(57)【要約】      （修正有）【課題】セルからの予期せぬ水素の放出が制限されるように構築された、段階的に並べたシール配置を有する電気化学セルの提供。【解決手段】バイポーラプレート対；アノード、カソード、およびそれらの間に配置されたプロトン交換膜を含む膜電極接合体、；バイポーラプレート対間に配置され、高圧ゾーン８７０を部分的に規定する第一のシール８７１；並びに、一対の、ガス拡散層を有するフロー構造８０５、ここでこの二つのフロー構造は膜電極接合体の各側上の２つのバイポーラプレート間に位置する；を含み、バイポーラプレートの少なくとも一つは第一の構成部分８０１及び第二の構成部分８０２を含み、第一の構成部分及び第二の構成部分は二つのフロー構造及び膜電極接合体を収容する空隙８０３を画定している、電気化学セル。【選択図】図８
2019035151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラプレート対、
アノード、カソード、およびそれらの間に配置されたプロトン交換膜を含む膜電極接合体、
バイポーラプレート対間に配置され、高圧ゾーンを部分的に規定する第一のシール、並びに
一対の、ガス拡散層を有するフロー構造、ここでこの二つのフロー構造は膜電極接合体の各側上の２つのバイポーラプレート間に位置する
を含み、
バイポーラプレートの少なくとも一つは第一の構成部分及び第二の構成部分を含み、第一の構成部分及び第二の構成部分は二つのフロー構造及び膜電極接合体を収容する空隙を画定している、
電気化学セル。
【請求項２】
バイポーラプレート間に位置し、且つ中圧ゾーンを部分的に画定する第二のシールをさらに含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
バイポーラプレート間に位置し、且つ低圧ゾーンを部分的に画定する第三のシールをさらに含む、請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
第一のシールが第二のシール内に含有されており、そして第二のシールが第三のシール内に含有されている、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
第三のシールの厚さが第二のシールより大きく、第二のシールの厚さが、第一のシールより大きい、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項６】
高圧ゾーンが水素を収容するように設計されており、中圧ゾーンがより低い圧力の水素を収容するように設計されており、そして低圧ゾーンが冷却剤流体を収容するように設計されている、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項７】
低圧ゾーン内の流体の圧力がモニターされ、該圧力の上昇が、少なくとも第二のシールが外れていることを示し、そして電気化学セルが、第三のシールが外れる圧力に第三の流体が達する前に停止するように設計されている、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項８】
バイポーラプレート対に適用される閉鎖力がバイポーラプレート対内の開放力より大きい場合、バイポーラプレート対内の第一のシール、第二のシール、および第三のシールが嵌め込まれたままになるように前記第一、第二および第三のシールが設計されている、請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項９】
シリコーン、エチレンプロピレン−ジエン−モノマー（ＥＰＤＭ）、フルオロエラストマー、ニトリルゴム（Ｂｕｎａ−Ｎ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、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、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）のうちの少なくとも１つから第一のシールが形成されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
第一のシールがナイフエッジタイプのシールである、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
電気化学セルが、水素燃料電池、水素の精製機、水素の膨張機および水素の圧縮機の少なくとも１つである、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
第一のシールが長方形の横断面を有する、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対に適用された閉鎖力がバイポーラプレート対内の開放力に近づくときに、第二のシールまたは第三のシールよりも先に第一のシールが外れ、それによりバイポーラプレート対の第一の分離が起こるように第一のシールが設計されている、請求項４に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
閉鎖力が、バイポーラプレート対の第二の分離を起こす開放力にさらに近づくときに、第二のシールが外れるように第二のシールが設計されている、請求項１３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２月２８付けで出願された米国仮出願第６１／７７０，５３８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、段階的に並べたシール配置を有し、水素が再生されるよう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ており、化学反応から電流を生成させたり、または電流を使用して化学反応を誘導したりするのに使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と廃棄物である熱および水とに変換する。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。例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、電解質として高分子のイオン伝導膜を利用している。水素ＰＥＭ燃料電池は、アノードで、水素原子を電子とプロトン（水素イオン）とに電気化学的に分離することができる。電子はカソードへの回路を通って流れて電気を発生させ、その一方でプロトンは電解質膜を介してカソードに放散する。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することができ、水および熱を生産する。
【０００５】
[005]電解セルは、それとは逆に作動する燃料電池を意味する。基礎的な電解セルは、外部の電位が適用されたときに水を水素と酸素ガスとに分解することによって水素発生器として機能し得る。水素燃料電池または電解セルの基礎的な技術は、電気化学的な水素の圧縮、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：electrochemical hydrogen compressor）は、例えば、セルの片側から他方の側に水素を選択的に移動させるのに使用できる。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を第一の電極と接触させて、第一の電極と第二の電極との間に電位差を適用させることができる。第一の電極では、水素分子を酸化することができる、その反応により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、電気化学的に膜を通過してセルの第二の電極に到達し、そこでプロトンは別経路の２つの電子と再結合して還元され、水素分子を形成する。第一の電極および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で示すことができる。
【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。
【０００８】
[007]この方式で作動するＥＨＣは、多くの場合、水素ポンプと称される。第二の電極に蓄積した水素が閉じたスペースに閉じ込められると、電気化学セルは水素を圧縮するかまたは圧力を上昇させる。個々のセルが生産できる最大の圧力または流速は、セル設計に基づいて限定される可能性がある。
【０００９】
[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、複数のセルを連続的に連結して多段階ＥＨＣを形成することができる。多段階ＥＨＣにおいて、ガスフロー経路は、例えば、第一のセルの圧縮されたアウトプットガスが第二のセルにインプットガスになり得るように設計されていてもよい。その代わりに、ＥＨＣの処理能力（すなわち、総ガス流速）を増加させるために、一段階のセルを並列して連結してもよい。一段階および多段階ＥＨＣの両方において、セルはスタックされていてもよく、各セルがカソード、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」を構成しており、これは、典型的には、バイポーラプレートによって両方の側で支持される。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、電流コレクタ／コンダクターとしても作用し、燃料のための通路を提供する。バイポーラプレートは、典型的には、金属、例えばステンレス鋼、チタンなどで作製され、さらに非金属の電気導体、例えばグラファイトから作製される。
【００１０】
[009]電気化学的な水素の操作は、従来水素の管理に使用されていた機械システムの実用的な代替法として出現した。エネルギー担体としての水素商業化の成功および「水素経済」の長期にわたる持続可能性は、燃料電池、電解セル、および他の水素操作／管理システム（すなわち、ＥＨＣ）の効率および費用対効果に大きく依存する。ガス状水素は、便利で一般的なエネルギー貯蔵形態であり、このような貯蔵は通常、加圧格納（pressurized containment）によってなされる。有利には、高圧での水素貯蔵は、高エネルギー密度を生じる。
【００１１】
[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、相当なエネルギーの使用、可動部での磨滅、過剰なノイズ、かさばる機器および水素脆化などである。熱サイクルによる加圧は、機械的圧縮の代替法であるが、機械的圧縮と同様にエネルギーの使用が顕著である。対照的に、電気化学的圧縮は、静かで、拡張性があり、モジュール式であり、高いエネルギー効率を達成できる。
【００１２】
[011]電気化学的水素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。水素ガスは極めて引火しやすく、高圧水素ガスは安全性の問題を引き起こす。主要な懸念としては、電気化学的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、安全上の欠陥となる可能性がある。
【００１３】
[012]さらに、安全性の懸念のレベルをそれほど高めないかもしれない小さな漏出であっても、電気化学的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必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
[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が制限されるように構築された、段階的に並べ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、段階的に並べたシール配置は、セルから漏出した水素の収集および再利用を可能にし得る。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
