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KR100515742B1 - Flexible graphite article and fuel cell electrode with enhanced electrical and thermal conductivity - Google Patents

Flexible graphite article and fuel cell electrode with enhanced electrical and thermal conductivity Download PDF

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KR100515742B1
KR100515742B1 KR10-2002-7013546A KR20027013546A KR100515742B1 KR 100515742 B1 KR100515742 B1 KR 100515742B1 KR 20027013546 A KR20027013546 A KR 20027013546A KR 100515742 B1 KR100515742 B1 KR 100515742B1
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KR
South Korea
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sheet
graphite
channels
opposing surface
electrode assembly
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
KR10-2002-7013546A
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Korean (ko)
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KR20030066319A (en
Inventor
로버트 안젤로 머큐리
토마스 윌리암 웨버
마이클 리 워드립
Original Assignee
어드밴스드 에너지 테크놀로지 인코포레이티드
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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. Disclosed is a graphite article 20 for use in the manufacture of a membrane electrode assembly 6 comprising a pair of electrodes and an ion exchange membrane 550 positioned between the electrodes. The at least one electrode is formed from a sheet of compacted mass of expanded graphite particles having a plurality of transverse fluid channels 20 passing through the sheet between the first and second opposing surfaces of the sheet, the one opposing surface being a membrane Adjacent to the ion exchange membrane 550 when using the electrode assembly 6. At least some fluid channels 20 are interconnected to enable flow of fluid therebetween.

Description

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

본 발명은 전기화학적 연료 전지용 전극 어셈블리에 유용한 제품에 관한 것이다. 본 발명의 전극 어셈블리는 유체 투과성이며 열 및 전기 전도성에 대하여 등방성이 강화된 가요성 흑연 시트가 형성된 제품을 포함한다.The present invention relates to articles useful in electrode assemblies for electrochemical fuel cells. The electrode assembly of the present invention comprises a product having a flexible graphite sheet that is fluid permeable and isotropically enhanced with respect to thermal and electrical 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 배향되거나 정렬된다. 실질적으로 평탄하고, 평행한 등거리의, 통상적으로 기저 평면이라 지칭되는 탄소 원자 시트 또는 층들은 상호 연결되거나 결합되고, 그 그룹들은 미세 결정(crystallite)내에 정렬된다. 고 정렬 흑연(highly ordered graphites)은 상당한 크기의 미세 결정으로 구성되고, 미세 결정은 서로에 대하여 잘 정렬되거나 배향되며 잘 정렬된 탄소 층을 갖는다. 즉, 고 정렬 흑연은 고도의 바람직한 미세 결정의 방위를 갖는다. 흑연이 이방성 구조를 지님으로써 높은 방향성의, 특히 열 및 전기 전도성과 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, 통상적으로 두개의 축선 또는 방향, 즉 "c"축선 또는 방향과 "a"축선 또는 방향을 가짐을 알 수 있다. 간단하게, "c" 축선 또는 방향은 탄소층과 수직한 방향으로 고려될 수 있다. "a" 축선 또는 방향은 탄소층에 평행한 방향 또는 "c"방향에 수직한 방향으로 고려될 수 있다. 가요성 흑연의 제조에 적합한 천연 흑연은 고도의 방위성을 갖는다. Graphites consist of a hexagonal array of carbon atoms or a layer plane of a network. The layer planes of carbon atoms arranged in this hexagonal system are substantially flat and are oriented or aligned such that they are substantially parallel and equidistant. Substantially flat, parallel equidistant, carbon atom sheets or layers, commonly referred to as base planes, are interconnected or bonded, and the groups are aligned in fine crystallites. Highly ordered graphites are composed of finely sized microcrystals, which have well aligned or oriented and well aligned carbon layers with respect to each other. In other words, highly ordered graphite has a highly preferred orientation of fine crystals. It should be noted that graphite has an anisotropic structure and thus exhibits or has many properties such as high directionality, in particular thermal and electrical conductivity and fluid diffusivity. In summary, graphite can be characterized as a laminated structure of carbon, i.e., a structure composed of carbon superimposed layers or laminas bonded together by weak van der Waals forces. Looking at the graphite structure, it can be seen that it usually has two axes or directions, that is, the "c" axis or direction and the "a" axis or direction. For simplicity, the "c" axis or direction may be considered in the direction perpendicular to the carbon layer. The "a" axis or direction can be considered a direction parallel to the carbon layer or a direction perpendicular to the "c" direction. Natural graphite suitable for the production of flexible graphite has a high degree of orientation.

