KR101178305B1 - 연료 전지 컴포넌트 기판으로서 유용한 흑연 물품 - Google Patents

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Abstract

시트를 관통하는 횡방향 유체 채널들(20)을 갖는 가요성 흑연 시트(10)의 형태이고, 상기 시트의 표면들 중 하나에는 다수의 상기 횡방향 유체 채널들과 연결되는 그루브(300)가 형성되는 흑연 물품이 제공되며, 상기 개방 그루브는 그루브 플로어(310) 및 그루브 벽들(320)을 포함하고, 상기 그루브 벽들은 이를 관통하는 횡방향 유체 채널들을 갖는다.

Description

연료 전지 컴포넌트 기판으로서 유용한 흑연 물품{GRAPHITE ARTICLE USEFUL AS A FUEL CELL COMPONENT SUBSTRATE}
본 발명은 횡방향으로 유체 투과성인 그루브가 있는 가요성 흑연 시트로 형성되며 열 및 도전성과 관련하여 강화된 등방성을 갖는 물품(article)에 관한 것이다. 본 발명의 물품은 전기화학 연료 전지를 위한 컴포넌트의 형성시 유용하다.
이온 교환막 연료 전지, 더욱 구체적으로 양성자(proton) 교환막(PEM) 연료 전지는 수소와 공기중의 산소의 화학적 반응을 통해 전기를 형성한다. 연료 전지내에서, 애노드와 캐소드를 의미하는 전극들은 일반적으로 막 전극 어셈블리(MEA)를 형성하기 위해 폴리머 전해질을 둘러싼다. 때때로, 전극들은 또한 연료 전지의 가스 확산층(또는 GDL)로서 기능한다. 촉매 물질은 수소 분자들이 수소 원자들로 분리되도록 촉진시키고, 그 후 상기 막에서 상기 수소 원자들이 양성자와 전자로 각각 분리된다. 전자들은 전기 에너지로서 사용된다. 양성자들은 상기 전해질을 통해 이동하고, 산소 및 전자들과 결합되어 물을 형성한다.
PEM 연료 전지는 2개의 유동장(flow field) 플레이트들 사이에 삽입된 막 전극 어셈블리를 포함한다. 종래의 막 전극 어셈블리는 특히 전극들 사이에 배치된 양성자 교환막의 일 측면에 결합된 유연(lamp black)과 같은 등방성 탄소 입자들 상에 코팅된 백금계 금속 또는 백금과 같은 촉매 물질의 얇은 층을 갖는 랜덤하게 배향된 탄소 섬유 페이퍼 전극들(애노드 및 캐소드)로 구성된다. 동작시, 특히 수소와 같은 연료는 유동장 플레이트들 중 하나에서 채널들을 통해 애노드로 흐르고, 촉매는 수소 원자들로의 분리 및 그 후에 양성자들 및 전자들로의 분리를 촉진시키며, 상기 양성자들은 상기 막을 관통하고, 상기 전자들은 상기 외부의 로드(load)를 통해 흐른다. 공기는 다른 유동장 플레이트의 채널들을 통해 캐소드로 흐르고, 공기중의 산소는 산소 원자들로 분리되며, 상기 산소 원자들은 상기 양성자 교환막을 통해 양성자들과 결합되고 도관을 통해 전자들과 결합되며, 물을 형성하도록 결합된다. 상기 막은 절연체이기 때문에, 전자들은 전기가 사용되는 외부 도관을 통해 이동하고, 캐소드에서 양성자들과 결합된다. 캐소드 측상의 기류는 수소와 산소의 결합에 의해 형성되는 물이 제거되는 하나의 메커니즘이다. 상기한 연료 전지들의 조합들은 원하는 전압을 제공하는 연료 전지 스택에 사용된다.
바람직하게는 연질-측면에 있고, 가요성 흑연 시트의 평행하게 마주하는 표면들 사이를 통과하여 압축된 팽창성(expandable) 흑연 벽들에 의해 분리되는, 채널들이 제공되는 흑연 시트는 PEM 연료 전지들을 위한 가스 확산층들을 형성하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에 참조로 포함되는 Mercuri, Weber 및 Warddrip의 미국 특허 제6,413,671호에 개시된 바와 같이, 예를 들어 연장되는 절두형 돌출부들을 갖는 롤러들을 사용함으로써, 채널들은 압축성 기계적 임팩트에 의해 다수의 지점들에서 가요성 흑연 시트에 형성될 수 있다. 상기 채널들을 통과하는 유체 흐름을 원하는 대로 제어, 최적화 또는 최대화하기 위해 패턴들이 안출될 수 있다. 예를 들어, 가요성 흑연 시트에 형성된 패턴은 채널들의 선택적 배치를 포함할 수 있거나, 사용시 넘쳐 흐르는 유체 압력을 감소 또는 최소화하거나 전극의 표면을 따라 유체 압력을 균등하게 하기 위해 또는 다른 목적들을 위해, 채널 밀도 또는 채널 형상의 변화들을 포함할 수 있다. 예를 들어, Mercuri, Weber 및 Warddrip의 국제 공개번호 WO 02/41421 A1호를 참조한다.
또한, 유동장 플레이트(이하, "FFP"라 함)를 형성하는데 사용되는 물질에 연속적인 반응물 유체 그루브를 형성하는 압축력이 사용될 수 있다. 통상, 엠보싱(embossing) 툴은 흑연 시트를 가압하고 시트에 그루브를 엠보싱하는데 사용된다. GDL과는 달리, FFP의 그루브(들)는 마주하는 하나의 표면에서 제 2 표면으로 FFP를 통해 연장되지 않는다. 통상, 그루브(들)는 FFP의 일 표면상에 있다.
