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CN105594039B - 电化学电池的密封结构 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池，包括一对双极板和位于该双极板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括阳极室、阴极室和置于它们之间的质子交换膜。所述电池还包括形成于所述一对双极板其中之一内的密封表面和位于所述密封表面和所述质子交换膜之间的垫片。所述垫片被配置为塑性变形，以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件。所述密封表面可包括一个或多个突起。

Description

电化学电池的密封结构
技术领域
本申请主张于2013年7月29日提交的美国临时专利申请号61/859,457的权益，该专利申请在此全部引用作为参考。
本发明涉及一种电化学电池，更具体地，涉及一种具有级联密封结构并被配置为用于氢回收的电化学电池。
背景技术
电化学电池，通常归类为燃料电池或电解池，为用于从化学反应中产生电流，或利用电流引发化学反应的装置。燃料电池将燃料（如氢、天然气、甲醇、汽油，等）中的化学能和氧化剂（空气或氧气）中的化学能转化为电以及热量和水的废弃物。基本的燃料电池包括带负电荷的阳极，带正电荷的阴极和被称为电解质的离子导电材料。
不同的燃料电池技术采用不同的电解质材料。质子交换膜（PEM）燃料电池，例如，采用聚合物离子导电膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子能够电化学分裂成在阳极的电子和质子（氢离子）。电子通过电路流向阴极并产生电，而质子通过电解质膜向阴极扩散。在阴极，氢质子能够同电子和氧气（提供至阴极）发生反应以产生水和热量。
电解池代表反向运转的燃料电池。基本的电解池能够作为氢气发生器，当施加外部电势时，将水分解为氢气和氧气。氢燃料电池或电解池的基本技术能够应用于电化学氢处理，如，电化学氢压缩、纯化或膨胀。
电化学氢压缩机（EHC），例如，能用于选择性地将氢从电池的一侧转移到另一侧。EHC包括夹在第一电极（即，阳极）和第二电极（即阴极）之间的质子交换膜。含氢气体能够与第一电极接触，并且电势差可被施加于第一和第二电极之间。在第一电极，氢分子能够被氧化，并且该反应能产生两个电子和两个质子。两个质子被电化学驱动穿过膜至电池的第二电极，在第二电极，它们通过两个改变路线的电子重新加入并还原以形成氢分子。发生在第一电极和第二电极的化学反应能够以化学方程式表示，如下所示。
第一电极氧化反应：H2→ 2H+ + 2e-
第二电极还原反应：2H+ + 2e- → H2
总体电化学反应：H2→ H2
以这种方式运作的EHCs有时被称为氢泵。当第二电极中积累的氢被限制在一个密闭的空间时，电化学电池压缩氢或增大压力。基于电池设计，单个电池能产生的最大压力或流量可被限定。
为了实现更大的压缩或更高的压力，多个电池能够串联连接以形成多级EHC。在多级EHC中，气体流动路径，例如，能够被配置，从而第一个电池压缩输出的气体能够作为第二个电池的输入气体。可替代地，单级电池能够并联连接以增加EHC的生产量（throughputcapacity）（即，总气体流速）。在单级和多级EHC中，电池均能够被堆叠，且每个电池包括阴极，电解质膜和阳极。每个阴极/膜/阳极组件构成“膜电极组件”，或“MEA”，其通常由双极板支撑在两侧。除了提供机械支撑外，当它们电联接时，双极板物理性地分开堆栈中的单个电池。双极板还可作为集电器/导体，并为燃料提供通道。通常，双极板由金属（例如，不锈钢、钛，等）和非金属导电体（例如，石墨）制成。
电化学氢处理已成为用于氢管理的传统机械系统的可行的替代。氢作为能量载体的成功商业化和“氢经济”的长期可持续性很大程度上取决于燃料电池、电解池和其他氢处理/管理系统（例如：EHCs）的效率和成本效益。气态氢是一种方便和常见的能源储存形式，通常被加压密封。有利的是，储存氢在高压下产生高能量密度。
机械压缩是实现压缩的传统方式。然而，机械压缩存在着缺点。例如，消耗大量能源，移动部件的磨损，噪音过大，设备笨重和氢脆。通过热循环增压是机械压缩的一种替代方法，但如同机械压缩一样，其能耗是巨大的。与此相反，电化学压缩安静，可伸缩，模块化，并能实现高能效率。
电化学氢压缩的一个挑战是关于加压氢气的安全问题。氢气极易燃烧，高压氢气引发安全问题。主要问题可能包括高压氢气从电化学压缩机内泄漏或意外释放。灾难性的释放可能会造成安全隐患。
此外，即使小泄漏可能不会上升到重大安全问题的层面，但仍然降低了电化学压缩机的效率。因此，有必要防止或减少氢泄漏。
发明内容
考虑到上述情况，本发明旨在提供一种具有密封结构的电化学电池，该结构被构造为限制氢气从电池中意外释放。此外，该密封结构能够收集和回收从电池中泄漏的氢。在本文公开的某些实施例中，级联密封结构是预期的。
本发明的一个方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板，其中密封表面形成于所述一对双极板中的其中之一内；位于一对双极板之间的膜电极组件，其中所述膜电极组件包括阳极、阴极和置于它们之间的质子交换膜；限定高压区的第一密封件，其中，第一密封件位于所述双极板之间，并配置为容纳所述高压区内的第一流体；限定中压区的第二密封件，其中，第二密封件位于所述双极板之间，并配置为容纳所述中压区内的第二流体；其中，第一密封件由垫片形成，该垫片被配置为塑性变形以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件。在某些实施例中，所述密封表面包括一个或多个突起。
本发明的又一方面涉及电化学电池的隔室密封的方法。该方法包括组装电化学电池，该电化学电池具有一对双极板、阳极室、阴极室以及设于所述一对双极板之间的质子交换膜。该方法还包括：通过用足够的力压缩垫片，使其塑性变形，使垫片抵住双极板中的一个实现密封；以及使质子交换膜抵住所述垫片实现密封。
本发明的又一方面涉及一种电化学电池。所述电化学电池包括一对双极板和位于一对双极板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括阳极室、阴极室和置于它们之间的质子交换膜。所述电池还包括形成于所述一对双极板中的一个双极板内的密封表面以及位于所述密封表面和所述质子交换膜之间的垫片。所述垫片被配置为塑性变形以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件。
本发明的又一方面涉及一种电化学电池。所述电化学电池包括一对双极板和位于一对双极板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括阳极室、阴极室和置于它们之间的质子交换膜。所述电化学电池还包括形成于所述一对双极板其中之一内的密封表面，且所述密封表面包括一个或多个突起。压缩的垫片位于所述密封表面和所述质子交换膜之间，并且所述垫片塑性变形以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件。
本发明的又一方面涉及一种电化学电池。所述电化学电池包括一对双极板和位于一对双极板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括阳极室、阴极室和设置在它们之间的质子交换膜。所述电化学电池还包括形成于所述一对双极板中的一个双极板内的密封表面；以及位于所述密封表面和所述质子交换膜之间的垫片，其中，所述垫片包括至少一个突起。
本发明的又一方面涉及一种电化学电池。所述电化学电池包括一对双极板和位于一对双极板之间的膜电极组件。所述膜电极组件包括阳极室、阴极室和设置在它们之间的质子交换膜。所述电化学电池还包括形成于所述一对双极板中的一个双极板内的密封表面；以及位于所述密封表面和所述质子交换膜之间的压缩的垫片。所述垫片在压缩之前包括至少一个突起。
