分離するための様々な技術を使用することができる。例えば、液体冷却剤からの溶解ガス分離または窒素ブランケットからの水素分離膜である。
【００６９】
[090]様々な実施態様において、ＥＨＲＳ５００は、低圧ゾーン１９０中の第三の流体１９２の圧力をモニタリングするように設計することができる。低圧ゾーン１９０中の第三の流体１９２の圧力をモニタリングすることによって、第二のシール１８１が外れて第二の流体が低圧ゾーン１９０に漏出したことを示す可能性がある圧力増加が検出されたときのみ、連動するかまたはエネルギーが与えられるように、水素再生装置５１０を設計することができる。水素再生装置の使用を制限することによって、全体的なシステム効率を増加させることができる。
【００７０】
[091]電気化学セル１００は、約１５，０００ｐｓｉｇよりも高い差圧で作動することができる。例えば、差圧は、約−１０ｐｓｉｇ〜約０ｐｓｉｇ、または約０ｐｓｉｇ〜約２５ｐｓｉｇ、約１００ｐｓｉｇ、約５００ｐｓｉｇ、約１，０００ｐｓｉｇ、または約６，０００ｐｓｉｇの範囲であり得る第二の流体１８２の圧力（すなわち、入口の水素圧力）と、入口の水素圧力の下限から約１５，０００ｐｓｉｇよりも高い範囲であり得る第一の流体１７２の圧力（すなわち、圧縮された水素圧力）との差として測定することができる。上述したような差圧は、第一のシール１７１が受けた差圧であり得る。第二のシール１８１は、約０ｐｓｉｇから、約２５ｐｓｉｇまで、約１００ｐｓｉｇまで、約５００ｐｓｉｇまで、約１，０００ｐｓｉｇまで、または約６，０００ｐｓｉｇまでの範囲の、第二の流体１８２と第三の流体１９２との差圧を受ける可能性がある。
【００７１】
[092]上述したカスケード式のシール配置は、閉鎖力２１０を特定の開離力２００に調整する（すなわち、増加または減少させる）ことを可能にする。通常は、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１に、内圧によって引き起こされる予測される開離力２００に耐えるのに十分な予荷重が送達されるように、閉鎖力２１０を設定することができる。しかしながら、電気化学セル１００の作動中に予荷重を変化させたりまたは閉鎖力２１０を調節したりすることにより、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１が外れる圧力を、好ましい特定の圧力でそれぞれが外れて漏出を起こすように調整してもよい。
【００７２】
[093]電気化学セル１００の調整能力は、デバイスの安全性を強化するのに使用できる。上述したように、シールを外すことは、高圧をブリーディングさせ、シールを元の位置に戻すことを可能にする。それゆえに、閉鎖力２１０を調整することによって、その不良が水素の放出を引き起こす可能性がある別の構成要素の代わりにシールが圧力増加に反応する第一の構成要素になるように、電気化学セルを設計することができる。
【００７３】
[094]図６は、電気化学セル１００のシールを調整する方法に関するフローチャート６００を示す。本方法は、複数のシールを上述したようなカスケード式のシール配置で有し得る電気化学セル１００を提供することを包含していてもよい。次に本方法は、電気化学セルに、予測される作動圧力に基づき初期の閉鎖力を適用することを包含していてもよい。初期の閉鎖力が適用された後、セルにエネルギーを与えて、操作を開始することができる。作動中、電気化学セル１００内の低圧、中圧および高圧ゾーンの圧力を連続的または間欠的にモニタリングすることができる。モニタリングされた圧力およびその結果生じた開離力に基づき、閉鎖力を調節することができる。閉鎖力を調節することは、複数のシールの少なくとも１つが外れるときの圧力を変化させることができる。このプロセスは、電気化学セルの作動中ずっと継続してもよいし、またはスタートアップ時の初期の限られた期間のみ稼働するように設計されてもよい。必要に応じて、電気化学セルの作動を終わらせることもできる。
【００７４】
[095]いくつかの実施態様において、第一のシール１７１は、高圧ゾーン１７０中の第一の流体１７２の圧力により、プレート１５０、１６０を分離させることなく外すことができることが予期される。同様に、第一のシール１７１および第二のシール１８１の両方は、高圧ゾーン１７０中の第一の流体１７２の圧力および中圧ゾーン１８０中の第二の流体１８２により、プレート１５０、１６０を分離させることなく外すことができることも予期される。これらの実施態様において、少なくとも第一の流体１７２の圧力、ある特定の実施態様において、第一の流体１７２および第二の流体１８２の両方をモニタリングすることができる。モニタリングされる圧力に基づき、閉鎖力を調節することができる。閉鎖力２１０は、それぞれ第一のショルダー１７３、第二の溝１８３、および第三の溝１９３に対する、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１の外形および／または厚さに基づきさらに調整することができる。
【００７５】
[096]より多くまたはより少ないシールおよび圧力ゾーンが予期される。例えば、図７で示されているような別の実施態様において、電気化学セル１００は、第一のシール１７１および第二のシール１８１を含み得る。したがって、図７で示されているような電気化学セル１００は、高圧ゾーン１７０を規定する第一のシール１７１を含み得る。第一のシール１７１は、バイポーラプレート１５０、１６０間に位置しており、高圧ゾーン１７０と共に第一の流体１７２を含有するように設計されていてもよい。電気化学セル１００は、中圧ゾーン１８０を規定する第二のシール１８１をさらに含んでいてもよい。第二のシール１８２は、バイポーラプレート１５０、１６０間に位置しており、中圧ゾーン１８０内で第二の流体１８２を含有するように設計されていてもよい。第一のシール１７１は、第二のシール１８１内に完全に含有されていてもよい。電気化学セル１００は、補助的な第一のシール１７５、１７６をさらに含んでいてもよい。補助的なシール１７５および１７６は、第一のシール１７１の外側に、ただし第二のシール１８１内に配置されていてもよい。
【００７６】