[014]本発明の開示の一形態は、バイポーラプレート対、ならびにバイポーラプレート対間に配置され、アノード、カソード、およびそれらの間に配置したプロトン交換膜を含む膜電極接合体と；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配置され、高圧ゾーン内に第一の流体が含有されるように設計されている、第一のシールと；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配置され、中圧ゾーン内に第二の流体が含有されるように設計されている、第二のシールとを含み、ここで第一のシールは、第一のシールが外れた場合、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、電気化学セルを対象とする。
【００１６】
[015]別の実施態様において、本電気化学セルは、低圧ゾーンを規定する第三のシールであって、低圧ゾーン内に第三の流体が含有されるように設計されている、第三のシールをさらに含んでいてもよく、ここで第二のシールは、第二のシールが外れた場合、第二の流体を低圧ゾーンに漏出させるように設計されている。別の実施態様において、第一のシールは、第二のシール内に含有されていてもよいし、第二のシールは、第三のシール内に含有される。別の実施態様において、第一の流体は、第二の流体より高い圧力であってもよいし、第二の流体は、第三の流体より高い圧力である。別の実施態様において、第一のシール、第二のシール、および第三のシールは、概して長方形の横断面を有していてもよい。
【００１７】
[016]別の実施態様において、第三のシールの厚さは、第二のシールより大きくてもよいし、第二のシールの厚さは、第一のシールより大きい。別の実施態様において、第一のシール、第二のシール、および第三のシールは、概して円形の横断面を有していてもよい。別の実施態様において、第一の流体は、高圧水素であってもよく、第二の流体は、より低い圧力の水素であってもよく、第三の流体は、冷却剤流体であってもよい。別の実施態様において、第三の流体は、窒素であってもよく、低圧ゾーンは、電気化学セル内からの第一の流体および第二の流体の少なくとも１つの漏出が検出されるように設計されている、電気化学セルを取り囲む窒素ブランケットを包含する。別の実施態様において、第三の流体の圧力をモニターしてもよく、ここで該圧力の上昇が、少なくとも第二のシールが嵌め込まれていないことを示す。
【００１８】
[017]別の実施態様において、本電気化学セルは、第三のシールが外れる圧力に第三の流体が達する前に停止するように設計されていてもよい。別の実施態様において、バイポーラプレート対に適用される閉鎖力（closing force）がバイポーラプレート対内の開放力（opening force）より大きい場合、バイポーラプレート対内の第一のシール、第二のシール、および第三のシールが嵌め込まれたままになり、第一の流体、第二の流体、および第三の流体の漏出を防ぐように上記シールが設計されていてもよい。別の実施態様において、バイポーラプレート対に適用された閉鎖力がバイポーラプレート対内の開放力に近づくときに、第二のシールまたは第三のシールよりも先に第一のシールが外れ、第一のシールを過ぎて中圧ゾーンに第一の流体が漏出するように第一のシールが設計されていてもよく、それによりバイポーラプレート対の第一の分離が起こる。別の実施態様において、閉鎖力が開放力にさらに近づくときに、第二のシールが外れ、第二のシールを過ぎて低圧ゾーンに第二の流体が漏出するように第二のシールが設計されていてもよく、それによりバイポーラプレート対の第二の分離が起こる。
【００１９】
[018]別の実施態様において、中圧ゾーンに漏出する第一の流体が第二の流体と合わされ、再利用されてもよい。別の実施態様において、低圧ゾーンに漏出する第二の流体および第二の流体が第三の流体と合わされ、電気化学セルから流出し、再生されてもよい。別の実施態様において、本電気化学セルは、バイポーラプレート対に適用された閉鎖力を受けるように設計されていてもよく、ここで閉鎖力は、電気化学セルの作動中、低圧ゾーン、中圧ゾーン、および高圧ゾーンの圧力に基づいて調整可能である。別の実施態様において、本電気化学セルは、第一のシールの外側および第二のシールの内側に配置される補助的なシールの対をさらに含んでいてもよく、ここで補助的なシールの対は、高圧ゾーンとの流体連通における２つの補助的な高圧ゾーンを規定する。別の実施態様において、バイポーラプレートの少なくとも１つが複数の構成部分を包含していてもよく、複数の構成部分間で、段階的に並べたシール配置が利用されている。
【００２０】
[019]本発明の開示の他の形態は、バイポーラプレート対およびバイポーラプレート対間に配置された膜電極接合体と；バイポーラプレート間に配置された、第一の流体を含有する高圧ゾーンと；バイポーラプレート間に配置された、第二の流体を含有する中圧ゾーンと；第三の流体を含有する低圧ゾーンとを含む電気化学セルであって、該電気化学セルは、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産された開放力の少なくとも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を遷移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。
【００２１】
[020]別の実施態様において、第一の配置は、高圧ゾーン、中圧ゾーン、および低圧ゾーンの間の流体の漏出を実質的にもたらさないことができ；第二の配置は、高圧ゾーンから中圧ゾーンへの第一の流体の一部の漏出をもたらしてもよく；および第三の配置は、高圧ゾーンから中圧ゾーンへの第一の流体の一部の漏出と、中圧ゾーンから低圧ゾーンへの第二の流体の一部の漏出とをもたらしてもよい。別の実施態様において、本電気化学セルは、電気化学セルの低圧ゾーンとの流体連通における水素再生装置をさらに含んでいてもよく、ここで水素再生装置は、低圧ゾーンに漏出した第二の流体の一部を再生し、電気化学セルの中圧ゾーンに再生された第二の流体を再導入するように設計されている。
【００２２】
[021]別の実施態様において、低圧ゾーン中の第三の流体の圧力をモニターしてもよく、第三の流体の圧力の上昇が水素再生装置を始動させる。別の実施態様において、高圧ゾーンは、中圧ゾーン内に含有されていてもよいし、中圧ゾーンは、低圧ゾーン内に含有されていてもよい。別の実施態様において、本電気化学セルは、高圧ゾーン内に第一の流体が含有されるように設計された第一のシール、中圧ゾーン内に第二の流体が含有されるように設計された第二のシール、および低圧ゾーン内に第三の流体が含有されるように設計された第三のシールをさらに含んでいてもよい。別の実施態様において、第二の配置は、バイポーラプレート間に第一の分離を包含していてもよく、第三の配置は、バイポーラプレート間の第一の分離より大きい第二の分離を包含する。
【００２３】
[022]本発明の開示の他の形態は、段階的に並べたシール配置を有する電気化学セルの閉鎖力を調節する方法であって、該方法は、段階的に並べたシール配置中に複数のシールを有する電気化学セルを提供することと；該電気化学セルに、期待される作動圧力に基づき最初の閉鎖力を適用することと；該電気化学セルを作動させることと；該電気化学セルの圧力をモニターすることと；モニターされた圧力に基づき、該電気化学セルに適用された閉鎖力を調整することとを含み、ここで閉鎖力を調整することが、複数のシールのうち少なくとも１つが外れる圧力を変化させる、上記方法を対象とする。
【００２４】
[023]本発明の開示の他の形態は、少なくとも２つの構成部分と、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、該構成部分間に配置され、高圧ゾーン内に第一の流体が含有されるように設計されている、第一のシールと、中圧ボリュームおよび中圧ポートを含む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、該構成部分間に配置され、中圧ゾーン内に第二の流体が含有されるように設計されている、第二のシールとを含む電気化学セルのためのバイポーラプレートであって、ここで第一のシールは、第一のシールが機能しないときに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おり、第一の流体は、中圧ボリューム中に収集され、中圧ポートから吐出されてもよい、上記バイポーラプレートを対象とする。
【００２５】
[024]本発明の開示の他の形態は、バイポーラプレート対およびバイポーラプレート対間に配置された膜電極接合体と、バイポーラプレート対間の段階的に並べた第一のシール配置とを含む電気化学セルであって、各バイポーラプレートは、少なくとも２つの構成部分と、少なくとも２つの構成部分間の、段階的に並べた第二のシール配置とを含む、上記電気化学セルを対象とする。
【００２６】
[025]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、開示を特許請求したものに限定しないことが理解されるものとする。
【００２７】
[026]添付の図面は、本明細書に取り入れられその一部を構成しており、本発明の開示の実施態様を例示し、その説明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】
【００２８】
【図１】図１は、電気化学セルの様々な構成部分を示す、電気化学セルの一部の側面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、典型的な実施態様に係るセルの様々なシールおよび圧力ゾーンを示す、電気化学セルの一部の正面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、典型的な実施態様に係るセルの様々なシールおよび圧力ゾーンを示す、電気化学セルの一部の正面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、典型的な実施態様に係る電気化学セルの一部の横断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、典型的な実施態様に係る様々な力を示す、電気化学セルの一部の横断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、典型的な実施態様に係る第一の配置を示す、電気化学セルの一部の横断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、典型的な実施態様に係る第二の配置を示す、電気化学セルの一部の横断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、典型的な実施態様に係る第三の配置を示す、電気化学セルの一部の横断面図である。
【図５】図５は、典型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】図６は、典型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】図７は、別の実施態様に係るセルの様々なシールおよび圧力ゾーンを示す、電気化学セルの一部の正面図である。
【図８】図８は、典型的な実施態様に係るツーピース式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】
【００２９】
[039]以下、本発明の開示の典型的な実施態様について詳細に述べ、その例を添付の図面で例示する。可能な限り、同じまたは類似の構成部分を指す場合は図面全体にわたり同じ参照番号を使用する。水素を採用する電気化学セルに関して説明するが、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、水素精製装置、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できることが理解される。
【００３０】
