KR20030066319A - 전기 및 열 전도성이 강화된 가요성 흑연 제품과 연료 전지 전극 - Google Patents

Abstract

한쌍의 전극 및 전극 사이에 위치된 이온 교환막(550)을 포함하는 막 전극 어셈블리(6)의 제조에 사용되는 흑연 제품(20)이 개시된다. 하나 이상의 전극은, 시트의 제 1 및 제 2대향 표면 사이의 시트를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널(20)을 갖는 팽창된 흑연 입자의 압축 덩어리의 시트로 형성되고, 하나의 대향 표면은 막 전극 어셈블리(6)를 사용할 때 이온 교환막(550)에 인접한다. 적어도 몇개의 유체 채널(20)이 그 사이의 유체의 흐름을 가능하게 하도록 상호 연결된다.

Description

전기적 및 열적 전도성이 강화된 가요성 흑연 제품과 연료 전지 전극{FLEXIBLE GRAPHITE ARTICLE AND FUEL CELL ELECTRODE WITH ENHANCED ELECTRICAL AND THERMAL CONDUCTIVITY}

흑연(Graphites)은 탄소 원자의 육방정계 배열체 또는 망상조직의 층면(layer plane)으로 구성된다. 이러한 육방정계로 배열된 탄소 원자의 층면은 실질적으로 평탄하며 실질적으로 상호 평행하면서 등거리가 되도록 방위지거나 정렬된다. 실질적으로 평탄하고, 평행한 등거리의, 통상적으로 기저 평면(based plane)이라 언급되는 탄소 원자 시트 또는 층들은 상호 연결되거나 결합되고, 그 그룹들은 미소 결정(crystallite)내에 정렬된다. 고 정렬 흑연(highly ordered graphites)은 상당한 크기의 미소 결정으로 구성되고, 미소 결정은 서로에 대하여 잘 정렬되거나 방위지며 잘 정렬된 탄소 층을 갖는다. 다른 말로 하면, 고 정렬 흑연은 고도의 바람직한 미소 결정의 방위를 갖는다. 흑연이 이방성 구조(anisotropic structure)를 지님으로써 높은 방향성의, 특히 열적 및 전기적전도성과 유체 확산성과 같은 많은 특성을 나타내거나 갖는다는 것을 주목하여야 한다. 요약하자면, 흑연은 탄소의 적층 구조로서 특징지울 수 있는데, 즉 약한 반 데르 바알스 힘에 의해 함께 결합된 탄소 중첩된 층 또는 라미나들으로 구성되는 구조로 특징지울 수 있다. 흑연 구조를 보면, 두개의 축선 또는 방향이 통상 주목되는데, 주지된 바와 같이, "c"축선 또는 방향과 "a"축선 또는 방향을 알 수 있다. 간단하게, "c" 축선 또는 방향은 탄소층과 수직하게 고려될 수 있다. "a" 축선 또는 방향은 탄소층에 평행한 방향 또는 "c"방향에 수직한 방향이라고 고려될 수 있다. 천연 흑연은 가요성 흑연의 제조에 적합한 고도의 방위성을 갖는다.

상기에서 알수 있는 바와 같이, 탄소 원자의 평행 층들이 함께 유지되는 결합력은 단지 약한 반 데르 바알스 힘뿐이다. 흑연은 중첩된 탄소 층 또는 라미나 사이의 간격이 층들에 수직한 방향 즉, "c" 방향으로의 뚜렷한 팽창을 제공하도록 상당히 개방될 수 있게 처리가 가능하고 그리하여 탄소 층의 적층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부풀어 오른 흑연 구조를 형성한다.

상당히 팽창된, 특히 원래 "c" 방향 치수의 적어도 약 80배 또는 그 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 치수를 갖도록 팽창된 천연 흑연 박편은, 바인더를 사용하지 않은채 팽창된 흑연의 응집 또는 집적된 가요성 흑연 시트로, 예컨대 웨브(web), 페이퍼, 스트립, 테이프 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있다. 원래 "c" 방향 치수의 적어도 약 80배인 최종 두께 또는 "c" 치수를 갖도록 팽창된 흑연 입자를 압축에 의하여 집적된 가요성 시트로 형성하는 것은, 어떠한 바인딩 물질을 사용하지 않은채 가능한 것으로 여겨지는데, 이는 부피가 크게 팽창된 흑연입자간에 이루어지는 훌륭한 기계적 상호 결합 또는 응집에 기인한다.