흑연들은 탄소 원자들의 육각형 어레이들 또는 망들의 층 평면들로 구성된다. 육각형으로 배열된 탄소 원자들의 이러한 층 평면들은 실질적으로 평탄하고 실질적으로 서로 평행하게 등거리가 되도록 배향 또는 정렬된다. 탄소 원자들로 이루어진 실질적으로 평탄하고 평행한 등거리의 시트들 또는 층들은 일반적으로 베이스 평면들로 지칭되며, 서로 연결 또는 결합되고, 그 그룹들이 미세결정들로 배열된다. 잘 정렬된 흑연들은 큰 크기의 미세결정들로 이루어진다: 상기 미세결정들은 서로에 대해 정렬 또는 배향되고, 잘 정렬된 탄소 층들을 갖는다. 즉, 잘 정렬된 흑연들은 높은 정도의 바람직한 미세결정 배향을 갖는다. 흑연들은 그 고유한 구조들 때문에 비등방성을 나타내거나, 열 전도성과 전기 전도성 및 방향성 유체 확산과 같은 많은 특성들을 나타내거나 갖는다. 간단히 말해, 흑연들은 탄소의 적층 구조들을 특징으로 하고, 이러한 구조들은 반데르 발스의 힘을 약하게 함으로써 서로 결합되는 탄소 원자들의 중첩된 층들로 이루어진다. 흑연 구조를 고려함에 있어서, 2개의 축들 또는 방향들은 일반적으로 알려진 "c" 축 또는 방향 및 "a" 축 또는 방향으로 지정된다. 간략화를 위해, "c" 축 또는 방향은 탄소 층들에 수직 방향으로서 고려될 수 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소 층들에 평행한 방향들 또는 "c" 방향에 수직인 방향들로 고려될 수 있다. 가요성 흑연을 제조하는데 적합한 대부분의 천연 흑연들은 매우 높은 범위의 배향성을 갖는다.
기술한 바와 같이, 탄소 원자들로 이루어진 평행한 층들을 서로 홀딩하는 결합력은 약한 반데르 발스 힘이다. 흑연들은 중첩된 탄소 층들 또는 적층부 사이의 간격이 상기 층들에 수직 방향으로(즉, "c" 방향으로) 현저한 팽창을 제공하도록 다소 개방되도록 처리될 수 있기 때문에, 탄소 층들의 층 모양이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부풀려진(intumesced) 흑연 구조를 형성한다.
팽창되고 특히 원래의 "c" 방향 영역의 적어도 80배 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 영역을 갖도록 팽창된 천연 흑연 조각은 예를 들어 웨브들, 페이퍼들, 스트립들, 테이프들 등과 같은 바인더를 팽창된 흑연의 접착성 또는 집적된 가요성 흑연 시트들로에 사용하지 않고 형성될 수 있다. 임의의 바인딩 물질을 사용함이 없이, 원래의 "c" 방향 치수의 적어도 80배 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 영역을 갖도록 가압에 의해 집적된 가용성 흑연 시트들로 팽창된 흑연 입자들의 형성은 우수한 기계적 연동장치로 인해 가능하거나, 용량적으로 팽창된 흑연 입자들 사이의 접착제로 인해 가능한 것으로 판단된다.
가요성과 더불어, 기술한 바와 같은 시트 물질은 또한 롤 프레싱과 같은 매우 높은 가압으로 인해 발생되는 시트의 마주하는 표면들에 실질적으로 평행한 팽창된 흑연 입자들의 배향 때문에, 천연 흑연 스타팅(starting) 물질과 비교하여 열 전도성과 전기 전도성 및 유체 확산에 대해 높은 정도의 비등방성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 따라서, 시트 물질은 우수한 가요성, 양호한 세기 및 매우 높은 정도의 배향성을 갖는다.
간단히, 웨브, 페이퍼, 스트립, 테이프, 포일, 매트 등과 같이, 바인더 없는 가요성 비등방성 흑연 시트 물질을 형성하는 공정은 실질적으로 평탄한 가요성 집적 흑연 시트를 형성하기 위해 원래의 입자들의 적어도 약 80배인 "c" 방향 영역을 갖는, 팽창된 흑연 입자들을 바인더 없이 미리 결정된 로드에서 가압 또는 압축하는 단계를 포함한다. 압축시, 일반적으로 웜-형 또는 연충 형상(vermiform)의 모양을 갖는 팽창된 흑연 입자들은 압축 세트를 유지하고 시트의 마주하는 주 표면들과 정렬된다. 시트 물질의 밀도 및 두께는 가압 정도를 제어함으로써 가변될 수 있다. 시트 물질의 밀도는 입방 피트당 약 5 파운드 내지 125 파운드의 범위 이내에 있을 수 있다. 가요성 흑연 시트 물질은 증가된 밀도로 시트 물질을 롤 프레싱할 때 증가하는 비등방성도를 갖는 시트의 마주하는 평행한 주 표면들에 평행하게 흑연 입자들이 정렬되기 때문에, 높은 정도의 비등방성을 나타낸다. 롤 프레싱된 비등방성 시트 물질에서, 마주하는 평행한 시트 표면들과 수직 방향인 두께는 "c" 방향을 포함하며, 길이와 폭을 따르는 범위의 방향들, 즉 마주하는 주 표면들을 따라 또는 평행한 방향들은 "a" 방향들을 포함하며, 열 전도성, 전기 전도성 및 유체 확산을 갖는 시트 특성들은 "c" 및 "a" 방향들에 대한 크기 정도에 의해 매우 다르다.
본 발명에 따른 제공되는 흑연 물품은, 제 1 및 제 2 표면 사이에서 시트를 관통하는 횡방향 유체 채널들을 갖는 마주하는 제 1 및 제 2 주 표면을 갖는 시트 형태의 팽창된 흑연 입자들의 압축체(compressed mass)를 포함하며, 상기 표면들 중 적어도 하나의 표면은 다수의 횡방향 유체 채널들과 상호접속되는 개방 상부 그루브를 갖는다. 상기 개방 상부 그루브는 시트의 표면들 중 적어도 하나를 따라 그루브를 형성하도록 상호작용하는 일련의 상호접속 시트 "플로어(floor)" 및 시트 "랜드(land)" 또는 "벽"들을 포함한다.