[040]図１は、典型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との間に配置したプロトン交換膜（ＰＥＭ）１３０を含んでいてもよい。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を含んでいてもよい。ＰＥＭ１３０は、純粋な高分子膜または複合膜を含んでいてもよく、ここで高分子マトリックス中に、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などの他の材料が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、燃料の反応を高めることができる。
【００３１】
[041]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、コンダクターとして作用でき、燃料用のそれぞれの電極表面への通路を提供し、さらに圧縮された燃料を除去するための通路を提供する。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）用のアクセスチャネルを包含する場合もある。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、グラファイトまたは他のあらゆる導電性材料から作製できる。バイポーラプレート１５０、１６０は、電気化学的スタック中の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（示さず）。例えば、複数の電気化学セル１００を連続的に連結させて、多段階電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）を形成してもよいし、または並列してスタックして、一段階ＥＨＣを形成してもよい。
【００３２】
[042]作動中、典型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に供給されてもよい。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での電位は、カソード１２０での電位より大きい。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させてもよい。プロトンは、ＰＥＭ１３０を介して電気化学的に輸送または「ポンプ注送」され、一方で電子は、ＰＥＭ１３０を迂回して別経路をとる。ＰＥＭ１３０の逆側のカソード１２０では、輸送されたプロトンと別経路からの電子とが還元されて、水素を形成する。カソード１２０で水素の形成が増大するにつれて、閉じられたスペース内で水素を圧縮し加圧することができる。
【００３３】
[043]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、その全体が第二のシール１８１内に含有されていてもよく、第二のシール１８１は、その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、複数のシールはさらに、補助的な第一のシール１７５、１７６を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内に配置されていてもよい。
【００３４】
[044]第一のシール１７１は、高圧ゾーン１７０を規定して、高圧ゾーン１７０内に第一の流体１７２（例えば、水素）が含有されるように設計されていてもよい。第一のシール１７１は、高圧ゾーン１７０の外部境界を定めていてもよい。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に収集されて、第一のシール１７１に含有されてもよい。高圧ゾーン１７０で水素の形成が増大するにつれて、高圧ゾーン１７０内の水素を圧縮することができ、その結果として圧力が増加する。高圧ゾーン１７０中の水素は、１５，０００ｐｓｉより高い圧力に圧縮されてもよい。
【００３５】
[045]補助的な第一のシール１７５、１７６は、高圧ゾーン１７０と流体連通し得る２つの補助的な高圧ゾーン１７７、１７８を規定できる。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が吐出されるように設計された共通通路であってもよい。補助的な高圧ゾーン１７７、１７８は、マルチセル電気化学的圧縮機において隣接する電気化学セルの共通通路と流体連通していてもよい。
【００３６】
[046]第二のシール１８１は、中圧ゾーン１８０を規定でき、中圧ゾーン１８０内に第二の流体１８２が含有されるように設計されていてもよい。第二のシール１８１は、中圧ゾーン１８０の外部境界を定めていてもよい。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に供給される第二の流体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「ポンプ注送」されるまで、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様々であってもよい。それにも関わらず、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より低い圧力であってもよい。
【００３７】
[047]第三のシール１９１は、低圧ゾーン１９０を規定でき、低圧ゾーン１９０内に第三の流体１９２が含有されるように設計されていてもよい。第三のシール１９１は、低圧ゾーン１９０の外部境界を定めていてもよい。低圧ゾーン１９０は、冷却剤流体用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。高温では、システム油が、冷却剤流体として使用できる。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（示さず）を包含していてもよい。
【００３８】
[048]代替の実施態様において図２Ｂで示されるように、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。
【００３９】
[049]図３Ａは、図２ＡのＡ面に沿った電気化学セル１００の横断面図を示す。図２Ａで説明されているように、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の間には、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で示したような単一の連続的なシールの２つの別個の横断面図として示すことができる。
【００４０】
[050]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に当て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内で圧力が上昇したときに第一のシール１７１の位置が維持されるように設計されていてもよい。高圧ゾーン１７０内の圧力は、第一のシール１７１に対して外に向かう力をかけることができる。第一のショルダー１７３の高さは、圧縮されていない第一のシール１７１の厚さの約９８％〜約２５％の範囲であってもよい。
【００４１】
[051]図３Ａで示される特定の実施態様では、第一のシール１７１の内部に配置されたショルダーがない。図３Ａで示されるように内部ショルダーがないために、第一のシール１７１を、ＭＥＡ１４０またはそれらの一部と組み合わせたり、それらに合体させたり、それらと連結させたり、またはそれらに統合させたりすることができる。第一のシール１７１をＭＥＡ１４０に統合させたことにより、一貫した、効率的で合理的な電気化学セル１００の接合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、追加のショルダーが、第一のシール１７１の内部に配置されていてもよく、このようなショルダーは、第一のシール１７１を配置できる溝が設けられるように設計されていてもよい。
【００４２】
[052]再度図３Ａを参照すれば、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があってもよいし、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、圧縮されていない第二のシール１８１の厚さの約９８％〜約２５％の範囲であってもよい。
【００４３】
[053]図３Ａで示されるように、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周囲の環境があってもよい。第三の溝１９３の深さは、圧縮されていない第三のシール１９１の厚さの約９８％〜約２５％の範囲であってもよい。
【００４４】
[054]接合中、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は、それらそれぞれのショルダー１７３の適切な高さまたはそれらそれぞれの溝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で圧縮されてもよい。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で示されるように、バイポーラプレート１５０のための止めとして作用する可能性がある。止めとして作用することによって、シールを過剰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さは、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できるように等しくてもよい。
【００４５】
[055]代替の実施態様において（示さず）、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もよく、第三の溝１９３が他方のプレートに形成される。さらにその他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もよい。
【００４６】
[056]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の形状に対応する横断面形状を有していてもよい。例えば、シールおよび溝の横断面形状は、四角形、長方形、三角形、多角形、丸形、または卵形であってもよい。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。溝中に余分なスペースがあることによって、温度変化、内部ガスによる圧力変化、およびバイポーラプレートの圧縮内部ガス圧力変化によって引き起こされるシールの拡張および収縮が可能になる。図３Ａで示されるように、典型的には、シールは外側に対して内側からより高い圧力を受けることから、シールを溝内の最も外側の位置に向かって押しやることができる。
【００４７】
[057]他の実施態様において、溝（例えば、第二の溝１８３および第三の溝１９３）の深さを、ゼロ近くまで低減させるかまたはなくしてもよく、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、カスケードの配置が維持されるように設計された拡大パターンに取り入れることができる平坦なガスケット材で形成されてもよい。例えば、第一のシール１７１を過ぎて漏出した第一の流体は、中圧ゾーン１８０に収集されてもよい。
【００４８】
[058]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構成部分であってもよい。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−モノマー）、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、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）などから作製されていてもよい。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、シールのうち２つについてのみ同じであってもよいし、または材料は、全てのシールについて同じであってもよい。
【００４９】
[059]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が最も小さい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〜約１．０ｍｍの範囲であってもよく、第二のシール１８１の厚さは、約０．０２ｍｍ〜約２．０ｍｍの範囲であってもよく、第三のシール１９１の厚さは、約０．０３ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であってもよい。