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(expanded) 또는 부풀어 오른 흑연 구조를 형성한다.As can be seen above, the bonding force in which parallel layers of carbon atoms are held together is only a weak van der Waals force. Graphite can be treated so that the spacing between the overlapped carbon layers or lamina can be significantly opened to provide a pronounced expansion in the direction perpendicular to the layers, i.e., the "c" direction, so that the lamination properties of the carbon layers are substantially It forms a retained expanded or swollen graphite structure.

상당히 팽창된, 특히 원래 "c" 방향 치수의 적어도 약 80배 또는 그 이상의 최종 두께 또는 "c" 방향 치수를 갖도록 상당히 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 입자들간에 이루어지는 훌륭한 기계적 상호 결합 또는 응집에 기인한다.Significantly expanded natural graphite flakes, particularly expanded to have a final thickness or “c” direction dimension of at least about 80 times or more of the original “c” direction dimension, are agglomerated or aggregated of the expanded graphite without the use of a binder. Flexible graphite sheet, for example, may be formed of a web, paper, strip, tape or the like. It is believed that forming graphite particles expanded by compression-integrated flexible sheets with a final thickness or “c” dimension, which is at least about 80 times the original “c” direction dimension, is possible without the use of any binding material. This is due to good mechanical mutual bonding or agglomeration between the bulky expanded graphite particles.

가요성에 부가하여, 상기에서 알수 있는 바와 같은 시트 물질은 천연 흑연 개시 물질(starting material)과 비교하여 열 및 전기 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 대향면들에 실질적으로 평행하게 지향되기 때문이다. 이와 같이, 생성된 시트 재료는 훌륭한 가요성과, 양호한 강도 및 매우 고도의 방위성을 갖는다.In addition to flexibility, it can be seen that the sheet material as can be seen above has a high anisotropy in terms of thermal and electrical conductivity and fluid diffusivity compared to the natural graphite starting material, This is because the orientation is directed substantially parallel to the opposing surfaces of the sheet by very high compression, for example roll pressing. As such, the resulting sheet material has good flexibility, good strength and very high orientation.

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 웜형(worm) 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 파운드내지 약 125 파운드의 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.In summary, the process of producing flexible, binding-free anisotropic graphite sheet materials such as webs, papers, strips, tapes, foils, mats, and the like substantially reduces expanded graphite particles having a " c " direction dimension of at least about 80 times that of the original particles. Compressing or compressing under a predetermined load without a binder to form a flat, flexible, integrated graphite sheet. Expanded graphite particles, which are generally worms or vermiforms in appearance, once compressed, are set in compression and maintain alignment with the major opposing surface of the sheet. The density and thickness of the sheet material can vary depending on the degree of compression control. The density of the sheet material may be in the range of about 5 pounds to about 125 pounds per cubic foot. Flexible graphite sheet material exhibits a significant degree of anisotropy due to the alignment of the graphite particles parallel to the parallel major opposing surface of the sheet, and this degree of anisotropy also depends on the degree of roll pressing of the sheet material to increase its density. Will increase. In roll pressed anisotropic sheet material, the thickness, i.e., the direction perpendicular to the parallel and opposing sheet surface, comprises the "c" direction, and in the range of directions along the length and width, i.e. along or parallel to the main opposing surface. The range includes the "a" direction, and the thermal, electrical and fluid diffusion properties of the sheet are very different in order of magnitude depending on the "c" and "a" directions.