가요성에 부가하여, 상기에서 알수 있는 바와 같은 시트 물질은 천연 흑연 개시 물질과 비교하여 열적 및 전기적 전도성과 유체 확산성에 관하여 고도의 이방성을 갖는 것을 알 수 있는데, 이는 팽창된 흑연 입자의 방위가 매우 높은 압축, 예컨대 롤 프레싱(roll pressing)에 의해 시트의 대향면에 실질적으로 평행하게 지향되기 때문이다. 이와 같이, 생성된 시트 재료는 훌륭한 가요성과, 양호한 강도 및 매우 고도의 방위성을 갖는다.

요약하자면, 웨브, 페이퍼, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 가요성의 바인딩없는 이방성 흑연 시트 재료를 생산하는 공정은 원래 입자의 적어도 약 80배의 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 흑연 입자를 실질적으로 평탄하고, 가요성이 있으며, 집적된 흑연 시트를 형성하도록 바인더 없이 선결된 하중하에서 압축 또는 압착하는 과정을 포함한다. 일반적으로 외관상 벌레형 또는 연충형(vermiform)인 팽창된 흑연 입자는 일단 압축되면, 압축 상태가 셋팅되며 시트의 주요 대향 표면과 함께 정렬을 유지한다. 시트 재료의 밀도와 두께는 압축의 조절 정도에 따라 가변될 수 있다. 시트 재료의 밀도는 입방 피트당 약 5 파운드부터 약 125 파운드까지의 범위내에 있을 수 있다. 가요성 흑연 시트 재료는 시트의 평행한 주요 대향 표면에 평행하게 흑연 입자가 정렬하는 것에 기인하여 상당한 정도의 이방성을 나타내며, 아울러 이러한 이방성의 정도는 밀도가 증가하도록 시트 재료를 롤 프레싱하는 정도에 따라 증가하게 된다. 롤 프레스된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉 평행하고 대향하는 시트 표면에 수직하는 방향은 "c" 방향을 포함하며, 그리고 길이와 폭을 따른 방향의 범위, 즉 주요 대향 표면을 따라서 또는 그에 평행한 범위는 "a" 방향을 포함하며, 시트의 열적, 전기적 특성 및 유체 확산 특성은 "c"와 "a" 방향에 따라 그 크기의 차수가 매우 상이하다.

이방성으로 알려진, 방향성에 의존한 이와 같은 매우 상당한 차이의 특성은 몇몇 용도에서는 단점이 될 수 있다. 예를 들어, 가요성 흑연 시트가 가스켓 재료로 사용되며 또 사용시에 금속 표면들 사이에서 조밀하게 유지되는 가스켓 용도에서, 가스체 또는 액체와 같은 유체의 확산은 가요성 흑연 시트의 주요 표면들 사이에서 그리고 그 표면들과 평행한 쪽에서 보다 용이하게 일어난다. 이는 대부분의 경우에, 흑연 시트의 주요 면들을 가로지르는("c"방향) 유체 확산 유동에 대한 감소된 저항을 희생하더라도, 흑연 시트의 주요 표면들에 평행한("a"방향) 유체 유동에 대한 저항이 증가된다면, 매우 양호한 가스켓 성능을 제공한다. 전기적 특성에 대하여, 이방성의 가요성 흑연 시트의 고유 저항은 가요성 흑연 시트의 주요 표면에 대해 가로지르는("c" 방향)으로 높게 되고, 가요성 흑연 시트의 주요 면들 사이에서 그 면들에 평행한 방향("a" 방향)으로 매우 적다. 이러한 연료 전지 및 연료 전지의 밀봉에 대한 유체 유동장 플레이트의 용도에서, 가요성 흑연 시트의 주요면에 평행한 방향("a" 방향)으로 증가된 전기적 고유 저항을 희생하더라도, 가요성 흑연 시트의 주요 면들을 가로지르는("c" 방향) 전기적 저항이 감소된다면, 대단한 장점을 제공한다.

열적 특성에 대하여, 가요성 흑연 시트의 상부 및 하부 표면에 평행한 방향으로의 가요성 흑연 시트의 열적 전도성은 상대적으로 높은 반면에, 상부 및 하부표면을 가로지르는 "c" 방향으로는 상대적으로 매우 낮다.

전술한 상태는 본 발명에 의해 수용된다.

