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KR20180053401A - 힘 집중기 패턴을 갖는 바이폴라 플레이트 - Google Patents

힘 집중기 패턴을 갖는 바이폴라 플레이트 Download PDF

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KR20180053401A
KR20180053401A KR1020187011090A KR20187011090A KR20180053401A KR 20180053401 A KR20180053401 A KR 20180053401A KR 1020187011090 A KR1020187011090 A KR 1020187011090A KR 20187011090 A KR20187011090 A KR 20187011090A KR 20180053401 A KR20180053401 A KR 20180053401A
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KR
South Korea
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frame
base
bipolar plate
plate assembly
seal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020187011090A
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English (en)
Inventor
보이엔 로저 밴
Original Assignee
누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨 filed Critical 누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
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Abstract

본 명세서의 실시양태는 바이폴라 플레이트 조립체에 관한 것이다. 바이폴라 플레이트 조립체는 프레임과 베이스를 포함한다. 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴은 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함한다. 상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적은 대체로 일정하여 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어낸다.

Description

힘 집중기 패턴을 갖는 바이폴라 플레이트
본 출원은 2015년 9월 21일에 출원된 미국 가특허출원 62/221,276호의 이익을 주장하며, 상기 출원은 그 내용 전체가 본원에 참고로 포함된다.
본 명세서는 바이폴라 플레이트, 보다 구체적으로는, 힘 집중기 패턴(force concentrator pattern)을 갖는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
통상적으로 연료 전지 또는 전해 전지로 분류되는 전기 화학 전지들은 화학 반응으로부터 전류를 발생시키거나, 또는 전류의 흐름을 사용하여 화학 반응을 유도하기 위해 사용되는 장치들이다. 연료 전지는 연료(예를 들어, 수소, 천연 가스, 메탄올, 가솔린 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학 에너지를 전기와 열 및 물의 폐기물로 변환시킨다. 기본적인 연료 전지는 음으로 하전된 애노드, 양으로 하전된 캐소드 및 전해질로 지칭되는 이온 전도성 물질을 포함한다.
각종 연료 전지 기술들은 서로 다른 전해질 물질들을 이용한다. 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 연료 전지는, 예를 들어 전해질로서 고분자 이온 전도성 막을 이용한다. 수소 PEM 연료 전지에서, 수소 원자들은 애노드에서 전자 및 양성자(수소 이온)로 전기 화학적으로 분리될 수 있다. 전자들은 회로를 통해 캐소드로 흐르고 전기를 발생시키는 한편, 양성자들은 전해질막을 통해 캐소드로 확산한다. 캐소드에서는, 수소 양성자들은 (캐소드에 공급되는) 전자 및 산소와 반응하여 물과 열을 생성한다.
전해 전지는 역으로 작동되는 연료 전지를 의미한다. 기본적인 전해 전지는 외부 전위가 인가될 때 물을 수소와 산소 가스로 분해함으로써 수소 발생기로서 기능할 수 있다. 수소 연료 전지 또는 전해 전지의 기본적인 기술은 전기 화학적 수소 압축, 정제 또는 팽창과 같은 전기 화학적 수소 조작에 적용될 수 있다.
전기 화학 수소 압축기(electrochemical hydrogen compressor, EHC)는 예를 들어, 수소를 전지의 한쪽 측면에서 다른쪽 측면으로 선택적으로 전달하는데 사용될 수 있다. EHC는 제1 전극(즉, 애노드)과 제2 전극(즉, 캐소드) 사이에 샌드위치된 양성자 교환막을 포함할 수 있다. 수소 함유 가스는 제1 전극과 접촉할 수 있고, 전위차는 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가될 수 있다. 제1 전극에서, 수소 분자는 산화될 수 있으며, 반응은 2개의 전자와 2개의 양성자를 만들 수 있다. 2개의 양성자는 막을 통해 전지의 제2 전극으로 전기 화학적으로 구동되며, 여기에서, 2개의 경로가 재지정된(rerouted) 전자들에 의해 재결합되고 환원되어 수소 분자를 형성한다. 제1 전극 및 제2 전극에서 일어나는 반응은 하기에 나타낸 화학 반응식으로 표현될 수 있다.
제1 전극 산화 반응: H2 → 2H+ + 2e-
제2 전극 환원 반응: 2H+ + 2e- → H2
전체적인 전기화학 반응: H2 → H2
이러한 방식으로 작동하는 EHC는 흔히 수소 펌프로 지칭된다. 제2 전극에 축적된 수소가 한정된 공간으로 제한될 때, 전기화학 전지는 수소를 압축하거나 또는 압력을 상승시킨다. 개별 전지가 만들 수 있는 최대 압력 또는 유량은 전지 설계에 따라 한정적일 수 있다. 더욱 큰 압축 또는 더욱 높은 압력을 달성하기 위해, 다중 전지들은 직렬로 연결되어 다단계 EHC를 형성할 수 있다. 다단계 EHC에서, 가스 유동 경로는 예를 들어 제1 전지의 압축된 출력 가스가 제2 전지의 입력 가스일 수 있도록 구성될 수 있다. 다르게는, 단일 단계 전지들은 EHC의 처리 용량(즉, 전체 가스 유량)을 증가시키도록 병렬로 연결될 수 있다. 단일 단계 및 다단계 EHC 양자 모두에 있어서, 전지들은 스택화될 수 있으며, 각각의 전지는 캐소드, 전해질막 및 애노드를 포함할 수 있다. 각각의 캐소드/막/애노드 조립체는 통상적으로 바이폴라 플레이트들에 의해 양측면에서 지지되는 "막 전극 조립체(membrane electrode assembly)" 즉 "MEA"를 구성한다.
바이폴라 플레이트는 EHC에 대한 기계적인 지지를 제공할 수 있으며, 한 스택 내에서 개별 전지들을 전기적으로 연결시키면서 이들을 물리적으로 분리시킬 수 있다. 바이폴라 플레이트는 고압 구역을 제공할 수도 있어서, 여기에서 반응물 또는 연료, 예를 들어 수소가 축적된다. 또한, 바이폴라 플레이트는 집전기/도체로서 작용할 수 있고, 반응물 또는 연료를 위한 통로를 제공할 수 있다. 통상적으로, 바이폴라 플레이트는 금속, 예를 들어 스테인리스강, 티타늄 등, 및 비금속성 전기 도체, 예를 들어 흑연으로 제조된다.
수소 압축기 또는 수소 펌프는 통상적으로 바이폴라 플레이트에 의해 형성된 고압 구역으로 제한된 제2 전극에서 축적된 수소를 보유한다. 또한, 상기 고압 구역에서는 점점 더 많은 수소가 형성되어 축적됨에 따라 압력이 증가할 수 있다. 수소 누출의 가능성을 감소시켜 안전성과 에너지 효율을 개선하기 위해, 고압 구역은 바이폴라 플레이트들 사이에 하나 이상의 밀봉부에 의해 밀봉될 수 있다. 압축 하중을 EHC 또는 EHC 스택의 바이폴라 플레이트에 인가하여 밀봉부를 압축하고 상기 고압 구역의 밀봉부를 생성할 수 있다. 상기 밀봉부는 고압 구역의 둘레를 따라 연장하는 고리 형상의 밀봉부를 포함할 수 있고/있거나 하나 이상의 바이폴라 플레이트의 표면에 코팅 또는 적층된 중합체막을 포함할 수도 있다.
