KR20030066320A - 전기화학적 연료 전지용 전극으로서 유용한 흑연 제품 - Google Patents

Abstract

다수의 유체 채널과 연통하는 시트 표면중 하나에 형성된 그루브와 시트를 관통하는 그루브 횡방향 유체 채널을 갖는 가요성 흑연 시트(110)의 형태인 흑연 제품이 개시된다. 가압 팽창된 흑연 입자(80)는 실질적으로 대향 표면(130,140)에 평행하다.

Description

전기화학적 연료 전지용 전극으로서 유용한 흑연 제품{GRAPHITE ARTICLE USEFUL AS AN ELECTRODE FOR AN ELECTROCHEMICAL FUEL CELL}

흑연(Graphites)은 탄소 원자의 육방정계 배열체 또는 망상조직의 층면으로 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 graphite)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 결정 방위를 갖는다. 흑연은 이방성을 나타내는데, 이는 그 본래의 구조 때문이며, 이로써 열적 및 전기적 전도성과 유체 확산성과 같은 많은 특성을 나타내거나 가지게 되고, 이는 매우 높은 방향성이다. 요약하자면, 흑연은 탄소의적층 구조로서 특징지울 수 있는데, 즉 약한 반 데르 바알스 힘에 의해 함께 결합된 탄소 중첩된 층 또는 라미나들로 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 방향또는 "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 흑연 입자간에 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 평행하게 방향지워 지기 때문이다. 이와같이, 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 평탄하며, 가요성이 있으며, 집적된 흑연 시트를 형성하도록 선결된 하중하에서 바인더 없이 압축 및 압착하는 과정을 포함한다. 일반적으로 외관상 벌레형 또는 연충형(vermiform)인 팽창된 흑연 입자는 일단 압축되면, 압축 상태가 세팅되며 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 프레싱된 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 대한 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 개선된 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.

전술한 상태는 본 발명에 의해 수용된다.

본 발명은 횡방향으로 유체 투과성이며 열적 및 전기적 전도성에 대하여 이방성이 향상되는 그루브 형성된 가요성 흑연 시트를 형성하는 물품에 관한 것이다. 본 발명의 물품은 전기화학적 연료 전지의 가스 확산 전극으로서 유용하다.

도 1은 본 발명에 따른 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 횡방향 채널에 대한 적절하고 다양한 평탄 종단 구성도,

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

도 4는 방위지게 팽창된 가요성 흑연 시트 재질의 흑연 입자로 형성된 제품의 확대 평면도,

도 5는 본 발명에 이용되는 횡방향 채널을 갖는 가요성 흑연 시트로 구성된 제품의 확대 스케치도,

도 6은 본 발명에 따라 상부면에서 연속된 상단 개방형 그루브를 갖는 도 1의 시트 물질로 형성된 제품의 평면도,

도 6(a)는 도 6의 측단면도,

도 6(b)는 본 발명에 따라 바닥면에 연속된 상단 개방형 그루브를 갖는 도 1의 시트 물질의 측단면도,

도 6(c)는 도 11과 도 12의 사진의 단면도의 위치에서 도시된 도 6의 위치에서의 평면도,

도 7은 채널 피복 소자를 갖는 도 6의 시트 물질을 도시한 것,

도 8은 도 7의 시트 물질의 일부 절개 사시도,

도 9, 10, 10(a)는 본 발명에 따라 도 6의 제품을 포함한 유체 투과성 전극 어셈블리를 도시한 것,

도 11은 도 6에 도시된 유형의 가요성 흑연 시트 물질로 형성된 상단 개방형 그루브의 단면을 50배(원래 크기의) 사진,

도 12는 도 6에 도시된 유형의 가요성 시트 물질의 그루브내의 횡방향 채널의 측단면을 50배(원래 크기의) 사진.