[097]加えて、電気化学セル１００に関して、第一の流体１７２は、第二の流体１８２より高い圧力で存在していてもよい。第一のシール１７１および第二のシール１８１は、全体的に長方形の断面を有していてもよい。第二のシール１８１の厚さは、第一のシール１７１より大きくてもよい。第一のシール１７１が外れたときに、第一のシール１７１は、第一の流体１７２を中圧ゾーン１８０に漏出させるように設計することができる。このような実施態様において、電気化学セル１００は、第二のシール１８１が外れる前に運転停止するように設計することができ、それにより第二の流体１８２が中圧ゾーン１８０から漏出する可能性を低下させることができる。
【００７７】
[098]電気化学セル１００内の第一のシール１７１および第二のシール１８１は、設置された状態を保つように設計することができ、それによりバイポーラプレート１５０、１６０に適用された閉鎖力がバイポーラプレート１５０、１６０内の開離力より大きい場合、第一の流体１７２および第二の流体１８２の漏出を防ぐことができる。バイポーラプレート１５０、１６０に適用された閉鎖力がバイポーラプレート１５０、１６０内の開離力と近い場合、第二のシール１８１が外れる前に、第一のシール１７１が外れるように設計することができ、それにより第一の流体１７２を、第一のシール１７１を超えて中圧ゾーン１８０に漏出させることができる。第一のシール１７１を超えて漏出する第一の流体１７２を第二の流体１８２と合わせて、再利用することができる。
【００７８】
[099]別の例において（示されていない）、電気化学セル１００は、第一のシール１７１、第二のシール１８１、第三のシール１９１、および第四のシールを含み得る。この例において、第四のシールは、第三のシール１９１内に、第二のシール１８１と第三のシール１９１との間に全体が含有されていてもよい。すなわち第四のシールは、第四の圧力ゾーンを規定することができ、ここで第四の圧力ゾーンは、例えば、第二の流体１８２および第三の流体１９２の両方の圧力より低い圧力を有する流体を含有する、真空または水素再生ゾーンであってもよい。第四のシールは、第二のシール１８１の厚さより大きい厚さを有していてもよい。この方式において、第二のシール１８１は、第二のシール１８１が外れたときに第二の流体１８２を第四の圧力ゾーンに漏出させるように設計することができる。
【００７９】
[0100]図８および１１は、第一のシール１７１の例示的な実施態様を例示する。上記で論じられたように、第一のシール１７１は、高圧ゾーン１７０を規定し、高圧ゾーン１７０内に第一の流体１７２（例えば、水素）を含有するように設計することができる。高圧ゾーン１７０は、ＰＥＭ１３０の高圧カソード１２０側に対応していてもよい。カソード１２０で形成された水素は、高圧ゾーン１７０で収集されて、第一のシール１７１に入れられてもよい。いくつかの実施態様において、高圧ゾーン１７０中の水素は、１５，０００ｐｓｉｇより大きい圧力を有していてもよい。
【００８０】
[0101]以下でより詳細に論じられるように、第一のシール１７１は、電気化学セル１００の区画をシールすることができ、長期間（例えば、１０年より長く）１５，０００ｐｓｉｇを超える圧力に耐えることができ、多くの圧力サイクル（例えば、１０，０００サイクルより多く）に耐えることができる構成要素の接合体を包含していてもよい。例示的な実施態様において、シーリング要素は、ガスケット３００；バイポーラプレート１５０、１６０の一方に形成されたシーリング表面３５０；およびＰＥＭ１３０を包含する。第一のシール１７１は、シーリング表面３５０に対するガスケット３００の圧縮、およびガスケット３００に対するＰＥＭ１３０の圧縮によって形成されていてもよい。他のシールは、１つまたはそれより多くの後述される機構を包含していてもよく、第一のシール１７１と連動して使用されてもよい。加えて、後述される機構は、電気化学セルの他の構成要素をシールするのに使用することができ、および／またはカスケード式のシール配置を採用しないセル中で使用することもできることが理解されるものとする。
【００８１】
[0102]図８は、例示的な実施態様に係る電気化学セル１００の断面図である。図８で例示されているように、電気化学セル１００は、バイポーラプレート１５０、１６０間に配置された、アノード区画１１０、プロトン交換膜（ＰＥＭ）１３０、およびカソード区画１２０を包含する。シーリング表面３５０は、バイポーラプレート１５０、１６０の一方に形成され、シールしようとする区画の外周と隣接して配置されていてもよい。図８において、シーリング表面３５０は、カソード区画１２０の外周の外側に配置されている。ガスケット３００は、シーリング表面３５０とＰＥＭ１３０との間に位置している。
【００８２】
[0103]電気化学セル１００の組立て中に、バイポーラプレート１６０およびＰＥＭ１３０のシーリング表面３５０に対してガスケット３００を圧縮して、第一のシール１７１、第二のシール１８１、または第三のシール１９１を形成することができる。ガスケット３００は、シーリング表面３５０による圧縮下で主にガスケット３００が塑性変形を受けるように設計することができる。具体的には、ガスケット３００は、必要なシーリング圧力より大きいが、シーリング表面３５０の圧縮降伏強度より低いクリープ弾性率および圧縮降伏強度を有する「硬い」材料から作製することができる。例えば、ガスケット３００は、１２，０００ｐｓｉより大きい圧力に耐えるのに十分な範囲のクリープ弾性率および／または圧縮降伏強度を有する材料から作製することができる。硬いガスケット材料の表面に対する柔らかいＰＥＭ材料の圧縮によってシールが形成されるように、ガスケット３００は、ＰＥＭ１３０より高い降伏強度を有していてもよい。その代わりに、ガスケット３００は、必要なシーリング圧力より低い圧縮降伏強度を有する材料で作製することもできる。ガスケットはバイポーラプレート１６０の壁およびシーリング表面３５０上の突起によって抑止されているため、それでもなお必要なシーリング圧力より大きい圧縮圧力をガスケット３００に適用することができる。
【００８３】
