(57)【要約】多成分バイポーラプレートをシールする方法が開示される。本方法は、第１の要素と第２の要素との間に第１のシールを挿入する工程であって、第１のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの表面上に形成された第１の複数の突起に整合させる、工程を包含していてもよい。本方法はまた、第１の要素および第２の要素を圧縮して、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通を引き起こす工程も包含していてもよい。本方法はさらに、第１の要素と第２の要素との間に第１のシール表面を作り出すために、第１のシールを塑性変形させる工程を包含していてもよい。【選択図】図９
2017532448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多成分バイポーラプレートをシールする方法であって、
第１の要素と第２の要素との間に第１のシールを挿入する工程であって、第１のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの表面上に形成された第１の複数の突起に整合させる、工程；
第１の要素および第２の要素を圧縮して、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通を引き起こす工程；および
第１の要素と第２の要素との間に第１のシール表面を作り出すために、第１のシールを塑性変形させる工程
を含む、上記方法。
【請求項２】
第１の要素と第２の要素との間に第２のシールを挿入する工程であって、第２のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの上に形成された第２の複数の突起に整合させ、第１の要素および第２の要素を十分な力で圧縮することは、第２のシールへの第２の複数の突起の貫通および第２のシール表面の形成をもたらす、工程
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の要素と第２の要素との間に接着剤を挿入する工程であって、該接着剤は、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通の深さを制御するように設計されている、工程
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記接着剤は、第１のシールと同じ材料を包含し、第１のシールより高粘度である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第１の複数の突起は、他の突起を超えて伸長し、硬いとして機能するように設計される少なくとも１つの突起を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記超えて伸長する少なくとも１つの突起は、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通の深さを制御するように設計されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第１の要素と第２の要素との間にスペーサーを挿入する工程をさらに含み、該スペーサーは、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通の深さを制御し、第１の要素と第２の要素との間のギャップ高さを決定するように設計されている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の複数の突起は、異なる高さの突起を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第１の複数の突起は、ナイフエッジ型の突起である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記接着剤は、第１の要素と第２の要素との間の第２のシールとして機能する、請求項３に記載の方法。
【請求項１１】
第１の要素および第２の要素；および
第１の要素と第２の要素との間に挿入されるように設計された第１のシール
を含むバイポーラプレートシステムであって、
第１のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの上に形成された第１の複数の突起に整合されており；
第１の要素および第２の要素の圧縮は、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通を引き起こすように設計されており、それによって第１のシールの塑性変形を引き起こして、第１の要素と第２の要素との間に第１のシール表面が作り出される、上記バイポーラプレートシステム。
【請求項１２】
第１の要素と第２の要素との間に挿入されるように設計された第２のシールをさらに含み、第２のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの上に形成された第２の複数の突起に整合されており、第１の要素および第２の要素の圧縮は、第２のシールへの第２の複数の突起の貫通を引き起こすように設計されており、第１の要素と第２の要素との間に第２のシール表面が作り出される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
第１の要素と第２の要素との間に接着剤をさらに含み、該接着剤は、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通の深さを制御するように設計されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記接着剤は、第１のシールと同じ材料を包含し、第１のシールより高粘度である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
第１の複数の突起は、他の突起を超えて伸長し、硬い止め具として機能するように設計される少なくとも１つの突起を包含する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記超えて伸長する少なくとも１つの突起は、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通の深さを制御するように設計されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
第１の要素と第２の要素との間に挿入されるスペーサーをさらに含み、該スペーサーは、第１のシールへの第１の複数の突起の貫通の深さを制御し、第１の要素と第２の要素との間のギャップ高さを決定するように設計されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
第１の複数の突起は、異なる高さの突起を包含する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
第１の複数の突起は、ナイフエッジ型の突起である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
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配置された膜電極接合体
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つの要素；および
少なくとも２つの要素の間に挿入され、複数の突起と整合されるように設計されたシール
を含み、少なくとも２つの要素の圧縮は、第１のシールへの複数の突起の貫通を引き起こすように設計されており、それによって第１のシールの塑性変形を引き起こして、第１の要素と第２の要素との間に第１のシール表面を作り出す、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、２０１４年８月２８日付けで出願された米国仮出願第６２／０４２，８８４号の利益を主張し、参照によりその全体が開示に組み入れられる。
[002]本発明は、シール設計、特に、電気化学セルの多成分バイポーラプレートのためのシール設計に関する。
【０００２】
[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生成したり、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、電気と、熱および水である廃棄物とに変換する。基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。
【０００３】
[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燃料電池において、水素原子は、アノードで電気化学的に電子とプロトン（水素イオン）とに分離される。電子は回路を通ってカソードに流れて電気を生成させ、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、水および熱を生成することができる。
【０００４】
[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。基礎的な電解セルは、外部の電位が印加されると、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。
【０００５】
[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含んでいてもよい。水素を含有するガスは、第１の電極と接触することができ、電位差は、第１の電極と第２の電極との間に印加することができる。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つの電子と２つのプロトンとを生成することができる。２つのプロトンは、膜を介してセルの第２の電極に電気化学的に移動され、そこでそれらは、２つの別ルートの電子と再結合し、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
[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。個々のセルが生成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得る。
【０００６】
[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させて、多段階ＥＨＣを形成してもよい。多段階ＥＨＣにおいて、ガスのフローパスは、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り得るように設計されていてもよい。或いは、一段階セルを平行して連結させて、ＥＨＣの処理能力（すなわち、総ガス流速）を増加させてもよい。一段階および多段階ＥＨＣの両方において、セルをスタックすることができ、各セルは、カソード、電解質膜、およびアノードを包含することができる。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り支持される。機械的な支持体を提供することに加えて、バイポーラプレートは、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／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。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、チタンなどから、および非金属の電気導体、例えばグラファイトから作製される。
【０００７】
[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に対する実用的な代替技術として出現した。エネルギー担体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、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左右される。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的な形態である。水素を高圧で貯蔵することは、高エネルギー密度をもたらすという利点がある。