本发明的另一方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板和位于一对双极板之间的膜电极组件，其中，所述膜电极组件包括阳极、阴极和置于它们之间的质子交换膜；限定高压区的第一密封件，其中，第一密封件位于所述双极板之间，并配置为容纳所述高压区内的第一流体；限定中压区的第二密封件，其中，第二密封件位于所述双极板之间，并配置为容纳所述中压区内的第二流体；其中，所述第一密封件被配置为，当第一密封件脱离时，将第一流体泄漏至中压区。
本发明的另一方面涉及一种电化学电池，包括：一对双极板和位于一对双极板之间的膜电极组件；位于所述双极板之间，容纳第一流体的高压区；位于所述双极板之间，容纳第二流体的中压区；以及容纳第三流体的低压区；其中，所述电化学电池被配置为在第一结构、第二结构和第三结构之间转换，所述转换基于施加至所述双极板的至少一个闭合力，以及由第一流体、第二流体和第三流体中的至少一个的压力产生的开启力。
本发明的又一方面涉及一种调节具有级联密封结构的电化学电池的闭合力的方法，所述方法包括：提供一种在级联密封结构中具有多个密封件的电化学电池；基于期望的运行压力，对电化学电池施加初始闭合力；运行所述电化学电池；监测电化学电池的压力；以及基于监测到的压力，调整施加至电化学电池的闭合力，其中，当多个密封件中的至少一个脱离时，调整所述闭合力改变压力。
应当理解的是，上述一般性描述和下面的详细描述都只是举例和解释，并非对本发明的限定，如权利要求所述。
附图说明
附图与说明书结合并作为说明书的一部分，示出了本发明实施例，并配以描述说明，用于解释本发明的原理。
图1为电化学电池一部分的侧视图，示出了电化学电池的各部件。
图2A为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的正视图，示出了电池的各密封件和压力区。
图2B为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的正视图，示出了电池的各密封件和压力区。
图3A为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图。
图3B为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图，示出了各种力。
图4A为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图，示出了第一结构。
图4B为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图，示出了第二结构。
图4C为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图，示出了第三结构。
图5为根据一个示范性实施例的电化学氢回收系统的示意图。
图6为根据一个示范性实施例的控制电化学电池内压力的方法的流程图。
图7为根据另一实施例的电化学电池一部分的正视图，示出了电池的各密封件和压力区。
图8为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图，示出了密封的阴极室。
图9A至9C为根据一个示范性实施例的截面图，示出了双极板的密封表面，密封表面包括具有各种结构的突起。
图9D和9E分别为图9A中示出的双极板的密封表面在未压缩和压缩状态下的截面图。
图9F为图9A中示出的双极板的密封表面的截面图，包含了尺寸信息。
图10为根据一个示范性实施例的具有突起的垫片的截面图。
图11为根据另一实施例的电化学电池一部分的顶部截面图，示出了密封的阴极室。
图12A为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的顶部截面图，示出了所述阳极室和所述PEM之间的气体扩散层和加强层。
图12B为根据另一个示范性实施例的电化学电池一部分的顶部截面图，示出了加强层具有延伸超出垫片长度的一部分。
图12C为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的顶部截面图，示出了所述垫片和所述PEM之间的加强层。
图12D为根据另一个示范性实施例的电化学电池一部分的顶部截面图，示出了加强层具有延伸超出垫片长度的一部分。
图13为根据一个示范性实施例的电化学电池一部分的截面图， 示出了在电化学电池的移位测试期间，分隔片的使用。
图14为根据一个示范性实施例的两片式双极板的等轴测视图。
具体实施方式
现在将详细地描述本发明的示范性实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，所有图将使用相同的附图标记指代相同或相似部分。虽然描述的是关于使用氢气的一种电化学电池，但是应该理解的是，本发明的所述装置和方法适用于各种形式的燃料电池和电化学电池，包括但不限于电解池、氢纯化器、氢膨胀机和氢压缩机。
图1为根据一个示范性实施例的一种电化学电池100的侧面爆炸视图。电化学电池100可包括阳极110、阴极120和置于阳极110和阴极120之间的质子交换膜（PEM）130。组合的阳极110、阴极120和PEM130可包括膜电极组件（MEA）140。PEM130可包括纯聚合物膜或复合膜，其中其他材料，例如，二氧化硅、杂多酸、层状金属磷酸盐、磷酸盐和磷酸锆可以嵌入到聚合物基体中。当不传导电子时，PEM130可对质子具有渗透性。阳极110和阴极120可包括含有催化剂层的多孔碳电极。催化剂材料（例如铂）能够提高反应速率。
电化学电池100可还包括两个双极板150和160。双极板150、160可作为支撑板、导体，为燃料提供到达各自电极表面的通道，并且为压缩燃料的移除提供通道。双极板150、160可还包括冷却液（如，水、乙二醇，或水乙二醇混合物）的进出通道。双极板可以由铝、钢、不锈钢、钛、铜、镍铬合金、石墨或其他任何导电材料或由这些材料组合成的合金、涂层或包覆的形式制成。双极板150、160能够在电化学堆栈（没有示出）将电化学电池100从相邻的电池中分隔出来。例如，多个电化学电池100能够以流动串联连接形成多级氢压缩机（EHC）或以流动并联堆叠形成单级EHC。
在操作中，根据一个示范性实施例，氢气可以穿过双极板150供应至阳极110。电势可被施加于阳极110和阴极120之间，其中，在阳极110的电势比在阴极120的电势更大。在阳极110的氢能够被氧化，使得氢分裂成电子和质子。当电子改变路线围绕PEM130时，质子通过电化学运输或“泵送”而穿过PEM130。在PEM130对面的阴极120，运输过来的质子和改变路线的电子被还原以形成氢。随着越来越多的氢在阴极120生成，氢能够被压缩并且被加压于密闭空间内。
在电化学电池100内，多个不同的压力区和多个密封件可限定一个或多个不同的压力区。图2A示出了电化学电池100内的多个不同的密封件和压力区。如图2A所示，多个密封件可包括第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191。第一密封件171可被完全包含于第二密封件181内，并且第二密封件181可被完全包含于第三密封件191内。此外，多个密封件可还包括辅助第一密封件175、176。辅助密封件175和176可位于第一密封件171外，但在第二密封件181内。
第一密封件171能够限定高压区170，并配置为容纳高压区170内的第一流体172（如，氢）。第一密封件171能够界定高压区170的外部边界。高压区170可对应于PEM130的高压阴极120侧。在阴极130形成的氢能够收集在高压区170内，并且容纳于第一密封件171。高压区170内的氢能够被压缩，并且越来越多的氢在高压区170内形成，因此压力增大。高压区170内的氢能够被压缩至压力达到或大于15000psig。
辅助第一密封件175、176能够限定两个能与高压区170流体连通的辅助高压区177、178。辅助高压区177、178可以是被配置为将第一流体172从高压区170排出的共同通道。在多级电池电化学压缩机中，辅助高压区177、178能够与相邻电化学电池的共同通道流体连通。
第二密封件181能够限定中压区180，并配置为容纳中压区180内的第二流体182。第二密封件181能够界定中压区180的外部边界。中压区180对应于PEM130的低压阳极110侧。供应至阳极110的第二流体182（如，氢或包含氢的气体混合物）通过第二密封件181容纳于中压区180内，直到它被氧化，并“泵送”穿过PEM130至阴极120和高压区170。基于被供给的压力，中压区180内的第二流体182的压力可以不同。无论如何，在中压区180内的第二流体182的压力通常可比在高压区170内的第一流体172的压力更低。