상기 바이폴라 플레이트들 사이의 밀봉부에는 충분하고도 일반적으로 고른 압축력이 인가될 필요가 있다. 인가된 최소 압축력은 밀봉부의 재료가 변형하여 밀봉 표면을 생성하도록 상기 밀봉부 재료의 항복 강도 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 최소 압축력은 해당 재료의 항복 강도 미만일 수 있다. 압축력이 밀봉 표면 전반에 걸쳐서 일반적으로 고르지 않거나 균일하지 않은 경우에는, 상기 밀봉 표면 상에 일부 영역에 최소 압축력이 인가되지 않을 수 있어서, 그러한 영역에 반응물 또는 연료의 누출을 유발할 수 있다. 밀봉부에 인가된 균일하지 않은 압축력으로 인한 누출 가능성을 방지 또는 감소하기 위한 현재의 옵션으로는, 최소 압축력이 밀봉 표면 전반에 걸쳐 가해지도록 바이폴라 플레이트에 높은 압축 하중을 인가하는 것을 포함한다. 그러나, 높은 압축 하중을 인가하는 것은 밀봉 표면에 뿐만 아니라, 최소 압축력이 이미 가해져 높은 압축력을 지탱하지 못할 수도 있는 바이폴라 플레이트 부위들에도 높은 압축력을 유발시킬 수 있다. 따라서, 높은 압축 하중은 예를 들어, 재료 적합성, 재료 강도, 재료의 비용, 제조 비용 및 제조의 용이성을 비롯한 바이폴라 플레이트용 재료 및/또는 EHC 또는 EHC 스택의 다른 성분들에 대한 보다 엄격한 요건을 초래할 수 있다. 따라서, 밀봉 표면 및/또는 바이폴라 플레이트 전반에 걸쳐서 보다 균일하고/하거나 고르게 압축력을 배분할 수 있는 바이폴라 플레이트 조립체에 대한 요구가 대두되고 있다.
본 발명의 한 양태는 바이폴라 플레이트 조립체에 관한 것이다. 상기 바이폴라 플레이트 조립체는 프레임과 베이스를 포함할 수 있다. 프레임과 베이스 중 적어도 하나는 힘 집중기 패턴(force concentrator pattern)의 형태를 가지거나 제1 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 표면은 해당 제1 표면 전반에 걸쳐 부분적으로 연장되는 융기 표면을 포함할 수 있는 힘 집중기 패턴을 포함할 수 있다. 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적은 일반적으로 일정하여 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어낼 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양태는 바이폴라 플레이트를 압축하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임과 베이스를 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 프레임과 베이스 중 적어도 하나는 힘 집중기 패턴의 형태를 가지거나 제1 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 표면은 해당 제1 표면 전반에 걸쳐 부분적으로 연장되는 융기 표면을 포함할 수 있는 힘 집중기 패턴을 포함할 수 있다. 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸쳐 힘 집중기 패턴의 표면적은 대체로 일정할 수 있다. 상기 방법은 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 양태는 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 전기화학 전지는 한 쌍의 바이폴라 플레이트와, 상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 사이에 위치한 막 전극 조립체를 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트 중 적어도 하나는 힘 집중기 패턴의 형태를 가지거나 제1 표면을 포함할 수 있다. 상기 제1 표면은 해당 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 신장되는 융기 표면을 포함할 수 있는 힘 집중기 패턴을 포함할 수 있다. 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적은 일반적으로 일정할 수 있다. 상기 방법은 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명하기 위한 것일 뿐이지, 청구된 바와 같은 본 발명을 한정하지 않는다는 점을 이해해야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하며, 본 발명의 실시양태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지의 각종 구성요소를 보여주는 전기화학 전지의 일부에 대한 분해 측면도이다.
도 2는 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 베이스와 프레임에 대한 사시도이다.
도 3은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 베이스와 프레임에 대한 사시도이다.
도 4는 예시적인 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 평면도이다.
도 5는 예시적인 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 평면도이다.
도 6은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 사시도이다.
도 7은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 확대도이다.
도 8은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 베이스와 프레임에 대한 사시도이다.
도 9는 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 평면도이다.
도 10은 예시적인 실시양태에 따른 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임에 대한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면에 예시된 실시예인 본 발명의 대표적인 실시양태에 대하여 상세히 설명한다. 가능하다면, 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분을 나타내기 위해 동일한 도면 부호를 사용한다. 수소를 압축하기 위한 전기화학 전지와 관련하여 기술하였으나, 본 발명의 장치와 방법은 전해 전지, 수소 정제기, 수소 확장기 및 수소 펌프를 비롯하여 이에 제한되지는 않는 각종 형태의 연료 전지 및 전기화학 전지와 함께 이용될 수 있다는 점을 이해할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시양태에 따른 전기화학 전지(100)에 대한 분해 측면도를 나타낸다. 전기화학 전지(100)는 애노드(110), 캐소드(120) 및 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 배치된 양성자 교환막(PEM)(130)을 포함할 수 있다. 조합된 애노드(110), 캐소드(120) 및 PEM(130)은 막 전극 조립체(MEA)(140)를 포함할 수 있다. PEM(130)은 순수 중합체막 또는 복합체막을 포함할 수 있고, 복합체막의 경우 예를 들어 실리카, 헤테로폴리산, 층상 금속 인산염, 인산염 및 인산지르코늄이 중합체 매트릭스에 매립될 수 있다. PEM(130)은 양성자를 투과시킬 수 있지만 전자를 전도시키지 않는다. 애노드(110) 및 캐소드(120)는 촉매층을 함유하는 다공성 탄소 전극들을 포함할 수 있다. 촉매 물질, 예를 들어 백금은 반응물 또는 연료의 반응 속도를 증가시킬 수 있다.
전기화학 전지(100)는 2개의 바이폴라 플레이트(150, 160)를 더 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트(150, 160)들은 지지 플레이트, 도체로서 작용할 수 있고, 반응물 또는 연료를 위한 각 전극 표면에 통로를 제공할 수 있으며, 압축된 반응물 또는 연료의 제거를 위한 통로를 제공할 수 있다. 바이폴라 플레이트(150, 160)들은 냉각 유체(즉, 물, 글리콜 또는 물-글리콜 혼합물)를 위한 접근 채널들도 포함할 수 있다. 바이폴라 플레이트(150, 160)들은 전기화학적 스택(도시되지 않음)에서 이웃한 전지들로부터 전기화학 전지(100)를 분리할 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이폴라 플레이트(150 및/또는 160)는, 해당 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 각 면이 서로 다른 MEA(140)와 접촉하도록 2개의 이웃하는 전지를 위한 바이폴라 플레이트로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 다수의 전기화학 전지(100)들은 직렬로 연결되어 다단계 전기화학 수소 압축기(EHC)를 형성하거나 또는 병렬로 적층되어 단일 단계 EHC를 형성할 수 있다.