【０００８】
[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、相当量のエネルギーの使用、可動部の磨滅、過剰なノイズ、嵩高な器具、および水素脆化である。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は相当量である。対照的に、電気化学的圧縮は、静かであり、拡張性があり、モジュール式であり、さらに高いエネルギー効率を達成することができる。
【０００９】
[011]電気化学的な水素圧縮に関する１つの課題は、加圧された水素ガスに関する安全性の懸念である。水素ガスは極めて可燃性が高く、高圧の水素ガスは安全性の問題を引き起こす。主な懸念としては、高圧ガスの電気化学的圧縮機から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、安全上の危険となり得る。
【００１０】
[012]さらに、重大な安全性の懸念のレベルを上昇させないであろう小さい漏出でさえも、なお電気化学的圧縮機の効率を低減する。それゆえに、水素の漏出を防ぐかまたは低減する必要がある。
【００１１】
[013]上述の状況を考慮して、本発明は、セルからの水素の予期せぬ放出を制限するために構築されたカスケード式のシールを有する電気化学セルに関する。加えて、カスケード式のシール配置は、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。
【００１２】
[014]本発明の開示の一形態は、多成分バイポーラプレートをシールする方法に関する。本方法は、第１の要素と第２の要素との間に第１のシールを挿入する工程であって、第１のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの表面上に形成された第１の複数の突起に整合させる、工程を包含していてもよい。本方法はまた、第１の要素および第２の要素を圧縮して、第１のシールへ第１の複数の突起を貫通させる工程を包含していてもよい。本方法はさらに、シール表面を作り出すために、第１の要素と第２の要素との間で第１のシールを塑性変形させる工程を包含していてもよい。
【００１３】
[015]本発明の開示の他の形態は、バイポーラプレートシステムに関する。本システムは、第１の要素、第２の要素および第１の要素と第２の要素との間に挿入されるように設計された第１のシールを包含していてもよく、第１のシールは、第１の要素および第２の要素の少なくとも１つの上に形成された第１の複数の突起に整合させる。本システムはまた、第１の要素および第２の要素の圧縮が、第１のシールへ第１の複数の突起を貫通させるように設計されており、それによって第１のシールの塑性変形を引き起こして、第１の要素と第２の要素との間にシール表面を作り出すように設計されていてもよい。
【００１４】
[016]本発明の開示の他の形態は、電気化学セルに関する。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配置された膜電極接合体を包含していてもよく、各バイポーラプレートは、少なくとも２つの要素およびシールを含む。シールは、少なくとも２つの要素の間に挿入され、複数の突起と整合されるように設計されていてもよく、少なくとも２つの要素の圧縮は、第１のシールへ複数の突起を貫通させるように設計されており、それによって第１のシールの塑性変形を引き起こして、第１の要素と第２の要素との間にシール表面を作り出す。
【００１５】
[017]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ものとする。
[018]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】
【００１６】
【図１】[019]図１は、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側面図である。
【図２Ａ】[020]図２Ａは、電気化学セルの一部の正面図であり、例示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。
【図２Ｂ】[021]図２Ｂは、例示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】[022]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】[023]図３Ｂは、例示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断面図である。
【図４Ａ】[024]図４Ａは、例示的な実施態様に係る第１の配置を示す電気化学セルの一部の断面図である。
【図４Ｂ】[025]図４Ｂは、例示的な実施態様に係る第２の配置を示す電気化学セルの一部の断面図である。
【図４Ｃ】[026]図４Ｃは、例示的な実施態様に係る第３の配置を示す電気化学セルの一部の断面図である。
【図５】[027]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】[028]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】[029]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】[030]図８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。
【図９】[031]図９中、図９Ａ〜図９Ｄは、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートの一部の断面図である。
【図１０】[032]図１０中、図１０Ａ〜図１０Ｃは、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートの一部の断面図である。
【図１１】[033]図１１は、例示的な実施態様に係るバイポーラプレートの一部の断面の図解である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
[034]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、その実施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、水素精製器、水素エキスパンダー、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と共に採用され得ることが理解される。
【００１８】
[035]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を含んでいてもよい。アノード１１０、カソード１２０、および合わされたＰＥＭ１３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４０を含んでいてもよい。ＰＥＭ１３０は、純粋な高分子膜を含んでいてもよいし、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などの他の材料を高分子マトリックス中に埋め込むことができる複合膜を含んでいてもよい。ＰＥＭ１３０は、電子は伝導させずに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含んでいてもよい。触媒材料、例えば白金は、電気化学反応の速度を増すことができる。
【００１９】
[036]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することができ、それぞれの水素のための電極表面への通路を提供し、さらに圧縮された水素の除去の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）のためのアクセスチャネルも包含することができる。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することができる。バイポーラプレート１５０、１６０は、電気化学セル１００を、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）から分離することができる。一部の実施態様において、バイポーラプレート１５０、１６０は、バイポーラプレート１５０、１６０のそれぞれの側が異なるＭＥＡ１４０と接触した状態になるように、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が連続して連結されて、多段階電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）を形成してもよいし、または平行してスタックされて、一段階ＥＨＣを形成してもよい。２つの隣接する電気化学セル１００にバイポーラプレート（１５０、１６０）を利用することによって、スタックをよりコンパクトにすることができることから、各電気化学セルがそれ自体のバイポーラプレートのセットを有し得るスタックと比較して、設置面積を小さくする。
【００２０】
[037]操作中、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に供給されてもよい。アノード１１０とカソード１２０との間に電位が印加されてもよく、その場合、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での水素が酸化されることにより、水素を電子とプロトンとに分けることができる。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では、輸送されたプロトンと迂回した電子が還元されて、水素を形成する。カソード１２０で水素が形成されればされるほど、限定されたスペース内で水素を圧縮および加圧することができる。
【００２１】
[038]電気化学セル１００内において、複数の異なる圧力ゾーンおよび複数のシールは、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１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１を包含していてもよい。第１のシール１７１は、第２のシール１８１内にその全体が含まれていてもよく、第２のシール１８１は、第３のシール１９１内にその全体が含まれていてもよい。加えて、複数のシールは、補助的な第１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１のシール１７１の外側に、ただし第２のシール１８１内に配置されていてもよい。
【００２２】
[039]第１のシール１７１は、高圧ゾーン１７０を画定し、高圧ゾーン１７０内に第１の流体１７２（例えば、水素）を封じ込めるように設計されていてもよい。第１のシール１７１は、高圧ゾーン１７０の外側境界を区切ることができる。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中に収集されて、第１のシール１７１に封じ込めることもできる。高圧ゾーン１７０内の水素が封じ込められることにより、結果として、高圧ゾーン１７０で水素が形成されればされるほど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、１５，０００ｐｓｉより大きい圧力に圧縮されてもよい。
【００２３】
[040]補助的な第１のシール１７５、１７６は、高圧ゾーン１７０と流体連結することができる２つの補助的な高圧ゾーン１７７、１７８を画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１の流体１７２を排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、マルチセル電気化学的圧縮機中の隣接する電気化学セルの共通の通路と流体連結することができる。