[0104]いくつかの実施態様において、ガスケット３００は、これらに限定されないが、トーロン（Torlon）（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリカーボネート、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ポリウレタン、アセタール、ナイロン、ポリブチレンテレフタレートおよびポリスルホンなどの高分子シール材で作製することができる。ポリマーガスケット材料は、耐酸性であってもよく、電気化学セル１００の作動にとって有害な材料を浸出させるべきではない。他の実施態様において、ガスケット３００は、これらに限定されないが、スズ、スズ合金、ステンレス鋼、銀、白金、および金などの金属材料から作製することができる。金属のガスケット材料は、耐食性であってもよいし、または耐食性コーティングを有していてもよい。さらに他の実施態様において、ガスケット３００は、高分子材料および／または金属材料の複合材料で作製することができる。
【００８４】
[0105]ガスケット３００の寸法、例えばガスケット３００の形状、厚さ、および幅などは、変更してもよいし、電気化学セル１００の寸法に基づいていてもよい。いくつかの実施態様において、ガスケット３００は、０．２５インチ〜０．００１インチの範囲の厚さを有する、実質的に直線の断面を有していてもよい。厚さは、セルの縦軸（Ｙ）に沿って測定される。これらの実施態様において、ガスケット３００は、３：１から２５：１より高い範囲の幅：厚さのアスペクト比を有していてもよい。
【００８５】
[0106]シーリング表面３５０は、ガスケット３００を塑性変形させてシールを作り出すのに十分な圧力を適用するように設計された、１つまたはそれより多くの機構を包含していてもよい。例えば、シーリング表面３５０は、１つまたはそれより多くの突起３６０を有する表面であってもよい。ある特定の実施態様において、圧縮力が適用されて、ガスケットを塑性変形させてシーリング表面を作り出すのに十分な応力が作り出される。突起３６０は、応力集中装置（stress concentrator）として機能することができ、シールにプレスされると、材料中に、目標とするシーリング圧力より高い局所的な応力を作り出すことができる。３つの突起３６０が表されているが、それより多くまたはそれより少ない数の突起が提供されていてもよいことが理解されるものとする。
【００８６】
[0107]突起は、ガスケット３００を変形させるのに十分なあらゆる公知の外形を有していてもよい。例えば、突起は、三角形の形状３６０ａ（図９Ａ）、尖点の形状３６０ｂ（図９Ｂ）、またはフラットブレードの形状３６０ｃ（図９Ｃ）を有していてもよい。他の予期される突起に関する外形としては、部分的に丸くなった形状、および半円の形状が挙げられる。各突起の形状が他の突起の形状と異なっていてもよいし、または全ての突起が同じであってもよいことが予期される。図９Ａ〜Ｃでは、同じ高さを有する例示的な突起が示されているが、そのうちいずれか１つまたはそれより多くが、それ以外のものより背が高いかまたは短くなるように設計されていてもよい。例えば、１つおきの突起が同じ高さを有していてもよいし、外側のほとんどの突起がより背が高く、かつ同じ高さであってもよいし、１つまたはそれより多くの内部の突起がより背が高くてもよいし、突起が左から右または右から左へ移動するにつれて下降または上昇していてもよいし、または全ての突起が異なる高さであってもよい。異なる高さの突起を有する実施態様は、他の構成要素の機械加工公差のばらつきをよりよく相殺するように設計されていてもよい。
【００８７】
[0108]突起３６０およびガスケット３００は、突起３６０とガスケット３００の一部の上面との間に小さいギャップが残るように互いに相対的に配置されていてもよい。組立て中、突起３６０をガスケット３００に対して圧縮することにより、各突起３６０をガスケット３００に押し込んでシールすることができる。バイポーラプレート１５０、１６０にさらなる圧縮力が適用されると、十分な応力が形成されて、ガスケット３００を塑性変形させてシールを作り出すことができる。
【００８８】
[0109]例示的な実施態様において、シーリング表面は、鋭いナイフエッジに機械加工した１つまたはそれより多くの突起を有するナイフエッジ型のシーリング表面であってもよい。組立て中、これらの突起をガスケット３００に対して圧縮することにより、各突起のナイフエッジをガスケット３００に押し込んでシールすることができる。バイポーラプレート１５０、１６０にさらなる圧縮力が適用されると、十分な応力が形成されて、ガスケット３００を塑性変形させてシールを作り出すことができる。
【００８９】
[0110]突起３６０に適切な高さおよび幅の寸法を選択することによって、ガスケット３００をその圧縮されていない厚さの予め決められたパーセンテージまで圧縮することができる。ある特定の実施態様において、突起３６０は、ガスケット内に不均一の応力場を意図的に作り出すように配置されていてもよく、ここで応力場の一部は、シールされるガス圧のレベルより規模が大きい。
【００９０】
[0111]図９Ｄおよび９Ｅは、それぞれ圧縮されていない状況および圧縮された状況における、図９Ａに表されるバイポーラプレートのシーリング表面の断面図を提供する。図９Ｄにおいて、ガスケット３００の幅は、ＷＧ１で表され、ガスケット３００の高さは、ｈＧ１で表され、バイポーラプレート１６０中のポケットの深さは、ｄｐで表される。突起３６０に関して、高さは、ｈｔで表され、突起３６０間の間隔は、Ｓｔで表される。
【００９１】
[0112]ある特定の実施態様において、ｈＧ１：ｄｐの比率は、０．８：１〜１．５：１、例えば０．９：１〜１．３：１、０．９：１〜１．４：１、１：１〜１．３：１、および１：１〜１．２：１の範囲であってもよい。加えて、ｈｔ：ｈＧ１の比率は、０．０５：１〜０．７５：１、例えば０．１：１〜０．７：１、０．１５：１〜０．６５：１、０．２：１〜０．６：１および０．２５：１〜０．６：１の範囲であってもよい。さらに、Ｓｔ：ｈｔの比率は、０．５：１〜１０：１、例えば０．１：１〜１０：１、０．２：１〜８：１、０．５：１〜６：１、および１：１〜５：１の範囲であってもよい。さらなる実施態様において、ｈＧ１：ｄｐ、ｈｔ：ｈＧ１、およびＳｔ：ｈｔの比率は全て、少なくとも１つの上記で開示された範囲内であってもよい。
【００９２】
[0113]図９Ｅにおいて、ガスケット３００の幅は、ＷＧ２で表され、ガスケット３００の高さは、ｈＧ２で表され、このガスケットが圧縮されている実施態様において、バイポーラプレート１６０中のポケットの深さｄｐは、ｈＧ２に等しい。この実施態様において、ポケットの幅は、Ｗｐで表される。
【００９３】