상기 마주하는 제 1 및 제 2 표면 사이에서 시트를 관통하는 횡방향 유체 채널들은 마주하는 상기 제 1 및 제 2 표면에서 상기 채널들에 개구들이 제공되는 다수의 미리 결정된 지점들에서 상기 시트내에 흑연을 배치하기 위해 시트의 표면을 기계적으로 가압(impacting)함으로써 형성되는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서, 상기 평행한 마주하는 표면들 중 하나에서의 횡방향 유체 채널 개구들은 다른 마주하는 표면에서의 각 개구들보다 더 작고, 이에 따라 더 작은 채널 개구들을 갖는 상기 마주하는 표면과 접촉되는 압축된 유체는 각각의 채널들을 빠져나오는 유체의 속도보다 더 큰 초기 속도로 각각의 채널들로 유입되며, 즉 가스 배출 속도는 느려진다. 마찬가지로, 더 큰 채널 개구들을 갖는 마주하는 표면과 접촉되는 압축된 유체는 더 높은 가스 배출 속도를 갖는다. 횡방향으로 채널이 형성된 시트는 다수의 상기 횡방향 유체 채널들과 상호접속되는 바람직하게 연속적인 개방 상부 그루브를 상기 물품의 표면에 제공하고 상기 시트내에 흑연을 배치하기 위해, 그 마주하는 표면들 중 하나에서 추가적으로 기계적으로 가압된다. 기계적 가압은 몰딩, 프레싱 또는 엠보싱에 의해 적절히 달성될 수 있다. 개방 상부 그루브는 또한 엔그레이빙(engraving) 또는 에칭 기술들에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 이하에서 설명되는 이유들 때문에, 횡방향 채널들의 형성 이후 상기 시트에 그루브가 형성되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 물품은 일체형 가스 확산 엘리먼트를 갖는 전기화학 연료 전지를 위한 투과성 유체를 형성하기 위한 가스 확산 전극과 같은 기판으로서 유용하다. 본 발명에 따라, 그루브형 표면을 위한 커버 엘리먼트가 롤-프레싱된 캘린더형 비등방성 가요성 흑연 시트의 형태로 제공되고, 상기 커버 엘리먼트는 이하에서 기술되는 것처럼 전기화학 연료 전지들에서 가스 확산 전극의 열 전도 성능을 향상시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 횡방향 채널들을 갖는 가요성 흑연으로 이루어진 횡방향 투과성 시트의 평면도이다.
도 1a는 도 1의 천공된 시트에 채널들을 형성하는데 사용되는 평면-단부(flat-ended)의 돌출 엘리먼트를 나타낸다.
도 2는 도 1의 시트 단면의 측면 입면도이다.
도 2a, 2b, 2c는 본 발명에 따른 횡방향 채널들로 적절한 다양한 평면-단부 의 구성들을 나타낸다.
도 3, 3a는 도 1의 물품을 제조하기 위한 메커니즘을 나타낸다.
도 4는 가요성 흑연 시트 물질로 이루어진 배향된 팽창 흑연 입자들의 입면도의 확대도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 사용하기 위한 횡방향 채널들을 갖는 가요성 흑연 시트로 형성되는 물품의 확대 입면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 상면에 형성되는 연속적인 개방 상부 그루브를 갖는 도 1의 시트 물질로 형성된 물품의 상부 평면도이다.
도 6a는 도 6의 물질의 측면 입면도의 단면도이다.
도 6b는 본 발명에 따라 저면에서 연속적인 개방 상부 그루브를 갖는 도 1의 물질의 흑면 입면도의 단면도이다.
도 6c는 도 6의 위치의 상부 평면도이다.
도 7은 채널 커버링 엘리먼트를 갖는 도 6의 시트 물질을 나타낸다.
도 8은 도 7의 물질의 부분 분할된 사시도이다.
도 9, 10 및 10a는 본 발명에 따른 도 6의 물품을 포함하는 유체 투과성 전극 어셈블리를 나타낸다.
흑연은 평면들 사이에 더 약한 결합을 갖는 평탄한 적층된 평면들에서 공유 결합된 원자들을 포함한다. 천연 흑연 조각과 같은 흑연 입자들을 예를 들어, 황산 및 질산 용액의 인터칼레이팅제(intercalant)로 처리함으로써, 흑연의 결정 구 조는 흑연 및 인터칼런트의 혼합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 흑연 입자들은 이하에서 "인터칼레이팅된(intercalated) 흑연 입자들"로서 지칭한다. 고온에 노출시, 흑연내의 인터칼레이팅제는 기화하여, 인터칼레이팅된 흑연 입자들이 "c" 방향, 즉 흑연의 결정 평면들에 수직인 방향에서 아코디언-형상으로 원래 부피의 약 80배 이상의 영역으로 팽창되도록 한다. 박리된(exfoliated) 흑연 입자들은 연충 모양의 외관을 갖기 때문에, 통상 "웜"들로서 지칭된다. 웜들은 원래의 흑연 조각들과 달리, 다양한 형상들로 형성 및 절단되고 기계적 충격을 변형함으로써 작은 횡방향 개구들이 제공될 수 있는 가요성 흑연 시트들로 함께 가압될 수 있다.
본 발명에 사용되기 적합한 가요성 시트들을 위한 흑연 스타팅 물질들은 할로겐 물질들 뿐만 아니라 유기 및 무기 산(acid)들을 인터칼레이팅할 수 있고 그 후 열에 노출시 팽창할 수 있는 고도의 흑연 탄소질 물질들을 포함한다. 이러한 고 흑연 탄소질 물질들은 대부분 약 1.0의 흑연화(graphitization) 정도를 갖는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "흑연화 정도"란 용어는 다음 식에 따른 g 값을 의미한다:
Figure 112005016546551-pct00001
여기서, d(002)는 암스트롱 단위로 측정되는 결정 구조에서 탄소들의 흑연 층들 사이의 간격이다. 흑연 층들 사이의 간격 d는 표준 X-ray 회절 기술들에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수들에 해당하는 회절 피크들의 위치들이 측정되고, 이러한 모든 피크들에 대한 총 에러를 최소화하는 간격을 유도하기 위해 표준 최소제곱법 기술들이 이용된다. 고도의 흑연 탄소질 물질의 예들은 화학적 기상 증착 등에 의해 마련되는 탄소들과 같은 다른 탄소질 물질들 뿐만 아니라 다양한 소스들로부터의 천연 흑연들을 포함한다. 천연 흑연이 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 가요성 시트들을 위한 흑연 스타팅 물질들은 스타팅 물질들의 결정 구조가 요구되는 범위의 흑연화를 유지하고 이들이 벗겨질 수 있다면, 비탄소 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 그 결정 구조가 요구되는 흑연화 범위를 갖고 벗겨질 수 있는 임의의 탄소-함유 물질은 본 발명에 사용하기에 적합할 수 있다. 이러한 흑연은 20 중량% 미만의 애쉬(ash) 함유량을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 본 발명에 사용되는 흑연은 적어도 약 94%의 순도를 갖는다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용되는 흑연은 적어도 약 99%의 순도를 갖는다.