【００２４】
[041]第２のシール１８１は、中圧ゾーン１８０を画定し、中圧ゾーン１８０内に第２の流体１８２を封じ込めるように設計されていてもよい。第２のシール１８１は、中圧ゾーン１８０の外側境界を区切ることができる。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２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、ＰＥＭ１３０を通過してカソード１２０および高圧ゾーン１７０に「ポンプ輸送」されるまで、第２のシール１８１によって中圧ゾーン１８０に封じ込められてもよい。中圧ゾーン１８０内の第２の流体１８２は、供給される圧力に基づいて変更することができる。いずれにせよ、中圧ゾーン１８０中の第２の流体１８２は、一般的に、高圧ゾーン１７０中の第１の流体１７２より低圧であってもよい。
【００２５】
[042]第３のシール１９１は、低圧ゾーン１９０を画定し、低圧ゾーン１９０内に第３の流体１９２を封じ込めるように設計されていてもよい。第３のシール１９１は、低圧ゾーン１９０の外側境界を区切ることができる。低圧ゾーン１９０は、冷却流体の通路を含んでいてもよく、第３の流体１９２は、冷却流体を含んでいてもよい。冷却流体としては、水、グリコール、またはそれらの組合せを挙げることができる。高温では、冷却流体としてシステム油を使用することができる。第３の流体１９２は、一般的に、中圧ゾーン１８０中の第２の流体１８２および高圧ゾーン１７０中の第１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３の流体１９２が低圧ゾーン１９０を通っ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。
【００２６】
[043]図２Ｂで示されるような代替の実施態様において、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は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。
【００２７】
[044]図３Ａは、図２Ａの面Ａ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間で、第１のシール１７１は、高圧ゾーン１７０をシールするように設計されていてもよく、第２のシール１８１は、中圧ゾーン１８０をシールするように設計され、第３のシール１９１は、低圧ゾーン１９０をシールするように設計される。図３Ａにおいて、第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１はそれぞれ、前に図２Ａで示したように単一の連続的なシールの２つの別々の断面図として示すことができる。
【００２８】
[045]図３Ａで示されるように、第１のシール１７１は、第１のショルダー１７３に対して位置していてもよい。第１のショルダー１７３は、高圧ゾーン１７０内で加圧することができるように第１のシール１７１の位置を維持す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１のシール１７１に対して外側に向かう力をかけることができる。第１のショルダー１７３の高さは、第１のシール１７１の圧縮されていない厚さの約９８％から約２５％の範囲であってもよい。
【００２９】
[046]図３Ａに示される特定の実施態様では、第１のシール１７１の内側に配置されたショルダーはない。図３Ａで示されるように内側のショルダーがないことによって、第１のシール１７１を、ＭＥＡ１４０またはそれらの一部と合わせる、それと合体させる、それと接続させる、またはそれに統合することを可能にする。第１のシール１７１をＭＥＡ１４０に統合させることは、電気化学セル１００の、一貫した、効率的な、能率的な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１のシール１７１の内側に位置していてもよく、このような追加のショルダーは、第１のシール１７１を位置させることができる溝を作るように設計されていてもよい。
【００３０】
[047]ここで再度図３Ａを参照すると、第２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２の溝１８３中に位置していてもよい。第２の溝１８３および第２のシール１８１の内側に、中圧ゾーン１８０があってもよく、第２の溝１８３および第２のシール１８１の外側に、低圧ゾーン１９０があってもよい。第２の溝１８３の深さは、第２のシール１８１の圧縮されていない厚さの約９８％から約２５％の範囲であってもよい。
【００３１】
[048]第３のシール１９１は、図３Ａで示されるように、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３の溝１９３中に位置していてもよい。第３の溝１９３および第３のシール１９１の内側に、低圧ゾーン１９０があってもよく、第３の溝１９３および第３のシール１９１の外側に、電気化学セル１００の周囲環境があってもよい。第３の溝１９３の深さは、第３のシール１９１の圧縮されていない厚さの約９８％から約２５％の範囲であってもよい。
【００３２】
[049]組立ての間、バイポーラプレート１５０、１６０間の第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３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、上記シールの圧縮されていない厚さの予め決定されたパーセンテージに圧縮されてもよい。第１のショルダー１７３、ならびに第２の溝１８３および第３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のための止め具として作用することができる。止め具として作用することによって、シールを圧縮し過ぎる可能性を低減することができる。表面が平行な場合に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、第１のショルダー１７３ならびに第２の溝１８３および第３の溝１９３を形成するショルダーの高さは等しくてもよい。
【００３３】
[050]図３Ａおよび３Ｂで示されるように、バイポーラプレート１６０は、機構（例えば、第１のショルダー１７３、第２の溝１８３、第３の溝１９３など）の全部または大部分がバイポーラプレート１６０に形成されるように設計されていてもよい。１つのプレート（例えば、バイポーラプレート１６０）に機構の全部または大部分を形成することによって、他のプレートを簡易化して、製造コストを下げることができる。代替の実施態様において（示されていない）、第２の溝１８３および第３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２の溝１８３は、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３の溝１９３は他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２の溝１８３および第３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。
【００３４】
[051]第２の溝１８３および第３の溝１９３は、第２のシール１８１および第３のシール１９１の形に対応する断面形状を有していてもよい。例えば、シールおよび溝の断面形状は、四角形、長方形、三角形、多角形、円形、または楕円形であってもよい。様々な実施態様において、第２のシール１８１および第３のシール１９１の幅は、対応する溝より小さくてもよい。溝における追加のスペースは、内部の流体による温度変化、圧力変化、およびバイポーラプレートの圧縮による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、シールは外側よりも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、外に向かって溝内で最も外側の位置に押し付けられる可能性がある。
【００３５】
[052]他の実施態様において、溝（例えば、第２の溝１８３および第３の溝１９３）の深さは、ゼロ近くまで低減するかまたは無くすことができ、第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１は、カスケード配置を維持するように設計された拡大パターンでカットすることができる平坦なガスケット材料で形成されていてもよい。例えば、第１のシール１７１を超えて漏出した第１の流体は、中圧ゾーン１８０中に収集されてもよい。
【００３６】
[053]第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１は、ガスケット、Ｏ−リング、または他のシール要素であってもよい。第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３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）などで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く、材料は、シールのうち２つ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あってもよい。
【００３７】
[054]材料と同様に、各シールの厚さは、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２のシール１８１の厚さは、第１のシール１７１の厚さより大きく、第３のシール１９１の厚さは、第２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３のシール１９１は、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１のシール１７１は、最小の厚さを有していてもよい。例えば、第１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く、第２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く、第３のシール１９１の厚さは、約０．０３ｍｍから３．０ｍｍの間の範囲であってもよい。
【００３８】
[055]第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１の断面形状が円形または楕円形であり得る実施態様について、上述したような厚さは、円形または楕円形の断面の直径を指す場合がある。
【００３９】
[056]図３Ｂで示されるように、電気化学セル１００の作動中、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付与された第１の流体１７２、第２の流体１８２、および第３の流体１９２の圧力は、開口力２００を生じさせる可能性がある。開口力２００は、対抗する力がないと、バイポーラプレート１５０、１６０を分離させる可能性がある。開口力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を付与して、開口力２００に対抗してそれに打ち勝つことができる。第１の流体１７２、第２の流体１８２、および第３の流体１９２の圧力は、開口力２００を表す複数の矢印で表された力より多くの力を生じるであろうことが理解される。例えば、開口力２００に垂直な横方向の力（示されていない）、加えてあらゆる可能な方向に、各圧力ゾーンから外に向かう他の力が生じるであろう。
【００４０】
[057]図４Ａは、第１の配置での電気化学セル１００の断面を示す。閉鎖力２１０が開口力２００に打ち勝って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１の配置を維持することができる。第１の配置において、第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１が全て、バイポーラプレート１５０、１６０の上部および下部のシール表面の両方と接触することにより、第１の流体１７２、第２の流体１８２、または第３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。