본 발명에 따라, 대향된 제 1 및 제 2주요 표면을 갖는 시트의 형태인 팽창흑연 입자의 압축된 덩어리를 포함한 흑연 제품으로서, 제 1 및 제 2 표면 사이의 시트를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널을 가지며, 대향 표면중 적어도 하나는 다수의 횡방향 유체 채널과 연통하는 상단 개방형 그루브를 갖는 흑연 제품이 제공된다. 대향된 제 1 및 제 2표면 사이의 시트를 관통하는 횡방향 유체 채널은 제 1 및 제 2대향 표면에서 개구부를 갖춘 채널을 제공하도록 다수의 선결된 위치에서 시트 내부의 흑연을 변위시키기 위해 시트의 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성된다. 특정한 실시예에서, 평행한 대향 표면중 하나의 횡방향 채널 개구부는 다른 대향면에서의 각각의 개구부보다 작으므로 작은 채널 개구부를 갖는 대향 표면과 접촉된 가압된 유체는 각 채널에서 배출되는 유체의 속도보다 큰 초기 속도, 예컨대 가스 배출 속도가 낮아져서 각각의 채널로 유입된다. 마찬가지로, 큰 채널 개구부를 갖는 대향 표면과 접촉한 가압된 유체는 높은 가스 배출 속도를 갖는다. 횡방향으로 채널형성된 시트는 또한 대향 표면중 하나가 기계적으로 임팩트되어, 시트 내부의 흑연을 변위시키며 다수의 횡방향 유체 채널과 상호연결된 바람직한 연속된 상단 개방형 그루브의 제품 표면이 제공되도록 한다. 기계적 임팩트는 몰딩, 프레싱 및 엠보싱으로써 적절하게 달성될 수 있다. 상단 개방형 그루브는 조판술(engraving) 및 에칭 기술에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 제품은 유체 투과성, 예컨대 일체형 가스 확산 소자를 갖는 가스 확산성 전극으로서 유용하다. 본 발명에 따라, 그루브 형성된 표면의 커버 소자는 롤 프레싱 및 캘린더가공되는 이방성의 가요성 흑연 시트 형태로 제공되며, 시트는 이후 설명되는 전기화학적 연료 전지의 가스 확산성 전극의 열 전달 능력을 향상시킨다.

흑연은 결정체 면간에 약한 결합을 한 평탄한 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 아코디언식 형태(accordion-like fashion)로 "c"방향 즉, 흑연의 결정면에 수직한 방향으로 종종 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 횡방향개구부가 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 혼합물 용액이고, 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. 약 700℃ 내지 1000℃ 및 그 이상의 고온에 노출될 때, 인터칼레이트된 흑연 입자(particles of intercalated graphite)는 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. 생성된 웜은 다양한 형태로 형성되고 절단될 수 있으며 기계적 충격을 변형함으로써 작은 횡방향 개구부가 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 1.5~30중량%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 더미가 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 통과한다. 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 프레스 롤러와 일체로 연장되며 강철과 같은 금속으로 적절하게 형성되는 상이한 형태의 평탄 종단 돌출부 부재를 이용하여 형성된다. 돌출부 부재(75, 175, 275, 375)의 평활 평탄 단부와, 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, 예컨대 바람직하게는 채널 형성 임팩트로 일어나는 거칠거나 울퉁불퉁한 엣지 또는 부스러기는 존재하지 않는다. 바람직한 돌출부 부재는 프레스 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. 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 압축 팽창된 흑연 입자(80)의 방위를 도시하고 있다. 이러한 팽창된 흑연 입자(80)의 방위는 가요성 흑연 시트의 이방성 특성을 가져오는데, 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. 채널(20)에 인접한 도면부호 800의 영역은 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.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 도 6과 도 6(a)를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같이 횡방향 채널(20)을 갖는 가스 투과성의 가요성 흑연 시트(10)가 제공되고, 그 상부 표면(30)은 연속된 개방형 그루브(300)와, 유체 유입구(303)와, 유체 유출구(305)를 구비하여 가스 확산 전극(610)을 구성하도록 한다. 도 6(b)는 다른 정렬체를 도시하며, 여기에서 개방형 그루브(300)는 대향면(40)에 제공된다. 본 발명의 그루브(300)는 도 2에 도시된 유형의 가요성 흑연 시트 즉, 표면(30)과 표면(40)사이를 관통하는 횡방향 채널(20)을 갖는 가요성 흑연 시트 위에서 경금속다이를 프레싱함으로써 적절하게 형성된다. 다이에 의해 접촉된 표면상에서 다이는 연속한 개방형 그루브(300)를 형성하고, 0.006인치에서 0.125인치 두께의 가요성 흑연의 시트에 대하여는 400으로 상승된 부분에 의하여 0.003인치에서 0.115인치 깊이와 0.020인치에서 0.250인치 폭이 적절한데, 예컨대 0.010인치에서 0.060인치 폭이다.