【００５０】
[060]第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１の横断面形状が丸形または卵形であり得る実施態様の場合、上述したような厚さは、丸形または卵形の横断面の直径を指す場合がある。
【００５１】
[061]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間の各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、開放力２００を生産できる。対抗するもののない開放力２００は、バイポーラプレート１５０、１６０の分離を引き起こす可能性がある。開放力２００がバイポーラプレート１５０、１６０を分離させるのを防ぐために、プレートに閉鎖力２１０を適用し、開放力２００に対抗させ、それに打ち勝つようにしてもよい。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、開放力２００を表す複数の矢印で表された力より多くの力を生産すると予想されることが理解される。例えば、開放力２００に垂直な横方向の力（示さず）、同様にあらゆる可能な方向で各圧力ゾーンから外に向かう他の力が生じると予想される。
【００５２】
[062]図４Ａは、第一の配置における電気化学セル１００の横断面を示す。閉鎖力２１０が、開放力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である場合、電気化学セル１００は第一の配置を維持できる。第一の配置では、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１がいずれもバイポーラプレート１５０、１６０のシーリング表面の上部および下部の両方と接触することができ、それと同時に第一の流体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。この特定の状況では、全てのシールが、それらの機能を果たしている。
【００５３】
[063]電気化学セル１００が第一の配置である場合、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際の測定値は様々であってもよい。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。
【００５４】
[064]図４Ｂは、第二の配置における電気化学セル１００の横断面を示す。閉鎖力２１０が低下するかまたは開放力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の分離を引き起こす場合、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の第一の分離は、第一のシール１７１が外れるようにして、高圧ゾーン１７０から中圧ゾーン１８０への第一の流体１７２の迂回を可能にする。図４Ｂで示される特定の実施態様において、第一のシール１７１は、最初はバイポーラプレート１６０から外れているため、第一のシール１７１の下とその周りに第一の流体１７２のフローを流動させる得ることが示される。しかしながら、代替の実施態様において（示さず）、第一のシール１７１は、最初はバイポーラプレート１５０から外れているため、第一の流体１７２を、第一のシール１７１とＭＥＡ１４０との間を通過させて第一のシール１７１の上に流動させる得ることが理解される。
【００５５】
[065]高圧ゾーン１７０から中圧ゾーン１８０への第一の流体１７２のフローは、第一の流体１７２と第二の流体１８２との圧力差によって引き起こされる場合もあり、抵抗が最小の経路に沿って流れる可能性がある。第一のシール１７１は、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が外れるように設計されていてもよい。これは、第三のシール１９１および第二のシール１８１が両方のシーリング表面と接触することを維持させて、第二の配置に存在するバイポーラプレート１５０、１６０の第一の分離に関わりなく流体がどちらのシールも迂回しないようにすることを可能にする。
【００５６】
[066]電気化学セル１００が第二の配置である場合、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際の測定値は様々であってもよい。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。
【００５７】
[067]図４Ｃは、第三の配置における電気化学セル１００の横断面を示す。閉鎖力２１０がさらに低下するかまたは開放力２００がさらに増加して、バイポーラプレート１５０、１６０が第二の分離を受ける原因となる場合、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の第二の分離は、第一のシール１７１および第二のシール１８１の両方が外れるようにして、高圧ゾーン１７０から低圧ゾーン１９０への第一の流体１７２の迂回、および中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０への第二の流体１８２の迂回を可能にする。図４Ｃで示される特定の実施態様において、第二のシール１８１は、最初はバイポーラプレート１５０から外れているため、第二のシール１８１の上に第二の流体１８２を流動させる得ることが示される。しかしながら、代替の実施態様において（示さず）、第二のシール１８１は、最初にバイポーラプレート１６０から外れているため、第二のシール１８１の下とその周りに第二の流体１８２を流動させ得ることが示されることが理解される。
【００５８】
[068]中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０への第二の流体１８２のフローは、第二の流体１８２と第三の流体１９２との圧力差によって引き起こされる場合もある。第二のシール１８１は、第一のシール１７１よりも厚いが第三のシール１９１ほど厚くないようにすることによって、第二のシールが外れるように設計されていてもよい。したがって、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の両方より厚い可能性があるために、第三のシール１９１が両方のシーリング表面と接触することを維持させて、バイポーラプレート１５０、１６０の第二の分離に関わりなくフローが迂回しないようにできる。
【００５９】
[069]電気化学セル１００が第三の配置である場合、上述したように、第二の分離の実際の測定値は、様々であってもよい。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。
【００６０】
[070]電気化学セル１００は、作動中における閉鎖力２１０および開放力２００の規模の変化に基づき、第一の配置から第二の配置へ、さらに第二の配置から第三の配置へ遷移するように設計されていてもよい。加えて、電気化学セル１００はまた、閉鎖力２１０および開放力２００の規模の変化に基づき、第三の配置から第二の配置へ、さらに第二の配置から第一の配置へも遷移することができる。第一の配置、第二の配置および第三の配置間の遷移は、閉鎖力２１０および開放力２００の規模の変化に応答して作動中に連続的に起こすことができると考えられる。
【００６１】
[071]他の実施態様において、シールの不嵌合が分散された状態にするために、シールの厚さの代わりにシールの弾性係数が異なり得ることが考えられる。さらに別の実施態様において、厚さと弾性係数の両方が多様であってもよい。
【００６２】
[072]上述したようなシールの配置は、段階的に並べたシール配置として分類できる。段階的に並べたシール配置は、数種の利点を提供できる。例えば、段階的に並べたシール配置は、シーリング保護の３つのレベルの形態でシールの重複性を提供することによって、高圧水素が電気化学セル１００から逃げる可能性を抑えることができる。水素が漏出する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可能性がある。
【００６３】
[073]加えて、段階的に並べたシール配置は、圧力の自己調節も可能にする。圧力の自己調節は、シール厚さの不等とその結果の第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１の不嵌合が分散された状態のために、達成が可能である。例えば、電気化学セル１００が、図４Ｂで示されるように第二の配置である場合、第一のシール１７１が外れ、第一の流体１７２を中圧ゾーン１８０に漏出させることができる。第一の流体１７２を中圧ゾーン１８０に漏出させることにより、圧力を高圧ゾーン１７０から流出させることができる。高圧ゾーン１７０から圧力を流出させることによって、開放力２００を低下させることができる。開放力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、第二の配置から第一の配置への電気化学セル１００の遷移を引き起こし、第一のシール１７１を再度嵌め込むことを可能にする。
【００６４】
[074]第一のシール１７１から漏出する第一の流体１７２は、第二の流体１８２と合わされて、電気化学セル１００によって利用することができ、実際的には漏出した第一の流体１７２を再利用することができる。この漏出と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「ポンプ注送」されるため圧縮効率の損失となる可能性がある。しかしながら、圧縮効率で起こり得る損失はそれでも、漏出した水素が回収されず、それどころか電気化学セル１００の外部に漏出して失われた場合に生じるであろう全体的な効率損失よりも少ない。
【００６５】
[075]高圧ゾーン１７０からの圧力流出が、第二の配置から第一の配置への遷移を引き起こすほど十分ではない事象において、第二の分離が起こり、電気化学セルを第二の配置から第三の配置に遷移させる可能性がある。図４Ｃで示されるような第三の配置において、バイポーラプレート１５０、１６０の第二の分離は、第二のシール１８１が外れるようにして、第二の流体１８２を低圧ゾーン１９０に漏出させる可能性がある。低圧ゾーン１９０への第二の流体１８２の漏出は、中圧ゾーン１８０から圧力を流出させることができる。中圧ゾーン１８０から圧力を流出させることにより、開放力２００をさらに低下させることができる。開放力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、第三の配置から第二の配置への電気化学セル１００の遷移を引き起こし、少なくとも第二のシール１８１を再度嵌め込むことを可能にする。
【００６６】
[076]中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０に第二の流体１８２を流出させることの結果は、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から逃げる可能性を減らすという利益を得ることができる。
【００６７】
[077]様々な実施態様において、低圧ゾーン１９０における第三の流体１９２の圧力をモニターしてもよい。第二のシール１８１の不嵌合は、低圧ゾーン１９０に第二の流体１８２の圧力を流出させることによって引き起こされる低圧ゾーン１９０における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の圧力をモニターすることによって、第二のシール１８１の不嵌合および第二の流体１８２の漏出を検出してもよい。加えて、電気化学セル１００は、低圧ゾーン１９０における圧力が臨界圧力に達する前に停止するように設計されていてもよい。臨界圧力は、第三のシール１９１が外れると予想される圧力直下の圧力であってもよく、それにより、第一の流体１７２、第二の流体１８２、および第三の流体１９２を電気化学セル１００から逃がすことができる。別の実施態様において、第三の流体１９２の組成をモニターして、外部の流体（例えば、第一の流体１７２または第二の流体１８２）の存在を検出することができる。検出センサー（例えば、水素センサー）を使用して、低圧ゾーン１９０中の外部の流体の存在を検出することができる。