【００４１】
[058]電気化学セル１００が第１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表面間における分離の実際の測定値は変化する可能性がある。例えば、分離は、約０．００ｍｍから、約０．０１ｍｍまで、約０．０５ｍｍまで、約０．１０ｍｍまでの範囲であり得る。分離は、実際の物理的な分離、つまり力２１０および２００の釣り合いが動作の範囲を越えて変化したときのバイポーラプレート材料の局所的な弾性変形でありうる。
【００４２】
[059]図４Ｂは、第２の配置での電気化学セル１００の断面を示す。閉鎖力２１０が低減するかまたは開口力２００が増加して（例えば、第１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ときに、電気化学セル１００は、第２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１の分離により、第１のシール１７１が取り去られて、高圧ゾーン１７０から中圧ゾーン１８０への第１の流体１７２の迂回が起こる可能性がある。図４Ｂに示される特定の実施態様において、まず第１のシール１７１がバイポーラプレート１６０から外れて、第１のシール１７１の下とその周辺で第１の流体１７２の流動が起こることが示される。しかしながら、代替の実施態様において（示されていない）、まず第１のシール１７１がバイポーラプレート１５０から外れて  、第１の流体１７２が、第１のシール１７１とＭＥＡ１４０との間を通過することによって第１のシール１７１を超えて流動する可能性があることが理解される。
【００４３】
[060]高圧ゾーン１７０から中圧ゾーン１８０への第１の流体１７２の流動は、第１の流体１７２と第２の流体１８２との圧力差によって引き起こされる可能性があり、最も小さい抵抗のパスに入る可能性がある。第１のシール１７１は、厚さを第２のシール１８１および第３のシール１９１未満にすることによって、最初に取り去られるシールになるように設計されていてもよい。また第１のシール１７１は、シール材料１７１の内部応力に打ち勝つ流体の圧力を最初に受けるものであってもよい。これは、第２の配置に示すバイポーラプレート１５０、１６０の第１の分離にも関わらず、第３のシール１９１および第２のシール１８１の両方のシール表面との接触を維持しながら、流体がいずれかのシールを迂回することを防ぐことを可能にする。
【００４４】
[061]電気化学セル１００が第２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１の分離の実際の測定値は変化し得る。例えば、第１の分離は、約０．０１ｍｍから、約０．０５ｍｍまで、約０．１０ｍｍまで、約０．２５ｍｍまでの範囲であり得る。或いは、シール表面との密な接触を維持するシール材料の能力より流体圧力が勝っている限りは、例えば、流体圧力がシール材料中の内部応力より大きい場合、物理的な分離は、約０．００ｍｍであり得る。
【００４５】
[062]図４Ｃは、第３の配置での電気化学セル１００の断面を示す。閉鎖力２１０がさらに低減するかまたは開口力２００がさらに増加して、バイポーラプレート１５０、１６０が第２の分離を起こすときに、電気化学セル１００は、第３の配置に変化し得る。分離は、実際の物理的な分離、つまり力２１０および２００の釣り合いが動作の範囲を越えて変化したときのバイポーラプレート材料の局所的な弾性変形でありうる。図４Ｃで示されるように、バイポーラプレート１５０、１６０の第２の分離により、第１のシール１７１および第２のシール１８１の両方が取り去られて、高圧ゾーン１７０からの第１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２の流体１８２の迂回が起こり得る。図４Ｃに示される特定の実施態様において、まず第２のシール１８１がバイポーラプレート１５０から取り去られ、第２のシール１８１を超える第２の流体１８２の流動が起こることが示される。しかしながら、代替の実施態様において（示されていない）、まず第２のシール１８１がバイポーラプレート１６０から取り去られて、第２のシール１８１の下とその周辺で第２の流体１８２の流動が起こり得ることが理解される。
【００４６】
[063]中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０への第２の流体１８２の流動は、第２の流体１８２と第３の流体１９２との圧力差によって引き起こされ得る。第２のシール１８１は、第１のシール１７１より高粘度であるが第３のシール１９１ほど高粘度ではないことで、２番目に取り去られるシールになるように設計されていてもよい。それゆえに、第３のシール１９１は、第１のシール１７１および第２のシール１８１の両方より高粘度でもよいので、第３のシール１９１は、両方のシール表面との接触を維持し、バイポーラプレート１５０、１６０が第２の分離にも関わらず流れが迂回することを防ぐことができる。
【００４７】
[064]電気化学セル１００が第３の配置である場合、上述したように、第２の分離の実際の測定値は変化し得る。例えば、第２の分離は、約０．０５ｍｍから、約０．２５ｍｍまで、約０．５０ｍｍまでの範囲であり得る。或いは、シール表面との均一な接触を維持するシール材料の能力より流体圧力が勝っている限りは、物理的な分離は、約０．００ｍｍであり得る。
【００４８】
[065]電気化学セル１００は、作動中における閉鎖力２１０および開口力２００の変化の規模に基づいて、第１の配置から第２の配置に、および第２の配置から第３の配置に移行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および開口力２００の変化の規模に基づいて、第３の配置から第２の配置に、および第２の配置から第１の配置に移行することもできる。第１の配置、第２の配置、および第３の配置の間での移行は、閉鎖力２１０および開口力２００の変化の規模に応答して、作動中に連続的に起こってもよいことが予期される。
【００４９】
[066]他の実施態様において、シールの厚さの代わりにシールの弾性係数が異なっていてもよく、シールの分散された取り去りが可能になると予期される。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。
【００５０】
[067]他の実施態様において、漏出は、プレートの物理的な分離を起こすことなく、および／またはシール高さの変化に起因して生じてもよい。例えば、シール間の漏出は、流体（例えば、第１の流体１７２）がシール（例えば、第１のシール１７１）の内部応力より大きい圧力であるために、流体のシールを通る漏出が引き起された結果として生じてもよい。
【００５１】
[068]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、数々の利点を提供することができる。例えば、カスケード式のシール配置は、３レベルのシール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から逃げる可能性を制限することができる。水素が漏出す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とって有利である。
【００５２】
[069]加えて、カスケード式のシール配置はまた、圧力の自己調節も可能にする。圧力の自己調節は、不均一なシール厚さと、その結果生じる第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１の分散された取り去りによって達成することができる。例えば、図４Ｂで示されるような電気化学セル１００が第２の配置である場合、第１のシール１７１が取り去られて、第１の流体１７２を中圧ゾーン１８０に漏出させることができる。第１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から放出させることができる。高圧ゾーン１７０から圧力を放出させることにより、開口力２００を低減することができる。開口力２００の下降は、バイポーラプレート１５０、１６０の第１の分離を元に戻して、第２の配置から第１の配置への電気化学セル１００の移行および第１のシール１７１の復元をもたらすことができる。
【００５３】
[070]また、圧力の自己調節は、シール（例えば、第１のシール１７１および第２のシール１８１）の取り去りがなくても、流体圧力に対するシール圧力に基づいて達成できることも予期される。例えば、シール間の漏出は、流体（例えば、第１の流体１７２）がシール（例えば、第１のシール１７１）の内部応力より大きい圧力であるために、流体のシールを通る漏出が引き起された結果として生じ得る。シールを通る漏出は、流体圧力がシールの内部応力と釣り合うかまたはそれ未満になるまで継続してもよい。
【００５４】
[071]第１のシール１７１によって漏出する第１の流体１７２を第２の流体１８２と合流して、電気化学セル１００で利用することができ、実際には、漏出した第１の流体１７２は再利用することができる。漏出した水素はＰＥＭ１３０を介して２回「ポンプ輸送」されるため、この漏出とそれに続く再利用の結果は、圧縮効率の損失になる可能性がある。しかしながら、起こり得る圧縮効率の損失は、それでもなお、漏出した水素が回収されなかったり、その代わりに電気化学セル１００の外側に漏出して失われたりした場合に予想される全体的な効率損失より少ない。
【００５５】
[072]高圧ゾーン１７０からの圧力の放出が第２の配置から第１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２の分離が起こり、電気化学セルが第２の配置から第３の配置に移行する可能性がある。図４Ｃで示されるような第３の配置において、バイポーラプレート１５０、１６０の第２の分離により、第２のシール１８１が取り去られて、第２の流体１８２の低圧ゾーン１９０への漏出が起こる可能性がある。第２の流体１８２を低圧ゾーン１９０に漏出させることにより、圧力を中圧ゾーン１８０から放出させることができる。圧力を中圧ゾーン１８０から放出させることにより、開口力２００をさらに低減することができる。開口力２００の下降は、バイポーラプレート１５０、１６０の第２の分離を元に戻して、第３の配置から第２の配置への電気化学セル１００の移行および少なくとも第２のシール１８１の復元をもたらすことができる。
【００５６】
[073]中圧ゾーン１８０から低圧ゾーン１９０に第２の流体１８２を放出させることの結果は、セル効率の損失であり得る。しかしながら、第２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低減するという利益が生じ得る。
【００５７】
[074]様々な実施態様において、低圧ゾーン１９０中の第３の流体１９２の圧力がモニターされてもよい。第２のシール１８１の取り去りは、第２の流体１８２の圧力の低圧ゾーン１９０への放出によって引き起こされる低圧ゾーン１９０中の圧力の増加をもたらすことができる。それゆえに、第３の流体１９２の圧力をモニターすることによって、第２のシール１８１の取り去りと第２の流体１８２の漏出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到達する前にシャットダウンするように設計されていてもよい。臨界圧力は、第３のシール１９１が取り去られて、電気化学セル１００から第１の流体１７２、第２の流体１８２、および第３の流体１９２を逃がすことができる圧力の直下に設定することができる。別の実施態様において、外部の流体（例えば、第１の流体１７２または第２の流体１８２）の存在を検出するために、第３の流体１９２の組成がモニターされてもよい。検出センサー（例えば、水素センサー）は、低圧ゾーン１９０中の外部の流体の存在を検出するのに使用することができる。
【００５８】