작동시, 예시적인 실시양태에 따르면, 수소 가스는 바이폴라 플레이트(150)를 통해 애노드(110)에 공급될 수 있다. 전위는 애노드(110)와 캐소드(120) 사이에 인가될 수 있으며, 애노드(110)에서의 전위는 캐소드(120)에서의 전위보다 크다. 애노드(110)에서의 수소는 산화되어, 수소를 전자와 양성자로 분할시킬 수 있다. 전자가 PEM(130) 주위로 경로가 재지정되는 동안, 양성자는 PEM(130)을 통해 전기화학적으로 수송, 즉 "펌핑"된다. PEM(130)의 반대편 상의 캐소드(120)에서, 수송된 양성자 및 경로가 재지정된 전자는 환원되어 수소를 형성한다. 캐소드(120)에 점점 더 많은 수소가 형성됨에 따라, 수소는 바이폴라 플레이트(160)에 생성된 고압 구역 내에서 압축 및 가압될 수 있다.
일부 실시양태에서, 각 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 2개의 부분 또는 구성요소로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 바이폴라 플레이트(160)가 프레임(170) 및 베이스(180)을 포함하는 이성분계 바이폴라 플레이트(160)의 한 실시양태를 도시한다. 프레임(170)은 베이스(180)의 유동 구조 (도시하지 않음)와 유체연통인 공동(190)을 한정할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 하나의 통합된 부분 또는 구성요소로서 형성될 수 있다. 하기의 설명에 바이폴라 플레이트(160)를 언급하지만, 이러한 개시는 바이폴라 플레이트(150)에도 동일하게 적용될 수 있다.
프레임(170)과 베이스(180)는 일반적으로 평면일 수 있으며, 대체로 직사각형 또는 신장된 프로파일을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 또 다른 형상, 예를 들어 정사각형, "레이스-트랙(race-track)"(예를 들어, 반 타원형의 측면을 갖는 실질적으로 직사각형의 형상), 원형, 계란형, 타원형 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 프레임(170)과 베이스(180)의 형상은 전기화학 전지(100)의 다른 구성 요소(예를 들어, 캐소드, 애노드, PEM, 유동 구조 등) 또는 전기 화학 전지 스택에 상응할 수 있다.
프레임(170)과 베이스(180)는 동일평면 상의 결합을 위해 구성될 수 있다. 프레임(170)과 베이스(180)는 해제가능하도록 결합되거나 고정적으로 함께 결합될 수 있거나, 또는 하나의 통합된 부분일 수도 있다. 예를 들어, 결합재, 용접, 경납땜, 연납땜, 확산 접합, 초음파 용접, 레이저 용접, 스탬핑, 리벳팅, 저항 용접 및/또는 소결을 비롯한 하나 이상의 부착 방법을 사용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 결합재는 접착제를 포함할 수 있다. 적절한 접착제로는, 예를 들어, 아교제, 에폭시, 시아노아크릴레이트, 열가소성 시트(열 접착된 열가소성 시트를 포함함) 우레탄, 혐기성 접착제, UV 경화 및 기타 중합체를 포함한다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 마찰 결합(friction fit)에 의해 결합될 수 있다. 예를 들어, 구성 요소들 사이의 하나 이상의 밀봉부는 압축시 구성 요소들 사이에 적절한 마찰력을 만들어 내어 의도하지 않은 미끄러짐을 방지할 수 있다.
일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 체결구들, 예를 들어 나사, 볼트, 클립 또는 다른 유사한 메커니즘을 사용하여 해제 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시양태에서, 압축 로드(compression rod) 및 너트는 바이폴라 플레이트(150 및 160)를 통과하거나 또는 외부를 따라 통과할 수 있어서, 전기화학 전지(100) 또는 복수의 전기화학 전지(100)가 하나의 스택으로 압축될 때 프레임(80) 및 베이스(70)를 함께 압축하는데 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 복수의 서로 다른 압력 구역을 한정하는데 도움을 줄 수 있는데, 예를 들어, 복수의 밀봉부는 하나 이상의 서로 다른 압력 구역들을 한정할 수 있다. 한 실시양태에 따른 복수의 서로 다른 밀봉부 및 압력 구역을 도 2에 나타낸다. 복수의 밀봉부는 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및 제3 밀봉부(260)를 포함할 수 있다. 제1 밀봉부(240)는 제2 밀봉부(250) 내에 완전히 수용될 수 있고, 제2 밀봉부(250)는 제3 밀봉부(260) 내에 완전히 수용될 수 있다. 밀봉부들의 이러한 배열(예를 들어, 하나가 다른 하나 내에 있는 배열)은 캐스케이드 밀봉(cascade seal) 구성으로 분류될 수 있다. 상기 캐스케이드 밀봉 구성은 몇 가지의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 케스케이드 밀봉 구성은 다수의 밀봉 보호층의 형태로 밀봉 중복성을 제공함으로써 고압 수소가 전기화학 전지(100)를 빠져나갈 가능성을 제한할 수 있다. 수소 누출의 가능성을 감소시키는 것은 안전성과 에너지 효율성에 유익할 수 있다. 아울러, 캐스케이드 밀봉 구성은 고압 구역에서 저압 구역으로 고압의 블리딩(bleeding)을 허용함으로써 압력의 자가 조절(self-regulation)을 가능하게 할 수 있다.
제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및 제3 밀봉부(260)의 형상은 일반적으로 도 2에 나타낸 바와 같은 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 형상에 상응할 수 있다. 고압 밀봉부로서 작용하는 제1 밀봉부(240)는 고압 구역(200)의 일부를 한정하여 고압 구역(200) 내에서 제1 유체(212)(예를 들어, 수소)를 수용하도록 구성될 수 있다. 제1 밀봉부(240)는 적어도 프레임(170)과 베이스(180) 사이에서 고압 구역(200)의 외부 경계의 범위를 정할 수 있다. 고압 구역(200)은 하나 이상의 유동 구조 (도시하지 않음), 예를 들어, 프레임(170)과 베이스(180)가 결합되거나 또는 프레임(170)과 베이스(180)가 하나의 통합된 부분으로 형성될 때 공동(190)을 통해 연장되는 캐소드 유동 구조 및 애노드 유동 구조를 포함하도록 구성될 수 있다.
제1 유체(212), 예컨대 수소는 캐소드(120)에서 생성되어 고압 구역(200)에서 축적될 수 있으며, 프레임(170)과 베이스(180) 간의 연결은 제1 밀봉부(240)에 의해 밀봉될 수 있다. 고압 구역(200) 내의 수소는 압축될 수 있고, 그 결과, 고압 구역(240)에서는 점점 더 많은 수소가 생성되고 수집됨에 따라 압력이 증가할 수 있다. 고압 구역(200) 내의 수소는 예를 들어, 약 10,000 psig, 약 15,000 psig, 약 20,000 psig, 약 25,000 psig, 약 30,000 psig 또는 약 35,000 psig를 초과하는 압력으로 압축될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 밀봉부(240)는 고압 포트(210)들의 외부 주위로 연장되도록 구성될 수 있다. 고압 포트(210)는 고압 구역(200)의 제1 유체(212)를 공급하거나 배출하도록 구성될 수 있다. 고압 포트(210)는 다중 전지 전기화학 압축기에서 인접한 전기화학 전지들의 고압 포트와 유체 연통될 수 있다. 고압 포트(210)는 공동(190)을 통해 연장되는 베이스(180)의 상부에 위치할 수 있는 캐소드 유동 구조 (도시하지 않음)와 유체 연통일 수 있다.
