(57)【要約】本開示の態様は、バイポーラプレートアセンブリに関する。バイポーラプレートアセンブリは、フレームとベースを有する。フレーム及びベースの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、フォースコンセントレーターパターンを有する第１の表面を有し、フォースコンセントレーターパターンは、第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含む。フレーム又はベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによりバイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームまたはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力が生じる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームおよびベースを含むバイポーラプレートアセンブリであって、
該フレームおよび該ベースの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、またはフォースコンセントレーターパターンを含む第１の表面を有し、該フォースコンセントレーターパターンは、該第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含み；
該フレームまたは該ベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによって該バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、該フレームおよび／または該ベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる、上記バイポーラプレートアセンブリ。
【請求項２】
前記フレームまたは前記ベースの長さにわたる前記フォースコンセントレーターパターンの表面領域が、約２ｃｍ２／ｃｍから約１０ｃｍ２／ｃｍの範囲である、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項３】
前記フレームと前記ベースとの間に少なくとも１つのシールアセンブリをさらに含む、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項４】
前記シールアセンブリが、エラストマーシールまたはポリマーシールである、請求項３に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項５】
前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記シールアセンブリ上の前記圧縮圧力が、前記シールアセンブリにわたり全体的に均一に分布している、請求項３に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項６】
前記フレームおよび前記ベースが、一緒に連結された２つのピースであるか、または１つの統合された部品である、請求項１に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項７】
前記フレームおよび前記ベースの少なくとも１つが、上面および／もしくは底面においてポリマー材料でラミネートされているか、またはポリマーフィルムでコーティングされている、請求項６に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項８】
前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記ポリマー材料または前記ポリマーフィルム上の前記圧縮圧力が、前記フレームおよび／または前記ベースにわたり全体的に均一に分布している、請求項７に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項９】
前記バイポーラプレートアセンブリが、電気化学的スタックを形成する複数のバイポーラプレートアセンブリの少なくとも１つである、請求項２に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１０】
前記圧縮圧力が、５，０００ｐｓｉｇから４０，０００ｐｓｉｇの範囲である、請求項２に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１１】
前記フォースコンセントレーターパターンの厚さが、０．０２５ｍｍから前記フレームおよび／または前記ベースの厚さまでの範囲である、請求項２に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１２】
前記フレームおよび前記ベースの少なくとも１つが、前記フォースコンセントレーターパターンを含む第２の表面を有する、請求項２に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１３】
バイポーラプレートアセンブリを組み立てる方法であって、
該バイポーラプレートアセンブリのフレームおよびベースを圧縮すること、
を含み、
該フレームおよび該ベースの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、またはフォースコンセントレーターパターンを含む第１の表面を有し、該フォースコンセントレーターパターンは、該第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含み、
該フレームまたは該ベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによって該バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、該フレームおよび／または該ベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる、上記方法。
【請求項１４】
前記フレームまたは前記ベースの長さにわたる前記フォースコンセントレーターパターンの表面領域が、約２ｃｍ２／ｃｍから約１０ｃｍ２／ｃｍの範囲である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記バイポーラプレートアセンブリが、前記フレームと前記ベースとの間に少なくとも１つのシールアセンブリを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記シールアセンブリが、エラストマーシールまたはポリマーシールである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記シールアセンブリ上の前記圧縮圧力が、前記シールアセンブリにわたり全体的に均一に分布している、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記シールアセンブリ上の前記圧縮圧力が、前記シールアセンブリの材料の降伏強度より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記フレームおよび前記ベースが、一緒に連結された２つのピースであるか、または１つの統合された部品であり、
前記フレームおよび前記ベースの少なくとも１つが、上面および／もしくは底面においてポリマー材料でラミネートされているか、またはポリマーフィルムでコーティングされており、
前記バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、前記ポリマー材料または前記ポリマーフィルム上の前記圧縮圧力が、前記フレームおよび／または前記ベースにわたり全体的に均一に分布している、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
バイポーラプレートアセンブリの対と、該バイポーラプレートアセンブリの対の間に配置された膜電極アセンブリとを含む電気化学セルであって、
該バイポーラプレートアセンブリの少なくとも１つは、フレームおよびベースを含み、
該フレームおよび該ベースの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有するか、またはフォースコンセントレーターパターンを含む第１の表面を有し、該フォースコンセントレーターパターンは、該第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含み、
該フレームまたは該ベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定であり、それによって該バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、該フレームおよび／またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる、上記電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１５年９月２１日付けで出願された米国仮出願第６２／２２１，２７６号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