[075]圧力のモニターは、様々な手段で達成することができる。例えば、圧力送信器は、低圧ゾーン１９０中の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ポイントに到達すると、アノード１１０およびカソード１２０の電位が止められて、さらなる水素がＰＥＭ１３０を通過して「ポンプ輸送」されることを防ぐことができる。
【００５９】
[076]他の実施態様において、中圧ゾーン１８０中の第２の流体１８２および高圧ゾーン１９０中の第１の流体１９２の圧力も、モニターされてもよい。例えば、第２の流体１８２の圧力をモニターすることにより、第２のシール１８１が取り去さられ得るポイントに圧力が到達する前にセルをシャットダウンさせることを可能にする。
【００６０】
[077]様々な実施態様において、第１の流体１７２または第２の流体１８２（例えば、高または低圧の水素）が低圧ゾーン１９０に放出されたときに、それを第３の流体１９２（例えば、冷却流体）と合流させることができ、循環する第３の流体１９２によって低圧ゾーン１９０から運び出すことができる。
【００６１】
[078]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、上述したように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と流体連結することができる。装置５１０は、低圧ゾーン１９０から排出された第３の流体１９２を受けることができ、第３の流体１９２に含まれるあらゆる第２の流体１８２の少なくとも一部を回収するように設計されていてもよい。第３の流体１９２が水素再生装置５１０を通過した後、第３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３の流体１９２から回収されたあらゆる第２の流体１８２は、水素再生装置５１０と中圧ゾーン１８０とを流体的に接続するように設計された再利用ライン５２０によって、中圧ゾーン１８０に再導入されてもよい。第２の流体１８２の再利用は、全体的なシステム効率を改善することができる。第２の流体１８２が水素ガスである場合、例えば、第２の流体１８２の再利用は、必要な新しい水素の量を低減する。
【００６２】
[079]水素再生装置５１０は、第２の流体１８２を第３の流体１９２から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存ガスの分離または窒素ブランケットからの水素分離膜である。
【００６３】
[080]様々な実施態様において、ＥＨＲＳ５００は、低圧ゾーン１９０中の第３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中の第３の流体１９２の圧力をモニターすることによって、第２のシール１８２が取り去られて第２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の増加が検出されたときにのみ係合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高めることができる。
【００６４】
[081]他の実施態様において、第１の流体１７２または第２の流体１８２（例えば、高または低圧の水素）が低圧ゾーン１９０に放出されて、第３の流体１９２（例えば、冷却流体）と合流させられると、第１の流体１７２または第２の流体１８２は第３の流体１９２と共に循環して、第３の流体１９２から回収または再生されるのではなく、第３の流体１９２が排出されるまで循環したままにすることができる。
【００６５】
[082]電気化学セル１００は、約１５，０００ｐｓｉより高い差圧で作動することができる。例えば、差圧は、約−１０ｐｓｉａから約０ｐｓｉａまで、または約０ｐｓｉａから、約２５ｐｓｉａまで、約１００ｐｓｉａまで、約５００ｐｓｉａまで、約１，０００ｐｓｉａまで、もしくは約６，０００ｐｓｉａまでの範囲であり得る第２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１５，０００ｐｓｉａより高い範囲であり得る第１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１のシール１７１が受けた差圧であってもよい。第２のシール１８１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までの間の範囲の、第２の流体１８２と第３の流体１９２との差圧を受けることができる。
【００６６】
[083]上述したカスケード式のシール配置は、閉鎖力２１０を特定の開口力２００に調整させること（すなわち、増加または減少させること）を可能にする。従来、閉鎖力２１０は、内圧によって引き起こされる予測の開口力２００に耐えるのに十分な予荷重を第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１に加えるように設定することができる。しかしながら、予荷重を変化させること、または電気化学セル１００の作動中に閉鎖力２１０を調整することによって、第１のシール１７１、第２のシール１８１、および第３のシール１９１が取り去られる圧力を、好ましい特定の圧力で各シールが取り去られて漏出が起こるように調整させることができる。
【００６７】
[084]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することができる。上述したように、シールの取り去りは、高圧の放出およびシールの復元を可能にする。それゆえに、閉鎖力２１０を調整させることによって、失敗すると水素の放出を引き起こす可能性がある別の要素の代わりに、シールが、圧力の増加に反応する第１の要素になるように、電気化学セルが設計されていてもよい。
【００６８】
[085]図６は、電気化学セル１００のシールを調整させる方法に関するフローチャート６００を示す。本方法は、上述したようなカスケード式のシール配置で複数のシールを有していてもよい電気化学セル１００を提供することを包含していてもよい。次に、本方法は、予測される作動圧力に基づき電気化学セルに最初の閉鎖力を付与することを包含していてもよい。最初の閉鎖力を付与した後、セルにエネルギーを与えて、作動を開始させることができる。作動中、電気化学セル１００内の低、中および高圧ゾーンの圧力は、連続的または間欠的にモニターされてもよい。モニターされた圧力および結果得られた開口力に基づいて、閉鎖力を調整することができる。閉鎖力を調整することにより、複数のシールの少なくとも１つが取り去られる圧力を変化させることができる。このプロセスは、電気化学セルの作動中ずっと継続してもよいし、または最初のうちはスタートアップ時の有限期間のみ稼働する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ることができる。
【００６９】
[086]より多い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で示されるような別の実施態様において、電気化学セル１００は、第１のシール１７１および第２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を画定する第１のシール１７１を含んでいてもよい。第１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１の流体１７２を封じ込め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を画定する第２のシール１８１をさらに含んでいてもよい。第２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２の流体１８２を封じ込めるように設計されていてもよい。第１のシール１７１は、第２のシール１８１内にその全体が含まれていてもよい。電気化学セル１００は、補助的な第１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１のシール１７１の外側に、ただし第２のシール１８１内に配置されていてもよい。
【００７０】
[087]加えて、電気化学セル１００に関して、第１の流体１７２は、第２の流体１８２より高い圧力であってもよい。第１のシール１７１および第２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２のシール１８１の厚さは、第１のシール１７１より大きくてもよい。第１のシール１７１は、第１のシール１７１が取り去られたら第１の流体１７２を中圧ゾーン１８０に漏出させ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２のシール１８１の取り去りの前にシャットダウンするように設計されていてもよく、それにより中圧ゾーン１８０からの第２の流体１８２の漏出の可能性を低減することができる。
【００７１】
[088]電気化学セル１００内の第１のシール１７１および第２のシール１８１は、設置されたままになるように設計されていてもよく、それにより、バイポーラプレート１５０、１６０に付与される閉鎖力がバイポーラプレート１５０、１６０内の開口力より大きい場合、第１の流体１７２および第２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に付与された閉鎖力がバイポーラプレート１５０、１６０内の開口力に近づくと、第２のシール１８１が取り去られる前に、第１のシール１７１が取り去られるように設計されていてもよく、それにより、第１のシール１７１を超えて中圧ゾーン１８０への第１の流体１７２の漏出を引き起こすことができる。第１のシール１７１を超えて漏出する第１の流体１７２を第２の流体１８２と合流して、再利用することができる。
【００７２】
[089]他の実施態様において、２ピースのバイポーラプレートと共に、上記の説明に類似したカスケード式のシール配置を使用することができる。例えば、一部の実施態様によれば、バイポーラプレート１５０および１６０はそれぞれ２ピースで形成されてもよい。２ピースの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、製造の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（例えば、導電性および耐食性）の改善である。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、複数のピースで構成されていてもよい。
【００７３】
[090]バイポーラプレートの２ピース間のカスケード式のシール配置は、以下でさらに説明されるように、２ピース間に漏出した流体（例えば、水素）を捕獲する、回収する、または再生するように設計されていてもよい。そうでなければ、電気化学セルまたはスタックから漏出した流体は、起こり得る安全性の問題を発生させる可能性がある。加えて、流体を排出させることができない場合、バイポーラプレートの２ピース間で流体の容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とって損傷の原因になり、場合によってはさらなる漏出の原因になる可能性がある。
【００７４】
[091]図８は、カスケード式のシール配置のために設計された第１の要素８０１（例えば、フレーム）および第２の要素８０２（例えば、ベース）を含む２ピースの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１の要素８０１は、フロー構造を配置させることができる空隙８０３を形成することができる。
【００７５】
[092]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内で、ＭＥＡ１４０のそれぞれの側に導電性ガス拡散層（ＧＤＬ）（示されていない）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役立ち、バイポーラプレート１５０および１６０とＰＥＭ１３０との間に電気伝導を提供し、セルからの熱およびプロセス水の除去に役立ち、一部のケースではＰＥＭ１４０への機械的な支持体を提供することができる。加えて、バイポーラプレート１５０および１６０中の流れ場として公知のチャネル（示されていない）は、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されていてもよい。ＰＥＭ１３０のそれぞれの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。流れ場およびＧＤＬは隣接して配置され、内部の流体ストリームとカップリングされてもよい。したがって、流れ場およびＧＤＬは、集合的にフロー構造を形成することができ、示されていないが、８０５に位置していてもよい。