흑연 시트를 제조하기 위한 통상의 방법은 Shane 외의 미국 특허번호 제3,404,061호에 개시되어 있고, 그 명세서는 본 발명에 참조로 포함된다. Shane 외의 방법의 전형적인 실시예에서, 천연 흑연 조각들은 예를 들어, 질산 및 황산의 혼합물을 함유하는 용액에서 상기 조각들을 바람직하게는 흑연 조각들의 중량의 100 부분당 인터칼레이팅제 용액 중량의 약 20 내지 300 부분의 레벨(pph)로, 분산시킴으로써 인터칼레이팅된다. 상기 인터칼레팅 용액은 공지된 산화제 및 다른 인터칼레이팅제를 포함한다. 그 예들은 질산, 염소산 칼륨, 크롬산, 과망간산 칼륨, 크롬산 칼륨, 중크롬산 칼륨, 과염소산 등을 함유하는 용액들, 또는 예를 들어 응 축된 질산 및 염소산, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물들, 또는 트리플루오로아세트산과 같은 강 유기산 및 유기산에서 용해될 수 있는 강 산화제의 혼합물들을 함유하는 산화제 및 산화 혼합물들을 포함한다. 선택적으로, 전위는 흑연의 산화를 일으키는데 사용될 수 있다. 전해액 산화를 이용하여 흑연 결정으로 삽입될 수 있는 화학 종들은 황산 및 다른 산들을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산 혼합물, 또는 황산 및 인산의 혼합물, 및 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과요오드산 등과 같은 산화제로 이루어진 용액이다. 바람직하진 않지만, 인터칼레이팅 용액은 염화 철, 황산과 혼합된 염화 철과 같은 금속 할로겐화물, 또는 브롬산 및 황산의 용액으로서 브롬 또는 유기 용매의 브롬과 같은 할로겐화물을 포함할 수 있다.
인터칼레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 150pph 범위이고, 보다 통상적으로는 약 50 내지 약 120pph 범위일 수 있다. 상기 조각들이 인터칼레이팅된 이후, 임의의 과도한 용액이 상기 조각들로부터 배출되고 조각들이 세정된다. 선택적으로, 인터칼레이팅 용액의 양은 약 10 내지 약 50pph로 제한될 수 있고, 이는 본 발명에 참조로 포함될 수 있는 미국특허 제4,895,713호에 개시된 바와 같이 세정 단계가 제거되도록 한다.
인터칼레이팅 용액으로 처리되는 흑연 조각의 입자들은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도들에서 인터칼레이팅 용액을 산화시키는 표면 막과 반응성인 알코올, 설탕, 알데히드(aldehydes) 및 에스테르로부터 선택되는 유기제(organic agent)들을 감소시키면서, 예를 들어 혼합에 의해 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제는 헥사디카놀(hexadecanol), 옥타디카놀, 1-옥타놀, 2-옥타놀, 디사일알코올(decylalcohol), 1, 10 디케인디올(decanediol), 디사일알데히드(decylaldehyde), 1-프로판놀, 1,3 프로판디올(propanediol), 에틸렌그리콜, 폴리프로피렌 글리콜, 덱스트로스(포도당), 프록토오스(과당), 락토오스(젖당), 수크로오스(자당), 감자 녹말, 에킬렌 그리콜 모노스테아레이트(monostearate), 디에틸렌 그리콜 디벤조에이트, 프로필렌 그리콜 모노스테아레이트, 그리세롤 모노스테아레이트, 디메틸 옥시레이트, 디에틸 옥시레이트, 메틸 포름산, 에틸 포름산, 아스코르빈산, 및 리그노설페이트(lignosulfate) 칼륨과 같은 리그닌(lignin)-유도 화합물들을 포함한다. 유기 환원제의 양은 흑연 조각 입자들의 약 0.5 중량% 내지 4 중량%인 것이 적절하다.
또한, 인터칼레이팅 이전, 인터칼레이팅 동안 또는 직후에 인가되는 팽창 보조제의 사용은 개선점들을 제공할 수 있다. 이러한 개선점들에서 박리(exfoliation) 온도가 감소될 수 있고 팽창 부피("웜 부피"라고도 지칭됨)가 증가될 수 있다. 이러한 점에서 팽창 보조제는 팽창을 개선시키기 위해 일터칼레이팅 용액에서 충분하게 용해가능한 유기 물질인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 사용될 수 있는 이러한 형태의 유기 물질들은 탄소, 수소 및 산소를 바람직하게는 독점적으로 포함한다. 카르복시산이 특히 효과적인 것으로 발견됐다. 팽창 보조제로서 유용한 적절한 카르복시산은 아로메틱, 지방족 또는 시클로지방족, 직선 체인 또는 분기 체인, 포화 및 불포화 모노카르복시산, 디카르복시산 및 적어도 1 탄소 원자, 바람직하게는 약 15 탄소 원자들까지를 갖는 폴리카르복시산들로부터 선택될 수 있고, 하나 이상의 박리 실시예들의 측정가능한 개선점을 제공하는데 효과적인 양의 인터칼레이팅 용액에서 용해될 수 있다. 적절한 유기 용매들은 인터칼레이팅 용액에서 유기 팽창 보조제의 용해도를 개선하는데 사용될 수 있다.
포화된 지방족 카르복시산들의 대표적인 예들은 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산(낙산), 펜탄산, 헥산 등을 포함하는 식 H(CH2)nCOOH와 같은 산들이고, 여기서 n은 0 내지 약 5의 수이다. 또한, 카르복시산을 대신하여, 무수물 또는 알킬 에스테르와 같은 반응성 카르복시산 유도체들이 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포름산 및 에틸 포름산이다. 황산, 질산, 및 다른 공지된 수성 인터칼레이팅제들은 포름산을 최종적으로 물과 이산화탄소로 분해하는 능력을 갖는다. 이 때문에, 포름산 및 다른 민감성 팽창 보조제들은 수성 인터칼레이팅제에 조각을 액침(immersing)하기 이전에 흑연 조각과 접촉되는 것이 바람직하다. 디카르복시산의 대표적인 예는 2-12 탄소 원자들을 갖는 지방족 디카르복시산들이고, 특히 옥살산, 포름산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복시산, 1,6-헥산디카르복시산, 1,10-디케인디카르복시산, 시클로헥산-1,4-디카르복시산, 및 프탈산 또는 테르프탈산과 같은 아로메틱 디카르복시산들이다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 디메틸 옥시레이트 및 디에틸 옥시레이트이다. 시클로지방족산의 대표적인 예는 시클로헥산 카르복시산이고, 아로메틱 카르복시산의 대표적인 예는 벤조산, 나프타산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m- 및 p-토릴산, 메톡시 및 에톡시벤조산, 아세트옥시트아미도벤조산 및 아세트아미도벤조산, 페닐아세트산 및 나프타산들이다. 하이드록시 아로메틱산의 대표적인 예는 하이드록시벤조산, 3-하이드록시-1-나프타산, 3-하이드록시-2-나프타산, 4-하이드록시-2-나프타산, 5-하이드록시-1-나프타산, 5-하이드록시-2-나프타산, 6-하이드록시-2-나프타산 및 7-하이드록시-2-나프타산이다. 폴리카르복시산들 중에서 구연산이 탁월하다.