[002]本発明の開示は、バイポーラプレート、より特定には、フォースコンセントレーターパターン（force concentrator pattern）を有するバイポーラプレートに向けられる。
【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、化学反応により電流を生成したり、または電流の流れを使用して化学反応を誘発したりするために使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノール、ガソリンなど）および酸化体（空気または酸素）の化学エネルギーを、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基本的な燃料電池は、負に荷電されたアノード、正に荷電されたカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００４】
[004]様々な燃料電池技術が様々な電解質材料を利用している。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質としてポリマーのイオン伝導性膜を利用する。水素ＰＥＭ燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子およびプロトン（水素イオン）に分けられる。電子は、回路を通ってカソードに流れ、電気を発生させ、一方でプロトンは電解質膜を通ってカソードに拡散する。カソードでは、水素のプロトンは、電子および（カソードに供給された）酸素と反応して、水および熱を生産することができる。
【０００５】
[005]電解セルは、それとは逆に稼働する燃料電池の代表である。基本的な電解セルは、外部の電位が適用されるときに水を水素および酸素ガスに分解することによって水素発生器として機能することができる。水素燃料電池または電解セルの基礎的な技術は、電気化学的な水素の操作、例えば電気化学的な水素の圧縮、精製、または膨張に適用することができる。
【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へと水素を選択的に移動させるのに使用することができる。ＥＨＣは、第１の電極（すなわち、アノード）と第２の電極（すなわち、カソード）との間に挟まれたプロトン交換膜を有していてもよい。水素を含有するガスが第１の電極と接触し、電位差が第１の電極と第２の電極との間に付与され得る。第１の電極では、水素分子を酸化することができ、この反応は、２個の電子と２個のプロトンを生産することができる。２個のプロトンは、膜を介してセルの第２の電極に電気化学的に送られ、そこでプロトンは２つの迂回した電子と再結合し、還元されて、水素分子を形成する。第１の電極および第２の電極で起こる反応は、以下に示すような化学方程式として表すことができる。
第１の電極の酸化反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
第２の電極の還元反応：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
全体の電気化学反応：Ｈ２→Ｈ２。
【０００７】
[007]この方式で作動するＥＨＣは、時には水素ポンプと称される。第２の電極に累積した水素が限定されたスペースに制限されると、電気化学セルは水素を圧縮するかまたは圧力を上昇させる。個々のセルが生産することができる最大の圧力または流速は、セルの設計に基づいて制限される可能性がある。より大きい圧縮またはより高い圧力を達成するために、複数のセルを連続して繋いで、多段階ＥＨＣを形成することができる。多段階ＥＨＣにおいて、ガスの流路は、例えば、第１のセルの圧縮された出力ガスが第２のセルの入力ガスになるように設計されていてもよい。代替として、一段階セルは、並行に連結させて、ＥＨＣの処理能力（すなわち、総ガス流速）を高めることができる。一段階および多段階ＥＨＣの両方において、セルはスタックされていてもよく、各セルは、カソード、電解質膜、およびアノードを包含していてもよい。各カソード／膜／アノードアセンブリは、「膜電極アセンブリ」または「ＭＥＡ」を構成し、これは、典型的には両方の側でバイポーラプレートにより支持される。
【０００８】
[008]バイポーラプレートは、ＥＨＣに機械的な支持を提供することができ、スタック中の個々のセルを電気的に連結しつつ物理的に分離することができる。バイポーラプレートはまた、高圧ゾーンも提供することができ、ここに反応物または燃料、例えば水素が累積する。加えて、バイポーラプレートはまた、集電装置／コンダクターとしても作用することができ、さらに反応物または燃料のための通路も提供することができる。典型的には、バイポーラプレートは、例えばステンレス鋼、チタンなどの金属から、また、非金属の電気導体、例えばグラファイトから作製される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[009]水素圧縮機または水素ポンプは、典型的には、バイポーラプレートにより形成された高圧ゾーンに限定された第２の電極に累積した水素を有する。加えて、水素が形成され続け累積するにつれて、高圧ゾーンの圧力は増加し得る。水素が漏れる可能性を低減し、安全性およびエネルギー効率を改善するために、高圧ゾーンは、バイポーラプレート間の１つまたはそれより多くのシールで密封されていてもよい。ＥＨＣまたはＥＨＣスタックのバイポーラプレートに圧縮荷重を適用して、シールを圧縮し、高圧ゾーンの密封を作り出すことができる。シールは、高圧ゾーンの円周の周りに延在するリング型のシールを含んでいてもよいし、および／またはバイポーラプレートの１つまたはそれより多くの表面上にコーティングまたはラミネートされたポリマーフィルムを含んでいてもよい。
【００１０】
[010]バイポーラプレート間のシールには、十分で全体的に均一な圧縮圧力が適用される必要がある。適用される最小の圧縮圧力は、シールの材料を変形させることによって密封表面を作り出すことができるように、シールの材料の降伏強度より大きくてもよい。一部の実施態様において、最小の圧縮圧力は、材料の降伏強度未満であってもよい。圧縮圧力が密封表面にわたり全体的に均一ではないかまたは不均一である場合、最小の圧縮圧力が密封表面上の一部の領域に適用されない可能性があり、それにより、その領域で反応物または燃料の漏れを引き起こす可能性がある。シールに適用された不均一な圧縮圧力による漏れの可能性を防ぐまたは低減するための現在の選択肢としては、バイポーラプレートにより高い圧縮荷重を適用して、確実に最小の圧縮圧力が密封表面にわたり適用されるようにすることが挙げられる。しかしながら、より高い圧縮荷重を適用することは、密封表面上により高い圧縮圧力を与えるだけでなく、最小の圧縮圧力が既に適用されておりより高い圧縮圧力に耐えられない可能性があるようなバイポーラプレートの場所にもより高い圧縮圧力を与えてしまうおそれがある。したがって、より高い圧縮荷重は、バイポーラプレートおよび／またはＥＨＣもしくはＥＨＣスタックの他の部品のための材料に、例えば材料の適合性、材料強度、材料コスト、製造コスト、および製造の容易さなどのより高い条件が必要となる可能性がある。それゆえに、密封表面および／またはバイポーラにわたり圧縮圧力のより均一なおよび／または均等な分布を可能にするバイポーラプレートアセンブリの必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[011]本発明の開示の一形態は、バイポーラプレートアセンブリに向けられる。バイポーラプレートアセンブリは、フレームおよびベースを有していてもよい。フレームおよびベースの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターン（force concentrator pattern）の形状を有していてもよいし、または第１の表面を有していてもよい。第１の表面は、フォースコンセントレーターパターンを含んでいてもよく、フォースコンセントレーターパターンは、第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含んでいてもよい。フレームまたはベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に一定（constant）であってもよく、それによってバイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームおよび／またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じる。
【００１２】
[012]本発明の開示の他の形態は、バイポーラプレートを圧縮する方法に向けられる。本方法は、バイポーラプレートアセンブリのフレームおよびベースを圧縮するステップを包含していてもよい。フレームおよびベースの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有していてもよいし、または第１の表面を有していてもよい。第１の表面は、フォースコンセントレーターパターンを含んでいてもよく、フォースコンセントレーターパターンは、第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含んでいてもよい。フレームまたはベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に不断であってもよい。本方法は、バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームおよび／またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じさせることをさらに包含していてもよい。