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, 가스 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 저항의 감소를 감수하더라도, 흑연 시트의 주요 표면들에 평행한("a"방향) 유체 유동에 대한 저항이 증가된다면, 매우 양호한 가스켓(gasket) 성능을 제공한다. 전기적 특성에 대하여, 이방성의 가요성 흑연 시트의 고유 저항은 가요성 흑연 시트의 주요 표면에 대해 가로지르는 방향("c" 방향)으로 높게 되고, 가요성 흑연 시트의 주요 면들 사이에서 그 면들에 평행한 방향("a" 방향)으로 매우 적게 된다. 이러한 연료 전지 및 연료 전지의 밀봉에 대한 유체 유동장(flow field) 플레이트의 용도에서, 가요성 흑연 시트의 주요면에 평행한 방향("a" 방향)으로 전기적 고유 저항의 증가를 감수하더라도, 가요성 흑연 시트의 주요 면들을 가로지르는("c" 방향) 전기적 저항이 감소된다면, 대단한 장점을 제공한다.This very significant difference in properties, depending on the orientation, known as anisotropy, can be a disadvantage in some applications. For example, in gasket applications where a flexible graphite sheet is used as the gasket material and is densely maintained between the metal surfaces in use, the diffusion of a fluid, such as a gas or liquid, may occur between the major surfaces of the flexible graphite sheet and It occurs more easily on the side parallel to the surfaces. This is in most cases a fluid flow parallel ("a" direction) to the major surfaces of the graphite sheet, even though it suffers from a decrease in resistance to fluid diffusion flow across the major surfaces of the graphite sheet ("c" direction). If the resistance is increased, it provides very good gasket performance. With respect to the electrical properties, the resistivity of the anisotropic flexible graphite sheet becomes high in the transverse direction (“c” direction) with respect to the main surface of the flexible graphite sheet, and parallel to the faces between the main faces of the flexible graphite sheet. Very small in one direction ("a" direction). In such a fuel cell and the use of a fluid flow field plate for sealing of the fuel cell, even if the electrical resistivity is increased in a direction parallel to the main surface of the flexible graphite sheet ("a" direction), the flexibility If the electrical resistance across the major faces of the graphite sheet (in the "c" direction) is reduced, it provides a great advantage.

열적 특성에 대하여, 가요성 흑연 시트의 상부 및 하부 표면에 평행한 방향으로의 가요성 흑연 시트의 열적 전도성은 비교적 높은 반면에, 상부 및 하부 표면을 가로지르는 "c" 방향으로는 비교적 매우 낮다.With respect to the thermal properties, the thermal conductivity of the flexible graphite sheet in a direction parallel to the upper and lower surfaces of the flexible graphite sheet is relatively high, while it is relatively very low in the "c" direction across the upper and lower surfaces.

전술한 상태는 본 발명에 포함된다. The above state is included in the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 상호 연결된 횡방향 채널을 갖는 횡방향 투과성의 가요성 흑연 시트의 평면도,1 is a plan view of a transversely permeable flexible graphite sheet having interconnected transverse channels according to the present invention,

도 1(a)는 도 1의 시트에 관통된 채널을 표시하는데 사용된 평탄 종단 돌출부를 도시한 것,FIG. 1 (a) shows the flat terminated protrusion used to mark the channel pierced in the sheet of FIG. 1,

도 2는 도 1의 시트의 측방 단면도,2 is a side cross-sectional view of the sheet of FIG. 1, FIG.