第三密封件191能够限定低压区190，并配置为容纳低压区190内的第三流体192。第三密封件191能够界定低压区190的外部边界。低压区190可包括冷却液通道，第三流体192可包括冷却液。冷却液可包括水、乙二醇、或它们的组合。在高温系统中，油能被用作为冷却液。第三流体192通常能保持压力低于在中压区180的第二流体181和在高压区170的第一流体172的压力。低压区190可包括配置的入口通道和出口通道（未示出），因此第三流体192能够流通穿过低压区190。
在如图2B所示的替代实施例中，低压区可不位于电化学电池100内部，而是位于围绕电化学电池100或形成堆栈的多个电池的区域。例如，低压区190可包含氮，形成氮气覆盖层围绕电化学电池100，或在其他实施例中围绕电池堆栈。其他惰性流体例如氩或氦也可以代替氮使用。
图3A为电化学电池100沿着图2A中的平面A的截面图。如图2A所示，电化学电池100可包括MEA140和双极板150、160。在双极板150和160之间可以是限定高压区170的第一密封件171、限定中压区180的第二密封件181和限定低压区190的第三密封件191。在图3A中，第一密封件171、第二密封件181、第三密封件191可各自显示为如先前在图2A中显示的单一连续密封件的两个独立的横截面。
如图3A所示，第一密封件171能靠着第一肩部173放置。第一肩部173可被配置为，随着高压区170内产生压力，维持第一密封件171的位置。高压区170内的压力能对第一密封件171施加向外的力。第一肩部173的高度范围约为第一密封件171的未压缩厚度的约98%到约25%。
在图3A所示的特定实施例中，没有肩部位于第一密封件171内。缺少内置肩部，如图3A所示，允许第一密封件171组合、接合、连接或整合至MEA140或其中一部分。具有整合至MEA140的第一密封件171能够方便电化学电池100的一致性、高效和精简组装。然而，在替代实施例中，附加的肩部能够被放置于第一密封件171内部，其中该第一密封件171可被配置为创建一个槽，其中第一密封件171可被定位在该槽内。
再次参见图3A，第二密封件181可被定位在形成于双极板160的两个肩部之间的第二槽183内。第二槽183和第二密封件181的内部可为中压区180，第二槽183和第二密封件181的外部可为低压区190。第二槽183的深度范围约为第二密封件181的未压缩厚度的约98%到约25%。
如图3A所示的第三密封件191，可被定位在形成于双极板160的两个肩部之间的第三槽193内。第三槽193和第三密封件191的内部可为低压区190，第三槽193和第三密封件191的外部可为电化学电池100的周边环境。第三槽193的深度范围约为第三密封件191的未压缩厚度的约98%到约25%。
在组装期间，双极板150、160之间的第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191可压缩它们未压缩厚度的预定百分比，通过选择它们各自肩部173的适当高度或它们各自槽183和193的深度。第一肩部173以及形成第二槽183和第三槽193的肩部能够作为双极板150的中止部件，如图3A所示。通过中止部件，可以降低密封件过度压缩的可能性。第一肩部173和以及形成第二槽183和第三槽193的肩部的高度可以相等，当表面平行时，使得双极板150可以一次性与双极板160所有的肩部表面接触。
在替代实施例中（未示出），第二槽183和第三槽193可形成于双极板150内而不是双极板160内。在另一实施例中，第二槽183可以形成于双极板150、160中的任意一个内，而第三槽193形成于另一个板内。在又一实施例中，第二槽183的部分和第三槽193的部分能够形成于两个双极板150、160内。
第二槽183和第三槽193具有对应于第二密封件181和第三密封件191的形状的横截面几何形状。例如，密封件和槽横截面的几何形状可以是正方形、矩形、多边形、圆形、或椭圆形。在各实施例中，第二密封件181和第三密封件191的宽度可以小于对应的槽。槽的额外空间可以允许由于温度变化、内部气体的压力变化和双极板压缩的压力变化引起的密封件的膨胀和收缩。如图3A所示，通常密封件可被向外推至槽内的最外部位置，因为与来自外部的压力相比，密封件承受了更高的来自内部的压力。
第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191可以是垫片、O形环或其他密封构件。第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191可以由弹性或聚合密封材料制成，例如，硅树脂、EPDM（三元乙丙橡胶）、氟橡胶、丁腈橡胶（丁腈橡胶）、PTFE（聚四氟乙烯）、聚砜、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、PEEK（聚醚醚酮）、聚酰亚胺、PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PEN（聚萘二甲酸）、HDPE（高密度聚乙烯）、聚氨酯、氯丁橡胶、乙缩醛、尼龙、聚对苯二甲酸丁酯、NBR（丙烯腈 - 丁二烯橡胶）等。在一些实施例中，第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191可以由金属材料制成，包括例如，锡、锡合金、不锈钢、银、铂和金。每个密封件的材料可以与其他密封件的材料不同，可以仅仅是两个密封件的材料相同，或者所有密封件的材料都相同。
如同材料，每个密封件的厚度可以与其他密封件不同。厚度可沿着电化学电池100的纵轴（Y）测量。如图3A所示，第二密封件181的厚度大于第一密封件171的厚度，第三密封件191的厚度大于第二密封件181的厚度。因此，最外部的密封件，第三密封件191，可具有最大的厚度，并且最内部的密封件，第一密封件171，可具有最小的厚度。例如，第一密封件171的厚度范围可介于约0.01mm至约1.0mm之间，第二密封件181的厚度范围可介于约0.02mm至约2.0mm之间，第三密封件191的厚度范围可介于约0.03mm至约3.0mm之间。
对于第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191的横截面几何形状可以是圆形或椭圆形的实施例，如上所述的厚度指的是圆形或椭圆形的横截面的直径。
如图3B所示，在电化学电池100运行过程中，施加在双极板150和160之间的各个相对应的区域内的第一流体172、第二流体182和第三流体192的压力，能够产生开启力200。不相对的开启力200可使得双极板150、160分离。为了防止开启力200分离双极板150、160，闭合力210可被施加于板以对抗并克服开启力200。应该理解的是，第一流体172、第二流体182和第三流体192的压力将产生相较于那些由多个箭头表示的开启力200的更多的力。例如，垂直于开启力200的横向力（未示出），以及来自各压力区的所有可能的方向的其他指向外部的力将被产生。
图4A为在第一结构中的电化学电池100的横截面。当闭合力210足够克服开启力200，并且保持双极板150、160充分结合时，电化学电池100能够维持第一结构。而在第一结构内，第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191都能够与双极板150、160的顶部和底部的密封表面保持接触，防止第一流体172、第二流体182或第三流体192的泄漏或分流。在这种特殊情况下，所有密封件均实现它们的功能。
当电化学电池100处于第一结构中，如上所述，双极板150、160表面之间实际测量的距离可以不同。例如，距离范围介于约0.00mm至约0.01mm、至约0.05mm、至约0.10mm。
图4B为在第二结构中的电化学电池100的横截面。当闭合力210减小或开启力200增加（例如，第一流体172的压力增大）使得双极板150、160分离时，电化学电池100可转换到第二结构。如图4B所示，双极板150、160的第一次分离可使得第一密封件171脱离，使得第一流体172从高压区170分流至中压区180。在图4B所示的特定实施例中，第一密封件171被显示先从双极板160脱离，使得第一流体172在第一密封件171之下和周围流动。然而，可以理解的是，在替代实施例（未示出）中，第一密封件171可以先从双极板150脱离，使得第一流体172越过第一密封件171，在第一密封件171和MEA140之间流动通过。