【００１３】
[013]本発明の開示の他の形態は、電気化学セルに向けられる。電気化学セルは、バイポーラプレートの対と、バイポーラプレートの対の間に配置された膜電極アセンブリとを包含していてもよい。バイポーラプレートの少なくとも１つは、フォースコンセントレーターパターンの形状を有していてもよいし、または第１の表面を有していてもよい。第１の表面は、フォースコンセントレーターパターンを含んでいてもよく、フォースコンセントレーターパターンは、第１の表面にわたり部分的に延在する隆起した表面を含んでいてもよい。フレームまたはベースの長さにわたるフォースコンセントレーターパターンの表面領域は、全体的に不断であってもよい。本方法は、バイポーラプレートアセンブリが圧縮下にあるときに、フレームおよび／またはベースの長さに沿って均一な圧縮圧力を生じさせることをさらに包含していてもよい。
【００１４】
[014]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないことが理解されると予想される。
[015]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するが、本発明の開示の実施態様を例示し、その記載と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】[016]図１は、例示的な実施態様に係る電気化学セルの様々な要素を示す電気化学セルの一部の分解側面図である。
【図２】[017]図２は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。
【図３】[018]図３は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。
【図４】[019]図４は、例示的なバイポーラプレートアセンブリのフレームの上面図である。
【図５】[020]図５は、例示的なバイポーラプレートアセンブリのフレームの上面図である。
【図６】[021]図６は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの斜視図である。
【図７】[022]図７は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの拡大図である。
【図８】[023]図８は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのベースおよびフレームの斜視図である。
【図９】[024]図９は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの上面図である。
【図１０】[025]図１０は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートアセンブリのフレームの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
[026]以下、本開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その例は、添付の図面で示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。水素を圧縮するための電気化学セルに関して記載されるが、本開示のデバイスおよび方法は、これらに限定されないが、電解セル、水素精製器、水素エキスパンダー、および水素ポンプなどの様々な種類の燃料電池および電気化学セルと共に採用され得ることが理解される。
【００１７】
[027]図１は、例示的な実施態様に係る電気化学セル１００の分解側面図の例示を示す。電気化学セル１００は、アノード１１０、カソード１２０、およびアノード１１０とカソード１２０との間に配置されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）１３０を包含していてもよい。アノード１１０、カソード１２０、および組み合わされたＰＥＭ１３０は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１４０を包含していてもよい。ＰＥＭ１３０は、純粋なポリマー膜、または、例えばシリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムのような他の材料がポリマーマトリックス中に埋め込まれているような複合膜を包含し得る。ＰＥＭ１３０は、電子は伝導させないがプロトンを透過させることができる。アノード１１０およびカソード１２０は、触媒層を含有する多孔質炭素電極を包含していてもよい。触媒材料、例えば白金は、反応物または燃料の反応を増加させることができる。
【００１８】
[028]電気化学セル１００は、２つのバイポーラプレート１５０、１６０をさらに包含していてもよい。バイポーラプレート１５０、１６０は、支持体プレート、コンダクターとして作用することができ、反応物または燃料のためのそれぞれの電極表面への通路を提供することができ、圧縮された反応物または燃料を除去するための通路を提供することができる。バイポーラプレート１５０、１６０はまた、冷却流体（すなわち、水、グリコール、または水とグリコールとの混合物）のためのアクセスチャネルを包含していてもよい。バイポーラプレート１５０、１６０は、電気化学的なスタック中の隣接するセル（示されていない）から電気化学セル１００を隔てることができる。一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および／または１６０は、バイポーラプレート１５０および／または１６０のそれぞれの側が異なるＭＥＡ１４０と接触するような、２つの隣接するセルのためのバイポーラプレートとして機能することができる。例えば、複数の電気化学セル１００を連続して繋いで多段階電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）を形成してもよいし、または並行にスタックして、一段階ＥＨＣを形成してもよい。
【００１９】
[029]作動中、例示的な実施態様に従って、水素ガスは、バイポーラプレート１５０を通ってアノード１１０に供給され得る。アノード１１０とカソード１２０の間に電位が適用されてもよく、アノード１１０における電位は、カソード１２０における電位より大きい。アノード１１０における水素が酸化されることにより、水素を電子およびプロトンに分けることができる。プロトンは、ＰＥＭ１３０を通って電気化学的に輸送されるかまたは「ポンプ輸送」され、一方で電子はＰＥＭ１３０を迂回する。ＰＥＭ１３０の逆側におけるカソード１２０で、輸送されたプロトンと迂回した電子とが還元されて、水素を形成する。カソード１２０で水素が形成され続けるにつれて、バイポーラプレート１６０で作り出された高圧ゾーン内で水素を圧縮して加圧することができる。
【００２０】
[030]一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０のそれぞれは、２つのピースまたは２つの要素で形成されていてもよい。例えば、図２は、２つの要素のバイポーラプレート１６０の一実施態様を示し、バイポーラプレート１６０は、フレーム１７０およびベース１８０を包含する。フレーム１７０は、ベース１８０のフロー構造（示されていない）と流体連通する空隙１９０を画定することができる。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、１つの統合された部品または要素として形成されていてもよい。以下の説明ではバイポーラプレート１６０について述べられるが、このような開示は、バイポーラプレート１５０にも同等に適用可能である。
【００２１】
[031]フレーム１７０およびベース１８０は、全体的に平面であってもよく、全体的に長方形のまたは細長いプロファイルを有していてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、別の形状、例えば四角形、「レーストラック」（すなわち、実質的に長方形であり、側面が半楕円形である形）、円形、卵形、楕円形、または他の形状を有していてもよい。フレーム１７０およびベース１８０の形状は、電気化学セル１００の他の要素（例えば、カソード、アノード、ＰＥＭ、フロー構造など）または電気化学セルスタックに対応していてもよい。
【００２２】
[032]フレーム１７０およびベース１８０は、同一平面で連結されるように設計されていてもよい。フレーム１７０およびベース１８０は、取り外しできるように一緒に連結または固定されていてもよいし、または１つの統合された部品であってもよい。例えば、接合材、溶接、ろう付け、はんだ付け、拡散接合、超音波溶接、レーザー溶接、スタンピング、リベット締め、抵抗溶接、および／または焼結などの、１つまたはそれより多くの取り付けメカニズムが使用されてもよい。一部の実施態様において、接合材は、接着剤を包含していてもよい。好適な接着剤としては、例えば、グルー、エポキシ、シアノアクリレート、熱可塑性シート（例えば熱溶融した熱可塑性シートなど）、ウレタン、嫌気性接着剤、ＵＶ硬化接着剤、および他のポリマーが挙げられる。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、摩擦嵌合（friction fit）によって連結されてもよい。例えば、要素間における１つまたはそれより多くのシールは、圧縮されたときに要素間に十分な摩擦力を生じさせて、予期せぬスライドを防ぐことができる。