본 발명은 전기 화학적 연료 전지용 전극 어셈블리에 유용한 제품에 관한 것이다. 본 발명의 어셈블리는 유체 투과성이며 열적 및 전기적 전도성에 대하여 등방성이 강화된 가요성 흑연 시트가 형성된 제품을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 상호 연결된 횡방향 채널을 갖는 횡방향 투과성의 가요성 흑연 시트의 평면도,

도 1(a)는 도 1의 시트에 관통된 채널을 표시하는데 사용된 평탄 종단 돌출부를 도시한 것,

도 2는 도 1의 시트의 측방 단면도,

도 2(a),(b),(c)는 본 발명에 따른 횡방향으로 상호 연결된 채널에 대한 적절하게 다양한 평탄 종단 구성도,

도 3,3(a),3(b)는 도 1의 제품을 표시하기 위한 메카니즘을 도시한 것,

도 3(c),3(d)는 본 발명에 따른 횡방향으로 투과성인 가요성 흑연 시트의 일부를 확대한 사시도,

도 3(e)은 도 3(c)에 해당하는 횡방향 투과성인 가요성 흑연 시트이 일부의 사진,

도 4는 가요성 흑연 시트 재료의 방향성을 가지고서 팽창된 흑연 입자의 확대 스케치도,

도 5는 본 발명에 따른 가요성 흑연 시트로 구성된 제품의 확대 스케치도,

도 6,7, 및 7(a)은 본 발명에 따른 횡방향 투과성 제품을 포함한 유체 투과성 전극 어셈블리를 도시한 것,

도 8은 도 5의 측면 스케치의 일부에 해당하는 100배(원래 크기의) 확대 사진.

본 발명에 따라, 전기-화학적 연료 전지용 막 전극 어셈블리가 제공되는데, 이는 한쌍의 전극 및 전극 사이에 위치한 이온 교환막을 포함하며, 적어도 하나의 전극은 팽창된 흑연 입자가 압축된 시트로 형성되는데, 시트의 제 1 및 제 2 대향 표면 사이의 시트를 관통하여 다수의 횡방향 유체 채널(transverse fluid channel)을 가지며 대향 표면들중 하나는 이온 교환막에 접한다. 바람직하게는, 상기 횡방향 유체 채널은 선결된 위치에서 시트 내부의 흑연을 변위시키도록 시트의 대향 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성된다. 횡방향 유체 채널은 근접하여 위치되고 팽창된 흑연의 압축된 벽에 의해 분리되어 있으며 인접한 채널 사이로 유체가 유동가능하도록 인접한 채널 사이에서 상호연결을(그루브를 가지게 됨과 같이) 허용한다.

흑연은 결정체 면간에 약한 결합을 한 평탄 층면내에서 원자 공유 결합을 갖는 탄소의 결정질 형태이다. 천연 흑연 박편(Natural graphite flake)과 같은 흑연의 입자를, 예컨대 황산과 질산 용액의 인터칼런트(intercalant)로 처리함으로써, 흑연의 결정 구조는 흑연과 인터칼런트의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 흑연 입자는 이후 "인터칼런트된 흑연 입자(particles of intercalated graphite)"라고 칭한다. 고온에 노출될 때, 인터칼런트된 흑연 입자는 아코디언식형태(accordion-like fashion)로 "c"방향 즉, 흑연의 결정면에 수직한 방향으로 원래 체적의 약 80배 또는 그 이상의 치수로 팽창된다. 박리된 흑연 입자는 외관상 연충형(vermiform)이므로 일반적으로 웜(worm)과 같다고 칭한다. 웜은 다양한 형태로 형성되고 절단될 수 있으며 기계적 임팩트를 변형함으로써 작은 횡방향 개구가 제공될 수 있는, 원래의 흑연 박편과는 같지 않은 가요성 시트로 압축될 수 있다.

가요성 흑연으로부터 흑연 시트, 예컨대 호일(foil)을 제조하는 일반적인 방법은 쉐인 등(shane et al.)에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 설명되었다. 쉐인 등에 의한 방법의 통상적인 입자에서, 천연 흑연 박편은, 예컨대 질산 및 황산의 혼합물과 같은 산화제를 함유한 용액으로 박편을 분산시킴으로써 인터칼런트된다. 인터칼레이션 용액은 본 기술분야에서 알려진 산화제 및 기타 인터칼레이팅제(intercalating agent)를 포함한다. 산화제 및 산화 혼합물을 포함한 예로써는 질산(nitric acid), 염소산 칼륨(pottassium chlorate), 크롬산(chromic acid), 과망간산 칼륨(potassium permanganate), 크롬산 칼륨(potassium chromate), 중크롬산 칼륨(potassium dichromate), 과염소산(perchloric acid)과 같은 것들을 포함한 용액이 있고, 또는 농축된 질산 및 염소산염(chlorate), 크롬산(chromic) 및 아인산(phosphoric acid), 황산 및 질산과 같은 혼합물이 있고, 또는 트리 플루오르화 아세트산(trifluoroacetic), 그리고 유기산에 가용성인 강 산화제와 같은 강 유기산의 혼합물이 있다.