일부 실시양태에서, 제2 밀봉부(250)는 중간 압력 구역(202)의 외부 둘레를 한정할 수 있다. 중간 압력 구역(202)은 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250), 프레임(170) 및 베이스(180)에 의해 그 범위가 정해질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중간 압력 구역(202)은 제1 밀봉부(240)에 의해 분리된 고압 구역(200)의 둘레 주위로 연장될 수 있다. 중간 압력 구역(202)은 제2 유체(214)를 포함하도록 구성될 수 있다. 중간 압력 구역(202)의 단면적 및 부피는 프레임(170), 베이스(180), 제1 밀봉부(240) 및 제2 밀봉부(250)의 기하학적 형태에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. 중간 압력 구역(202)은 하나 이상의 중간 압력 포트(220)를 더 포함하여 이들과 유체 연통될 수 있다. 중간 압력 포트(220)는 중간 압력 구역(202) 내에 수용된 제2 유체(214)를 배출하도록 구성될 수 있다. 중간 압력 포트(220)는 공동(190)을 통해 연장되는 캐소드 유동 구조의 상부에 위치할 수 있는 애노드 유동 구조 (도시하지 않음)와 유체 연통일 수 있다.
중간 압력 포트(220)의 형상과 수는 다양하게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 중간 압력 포트(220)는 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 다른 형상일 수 있다. 중간 압력 포트(220)의 수는 1개 내지 25개, 또는 그 이상으로 다양할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 중간 압력 포트(220)는 바이폴라 플레이트(160)의 프레임(170)과 베이스(180)의 길이를 따라 고르게 분포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220)는 중간 압력 구역(202)의 전체 둘레를 연장할 수 있다.
일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220)를 통해 배출된 제2 유체(214)는 전기화학 전지(100)로 재공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220)를 통해 배출된 제2 유체(214)는 수집되어 재활용될 수 있다. 중간 압력 구역(202) 내의 제2 유체(214)는 대체로 고압 구역(200) 내의 제1 유체(212)보다 압력이 낮을 수 있다.
일부 실시양태에서, 제3 밀봉부(260)는 저압 구역(204)을 한정하여 저압 구역(204) 내에서 제3 유체(216)를 수용하도록 구성될 수 있다. 저압 구역(204)은 제2 밀봉부(250), 제3 밀봉부(260), 프레임(170) 및 베이스(180)에 의해 그 범위가 정해질 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 저압 구역(204)은 제2 밀봉부(240)에 의해 분리된 중간 압력 구역(202)의 둘레 주위로 연장할 수 있다. 저압 구역(204)의 단면적 및 부피는 프레임(170), 베이스(180), 제2 밀봉부(240) 및 제3 밀봉부(250)의 기하학적 형태에 기초하여 다양하게 변형될 수 있다. 저압 구역(204)은 하나 이상의 저압 포트(230)를 더 포함하여 이들과 유체 연통될 수 있다. 저압 포트(230)는 저압 구역(204) 내에서 수집 및/또는 수용된 제3 유체(216)를 배출하도록 구성될 수 있다.
저압 포트(230)의 형상과 수는 다양하게 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 저압 포트(230)는 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형, 타원형 또는 다른 형상일 수 있다. 저압 포트(230)의 수는 예를 들어 1개 내지 50개, 또는 그 이상으로 다양할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 저압 포트(230)는 제2 밀봉부(240)와 제3 밀봉부(250) 사이에서 이격되어 바이폴라 플레이트(160)의 길이를 따라 고르게 분포할 수 있다. 일부 실시양태에서, 저압 포트(230)는 중간 압력 구역(204)의 전체 둘레를 연장할 수 있다.
일부 실시양태에서, 저압 포트(230)를 통해 배출된 제3 유체(216)는 전기화학 전지(100)로 재공급될 수 있다. 일부 실시양태에서, 저압 포트(230)를 통해 배출된 제3 유체(216)는 수집되어 재활용될 수 있다. 저압 구역(204) 내의 제3 유체(216)는 대체로 고압 구역(200) 내의 제1 유체(212) 및 중간 압력 구역(202) 내의 제2 유체(214)보다 압력이 낮을 수 있다.
예시적인 실시양태에 따르면, 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및 제3 밀봉부(260)는 바이폴라 플레이트(160)의 서로 다른 압력 구역 (예컨대, 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및 저압 구역(204))들을 밀봉하고 장시간(예를 들어, 10년 초과) 동안 약 15,000 psig, 약 20,000 psig, 약 25,000 psig, 약 30,000 psig, 약 35,000 psig, 약 40,000 psig, 또는 약 40,000 psig를 초과하는 압력을 지탱하여 많은 압력 사이클(예를 들어, 1,000 사이클 초과)을 견딜 수 있는 밀봉 구성요소들의 조립체의 일부일 수 있다. 예를 들어, 제1 밀봉부(240)는 약 25,000 psig 내지 약 40,000 psig 범위의 압력을 갖는 고압 구역(200)을 밀봉할 수 있고, 제2 밀봉부(250)는 약 0 psig 내지 약 3,000 psig 범위의 압력을 갖는 중간 압력 구역(202)을 밀봉할 수 있으며, 제3 밀봉부(260)는 약 0 psig 내지 약 20 psig 범위의 압력을 갖는 저압 구역(204)을 밀봉할 수 있다.
일부 실시양태에서, 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 단 2개의 압력 구역만이 형성되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 제1 밀봉부(240)와 제3 밀봉부(260)만이 고압 구역(200) 및 저압 구역(204)을 형성하여 제2 밀봉부(250)와 중간 압력 구역(202)을 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 바이폴라 플레이트(150 및 160)는 3개 초과의 압력 구역이 형성되도록 구성될 수 있음도 고려될 수 있다. 예를 들어, 제4 압력 구역은 제4 밀봉부를 첨가하여 형성될 수 있다.
전통적으로, 탄성중합체 밀봉부 (예컨대, O-링)는 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 생성된 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및/또는 저압 구역(204)을 밀봉하기 위해, 그리고 고압 포트(210)를 밀봉하기 위해 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)에 사용된다. 탄성중합체는 고압 시스템에서 신뢰도 문제를 야기하는 경우가 많다. 전기화학 전지를 덜 견고하면서도 내성이 있도록 제조하는 것 이외에, 탄성중합체 밀봉부는 x-y 테이블을 이용하여 다이 컷(die cut)되거나, 수동 배치되거나, 오버몰딩되거나, 또는 증착된 후 경화될 필요가 있다. 추가로, 탄성중합체 밀봉부는 프레임(170) 또는 베이스(180)의 표면 상에 글랜드(gland) 또는 그루브(groove)를 포함시키는 것이 필요할 수 있다. 탄성중합체 밀봉부가 그루브 내로 접합될 수는 있지만, 이들은 제조, 조립하는 동안 및/또는 작동 도중에 제 위치에서 미끄러져 빠져나올 수 있다. 탄성중합체 밀봉부에 의해 야기되는 제조 과정의 불확실성과 복잡성 때문에, 일부 실시양태에서는, 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 형성된 하나 이상의 압력 구역을 밀봉하는데 있어서 중합체 밀봉부가 유리하게 사용될 수 있다.