【００６８】
[078]圧力のモニターは、様々な手段で達成できる。例えば、圧力トランスミッターは、低圧ゾーン１９０における圧力を読み取るように設計されていてもよく、圧力が臨界圧力の設定値に達したら、アノード１１０およびカソード１２０への電位を遮断して、ＰＥＭ１３０を通過してそれ以上水素が「ポンプ注送」されないようにすることができる。
【００６９】
[079]他の実施態様において、中圧ゾーン１８０中の第二の流体１８２および高圧ゾーン１９０中の第一の流体１９２の圧力をさらにモニターしてもよい。例えば、第二の流体１８２の圧力をモニターすることにより、第二のシール１８１を嵌め込むことができないポイントに圧力が達する前にセルを停止させることができる。
【００７０】
[080]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に流出する場合、それらを第三の流体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。
【００７１】
[081]図５は、典型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、上述したような段階的に並べた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。ＥＨＲＳ５００は、電気化学セル１００に加えて、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と流体連通していてもよい。装置５１０は、低圧ゾーン１９０から吐出される第三の流体１９２を受けることができ、さらに、第三の流体１９２に含有されるあらゆる第二の流体１８２の少なくとも一部が回収され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、第三の流体は、低圧ゾーン１９０に再供給されてもよい。水素再生装置５１０によって第三の流体１９２から回収された全ての第二の流体１８２は、水素再生装置５１０と中圧ゾーン１８０とが流動的に連結され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に再導入されてもよい。第二の流体１８２の再利用は、全体的なシステム効率を向上させることができる。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の再利用は、必要な新しい水素の量を低減させる。
【００７２】
[082]水素再生装置５１０は、第二の流体１８２を第三の流体１９２から分離する様々な技術を使用できる。例えば、液体冷却剤からの溶解ガスの分離、または窒素ブランケットからの水素分離膜などである。
【００７３】
[083]様々な実施態様において、ＥＨＲＳ５００は、低圧ゾーン１９０における第三の流体１９２の圧力をモニターするように設計されていてもよい。低圧ゾーン１９０における第三の流体１９２の圧力をモニターすることによって、水素再生装置５１０は、圧力増加が検出されたときにだけ、始動させるかまたはエネルギーを与えられるように設計されていてもよく、ここで圧力増加は、第二のシール１８２が嵌め込まれておらず、第二の流体が低圧ゾーン１９０に漏出していることを示し得る。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高めることができる。
【００７４】
[084]他の実施態様において、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に流出して、第三の流体１９２（例えば、冷却剤流体）と合わされる場合、それらを、第三の流体１９２と共に循環させて、第三の流体１９２から回収したりまたは再生したりするのではなく、第三の流体１９２が吐出されるまで循環させ続けてもよい。
【００７５】
[085]電気化学セル１００は、約１５，０００ｐｓｉよりも高い差圧で作動させてもよい。例えば、差圧は、約−１０ｐｓｉから約０ｐｓｉまで、または約０ｐｓｉから約２５ｐｓｉまで、約１００ｐｓｉまで、約５００ｐｓｉまで、約１，０００ｐｓｉまで、または約６，０００ｐｓｉまでの範囲であってもよい第二の流体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１５，０００ｐｓｉよりも高い圧力の範囲であってもよい第一の流体１７２の圧力（すなわち、圧縮された水素圧力）との差として測定できる。上述したような差圧は、第一のシール１７１を経た差圧であってもよい。第二のシール１８１は、第二の流体１８２と約０ｐｓｉから約２５ｐｓｉまで、約１００ｐｓｉまで、約５００ｐｓｉまで、約１，０００ｐｓｉまで、または約６，０００ｐｓｉまでの範囲の第三の流体１９２との差圧を経ることができる。
【００７６】
[086]上記で説明した段階的に並べたシール配置は、閉鎖力２１０を特定の開放力２００に合わせて調節すること（すなわち、増加または減少させること）を可能にし得る。従来、閉鎖力２１０は、内圧によって生じる期待される開放力２００に耐えるのに十分な、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１に予荷重が送達されるように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を調整したりすることによって、第一のシール１７１、第二のシール１８１、および第三のシール１９１が外れる圧力を調節することができ、それにより好ましい特定の圧力で上記シールそれぞれが外れ、漏出が起こる。
【００７７】
[087]電気化学セル１００の調節能力は、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、シールの不嵌合は、高圧を流出させシールを再度嵌め込むことを可能にする。それゆえに、閉鎖力２１０を調節することによって、失敗すれば水素を放出させる結果になる可能性がある別の構成部分の代わりにシールが圧力増加に反応する第一の構成部分になるように、電気化学セルを設計することが可能になる。
【００７８】
[088]図６は、電気化学セル１００のシールを調節する方法に関するフローチャート６００を示す。本方法は、上述したように、段階的に並べたシール配置中に複数のシールを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、本電気化学セルに、期待される作動圧力に基づき最初の閉鎖力を適用することを包含していてもよい。最初の閉鎖力を適用した後、セルにエネルギーを与えてもよく、作動を開始させてもよい。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断続的にモニターしてもよい。モニターされた圧力とその結果の開放力に基づき、閉鎖力を調整してもよい。閉鎖力を調整することにより、複数のシールのうち少なくとも１つが外れる圧力を変化させることができる。このプロセスは、電気化学セル作動の間中継続させてもよいし、または最初のうちは始動時から限定的な期間のみ続くように設計されていてもよい。必要に応じて、電気化学セルの作動を終わらせてもよい。
【００７９】
[089]より多くまたはより少ないシールおよび圧力ゾーンが考えられる。例えば、図７で示され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を含んでいてもよい。したがって、図７で示され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を含んでいてもよい。第一のシール１７１は、バイポーラプレート１５０、１６０間に配置され、高圧ゾーン１７０内に第一の流体１７２が含有され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の間に配置され、中圧ゾーン１８０内に第二の流体１８２が含有されるように設計されていてもよい。第一のシール１７１は、その全体が第二のシール１８１内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。
【００８０】
[090]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より高い圧力であってもよい。第一のシール１７１および第二のシール１８１は、概して長方形の横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は、第一のシール１７１が外れているときに、第一の流体１７２が中圧ゾーン１８０に漏出するように設計されていてもよい。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が嵌め込まれなくなる前に停止して、第二の流体１８２が中圧ゾーン１８０から漏出する可能性が低減されるように設計されていてもよい。
【００８１】
[091]バイポーラプレート１５０、１６０に適用される閉鎖力がバイポーラプレート１５０、１６０内の開放力より大きい場合、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が嵌め込まれたままにして、第一の流体１７２および第二の流体１８２の漏出を防ぐように上記シールが設計されていてもよい。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内の開放力に近づくとき、第二のシール１８１が外れる前に、第一のシール１７１が外れ、第一の流体１７２が第一のシール１７１を過ぎて中圧ゾーン１８０に漏出するように設計されていてもよい。第一のシール１７１を過ぎて漏出する第一の流体１７２が第二の流体１８２と合わされ、再利用されてもよい。
【００８２】
[092]他の実施態様において、上記の説明に類似した段階的に並べたシール配置は、ツーピース式バイポーラプレートと共に利用してもよい。例えば、いくつかの実施態様によれば、バイポーラプレート１５０および１６０が２つのピースから形成されていてもよい。ツーピース式バイポーラプレートは、様々な理由で有利な可能性がある。例えば、製造コストの低減、製造におけるフレキシビリティー、材料コストの低減、有用性の増加、および材料選択能力の向上（例えば、電気伝導性および耐食性）などである。他の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０は、複数のピースから確認できる。
【００８３】
[093]バイポーラプレートの２つのピース間における段階的に並べたシール配置は、以下でさらに説明されるように、それら２つのピース間で漏出した流体（例えば、水素）が捕獲、回収、または再生されるように設計されていてもよい。それとは別に、電気化学セルまたはスタックから漏出した流体は、潜在的な安全性の問題をもたらす可能性がある。加えて、流体を排出できない場合、バイポーラプレートの２つのピース間で流体の体積が増大する可能性がある。捕獲された高圧の流体は、バイポーラプレートに損傷を与える可能性があり、もしかするとさらなる漏出を引き起こす可能性もある。
【００８４】
[094]図８は、段階的に並べたシール配置用に設計された第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２を含むツーピース式バイポーラプレート８００を含む、バイポーラプレート１５０および１６０の一実施態様を示す。第一の構成部分８０１は、フロー構造８０５と流体連通する空隙８０３を形成できる。
【００８５】
[095]電気化学セル１００は、図１で示されるように、電気化学セル１００内のＭＥＡ１４０の両側に導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）（示さず）をさらに含んでいてもよい。ＧＤＬは、セル内のガスおよび液体の輸送を可能にする拡散媒体として機能し、バイポーラプレート１５０および１６０およびＰＥＭ１３０間の電気伝導を提供し、セルからの熱およびプロセス水の除去に役立ち、場合によってはＰＥＭ１４０への機械的な支持体を提供することが可能である。加えて、バイポーラプレート１５０および１６０中のチャネル（示さず）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にガスが供給されるように設計されていてもよい。ＰＥＭ１３０の両側における反応物ガスは、流れ場を介して流動し、多孔質ＧＤＬを介して拡散することができる。流れ場とＧＤＬとが隣接して配置され、内部流体ストリームで連結されていてもよい。したがって、流れ場およびＧＤＬは、集合的にフロー構造８０５を形成していてもよい。