【００２３】
[033]一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、ファスナー、例えば、ねじ、ボルト、クリップ、または他の類似のメカニズムを使用して、取り外しできるように連結することができる。一部の実施態様において、コンプレッションロッドおよびナットが、バイポーラプレート１５０および１６０を貫通していてもよいし、またはその外側に沿っていてもよく、電気化学セル１００または複数の電気化学セル１００をスタックして圧縮するときに、フレーム１７０およびベース１８０を一緒に圧縮するのに使用することができる。
【００２４】
[034]一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、複数の異なる圧力ゾーンの画定を助けることができ、例えば複数のシールは、１つまたはそれより多くの異なる圧力ゾーンを画定することができる。図２に、一実施態様に係る複数の異なるシールおよび圧力ゾーンを示す。複数のシールは、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および第３のシール２６０を包含していてもよい。第１のシール２４０は、第２のシール２５０内に全体が含有されていてもよく、第２のシール２５０は、第３のシール２６０内に全体が含有されていてもよい。このシールの配列（すなわち、一方が他方に含まれる）は、カスケードシール配置として分類することができる。カスケードシール配置は、数々の利点を提供することができる。例えば、カスケードシール配置は、多層の密封保護の形態でシールの重複を提供することによって、高圧水素が電気化学セル１００から逃れる可能性を制限することができる。水素が漏れる可能性を低減することは、安全性およびエネルギー効率に利益をもたらすことができる。加えて、カスケードシール配置はまた、高圧ゾーンからより低い圧力のゾーンへ高い圧力を徐々に減らすことにより圧力を自己調節することも可能にする。
【００２５】
[035]第１のシール２４０、第２のシール２５０、および第３のシール２６０の形状は、図２で示されるように、全体的にバイポーラプレート１５０および１６０の形状に対応していてもよい。第１のシール２４０は、高圧シールとして作用し、高圧ゾーン２００の一部を画定することができ、高圧ゾーン２００内に第１の流体２１２（例えば、水素）を含有するように設計されていてもよい。第１のシール２４０は、少なくともフレーム１７０とベース１８０との間の高圧ゾーン２００の外側境界を定めることができる。フレーム１７０およびベース１８０が連結されているとき、またはフレーム１７０およびベース１８０が１つの統合されたピースとして形成されているとき、高圧ゾーン２００は、少なくとも１つのフロー構造（示されていない）、例えば空隙１９０を通って延在するカソードフロー構造およびアノードフロー構造を含有するように設計されていてもよい。
【００２６】
[036]第１の流体２１２、例えば水素などは、カソード１２０で形成されて高圧ゾーン２００に累積してもよいし、フレーム１７０とベース１８０との間の連結部は、第１のシール２４０で密封されていてもよい。高圧ゾーン２００内の水素は圧縮されてもよく、結果として、水素が形成され続けて高圧ゾーン２００に収集されるにつれて圧力を増加させることができる。高圧ゾーン２００中の水素は、例えば、約１０，０００ｐｓｉｇより大きい圧力、約１５，０００ｐｓｉｇより大きい圧力、約２０，０００ｐｓｉｇより大きい圧力、約２５，０００ｐｓｉｇより大きい圧力、約３０，０００ｐｓｉｇより大きい圧力、または約３５，０００ｐｓｉｇより大きい圧力に圧縮されてもよい。
【００２７】
[037]図２で示されるように、第１のシール２４０は、高圧ポート２１０の外周に延在するように設計されていてもよい。高圧ポート２１０は、高圧ゾーン２００から第１の流体２１２を供給または排出するように設計されていてもよい。高圧ポート２１０は、マルチセル電気化学的圧縮機中で、隣接する電気化学セルの高圧ポートと流体連通していてもよい。高圧ポート２１０は、カソードフロー構造（示されていない）と流体連通していてもよく、このカソードフロー構造は、空隙１９０を通じて延在するベース１８０の上部に配置されていてもよい。
【００２８】
[038]一部の実施態様において、第２のシール２５０は、中圧ゾーン２０２の外周を画定することができる。中圧ゾーン２０２は、第１のシール２４０、第２のシール２５０、フレーム１７０、およびベース１８０によって境界を定めることができる。図２で示されるように、中圧ゾーン２０２は、第１のシール２４０で隔てられた高圧ゾーン２００の円周の周りに延在していてもよい。中圧ゾーン２０２は、第２の流体２１４を含有するように設計されていてもよい。中圧ゾーン２０２の断面積および体積は、フレーム１７０、ベース１８０、第１のシール２４０、および第２のシール２５０の幾何学的配置に基づいて様々であり得る。中圧ゾーン２０２は、１つまたはそれより多くの中圧ポート２２０をさらに包含していてもよく、それらと流体連通していてもよい。中圧ポート２２０は、中圧ゾーン２０２内に含有される第２の流体２１４を排出するように設計されていてもよい。中圧ポート２２０は、アノードフロー構造（示されていない）と流体連通していてもよく、アノードフロー構造は、空隙１９０を通じて延在するカソードフロー構造の上部に配置されていてもよい。
【００２９】
[039]中圧ポート２２０の形状および数は、様々であってもよい。例えば、中圧ポート２２０は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、卵形、または他の形状であってもよい。中圧ポート２２０の数は、１個から２５個までの間で変動してもよいし、またはそれより多くてもよい。図２で示されるように、中圧ポート２２０は、バイポーラプレート１６０のフレーム１７０およびベース１８０の長さに沿って均一に分布していてもよい。一部の実施態様において、中圧ポート２２０は、中圧ゾーン２０２の全円周に延在していてもよい。
【００３０】
[040]一部の実施態様において、中圧ポート２２０を介して排出された第２の流体２１２は、電気化学セル１００に再供給されてもよい。一部の実施態様において、中圧ポート２２０を介して排出された第２の流体２１４は、収集され再利用されてもよい。中圧ゾーン２０２中の第２の流体２１４は、一般的に、高圧ゾーン２００中の第１の流体２１２より低い圧力を有し得る。
【００３１】
[041]一部の実施態様において、第３のシール２６０は、低圧ゾーン２０４を画定することができ、低圧ゾーン２０４内に第３の流体２１６を含有するように設計されていてもよい。低圧ゾーン２０４は、第２のシール２５０、第３のシール２６０、フレーム１７０、およびベース１８０によって境界を定めることができる。図２で示されるように、低圧ゾーン２０４は、第２のシール２５０で隔てられた中圧ゾーン２０２の円周の周りに延在していてもよい。低圧ゾーン２０４の断面積および体積は、フレーム１７０、ベース１８０、第２のシール２５０、および第３のシール２６０の幾何学的配置に基づいて様々であり得る。低圧ゾーン２０４は、１つまたはそれより多くの低圧ポート２３０をさらに包含していてもよく、それらと流体連通していてもよい。低圧ポート２３０は、低圧ゾーン２０４内に収集および／または含有される第３の流体２１６を排出する。
【００３２】
[042]低圧ポート２３０の形状および数は、様々であってもよい。例えば、低圧ポート２３０は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、卵形、または他の形状であってもよい。低圧ポート２３０の数は、例えば１個から５０個までまでの間で変動してもよいし、またはそれより多くてもよい。図２で示されるように、低圧ポート２３０は、第２のシール２５０と第３のシール２６０との間に間隔を開けて存在していてもよいし、バイポーラプレート１６０の長さに沿って均一に分布していてもよい。一部の実施態様において、低圧ポート２３０は、低圧ゾーン２０４の全円周に延在していてもよい。
【００３３】
[043]一部の実施態様において、低圧ポート２３０を介して排出された第３の流体２１６は、電気化学セル１００に再供給されてもよい。一部の実施態様において、低圧ポート２３０を介して排出された第３の流体２１６は、収集され再利用されてもよい。低圧ゾーン２０４中の第３の流体２１６は、一般的に、高圧ゾーン２００中の第１の流体２１２および中圧ゾーン２０２中の第２の流体２１４より低い圧力を有し得る。
【００３４】