인터칼레이팅 용액은 수성이고 약 1 내지 10%의 팽창 보조제의 양을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 양은 박리를 강화하는데 효과적이다. 팽창 보조제는 수성 인터칼레이팅 용액에 액침 이전 또는 이후에 흑연 조각과 접촉되는 실시예에서, 팽창 보조제는 V-블랜더와 같은 적절한 수단에 의해 흑연 조각의 약 0.2 중량% 내지 약 10 중량%의 양으로 흑연과 혼합될 수 있다.
흑연 조각과 인터칼레이팅된 이후 인터칼레이팅된 흑연 조각을 유기 환원제로 코팅하는 인터칼레이팅제의 혼합(blending) 후, 상기 혼합은 환원제와 인터칼레이팅 코팅제의 반응을 촉진시키도록 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출된다. 가열 주기는 약 20시간까지이며, 상술한 범위내에서 더 높은 온도들에 대해 적어도 10분과 같이, 더 짧은 가열 주기들을 가질 수 있다. 10 내지 25분과 같은 30분 이하의 시간들이 더 높은 온도들에서 사용될 수 있다.
따라서, 처리되는 흑연 입자들은 때때로 "인터칼레이팅된 흑연 입자들"로서 지칭된다. 예를 들어 적어도 약 160℃, 특히 약 700℃ 내지 1200℃ 이상의 고온으로 노출시, 인터칼레이팅되는 흑연 입자들은 "c" 방향, 즉 흑연 입자들 성분의 결 정 평면에 수직인 방향으로 아코디언-형 형태로 원래 부피의 약 80 내지 1000배 이상만큼 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 흑연 입자들은 연충 모양의 외형이기 때문에, 통상 웜들로 지칭된다. 상기 웜들은 원래 흑연 조각들과 달리 다양한 형상들로 형성될 수 있고 이하에서 기술되는 것처럼 기계적 충격을 변형함으로써 작은 횡방향 개구들이 제공될 수 있는 가요성 시트들로 함께 가압될 수 있다.
가요성 흑연 시트 및 막은 양호한 핸들링 세기로 서로 밀착되고, 예를 들어 롤-프레싱에 의해 약 0.075mm 내지 3.75mm의 두께 및 제곱 센티미터당 약 0.1 내지 1.5그램의 전형적인 밀도(g/cc)로 적절히 가압된다. 미국특허 제5,902,762호에 기술되는 바와 같이, 최종 가요성 흑연 물품에서 향상된 수지 주입을 제공하기 위해 약 1.5-30 중량%에서 세라믹 첨가제들이 상기 인터칼레이팅된 흑연 조각들과 혼합될 수 있다. 상기 첨가제들은 약 0.15 내지 1.5mm의 길이를 갖는 세라믹 섬유 입자들을 포함한다. 상기 입자들의 폭은 약 0.04 내지 0.004mm인 것이 적당하다. 상기 세라믹 섬유 입자들은 비-반응성이고 흑연에 비-접착성이며, 약 1100℃까지, 바람직하게는 약 1400℃ 이상까지 온도들에서 안정하다. 적절한 세라믹 섬유 입자들은 침연된(macerated) 석영 유리 섬유들, 탄소 및 흑연 섬유들, 지르코니아, 붕소 질화물, 탄화 실리콘 및 마그네시아 섬유들, 칼슘 메타실리케이트 섬유들, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유들, 알루미늄 산화물 섬유들 등과 같은 천연적으로 발생하는 미네럴 섬유들로 형성된다.
또한, 가요성 흑연 시트는 수지로 처리되는 것이 바람직하며, 경화(curing) 이후, 흡수된 수지는 수분 저항성 및 핸들링 세기, 즉 가요성 흑연 시트의 강성도 (stiffness) 및 시트의 형태 "고정"을 향상시킨다. 적절한 수지 함량은 적어도 약 5 중량%인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 약 10 내지 35 중량%이고, 약 60 중량%까지 적절하다. 본 발명의 실시예에서 특히 유용한 것으로 발견된 수지들은 아크릴-, 에폭시- 및 페놀린-기질의 수지계, 플루오로-기질의 폴리머들, 또는 그 혼합물들을 포함한다. 적절한 에폭시 수지계들은 디글리사이딜(diglycidyl) 에테르 또는 비스페놀 A(DGEBA) 및 다른 다기능 수지계들을 포함한다; 사용될 수 있는 페놀 수지들은 리소올(resole) 및 노볼락(novolac) 페놀들을 포함한다. 선택적으로, 상기 가요성 흑연에는 수지와 더불어 또는 수지 대신에 섬유들 및/또는 염들이 주입될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가요성 흑연 시트 형태의 팽창된 흑연 입자들의 압축체는 "10"으로 도시된다. 도 5 및 도 8에서 "67"로 나타낸 바와 같이 바람직하게 연성(smooth)-측면에 있는 채널들(20)이 가요성 흑연 시트(10)에 제공되고, 상기 채널들은 가요성 흑연 시트(10)의 평행한 마주하는 표면들(30, 40) 사이를 통과한다. 채널들(20)은 마주하는 하나의 표면(30)상에 개구들(50)을 갖고, 상기 개구들(50)은 마주하는 또 다른 표면(40)의 개구들(60) 보다 크다. 채널들(20)은 도 2a, 2b, 2c에서 20'-20˝´로 나타낸 다른 구성들을 가질 수 있으며, 이들은 도 1a 및 2a, 2b, 2c에서 75, 175, 275, 375로 나타낸 다른 형상들의 평면-단부의 돌출 엘리먼트들을 이용하여 금속형 스틸로 형성되고, 상기 돌출 엘리먼트들은 도 3에 도시된 임팩팅(impacting) 장치의 프레싱 롤러(70)와 일체로 연장된다. 돌출 엘리먼트들의 연성 평면-단부들(77, 177, 277, 377), 및 롤러(70)의 연성 베어링 표면(73)과 롤러(72)의 연성 베어링 표면(78)(또는 선택적으로 평면형 금속 플레이트(79))은 가요성 흑연 시트내에서 흑연의 변형 및 배치를 보장하며, 즉 바람직하게는, 채널-형성 충격으로 발생되는 거칠거나 비정형(ragged) 에지들 또는 파편(debris)이 없다. 바람직한 돌출 엘리먼트들은 초기에 충돌되는 시트의 측면상에 더 큰 채널 개구들을 형성하기 위해 프레싱 롤러(70)로부터 떨어진 방향의 횡단면을 감소시킨다. 