【００７６】
[093]第１の要素８０１および第２の要素８０２は、全体的に平坦であってもよく、全体的に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、要素８０１および８０２は、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、楕円形、長円形、または他の形状の外形を有していてもよい。第１の要素８０１および第２の要素８０２の形は、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。
【００７７】
[094]第１の要素８０１および第２の要素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もよい。第１の要素８０１および第２の要素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。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、またはそれらの組合せで形成されていてもよい。また要素８０１は、ポリマー、複合材料、セラミック、または閉鎖力２１０を支持することが可能なあらゆる材料で形成されてもよい。
【００７８】
[095]第１の要素８０１および第２の要素８０２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で製作されたバイポーラプレートのケースにおいて、ステンレス鋼は、セル作動中の腐食からアルミニウムのコアを保護し、同時に、例えば高い比強度、高い熱および電気伝導性などアルミニウムの優れた材料特性を提供する。他の実施態様において、第１の要素８０１は、アノード処理された、シールされた、およびプライマー処理されたアルミニウムを含んでいてもよい。他の実施態様において、第１の要素８０１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含んでいてもよい。
【００７９】
[096]一部の実施態様において、第１の要素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、熱可塑性の複合材料で形成されていてもよい。一部の実施態様において、第１の要素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。
【００８０】
[097]様々な実施態様によれば、第１の要素８０１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見込みを低減する。第２の要素８０２は、セル作動中に導電性と耐食性を提供する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。例えば、第２の要素８０２は、活性なセル要素が設置される領域（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。
【００８１】
[098]第１の要素８０１および第２の要素８０２は、同一平面上でのカップリングのために設計されていてもよい。第１の要素８０１および第２の要素８０２は、取り外し可能なようにカップリングされてもよいし、または固定してカップリングされてもよい。１つまたはそれより多くの取り付けメカニズムが使用されてもよく、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。一部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（熱融着した熱可塑性シートなど）、ウレタン、嫌気性、ＵＶ硬化性ポリマー、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、第１の要素８０１および第２の要素８０２は、摩擦嵌合によってカップリングされてもよい。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。
【００８２】
[099]他の実施態様において、第１の要素８０１および第２の要素８０２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、取り外し可能なようにカップリングされてもよい。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が、バイポーラプレート８００を貫通していてもよいし、または外側に沿って配置されていてもよく、これらは、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１の要素８０１および第２の要素８０２を一緒に圧縮するのに使用される。
【００８３】
[0100]カップリングされた第１の要素８０１および第２の要素８０２は、複数の異なる圧力ゾーンを形成することができ、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１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１を包含していてもよい。第１のシール８７１は、第２のシール８８１内にその全体が含まれていてもよく、第２のシール８８１は、第３のシール８９１内にその全体が含まれていてもよい。第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１の形は、図８で示されるように、一般的にバイポーラプレート８００の形に対応していてもよい。
【００８４】
[0101]第１のシール８７１は、高圧ゾーン８７０の部分を画定して、高圧ゾーン８７０内に第１の流体８７２（例えば、水素）を封じ込めるように設計することができる。第１のシール８７１は、少なくとも要素８０１と要素８０２との間で高圧ゾーン８７０の外側境界を定めることができる。高圧ゾーン８７０は、第１の要素８０１および第２の要素８０２がカップリングされている場合、空隙８０３を通って伸長するフロー構造を包含していてもよい。第１の流体８７２は、カソード１３０からフロー構造を通って高圧ゾーン８７０の全体にわたり流動することができる。
【００８５】
[0102]カソード１３０で形成された水素は、高圧ゾーン８７０中に収集されてもよく、第１の要素８０１と第２の要素８０２との間の接続は、第１のシール８７１でシールされてもよい。高圧ゾーン８７０内の水素が圧縮されることにより、結果として、高圧ゾーン８７０で水素が形成されればされるほど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されてもよい。高圧ゾーン８７０内の圧力は、隣接するセルの第２の要素８０２と第２の要素との間に分離する力を付与することができる。
【００８６】
[0103]図８で示されるように、第１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されていてもよい。共通の通路８０４は、高圧ゾーン８７０から第１の流体８７２を供給または排出するように設計されていてもよい。共通の通路８０４は、マルチセル電気化学的圧縮機中の隣接する電気化学セルの共通の通路と流体連結することができる。
【００８７】
[0104]第２のシール８８１は、中圧ゾーン８８０の外周を画定することができる。中圧ゾーン８８０は、第１のシール８７１、第２のシール８８１、第１の要素８０１および第２の要素８０２によって区切られた中圧の容積８８３を含んでいてもよい。中圧ゾーン８８０は、第２の流体８８２を封じ込め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。
【００８８】
[0105]中圧の容積８８３は、第２の流体８８２を収集して中圧ポート８８４に方向付けるように設計されていてもよい。図８で示されるように、中圧の容積８８３は、第１のシール８７１によって分離された高圧ゾーン８７０の円周の周りに伸長することができる。中圧の容積８８３の断面積および容積は、第１の要素８０１、第２の要素８０２、第１のシール８７１、および第２のシール８８１の形状に基づいて変更することができる。
【００８９】
[0106]他の実施態様において、中圧の容積８８３は、複数の中圧の容積８８３、例えば、２、３、４つまたはそれより多くの中圧の容積８８３に分離されてもよい。複数の中圧の容積８８３は、複数のシールによって分離されていてもよい。図８で示されるように、中圧の容積８８３は、２つの中圧の容積８８３に分離されてもよい。例えば、図８で示されるように、第１のシール８７１は、中圧の容積８８３を通過して第２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１のシール８８１の一部が第２のシール８８２と接続して、中圧の容積８８３を２つの中圧の容積８８３に分離することができる。
【００９０】
[0107]図８で示されるように、１つまたはそれより多くの中圧の容積８８３はそれぞれ、１つまたはそれより多くの中圧ポート８８４と流体連結することができる。中圧ポート８８４は、中圧の容積８８３内に封じ込められた第２の流体８８２を排出するように設計されていてもよい。中圧ポート８８４の形は、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、楕円形、または他の形であってもよい。１つの中圧の容積８８３当たりの中圧ポート８８４の数は、１から約２５の範囲で変更することができ、またはそれより多くてもよい。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１のシール８７１と第２のシール８８１との間で等間隔であってもよいし、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。他の実施態様において、中圧ポート８８４は、中圧ゾーン８８０の全円周にわたり広がっていてもよい。
【００９１】
[0108]中圧ポート８８４を介して排出された第２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２の流体８８２は、中圧ゾーン１８０に戻ってもよい。他の実施態様において、中圧ポート８８４を介して排出された第２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２の流体８８２は、一般的に、高圧ゾーン８７０中の第１の流体８７２より低圧であってもよい。
【００９２】
[0109]第３のシール８９１は、低圧ゾーン８９０を画定し、低圧ゾーン８９０内に第３の流体８９２を封じ込めるように設計されていてもよい。低圧ゾーン８９０は、第２のシール８８１、第３のシール８９１、第１の要素８０１、および第２の要素８０２によって区切られた低圧の容積８９３を含んでいてもよい。低圧ゾーン８９０は、第３の流体８９２を封じ込め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。
【００９３】
[0110]低圧の容積８９３は、第３の流体８９２を収集して低圧ポート８９４に方向付けるように設計されていてもよい。図８で示されるように、低圧の容積８９３は、第２のシール８８１によって分離された中圧ゾーン８８０の円周の周りに伸長することができる。低圧の容積８９３の断面積および容積は、第１の要素８０１、第２の要素８０２、第２のシール８８１、および第３のシール８９１の形状に基づいて変更することができる。様々な実施態様によれば、中圧の容積８８３は、低圧の容積８９３の容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。
【００９４】