【００８６】
[096]第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、概して平坦であり、概して長方形の外形を有していてもよい。他の実施態様において、構成部分８０１および８０２は、四角形、「レーストラック形」（すなわち、半楕円形の側面を有する実質的に長方形の形状）、丸形、卵形、楕円形、または他の形状のような外形を有していてもよい。第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２の形状は、電気化学セル１００の他の構成部分（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。
【００８７】
[097]第一の構成部分８０１および第二の構成部分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。第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、同じ材料または異なる材料で形成されてもよい。構成部分８０１および８０２は、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄など金属、または例えばニッケル・クロム合金、ニッケル・スズ合金などの金属合金、またはそれらの組み合わせで形成されてもよい。
【００８８】
[098]第一の構成部分８０１および第二の構成部分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。クラッド法は、両方の金属の利点を提供でき、例えば、ステンレス鋼−クラッドアルミニウムから加工されたバイポーラプレートの場合では、セル作動中にステンレス鋼がアルミニウムのコアを腐食から保護し、同時に例えば高い比強度、高い熱伝導性および電気伝導性などのアルミニウムの優れた材料特性が提供される。他の実施態様において、第一の構成部分８０１は、陽極酸化され、シールされ、プライマー処理したアルミニウム（primed aluminum）を含んでいてもよい。
【００８９】
[099]いくつかの実施態様において、第一の構成部分８０１は、例えば炭素繊維、グラファイト、ガラス強化ポリマー、熱可塑性複合材料などの複合材料で形成されてもよい。いくつかの実施態様において、第一の構成部分８０１は、腐食と電気伝導の両方を防ぐようにコーティングされた金属で形成されてもよい。
【００９０】
[0100]様々な実施態様によれば、第一の構成部分８０１は、概して非導電性であってもよく、それにより電気化学セル間の短絡が起こる可能性が低減される。第二の構成部分８０２は、セル作動中に電気伝導性、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もよい。例えば、第二の構成部分８０２は、活性なセルの構成部分が存在する領域（例えば、フロー構造、ＭＥＡなど）において導電性になるように設計されていてもよい。
【００９１】
[0101]第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、共面でカップリングされるように設計されていてもよい。第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２を解放可能にカップリングしてもよいし、または固定してカップリングしてもよい。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、または焼結などの１つまたはそれより多くの取り付けメカニズムを使用してもよい。いくつかの実施態様において、結合材としては、接着剤が挙げられる。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（熱溶着式の熱可塑性シートなど）、ウレタン、嫌気性、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、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、摩擦嵌合によりカップリングされていてもよい。例えば、構成部分間の１つまたはそれより多くのシールは、予期せぬスライドを防ぐために圧縮した場合、構成部分間に十分な摩擦力を発生させる可能性がある。
【００９２】
[0102]他の実施態様において、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２を、ファスナー、例えば、スクリュー、ボルト、ディップ、または他の類似のメカニズムを使用して解放可能にカップリングしてもよい。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を、バイポーラプレート８００を通過させるかまたはその外側に通して、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が圧縮されるときに第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２を一緒に圧縮するのに使用することができる。
【００９３】
[0103]カップリングされた第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、複数の異なる圧力ゾーンを形成でき、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できる。図８は、複数の異なるシールおよび圧力ゾーンを示す。図８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、その全体が第二のシール８８１内に含有されていてもよく、第二のシール８８１は、その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８で示されるように、概してバイポーラプレート８００の形状に対応していてもよい。
【００９４】
[0104]第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１は、ガスケット、Ｏ−リング、または他のシーリング構成部分であってもよい。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−モノマー）、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、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）、ＨＯＰＥ（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）などから作製されていてもよい。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、シールのうち２つについてのみ同じであってもよいし、または材料は、全てのシールについて同じであってもよい。
【００９５】
[0105]いくつか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は、ナイフエッジタイプのシールまたは接着接合したシールであってもよい。例えば、第二の構成部分８０２は、第一のシール８７１を塑性変形させるように設計された第一のシール８７１の位置に突起部または突起状の「歯」を包含していてもよい。さらに別の例において、接着接合したシールは、空隙やギャップを入れずに連続的に接着剤を塗布することにより形成されてもよい。他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、カスケードの配置が維持されるように設計された拡大パターンに取り入れることができる平坦なガスケット材で形成されてもよい。別の実施態様において、第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２との間に薄いプラスチックシートを設置して、電気化学セルまたはスタックの圧縮荷重下でガスケットのシールを形成してもよい。
【００９６】
[0106]第一のシール８７１は、高圧ゾーン８７０の一部を規定でき、高圧ゾーン８７０内に第一の流体８７２（例えば、水素）が含有されるように設計されていてもよい。第一のシール８７１は、少なくとも構成部分８０１と８０２との間の高圧ゾーン８７０の外部境界を定めていてもよい。高圧ゾーン８７０は、フロー構造８０５を包含していてもよく、フロー構造８０５は、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２がカップリングされたときに空隙８０３を通って伸長する。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全体に流動できる。
【００９７】
[0107]カソード１３０で形成された水素は、高圧ゾーン８７０に収集されてもよく、第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２との連結部は、第一のシール８７１でシールされていてもよい。高圧ゾーン８７０内の水素は圧縮されてもよく、その結果として、高圧ゾーン８７０中で水素の形成が増大するにつれて圧力が増加する。高圧ゾーン８７０中の水素は、１５，０００ｐｓｉより大きい圧力に圧縮されてもよい。高圧ゾーン８７０内の圧力は、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２に分離させる力をかけることができる。
【００９８】
[0108]図８で示されるように、第一のシール８７１は、共通通路８０４の外部を周って伸長するように設計されていてもよい。共通通路８０４は、高圧ゾーン８７０から第一の流体８７２が供給または吐出されるように設計されていてもよい。共通通路８０４は、マルチセル電気化学的圧縮機において隣接する電気化学セルの共通通路と流体連通していてもよい。
【００９９】
[0109]第二のシール８８１は、中圧ゾーン８８０の外周を規定できる。中圧ゾーン８８０は、第一のシール８７１、第二のシール８８１、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２によって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が含有されるように設計されていてもよい。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。
【０１００】
[0110]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に向かうように設計されていてもよい。図８で示されるように、中圧ボリューム８８３は、第一のシール８７１で分離された高圧ゾーン８７０外周を周って伸長していてもよい。中圧ボリューム８８３の横断面積および体積は、第一の構成部分８０１、第二の構成部分８０２、第一のシール８７１および第二のシール８８１の形状に基づき様々であってもよい。
【０１０１】
[0111]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、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に分離されていてもよい。複数の中圧ボリューム８８３は、複数のシールで分離されていてもよい。図８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に分離されていてもよい。例えば、図８で示されるように、第一のシール８７１は、中圧ボリューム８８３を超えて第二のシール８８１に伸長していてもよい。共通通路８０４を周って伸長する第一のシール８８１の一部は、中圧ボリューム８８３を２つの中圧ボリューム８８３に分離する第二のシール８８２と連結していてもよい。