도 7과 도 8에 도시된 장치는 가요성 흑연 커버 소자(310)를 갖춘 가요성 흑연(610)의 그루브 형성된 가스 투과성 몸체가 조합된 형태의 전극(630)이다.

도 7과 도 8에 도시된 커버 소자(310)는 얇은 가요성 흑연 시트(0.003인치에서 0.010인치)이며, 이는 롤 프레싱되며 상대적으로 높은 밀도, 예컨대 0.9 내지 1.5g/cc로 캘린더가공(calendered)된다. 롤 프레싱되며 캘린더가공된 시트(310)는 열 전도성에 대하여 매우 높은 정도의 이방성을 갖는다. 가요성 흑연 시트의 평면 방향("a"방향)으로의 열 전도성은 통상적으로 가요성 흑연 시트를 관통하는 방향("c"방향)으로의 열 전도성의 30 내지 70배이다. 결과적으로, 도 9, 도 10, 도 10(a)에 도시된 연료 전지(500), 예컨대 촉매(603)에서 발생된 열은, 전류 흐름에 기인하여, 가스 확산 전극(610)을 통해 인접하며 연속된 가요성 흑연 시트 커버 소자(310)로 유도되므로, 이러한 방향("a")으로의 고열 전도성에 기인하여, 흑연 시트(310)의 대향 표면(311, 314)에 평행하게 가요성 흑연 시트 커버 소자(310)의 엣지(312)로 신속하게 전도되고, 여기에서 열은 대류에 의해 용이하게 발산된다. 이로써, 연료 전지의 스택에서 통합된 쿨러 전지, 혹은 소자에 대한 필요성은 최소화된다.

가요성 흑연 시트 커버 소자(310)와 가스 확산 전극(610)간의 최적화된 결합을 달성하기 위하여, 흑연 시트 커버 소자(310)는 열 경화성 수지(예컨대, 알콜내에 변형된 페놀산 수지의 용액내에 담가둠으로써)로 가득 차있으며 가요성 흑연 시트(30)를 함유한 수지는 그루브 형성된 표면(30 또는 40)의, 가스 확산 전극(610)의 상승된 부분(400)과 접촉되게 놓여지며 수지를 처리하도록 가열되며 그루브 형성된 표면의 영역(400)에서 접착부(410)를 형성한다. 이는, 평탄 금속 표면상의 커버 소자(310)가 채워진 수지를 위치시키고, 커버 소자(310)를 수지와 효과적인 접착에 처리하기 충분한 온도, 통상 170℃에서 400℃의 온도로 가열시키는 동안에 커버 소자(310)가 채워진 수지에 대하여 가스 확산 전극(610)을 가볍게 가압시킴으로써 용이하게 달성된다. 이와는 달리, 접착은 유사한 수지를 갖춘 가스 확산 층의 그루브 표면이 형성된 다이의 상승된 부분(400)을 커버하고 전술한 위치의 커버 소자를 접착 및 처리함으로써 달성될 수 있다.

도 9, 도 10 및 도 10(a)는 전기화학적 연료 전지(500)의 기본 소자들을 개략적으로 도시하며, 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 9, 도 10 및 도 10(a)를 참조하면, 연료 전지(500)는 플라스틱 형태의 전해질, 예컨대 표면(601, 603)에 덮여진, 예컨대 도 10(a)에 도시된 바와 같은 백금(600)으로 덮여진 고형 폴리머 이온 교환막(solid polymer ion exchange membrane; 550) 촉매와, 커버 소자(310)와 조합된 관통형이며 표면이 그루브 형성된 가요성 흑연 시트 전극(610)을 포함한다. 가압 연료는 가스 확산 전극(610)의그루브(300)를 통해 순환되며 가압 산화제는 가스 확산 전극(1610)의 그루브(1300)를 통해 순환된다. 작동시, 가스 확산 전극(610)은 애노드가 되고, 가스 확산 전극(1610)은 캐소드가 되므로 전기적 포텐셜, 즉 전압이 애노드(610)와 캐소드(1610) 사이에서 전개된다. 전술한 전기화학적 연료 전지는 전류를 발생하기 위한 다른 연료 전지 스택과 조합되어 전술한 미국 특허 제 5,300,370호에서와 같은 소정 수준의 전기력을 제공하도록 한다.