도 2(a),(b),(c)는 본 발명에 따른 횡방향으로 상호 연결된 채널에 대한 적절하게 다양한 평탄 종단 구성도,2 (a), (b), (c) are suitably varied flat termination configurations for transversely interconnected channels in accordance with the present invention;

도 3,3(a),3(b)는 도 1의 제품을 표시하기 위한 메카니즘을 도시한 것, 3, 3 (a) and 3 (b) show a mechanism for displaying the product of FIG. 1,

도 3(c),3(d)는 본 발명에 따른 횡방향 투과성인 가요성 흑연 시트의 일부를 확대한 사시도,3 (c) and 3 (d) are enlarged perspective views of a part of the transversely flexible flexible graphite sheet according to the present invention;

도 3(e)은 도 3(c)에 해당하는 횡방향 투과성인 가요성 흑연 시트이 일부의 사진,FIG. 3 (e) is a photograph of a part of the flexible graphite sheet having a transverse transmissivity corresponding to FIG. 3 (c);

도 4는 가요성 흑연 시트 재료의 방향성을 가지고서 팽창된 흑연 입자의 확대 스케치도,4 is an enlarged sketch of graphite particles expanded with the orientation of the flexible graphite sheet material,

도 5는 본 발명에 따른 가요성 흑연 시트로 구성된 제품의 확대 스케치도,5 is an enlarged sketch of a product composed of a flexible graphite sheet according to the present invention,

도 6,7, 및 7(a)은 본 발명에 따른 횡방향 투과성 제품을 포함한 유체 투과성 전극 어셈블리를 도시한 것,6, 7 and 7 (a) illustrate a fluid permeable electrode assembly comprising a transversely permeable article according to the present invention,

도 8은 도 5의 측면 스케치의 일부에 해당하는 100배(원래 크기의) 확대 사진.FIG. 8 is a magnified view of 100 times (original size) corresponding to part of the side sketch of FIG.

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 입자들이 압축된 시트로 형성되고, 상기 시트의 제 1 및 제 2 대향 표면 사이에서 상기 시트를 관통하는 다수의 횡방향 유체 채널(transverse fluid channel)들을 가지며, 상기 대향 표면들 중 하나는 이온 교환막에 인접한다. 바람직하게는, 상기 횡방향 유체 채널은 미리 결정된(predetermined) 지점들에서 시트 내부의 흑연을 변위시키도록 시트의 대향 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성된다. 횡방향 유체 채널은 근접하여 위치되고 팽창된 흑연의 압축된 벽들에 의해 분리되어 있으며 인접한 채널들 사이로 유체가 유동가능하도록 인접한 채널들 사이에서 상호 연결(interconnection)을(그루브를 가지게 됨과 같이) 허용한다.According to the present invention, there is provided a membrane electrode assembly for an electrochemical fuel cell, comprising a pair of electrodes and an ion exchange membrane positioned between the electrodes, the at least one electrode being formed from a sheet in which expanded graphite particles are compressed, There are a plurality of transverse fluid channels passing through the sheet between the first and second opposing surfaces of the sheet, one of the opposing surfaces adjoining the ion exchange membrane. Preferably, the transverse fluid channel is formed by mechanically pressing an opposing surface of the sheet to displace graphite within the sheet at predetermined points. The transverse fluid channel is closely spaced and separated by compressed walls of expanded graphite and allows for interconnection (such as having grooves) between adjacent channels to allow fluid to flow between adjacent channels. .

흑연은 결정체 면들 사이에서 약한 결합력으로 한 평탄 층면내에서 공유 결합된 원자를 갖는 결정질 형태의 탄소이다. 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 원래 체적의 약 80배 또는 그 이상의 치수로 팽창된다. 박리된 흑연 입자는 외관상 연충형(vermiform)이므로 일반적으로 웜(worm)으로서 지칭된다. 웜은 다양한 형태로 형성되고 절단될 수 있으며 기계적 충격을 가함으로써 작은 횡방향 개구가 제공될 수 있는, 원래의 흑연 박편과는 같지 않은 가요성 시트로 압축될 수 있다.Graphite is a crystalline form of carbon with atoms covalently bonded in a flat layer plane with weak bonding force between crystalline faces. By treating particles of graphite, such as natural graphite flakes, for example with an intercalant of sulfuric acid and nitric acid solution, the crystal structure of the graphite reacts to form compounds of graphite and intercalant. The treated graphite particles are hereinafter referred to as "particles of intercalated graphite". When exposed to high temperatures, the intercalated graphite particles expand in an accordion-like fashion to a dimension of about 80 times or more of the original volume in the "c" direction, ie perpendicular to the crystal plane of the graphite. . Peeled graphite particles are generally referred to as worms because they are vermiform in appearance. The worms can be formed into various shapes and cut into compact sheets that are not the same as the original graphite flakes, by which a small transverse opening can be provided by applying a mechanical impact.