[044]例示的な実施態様によれば、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および第３のシール２６０は、バイポーラプレート１６０の異なる圧力ゾーン（例えば、高圧ゾーン２００、中圧ゾーン２０２、および低圧ゾーン２０４）を密封し、約１５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約２０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約２５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約３０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約３５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約４０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、または約４０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力に、長期にわたり（例えば、１０年より長く）耐え、多くの圧力サイクル（例えば、１，０００サイクルより多く）に耐えることが可能な、シール要素のアセンブリの一部であり得る。例えば、第１のシール２４０は、約２５，０００ｐｓｉｇから約４０，０００ｐｓｉｇの範囲の圧力を有する高圧ゾーン２００を密封することが可能であり、第２のシール２５０は、約０ｐｓｉｇから約３，０００ｐｓｉｇの範囲の圧力を有する中圧ゾーン２０２を密封することが可能であり、第３のシール２６０は、約０ｐｓｉｇから約２０ｐｓｉｇの範囲の圧力を有する低圧ゾーン２０４を密封することが可能である。
【００３５】
[045]一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０は、２つのみの圧力ゾーンが形成されるように設計されてもよい。例えば、バイポーラプレート１５０および１６０は、第１のシール２４０および第３のシール２６０だけで高圧ゾーン２００および低圧ゾーン２０４を形成するように設計されてもよく、それによって第２のシール２５０および中圧ゾーン２０２をなくすることができる。一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０および１６０は、３つより多くの圧力ゾーンが形成されるように設計されてもよいことも予期される。例えば、第４のシールを追加することによって第４の圧力ゾーンが形成されていてもよい。
【００３６】
[046]従来、フレーム１７０とベース１８０との間に作り出された高圧ゾーン２００、中圧ゾーン２０２、および／または低圧ゾーン２０４を密封するために、さらに高圧ポート２１０を密封するために、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および／または第３のシール２６０には、エラストマーシール（例えば、Ｏ−リング）が使用される。エラストマーはしばしば、高圧システムにおいて信頼性の問題がある。エラストマーシールは、電気化学セルの強健さや許容性を低くすることに加えて、ダイカット、手作業での設置、オーバーモールド、またはｘ−ｙテーブルを使用した堆積のいずれかを行い、次いで硬化する必要がある。さらにエラストマーシールは、フレーム１７０またはベース１８０のいずれかが表面上にグランド（gland）または溝を有することを必要とする場合もある。エラストマーシールは、溝に接合させることができるが、それらは、製作、組立ておよび／または作動中にその場からずれる可能性がある。エラストマーシールによって引き起こされる低い信頼性および製作プロセスの複雑さのために、一部の実施態様において、フレーム１７０とベース１８０との間に形成された圧力ゾーンの少なくとも１つを密封するために、ポリマーシールを有利に使用することができる。
【００３７】
[047]ポリマーシールは、様々な技術、例えばラミネート、スプレーコーティング、または浸漬被覆によって、フレーム１７０および／またはベース１８０に適用することができる。ポリマーシールを利用することは、バイポーラプレート１５０、１６０の複雑さを低減させることができる。例えば、フレーム１７０および／またはベース１８０の表面上のグランドまたは溝をなくすことができる。グランドまたは溝をなくすことは、フレーム１７０および／またはベース１８０をより薄くし、必要な機械加工および／または製造の量を低減し、フレーム１７０とベース１８０との間の密封表面の面積を増加させることを可能にし、それによりフレーム１７０および／またはベース１８０が耐える必要がある圧縮圧力を低減することができる。別の例の場合、ポリマーシールを使用することは、フレーム１７０およびベース１８０を１つの統合されたピースとして形成することを可能にし、それによりバイポーラプレート１５０、１６０の厚さをさらに低減することができる。加えて、ラミネートまたはスプレーコーティングされたポリマーシールは、フレーム１７０および／またはベース１８０にしっかりと接合させることができ、したがって、その場にしっかりと保持させることができる。ポリマーシールは、バイポーラプレート１５０および１６０の機械加工をより少なくすることによるより低い製作コスト、より低い適用コスト、およびバイポーラプレート１５０および１６０の材料の低減を可能にする。
【００３８】
[048]図３で示されるように、ポリマーシール１７５は、例えば、フレーム１７０および／またはベース１８０の一方または両方の表面上にラミネートまたはコーティングされていてもよい。圧縮荷重がフレーム１７０およびベース１８０に適用されると、ポリマーシール１７５は、変形して、高圧ゾーン２００、中圧ゾーン２０２、および／または低圧ゾーン２０４を密封することができる。ポリマーシール１７５は、例えば、第１の流体２１２を高圧ゾーン２００内に含有させること、第２の流体２１４を中圧ゾーン２０２内に含有させること、および／または第３の流体２１６を低圧ゾーン２０４内に含有させることに役立つように設計されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、フレーム１７０および／またはベース１８０の表面領域の一部または全てをカバーしていてもよい。ポリマーシール１７５は、フレーム１７０とベース１８０との間の圧縮された領域にわたり延在するシール表面を有していてもよいし、高圧ゾーン２００、中圧ゾーン２０２、および／または低圧ゾーン２０４の円周の周りに延在していてもよい、
[049]一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および／または第３のシール２６０の代わりに使用することができる。例えば、図４で示されるように、ポリマーシール１７５は、高圧ゾーン２００を密封する第１のシール２４０、ならびに中圧ゾーン２０２および低圧ゾーン２０４を密封するポリマーシール１７５と共に使用することができる。一部の実施態様において、１つまたはそれより多くのチャネルが、中圧ポート２２０と高圧ゾーン２００の間に形成されていてもよく、それにより中圧ポート２２０が、第１のシール２４０、高圧ゾーン２００、および／またはアノードフロー構造（示されていない）と流体連通することを可能にする。ポリマーシール１７５はまた、１つまたはそれより多くのチャネル１７８を包含していてもよく、それにより中圧ポート２２０が高圧ゾーン２００と流体連通することを可能にする。
【００３９】
[050]一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、異なる圧力ゾーンを密封し、約１５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約２０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約２５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約３０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、約３５，０００ｐｓｉｇを超過する圧力、または約４０，０００ｐｓｉｇを超過する圧力に、長期にわたり（例えば、１０年より長く）耐え、多くの圧力サイクル（例えば、１，０００サイクルより多く）に耐えることが可能である。例えば、ポリマーシール１７５は、約２５，０００ｐｓｉｇから約４０，０００ｐｓｉｇの範囲の圧力を有する高圧ゾーン２００を密封すること、約０ｐｓｉｇから約３，０００ｐｓｉｇの範囲の圧力を有する中圧ゾーン２０２を密封すること、および／または約０ｐｓｉｇから約２０ｐｓｉｇの範囲の圧力を有する低圧ゾーン２０４を密封することが可能である。これは、カソード１２０で形成された反応物または燃料、例えば水素などを例えば高圧ゾーン２００中で高度に圧縮することを可能にする。
【００４０】