바람직한 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산 또는 황산 및 아인산의 혼합물용액이고, 산화제는, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드 또는 과옥소산(periodic acid), 또는 이와 유사한 것들이다. 비교적 덜 바람직하기 하지만, 인터칼레이션 용액은 염화 제2철(ferric chloride)과 같은 금속 할로겐화물과, 황산 또는, 브롬산 및 황산 또는 유기용제내의 브롬 용액과 같이 브롬과 같은, 할로겐화물로 혼합된 염화 제 2철을 포함한다.

박편이 인터칼레이트된 이후에, 과도한 용액이 박편으로부터 배수되며 박편은 물로 세척된다. 배수후 박편에 유지되는 인터칼레이션 용액의 양은 20 내지 150pph(parts of solution by weight per 100 parts by weight of graphite flakes)이고 보다 통상적으로는 약 50 내지 120pph이다. 이와는 달리, 인터칼레이션 용액의 양은, 미국 특허 제 4,895,713호에 설명되며 지침된 바와 같이 세척 단계를 생략할 수 있는 10 내지 50pph 사이에서 제한될 수 있다. 처리된 흑연 입자는 종종 "인터칼레이트된 흑연 입자(particles of intercalated graphite)"라고 칭한다. 약 700℃ 내지 1000℃ 및 그 이상의 고온에 노출될 때, 인터칼레이트된 흑연 입자는 아코디언식 형태(accordion-like fashion)로 c 방향 즉, 구성 흑연 입자의 결정면에 수직한 방향으로 원래 체적의 약 80 내지 1000배 또는 그 이상으로 팽창된다. 팽창된(혹은 박리된) 흑연 입자는 외관상 연충형이므로 일반적으로 웜과 같다고 칭한다. 웜은 다양한 형태로 형성되고 절단될 수 있으며 기계적 충격을 변형함으로써 작은 횡방향 개구가 제공될 수 있는, 원래의 흑연 박편과는 같지 않은 가요성 시트로 압축될 수 있는데, 이는 이후 상세히 설명한다.