채널 개구들(60)을 둘러싸는 연성 비차단(unobstructed) 표면들(63)은 채널들(20)의 연성 측면(67)으로 및 이를 관통하는 유체의 흐름을 자유롭게 할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 컨버징 측면들(76, 276, 376)을 갖는 돌출 엘리먼트들을 사용하면, 마주하는 표면들 중 하나의 개구들은 예를 들어, 약 1 내지 200배 더 큰 영역만큼 마주하는 다른 표면의 채널 개구들보다 더 크게 된다. 채널들(20)은 도 3에 도시된 바와 같은 메커니즘을 이용하여 시트(10)의 미리 결정된 지점들에서 기계적 충격에 의해 다수의 미리 결정된 지점들의 가요성 흑연 시트(10)에 형성되고, 상기 메커니즘은 개방 채널들(20)을 형성하도록 흑연 및 관통 시트(10)를 배치시키기 위해 가요성 흑연 시트(10)의 표면(30)과 충돌하는, 잘려진, 즉 평면-단부의 프리즘 형상 돌출부들(75)을 구비한 롤러들 중 하나를 갖는 한 쌍의 스틸 롤러들(70, 72)을 포함한다. 실제로, 두개의 롤러들(70, 72)에는 "아웃-오브-레지스터(out-of-register)"이 제공될 수 있고, 평면형 금속 플레이트(79)가 연성-표면 롤러(72) 대신에 사용될 수 있다. 도 4는 마주하는 표면들(130, 140)에 실질적으로 평행한 가압된 팽창 흑연 입자들(80)의 전형적인 배향성을 나타내는 가요성 흑연 시트(110)의 확대도이다. 팽창된 흑연 입자들(80)의 이러한 배향은 가요성 흑연 시트들에서 비등방성 특성들을 발생시키고, 상기 시트의 전기 전도성 및 열 전도성은 마주하는 표면들(130, 140)에 평행한 방향("a" 방향)에서 보다 마주하는 표면들(130, 140)과 교차하는 횡방향("c" 방향)에서 실질적으로 더 낮다. 채널들(20)을 형성하기 위해 가요성 흑연 시트(10)를 가압하는 과정에서, 도 3에 도시된 것처럼, 도 5에서 "800"으로 도시된 바와 같이 팽창된 흑연 입자들(80)의 평행한 배향을 분열 및 변형시키기 위해 롤러(70)의 연성 표면(73)에 대향하여 이동 및 운반됨에 따라 평면-단부(77)의 돌출부들(75)에 의해 측면 흑연을 푸시하도록, 가요성 흑연 시트(10)내에 흑연이 배치된다. 인접 채널들(20)의 이러한 영역(800)은 평행한 배향에서 경사진 비-평행 배향으로의 분열을 나타내고, 100X 이상의 배율로 광학적으로 관찰될 수 있다. 배치된 흑연은 도 5에 도시된 것처럼 롤러(70)의 연성 표면(73) 및 인접 돌출부들(75)의 측면들(76)에 의해 "금형-주조"된다. 이것은 가요성 흑연 시트(10)에서 비등방성을 감소시키기 때문에, 마주하는 표면들(30, 40)과 교차하는 방향에서 시트(10)의 전기 전도성 및 열 전도성을 증가시킨다. 프러스토(frusto)-원뿔 및 평행 측면을 갖는 페그(peg)-형상의 평면-단부 돌출부들(275, 175)로 유사한 효과가 달성된다.
바람직하게는, 도 9 및 10에 도시된 것처럼, 흑연 시트(10)의 에지들은 천공되지 않고 남겨질 수 있다. 즉, 밀봉 목적을 위해 비교적 불침투성 에지를 제공하기 위해 시트(10)의 에지들에 어떠한 채널들(20)도 형성되지 않는다. 채널들(20)을 갖지 않는 에지의 양에는 임계치가 없지만, 바람직하게는 에지로부터 연장되는 시트(10)의 적어도 약 5%, 보다 바람직하게는 적어도 약 10%에서 채널들(20)을 갖 지 않는다.
도 6 및 6a를 참조로 하는 본 발명의 실시예에서, 도 1에 도시된 횡방향 채널들(20)을 갖는 가스 투과성 가요성 흑연 시트(10)에는 그 상면(30)에서 연속적인 개방 그루브(300), 유체 입구(303) 및 유체 출구(305)가 제공되어 가스 확산 전극(610)을 구성한다. 도 6b는 개방 그루브(300)가 마주하는 표면(40)에 제공되는 선택적 장치를 도시한다. 본 발명의 그루브(300)는 초경합금(hard metal) 금형을 도 2에 도시된 형태의 가요성 흑연 시트 물질, 즉 표면들(30, 40) 사이를 관통하는 횡방향 채널들(20)을 갖는 가요성 흑연 시트로 프레싱함으로써 적절히 형성된다. 바람직한 실시예에서, 상기 금형은 그루브 플로어들(310) 및 그루브 랜드들 또는 벽들(320)에 의해 형성되는, 상기 금형과 접촉되는 표면에서 연속적인 개방 그루브(300)를 형성한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 그루브(300)는 효율성 또는 다른 특징들을 최적화하기 위해 채널들(20)과 상호작용하도록 설계되는 바와 같은 임의의 특정 패턴으로 형성될 수 있다. 0.006인치 내지 0.125인치 두께의 가요성 흑연 시트에 대해, 그루브(300)는 0.003인치 내지 0.115인치 깊이가 적당하고, 예를 들어 0.010인치 내지 0.060 인치 폭을 갖는 벽들(320)에 의해 분리되는 0.020인치 내지 0.250인치인 플로어들(310)을 갖는다.
개방 그루브(300)가 채널(20)의 형성 이후 시트(10)에 형성될 때, 시트(10)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 것처럼, "물결모양" 또는 파형의 횡단면을 갖는다. 다른 방식을 적용하면, 벽들(320)은 고형(solid)으로 대향되는 것처럼, 반전된 "u"와 동일한 거친 형상을 갖는다. 따라서, 채널들(20)은 그루브 플로어(310)에서 시트(10)를 통해 연장될 뿐만 아니라, 도시된 것처럼 벽들(320)의 모든 표면에 대해 시트(10)의 일면에서 타면으로 연장될 수도 있다. 이러한 방식으로, 연료 전지의 연료 또는 산소와 같은 가스들의 자유 흐름(free flow)이 촉진되고, 가스가 노출되는 촉매/막의 이용가능한 표면 영역이 증가된다. 더욱이, 벽들(320)을 통해 연장되는 채널들(20)이 시트(10)의 평면에 대해 다양한 각도들에 위치된다는 사실은 상기한 채널들(20)을 통해 벽들(320)의 "내부"로 흐르는 가스들의 난류(turbulence)를 증가시킬 수 있고, 이는 연료 전지 반응들을 촉진시킬 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 장치는 가요성 흑연(610)의 그루브형 가스 투과성 몸체와 가요성 흑연 커버 엘리먼트(310)가 결합된 형태의 전극(630)이다.