[051]形状、厚さ、および幅などのポリマーシール１７５の寸法は、様々であってもよく、電気化学セル１００およびバイポーラプレート１６０の寸法に基づいていてもよい。ポリマーシール１７５の厚さは、例えば、約０．０１ｍｍから約０．０２５ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．０５ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．１ｍｍ、約０．１ｍｍから約０．２ｍｍ、約０．２ｍｍから約０．３ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．１ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．２ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．２５４ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．３ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．１ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．２ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．３ｍｍ、約０．１ｍｍから約０．２ｍｍ、または約０．１ｍｍから約０．３ｍｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、フレーム１７０とベース１８０との間に挟まれた別個の薄いポリマーフィルムであってもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、フレーム１７０もしくはベース１８０のいずれかの上に、またはフレーム１７０およびベース１８０の両方の上に、コーティングまたはラミネートすることができる。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、ベース１８０に面するフレーム１７０の表面および／またはフレーム１７０に面するベース１８０の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、隣接するセルのベース１８０に面するフレーム１７０の表面に適用されてもよいし、および／または隣接するセルのフレーム１７０に面するベース１８０の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、フレーム１７０および／またはベース１８０の表面の両方に適用されてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５の厚さの範囲がフレーム１７０の厚さの範囲と実質的に同じになるように、フレーム１７０は、ポリマーシール１７５の材料で形成されていてもよい。
【００４１】
[052]一部の実施態様において、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および／または第３のシール２６０は、本明細書に記載されるようなポリマーシール１７５で作製されていてもよいし、またはそれで置き換えられてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５は、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および／または第３のシール２６０と共に使用することができる。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および／または第３のシール２６０は、これらに限定されないが、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）、Ｔｏｒｌｏｎ（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド、およびポリスルホンなどのポリマーシール材料で作製されていてもよい。ポリマー材料は、耐酸性であってもよく、電気化学セル１００の作動に有害な材料を浸出させないものであり得る。一部の実施態様において、フレーム１７０および／またはベース１８０は、シールに役立つように設計された接着剤でコーティングされていてもよい。接着剤は、例えば、圧力または熱によって活性化される接着剤であってもよい。
【００４２】
[053]バイポーラプレート１６０を組み立てるときに、フレーム１７０およびベース１８０（図４には示されていない）を連結することができ、圧縮圧力を、フレーム１７０、ベース１８０、ならびにフレーム１７０および／またはベース１８０に適用されたポリマーシール１７５に適用することができる。一部の実施態様において、適用される最小の圧縮圧力は、ポリマーシール１７５の材料を変形させることによって密封表面を作り出すことができるように、ポリマーシール１７５の材料の降伏強度より大きくてもよい。一部の実施態様において、ポリマーシール１７５が適用されるフレーム１７０および／またはベース１８０の表面が実質的にポリッシングされており、密封表面を作り出すことができる場合、適用される最小の圧縮圧力は、必ずしもポリマーシール１７５の材料の降伏強度より大きくなくてもよい。密封表面は、フレーム１７０および／またはベース１８０の圧縮された領域で形成されていてもよい。以下の説明ではフレーム１７０について述べられるが、このような開示は、ベース１８０にも同等に適用可能である。
【００４３】
[054]図４で示されるように、例えば、フレーム１７０の圧縮された領域は、フレーム１７０の上面にわたり延在していてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０は、第１の端部１７１、第２の端部１７２、およびそれらの間に延在する細長い本体１７３を含む細長い形状を有していてもよい。一部の実施態様において、図４で示されるように、フレーム１７０の第１の端部１７１および第２の端部１７２は、細長い本体１７３と比較してより幅広な領域を有していてもよく、フレーム１７０の細長い本体１７３に沿った圧縮された領域は、フレーム１７０の第１の端部１７１および第２の端部１７２における圧縮された領域より狭いかまたはより小さくてもよい。圧縮荷重がフレーム１７０の圧縮された領域に適用されると、フレーム１７０の第１の端部１７１および第２の端部１７２における圧縮された領域は、接触面積における差により、フレーム１７０の細長い本体１７３に沿った圧縮された領域より小さい圧縮圧力を受ける可能性がある。このような状況は、フレーム１７０およびポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたり、不均一な圧縮圧力をもたらす可能性がある。これは、密封表面に沿ったどこかの場所、例えば圧縮圧力がより低い可能性があったり、一部の状況では、最小の圧縮圧力を満たさない可能性がある第１の端部１７１および第２の端部１７２に近い場所などで流体の漏れを引き起こす可能性がある。
【００４４】
[055]図５は、不均一な圧縮圧力が、フレーム１７０およびポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域に適用される場合の例を示す。圧縮圧力の規模は、斜線の密度で示される。図５で示されるように、フレーム１７０の第２の端部１７２における適用される圧縮圧力は、フレーム１７０の細長い本体１７３に適用される圧縮圧力より小さい。この実施例において、フレーム１７０の細長い本体１７３に沿った圧縮された領域に最小の圧縮圧力が適用される場合、最小の圧縮圧力より小さい圧縮圧力が、フレーム１７０の第２の端部１７２における圧縮された領域に適用される可能性があり、これは、例えば、高圧ゾーン２００から中圧ゾーン２０２への流体の漏れ、中圧ゾーン２０２から低圧ゾーン２０４へのもしくはバイポーラプレートの外部への漏れ、および／または低圧ゾーン２０４からバイポーラプレートの外部への漏れの潜在的リスクをもたらす。あるいは、フレーム１７０の第２の端部１７２における圧縮された領域に適用される圧縮圧力が、最小の圧縮圧力に等しいかまたはそれより十分高い場合、フレーム１７０の細長い本体１７３に沿った圧縮された領域に適用される圧縮圧力は、フレーム１７０の材料が耐え得る最大の圧縮圧力を実質的に超える可能性があり、そのため、過剰な圧縮圧力に順応するために、フレーム１７０のより多くの設計上の必要条件および／または念入りな設計を要することになり得る。
【００４５】
[056]フレーム１７０および／またはベース１８０ならびにポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域に適用される圧縮圧力の均一性を高めるために、フレーム１７０および／またはベース１８０は、フォースコンセントレーターパターン（force concentrator pattern）３００を画定することができる。図６で示されるように、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０および／またはベース１８０の上面および／または底面から隆起している表面であり得る。例えば、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の上面の化学エッチングまたは機械加工によって作製することができる。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０および／またはベース１８０の表面のプロファイルがフォースコンセントレーターパターン３００と実質的に同じになるように、フレーム１７０および／またはベース１８０を機械加工して、フレーム１７０および／またはベース１８０の材料を除去することによって作製することができる。例えば、第１の端部１７１および第２の端部１７２に近いフレーム１７０の一部の材料を除去するかまたはエッチングで取り去って、フォースコンセントレーターパターン３００を作製することができる。以下の説明では隆起した表面としてフォースコンセントレーターパターン３００について述べられるが、このような開示は、フレーム１７０および／またはベース１８０のプロファイルと実質的に同じフォースコンセントレーターパターン３００にも同等に適用可能である。
【００４６】