가요성 흑연 시트와 호일은, 양호한 취급 강도를 갖춘 응집성이며, 롤 프레싱과 같은 것으로써 적절히 압축되어 두께가 0.003 내지 0.15 인치가 되며 밀도는 입방 센티미터당 0.1 내지 1.5 그램의 밀도이다. 약 1.5~30 중량%의 세라믹 첨가제가, 미국 특허 제 5,902,762호에 설명된 바와 같이 인터칼레이트된 흑연 박편과 혼합될 수 있어 최종적인 가요성 흑연 생산물에서 강화된 수지 주입을 제공하도록 한다. 첨가제는 길이가 0.15 내지 1.5밀리미터인 세라믹 화이바 입자를 포함한다. 입자의 폭은 0.04부터 0.004mm까지가 적절하다. 세라믹 화이바 입자는 흑연에 대해 비-반응성 및 비-점착성이며, 2000℉까지의 온도, 바람직하게는 2500℉의 온도에 이르기까지 안정적이다. 적절한 세라믹 화이바 입자는 물에 담가 연화된 석영 유리 화이바(macerated glass fiber), 탄소 및 흑연 화이바, 지르코니아, 질화 붕소, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 화이바(zirconia, boron nitride, silicon carbide and magnesia fibers), 그리고 메타규산 칼슘(calcium metasilicate) 화이바, 규산 칼슘 알루미늄(calcium aluminum silicate), 산화 알루미늄 화이바 등과 같은 자연적으로 발생하는 미네랄 화이바의 형태이다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 팽창된 흑연 입자의 압축 덩어리(mass)가 강성 흑연 시트의 형태로 도면 부호 10으로 도시된다. 가요성 흑연 시트(10)에는 채널(20)이 제공되며, 이는 바람직하게는 도 5 내지 도 8에서 도면부호 67로 도시된 바와 같이 평활진 측면을 가지고, 가요성 흑연 시트(10)의 평행한, 대향의 표면(30, 40) 사이를 통과하고, 압축된 팽창성 흑연의 벽(3)에 의해 분리된다. 벽(3)에는 본 발명에 따른 채널 깊이의 1/10 내지 1/3의 깊이를 갖는 그루브(5)가 제공되는 것이 바람직하다. 채널(20)은 바람직하게는 대향 표면(30)의 한쪽에, 다른 대향면(40)의 개구부(60)보다 큰 개구부(50)를 갖는다. 채널(20)은 도 2(a), 2(b), 2(c)에서의 20', 20", 20"'로 도시된 바와 같은 상이한 구성을 가질 수 있는데, 이는 도 1(a) 및 2(a), 2(b), 2(c)에서의 75, 175, 275, 375로 도시된 바와 같은 도 3의 임팩트 장치의 압축 롤러와 일체로 연장되며 강철과 같은 금속으로 적절하게 형성되는 상이한 형태의 평탄 종단 돌출부 부재를 이용하여 형성된다. 채널-형성 돌출부 부재(75, 175, 275, 375)의 평활 평탄 단부는 도면부호 77, 177, 277, 377로 도시되며, 그루브-형성 돌출부 부재(675, 775, 875, 975)의 평활 평탄 단부는 도면부호 677, 777, 877, 977로 도시되며, 롤러(70)의 평활 베어링 표면(73)과 롤러(72)의 평활 베어링 표면(78; 또는 평탄 금속판(79))은 가요성 흑연 시트내 흑연의 변형과 변위를 보장하므로, 바람직하게는 채널 형성 임팩트로 일어나는 거칠거나 울퉁불퉁한 엣지 또는 부스러기는 존재하지 않는다. 그루브-형성 돌출부 부재(675, 775, 875, 975)는 가요성 흑연 시트내에서 흑연의 변형과 변위를 초래한다. 바람직한 채널-형성 돌출부 부재(77)는 압축 롤러(70)로부터 멀어지는 방향으로 단면이 감소되어 초기에 임팩트된 시트의 측면상에서 더 큰 채널 개구부를 제공하도록 한다. 채널 개구부(60)를 둘러싸는 평활하고 연달아 나타난 표면(63)의 전개는 유체를 평활 측면(67)의 채널(20)로 유체를 자유롭게 유동시킬 수 있게 한다.