도 7 및 도 8에 도시된 커버 엘리먼트(330)는 예를 들어, 0.9 내지 1.5g/cc의 비교적 고밀도로 롤 프레싱되고 캘린더링된(calendered) 얇은 가요성 흑연 시트(0.003인치 내지 0.010인치)이다. 롤-프레싱 및 캘린더링된 시트(310)는 열 전도성과 관련하여 매우 높은 범위의 비등방성을 갖는다. 가요성 흑연 시트의 평면의 방향들("a" 방향)에서 열 전도성은 통상 가요성 흑연 시트를 통과하는 방향("c" 방향)의 열 전도성의 30 내지 70배이다. 결과적으로, 예를 들어, 촉매(603)에서 전류 흐름으로 인해 도 9, 10, 10a에 도시된 연료 전지(500)에 생성되는 열은 가스 확산 전극(610)을 통해 인접한 연속적인 가요성 흑연 시트 커버링 엘리먼트(310)로 전도되고, 그 후 상기 방향("a" 방향)에서의 높은 열 전도성 때문에, 흑연 시트(310)의 마주하는 표면들(311, 314)에 평행하게 가요성 흑연 시트 커버 엘리먼트(310)로 급속히 전도되며, 여기서 상기 열은 대류(convection)에 의해 용이하게 분산될 수 있다. 따라서, 연료 전지들의 스택에서 냉각 전지들 또는 엘리먼트들을 포함시키는 필요성은 최소화될 수 있다.
가요성 흑연 시트 커버 엘리먼트(310)와 가스 확산 전극(610) 사이의 최적 결합을 달성하기 위해, 흑연 시트 커버 엘리먼트(330)에 열경화성 수지가 주입될 수 있으며(예, 알코올의 변형된 페놀 수지 용액에서 침식에 의해), 수지 함유 가요성 흑연 시트(30)는 그루브형 표면(30 또는 40) 및 가스 확산 전극(610)의 돌출부(400)와 접촉되도록 배치되고, 수지를 경화하고 상기 그루브형 표면의 랜드들(400)에서 결합부(410)를 형성하도록 가열된다. 이것은 통상 170℃ 내지 400℃와 같이 수지를 경화시키고 효과적으로 본딩하기에 충분한 온도로 상기 커버 엘리먼트(310)를 가열하면서, 평면형 금속 표면상에 수지 주입된 커버 엘리먼트(310)를 배치하고 수지 주입된 커버 엘리먼트(310)에 대해 가스 확산 전극(610)을 가볍게 가압함으로써, 용이하게 달성된다. 선택적으로, 본딩은 가스 확산층의 금형 형성된 그루브 표면의 돌출부들(400)을 유사한 수지로 코팅하고, 전술한 바와 같이 커버 엘리먼트를 본딩 및 경화시킴으로써 달성될 수 있다.
도 9, 도 10, 도 10a는 미국특허 제4,988,583호 및 제5,300,370호 및 PCT WO 95/16287(1995.6.15)에 보다 상세히 개시되고 그 각각이 본 발명에 참조로 포함되는 바와 같은, 전기화학 연료 전지(500)의 기본 엘리먼트들을 개념적으로 도시한다.
도 9, 도 10 및 도 10a를 참조하면, 연료 전지(500)는 표면들(601, 603)에서 예를 들어, 도 10a에 도시된 것처럼 백금(600)으로 코팅되는 고형 폴리머 이온 교 환막(550) 촉매와 같은 플라스틱 형태의 전해질, 및 커버 엘리먼트(3100와 결합되는 천공 및 표면 그루브형 가요성 흑연 시트(610)를 포함한다. 압축 연료는 가스 확산 전극(610)의 그루브(300)를 통해 순환되고 압축된 산화제는 가스 확산 전극(1610)의 그루브(1300)를 통해 순환된다. 동작시, 가스 확산 전극(610)은 애노드가 되고, 가스 확산 전극(1610)은 캐소드가 됨으로써, 애노드(610) 및 캐소드(1610) 사이에서 전위, 즉 전압이 형성된다. 전술한 전기화학 연료 전지는 전류를 생성하고 기술한 미국특허 제5,300,370호에 개시된 바와 같이 원하는 레벨의 전력을 제공하기 위해 연료 전지 스택에서 다른 연료 전지들과 결합된다.
연료 전지(500)의 동작시, 전극들(610, 1610)은 이온 교환막에 인접하는 예를 들어, 수소 및 산소와 같은 연료 및 산화 유체들에 다공성이여서, 이러한 성분들이 표면 그루브(300) 및 채널들(20)에서 용이하게 통과되어 도 10a에 도시된 것처럼 촉매(600)에 접촉될 수 있게 하며, 수소로부터 유도되는 양성자들이 이온 교환막(550)을 통해 이동할 수 있다. 본 발명의 가스 투과성 전극들(610, 1610)에서, 횡방향 채널들(20)은 전극(610, 1610)의 표면 그루브들(300, 1300)에 인접하게 위치됨으로써, 표면 그루브들(300, 1300)로부터 압축된 가스가 채널들(20)을 관통하여 빠져나와서 촉매(600)와 접촉될 수 있다.
본 발명에서, 채널들에 인접한 약 0.003인치 내지 0.015인치의 두께 및 약 0.5 내지 입방 센티미터당 1.5g의 밀도를 갖는 가요성 흑연 시트에 대해, 바람직한 채널 밀도(또는 계수)는 제곱인치당 약 1000 내지 3000 채널들이다. 보다 바람직하게는, 채널 밀도는 적어도 약 1200이고, 가장 바람직하게는 적어도 약 2300이다. 바람직한 채널 크기는 더 큰 채널 개구 대 더 작은 채널 개구의 비율이 약 50:1 내지 150:1인 채널이고, 개방-상부 그루브는 약 0.020 내지 0.125이고 상기 시트 두께의 적어도 절반인 것이 바람직하다.