第一流体172从高压区170至中压区180的流动可由第一流体172和第二流体182之间的压力差引起，并可沿着阻力最小的路径流动。第一密封件171由于具有比第二密封件181和第三密封件191更小的厚度，可被配置为第一个脱离的密封件。这就可允许，尽管第二结构中存在双极板150、160的第一次分离，第三密封件191和第二密封件181与所有密封件表面仍保持接触，防止流体从任一密封件分流。
当电化学电池100处于第二结构中，如上所述，存在于双极板150、160之间的第一距离的实际测量值可以不同。例如，第一距离的距离范围介于约0.01mm至约0.05mm，至约0.10mm，至约0.25mm。
图4C为在第三结构中的电化学电池100的横截面。当进一步减小闭合力210或进一步增大开启力200，使得双极板150、160经受第二次分离时，电化学电池100可转换到第三结构。如图4C所示，双极板150、160的第二次分离可使得第一密封件171和第二密封件181均脱离，使得第一流体172从高压区170，以及第二流体182从中压区180分流至低压区190。在图4C所示的特定实施例中，第二密封件181被显示先从双极板150脱离，使得第二流体182越过第二密封件181流动。然而，可以理解的是，在替代实施例（未示出）中，第二密封件181先从双极板160脱离，使得第二流体182在第二密封件181之下和周围流动。
第二流体182从中压区180至低压区190的流动可由第二流体182和第三流体192之间的压力差引起。第二密封件181由于具有比第一密封件171更大的厚度，但又不如第三密封件191厚，可被配置为第二个脱离的密封件。因此，由于第三密封件191能够比第一密封件171和第二密封件181都要厚，尽管双极板150、160第二次分离，第三密封件191与所有密封件表面能够保持接触防止流体分流。
当电化学电池100处于第三结构中，如上所述，第二距离的实际测量值可以不同。例如，第二距离的距离范围可介于约0.05mm至约0.25mm，至约0.50mm。
基于运行过程中闭合力210和开启力200的变化幅度，电化学电池100可被配置为从第一结构转换至第二结构，以及从第二结构转换至第三结构。此外，基于运行过程中闭合力210和开启力200的变化幅度，电化学电池100也可被配置为从第三结构转换至第二结构，以及从第二结构转换至第一结构。可以预见的是，第一结构，第二结构和第三结构之间的转换可以连续发生，转换响应于运行过程中闭合力210和开启力200的变化幅度。
在其他实施例中，可以预见的是，密封件的弹性系数或硬度系数可以不同，而不是密封件的厚度不同，使得密封件分散脱离。在又一实施例中，厚度和弹性系数都可以不同。
在某些实施例中，如上所述的密封件的布置可以归类为级联密封结构。级联密封结构能提供若干优点。例如，该级联密封结构可以通过以三级密封保护的形式，提供密封冗余，从而限制高压氢逸出电化学电池100的可能性。降低氢泄漏的可能性有益于安全和能量效率。
此外，该级联密封结构可还允许压力的自我调节。压力的自我调节得以实现是由于密封件的厚度差异以及第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191的分散脱离的结果。例如，如图4B所示，当电化学电池100处于第二结构中，第一密封件171可脱离，使得第一流体171泄漏至中压区180。泄漏至中压区180的第一流体172可释放高压区170的压力。通过释放高压区170的压力，减小了开启力200。开启力200的降低能够使得双极板150、160的第一次分离反向运转，使得电化学电池100从第二结构转换到第一结构，并且第一密封件171复位。
由第一密封件171泄漏的第一流体172可与第二流体182混合并被电化学电池100利用，实际上，泄漏的第一流体172可以循环利用。这种泄漏和后续循环的结果可以是损耗压缩效率，因为泄漏的氢被“泵送”穿过PEM两次。然而，如果泄漏的氢不回收，而是泄漏到电化学电池100的外部并且丢失，压缩效率的潜在损耗仍然要比整体的效率损耗小。
如果高压区170的释放压力不足以促使第二结构向第一结构转换，可能发生第二次分离，使得电化学电池从第二结构转换至第三结构。如图4C所示，在第三结构中，双极板150、160的第二次分离可使得第二密封件181脱离，使得第二流体182泄漏至低压区190。泄漏至低压区190的第二流体182可释放中压区180的压力。通过释放中压区180的压力，开启力200进一步减小。开启力200的降低使得双极板150、160的第二次分离反向运转，使得电化学电池100从第三结构转换到第二结构，并且至少第二密封件181复位。
第二流体182从中压区释放至低压区190的结果可以是电池效率的损耗。然而，好处是可以降低第二流体182（如，氢气）从电化学电池100逸出的可能性。
在各实施例中，在低压区190的第三流体192的压力可被监测。第二密封件181的脱离可使得低压区190的压力增大，是由第二流体182的压力释放至低压区190引起的。因此，通过监测第三流体192的压力，第二密封件181的脱离可被检测到。此外，电化学电池100可被配置为在低压区190的压力达到临界压力之前关闭。临界压力可设为仅低于第三密封件脱离，而使得第一流体172、第二流体182和第三流体192逸出电化学电池100的压力。
监测压力可以通过多种方法实现。例如，压力传感器可被配置为分别读取中压区180或低压区190的压力，并且当压力达到临界压力的设定值时，阳极110和阴极120的电势被关闭，防止氢进一步“泵送”跨过PEM130。
在其他实施例中，中压区180中的第二流体182和高压区170中的第一流体172的压力也能被监测。例如，监测第二流体182可以使得压力达到第二密封件181脱离的临界点之前关闭电池。
在各实施例中，当第一流体172或第二流体182（如，高压或低压氢）释放至低压区190，能够与第三流体（如，冷却液）混合，并且能够通过循环的第三流体192而被运出低压区190。
图5为电化学氢回收系统（EHRS）500，根据一个示范性实施例。EHRS500可包括如上所述具有级联密封结构的电化学电池100。除了电化学电池100，EHRS500可包括氢回收设备510。设备510可与电化学电池100的低压区190和中压区180流体连通。设备510可以接收从低压区190排出的第三流体192，并且可被配置为回收包含在第三流体192中的至少任意一部分第二流体182。第三流体192穿过氢回收设备510后，第三流体可被重新供给至低压区190。通过配置为流体连通氢回收设备510和中压区180的回收线路520，由氢回收设备510从第三流体192回收的任何第二流体182可以重新进入中压区180。循环的第二流体182可以提高系统的整体效率。当第二流体是氢气，例如，回收的第二流体182减少了新氢的需求量。
氢回收设备可以使用各种技术将第二流体182从第三流体192中分离。例如，溶解气体从冷却液分离或氮气层的氢分离膜。
在各实施例中，EHRS500可被配置为监测低压区190中第三流体192的压力。通过监测低压区190中第三流体192的压力，氢回收设备510可被配置为，当已经检测到压力增大时，仅仅接合或通电，这可表明第二密封件181已脱离并且第二流体已泄漏至低压区190。通过限制氢回收设备的使用，系统的整体效率可提高。
电化学电池100可在高于约15000 psig的压差下运行。例如，压差可被测作第二流体182的压力与第一流体172之间的压差；第二流体182的压力（如，入口氢压力），其范围介于约-10 psig至约0 pisg、或介于约0 psig至约25 psig、约100 psig、约500psig、约1000psig、或约6000 psig，第一流体172的压力（如，压缩的氢压力），其范围介于入口氢气压力的下界至高于约15000 psig。如上所述的压差可作为第一密封件171所承受的压差。第二密封件181可承受第二流体182与第三流体192之间的压差，范围介于约0 pisg至约25 pisg、约100pisg、约500 psig、约1000psig、或约6000 psig之间。