【０１０２】
[0112]図８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はそれぞれ、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内に含有される第二の流体８８２が吐出されるように設計されていてもよい。中圧ポート８８４の形状は、様々であってもよい。例えば、中圧ポート８８４は、四角形、長方形、三角形、多角形、丸形、卵形、または他の形状であってもよい。１つの中圧ボリューム８８３当たりの中圧ポート８８４の数は、１から約２５個まで様々であってもよいし、またはそれより多くてもよい。中圧ポート８８４の横断面積は、様々であってもよい。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インチまでの範囲であってもよいし、またはそれより大きくてもよい。図８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との間で等間隔で存在していてもよく、バイポーラプレート８００の長さに沿って均一に配置されていてもよい。他の実施態様において、中圧ポート８８４が、中圧ゾーン８８０の全外周に伸長していてもよい。
【０１０３】
[0113]中圧ポート８８４を介して吐出された第二の流体８８２は、電気化学セル１００に再供給されてもよい。例えば、第二の流体８８２は、中圧ゾーン１８０に戻ることができる。他の実施態様において、中圧ポート８８４を介して吐出された第二の流体８８２は、収集されて再利用されてもよい。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より低い圧力であってもよい。
【０１０４】
[0114]第三のシール８９１は、低圧ゾーン８９０を規定でき、低圧ゾーン８９０内に第三の流体８９２が含有されるように設計されていてもよい。低圧ゾーン８９０は、第二のシール８８１、第三のシール８９１、第一の構成部分８０１、および第二の構成部分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が含有されるように設計されていてもよい。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。
【０１０５】
[0115]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に向かうように設計されていてもよい。図８で示されるように、低圧ボリューム８９３は、第二のシール８８１で分離された中圧ゾーン８８０の外周を周って伸長していてもよい。低圧ボリューム８９３の横断面積および体積は、第一の構成部分８０１、第二の構成部分８０２、第二のシール８８１、および第三のシール８９１の形状に基づき様々であってもよい。様々な実施態様によって、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。
【０１０６】
[0116]他の実施態様において、低圧ボリューム８９３は、複数の中圧ボリューム８９３、例えば、２、３、４個またはそれより多くの低圧容積８９３に分離されていてもよい。複数の低圧ボリューム８９３は、複数のシールで分離されていてもよい。図９で示されるように、低圧ボリューム８９３は、２つの低圧ボリューム８９３に分離されていてもよい。例えば、１つまたはそれより多くのブリッジシール８９５は、低圧ボリューム８８３を超えて第二のシール８８１から第三のシール８９１に伸長していてもよい。
【０１０７】
[0117]図８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はそれぞれ、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内に含有される第三の流体８９２が吐出されるように設計されていてもよい。低圧ポート８９４の形状は、様々であってもよい。例えば、低圧ポート８９４は、四角形、長方形、三角形、多角形、丸、卵形、または他の形状であってもよい。１つの低圧ボリューム８９３当たりの低圧ポート８９４の数は、１から約５０個まで様々であってもよいし、またはそれより多くてもよい。低圧ポート８９４の横断面積は、様々であってもよい。例えば、円形の低圧ポート８９４の直径は、約０．１インチ未満から約１インチまでの範囲であってもよいし、またはそれより大きくてもよい。図８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存在していてもよく、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配置されていてもよい。他の実施態様において、低圧ポート８９４が、低圧ゾーン８９０の全外周に伸長していてもよい。
【０１０８】
[0118]低圧ポート８９４を介して吐出された第三の流体８９２は、電気化学セル１００に再供給されてもよい。例えば、第三の流体８９２は、低圧ゾーン１９０に戻ることができる。他の実施態様において、中圧ポート８９４を介して吐出された第三の流体８９２は、収集されて再利用されてもよい。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より低い圧力であってもよい。
【０１０９】
[0119]上述したような第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２との間の段階的に並べたシール配置は、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中で実行されてもよい。他の実施態様において、構成部分８０１と構成部分８０２との間の段階的に並べたシール配置は、２つのバイポーラプレート間で段階的に並べたシール配置が利用されていない他の電気化学セル中で実行されてもよい。それゆえに、上述したような両方の段階的に並べたシール配置は、いずれか一方が電気化学セル中で個々に利用できるか、またはそれらが同じ電気化学セル中で連結されて利用できるように互いに独立していてもよい。
【０１１０】
[0120]いくつかの実施態様において、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、噛み合い機構（interlocking feature）を包含していてもよい。噛み合い機構は、第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２とを一緒に固定するのに十分な噛み合った形状を形成することができる。例えば、第一の構成部分８０１は、１つまたはそれより多くの突起部を含んでいてもよく、第二の構成部分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、第一の構成部分８０１および第二の構成部分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考えられる。噛み合い機構は、様々な形状およびサイズを含んでいてもよい。例えば、突起部および凹みは、円柱形、円形、台形、長方形、または四角形の形状に形成されてもよい。加えて、突起部および凹みは、様々な多角形の形状を包含していてもよい。
【０１１１】
[0121]図８で示されるように、噛み合い機構は、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２がシールされるように設計された様々な連結部を包含していてもよい。例えば、噛み合い機構は、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１、ならびにそれらが留まることができる対応するシール空洞を包含していてもよい。第一の構成部分８０１および第二の構成部分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、第一の構成部分８０１、第二の構成部分８０２または構成部分８０１および８０２の両方への突出部を含んでいてもよい。突出部の寸法および形状は、第一のシール８７１、第二のシール８８１および第三のシール８９１の寸法および横断面形状に対応していてもよい。
【０１１２】
[0122]他の実施態様において、第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２との間の圧力ゾーンの数は、３つ（すなわち、高、中、および低）より多くてもよいし、またはそれより少なくてもよい。例えば、第一の構成部分８０１および第二の構成部分８０２は、ちょうど２つの圧力ゾーン（例えば、高および低）を含んでいてもよいし、または４つもしくはそれより多くの圧力ゾーン（例えば、高−高、高、中、および低）を含んでいてもよい。さらにその他の実施態様において、圧力ゾーンは段階的に並べたものであってもよいが、圧力が段階的に順次低下していなくてもよい。［さらなる詳細を示すことができる］。
【０１１３】
[0123]ちょうど２つの圧力ゾーンを有するバイポーラプレート８００に類似したバイポーラプレートは、第一の構成部分、第二の構成部分、２つの圧力ゾーンを分離する２つの構成部分間に形成されるシール、シールを取り囲むボリューム、およびボリューム中に収集された流体が吐出されるように設計された、ボリュームと流体連通する少なくとも１つのポートを含んでいてもよい。
【０１１４】
[0124]他の実施態様において、取り囲んでいるボリュームは、シールの一部のみの周りに伸長するように設計されていてもよいことが考えられる。例えば、ボリュームのチャンバーが、各圧力ゾーン内の各シールの外周の周りに配置されてもよい。
【０１１５】
[0125]作動中、第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２との間の段階的に並べたシール配置は、上述したように、構成部分８０１と構成部分８０２との間の高圧ゾーン８７０から中圧ゾーン８８０および低圧ゾーン８９０に漏出した流体の収集および再利用または再生を可能にし得る。上述したように、高圧ゾーン８７０内の第一の流体８７２は、１５，０００ｐｓｉを超える圧力に圧縮されてもよい。第一の流体８７２の圧力は、第一のシール８７１、第一の構成部分８０１、および第二の構成部分８０２に分離させる力をかけることができる。第一の構成部分８０１と第二の構成部分８０２とのカップリング力が、分離させる力に対抗し、連結部を維持し、第一のシール８７１を適切に機能させるのに十分である場合、第一の流体８７１が、高圧ゾーン８７０から第一のシール８７１を過ぎて中圧ゾーン８８０に漏出することを防ぐことができる。
【０１１６】
[0126]一方で、カップリング力が連結部を維持するには不十分であるか、または第一のシール８７１が機能しない場合、第一の流体８７２が、高圧ゾーン８７０から第一のシール８７１を過ぎて中圧ゾーン８８０に漏出する可能性がある。中圧ゾーン８８０に漏出した第一の流体８７２を中圧ボリューム８８３に収集して、第二の流体８８２を構成してもよい。中圧ボリューム８８３中に収集された第一の流体８７２／第二の流体８８２は、中圧ポート８８４に流動してそこを通過することができる。吐出した流体（すなわち、第一の流体８７２／第二の流体８８２）は、従来他のツーピース式バイポーラ設計ではそうであったように失われるのではなく、再利用または再生することができる。
【０１１７】
[0127]低圧ゾーン８９０は、追加のレベルの漏出保護を提供できる。第二のシール８８１を過ぎて漏出する第二の流体８８２を低圧ボリューム８９３に収集して、第三の流体８９２を構成してもよい。収集された第二の流体８８２／第三の流体８９２は、低圧ポート８９４に流動してそこを通過することができる。他の吐出した流体と同様に、第二の流体８８２／第三の流体８９２は、再利用または再生することができる。中圧ポート８８４および低圧ポート８９４を介したフローは、下流で制御されてもよい。例えば、１つまたはそれより多くのバルブを開閉して、流体を吐出させることができる。中圧ポート８８４を介したフローは、連続的であってもよいし、または断続的であってもよい。
【０１１８】