바람직한 실시예에서, 하나의 대향 표면에서의 개구부는 다른 대향 표면에서의 개구부보다 더 큰데, 예컨대 면적상으로 1 부터 200배까지 더 큰데, 이는 도면부호 76, 276, 376과 같은 수렴된 측면을 갖는 돌출부 부재를 이용한 것에 기인한다. 횡방향 채널(20)은 가요성 흑연 시트(10)의 선결된 위치에서 메카니즘을 이용하여 시트(10)의 선결된 위치에서 기계적 임팩트에 의해 형성되는데, 메카니즘은 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 롤러가 꼭지를 자른, 즉 평탄 단부형의, 프리즘 형상 돌출부(75)를 가진 한쌍의 강철 롤러(70, 72)를 포함하며, 돌출부는 가요성 흑연 시트(10)의 표면(30)에 충격을 주어 흑연을 변위시키며 시트(10)를 관통하여 개구부 채널(20)을 형성하도록 한다. 본 발명에서, 채널-형성 돌출부(75)는 도 3(c)의 스케치와 도 3(e)의 사진에 도시된 채널(20) 형태를 수반하는 연속으로 정렬된 채널의 채널(20)들 사이에서 그루브(5)를 상호 연결하도록 형성된 그루브-형성 돌출부(675)에 의해 가교된다. 또한, 그루브-형성 돌출부 부재(675')는 도 3(a), 3(b)에 도시된 바와 같이 포함될 수 있어 도 3(d)에 도시된 바와 같은 평행하게 연속한 횡방향 채널(20)의 그루브(5')를 상호연결하도록 형성된다. 실제로, 두개의 롤러(70, 72)에는 "아웃-오브-레지스터(out-of-register)" 돌출부가 제공될 수 있고, 평탄 금속판(79)이 평활 표면 롤러(72)의 위치에 사용될 수 있다. 도 4는 가요성 흑연 시트(110)의 확대 스케치로서 실질적으로 대향 표면(130, 140)에 평행한 통상적인 종래 기술의 압축 팽창된 흑연 입자(80)의 방위를 도시하고 있다. 이러한 팽창된 흑연 입자(80)의 방위는 가요성 흑연 시트의 이방성 특성을 가져오는데, 즉 시트의 전기적 전도성과 열적 전도성은 실질적으로 대향 표면(130, 140)에 평행한 방향("a" 방향)보다 대향 표면(130, 140)을 횡단하는 방향("c" 방향)에서 더 낮게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 채널(20)을 형성하는 가요성 흑연 시트(10)의 임팩트 과정에서, 흑연은 77에서의 평탄 단부 채널 형성 돌출부(75)에 의해 가요성 흑연 시트(10) 내측에서 변위되어 흑연을 측방으로 눌러 롤러(70)의 평활 표면(73)으로 향하여 이동하여 도 5의 800으로 도시된 바와 같이 팽창된 흑연 입자(80)의 평행 방위를 붕괴시켜 변형시킨다. 그루브 형성 돌출부(675)는 팽창된 흑연 입자의 평행 방위를 함께 변형시킨다. 도면부호 800의 영역에서, 주변 채널(20)과 그루브(5)는 평행 방위의 붕괴가 경사진 것으로 나타나며, 평행하지 않은 방위는 광학적으로 100배 및 그 보다 큰 크기로 관찰된다. 변위된 흑연의 효과는 도 5에 도시된 바와 같이 롤러(70)의 주변 돌출부(75)의 측면(76)과 평활 표면(73)에 의해 "금형 주조(die-molded)"되는 것이다. 이는 가요성 흑연 시트(10)의 이방성을 감소시키므로 시트(10)의 전기적 및 열적 전도성을 대향 표면(30, 40)에 대하여 횡방향으로 증가시킨다. 프러스토-원뿔형(frusto-conical) 및 평행-측면 펙 형상(parallel-sides peg-shaped) 평탄 단부 돌출부(275, 175)에서도 이와 유사한 효과가 달성된다. 도 1의 관통형 가스 투과성인 가요성 흑연 시트(10)는 도 6, 7 및 7(a)에 개략적으로 도시된 전기화학적 연료 전지(500)의 전극에 사용될 수 있다.

도 6, 도 7 및 도 7(a)는 전기화학적 연료 전지의 기본 요소를 개략적으로 도시하고 있는데, 보다 완벽한 설명은 미국 특허 제 4,988,583호 및 5,300,370호 및 국제 특허 공개번호 WO 95/16287(1995, 6,15)에 개시되어 있다.

도 6, 도 7 및 도 7(a)를 참조하면, 연료 전지(500)는 플라스틱 형태의 전해질, 예컨대 표면(601, 603)에 덮여진, 예컨대 도 7(a)에 도시된 바와 같은 백금(600)으로 덮여진 고형 폴리머 이온 교환막(solid polymer ion exchange membrane; 550) 촉매와; 본 발명에 따른 관통형인 가요성 흑연 시트 전극(10)과;그리고 각각의 전극(10)에 인접한 유동장 플레이트(1000, 1100)를 포함한다. 가압 연료는 연료 유동장 플레이트(1100)의 그루브(1400)를 통해 순환되며 가압 산화제는 그루브(1200)를 통해 순환된다. 작동시, 연료 유동장 플레이트(1100)는 애노드가 되고, 산화제 유동장 플레이트(1000)는 캐소드가 되므로 전기적 포텐셜, 즉 전압이 연료 유동장 플레이트(1100)와 산화제 유동장 플레이트(1000) 사이에서 전개된다. 전술한 전기화학적 연료 전지는 다른 연료 전지 스택과 조합되어 전술한 미국 특허 제 5,300,370호에서와 같은 소정 수준의 전기력을 제공하도록 한다.