[0114]ある特定の実施態様において、ＷＧ１：Ｗｐの比率は、０．２５：１〜２：１、例えば０．５：１〜２：１、０．７５：１〜２：１、１：１〜２：１、および０．２５：１〜１：１の範囲である。加えて、Ｗｐ：Ｓｔの比率は、１：１〜２０：１、例えば１：１〜１５：１、１：１〜１０：１、５：１〜２０：１、および５：１〜１０：１の範囲であってもよい。さらなる実施態様において、ＷＧ１：ＷｐおよびＷｐ：Ｓｔの比率は全て、少なくとも１つの上記で開示された範囲内であってもよい。
【００９４】
[0115]図９Ｆは、ある特定の高さｈｔを有し、互いにある特定の距離Ｓｔをあけて存在する突起３６０のセットを例示しており、各突起の傾斜面は角度αを形成し得る。様々な実施態様によれば、突起３６０の高さは、０．００１〜０．０２０インチ、例えば０．００３〜０．０２０インチ、０．００５〜０．０１５インチ、および０．００６〜０．０１０インチの範囲であってもよい。様々な実施態様によれば、突起間の距離は、０．０１〜０．２インチ、例えば０．０５〜０．１インチ、０．０２〜０．０５インチ、および０．０２〜０．０３インチの範囲であってもよい。様々な実施態様によれば、角度αは、５５〜１２５度、例えば６０〜１２０度、６５〜１１５度、７５〜１０５度、および８０度〜１００度の範囲であってもよい。さらなる実施態様において、突起の高さ、突起間の距離、および突起の角度は全て、少なくとも１つの上記で開示された範囲内であってもよい。
【００９５】
[0116]代替の実施態様において、シーリング表面３５０’は、バイポーラプレートの一方の代わりに、ガスケット３００’上に提供されてもよい（図１０）。この実施態様によれば、バイポーラプレート１６０は、平坦な表面を有していてもよく、ガスケット３００’のバイポーラプレート１６０と接触する部分は、突起３６０’を包含するシーリング表面３５０’を有していてもよい。上述した実施態様と同様に、突起３６０’は、鋭いナイフエッジに機械加工されていてもよい。電気化学セル１００の組立てのとき、シーリング表面３５０’をバイポーラプレート１６０に対して圧縮して、ガスケット３００’の突起３６０’を塑性変形させることができる。これらの突起が塑性変形するにつれて、各突起のナイフエッジをシーリング表面３５０’に押し込んでシールすることができる。
【００９６】
[0117]再び図８を参照すれば、ＰＥＭ１３０は、シーリング表面３５０の逆のガスケット３００の面に対して圧縮することができる。例示的な実施態様において、ＰＥＭ１３０は、ガスケット３００より低い降伏強度を有する（例えば、それより柔らかい）材料で形成されていてもよい。この配列において、シールは、硬いガスケット材料の表面に対する柔らかいＰＥＭ材料の圧縮によって形成される。
【００９７】
[0118]代替の実施態様において、ガスケット３００の少なくとも片側に、膜または膜様の材料が提供されてもよい。例えば、膜または膜様の材料３７０は、バイポーラプレート１６０とガスケット３００との間に提供されてもよい（図１１）。いくつかの実施態様において、膜３７０はまた、ガスケット３００とＰＥＭ１３０との間に（例えば、ガスケット３００の両方の側に）提供されてもよい。
【００９８】
[0119]膜３７０は、ナイフ−エッジのシールの代わりに使用される「柔らかいガスケット」であってもよい。具体的には、膜３７０は、ガスケット３００より低いクリープ弾性率および圧縮降伏強度を有する「柔らかい」材料で形成されていてもよい。ガスケット３００およびバイポーラプレート１６０に対する膜３７０の圧縮により、シールが形成されてもよい。ガスケット３００の両方の側に膜３７０が提供される場合、シールはまた、ガスケット３００およびＰＥＭ１３０に対する膜３７０の圧縮によっても形成されてもよい。
【００９９】
[0120]いくつかの実施態様において、膜３７０は、接着性の材料または他の公知の結合方法によってガスケット３００に結合させることができる。このような方法としては、加熱プレスまたは超音波溶接が挙げられる。膜３７０のガスケット３００への結合は、電気化学セル１００の組立てに役立たせることができ、膜３７０とガスケット３００との間のシールを改善することができる。
【０１００】
[0121]いくつかの実施態様において、アノード区画１１０の外周は、シールされたカソード区画１２０の外周を超えて拡大していてもよい（図１２Ａ〜１２Ｄ）。これらの実施態様において、ＰＥＭ１３０とカソード区画１２０の外周を超えて拡大するアノード区画１１０の一部との間に、薄いガス拡散層３８０が提供されてもよい。例示的な実施態様において図１２Ａ〜１２Ｄに示される、ガス拡散層３８０は、ガスケット３００とは逆のＰＥＭ１３０の面に沿って配置される。
【０１０１】
[0122]ガス拡散層３８０は、セル内でのガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として役立つ可能性があり、セルからの熱およびプロセス水の除去に役立つ可能性があり、いくつかのケースにおいては、ＰＥＭ１３０にある程度の機械的な支持体を提供する可能性がある。ガス拡散層３８０は、織布または不織布のカーボンクロスまたは他の導電材料のクロスを含み得る。ある特定の実施態様において、構造的な支持体を提供するために、「フリット」タイプの高密度に焼結された金属、スクリーンパック、エキスパンドメタル、金属発泡体、または三次元多孔性金属基板を、ガス拡散層３８０の少なくとも一部と組み合わせて、またはその代替として使用することができる。
【０１０２】
[0123]またこれらの実施態様において、補強層３８５も包含され、これは、ＰＥＭ１３０への支持体を提供するのに十分なあらゆるサイズ、形状、および／または配置を有していてもよい。補強層３８５は、不均一な流れ場によって引き起こされる過剰な応力によるＰＥＭ１３０のはみ出しまたは裂けを防ぐように設計することができる。ある特定の実施態様において、補強層３８５は、ポリエステル樹脂から形成される。
【０１０３】
[0124]図１２Ａおよび１２Ｃに示される例示的な実施態様において、補強層３８５は、ガスケット３００と実質的に同じ長さ寸法を有する。図１２Ｂおよび１２Ｄに示される他の例示的な実施態様において、補強層３８５は、ガスケット３００の長さより長い長さを有し、例えば、補強層３８５の一部が、ガスケット３００のエッジを超えて拡大している。図１２Ｂおよび１２Ｄに示される実施態様では、ガスケット３００のエッジにおいてＰＥＭ１３０が曲がる事象において、補強層３８５は、ＰＥＭ１３０に支持体を提供する。
【０１０４】