중합체 밀봉부는 다양한 기법, 예를 들어, 적층, 스프레이 코팅 또는 딥 코팅에 의해 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 도포될 수 있다. 중합체 밀봉부를 이용하면 바이폴라 플레이트(150, 160)의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면 상의 글랜드 또는 그루브를 제거할 수 있다. 글랜드 또는 그루브를 제거하면 프레임(170) 및/또는 베이스(180)를 더 얇게하고, 필요한 기계가공 및/또는 제조공정의 양을 감소시키며, 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 밀봉 표면의 면적을 증가시킬 수 있는데, 이로써 프레임(170) 및/또는 베이스(180)가 지탱해야 하는 압축력을 감소시킬 수 있게 된다. 또 다른 예에 있어서, 중합체 밀봉부를 사용하면 프레임(170)과 베이스(180)가 하나의 통합된 부분으로 형성될 수 있는데, 이로써 바이폴라 플레이트(150, 160)의 두께를 더 감소시킬 수 있게 된다. 또한, 적층되거나 또는 스프레이 코팅된 중합체 밀봉부는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 단단하게 접합될 수 있기 때문에 제자리에 단단히 고정될 수 있다. 중합체 밀봉부는 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 기계가공 횟수를 줄이고, 도포 비용을 낮추며, 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 재료를 감소시키므로 제조 비용을 더 낮출 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 중합체 밀봉부(175)는 예를 들어, 프레임(170) 및/또는 베이스(180) 중 하나의 표면 또는 양자 모두의 표면 상에 적층되거나 코팅될 수 있다. 압축 하중이 프레임(170)과 베이스(180)에 인가되는 경우, 중합체 밀봉부(175)는 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및/또는 저압 구역(204)을 변형시켜 밀봉할 수 있다. 중합체 밀봉부(175)는 예를 들어, 고압 구역(200) 내에 제1 유체(212)를 수용하고, 중간 압력 구역(202) 내에 제2 유체(214)를 수용하고/하거나, 저압 구역(204) 내에 제3 유체(216)를 수용하는 것을 보조하도록 구성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면적의 일부 또는 전부를 덮을 수 있다. 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 압축 영역에 걸쳐 연장하는 밀봉 표면을 가질 수 있으며, 고압 구역(200), 중간 압력 구역(202) 및/또는 저압 구역(204)의 둘레 주위로 연장할 수 있다.
일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)의 위치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 나타낸 바와 같이, 중합체 밀봉부(175)는 고압 구역(200)을 밀봉하는 제1 밀봉부(240) 및 중간 압력 구역(202)과 저압 구역(204)을 밀봉하는 중합체 밀봉부(175)와 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 채널이 중간 압력 포트(220)와 고압 구역(200) 사이에 형성되어, 중간 압력 포트(220)가 제1 밀봉부(240), 고압 구역(200) 및/또는 애노드 유동 구조(도시하지 않음)와 유체 연통이 되도록 만들 수 있다. 중합체 밀봉부(175)는 하나 이상의 채널(178)을 포함하여 중간 압력 포트(220)가 고압 구역(200)과 유체 연통이 되도록 할 수도 있다.
일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 서로 다른 압력 구역들을 밀봉하고 장시간(예를 들어, 10년 초과) 동안 약 15,000 psig, 약 20,000 psig, 약 25,000 psig, 약 30,000 psig, 약 35,000 psig 또는 약 40,000 psig를 초과하는 압력을 지탱하여 많은 압력 사이클(예를 들어, 1,000 사이클 초과)을 견딜 수 있다. 예를 들어, 중합체 밀봉부(175)는 약 25,000 psig 내지 약 40,000 psig 범위의 압력을 갖는 고압 구역(200)을 밀봉할 수 있고, 약 0 psig 내지 약 3,000 psig 범위의 압력을 갖는 중간 압력 구역(202)을 밀봉할 수 있고/있거나, 약 0 psig 내지 약 20 psig 범위의 압력을 갖는 저압 구역(204)을 밀봉할 수 있다. 이로써, 캐소드(120)에서 생성된 반응물 또는 연료, 예컨대 수소는 예를 들어, 고압 구역(200)에서 고도로 압축되는 것이 가능해진다.
형상, 두께 및 폭을 포함하는 중합체 밀봉부(175)의 치수는 다양할 수 있으며, 전기화학 전지(100) 및 바이폴라 플레이트(160)의 치수에 기초할 수 있다. 중합체 밀봉부(175)의 두께는 예를 들어, 약 0.01 mm 내지 약 0.025 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.05 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.1　mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.254 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1　mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm 또는 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170)과 베이스(180) 사이에 샌드위치된 별도의 중합체 박막일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170) 또는 베이스(180) 상에, 또는 프레임(170)과 베이스(180) 양자 모두 상에 코팅되거나 적층될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면 및/또는 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 인접한 전지의 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면에 도포될 수 있고/있거나, 인접한 전지의 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 양 표면에 도포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은, 중합체 밀봉부(175)의 두께 범위가 프레임(170)의 두께 범위와 실질적으로 동일하도록 중합체 밀봉부(175)의 물질로 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 밀봉부(230), 제2 밀봉부(240) 및/또는 제3 밀봉부(250)는 본원에 기술된 중합체 밀봉부(175)로 제조되거나 또는 대체될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)와 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175), 제1 밀봉부(240), 제2 밀봉부(250) 및/또는 제3 밀봉부(260)는 이에 제한되지는 않지만, TeflonTM, Torlon®, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에틸렌이민(PEI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드 및 폴리설폰을 비롯한 중합체 밀봉 물질로 제조될 수 있다. 상기 중합체 물질은 내산성일 수 있으며, 전기화학 전지(100)의 작동에 유해한 물질을 침출해서는 안된다. 일부 실시양태에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)는 밀봉을 보조하도록 구성된 접착제로 코팅될 수 있다. 상기 접착제는 예를 들어, 압력 또는 열 활성화 접착제일 수 있다.
바이폴라 플레이트(160)가 조립되는 경우, 프레임(170)과 베이스(180) (도 4에는 도시되지 않음)는 연결될 수 있고, 프레임(170), 베이스(180) 및 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 도포된 중합체 밀봉부(175)에 압축력이 가해질 수 있다. 일부 실시양태에서, 인가된 최소 압축력은 밀봉부(175)의 재료가 변형하여 밀봉 표면을 생성하도록 상기 밀봉부(175) 재료의 항복 강도 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)가 도포된 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면이 실질적으로 연마되어 밀봉 표면이 생성될 수 있는 경우, 인가된 최소 압축력은 중합체 밀봉부(175) 재료의 항복 강도보다 클 필요는 없다. 밀봉 표면은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 압축 영역에서 형성될 수 있다. 하기의 설명에 프레임(170)을 언급하지만, 이러한 개시는 베이스(180)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 프레임(170)의 압축 영역은 상기 프레임(170)의 상부 표면에 걸쳐 연장할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 제1 단부(171), 제2 단부(172) 및 이들 사이에서 연장되는 신장형 본체(173)를 갖는 신장된 형상을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 제2 단부(172)는 신장형 본체(173)에 비하여 면적이 더 넓을 수 있고, 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따라 압축되는 면적은 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 제2 단부(172)에서의 압축 면적에 비해 더 협소하거나 적을 수 있다. 압축 하중이 프레임(170)의 압축 영역에 인가되는 경우, 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 제2 단부(172)에서의 압축 면적은 접촉 면적의 차이로 인하여 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따라 압축되는 면적보다 더 적은 압축력이 가해질 수 있다. 이러한 상황은 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 균일하지 않은 압축력을 유도할 수 있다. 이는 밀봉 표면을 따라 일부 위치, 예컨대 압축력이 덜할 수 있거나 어떤 경우에는 최소 압축력을 충족하지 않을 수 있는 제1 단부(171) 및 제2 단부(172) 부근의 위치에서 유체의 유출을 초래할 수 있다.