연료 전지(500)의 작동은 전극(10)이 연료와 산화제 유체, 예컨대 수소와 산소에 대해 다공성이어서 이러한 요소들이 도 7(a)에 도시된 바와 같이 촉매(600)에 접촉하도록 그루브(1400, 1200)로부터 전극(10)을 용이하게 통과되는 것이 필요하며 수소로부터 유도된 양자가 이온 교환막(550)을 통해 이동할 수 있게 하는 것이 필요하다. 본 발명의 전극(10)에서, 채널(20)은 유동장 플레이트의 그루브(1400, 1200)를 인접하게 덮도록 위치되므로 그루브로부터의 가압 가스는 채널(20)의 작은 개구부(60)를 통과하여 채널(20)의 큰 개구부(50)로 배출된다. 도 6과 도 7에서 7로 나타난 것과 같은 채널(20)이 봉쇄되는 경우, 인접 채널로부터의 유체는 그루브를 통해 유동될 수 있어 차단된 채널에 인접한 가스 촉매 접촉이 유지된다. 작은 개구부(60)에서의 가스의 초기 속도는 큰 개구부(50)에서의 가스 유동보다 크게 되는 결과 가스는 촉매(600)에 접촉될 때 그 속도가 저하되며 가스 촉매 접촉의 체류 시간은 증가되며 교환막(550)에서의 가스 노출 면적은 최대화된다. 이러한 특징과 함께, 본 발명의 가요성 흑연 전극의 증가된 전기적 전도성은 더욱 효과적인 연료전지 작동을 가능하게 한다.

도 8은 도 5의 스케치 부분에 해당되는 가요성 흑연의 몸체의 사진(원래 크기의 100배)이다.

도 1 내지 도 5의 제품과 도 8의 사진(100배)에 도시된 재료는, 도 4의 재료의 표면(130, 140)에 횡방향으로의 열적 및 전기적 전도성과 비교하여 대향된 평행한 평탄 표면(30, 40)에 횡방향으로 증가된 열적 및 전기적 전도성을 나타낼 수 있는데, 여기에서 대향 평탄 표면과 정렬되지 않은 팽창된 천연 흑연 입자는 광학적으로 탐지가 되지 않는다.

도 4에 나타난, 0.3 grams/cc의 밀도를 갖는 0.01인치 두께의 가요성 흑연 시트의 샘플은 가요성 흑연 시트에서 상이한 크기의 채널을 제공하도록 도 3에서와 유사한 장치에 의해 기계적으로 임팩트된다. 시트 재료 샘플의 횡방향("c" 방향) 전기 저항은 이하의 테이블에서와 같이 측정되어 결과짓는다.

또한, 본 발명에 따라, 채널 형성된 흑연 시트 샘플의 횡방향 가스 투과성은 가스 투과성 측정 장치용 Gurley Model 4118을 이용하여 측정된다.

본 발명에 따라 채널 형성된 가요성 흑연 시트의 샘플은 수직 실린더(3인치 직경 단면)의 바닥 개구부(3/8 인치 직경)에 놓여진다. 실린더는 300cc의 공기로 채워지고, 중량체 피스톤(5 온즈)이 실린더의 상부에서 소정 위치에 설정되었다. 채널 형성된 샘플을 통하는 가스 유동율은 피스톤의 강하에 대한 시간의 함수로서 측정되며 그 결과는 다음 테이블과 같다.

가요성 흑연 시트

(0.01 인치 두께; 밀도 = 0.3 gms/cc)

	채널 없음	평방 인치당 1600채널 - 상부에서 0.02인치 폭; 바닥에서 0.005인치 폭	평방 인치당 250채널 - 상부에서 0.02인치 폭; 바닥에서 0.007인치 폭
횡방향 전기 저항(micro ohms)	80	8	0.3
확산율-초	-	8 초	30초

본 발명에서, 채널에 인접한 0.003인치 내지 0.015인치 두께와 평방 센티메터당 0.5 내지 1.5그램의 밀도를 갖는 가요성 흑연 시트에 대하여, 바람직한 채널 밀도는 평방 인치당 1000부터 3000까지의 채널이며 바람직한 채널 크기는 큰 채널 개구 대 작은 채널 개구의 면적비가 50:1부터 150:1인 채널이다.

본 발명의 실제에 있어서, 가요성 흑연 시트는, 종종 특징적으로 수지로서 처리될 수 있으며 흡수된 수지는, 양생후 내습성과 취급 강도, 예컨대 가요성 흑연 시트의 강성도를 강화시킨다. 적절한 수지 함유량은 바람직하게는 20에서 30 중량%이며, 60 중량%까지가 적절하다.

본 발명의 제품은 컴퓨터 적용분야의 집적 회로용 전기적 열적 연결 소자로서, 등각 전기 접촉 패드로서, 그리고 제빙 장치의 전기적 활성화 그리드로서 사용될 수 있다.