如上所述的级联密封结构可调整（如，增大或减小）闭合力210对应于特定开启力210。传统闭合力210可被设为传递第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191上的预载荷以抵抗由内部压力引起的预期开启力200。然而，在电化学电池100运行期间，通过改变预载荷或调整闭合力210，第一密封件171、第二密封件181和第三密封件191脱离的压力可以被调整，因此它们每个的脱离和泄漏都在一个优选的特定压力下发生。
电化学电池100的调整能力可以用来提高装置的安全性。如上所述，密封件的脱离使得高压得以释放，并且使密封件能够复位。因此，通过调整闭合力210，电化学电池可被配置为使得密封件为对抗压力增大的第一部件，而不是其他部件失效可能使得氢释放。
图6为调整电化学电池100中密封件的方法的流程图600。该方法可包括提供如上所述的在级联密封结构中具有多个密封件的电化学电池100。接着，该方法可包括基于预期运行压力，对电化学电池施加初始闭合力。施加初始闭合力后，电池可被通电，并开始运行。在运行期间，电化学电池100内的低、中、高压区可被连续或间歇地监测。基于所监测的压力和产生的开启力，闭合力可被调节。调节闭合力可以改变所述多个密封件中至少一个脱离的压力。这个过程可连续贯穿于电化学电池的运行或可被配置为只在启动最初有限的时间内运行。根据需要，电化学电池的运行可以结束。
可以预见的是，在一些实施例中，第一密封件171可脱离，是由于在板150、160不分离的条件下，高压区170中第一流体172的压力引起的。类似地，可以预见的是，第一密封件171和第二密封件181均可脱离，是由于在板150、160不分离的条件下，高压区170中的第一流体172和中压区180中的第二流体182的压力引起的。在这些实施例中，至少第一流体172的压力，在某些实施例中，无论第一流体172还是第二流体182的压力都被监测。基于监测到的压力，闭合力可被调节。基于与第一肩部172，第二槽183和第三槽193分别对应的第一密封件171，第二密封件181和第三密封件的几何形状和/或厚度，闭合力210可以进一步调整。
更多或更少的密封件和压力区是被考虑的。例如，如图7所示的另一个实施例，电化学电池100可包括第一密封件171和第二密封件181。相应的，如图7所示的电化学电池100可包括限定高压区170的第一密封件171。第一密封件171可位于双极板150、160之间，并配置为容纳所述高压区170内的第一流体172。电化学电池100可进一步包括限定中压区180的第二密封件181。第二密封件181可位于双极板150、160之间，并配置为容纳中压区180内的第二流体182。第一密封件171可被完全包含于第二密封件181内。电化学电池100可还包括辅助第一密封件175、176。辅助密封件175和176可位于第一密封件171的外部，但位于第二密封件181内部。
此外，关于电化学电池100，第一流体172可处于比第二流体182更高的压力。第一密封件171和第二密封件181可具有一般矩形的横截面。第二密封件181的厚度可大于第一密封件171。第一密封件171可被配置为，当第一密封件171脱离时，将第一流体172泄漏至中压区180。在这种实施例中，电化学电池100可被配置为在第二密封件脱离之前关闭，减小第二流体182从中压区180泄漏的可能性。
电化学电池100内的第一密封件171和第二密封件181可被配置为，当施加于双极板150、160的闭合力大于双极板150、160内部的开启力时，仍在工作位置，防止第一流体172和第二流体182的泄漏。当施加于双极板150、160的闭合力接近于双极板150、160内部的开启力时，第一密封件171可被配置为在第二密封件181脱离之前脱离，使得第一流体172经过第一密封件171泄漏至中压区180。经过第一密封件171泄漏的第一流体172，可与第二流体182混合，并被循环回收。
在另一实施例中（未示出），电化学电池100可包括第一密封件171、第二密封件181、第三密封件191和第四密封件。在本实施例中，第四密封件可被完全包含于第三密封件191内，在第二密封件181和第三密封件191之间。即，第四密封件可以限定第四压力区，例如，真空或氢回收区，容纳具有压力的流体，其压力小于第二流体182和第三流体192两者的压力。第四密封件的厚度可比第二密封件181的厚度大。以这种方式，第二密封件181可被配置为，当第二密封件181脱离，将第二流体182泄漏至第四压力区。
图8和11示出了第一密封件171的示范性实施例。如上所述，第一密封件171限定高压区170，其可被配置为容纳高压区170中的第一流体172（如，氢）。高压区170可对应于PEM130的高压阴极侧120。在阴极120形成的氢被收集在高压区170内，并容纳于第一密封件171。在有些实施例中，在高压区170内的氢具有的压力比15000 psig更大。
下面将更详细地讨论，第一密封件171可包括部件的组合，其中该部件的组合能够密封电化学电池100中的隔室，并很长一段时间（如，超过10年）承受超过15000 psig的压力，并且第一密封件171可经历很多压力循环（如，超过10000次循环）。在示范性实施例中，密封组件包括垫片300；形成于双极板150、160其中之一内的密封表面350；和PEM130。第一密封件171可通过垫片300的压缩，抵住密封表面350，和PEM130的压缩，抵住垫片300而形成。其他密封件可包括下面一个或多个特征，并且可以结合第一密封件171使用。此外，应该理解的是，下面描述的特征可被用于密封电化学电池的其他部件和/或被用于没有使用级联密封结构的电池。
图8为根据一个示范性实施例的电化学电池100的截面图。如图8所示，电化学电池100包括置于双极板150、160之间的阳极室110、质子交换膜（PEM）130、和阴极室120。密封表面350可形成于双极板150、160其中之一内，并位于被密封的隔室周边附近。在图8中，密封表面350位于阴极室120周边的外部。垫片300位于密封表面350和PEM130之间。
组装电化学电池100的过程中，垫片300可被压缩，抵住双极板160和PEM130的密封表面以形成第一密封件171、第二密封件181或第三密封件191。垫片300可被配置为这样，在密封表面350的压缩下，垫片300主要发生塑性变形。特别地，垫片300可由具有蠕变模量的“硬质”材料制成，并且该材料的压缩屈服强度大于所需的密封压力，但是低于密封表面350的压缩屈服强度。例如，垫片300可由具有蠕变模量的材料制成，并且/或者该材料的压缩屈服强度的范围足以承受12000 psig以上的压力。垫片300的屈服强度可高于PEM130，使得通过压缩软质PEM材料，抵住硬质垫片材料的表面，形成密封件。交替地，垫片300可由具有压缩屈服强度小于所需的密封压力的材料制成。由于垫片受限于双极板160的壁和密封表面350的突起，比所需的密封压力更大的压缩压力仍能被施加于垫片300上。
在一些实施例中，垫片300可由聚合密封材料制成，包括但不限于，亚胺、聚醚醚酮（PEEK）、聚乙烯亚胺（PEI）、聚碳酸酯、聚酰亚胺、PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PEN（聚萘二甲酸）、HDPE（高密度聚乙烯）、聚氨酯、乙缩醛、尼龙、聚对苯二甲酸丁二酯和聚砜。聚合物垫片材料可耐酸，并不应萃取出对电化学电池100的运行有害的材料。在其他实施例中，垫片300可由金属材料制成，包括但不限于，锡、锡合金、不锈钢、银、铂和金。该金属垫片材料可耐腐蚀或具有耐腐蚀涂层。在其他实施例中，垫片300可由聚合物和/或金属材料的复合材料制成。
垫片300的尺寸，包括垫片的形状、厚度和宽度可以不同，并且基于电化学电池100的尺寸。在一些实施例中，垫片300可具有厚度范围为0.25英寸至0.001英寸的大体为直线的横截面。厚度沿着电池的纵轴（Y）测量。在这些实施例中，垫片300宽度和厚度可具有范围为3：1至大于25:1的纵横比。
密封表面350包括一个或多个特征，配置为施加足够的压力使得垫片300塑性变形并形成密封件。例如，密封表面350可为具有一个或多个突起360的表面。在某些实施例中，压缩力被施加以产生足够的压力使得垫片塑性变形并形成密封表面。突起360可起应力集中的作用，并能在材料上产生比目标密封压力更高的局部应力。虽然示出了三个突起360，但应该理解的是，更大或更小数目的突起可被提供。