연료 전지(500)의 작동에서, 전극(610, 1610)은 연료와 산화제 유체, 예컨대 수소와 산소에 대해 다공성이어서, 이온 교환막의 주변에서 이러한 요소들이 도 10(a)에 도시된 바와 같이 촉매(600)에 접촉하도록 그루브 표면(300)와 채널(20)로부터 용이하게 통과할 수 있고, 수소로부터 유도된 양자가 이온 교환막(550)을 통해 이동할 수 있게 한다. 본 발명의 가스 투과성 전극(610, 1610)에서, 횡방향 채널(20)은 전극(610, 1610)의 표면 그루브(300, 1300)에 인접하게 위치되므로 표면 그루브(300, 1300)로부터의 가압 가스는 채널(20)을 통과하여 배출되며 촉매(600)에 접촉한다.

도 11은 가요성 흑연 시트(10)의 그루브(300)의 단면을 보인 사진(원래 크기의 50배)이다. 도 12의 사진(50배)의 단면에 도시된 횡방향 채널(20)은 도 11에서는 보이지 않는데, 이는 도 11의 단면이 채널(20) 사이에 자리잡기 때문이다. 이와 유사하게, 그루브(300)는 도 12에서 보이지 않는다. 도 12는 압축 팽창된 흑연 입자 원래의 평행한 방위의 붕괴가 도면부호 800에서 보이지 않는다. 도 11과 도 12의 테스트 샘플의 단면의 일반적 위치는 도 6(c)에 도시된다. 도 11의 상승된부분(400')은 도 6(c)의 도면에 도시된 상승된 부분(400)보다 더 좁다.

도 6, 도 6(a), 도 6(b)의 제품과 도 11 및 도 12의 사진(100배)에 도시된 재료는, 대향 평판 표면과 정렬되지 않은 팽창된 천연 흑연 입자가 광학적으로 탐지되지 않는 도 4의 종래 재료에서의 표면(130, 140)과 횡방향으로 열적 및 전기적 전도성과 비교하여, 평행 평판 대향 표면(30, 40)에 횡방향으로의 열적 및 전기적 전도성이 증가된 것을 볼 수 있다.

도 4에 나타난, 0.3grams/cc의 밀도를 갖는 0.01인치 두께의 가요성 흑연 시트의 샘플은 상이한 크기의 횡방향 채널 및 가요성 흑연 시트내에 상단 개방형 그루브를 제공하도록 기계적으로 임팩트되었다. 그루브는 깊이를 증가시키도록 평방 인치당 2500 및 3750 파운드의 하중으로 가압되었고 그루브와 상승된 부분 각각이 한정되었다. 본 발명에 따라, 그루브가 형성되며 횡방향의 채널이 형성된 가요성 흑연 시트 샘플의 횡방향 가스 투과성은 가스 투과성 측정 장치용 Gurley Model 4118을 이용하여 측정된다.

본 발명에 따른, 그루브와 횡방향의 채널이 형성된 가요성 흑연 시트의 샘플과 그루브가 형성되지 않은 참조 샘플은 수직 실린더(3인치 직경 단면)의 바닥 개구부(3/8 인치 직경)에 놓여짐으로써 테스트되었다. 실린더는 300cc의 공기로 채워지고, 중량체 피스톤(5 온즈)이 실린더의 상부에서 소정 위치에 설정되었다. 샘플을 통하는 가스 유동율은 피스톤의 강하에 대한 시간의 함수로서 측정되며 그 결과는 다음 테이블과 같다.