전술한 설명은 본 기술분야의 당업자들이 본 발명을 실행시킬 수 있도록 설명되었다. 이는 상세한 설명에서 나타난, 당업자에게 명백한 사항들의 모든 가능한 변형과 변화들을 제한하려 하는 것은 아니다. 그러나, 이는 모든 변형과 변화들이 본 발명의 범주내에 속하는 것이며, 이는 이후의 청구범위에 의해 제한된다.청구범위는 지시된 임의의 정렬 또는 결과들의 요소들과 단계들을 보호하기 위함이며, 이는 문맥상 특별히 반대로 지시되지 않는다면, 본 발명에서 의도된 목적에 효과적으로 부합한다.

Claims (20)

1. 한쌍의 전극과, 상기 전극들 사이에 위치된 이온 교환막을 포함하는 막 전극 어셈블리로서, 하나 이상의 상기 전극은 팽창된 흑연 입자의 압축된 덩어리(mass)의 시트로 형성되고, 제 1 및 제 2 대향 표면 사이에서 시트를 관통하며 압축된 팽창 흑연 입자의 벽에 의해 분리되는 다수의 횡방향 유체 채널을 가지며, 상기 벽의 일부분 이상은 인접한 채널의 상호 연결을 허용하며, 상기 대향 표면중 하나는 상기 이온 교환막에 접하는 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 횡방향 유체 채널은 다수의 선결 위치에서 상기 시트 내부의 흑연을 변위시키도록 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성되는 어셈블리.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 인접 채널의 일부분 이상의 상호연결은 상기 벽의 일부분 이상에 형성된 그루브에 의해 허용되는 어셈블리.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 상호연결하는 그루브는 인접한 상기 채널간에 유체 유동을 가능하게 하도록 인접한 상기 채널을 분리하는 벽에서 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성되는 어셈블리.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창 흑연 입자의 압축된 덩어리는 상기 시트의 대향 표면에 대하여 경사지게 연장된 상기 채널에 인접한 팽창된 흑연 입자에 의하여 특징지워지는 어셈블리.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 시트의 제 2표면에서의 상기 채널 개구부는 평활 흑연 표면에 의해 둘러싸이는 어셈블리.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1표면에서의 상기 채널 개구부는 상기 제 2표면에서의 상기 채널 개구부보다 큰 어셈블리.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1표면에서의 상기 채널 개구부는 상기 제 2표면에서의 상기 채널 개구부보다 면적이 50부터 150배까지 큰 어셈블리.
9. 제 1 항에 있어서, 평방 인치당 1000 내지 3000 채널이 시트내에 존재하는 어셈블리.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 흑연 시트는 상기 채널 주변에서 0.003인치에서 0.015인치의 두께와 입방 센티미터당 0.5에서 1.5그램의 밀도를 가지는 어셈블리.
11. 팽창된 흑연 입자의 압축된 덩어리의 시트를 포함하고 상기 제 1 및 제 2 대향 표면 사이에서 상기 시트를 관통하며 상기 압축된 팽창 흑연 입자의 벽에 의해 분리되는 다수의 횡방향 유체 채널을 가지며, 상기 벽의 일부분 이상은 인접한 채널의 상호 연결을 허용하는 흑연 제품.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 횡방향 유체 채널은 다수의 선결 위치에서 상기 시트 내부의 흑연을 변위시키도록 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성되는 제품.
13. 제 11 항에 있어서, 인접 채널의 일부분 이상의 상호연결은 상기 벽의 일부분 이상에 형성된 그루브에 의해 허용되는 제품.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 상호연결하는 그루브는 인접한 상기 채널간에 유체 유동을 가능하게 하도록 인접한 상기 채널을 분리하는 벽에서 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성되는 제품.
15. 제 11 항에 있어서, 상기 팽창 흑연 입자의 압축된 덩어리는 상기 시트의 대향 표면에 대하여 경사지게 연장된 상기 채널에 인접한 팽창된 흑연 입자에 의하여 특징지워지는 제품.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 시트의 제 2표면에서의 상기 채널 개구부는 평활흑연 표면에 의해 둘러싸이는 제품.
17. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1표면에서의 상기 채널 개구부는 상기 제 2표면에서의 상기 채널 개구부보다 큰 제품.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1표면에서의 상기 채널 개구부는 상기 제 2표면에서의 상기 채널 개구부보다 면적이 50부터 150배까지 큰 제품.
19. 제 11 항에 있어서, 평방 인치당 1000 내지 3000 채널이 시트내에 존재하는 제품.
20. 제 11 항에 있어서, 상기 흑연 시트는 상기 채널 주변에서 0.003인치에서 0.015인치의 두께와 입방 센티미터당 0.5에서 1.5그램의 밀도를 가지는 제품.