[0125]様々な実施態様において、ガスケット３００、シーリング表面３５０、およびＰＥＭ１３０間のシールのかみ合いは、電気化学セル１００の組立ての前に、シールの完全性を損なうことなく本来の場所でないところで試験することができる。具体的には、本来の場所でないところでの試験中、ガスケット３００の完全な圧縮を防ぐために、バイポーラプレート１５０、１６０間にシム３９０を配置することができる。これから、ガスケット３００は、スタック中で完全に圧縮されると、シーリング表面３５０で高い応力を受けることを確認することができる。図１３に示される例示的な実施態様において、シール１７１の深さを増加させ、本来の場所でないところでの試験中のガスケット３００の完全な変形を防ぐために、シム３９０は、バイポーラプレート１５０、１６０間に示される。
【０１０５】
[0126]上述したシール接合体は、数々の利点を提供することができる。従来のエラストマーのシールが必要とする圧縮力はより小さいが、エラストマーのシールは、はみ出しおよび爆発的減圧を受けやすい。対照的に、開示されたガスケット３００は、より弾性であり得る。上述したように、シーリング表面３５０より柔らかくＰＥＭ１３０より硬い開示されたガスケット３００が選択される可能性がある。したがって、ガスケット３００は、１５，０００ｐｓｉを超えるシーリング圧力を可能にする。加えて、ガスケット３００は、流れ場の厚さおよびポケットの深さにおいて、従来のシール設計より大きい寸法公差を提供できる。ガスケット３００は比較的大きい厚さの範囲を超えて変形できるため、ガスケット３００は、ポケットの深さおよび流れ場の変動に順応する可能性があるが、それでもなお比較的一定した圧縮圧力を維持する。
【０１０６】
[0127]図１４は、バイポーラプレート１５０および１６０の一実施態様であって、カスケード式のシール配置のために設計された第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２を含む、２ピースのバイポーラプレート８００を含むものを示す。第一の構成要素８０１は、フロー構造８０５と流体連通する空隙８０３を形成することができる。
【０１０７】
[0128]電気化学セル１００は、図１で示されているように、電気化学セル１００内において、ＭＥＡ１４０の各側に導電性のガス拡散層をさらに含んでいてもよい。ガス拡散層は、セル内でのガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として役立つ可能性があり、バイポーラプレート１５０および１６０とＰＥＭ１３０との間の電気伝導を提供する可能性があり、セルからの熱およびプロセス水の除去に役立つ可能性があり、いくつかのケースにおいては、ＰＥＭ１４０に機械的な支持体を提供する可能性がある。加えて、バイポーラプレート１５０および１６０中のチャネル（示されていない）は、流れ場として知られており、ＭＥＡ１４０のアノード１１０およびカソード１２０にガスを供給するように設計することができる。ＰＥＭ１３０の各側にある反応ガスは、流れ場を通って流動し、多孔質ガス拡散層を通って拡散することができる。流れ場およびガス拡散層は、隣接して配置されて、内部の流体ストリームで連結されてもよい。したがって、流れ場およびガス拡散層は、フロー構造８０５を集合的に形成することができる。
【０１０８】
[0129]第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、全体的に平坦であり、全体的に長方形の輪郭を有していてもよい。他の実施態様において、構成要素８０１および８０２は、四角形、「レーストラック」（すなわち、側面が半楕円形の実質的に長方形の形状）、円形、長円形、楕円形、または他の形状のような形をした輪郭を有していてもよい。第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２の形状は、電気化学セル１００の他の構成要素（例えば、カソード、アノード、ＰＥＭ、フロー構造など）または電気化学セルスタックに対応していてもよい。
【０１０９】
[0130]第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２はそれぞれ、１種またはそれより多くの材料で形成されていてもよい。第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、同じ材料または異なる材料で形成されていてもよい。構成要素８０１および８０２は、金属、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄など、または金属合金、例えばニッケルクロム合金、ニッケル−スズ合金、またはそれらの組み合わせで形成されていてもよい。
【０１１０】
[0131]第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、１つまたはそれより多くの領域上に、クラッド材料、例えばステンレス鋼とのアルミニウムクラッドを含んでいてもよい。クラッディングは、両方の金属の利点を提供することができ、例えば、ステンレス鋼−クラッドアルミニウムから製作されたバイポーラプレートのケースでは、ステンレス鋼が、セル作動中にアルミニウムのコアを腐食から守り、同時に、アルミニウムの優れた材料特性、例えば高い強度重量比、高い熱伝導率および導電率などを提供する。他の実施態様において、第一の構成要素８０１は、アノード処理した、シールした、および下塗りを有するアルミニウム（primed aluminum）を含み得る。塗料または粉末塗装などの他のコーティングを、構成要素８０１と共に使用することができる。
【０１１１】
[0132]いくつかの実施態様において、第一の構成要素８０１は、複合材料、例えば炭素繊維、グラファイト、ガラス強化ポリマー、熱可塑性複合材料で形成されていてもよい。いくつかの実施態様において、第一の構成要素８０１は、腐食と電気伝導の両方を防ぐためにコーティングされた金属で形成されていてもよい。
【０１１２】
[0133]様々な実施態様によれば、第一の構成要素８０１は、一般的に非導電性であってもよく、それにより電気化学セル間で短絡が起こる可能性が低減される。第二の構成要素８０２は、セル作動中に、導電率、加えて耐食性を提供する１つまたはそれより多くの材料で形成されていてもよい。例えば、第二の構成要素８０２は、活性なセル構成要素が存在する領域（例えば、フロー構造、ＭＥＡなど）中で導電性になるように設計することができる。