突起可具有任何已知的几何形状，足以使垫片300变形。例如，突起可具有三角形结构360a（图9A）、尖头结构360b（图9B）、或平头结构360c（图9C）。突起的其他几何形状的设想包括局部圆形结构，以及半圆结构。可以预见的是，每个突起的结构可以与其他突起的结构不同，或所有突起的结构都相同。图9A-C的示范性突起被示出为具有相同的高度，但是其中任何一个或多个可被配置为比其余的更高或更低。例如，每隔一个突起可具有相同的高度，最外面的突起可以更高或同一高度，一个或多个内部突起可以更高，所述突起的高度可从左至右或从右至左下降或上升，或每个突起可在不同的高度。具有不同高度的突起的实施例可被配置为更好地解决其他部件加工公差的多样性。
突起360和垫片300可相对彼此安置，以为突起360和一部分垫片300的顶面之间留有小间隙。在组装过程中，突起360可被压缩抵住垫片300，使得每个突起360压入并与垫片300密封。当更多压缩力被施加于双极板150、160，可形成足够的压力使得垫片300塑性变形并形成密封件。
在示范性实施例中，密封表面可为具有一个或多个突起、加工为锋利的刃状边缘的刃状边缘密封表面。在组装过程中，这些突起被压缩抵住垫片300，使得每个突起的刃状边缘压入并与垫片300密封。当更多压缩力被施加于双极板150、160，可形成足够的压力使得垫片300塑性变形并形成密封件。
通过为突起360选择适当的高度和宽度尺寸，垫片300可被压缩它们未压缩厚度的预定百分比。在某些实施例中，突起360可被布置为在垫片内刻意形成非均匀的应力场，其中部分应力场在大小上大于被密封的气体压力水平。
图9D和9E提供了如图9A所示的双极板的密封表面的横截面图，分别为未压缩状态和压缩状态。在图9D中，垫片300的宽度由WG1表示，垫片300的高度由hG1表示，且双极板160的凹槽深度由dp表示。关于突起360，其高度由ht表示，突起360之间的间距由St表示。
在某些实施例中，hG1:dp的比例范围可介于0.8:1至1.5:1之间，例如介于0.9:1至1.3:1之间、0.9:1至1.4:1之间、1:1至1.3:1之间、以及1:1至1.2:1之间。此外，ht:hG1的比例范围可介于0.05:1至0.75:1之间，例如介于0.1:1至0.7:1之间、0.15:1至0.65:1之间、0.2:1至0.6:1之间、以及0.25:1至0.6:1之间。进一步地，St:ht的比例范围可介于0.5:1至10：1之间，例如介于0.2:1至8:1之间、0.5:1至6:1之间、以及1:1至5:1之间。在进一步的实施例中，hG1:dp，ht:hG1，以及St:ht都可以为上述公开的至少一个的范围内。
在图9E中，垫片300的宽度由WG2表示，垫片300的高度由hG2表示，并且，在本实施例中，垫片被压缩，双极板160的凹槽深度由dp与hG2相等。在本实施例中，凹槽宽度由Wp表示。
在某些实施例中，WG1:Wp的比例范围介于0.25:1至2:1之间，例如介于0.5:1至2:1之间、0.75:1至2:1之间、1:1至2:1之间、以及0.25:1至1:1之间。此外，Wp:St的比例范围可介于1:1至20:1之间，例如介于1:1至10:1之间、5:1至20:1之间、以及5:1至10:1之间。在进一步的实施例中，WG1:Wp和Wp:St的比例都可以为上述公开的至少一个的范围内。
图9F为一组具有一定高度ht的突起360，彼此间隔一定距离St，并且每个突起的倾斜面可形成角度α。根据各实施例，突起360的高度范围可介于0.001至0.020英寸之间，例如介于0.003至0.020英寸之间、0.005至0.015英寸、以及0.006至0.010英寸。根据各实施例，突起之间的距离范围可介于0.01至0.2英寸之间，例如介于0.05至0.1英寸之间、0.02至0.05英寸，以及0.02至0.03英寸。根据各实施例，角度α的范围可介于55至125度之间，例如，介于60至120度之间、65至115度之间、75至105度之间、以及80度至100度之间。在进一步的实施例中，突起的高度、突起之间的距离、以及突起的角度都可以为上述公开的至少一个的范围内。
在替代实施例中，密封表面350’可设于垫片300上（图10），而不是双极板其中之一上。根据本实施例，双极板160可具有平坦的表面，并且垫片300与双极板160接触的部分可具有包括突起360’的密封表面350’。如上所述的实施例中，突起360’可被加工为锋利的刃状边缘。在组装电化学电池100时，密封表面350’可被压缩抵住双极板160，使得垫片300’的突起360’塑性变形。当这些突起塑性变形时，每个突起的刃状边缘可压入并与密封表面350’形成密封。
返回参考图8，PEM130可被压缩抵住垫片300一侧，该侧与密封表面350相对。在该示范性实施例中，PEM130可由具有屈服强度比垫片300更低（如，更软）的材料制成。在这种布置中，通过压缩软质PEM材料抵住硬质垫片材料的表面，形成密封件。
在替代实施例中，膜或膜状材料可被提供于垫片300的至少一侧。例如，膜或膜状材料370可被提供于双极板160和垫片300之间（图11）。在一些实施例中，膜370也能被提供于垫片300和PEM130之间（如，在垫片300的两侧）。
膜370为“软质垫片”，用来代替刃状边缘密封件。特别地，膜370可由具有蠕变模量和压缩屈服强度低于垫片300的“软质”材料制成。可通过膜370的压缩，抵住垫片300和双极板160，形成密封件。其中，膜370被提供于垫片300两侧，密封件也可由膜370的压缩，抵住垫片300和PEM130形成。
在一些实施例中，膜370可通过粘合材料或其他已知接合方法与垫片300接合。这样的方法包括热压或超声波焊接。将膜370与垫片300接合可辅助电化学电池100的组装，并且能够提高膜370与垫片300之间的密封。
在一些实施例中，阳极室110的周界可延伸超出密封的阴极室120的周界（图12A-12D）。在那些实施例中，稀薄气体扩散层380可被提供于PEM130和延伸超出阴极室120周界的阳极室110的部分之间。如图12A-12D的示范性实施例，气体扩散层380沿着PEM130一侧布置，该侧与垫片300相对。
气体扩散层380可作为扩散介质，使得气体和液体在电池内运输，以及可以辅助移除电池内的热量和工艺水，并且在某些情况下，可以为PEM130提供一些机械支撑。气体扩散层380可包括活性炭纺布或活性炭无纺布或其他导电材料的布。在某些实施例中，“熔块”型密集烧结金属、过滤网、钢板网、泡沫金属、或三维多孔金属基板可组合使用，或作为至少一部分的气体扩散层380的替代物以提供结构支撑。
这些实施例也包括加强层385，其可具有任何尺寸、形状和/或结构足以为PEM130提供支撑。加强层385可被配置为防止由于非均匀流场造成的应力过大而引起的挤压或撕裂PEM130。在某些实施例中，加强层385由聚酯树脂制成。
如图12A和12C所示的示范性实施例，加强层385具有的长度尺寸基本与垫片300一样。如图12B和12D所示的其他示范性实施例中，加强层385具有的长度尺寸比垫片300的长度更大，如，加强层385的一部分延伸超出垫片300的边缘。如图12B和12D所示的实施例中，如果PEM130在垫片300边缘弯曲，加强层385为PEM130提供支撑。
在各实施例中，垫片300，密封表面350和PEM130之间的密封接合，在没有密封完整性损耗情况下，组装电化学电池100之前能被测试移位。特别地，分隔片390可放置于双极板150、160之间，以防止垫片300在移位测试期间全压缩。这可确保，当在堆栈中全压缩时，垫片300在密封表面350经受高压。如图13所示的示范性实施例，分隔片390在双极板150,160之间被示出，以增加密封件171的深度，并且防止垫片300在移位测试期间全压缩。
如上所述的密封组件能提供若干优点。当传统的弹性密封件需要较少压缩力时，该弹性密封件很容易受到挤出或爆炸减压。所公开的垫片300，相比之下，有更大的弹性。如上所述，所公开的垫片300被选择为比密封表面350更软且比PEM130更硬。因此，垫片300能承受超过15000psi的密封压力。另外，垫片300在所述流场的厚度和凹槽深度，能提供比传统密封设计更大的尺寸公差。垫片300的厚度可在相对大的范围变形，垫片300能适应凹槽深度和流场的变化，同时仍然保持相对均匀的压缩压力。