[057]図７で示されるように、例えば、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の上面より高い隆起した表面３００’とも記載することができる。このような実施態様において、ポリマーシール１７５は、フォースコンセントレーターパターン３００上にラミネートまたはコーティングされていてもよい。このような実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、ポリマーシール１７５によって形成されていてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００の厚さは、例えば、約０．０１ｍｍから約０．０２５ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．０５ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．１ｍｍ、約０．１ｍｍから約０．２ｍｍ、約０．２ｍｍから約０．３ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．１ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．２ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．２５４ｍｍ、約０．０２５ｍｍから約０．３ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．１ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．２ｍｍ、約０．０５ｍｍから約０．３ｍｍ、約０．１ｍｍから約０．２ｍｍ、または約０．１ｍｍから約０．３ｍｍであってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０もしくはベース１８０のいずれかの上にあってもよいし、またはフレーム１７０およびベース１８０の両方の上にあってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、ベース１８０に面するフレーム１７０の表面および／またはフレーム１７０に面するベース１８０の表面上にあってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、隣接するセルのベース１８０に面するフレーム１７０の表面上にあってもよいし、および／または隣接するセルのフレーム１７０に面するベース１８０の表面に適用されてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０および／またはベース１８０の表面の両方であってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００の厚さは、フレーム１７０および／またはベース１８０の厚さと実質的に同じであってもよい。
【００４７】
[058]図６および図７で示されるように、一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の細長い本体１７３にわたり、さらに、部分的に第１の端部１７１および／またはフレーム１７０の第２の端部１７２にわたり延在していてもよい。フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０にわたる、例えばフレーム１７０の長さにわたる圧縮された領域が概ねまたは全体的に連続または均一になるように、設計されていてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、高圧ゾーン２００からフレーム１７０の外側の縁へと延在していてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の細長い本体１７３の幅より狭くてもよい。例えば、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の内側の縁からフレーム１７０の外側の縁へと延在していてもよいし、またはそうでなくてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０の圧縮された領域、フォースコンセントレーターパターン３００の表面領域、およびポリマーシール１７５の密封表面の表面領域は、実質的に同じであってもよい。フォースコンセントレーターパターン３００の設計により、フレーム１７０およびポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたり、圧縮圧力を全体的に均一または一定にすることが可能である。一部の実施態様において、例えば第１の端部１７１および／または第２の端部１７２中におけるフォースコンセントレーターパターン３００の表面積を減少させることは、フレーム１７０およびポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたる圧縮圧力の均一性または平坦さを増加させることができる。
【００４８】
[059]図８は、フレーム１７０がフォースコンセントレーションパターン３００を有するバイポーラプレート１６０の例示的な実施態様を示す。圧縮荷重がフレーム１７０および／またはベース１８０に適用されているとき、適用される圧縮圧力は、フレーム１７０のフォースコンセントレーターパターン３００、フレーム１７０および／またはポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたり、全体的に均一に分布されていてもよい。フレーム１７０の長さにわたる圧縮された領域は、約２ｃｍ２／ｃｍから約４ｃｍ２／ｃｍ、約２ｃｍ２／ｃｍから約６ｃｍ２／ｃｍ、約２ｃｍ２／ｃｍから約８ｃｍ２／ｃｍ、約２ｃｍ２／ｃｍから約１０ｃｍ２／ｃｍ、約４ｃｍ２／ｃｍから約６ｃｍ２／ｃｍ、約４ｃｍ２／ｃｍから約８ｃｍ２／ｃｍ、約４ｃｍ２／ｃｍから約１０ｃｍ２／ｃｍ、約５ｃｍ２／ｃｍから約７ｃｍ２／ｃｍ、約６ｃｍ２／ｃｍから約８ｃｍ２／ｃｍ、約６ｃｍ２／ｃｍから約１０ｃｍ２／ｃｍの範囲であり得る。一部の実施態様において、中間ポート２２０および／または低圧ポート２３０の間の繰り返しの距離は、約１ｃｍから約３ｃｍの範囲であり得る。一部の実施態様において、フレーム１７０および／またはベース１８０の長さは、約１５ｃｍから約３０ｃｍ、約１５ｃｍから約５０ｃｍ、約１５ｃｍから約８０ｃｍ、約１５ｃｍから約１００ｃｍ、約３０ｃｍから約５０ｃｍ、約３０ｃｍから約８０ｃｍ、約３０ｃｍから約１００ｃｍ、約５０ｃｍから約８０ｃｍ、約５０ｃｍから約１００ｃｍ、または約８０ｃｍから約１００ｃｍの範囲であり得る。一部の実施態様において、フレーム１７０および／またはベース１８０の幅は、約５ｃｍから約１０ｃｍ、約１０ｃｍから約２０ｃｍ、約２０ｃｍから約３０ｃｍ、約５ｃｍから約２０ｃｍ、約５ｃｍから約３０ｃｍ、約１０ｃｍから約３０ｃｍ、または約２０ｃｍから約３０ｃｍの範囲であり得る。
【００４９】
[060]一部の実施態様において、フレーム１７０の圧縮された領域、フォースコンセントレーターパターン３００の表面領域、および／またはポリマー材料１７５の密封表面の表面領域は、約５０ｃｍ２から約１００ｃｍ２、約１００ｃｍ２から約２００ｃｍ２、約２００ｃｍ２から約３００ｃｍ２、約３００ｃｍ２から約４００ｃｍ２、約４００ｃｍ２から約５００ｃｍ２、約５００ｃｍ２から約６００ｃｍ２、約６００ｃｍ２から約７００ｃｍ２、約７００ｃｍ２から約８００ｃｍ２、約８００ｃｍ２から約９００ｃｍ２、約９００ｃｍ２から約１０００ｃｍ２、約１０００ｃｍ２から約１１００ｃｍ２、約１１００ｃｍ２から約１２００ｃｍ２、約１２００ｃｍ２から約１３００ｃｍ２、約１３００ｃｍ２から約１４００ｃｍ２、または約１４００ｃｍ２から約１５００ｃｍ２の範囲であり得る。一部の実施態様において、フレーム１７０および／またはポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域に沿って分布する全体的に均一な圧縮圧力は、約５，０００ｐｓｉｇから約１０，０００ｐｓｉｇ、約５，０００ｐｓｉｇから約２０，０００ｐｓｉｇ、約５，０００ｐｓｉｇから約３０，０００ｐｓｉｇ、約５，０００ｐｓｉｇから約４０，０００ｐｓｉｇ、約１０，０００ｐｓｉｇから約４０，０００ｐｓｉｇ、約１０，０００ｐｓｉｇから約３０，０００ｐｓｉｇ、約１０，０００ｐｓｉｇから約２０，０００ｐｓｉｇ、約２０，０００ｐｓｉｇから約３０，０００ｐｓｉｇ、約２０，０００ｐｓｉｇから約４０，０００ｐｓｉｇ、または約３０，０００ｐｓｉｇから約４０，０００ｐｓｉｇの範囲であり得る。
【００５０】