[0111]他の実施態様において、低圧の容積８９３は、複数の中圧の容積８９３、例えば、２、３、４またはそれより多くの低圧の容積８９３に分離されてもよい。複数の低圧の容積８９３は、複数のシールによって分離されていてもよい。図８で示されるように、低圧の容積８９３は、２つの低圧の容積８９３に分離されてもよい。例えば、１つまたはそれより多くのブリッジ型シール８９５が、低圧の容積８８３を通過して第２のシール８８１から第３のシール８９１に伸長していてもよい。
【００９５】
[0112]図８で示されるように、１つまたはそれより多くの低圧の容積８９３はそれぞれ、１つまたはそれより多くの低圧ポート８９４と流体連結することができる。低圧ポート８９４は、低圧の容積８９３内に封じ込められた第３の流体８９２を排出するように設計されていてもよい。低圧ポート８９４の形は、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、楕円形、または他の形であってもよい。１つの低圧の容積８９３当たりの低圧ポート８９４の数は、１から約５０個の範囲で変更することができ、またはそれより多くてもよい。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、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２のシール８８１と第３のシール８９１との間で等間隔であってもよいし、バイポーラプレート８００の長さに沿って等間隔で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の全円周にわたり広がっていてもよい。
【００９６】
[0113]低圧ポート８９４を介して排出された第３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３の流体８９２は、低圧ゾーン１９０に戻ってもよい。他の実施態様において、中圧ポート８９４を介して排出された第３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３の流体８９２は、一般的に、高圧ゾーン８７０中の第１の流体８７２および中圧ゾーン８８０中の第２の流体８８２より低圧であってもよい。
【００９７】
[0114]例示的な実施態様によれば、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１は、バイポーラプレート８００のゾーン（例えば、高圧ゾーン８７０、中圧ゾーン８８０、および低圧ゾーン８９０）をシールすることが可能であり、さらに、１５，０００ｐｓｉｇを超える圧力に長期間（例えば、１０年間より長く）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、シール要素の接合体の一部であってもよい。
【００９８】
[0115]図９中、図９Ａ〜図９Ｄは、シール要素およびシール（例えば、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１）の配列の例示的な実施態様の断面図を例示する。この説明のために、第１のシール８７１は、図９Ａ〜図９Ｄで例示され参照されるシールであるものとするが、説明される全てのものは、第２のシール８８１および第３のシール８９１にも同等に適用可能である。シール要素は、第１の要素８０１、第２の要素８０２、および第１のシール８７１を包含していてもよい。第１のシール８７１は、第１の要素８０１および第２の要素８０２による圧縮下で、第１のシール８７１が主として塑性変形を受けるように設計されていてもよい。特に、第１のシール８７１は、高いクリープ弾性率と圧縮降伏強度を有する「硬質」材料から作製することができる。例えば、第１のシール８７１は、１０，０００ｐｓｉから２０，０００ｐｓｉの圧縮降伏強度を有し、１５，０００ｐｓｉを超える圧力に耐えるのに十分な範囲のクリープ弾性率を有する材料から作製されてもよい。
【００９９】
[0116]一部の実施態様において、第１のシール８７１は、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、ポリイミド、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が、これらに限定されない。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るべきではない。他の実施態様において、第１のシール８７１は、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が、これらに限定されない。金属のガスケット材料は、耐食性であってもよく、または耐食性コーティングを有していてもよい。さらに別の実施態様において、第１のシール８７１は、高分子および／または金属材料の複合材料で作製することができる。別の実施態様において、第２の要素８０２と接触する第１のシール８７１の底面は、ラミネート材料を包含していてもよい。ラミネート材料の材料特性は、第１のシール８７１の材料特性と異なっていてもよい。例えば、ラミネート材料は、第２の要素８０２と第１のシール８７１の底面との間に柔らかいシールが形成されるように、第１のシール８７１より柔らかくてもよい。
【０１００】
[0117]他の実施態様において、第１のシール８７１の底面は、第２の要素８０２の上面をシールするの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。
【０１０１】
[0118]第１のシール８７１の形、厚さ、および幅などの第１のシール８７１の寸法は変更することができ、電気化学セル１００およびバイポーラプレート８００の寸法に基づいていてもよい。図９Ａ〜図９Ｄで示されるような一部の実施態様において、第１のシール８７１は、実質的に直線状の断面を有していてもよい。
【０１０２】
[0119]図９Ａ〜図９Ｄで示されるように、第１の要素８０１は、第１のシール８７１を塑性変形させ、第１の要素８０１と第２の要素８０２との間のシール表面を形成するのに十分な圧力がかかるように設計された１つまたはそれより多くの突起９０１を有していてもよい。図９Ａ〜図９Ｄは第１の要素８０１に形成された突起９０１を例示しているが、他の実施態様において（示されていない）、突起９０１は、第２の要素８０２に形成されていてもよいことが予期される。突起９０１は、第１の要素８０１の一体化された機構であってもよいし、第１の要素８０１の形状によって形成されてもよい。図９Ａ〜図９Ｄには少なくとも３つの突起９０１が描写されているが、より多くまたは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。
【０１０３】
[0120]突起９０１は、第１のシール８７１を変形させるのに十分なあらゆる公知の形状を有していてもよい。例えば、突起９０１は、三角形の形態９０１Ａ（図１０Ａ）、尖頭の形態９０１Ｂ（図１０Ｂ）、または平坦なブレード状の形態９０１Ｃ（図１０Ｃ）を有していてもよい。各突起の形態は、他の突起の形態と異なっていてもよいし、または全ての突起で同じでもよいことが予期される。図１０中、図１０Ａ〜図１０Ｃにおける突起の各セットの高さは実質的に同じであるが、他の実施態様において、突起の高さは、変更してもよいことが予期される。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、最も外側の突起がより高く、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側の突起がより高くてもよいし、突起が左から右または右から左にかけて高さが下降または上昇していてもよいし、または突起ごとに高さが異なっていてもよい。異なる高さの突起を有する実施態様は、他の要素（例えば、第１の要素８０１および第２の要素８０２）の機械加工公差におけるばらつきをより一層考慮されるように設計されていてもよい。
【０１０４】
[0121]初期の接合の間、突起９０１および第１のシール８７１は、突起９０１と第１のシール８７１の上面との間に小さいスペースが残るように互いに相対させて配置させてもよい。最終的な接合の間、突起９０１が第１のシール８７１に対して圧縮されて、少なくとも突起９０１の一部が第１のシール８７１の上面に押し込まれ、それによって第１の要素８０１と第１のシール８７１の上面との間に第１のシール表面９０５が形成されてもよい。第１のシール８７１を塑性変形させ、第１のシール表面９０５を作り出すのに十分な応力が形成され得る。例えば、約２５，０００ｐｓｉの圧縮圧力は、約１２，０００ｐｓｉでシール可能なシールを作り出すのに十分であり得る。第２のシール表面が、第１のシール８７１の下面と第２の要素８０２との間に形成されてもよい。
【０１０５】
[0122]例示的な実施態様において、第１のシール表面９０５は、鋭いナイフエッジに機械加工された１つまたはそれより多くの突起９０１を有するナイフエッジ型のシール表面であってもよい（例えば、図１０Ａ）。接合の間、突起９０１が第１のシール８７１に対して圧縮されて、各突起９０１のナイフエッジが第１のシール８７１の上面に押し込まれ、その上面でシールされてもよい。第１の要素８０１および／または第２の要素８０２にさらなる圧縮力が付与されることで、第１のシール８７１を塑性変形させ、第１のシール表面９０５を作り出すのに十分な応力が形成され得る。突起９０１は、応力を集中させる装置として機能することができ、第１のシール８７１に押し込まれたときに、材料中に目標とするシール圧力より高い局所的な応力を作り出すことができる。突起９０１は、それらが第１のシール８７１に比較的均一な圧縮圧力をかけるように配列されてもよい。また第２のシール表面も、第１の要素８０１および／または第２の要素８０２に付与された圧縮力の結果として形成されてもよい。
【０１０６】
[0123]図９Ａに示される例示的な実施態様によれば、各突起９０１の先端は、第１の要素８０１の底面と同じ高さにあってもよい。十分な圧縮であると仮定すれば、この配列は、突起９０１を、第１のシール８７１に押し込んで、第１のシール８７１を通過して第１の要素８０１の底面まで貫通させることを可能にし、第２の要素８０２の上面が直に接触した状態になる。
【０１０７】
[0124]シール表面９０５を損なう可能性がある突起９０１の第１のシール８７１の突き抜けを回避するために、突起９０１の第１のシール８７１への貫通を制御または制限することが有利な場合がある。加えて、本明細書で説明されるように第１の要素８０１と第２の要素８０２との間のギャップを維持して、異なるゾーン（例えば、中圧ゾーン８８０およびより低圧のゾーン８７０）を形成することが有利な場合がある。ギャップは、例えば、約０．００４インチ〜０．００５インチ、０．００３インチ〜０．００５インチ、０．００２インチ〜０．００５インチ、０．００１インチ〜０．００５インチ、０．００１インチ〜０．００５インチ超、または０．００１インチ未満のギャップ高さを有していてもよい。
【０１０８】
[0125]突起９０１の貫通およびギャップ高さを制御する方法の１つは、図９Ｂに示される。図９Ｂに示される例示的な実施態様は、シール要素に接着剤９０２を取り込んでいる。接着剤９０２は、例えば、薄いプラスチック材料または平坦なガスケットを含み得る。接着剤９０２は、第１の要素８０１と第２の要素８０２との間に挿入されてもよい。接着剤９０２は、突起９０１が第１のシール８７１に貫通する距離を制御する（例えば、制限する）ように設計された「軟らかい止め具」として機能し得る。例えば、接着剤９０２は、要素８０１および／または８０２に付与された圧縮力による多少の変形（例えば、圧縮）を受けるように設計されていてもよいが、接着剤９０２は、圧縮の設計された深さが、突起９０１の望ましい貫通深さおよび望ましいギャップ高さに相当するように設計されていてもよい。他の実施態様において、平坦なガスケットタイプのシールが利用される場合、第２のシール８８１が接着剤９０２として機能することができる。
【０１０９】
[0126]接着剤９０２は、本明細書で列挙したような第１のシール８７１と同じ材料で作製されてもよいし、または異なる材料で作製されてもよい。接着剤９０２の厚さは、第１のシール８７１と同一または異なっていてもよく、それぞれの材料特性に依存する可能性がある。例えば、接着剤９０２の厚さは、第１のシール８７１より小さいか、それに等しいか、またはそれより大きくてもよい。