[0128]段階的に並べたシール配置の使用方法は、複数のシール（例えば、第一のシール８７１、第二のシール８８１、および第三のシール８９１）によって分離された異なるボリューム（例えば、中圧ボリューム８８３または低圧ボリューム８９３）内に流体（例えば、第一の流体８７２、第二の流体８８２、および第三の流体８９２）を収集することと、圧力ポート（例えば、中圧ポート８８４および低圧ポート８９４）を介して収集された流体を吐出させることと、次いで吐出した流体を再利用することとを含んでいてもよい。
【０１１９】
[0129]本発明の開示の他の実施態様は、本明細書に記載された発明の開示の詳細および実施の考察から当業者には明らかであると予想される。上記詳細および実施例は単なる典型例とみなされ、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示されることが意図される。
［発明の態様］
［パラグラフ１］
バイポーラプレート対、およびバイポーラプレート対間に配置された膜電極接合体、ここで膜電極接合体はアノード、カソード、およびそれらの間に堆積させたプロトン交換膜を含む；
高圧ゾーンを規定する第一のシール、ここで第一のシールは、バイポーラプレート間に配置され、高圧ゾーン内に第一の流体が含有されるように設計されている；
中圧ゾーンを規定する第二のシール、ここで第二のシールは、バイポーラプレート間に配置され、中圧ゾーン内に第二の流体が含有されるように設計されている、ならびに
ガス拡散層を有するフロー構造対、この二つのフロー構造は膜電極接合体の各側上の二つのバイポーラプレートの間に位置している
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た場合、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おり、そしてバイポーラプレートの少なくとも一つは第一の構成部分及び第二の構成部分を含み、第一の構成部分及び第二の構成部分は二つのフロー構造及び膜電極接合体を収容する空隙を画定している、上記電気化学セル。
［パラグラフ２］
低圧ゾーンを規定する第三のシールであって、低圧ゾーン内に第三の流体が含有されるように設計されている、第三のシールをさらに含み、ここで第二のシールは、第二のシールが外れた場合、第二の流体を低圧ゾーンに漏出させるように設計されている、パラグラフ１に記載の電気化学セル。
［パラグラフ３］
第一のシールが、第二のシール内に含有されており、第二のシールが、第三のシール内に含有されている、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ４］
第一の流体が、第二の流体より高い圧力であり、第二の流体が、第三の流体より高い圧力である、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ５］
第一のシール、第二のシールおよび第三のシールが、概して長方形の横断面を有する、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ６］
第三のシールのバイポーラプレートに垂直な軸に沿った厚さが第二のシールより大きく、第二のシールのバイポーラプレートに垂直な軸に沿った厚さが、第一のシールより大きい、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ７］
第一の流体が高圧水素であり、第二の流体がより低い圧力の水素であり、第三の流体が冷却剤流体である、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ８］
第三の流体が、窒素であり、低圧ゾーンが、電気化学セル内からの第一の流体および第二の流体の少なくとも１つの漏出が検出されるように設計されている、電気化学セルを取り囲む窒素ブランケットを包含する、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ９］
第三の流体の圧力がモニターされ、該圧力の上昇が、少なくとも第二のシールが外れていることを示し、ここで電気化学セルが、第三のシールが外れる圧力に第三の流体が達する前に停止するように設計されている、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１０］
バイポーラプレート対に適用される閉鎖力がバイポーラプレート対内の開放力より大きい場合、バイポーラプレート対内の第一のシール、第二のシール、および第三のシールが嵌め込まれたままになり、第一の流体、第二の流体、および第三の流体の漏出を防ぐように前記シールが設計されている、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１１］
バイポーラプレート対に適用された閉鎖力がバイポーラプレート対内の開放力に近づくときに、第二のシールまたは第三のシールよりも先に第一のシールが外れて、第一のシールを過ぎて中圧ゾーンに第一の流体が漏出するように第一のシールが設計されており、それによりバイポーラプレート対の第一の分離が起こる、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１２］
閉鎖力が開放力にさらに近づくときに、第二のシールが外れて、第二のシールを過ぎて低圧ゾーンに第二の流体が漏出するように第二のシールが設計されており、それによりバイポーラプレート対の第二の分離が起こる、パラグラフ１１に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１３］
中圧ゾーンに漏出する第一の流体が第二の流体と合わされ、再利用され、さらに低圧ゾーンに漏出する第二の流体が第三の流体と合わされ、電気化学セルから流出し、再生される、パラグラフ１１に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１４］
第一のシールの外側および第二のシールの内側に配置される補助的なシールの対をさらに含み、ここで該補助的なシールの対は、高圧ゾーンとの流体連通における２つの補助的な高圧ゾーンを規定する、パラグラフ２に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１５］
第一の構成部分と第二の構成部分との間に、段階的に並べたシール配置をさらに含む、パラグラフ１に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１６］
バイポーラプレート対およびバイポーラプレート対間に配置された膜電極接合体；
ガス拡散層を有するフロー構造対、ここで二つのフロー構造は膜電極接合体の各側上の二つのバイポーラプレートの間に位置している；
バイポーラプレート間に配置された、第一の流体を含有する高圧ゾーン；
バイポーラプレート間に配置された、第二の流体を含有する中圧ゾーン；ならびに
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、
該電気化学セルは、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産された開放力の少なくとも１つに基づき、その配置が第一の配置、第二の配置、および第三の配置の間を遷移するように設計されており、
バイポーラプレートの少なくとも一つは第一の構成部分及び第二の構成部分を含み、第一の構成部分及び第二の構成部分は二つのフロー構造と膜電極接合体とを収容する空隙を画定している、
上記電気化学セル。
［パラグラフ１７］
第一の配置が、高圧ゾーン、中圧ゾーン、および低圧ゾーンの間の流体の漏出をもたらさず；
第二の配置が、高圧ゾーンから中圧ゾーンへの第一の流体の一部の漏出をもたらし；
第三の配置が、高圧ゾーンから中圧ゾーンへの第一の流体の一部の漏出と、中圧ゾーンから低圧ゾーンへの第二の流体の一部の漏出をもたらす、パラグラフ１６に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１８］
電気化学セルの低圧ゾーンと流体連通する水素再生装置をさらに含み、ここで該水素再生装置は、低圧ゾーンに漏出した第二の流体の一部を再生し、電気化学セルの中圧ゾーンに再生された第二の流体を再導入するように設計されており、ここで低圧ゾーン中の第三の流体の圧力がモニターされ、第三の流体の圧力の上昇が該水素再生装置を始動させる、パラグラフ１７に記載の電気化学セル。
［パラグラフ１９］
高圧ゾーンが、中圧ゾーン内に含有されており、中圧ゾーンが、低圧ゾーン内に含有されている、パラグラフ１６に記載の電気化学セル。
［パラグラフ２０］
高圧ゾーン内に第一の流体が含有されるように設計された第一のシール、中圧ゾーン内に第二の流体が含有されるように設計された第二のシール、および低圧ゾーン内に第三の流体が含有されるように設計された第三のシールをさらに含む、パラグラフ１６に記載の電気化学セル。
［パラグラフ２１］
段階的に並べたシール配置を有する電気化学セルの閉鎖力を調節する方法であって、該方法は、
段階的に並べたシール配置中に複数のシールを有する電気化学セルを提供することと；
該電気化学セルに、期待される作動圧力に基づき最初の閉鎖力を適用することと；
該電気化学セルを作動させることと；
該電気化学セルの圧力をモニターすることと；
モニターされた圧力に基づき、該電気化学セルに適用された閉鎖力を調整することと
を含み、ここで閉鎖力を調整することが、複数のシールのうち少なくとも１つが外れる圧力を変化させる、上記方法。
［パラグラフ２２］
少なくとも２つの構成部分と；
高圧ゾーンを規定する第一のシール、ここで第一のシールは、該構成部分間に配置され、高圧ゾーン内に第一の流体が含有されるように設計されている；および
中圧ボリュームおよび中圧ポートを含む中圧ゾーンを規定する第二のシール、ここで第二のシールは、該構成部分間に配置され、中圧ゾーン内に第二の流体が含有されるように設計されている
を含む電気化学セルのためのバイポーラプレートであって、
第一のシールは、第一のシールが機能しないときに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おり、第一の流体は、中圧ボリューム中に収集され、中圧ポートから吐出させることができる、上記バイポーラプレート。
［パラグラフ２３］
バイポーラプレート対およびバイポーラプレート対間に配置された膜電極接合体；ならびに
バイポーラプレート対間の、段階的に並べた第一のシール配置
を含む電気化学セルであって、ここで各バイポーラプレートは、
少なくとも２つの構成部分と；
少なくとも２つの構成部分間の、段階的に並べた第二のシール配置と
を含む、上記電気化学セル。
【符号の説明】
【０１２０】
１００  電気化学セル
１１０  アノード
１２０  カソード
１３０  プロトン交換膜（ＰＥＭ）
１４０  膜電極接合体（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
１９２  窒素
１９３  第三の溝
２００  開放力
２１０  閉鎖力
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
８００  ツーピース式バイポーラプレート
８０１  第一の構成部分
８０２  第二の構成部分
８０３  空隙
８０４  共通通路
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
８９０  低圧ゾーン
８９１  第三のシール
８９２  第三の流体
８９３  低圧ボリューム
８９４  低圧ポート
８９５  ブリッジシール
【図１】
2019035151.tif 000003
【図２Ａ】
2019035151.tif 000004
【図２Ｂ】
2019035151.tif 000005
【図３Ａ】
2019035151.tif 000006
【図３Ｂ】
2019035151.tif 000007
【図４Ａ】
2019035151.tif 000008
【図４Ｂ】
2019035151.tif 000009
【図４Ｃ】
2019035151.tif 000010
【図５】
2019035151.tif 000011
【図６】
2019035151.tif 000012
【図７】
2019035151.tif 000013
【図８】
2019035151.tif 000014