图14为双极板150和160的一个实施例，包括两片式双极板800，其包括配置为级联密封结构的第一部件801和第二部件802。第一部件801能形成与流体结构805流体连通的空隙803。
电化学电池100，如图1所示，可还包括在MEA140每一侧的电化学电池100内的导电气体扩散层。气体扩散层可作为扩散介质，使得气体和液体在电池内运输，提供双极板150和160与PEM130之间的电传导，辅助移除电池内的热量和工艺水，并且在某些情况下，为PEM140提供机械支撑。此外，通道（未示出），被称为流场，在双极板150和160内可被配置为供应气体至MEA140的阳极110和阴极120。PEM130每一侧的反应气体能流过流场，并扩散穿过多孔气体扩散层。所述流场和气体扩散层可连续设置，并与内部流体流耦合。因此，流场和气体扩散层可共同形成流体结构805。
第一部件801和第二部件802可大体平坦且具有大致为矩形的轮廓。在其他实施例中，部件801和802具有的轮廓形如正方形，“跑道”（如，端部为半椭圆形的大致为矩形的形状）圆形，卵形，椭圆形或其他形状。第一部件801和第二部件802的形状可对应于电化学电池100（如，阴极、阳极、PEM、流体结构，等）或电化学电池堆栈的其他部件。
第一部件801和第二部件802各自可由一种或多种材料制成。第一部件801和第二部件802可由相同材料或不同材料制成。部件801和802可由金属制成，例如，不锈钢、钛、铝、镍、铁等，或由金属合金制成，例如镍铬合金、镍-锡合金、或它们的组合。
第一部件801和第二部件802可包括覆层材料，例如，铝在一个或多个区域覆盖有不锈钢。覆层可提供者两种金属的优点，例如，在由不锈钢覆盖铝制成双极板的情况下，不锈钢在电池运行期间防止铝芯腐蚀，同时提供铝的优良材料特性，例如，高强度-重量比、高导热性和导电性，等。在其他实施例中，第一部件801包括受过阳极化的、密封的、最佳的铝。其他涂料，如油漆或粉末涂层可与部件801一起使用。
在一些实施例中，第一部件801可由复合材料制成，例如，碳纤维、石墨、玻璃增强聚合物、热塑性复合材料。在一些实施例中，第一部件801可由上有涂料的金属制成，以防止腐蚀和导电。
根据各实施例，第一部件801可通常不导电以减小电化学电池之间短路的可能性。第二部件802可由一种或多种材料制成，在电池运行期间，不仅提供导电性，也提供耐腐蚀性。例如，第二部件802可被配置为在活跃的电池部件所处的区域（如，流体结构，MEA等）导电。
第一部件801和第二部件802可被配置为共面耦合。第一部件801和第二部件802可为可释放连接或固定连接。可使用一个或多个连接途径，包括，例如，粘结材料、焊接、钎焊、锡焊、扩散粘结、超声波焊接、激光焊接、冲压、铆接、电阻焊接、或烧结。在一些实施例中，接合材料可包括粘合剂。合适的粘合剂包括，例如，胶水、环氧树脂、氰基丙烯酸酯、热塑性片材（包括热粘合热塑性片材）氨基甲酸乙酯、厌氧型粘合剂、紫外光固化，以及其它聚合物。在一些实施例中，第一部件801和第二部件802可通过摩擦配合耦合。例如，当压缩时，部件之间的一个或多个密封件可在部件之间产生足够的摩擦力，以防止意外滑动。
在其他实施例中，第一部件801和第二部件802可使用紧固件进行可释放连接，例如，螺钉、螺栓、夹子、或其他类似机构。在其他实施例中，压缩杆和螺母或其他，类似的机械压缩系统可穿过双极板800或沿着外部，且用来压缩第一部件801和第二部件802在一起作为电化学电池100或多个电化学电池100在堆栈中压缩。
耦合的第一部件801和第二部件802可形成多个不同的压力区和多个可限定一个或多个不同压力区的密封件。图14示出了多个不同的密封件和压力区。如图14所示，多个密封件可包括第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891。第一密封件871可被完全包含于第二密封件881内，且第二密封件881可被完全包含于第三密封件891内。第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891的形状通常对因故双极板800的形状，如图14所示。
在某些实施例中，第一密封件871由如上所述的突起360形成。例如，所述突起可具有三角形结构360a（图9A）、尖头结构360b（图9B）、平头结构360c（图9C），或其他任何几何形状足以形成密封表面。在其他实施例中，第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891中的至少两个由突起360形成，且在某些实施例中，第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891三个都由突起360形成。
第一密封件871可限定高压区870的一部分，且被配置为容纳高压区870内的第一流体872（如，氢）。第一密封件871可至少在部件801和802之间限定高压区870的外部边界。高压区870可包括，当第一部件801和第二部件802耦合时，流体结构805延伸穿过空隙803。第一流体872从阴极130流出，在整个高压区870流动，贯穿流体结构805。
在阴极130形成的氢可被收集在高压区870内，且第一部件801和第二部件802之间的连接可通过第一密封件871进行密封。高压区870内的氢可被压缩，且作为结果，随着越来越多的氢形成于高压区870，压力增加。在高压区870的氢可被压缩至压力超过15000psi。高压区870内的压力可在第一部件801和第二部件802上施加分离力。
如图14所示，第一密封件871可被配置为围绕共同通道804的外部延伸。共同通道804可被配置为为高压区870提供或排出第一流体872。在多电池电化学压缩机中，共同通道804可与相邻的电化学电池的共同通道流体连通。
第二密封件881可限定中压区880的外周。中压区880可包括通过第一密封件871、第二密封件881、第一部件801和第二部件802限定的中压容积883。中压区880可被配置为容纳第二流体882。中压区880可还包括一个或多个中压端口884。
中压容积883可被配置为收集第二流体882，并将其送往中压端口884。如图14所示，中压容积883可围绕高压区870周边延伸，通过第一密封件871分隔。基于第一部件801、第二部件802、第一密封件871和第二密封件881的几何形状，中压容积883的横截面积和容积可以不同。
在其他实施例中，中压容积883可被分隔为多个中压容积883，例如，2、3、4或更多个中压容积883。多个中压容积883可通过多个密封件分隔。如图14所示，中压容积883可被分隔为两个中压容积883。例如，如图14所示，第一密封件871可延伸穿过中压容积883至第二密封件881。第一密封件871围绕共同通道804延伸的部分可与第二密封件881连接，使中压容积883分隔为两个中压容积883。
如图14所示，一个或多个中压容积883可各自与一个或多个中压端口884流体连通。中压端口884可被配置为排出容纳于中压容积883内的第二流体882。中压端口884的形状可以不同。例如，中压端口884可以是正方形、矩形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、或其他形状。每个中压容积883的中压端口884的数量可从1变化至约25或更多。中压端口884的横截面积可以不同。例如，圆形中压端口884的直径范围可为小于约0.1英寸至约1英寸或更大。如图14所示，中压端口884可在第一密封件871和第二密封件881之间均匀隔开，且沿双极板800的长度均匀排列。替代地，中压端口884可在第一密封件871和第二密封件881之间可非均匀隔开，且/或沿双极板880的长度具有不同的间距。在其他实施例中，中压端口884可延伸中压区880的整个圆周。
通过中压端口884排出的第二流体882可再供应至电化学电池100。例如，第二流体882可回到中压区180。在其他实施例中，通过中压端口884排出的第二流体882可被收集和循环。在中压区880的第二流体882的压力通常比在高压区870的第一流体872的压力更低。
第三密封件891可限定低压区890，且被配置为容纳低压区890内的第三流体892。低压区890可包括通过第二密封件881、第三密封件891、第一部件801和第二部件802限定的低压容积893。低压区890可被配置为容纳第三流体892。低压区890可还包括一个或多个低压端口894。