【０１１３】
[0134]第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、同一平面で連結するように設計することができる。第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、解放可能なように連結されていてもよいし、または固定されて連結されていてもよい。１つまたはそれより多くの取り付けメカニズムを使用することができ、このようなメカニズムとしては、例えば、結合材、溶接、ろう付け、はんだ付け、拡散接合、超音波溶接、レーザー溶接、スタンピング、リベット締め、抵抗溶接、または焼結が挙げられる。いくつかの実施態様において、結合材としては、接着剤を挙げることができる。好適な接着剤としては、例えば、グルー、エポキシ、シアノアクリレート、熱可塑性シート（例えば熱結合した熱可塑性シートなど）、ウレタン、嫌気性接着剤、ＵＶ硬化、および他のポリマーが挙げられる。いくつかの実施態様において、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、摩擦嵌合によって連結されていてもよい。例えば、構成要素間の１つまたはそれより多くのシールは、予期せぬ滑りを防ぐために圧縮された場合、構成要素間で十分な摩擦力を生じさせることができる。
【０１１４】
[0135]他の実施態様において、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、留め具、例えばスクリュー、ボルト、クリップ、または他の類似したメカニズムを使用して、解放可能なように連結されていてもよい。他の実施態様において、コンプレッションロッドおよびナットまたは他の類似した機械的圧縮システムが、バイポーラプレート８００中を、または外側に沿って通過していてもよく、さらに、スタック中で電気化学セル１００または複数の電気化学セル１００が圧縮されるにつれて、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２が一緒に圧縮されるように使用されてもよい。
【０１１５】
[0136]連結された第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、複数の異なる圧力ゾーンを形成することができ、さらに、複数のシールは、１つまたはそれより多くの異なる圧力ゾーンを規定することができる。図１４は、複数の異なるシールおよび圧力ゾーンを示す。図１４で示されるように、複数のシールは、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１を包含していてもよい。第一のシール８７１は、全体が第二のシール８８１内に含有されていてもよいし、第二のシール８８１は、全体が第三のシール８９１内に含有されていてもよい。第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の形状は、図１４で示されているように、全体的にバイポ
ーラプレート８００の形状に対応していてもよい。
【０１１６】
[0137]ある特定の実施態様において、第一のシール８７１は、上述したように、突起３６０から形成される。例えば、突起は、三角形の形状３６０ａ（図９Ａ）、尖点の形状３６０ｂ（図９Ｂ）、フラットブレードの形状３６０ｃ（図９Ｃ）、またはシール表面を形成するのに十分な他のあらゆる外形を有していてもよい。他の実施態様において、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の少なくとも２つが、突起３６０から形成され、ある特定の実施態様において、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の全ての３つが、突起３６０から形成される。
【０１１７】
[0138]第一のシール８７１は、高圧ゾーン８７０の一部を規定することができ、高圧ゾーン８７０内に第一の流体８７２（例えば、水素）を含有するように設計することができる。第一のシール８７１は、少なくとも構成要素８０１と構成要素８０２との間で、高圧ゾーン８７０の外部境界を定めることができる。高圧ゾーン８７０は、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２が連結されている場合、空隙８０３を通って伸長するフロー構造８０５を包含していてもよい。第一の流体８７２は、カソード１３０からフロー構造８０５を介して、高圧ゾーン８７０の全体を流動することができる。
【０１１８】
[0139]カソード１３０で形成された水素は、高圧ゾーン８７０で収集されてもよく、第一の構成要素８０１と第二の構成要素８０２との接続部は、第一のシール８７１でシールされてもよい。高圧ゾーン８７０内の水素は、圧縮することができ、結果として、高圧ゾーン８７０で水素がますます形成されるにつれて圧力を増加させることができる。高圧ゾーン８７０中の水素は、１５，０００ｐｓｉより大きい圧力に圧縮することができる。高圧ゾーン８７０内の圧力により、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２に、分離させる力を加えることができる。
【０１１９】
[0140]図１４で示されるように、第一のシール８７１は、共通の通路８０４の外部の周りに伸長するように設計することができる。共通の通路８０４は、高圧ゾーン８７０から第一の流体８７２を供給または放出するように設計することができる。共通の通路８０４は、マルチセルの電気化学的な圧縮機中で、隣接する電気化学セルの共通の通路と流体連通することができる。
【０１２０】
[0141]第二のシール８８１は、中圧ゾーン８８０の外周を規定することができる。中圧ゾーン８８０は、第一のシール８７１、第二のシール８８１、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２により境界が定められた、中圧ボリューム８８３を含んでいてもよい。中圧ゾーン８８０は、第二の流体８８２を含有するように設計することができる。中圧ゾーン８８０は、１つまたはそれより多くの中圧ポート８８４をさらに含んでいてもよい。
【０１２１】