도 5는 균일하지 않은 압축력이 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 인가되는 예를 나타내고 있다. 압축력의 크기는 사선의 밀도로 나타나 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 프레임(170)의 제2 단부(172)에 인가된 압축력은 프레임(170)의 신장형 본체(173)에 인가된 압축력보다 적다. 이 일례에서, 최소 압축력이 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따르는 압축 영역에 인가되는 경우에는, 상기 최소 압축력보다 적은 압축력이 프레임(170)의 제2 단부(172)에서의 압축 영역에 인가될 수 있는데, 이는 예를 들어, 고압 구역(200)에서 중간 압력 구역(202)으로, 중간 압력 구역(202)에서 저압 구역(204) 또는 바이폴라 플레이트의 외부로, 및/또는 저압 구역(204)에서 바이폴라 플레이트의 외부로 유체가 누출될 잠재적인 위험 요인을 내포하고 있다. 다르게는, 프레임(170)의 제2 단부(172)의 압축 영역에 인가된 압축력이 최소 압축력과 동일하거나 그보다 충분히 큰 경우에는, 프레임(170)의 신장형 본체(173)를 따라 압축 영역에 인가된 압축력은 프레임(170)의 재료가 견딜 수 있는 최대 압축력을 사실상 초과할 수 있어서, 이러한 초과 압축력을 수용하기 위한 엄격한 설계 요건 및/또는 프레임(170)의 과잉설계(overdesign)가 필요로 할 수 있다.
프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 인가된 압축력의 균일도를 증가시키기 위해, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)는 힘 집중기 패턴(300)을 한정할 수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 상부 및/또는 하부 표면으로부터 융기된 표면일 수 있다. 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 상부 표면을 화학적으로 에칭하거나 또는 기계가공하여 생성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 표면 프로파일이 힘 집중기 패턴(300)과 실질적으로 동일할 수 있도록 프레임(170) 및/또는 베이스(180)를 기계가공하여 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 물질을 제거함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 제1 단부(171) 및 제2 단부(172) 부근의 프레임(170)의 일부 물질들은 힘 집중기 패턴(300)을 생성하기 위해 제거되거나 또는 에칭되어 제거될 수 있다. 하기의 설명이 힘 집중기 패턴(300)을 융기 표면으로 언급하고 있지만, 이러한 설명은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 프로파일과 실질적으로 동일한 힘 집중기 패턴(300)에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 상부 표면 위의 융기 표면(300')으로 기술될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 중합체 밀봉부(175)는 힘 집중기 패턴(300) 상에 적층되거나 코팅될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 중합체 밀봉부(175)에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 두께는, 예를 들어, 약 0.01 mm 내지 약 0.025 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.05 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.2 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.1　mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.254 mm, 약 0.025 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.1　mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.2 mm, 약 0.05 mm 내지 약 0.3 mm, 약 0.1 mm 내지 약 0.2 mm 또는 약 0.1 mm 내지 약 0.3 mm일 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 또는 베이스(180) 상에, 또는 프레임(170)과 베이스(180) 양자 모두 상에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면 및/또는 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면 상에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 인접한 전지의 베이스(180)를 마주하고 있는 프레임(170)의 표면에 존재할 수 있고/있거나, 인접한 전지의 프레임(170)을 마주하고 있는 베이스(180)의 표면에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 양 표면에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 두께는 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 두께와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 6과 도 7에 나타낸 바와 같이, 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 신장형 본체(173)에 걸쳐 연장되고 프레임(170)의 제1 단부(171) 및/또는 제2 단부(172)에 부분적으로 걸쳐 연장될 수 있다. 힘 집중기 패턴(300)은, 프레임(170)에 걸친 압축 영역, 예를 들어, 프레임(170)의 길이에 걸친 압축 영역이 대략적으로 또는 대체로 일정하거나 균일할 수 있도록 설계될 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 고압 구역(200)에서 프레임(170)의 외부 엣지(outer edge)까지 연장할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 신장형 본체(173)의 폭보다 협소할 수 있다. 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 내부 엣지에서 프레임(170)의 외부 엣지까지 연장할 수 있거나 연장하지 않을 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역, 힘 집중기 패턴(300)의 표면적 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면의 표면적은 실질적으로 동일할 수 있다. 힘 집중기 패턴(300)의 설계는 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸친 압축력을 대체로 균일하거나 일정하게 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 제1 단부(171) 및/또는 제2 단부(172)에서 힘 집중기 패턴(300)의 표면적을 감소시키는 것은 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸친 압축력의 균일도 또는 고름도를 증가시킬 수 있다.
도 8은 프레임(170)이 힘 집중기 패턴(300)을 갖는 바이폴라 플레이트(160)의 예시적인 실시양태를 나타내고 있다. 압축 하중이 프레임(170) 및/또는 베이스(180)에 인가되는 경우, 상기 인가된 압축력은 프레임(170)의 힘 집중기 패턴(300), 프레임(170)의 압축 영역 및/또는 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 대체로 균일하게 배분될 수 있다. 프레임(170)의 길이를 따라 압축되는 면적은 약 2 cm2/cm 내지 약 4 cm2/cm, 약 2 cm2/cm 내지 약 6 cm2/cm, 약 2 cm2/cm 내지 약 8 cm2/cm, 약 2 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm, 약 4　cm2/cm 내지 약 6 cm2/cm, 약 4 cm2/cm 내지 약 8 cm2/cm, 약 4　cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm, 약 5　cm2/cm 내지 약 7 cm2/cm, 약 6 cm2/cm 내지 약 8 cm2/cm, 약 6　cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중간 압력 포트(220) 및/또는 저압 포트(230) 사이의 반복 거리는 약 1 cm 내지 약 3 cm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 길이는 약 15 cm 내지 약 30 cm, 약 15 cm 내지 약 50 cm, 약 15 cm 내지 약 80 cm, 약 15 cm 내지 약 100 cm, 약 30 cm 내지 약 50 cm, 약 30 cm 내지 약 80 cm, 약 30 cm 내지 약 100 cm, 약 50 cm 내지 약 80 cm, 약 50 cm 내지 약 100 cm 또는 약 80 cm 내지 약 100 cm 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 폭은 약 5 cm 내지 약 10 cm, 약 10 cm 내지 약 20 cm, 약 20 cm 내지 약 30 cm, 약 5 cm 내지 약 20 cm, 약 5 cm 내지 약 30 cm, 약 10 cm 내지 약 30 cm 또는 약 20 cm 내지 약 30 cm 범위일 수 있다.