[061]図９は、本明細書に記載されるようなフォースコンセントレーターパターン３００を利用する場合、フレーム１７０およびポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたり全体的に均一な圧縮圧力が分布される例を例示する。圧縮圧力の規模は、斜線の密度で示される。図９において斜線の密度が均一であることは、フレーム１７０の圧縮された領域にわたる圧縮圧力の規模が全体的に均一であることを示す。図９で示されるように、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の第１の端部１７１における圧縮された領域を少なくし、したがって、第１の端部１７１およびフレーム１７０の細長い本体１７３にわたり延在する圧縮された領域をほぼ一定にすることが可能になり、結果としてフレーム１７０およびポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたり全体的に均一なまたは均等な圧縮圧力の分布が生じる。一部の実施態様において、例えば、圧縮荷重が約１，０００，０００ポンドとすると、フォースコンセントレーターパターン３００の面積およびフレーム１７０の圧縮面積は、約５０インチ２であってもよく、したがって圧縮圧力は、フレーム１７０にわたり約２０，０００ｐｓｉｇであってもよい。この実質的に均一なまたは均等な圧縮圧力の分布は、高圧ゾーン２００からの流体の漏れの可能性を低減するかまたは防ぐことができる。一部の実施態様において、フレーム１７０および／またはポリマーシール１７５の密封表面の圧縮された領域にわたる圧縮圧力の変動は、約２％以下、約５％以下、約８％以下、約１０％以下、約１５％以下、または約２０％以下でもよい。
【００５１】
[062]一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０にわたり不連続であってもよい。例えば、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０の角に別個の部分を包含していてもよい。例えば、図１０で示されるように、角の部分３１０は、フォースコンセントレーターパターン３００の一部としての、フレーム１７０に追加された同様に隆起した表面であってもよい。角の部分３１０は、フォースコンセントレーターパターン３００と同じ方式でのフレーム１７０の化学エッチングまたは機械加工によって作製することができる。角の部分３１０は、フォースコンセントレーターパターン３００の厚さと同じ厚さを有していてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００の表面領域は、フレーム１７０に角の部分３１０を追加することによって低減することができる。一部の実施態様において、角の部分３１０およびフォースコンセントレーターパターン３００は、一緒になって、フレーム１７０および密封表面１７５の圧縮された領域をほぼ連続にすることができ、したがって、圧縮圧力をフレーム１７０にわたり全体的に均一または均等に分布させることができる。
【００５２】
[063]一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、ポリマーシール１７５に形成されていてもよい。例えば、ポリマーシール１７５は、フォースコンセントレーターパターン３００にわたりより厚い厚さを有し、他の領域にわたりより薄い厚さを有していてもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０および／またはベース１８０の統合された部分であってもよい。一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００は、フレーム１７０および／もしくはベース１８０の選択された表面上にあってもよいし、または両方の表面上にあってもよい。一部の実施態様において、ＥＨＣスタック中の各ＥＨＣセルが、フォースコンセントレーターパターン３００を有していてもよい。
【００５３】
[064]一部の実施態様において、フォースコンセントレーターパターン３００の使用は、フレーム１７０およびベース１８０に適用される圧縮荷重の量に関する必要条件を低減させることができる。圧縮荷重に関する必要条件の低減は、フレーム１７０の材料およびベース１８０に関する必要条件の低減をもたらすことができ、フレーム１７０およびベース１８０に使用される材料の広範囲な選択を可能にする。一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、同じ材料で形成されていてもよいし、または異なる材料で形成されていてもよい。フレーム１７０およびベース１８０は、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属、または例えばニッケルクロム合金、ニッケル−スズ合金、インコネル、モネル、ハステロイなどの金属合金、またはそれらの組合せで形成されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０はまた、ポリマー、複合材料、セラミック、または組み立て時にＥＨＣセルまたはＥＨＣスタックに適用される圧縮荷重、力および／または圧力に耐えることが可能なあらゆる材料で形成されていてもよい。
【００５４】
[065]一部の実施態様において、フレーム１７０およびベース１８０は、１つまたはそれより多くの領域に、クラッド材料、例えば、ステンレス鋼とクラッドされたアルミニウムを包含していてもよい。クラッディングは、両方の金属の利点を提供することができ、例えば、ステンレス鋼−クラッドアルミニウムから製作されたバイポーラプレートの場合、ステンレス鋼は、セル作動中にアルミニウムのコアを腐食から保護し、一方で、高い重量比強度、高い熱伝導率、および高い導電率などのアルミニウムの優れた材料特性を提供する。一部の実施態様において、フレーム１７０としては、陽極酸化処理された、密封された（sealed）、および下塗り処理されたアルミニウムを挙げることができる。一部の実施態様において、フレーム１７０としては、クロメート処理された、およびスプレーコーティングされたアルミニウムを挙げることができる。
【００５５】
[066]一部の実施態様において、フレーム１７０は、複合材料、例えば炭素繊維、グラファイト、ガラス強化ポリマー、および熱可塑性の複合材料などで形成されていてもよい。一部の実施態様において、フレーム１７０は、腐食と電気伝導の両方を防ぐためにコーティングされた金属で形成されていてもよい。様々な実施態様によれば、フレーム１７０は、全体的に非導電性であってもよく、電気化学セル間の短絡のおそれを低減する。ベース１８０は、セル作動中に導電性に加えて耐食性を提供する１つまたはそれより多くの材料で形成されていてもよい。例えば、ベース１８０は、活性なセル要素が設置されている領域（例えば、フロー構造、ＭＥＡなど）で導電性であるように設計されていてもよい。
【００５６】
[067]要素（例えば、ポリマーシール１７５、第１のシール２４０、第２のシール２５０、第３のシール２６０、フレーム１７０、およびベース１８０）の材料および幾何学的配置を選択する際に考慮されると予想される要因および特性としては、少なくとも、フォースコンセントレーターパターン３００の設計、圧縮荷重の条件、材料の適合性、密封圧力の条件、材料コスト、製造コスト、および製造の容易さを挙げることができる。本明細書に記載されるフォースコンセントレーションパターン３００で好適になる様々な材料は、より安価な材料の選択およびより少ないコストでの製造を可能にする。例えば、より低コストの製品であるプラスチック（本明細書にその一部が列挙される）を、ポリマーシール（例えば、ポリマーシール１７５、第１のシール２４０、第２のシール２５０、および第３のシール２６０）に使用することができる。加えて多要素のバイポーラプレートは、プレート上の複雑な細部のために従来の高コストなミリングの使用を必要とすることから、製造するのに費用がかかる可能性がある。本明細書に記載されるようなポリマーシール１７５およびフォースコンセントレーターパターン３００を利用することは、バイポーラプレート１５０および１６０の製造のコストおよび複雑さを低減することができる。例えば、フレーム１７０およびベース１８０は、フォースコンセントレーターパターン３００と一緒に製造されてもよく、それにより、ポリマーシール１７５の使用とポリマーシール１７５の密封表面に沿った全体的に均一な圧縮圧力分布が可能になることで、バイポーラプレート１５０および１６０の厚さ、製造コスト、および製造の複雑さを低減することができる。
【００５７】
[068]本明細書に記載される特徴は、電気化学セルの他の要素を密封することにも使用することができ、および／またはカスケードシール配置を採用していないセルにも使用することができることが理解される。
【００５８】
[069]本発明の開示の他の実施態様は、明細書の考察と本明細書に記載の本発明の開示の実施から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。
【符号の説明】
【００５９】
１００  電気化学セル
１１０  アノード
１２０  カソード
１３０  プロトン交換膜（ＰＥＭ）
１４０  膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
１５０、１６０  バイポーラプレート
１７０  フレーム
１７１  第１の端部
１７２  第２の端部
１７３  細長い本体
１７５  ポリマーシール、ポリマー材料、密封表面
１７８  チャネル
１８０  ベース
１９０  空隙
２００  高圧ゾーン
２０２  中圧ゾーン
２０４  低圧ゾーン
２１０  高圧ポート
２１２  第１の流体
２１４  第２の流体
２１６  第３の流体
２２０  中圧ポート
２３０  低圧ポート
２４０  第１のシール
２５０  第２のシール
２６０  第３のシール
３００  フォースコンセントレーターパターン、フォースコンセントレーションパターン
３００’  表面
３１０  角の部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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