[0142]中圧ボリューム８８３は、第二の流体８８２を収集して中圧ポート８８４に向かわせるように設計することができる。図１４で示されるように、中圧ボリューム８８３は、第一のシール８７１で隔てられた高圧ゾーン８７０の外周の周りに伸長することができる。中圧ボリューム８８３の断面積および体積は、第一の構成要素８０１、第二の構成要素８０２、第一のシール８７１、および第二のシール８８１の外形に基づき変更することができる。
【０１２２】
[0143]他の実施態様において、中圧ボリューム８８３は、複数の中圧ボリューム８８３に、例えば、２、３、４個またはそれより多くの中圧ボリューム８８３に分けることができる。複数の中圧ボリューム８８３は、複数のシールで隔てられていてもよい。図１４で示されるように、中圧ボリューム８８３は、２つの中圧ボリューム８８３に分けることができる。例えば、図１４で示されているように、第一のシール８７１は、中圧ボリューム８８３を通過して第二のシール８８１に伸長することができる。共通の通路８０４の周りに伸長する第一のシール８７１の一部が、中圧ボリューム８８３を２つの中圧ボリューム８８３に分けている第二のシール８８１と連結していてもよい。
【０１２３】
[0144]図１４で示されるように、１つまたはそれより多くの中圧ボリューム８８３は各々、１つまたはそれより多くの中圧ポート８８４と流体連通していてもよい。中圧ポート８８４は、中圧ボリューム８８３内に含まれている第二の流体８８２を放出するように設計することができる。中圧ポート８８４の形状は、変更することができる。例えば、中圧ポート８８４は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、長円形、または他の形状であってもよい。中圧ボリューム８８３当たりの中圧ポート８８４の数は、１個から約２５個に、またはそれより多くに変更することができる。中圧ポート８８４の断面積は、変更することができる。例えば、円形の中圧ポート８８４の直径は、約０．１インチ未満から約１インチまでの範囲、またはそれより大きくてもよい。図１４で示されるように、中圧ポート８８４は、第一のシール８７１と第二のシール８８１との間で均一に間隔をあけていてもよく、バイポーラプレート８００の長さに沿って均一に分散していてもよい。その代わりに、中圧ポート８８４は、第一のシール８７１と第二のシール８８１との間で不均一に間隔をあけていてもよく、および／またはバイポーラプレート８００の長さに沿って可変の間隔を有していてもよい。他の実施態様において、中圧ポート８８４は、中圧ゾーン８８０の全外周に伸長することができる。
【０１２４】
[0145]中圧ポート８８４を介して放出された第二の流体８８２は、電気化学セル１００に再供給することができる。例えば、第二の流体８８２は、中圧ゾーン１８０に戻すことができる。他の実施態様において、中圧ポート８８４を介して放出された第二の流体８８２を収集して再利用することができる。中圧ゾーン８８０中の第二の流体８８２は、一般的に、高圧ゾーン８７０中の第一の流体８７２より低圧であり得る。
【０１２５】
[0146]第三のシール８９１は、低圧ゾーン８９０を規定することができ、低圧ゾーン８９０内に第三の流体８９２を含有するように設計することができる。低圧ゾーン８９０は、第二のシール８８１、第三のシール８９１、第一の構成要素８０１、および第二の構成要素８０２によって境界が定められた、低圧ボリューム８９３を含んでいてもよい。低圧ゾーン８９０は、第三の流体８９２を含有するように設計することができる。低圧ゾーン８９０は、１つまたはそれより多くの低圧ポート８９４をさらに含んでいてもよい。
【０１２６】
[0147]低圧ボリューム８９３は、第三の流体８９２を収集して低圧ポート８９４に向かわせるように設計することができる。図１４で示されるように、低圧ボリューム８９３は、第二のシール８８１で隔てられた中圧ゾーン８８０の外周の周りに伸長することができる。低圧ボリューム８９３の断面積および体積は、第一の構成要素８０１、第二の構成要素８０２、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の外形に基づき変更することができる。様々な実施態様によれば、中圧ボリューム８８３は、低圧ボリューム８９３の体積より大きくてもよいし、またはそれより小さくてもよい。
【０１２７】
[0148]図１４で示されるように、１つまたはそれより多くの低圧ボリューム８９３は各々、１つまたはそれより多くの低圧ポート８９４と流体連通していてもよい。低圧ポート８９４は、低圧ボリューム８９３内に含まれている第三の流体８９２を放出するように設計することができる。低圧ポート８９４の形状は、変更することができる。例えば、低圧ポート８９４は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、長円形、または他の形状であってもよい。低圧ボリューム８９３当たりの低圧ポート８９４の数は、１個から５０個に、またはそれより多くに変更することができる。低圧ポート８９４の断面積は、変更することができる。例えば、円形の低圧ポート８９４の直径は、０．１インチ未満から１インチまでの範囲、またはそれより大きくてもよい。図１４で示されるように、低圧ポート８９４は、第二のシール８８１と第三のシール８９１との間で間隔をあけていてもよく、バイポーラプレート８００の長さに沿って均一に互い違いになっていてもよい。他の実施態様において、低圧ポート８９４は、低圧ゾーン８９０の全外周のに伸長することができる。
【０１２８】
[0149]低圧ポート８９４を介して放出された第三の流体８９２は、電気化学セル１００に再供給することができる。例えば、第三の流体８９２は、低圧ゾーン１９０に戻すことができる。他の実施態様において、中圧ポート８８４を介して放出された第三の流体８９２を収集して再利用することができる。低圧ゾーン８９０中の第三の流体８９２は、一般的に、高圧ゾーン８７０中の第一の流体８７２および中圧ゾーン８８０中の第二の流体８８２より低圧であり得る。
【０１２９】