일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역, 힘 집중기 패턴(300)의 표면적 및/또는 중합체 물질(175)의 밀봉 표면의 표면적은 약 50 cm2 내지 약 100 cm2, 약 100 cm2 내지 약 200 cm2, 약 200 cm2 내지 약 300 cm2, 약 300 cm2 내지 약 400 cm2, 약 400 cm2 내지 약 500 cm2, 약 500 cm2 내지 약 600 cm2, 약 600 cm2 내지 약 700 cm2, 약 700 cm2 내지 약 800 cm2, 약 800 cm2 내지 약 900 cm2, 약 900 cm2 내지 약 1000 cm2, 약 1000 cm2 내지 약 1100 cm2, 약 1100 cm2 내지 약 1200 cm2, 약 1200 cm2 내지 약 1300 cm2, 약 1300 cm2 내지 약 1400 cm2 또는 약 1400 cm2 내지 약 1500 cm2 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역 및/또는 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면을 따라 대체로 균일하게 배분된 압축력은 약 5,000 psig 내지 약 10,000 psig, 약 5,000 psig 내지 약 20,000 psig, 약 5,000 psig 내지 약 30,000 psig, 약 5,000 psig 내지 약 40,000 psig, 약 10,000 psig 내지 약 40,000 psig, 약 10,000 psig 내지 약 30,000 psig, 약 10,000 psig 내지 약 20,000 psig, 약 20,000 psig 내지 약 30,000 psig, 약 20,000 psig 내지 약 40,000 psig 또는 약 30,000 psig 내지 약 40,000 psig 범위일 수 있다.
도 9는 본원에 기술된 힘 집중기 패턴(300)을 이용하는 경우, 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 대체로 균일하게 압축력이 배분되는 일례를 도시하고 있다. 압축력의 크기는 사선의 밀도로 나타나 있다. 도 9에서 사선의 균일한 밀도는 프레임(170)의 압축 영역에 걸친 압축력의 크기가 대체로 균일하다는 것을 나타내고 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 제1 단부(171)에서 압축 면적을 감소시키므로, 프레임(170)의 제1 단부(171) 및 신장형 본체(173)에 걸쳐 연장되는 압축 면적을 대략 일정하게 만들어, 프레임(170)의 압축 영역 및 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸쳐 대체로 균일하거나 고르게 배분된 압축력을 유도할 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어, 약 1,000,000 파운드의 압축 하중이 주어지면, 힘 집중기 패턴(300)의 면적 및 프레임(170)의 압축 면적은 약 50 in2일 수 있고, 따라서 압축력은 프레임(170)에 걸쳐 약 20,000 psig일 수 있다. 이러한 실질적으로 균일하거나 고르게 배분된 압축력은 고압 구역(200)에서 유체가 누출될 가능성을 감소시키거나 방지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)의 압축 영역 및/또는 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면에 걸친 압축력의 가변성은 약 2%, 약 5%, 약 8%, 약 10%, 약 15% 또는 약 20%를 초과하지 않을 수 있다.
일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)에 걸쳐 연속적이지 않을 수 있다. 예를 들어, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170)의 코너에 분리된 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 나타낸 바와 같이, 코너부(310)는 힘 집중기 패턴(300)의 일부로서 프레임(170)에 부가된 유사하게 융기된 표면일 수 있다. 코너부(310)는 힘 집중기 패턴(300)과 동일한 방식으로 프레임(170)을 화학적으로 에칭하거나 기계가공함으로써 생성될 수 있다. 코너부(310)의 두께는 힘 집중기 패턴(300)의 두께와 동일할 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 표면적은 프레임(170)에 코너부(310)를 부가함으로써 감소될 수 있다. 일부 실시양태에서, 코너부(310) 및 힘 집중기 패턴(300)은 함께 프레임(170)의 압축 영역 및 밀봉 표면(175)이 대략적으로 일정하게 만들어 주고, 따라서 압축력이 프레임(170)에 걸쳐 대체로 균일하게 또는 고르게 배분되도록 만들어 준다.
일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 중합체 밀봉부(175)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 중합체 밀봉부(175)의 두께는 힘 집중기 패턴(300)에 걸쳐 더 두껍고, 다른 영역에 걸쳐서는 더 얇을 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 일체부일 수 있다. 일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)은 프레임(170) 및/또는 베이스(180)의 선택된 표면 또는 양 표면에 존재할 수 있다. 일부 실시양태에서, EHC 스택 중의 각 EHC 전지는 힘 집중기 패턴(300)을 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 힘 집중기 패턴(300)의 사용은 프레임(170)과 베이스(180)에 인가된 압축 하중량에 대한 요건을 축소시킬 수 있다. 상기 압축 하중에 대해 축소된 요건은 프레임(170)과 베이스(180)의 물질에 대한 요건을 축소시킬 수 있고, 이로써 프레임(170)과 베이스(180)에 사용될 물질의 광범위한 선택을 가능하게 한다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 프레임(170)과 베이스(180)는 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 철 등과 같은 금속, 또는 니켈 크롬 합금, 니켈-주석 합금, 인코넬, 모넬, 하스텔로이와 같은 금속 합금, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 중합체, 복합재, 세라믹, 또는 조립시 EHC 전지 또는 EHC 스택에 인가되는 압축 하중, 힘 및/또는 압력을 다룰 수 있는 임의의 물질로도 형성될 수 있다.
일부 실시양태에서, 프레임(170)과 베이스(180)는 피복(clad)된 물질, 예를 들어, 하나 이상의 영역 상에서 스테인리스강으로 피복된 알루미늄을 포함할 수 있다. 피복은 두 금속의 장점을 제공할 수 있는데, 예를 들어, 스테인리스강 피복 알루미늄으로 제조된 바이폴라 플레이트의 경우에, 스테인리스강은 전지가 작동하는 동안 알루미늄 코어를 부식으로부터 보호하는 한편, 높은 강도 대 중량비, 높은 열전도성 및 전기 전도성 등과 같은 알루미늄의 우수한 물질 특성도 제공한다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 애노드 산화되고 밀봉되며 프라이밍된(primed) 알루미늄을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 크롬 도금 및 스프레이 코팅된 알루미늄을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 프레임(170)은 탄소 섬유, 흑연, 유리 강화 중합체 및 열가소성 복합체와 같은 복합재로 형성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 프레임(170)은 부식 및 전기 전도를 모두 방지하도록 코팅된 금속으로 형성될 수 있다. 다양한 실시양태에 따르면, 프레임(170)은 일반적으로 비전도성이어서, 전기화학 전지들 사이에 단락의 가능성을 감소시킬 수 있다. 베이스(180)는 전지가 작동하는 동안 전기 전도성 및 내부식성을 제공하는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스(180)는 활성 전지 구성요소(예를 들어, 유동 구조, MEA 등)들이 놓이는 영역에서 전기 전도성이 되도록 구성될 수 있다.
구성요소(예컨대, 중합체 밀봉부(175), 제1 밀봉부(230), 제2 밀봉부(240), 제3 밀봉부(250), 프레임(170) 및 베이스(180))를 위한 물질 및 기하학적 형태를 선택할 때 고려되는 인자 및 특성은 적어도 힘 집중기 패턴(300)의 설계, 압축 하중 요건, 재료 적합성, 밀봉 압력 요건, 재료 비용, 제조 비용 및 제조의 용이성을 포함할 수 있다. 본원에 기술된 힘 집중기 패턴(300)에 의해 적절히 만들어진 물질의 다양성은 더 저렴한 재료 및 제조과정을 선택할 수 있도록 해준다. 예를 들어, 그 일부가 본원에 열거된 저렴한 원자재 플라스틱은 중합체 밀봉부 (예컨대, 중합체 밀봉부(175), 제1 밀봉부(230), 제2 밀봉부(240) 및 제3 밀봉부(250))에 사용될 수 있다. 또한, 다성분 바이폴라 플레이트는 고가의 통상적인 밀링의 사용이 필요한 플레이트의 복잡한 세부사항들로 인해 고가의 제조 비용이 들 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 중합체 밀봉부(175) 및 힘 집중기 패턴(300)을 이용하는 것은 바이폴라 플레이트(150 및 160) 제조의 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 프레임(170)과 베이스(180)는 힘 집중기 패턴(300)과 함께 제조될 수 있는데, 이로써 중합체 밀봉부(175) 및 상기 중합체 밀봉부(175)의 밀봉 표면을 따라 대체로 균일하게 배분된 압축력을 사용할 수 있게됨에 따라 바이폴라 플레이트(150 및 160)의 두께, 제조 비용 및 제조의 복잡성을 감소시킬 수 있다.