가요성 흑연 시트

(원래 0.008 인치 두께; 밀도 = 0.5 gms/cc)

테스트 샘플	평방 인치당1200 채널	평방 인치당1200채널	평방 인치당1200채널
	그루브 없음	2500psi에서 가압된 그루브	3750psi에서 가압된 그루브
확산율-초	3.8	12.8	18.4

본 발명에서, 채널에 인접한 0.003인치 내지 0.015인치 두께와 평방 센티메터당 약 0.5 내지 1.5그램의 밀도를 갖는 가요성 흑연 시트에 대하여, 바람직한 채널 밀도(또는 총수)는 평방 인치당 약 1000에서 3000까지의 채널이며 바람직한 채널 크기는 큰 채널 개구부 대 작은 채널 개구부의 면적비가 약 50:1에서 150:1인 채널이고, 상단 개방형 그루브는 바람직하게는 약 0.020에서 0.125 폭이며 시트의 두께의 적어도 약 절반이다.

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 약 20에서 30 중량%이며, 약 60 중량%까지가 적절하다.

본 발명의 특별한 장점은 연료 전지에 사용될 때 전극 주위에서 높은 열적 확산도를 갖는다는 것이며, 이는 전지의 냉각 소자 요구사항을 최소화시킬뿐만 아니라 상대적으로 얇은 전극을 제공하며 하나 또는 두개의 유동장 플레이트에 대한 필요성을 생략할 수 있다는 것이다.

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 (11)

1. 제 1 및 제 2 대향 표면을 갖는 시트 형태의 팽창된 흑연 입자의 압축 덩어리(mass)를 포함한 흑연 제품으로서, 상기 시트는 상기 제 1 및 제 2 대향 표면의 사이를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널을 가지며, 상기 대향 표면중 하나에는 상기 다수의 횡방향 유체 채널과 연통하는 개방형 그루브가 형성되는 흑연 제품.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 채널은 다수의 위치에서 상기 시트의 제 1표면을 기계적으로 임팩트시켜 상기 위치에서 상기 시트 내측의 흑연을 변위시킴으로써 형성되며 상기 제 1 및 제 2대향 표면 두곳에서 개구부를 갖는 상기 채널을 제공하도록 하는 흑연 제품.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 개방형 그루브는 커버에 제공되며, 상기 커버는 상기 그루브가 형성된 상기 표면에 접착되는 가요성 흑연 시트의 형태인 흑연 제품.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 개방형 그루브는 커버에 제공되며, 상기 커버는 상기 그루브가 형성된 상기 표면에 접착되는 롤 프레싱되며 캘린더가공된 가요성 흑연 시트의 형태인 흑연 제품.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 개방형 그루브는 상기 시트 내측의 흑연을 변위시키도록 상기 시트의 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성되는 흑연 제품.
6. 제 1 및 제 2 대향 표면을 갖는 시트 형태의 팽창된 흑연 입자의 압축 덩어리로서, 상기 시트는 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널을 가지며, 상기 대향 표면중 하나에는 상기 다수의 횡방향 유체 채널과 연통하는 개방형 그루브가 형성되는, 팽창된 흑연 입자의 압축 덩어리와,

   상기 그루브가 형성된 상기 표면에 접착되어 커버를 제공하는 가요성 흑연 시트를 포함하는 전극.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 채널은 다수의 위치에서 상기 시트의 제 1표면을 기계적으로 임팩트시켜 상기 시트들 내측의 흑연을 변위시킴으로써 형성되며 상기 제 1 및 제 2대향 표면 두곳에서 개구부를 갖는 상기 채널을 제공하는 전극.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 채널은 다수의 위치에서 상기 시트의 제 1표면을 기계적으로 임팩트시켜 상기 위치에서 상기 시트들 내측의 흑연을 변위시킴으로써 형헝되며 상기 제 1 및 제 2대향 표면 두곳에서 개구부를 갖는 상기 채널을 제공하도록 하는 전극.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 개방형 그루브는 커버에 제공되며, 상기 커버는 상기 그루브가 형성된 상기 표면에 접착되는 가요성 흑연 시트의 형태인 전극.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 개방형 그루브는 커버에 제공되며, 상기 커버는 상기 그루브가 형성된 상기 표면에 접착되는 롤 프레싱되며 캘린더가공된 가요성 흑연 시트의 형태인 전극.
11. 제 6 항에 있어서, 상기 개방형 그루브는 상기 시트 내측의 흑연을 변위시키도록 상기 시트의 표면을 기계적으로 임팩트시킴으로써 형성되는 전극.