[0150]上述したような第一の構成要素８０１と第二の構成要素８０２との間のカスケード式のシール配置は、上述したように、電気化学セル１００のバイポーラプレート１５０および１６０中に実装させることができる。他の実施態様において、構成要素８０１と８０２との間のカスケード式のシール配置は、２つのバイポーラプレート間にカスケード式のシール配置が利用されていない他の電気化学セル中にも実装させることができる。それゆえに、上述したような両方のカスケード式のシール配置は、電気化学セル中でどちらか１つが単独で利用できるように互いに独立していてもよいし、またはそれらが同じ電気化学セル中で連動して利用されていてもよい。
【０１３０】
[0151]いくつかの実施態様において、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、インターロック機構を包含していてもよい。インターロック機構は、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２を一緒に固定するのに十分な嵌合する構造を形成していてもよい。例えば、第一の構成要素８０１は、１つまたはそれより多くの突起を含んでいてもよく、第二の構成要素８０２は、１つまたはそれより多くの凹みを含んでいてもよい。しかしながら、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、様々な取り付けメカニズムを含んでいてもよいことがさらに予期される。インターロック機構は、様々な形状およびサイズを含んでいてもよい。例えば、突起および凹みは、円柱形、円形、楕円形、長方形、または四角形の形状で形成されてもよい。加えて、突起および凹みとしては、様々な多角形の形状を挙げることができる。
【０１３１】
[0152]図１４で示されるように、インターロック機構としては、第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２をシールするように設計された様々な連結部を挙げることができる。例えば、インターロック機構は、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１と、それらが留まることができる対応するシール空洞とを包含し得る。第一の構成要素８０１および第二の構成要素８０２は、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の少なくとも一部を受けるように設計された、複数のシール空洞を包含していてもよい。各シール空洞は、第一の構成要素８０１、第二の構成要素８０２または構成要素８０１および８０２の両方に突き出た部分を含んでいてもよい。突き出た部分の寸法および外形は、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の寸法および断面外形に対応していてもよい。
【０１３２】
[0153]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本明細書に記載の本発明の開示の実施から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は以下の特許請求の範囲によって提示されることが意図される。
【符号の説明】
【０１３３】
１００  電気化学セル
１１０  アノード
１２０  カソード
１１０  アノード区画
１２０  カソード区画
１３０  プロトン交換膜（ＰＥＭ）
１４０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１５０、１６０  バイポーラプレート
１７０  高圧ゾーン
１７１  第一のシール
１７２  第一の流体
１７３  第一のショルダー
１７５、１７６  補助的な第一のシール
１７７、１７８  補助的な高圧ゾーン
１８０  中圧ゾーン
１８１  第二のシール
１８２  第二の流体
１８３  第二の溝
１９０  低圧ゾーン
１９１  第三のシール
１９２  第三の流体、窒素
１９３  第三の溝
２００  開離力
２１０  閉鎖力
３００  ガスケット
３５０  シーリング表面
３６０  突起
３６０ａ  三角形の形状
３６０ｂ  尖点の形状
３６０ｃ  フラットブレードの形状
３７０  膜または膜様の材料
３８０  ガス拡散層
３８５  補強層
３９０  シム
５００  電気化学的な水素再生システム（ＥＨＲＳ）
５１０  水素再生装置
５２０  再利用ライン
６００  フローチャート
８００  ２ピースのバイポーラプレート
８０１  第一の構成要素
８０２  第二の構成要素
８０３  空隙
８０４  共通の通路
８０５  フロー構造
８７０  高圧ゾーン
８７１  第一のシール
８７２  第一の流体
８８０  中圧ゾーン
８８１  第二のシール
８８２  第二の流体
８８３  中圧ボリューム
８８４  中圧ポート
８９１  第三のシール
８９０  低圧ゾーン
８９２  第三の流体
８９３  低圧ボリューム
８９４  低圧ポート
【図１】
2019033083.tif 000002
【図２Ａ】
2019033083.tif 000003
【図２Ｂ】
2019033083.tif 000004
【図３Ａ】
2019033083.tif 000005
【図３Ｂ】
2019033083.tif 000006
【図４Ａ】
2019033083.tif 000007
【図４Ｂ】
2019033083.tif 000008
【図４Ｃ】
2019033083.tif 000009
【図５】
2019033083.tif 000010
【図６】
2019033083.tif 000011
【図７】
2019033083.tif 000012
【図８】
2019033083.tif 000013
【図９Ａ】
2019033083.tif 000014
【図９Ｂ】
2019033083.tif 000015
【図９Ｃ】
2019033083.tif 000016
【図９Ｄ】
2019033083.tif 000017
【図９Ｅ】
2019033083.tif 000018
【図９Ｆ】
2019033083.tif 000019
【図１０】
2019033083.tif 000020
【図１１】
2019033083.tif 000021
【図１２Ａ】
2019033083.tif 000022
【図１２Ｂ】
2019033083.tif 000023
【図１２Ｃ】
2019033083.tif 000024
【図１２Ｄ】
2019033083.tif 000025
【図１３】
2019033083.tif 000026
【図１４】
2019033083.tif 000027