【０１１０】
[0127]図９Ｃは、突起９０１が第１のシール８７１に押し込まれる距離を制御するように設計された別の例示的な実施態様を示す。図９Ｃに示される例示的な実施態様は、他の突起９０１を超えて第１の要素８０１の底面の下に伸長する少なくとも１つの突起９０３を包含する。突起９０３は、第２の要素８０１の上面と接触させることによって「硬い止め具」として機能するように設計されていてもよく、接触するポイントで、第１の要素８０１の第２の要素８０２に向かうさらなる動きを防ぐことができ、それによって他の突起９０１の第１のシール８７１へのさらなる貫通が制限される。図９Ｃには示されていないが、突起９０３は、他の突起９０１とは異なる形を有していてもよい。例えば、９０３は、第２の要素８０２の上面と同一平面でかみ合うように設計された平坦な係合表面を有していてもよい。図９Ｃでは１つのみの突起として示されているが、もう１つの突起９０３が、第１の要素８０１に形成されていてもよいことが予期される。図９Ｃで示されるように、この例示的な実施態様は、接着剤９０２と一緒に使用されてもよく、または別の実施態様において（示されていない）、接着剤９０２が存在していなくてもよい。
【０１１１】
[0128]図９Ｄは、突起９０１が第１のシール８７１に貫通する深さを制御するように設計された別の例示的な実施態様を示す。図９Ｄに示される例示的な実施態様は、第１の要素８０１と第２の要素８０２との間の空隙に設置されたスペーサー９０４を包含する。スペーサー９０４は、要素８０１と要素８０２との間に最小のギャップも維持しながら突起９０１の貫通深さを制御することによって、「硬い止め具」として機能するように設計されていてもよい。スペーサー９０４の厚さは、望ましい貫通深さおよび要素８０１と要素８０２との間のギャップ高さを設定するように選択され得る。スペーサー９０４は、本明細書で列挙したような第１のシール８７１と同じ材料で作製されていてもよいし、または異なる材料で作製されていてもよい。図９Ｄで示されるように、この例示的な実施態様はまた、接着剤９０２を取り込んでいてもよいし、または別の実施態様において（示されていない）、接着剤９０２が存在していなくてもよい。
【０１１２】
[0129]図１１は、例示的な実施態様に従って第１の要素８０１および／または第２の要素８０２に形成され得る突起９０１のセットを例示する。図１１で示されるように、各突起９０１は、特定の高さＨを有し、互いに特定の距離Ｄで間隔をおいていてもよく、各突起９０１の傾斜面は、角度αを形成していてもよい。様々な実施態様によれば、突起の高さは変更することができ、例えば、約０．００６インチ〜０．００８インチ、０．００５インチ〜０．００８インチ、０．００１インチ〜０．０１０インチ、または０．００１インチ〜０．０１０インチより大きい。様々な実施態様によれば、突起間の距離は変更することができ、例えば、約０．０２２インチ〜０．０２８インチ、０．０２０インチ〜０．０３０インチ、または０．０１インチ〜０．０５インチ、または０．０１インチ〜０．０５インチより大きい。様々な実施態様によれば、角度αは変更することができ、例えば、約８５度〜９５度、７５度〜１０５度、６５度〜１１５度、５５度〜１２５度、または５５未満度〜１２５度までである。
【０１１３】
[0130]本明細書で説明されるシール要素およびシール設計（例えば、図９Ａ〜図９Ｄ）は、シール（例えば、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１）、接着剤９０２、およびスペーサー９０４、加えて要素８０１および８０２に使用される材料の広範な選択を可能にする。列挙されたシール要素ごとに材料および形状を選択することにおいて考慮されるべき要素および特性としては、少なくとも圧縮荷重の必要条件、材料適合性、およびシール圧力を挙げることができる。ここで説明されるシール設計によって適合化された様々な材料は、より特殊な材料ではなくより低いコストの大量生成材料を選択することを可能にする。これは、材料および製造のコストの低減を可能にする。
【０１１４】
[0131]本明細書で説明される機構は、電気化学セルの他の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ていないセルで使用できることが理解される。
【０１１５】
[0132]上述したような第１の要素８０１と第２の要素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で実行することができる。他の実施態様において、要素８０１と要素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で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で実行することができる。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、電気化学セルにおいていずれか一方が個別に利用できるように互いに独立していてもよいし、またはそれらは、同じ電気化学セルで協同的に利用されてもよい。
【０１１６】
[0133]一部の実施態様において、第１の要素８０１および第２の要素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１の要素８０１および第２の要素８０２を一緒に固定するのに十分なかみ合いの形状を形成することができる。例えば、第１の要素８０１は、１つまたはそれより多くの凸部を含んでいてもよく、第２の要素８０２は、１つまたはそれより多くの凹部を含んでいてもよい。しかしながら、第１の要素８０１および第２の要素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、様々な形およびサイズを含んでいてもよい。例えば、凸部および凹部は、円柱形、丸形、楕円形、長方形、または四角形に形成されてもよい。加えて、凸部および凹部は、様々な多角形であることを包含していてもよい。
【０１１７】
[0134]インターロック機構は、第１の要素８０１および第２の要素８０２をシールするように設計された様々な接続を包含していてもよい。例えば、インターロック機構は、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１、ならびにそれらを置くことができる対応するシールキャビティを包含していてもよい。第１の要素８０１および第２の要素８０２は、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３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キャビティを包含していてもよい。各シールキャビティは、第１の要素８０１、第２の要素８０２または要素８０１と８０２の両方への突き出し部分を含んでいてもよい。突き出し部分の寸法および形状は、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１の寸法および断面形状に対応していてもよい。
【０１１８】
[0135]他の実施態様において、第１の要素８０１と第２の要素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１の要素８０１および第２の要素８０２は、２つのみの圧力ゾーン（例えば、高および低）を含んでいてもよいし、または４つまたはそれより多くの圧力ゾーン（例えば、超高、高、中、および低）を含んでいてもよい。さらに別の実施態様において、圧力ゾーンは、段階的であってもよいが、圧力が段階的に順次低下していなくてもよい。
【０１１９】
[0136]２つのみ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１の要素、第２の要素、２つの圧力ゾーンを分離する２つの要素間に形成されたシール、シールを取り囲む容積、および容積中に収集された流体を排出するように設計された容積と流体連結する少なくとも１つのポートを含んでいてもよい。
【０１２０】
[0137]他の実施態様において、取り囲む容積は、シールの部分の周りのみに伸長するように設計されていてもよいことが予期される。例えば、容積室は、各圧力ゾーン内の各シールの円周の周りに分布させることができる。
【０１２１】
[0138]作動中、第１の要素８０１と第２の要素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、要素８０１と要素８０２との間で高圧ゾーン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する。上述したように、高圧ゾーン８７０内の第１の流体８７２は、１５，０００ｐｓｉを超える圧力に圧縮されてもよい。第１の流体８７２の圧力は、分離する力を第１のシール８７１、第１の要素８０１、および第２の要素８０２に付与することができる。第１の要素８０１および第２の要素８０２のカップリング力が、分離する力と反対に作用して接続を維持するのに十分であり、第１のシール８７１が適切に機能している場合、第１の流体８７１が、高圧ゾーン８７０から第１のシール８７１を超えて中圧ゾーン８８０へ漏出するのを防ぐことができる。
【０１２２】
[0139]一方で、カップリング力が接続を維持するのに不十分であるかまたは第１のシール８７１が正常に機能しない場合、第１の流体８７２は、高圧ゾーン８７０から第１のシール８７１を超えて中圧ゾーン８８０へ漏出し得る。中圧ゾーン８８０に漏出した第１の流体８７２は、中圧の容積８８３中に収集されて、第２の流体８８２を構成してもよい。中圧の容積８８３に収集された第１の流体８７２／第２の流体８８２は、中圧ポート８８４に流動してそこを通り抜けることができる。排出された流体（すなわち、第１の流体８７２／第２の流体８８２）は、従来の他のバイポーラ設計の場合のように損失になるのではなく、再利用または再生することができる。
【０１２３】
[0140]低圧ゾーン８９０は、追加のレベルの漏出防止を提供することができる。第２のシール８８１を超えて漏出する第２の流体８８２は、低圧の容積８９３中に収集されて、第３の流体８９２を構成してもよい。収集された第２の流体８８２／第３の流体８９２は、低圧ポート８９４に流動してそこを通り抜けることができる。他の排出された流体のように、第２の流体８８２／第３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を通る流動は、下流で制御することができる。例えば、流体を排出させるために、１つまたはそれより多くのバルブを開いたり、または閉じたりすることができる。中圧ポート８８４を通る流動は、連続的であってもよいし、または間欠的であってもよい。
【０１２４】
[0141]カスケード式のシール配置を使用する方法は、複数のシール（例えば、第１のシール８７１、第２のシール８８１、および第３のシール８９１）によって分離された異なる容積（例えば、中圧の容積８８３または低圧の容積８９３）内に流体（例えば、第１の流体８７２、第２の流体８８２、および第３の流体８９２）を収集すること、および圧力ポート（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排出して、排出された流体を再利用することを含んでいてもよい。
【０１２５】
[0142]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ろう。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。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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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【図１１】
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【国際調査報告】
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