본원에 기술된 특징들은 전기화학 전지의 다른 구성요소들을 밀봉하는데 사용될 수 있고/있거나 케스케이드 밀봉 구성을 이용하지 않는 전지들에서도 사용될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 실시양태들은 본 명세서 및 본원에서 시행된 사항들을 고려하면 당업자에게는 자명할 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야하고, 본 발명의 진정한 범위 및 개념은 하기의 청구항들에 의해 나타낸다.

Claims (20)

  1. 프레임과 베이스를 포함하는 바이폴라 플레이트 조립체(bipolar plate assembly)로서,
    상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴(force concentrator pattern)의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴이 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함하며;
    상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 대체로 일정하여, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 약 2 cm2/cm 내지 약 10 cm2/cm 범위인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프레임과 베이스 사이에 하나 이상의 밀봉 조립체를 더 포함하는, 바이폴라 플레이트 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 밀봉 조립체가 탄성중합체 밀봉 또는 중합체 밀봉인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 상기 밀봉 조립체 상의 압축력은 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 밀봉 조립체 전반에 걸쳐서 대체로 고르게 배분되는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프레임과 베이스는 함께 결합된 두 부분이거나 또는 하나의 통합된 부분인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 중합체 물질로 적층되거나, 또는 상부 표면 및/또는 하부 표면 상에 중합체막으로 코팅되는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 중합체 물질 또는 중합체막 상의 압축력은 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스 전반에 걸쳐 대체로 고르게 배분되는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  9. 제2항에 있어서, 전기화학 스택을 형성하는 복수의 바이폴라 플레이트 조립체들 중 적어도 하나인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  10. 제2항에 있어서, 상기 압축력이 5,000 psig 내지 40,000 psig 범위인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  11. 제2항에 있어서, 상기 힘 집중기 패턴의 두께가 0.025 mm 내지 프레임 및/또는 베이스 두께 범위인 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  12. 제2항에 있어서, 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 상기 힘 집중기 패턴을 포함하는 제2 표면을 갖는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체.
  13. 바이폴라 플레이트 조립체를 조립하는 방법으로서,
    상기 바이폴라 플레이트 조립체의 프레임과 베이스를 압축하는 단계로서, 상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴이 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함하는 것인 단계를 포함하며,
    상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 대체로 일정하여, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 것인, 바이폴라 플레이트 조립체를 조립하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 약 2　cm2/cm 내지 약 10　cm2/cm 범위인 것인, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 프레임과 베이스 사이에 하나 이상의 밀봉 조립체를 포함하는 것인, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 밀봉 조립체가 탄성중합체 밀봉 또는 중합체 밀봉인 것인, 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 밀봉 조립체 상의 압축력은 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 밀봉 조립체 전반에 걸쳐 대체로 고르게 배분되는 것인, 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 밀봉 조립체 상의 압축력은 상기 밀봉 조립체의 물질의 항복 강도보다 큰 것인, 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 프레임과 베이스가 함께 결합된 두 부분이거나 또는 하나의 통합된 부분이고;
    상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 중합체 물질로 적층되거나, 또는 상부 표면 및/또는 하부 표면 상에 중합체막으로 코팅되며;
    상기 중합체 물질 또는 중합체막 상의 압축력이 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스 전반에 걸쳐 대체로 고르게 배분되는 것인, 방법.
  20. 한 쌍의 바이폴라 플레이트 조립체와, 상기 한 쌍의 바이폴라 플레이트 조립체 사이에 위치한 막 전극 조립체를 포함하는 전기화학 전지로서,
    상기 바이폴라 플레이트 조립체 중 적어도 하나가 프레임과 베이스를 포함하고;
    상기 프레임과 베이스 중 적어도 하나가 힘 집중기 패턴의 형상을 가지거나 힘 집중기 패턴을 포함하는 제1 표면을 가지고, 상기 힘 집중기 패턴이 상기 제1 표면에 걸쳐 부분적으로 연장하는 융기 표면을 포함하며;
    상기 프레임 또는 베이스의 길이 전반에 걸친 힘 집중기 패턴의 표면적이 대체로 일정하여, 상기 바이폴라 플레이트 조립체가 압축 하에 있는 경우에 상기 프레임 및/또는 베이스의 길이를 따라 균일한 압축력을 만들어내는 것인, 전기화학 전지.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6928921B1 (ja) * 2020-01-08 2021-09-01 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 圧縮装置
EP4089205A4 (en) * 2020-01-08 2023-07-26 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Compression device
TR202105212A2 (tr) * 2021-03-22 2021-04-21 Erman Celik Bal peteği rezervuarlı ve yüzeye yayılmış reaktant besleme düzenine sahip bir akış alanı plakası ve buna haiz bir yakıt hücresi

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002009208A2 (en) * 2000-07-20 2002-01-31 Proton Energy Systems Compression member for proton exchange membrane electrochemical cell system
JP2004510320A (ja) * 2000-09-27 2004-04-02 プロトン　エネルギー　システムズ，インク． 電気化学セル内の圧縮を維持するための装置および方法
DE10125360A1 (de) * 2001-05-23 2002-12-05 Wacker Chemie Gmbh Verwendung von zu degradationsstabilen Siliconkautschuken vernetzbaren Massen als Dichtungsmassen in Brenntstoffzellen
US6887613B2 (en) * 2002-12-04 2005-05-03 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
JP2007317428A (ja) * 2006-05-24 2007-12-06 Toyota Motor Corp 燃料電池
US8465879B2 (en) * 2010-11-03 2013-06-18 GM Global Technology Operations LLC Reinforced fuel cell metal plate perimeter
HUE045048T2 (hu) * 2011-07-20 2019-12-30 New Nel Hydrogen As Elektrolizáló berendezés keret koncepció, eljárás és alkalmazás
NO20111046A1 (no) * 2011-07-20 2013-01-21 Nel Hydrogen As Trykkelement
US9634319B2 (en) * 2011-09-09 2017-04-25 East Penn Manufacturing Co., Inc. Bipolar battery and plate
EP2677586A1 (en) * 2012-06-20 2013-12-25 Solvay Sa Bipolar electrode and method for producing same
KR102051793B1 (ko) * 2012-07-24 2019-12-04 누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨 높은 차압의 전기 화학 전지에서의 사용을 위한 유동 구조체들의 배열
JP6085946B2 (ja) * 2012-11-05 2017-03-01 日産自動車株式会社 燃料電池及び燃料電池スタック
JP6393332B2 (ja) * 2013-07-29 2018-09-19 ヌヴェラ・フュエル・セルズ，エルエルシー 電気化学セルのためのシール配置

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