低压容积893可被配置为收集第三流体892，并将其送往低压端口894。如图14所示，低压容积893围绕中压区880外周延伸，通过第二密封件881分隔。基于第一部件801、第二部件802、第二密封件881和第三密封件891的几何形状，低压容积893的横截面积和容积可以不同。根据各实施例，中压容积883的容积可大于或小于低压容积893的容积。
如图14所示，一个或多个低压容积893可各自与一个或多个低压端口894流体连通。低压端口894可被配置为排出容纳于低压容积893内的第三流体892。低压端口894的形状可以不同。例如，低压端口894可以是正方形、矩形、三角形、多边形、圆形、椭圆形、或其他形状。每个低压容积893的低压端口894的数量可从1变化至50或更多。低压端口894的横截面积可以不同。例如，圆形低压端口894的直径范围为小于约0.1英寸至约1英寸或更大。如图14所示，低压端口894在第二密封件881和第三密封件891之间隔开，且沿双极板800的长度均匀交错。在其他实施例中，低压端口894可延伸低压区890的整个圆周。
通过低压端口894排出的第三流体892可再供应至电化学电池100。例如，第三流体892可回到低压区190。在其他实施例中，通过中压端口884排出的第三流体892可被收集和循环。在低压区890的第三流体892的压力可通常比在高压区870的第一流体872和在中压区880的第二流体882的压力更低。
如上所述的在第一部件801和第二部件802之间的级联密封结构可在如上所述的电化学电池100的双极板150、160之间实现。在其他实施例中，在部件801和802之间的级联密封结构可在其他电化学电池中实现，其中级联密封结构不在双极板之间使用。因此，如上所述的两个级联密封结构可以彼此独立，使得任一个可在电化学电池中单独使用，或它们可在同一个电化学电池中结合使用。
在一些实施例中，第一部件801和第二部件802可包括互锁特征。互锁特征可形成配对的几何形状足以确保第一部件801和第二部件802在一起。例如，第一部件801可包括一个或多个突起，且第二部件802可包括一个或多个凹口。然而，还可设想，第一部件801和第二部件802可包括各种连接机构。互锁特征可包括各种形状和尺寸。例如，突起和凹口可形成为圆柱形、圆形、椭圆形、矩形或正方形的形状。此外，突起和凹口可包括各种多边形形状。
如图14所示，互锁特征可包括配置为密封第一部件801和第二部件802的各种连接。例如，互锁特征可包括第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891，以及它们支托的相对应的密封腔。第一部件801和第二部件802可包括配置为接收至少第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891的一部分的多个密封腔。每个密封腔可包括挤出至第一部件801、第二部件802或部件801和802两个。挤出尺寸和几何形状可对应于第一密封件871、第二密封件881和第三密封件891的尺寸和横截面形状。
对本领域的技术人员来说，通过考虑本发明的说明书和实践，本发明的其他实施例是显而易见的。其用意是，说明书和实施例被认为仅仅是示范性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求指出。

Claims (20)

1.一种电化学电池，包括：
一对双极板和位于该一对双极板之间的膜电极组件，其中，膜电极组件包括阳极室、阴极室和置于它们之间的质子交换膜；
形成于该一对双极板其中之一内的密封表面，其中密封表面包括一个或多个突起；和
位于密封表面和质子交换膜之间的垫片，其中垫片包括一个或多个塑性变形的部分，所述一个或多个塑性变形的部分的一个或多个形状对应于突起中的至少一个的形状，并且其中垫片和密封表面形成关于阳极室或阴极室其中之一的密封件。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中垫片具有的屈服强度比质子交换膜材料的屈服强度更大。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中密封表面具有的屈服强度比垫片的屈服强度更大。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中加强层沿着质子交换膜的一侧设置，垫片沿着与该一侧相对的另一侧设置。
5.根据权利要求4所述的电化学电池，其中加强层位于阳极室内。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其中加强层具有的长度尺寸基本与垫片的长度尺寸相同。
7.根据权利要求5所述的电化学电池，其中加强层具有的长度尺寸比垫片的长度尺寸更大。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中垫片在其未压缩状态下，具有的hG1:dp的比例范围介于0.8:1至1.5:1之间，其中hG1表示垫片的高度，dp表示至少一个双极板的凹槽深度。
9.根据权利要求1所述的电化学电池，其中垫片在其未压缩状态下，具有的ht:hG1的比例范围介于0.05:1至0.75:1之间，其中ht表示至少一个突起的高度，hG1表示垫片的高度。
10.根据权利要求1所述的电化学电池，其中垫片在其未压缩状态下，具有的St:ht的比例范围介于0.5:1至10:1之间，其中St表示至少两个突起之间的间距，ht表示至少一个突起的高度。
11.根据权利要求1所述的电化学电池，其中垫片在其未压缩状态下，具有的hG1:dp的比例范围介于0.8:1至1.5:1之间，ht:hG1的比例范围介于0.05:1至0.75:1之间，且St:ht的比例范围介于0.5:1至10:1之间，其中hG1表示垫片的高度，dp表示至少一个双极板的凹槽深度，ht表示至少一个突起的高度，St表示至少两个突起之间的间距。
12.根据权利要求1所述的电化学电池，其中突起中的至少一个具有的高度范围介于0.001至0.02英寸之间，以及突起的角度范围介于55至125度之间。
13.一种电化学电池，包括：
一对双极板和位于该一对双极板之间的膜电极组件，其中膜电极组件包括阳极室、阴极室和置于它们之间的质子交换膜；
形成于该一对双极板其中之一内的密封表面，其中密封表面包括一个或多个突起；和
位于密封表面和质子交换膜之间的压缩的垫片，其中垫片在压缩之前包括至少一个突起并且包括塑性变形的部分，该塑性变形的部分的形状对应于突起中的至少一个的形状。
14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中垫片在其未压缩状态下，具有的WG2:Wp的比例范围介于0.25:1至2:1之间，其中WG2表示垫片的宽度，Wp表示至少一个双极板的凹槽宽度。
15.根据权利要求13所述的电化学电池，其中密封表面具有的Wp:St的比例介于1:1至20:1之间，其中Wp表示至少一个双极板的凹槽宽度，St表示至少两个突起之间的间距。
16.一种电化学电池，包括：
一对双极板，其中密封表面形成于该一对双极板其中之一内并且包括一个或多个突起，
位于该一对双极板之间的膜电极组件，其中膜电极组件包括阳极、阴极和置于它们之间的质子交换膜；
限定高压区的第一密封件，其中第一密封件位于双极板之间，并配置为容纳高压区内的第一流体；
限定中压区的第二密封件，其中第二密封件位于双极板之间，并配置为容纳中压区中的第二流体；
其中第一密封件由垫片形成，该垫片被配置为塑性变形以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件；以及
其中垫片包括一个或多个塑性变形的部分，所述一个或多个塑性变形的部分的形状对应于突起中的至少一个的形状。
17.根据权利要求16所述的电化学电池，其中第二密封件由垫片形成，该垫片被配置为塑性变形以形成关于阴极室或阳极室其中之一的密封件。
18.根据权利要求1所述的电化学电池，其中双极板邻近于垫片和膜电极组件而彼此接触。
19.根据权利要求1所述的电化学电池，其中质子交换膜的第一侧与第一双极板接触。
20.根据权利要求19所述的电化学电池，其中质子交换膜的第二侧与第二双极板接触。
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