연료 전지에 사용시 본 발명의 부가적인 장점들은 전극의 둘레에서 높은 열 분산도이고, 이는 전지의 냉각 엘리먼트들에 대한 요구사항을 최소화하고, 비교적 얇은 전극을 제공하며 하나 또는 두 개의 유동장 플레이트들에 대한 필요성을 없앤다.
전술한 상세한 설명은 통상의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 상기 상세한 설명을 읽을 때 당업자에게 명백해지는 가능한 변형예들과 수정예들 모두를 구체화하려는 것은 아니다. 그러나, 이러한 모든 수정예들 및 변형예들은 이하의 청구범위로 규정되는 본 발명의 범주내에 포함되어야 한다. 청구범위는 그 내용을 반대로 구체화하여 나타냄이 없이, 본 발명에 의도된 목적들을 충족시키기에 효과적인 임의의 장치 또는 시퀀스에서 지시된 엘리먼트들 및 단계들을 포함하는 것이다.

Claims (22)

  1. 흑연 물품으로서,
    상기 흑연 물품은 마주하는 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 시트 형태의 팽창된 흑연 입자들의 압축체를 포함하고,
    상기 시트는 상기 흑연 물품을 지나는 유체들의 흐름을 허용하도록 미리 결정된 지점들에서 마주하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 사이를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널들을 가지며,
    상기 마주하는 표면들 중 하나에는 상기 시트에서 상기 다수의 횡방향 유체 채널들과 연통하는 개방 그루브가 형성되고, 상기 개방 그루브는 그루브 플로어(floor) 및 그루브 벽들을 포함하고, 상기 그루브 벽들은 상기 개방 그루브와 유체 연통하게 상기 그루브 벽들을 관통하는 횡방향 유체 채널들을 갖는, 흑연 물품.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널들은 다수의 지점들에서 상기 시트의 상기 제 1 표면을 기계적으로 가압(impacting)함으로써 형성되어 상기 지점들에서 상기 시트내에 흑연이 배치되고 마주하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 모두에 개구들을 갖는 채널들이 제공되는, 흑연 물품.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 그루브에는 상기 그루브가 형성되는 표면에 결합되는 가요성 흑연 시트 형태의 커버가 제공되는, 흑연 물품.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 개방 그루브에는 상기 그루브가 형성되는 표면에 결합되는 롤-프레싱 및 캘린더링된(calendered) 가요성 흑연 시트 형태의 커버가 제공되는, 흑연 물품.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 개방 그루브는 상기 채널들의 형성 이후에 형성되는, 흑연 물품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개방 그루브는 상기 시트내에 흑연을 배치시키기 위해 상기 시트의 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는, 흑연 물품.
  8. 전기화학 연료 전지를 위한 컴포넌트의 형성에 적합한 기판으로서,
    (i) 마주하는 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 시트 형태의 팽창된 흑연 입자들의 압축체(compressed mass) ?상기 시트는 흑연 물품을 지나는 유체들의 흐름을 허용하도록 미리 결정된 지점들에서 상기 시트를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널들을 갖고, 상기 마주하는 표면들 중 하나에는 상기 시트에서 상기 다수의 횡방향 유체 채널들과 연통하는 개방 그루브가 형성됨? ; 및
    (ⅱ) 커버를 제공하기 위해 상기 그루브가 형성된 표면에 결합되는 가요성 흑연 시트
    를 포함하며, 상기 개방 그루브는 그루브 플로어 및 그루브 벽들을 포함하고, 상기 그루브 벽들은 상기 개방 그루브와 유체 연통하게 상기 그루브 벽들을 관통하는 횡방향 유체 채널들을 갖는, 기판.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 채널들은 다수의 지점들에서 상기 시트의 상기 제 1 표면을 기계적으로 가압(impacting)함으로써 형성되어 상기 시트내에 흑연이 배치되고 마주하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 모두에 개구들을 갖는 채널들이 제공되는, 기판.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 채널들은 다수의 지점들에서 상기 시트의 상기 제 1 표면을 기계적으로 가압(impacting)함으로써 형성되어 상기 지점들에서 상기 시트내에 흑연이 배치되고 마주하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 모두에 개구들을 갖는 채널들이 제공되는, 기판.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 개방 그루브에는 상기 그루브가 형성되는 표면에 결합된 가요성 흑연 시트 형태의 커버가 제공되는, 기판.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 개방 그루브에는 상기 그루브가 형성되는 표면에 결합된 롤-프레싱 및 캘린더링된 가요성 흑연 시트 형태의 커버가 제공되는, 기판.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 개방 그루브는 상기 채널들의 형성 이후에 형성되는, 기판.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 개방 그루브는 상기 시트내에 흑연을 배치시키기 위해 상기 시트의 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는, 기판.
  16. 흑연 물품을 형성하기 위한 방법으로서,
    마주하는 제 1 표면 및 제 2 표면을 갖는 시트 형태의 팽창된 흑연 입자들의 압축체를 제공하는 단계;
    상기 흑연 물품을 지나는 유체들의 흐름을 허용하도록 미리 결정된 지점들에서 상기 마주하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 사이를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널들을 상기 시트에 형성하는 단계; 및
    상기 시트에서 상기 다수의 횡방향 유체 채널들과 연통하는 개방 그루브를 상기 시트의 상기 마주하는 표면들 중 하나에 형성하는 단계
    를 포함하며, 상기 개방 그루브는 그루브 플로어 및 그루브 벽들을 포함하고, 상기 그루브 벽들은 상기 개방 그루브와 유체 연통하게 상기 그루브 벽들을 관통하는 횡방향 유체 채널들을 갖는, 흑연 물품 형성 방법.
  17. 삭제
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 채널들은 다수의 지점들에서 상기 시트의 상기 제 1 표면을 기계적으로 가압(impacting)함으로써 형성되어 상기 지점들에서 상기 시트내에 흑연이 배치되고 마주하는 상기 제 1 표면 및 제 2 표면 모두에 개구들을 갖는 채널들이 제공되는, 흑연 물품 형성 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 그루브가 형성되는 표면에 결합되는 가요성 흑연 시트 형태의 커버를 상기 개방 그루브에 제공하는 단계를 더 포함하는, 흑연 물품 형성 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 그루브가 형성되는 표면에 결합되는 롤-프레싱 및 캘린더링된 가요성 흑연 시트 형태의 커버를 상기 개방 그루브에 제공하는 단계를 더 포함하는, 흑연 물품 형성 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 개방 그루브는 상기 채널들의 형성 이후에 형성되는, 흑연 물품 형성 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 개방 그루브는 상기 시트내에 흑연을 배치시키기 위해 상기 시트의 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는, 흑연 물품 형성 방법.
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