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. 이들의 예로서는 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) 등을 포함하는 용액과 같은 산화제 및 산화 혼합물; 또는 농축된 질산 및 염소산염(chlorate), 크롬산(chromic) 및 아인산(phosphoric acid), 황산 및 질산과 같은 혼합물; 또는 트리 플루오르화 아세트산(trifluoroacetic)과 같은 강 유기산과 상기 유기산에 가용성인 강 산화제의 혼합물이 있다.A general method of making graphite sheets, such as foils, from flexible graphite is described in US Pat. No. 3,404,061 to Shane et al. In conventional particles of the method by Shane et al., Natural graphite flakes are intercalated by dispersing the flakes with a solution containing an oxidizing agent such as a mixture of nitric acid and sulfuric acid, for example. Intercalation solutions include oxidizing agents and other intercalating agents known in the art. Examples of these include nitric acid, potassium chlorate, chromic acid, potassium permanganate, potassium chromate, potassium dichromate, perchloric acid, and the like. Oxidizing agents such as solutions and oxidizing mixtures; Or mixtures such as concentrated nitric acid and chlorate, chromic and phosphoric acid, sulfuric acid and nitric acid; Or a strong organic acid such as trifluoroacetic acid and a strong oxidizing agent soluble in the organic acid.

바람직한 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산 또는 황산 및 아인산과 산화제의 혼합물 용액이고, 이 경우 산화제는 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)및 황산에 혼합된 염화 제 2철과 같은 금속 할로겐화물 또는 브롬산과 황산의 용액으로서의 브롬 또는 유기용제내의 브롬과 같은 할로겐화물을 포함한다.In a preferred embodiment, the intercalating agent is sulfuric acid or a solution of sulfuric acid and a mixture of phosphorous and oxidizing agents, in which case the oxidizing agent is nitric acid, perchloric acid, chromic acid, potassium permanganate, hydrogen peroxide, iodine or periodic acid, or the like. Things. Although relatively less preferred, intercalation solutions are metal halides such as ferric chloride and ferric chloride mixed in sulfuric acid, or halides such as bromine as a solution of bromic acid and sulfuric acid or bromine in organic solvents. It includes.

박편이 인터칼레이트된 이후에, 과도한 용액이 박편으로부터 배수되며 박편은 물로 세척된다. 배수후 박편에 유지되는 인터칼레이션 용액의 양은 중량비로, 흑연 박편 100분량당 용액 20 내지 150분량(pph)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. 예를 들어, 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 웜으로서 지칭된다. 웜은 다양한 형태로 형성되고 절단될 수 있으며 기계적 충격을 가함으로써 작은 횡방향 개구가 제공될 수 있는, 원래의 흑연 박편과는 상이한 가요성 시트로 압축될 수 있는데, 이는 이후 상세히 설명한다.After the flakes are intercalated, excess solution is drained from the flakes and the flakes are washed with water. The amount of intercalation solution retained in the flakes after drainage is, by weight, from 20 to 150 portions (pph) of solution per 100 portions of graphite flakes, more typically about 50 to 120 pph. Alternatively, the amount of intercalation solution may be limited between 10 and 50 pph, which may be omitted in the washing step as described in US Pat. No. 4,895,713 and as indicated. Treated graphite particles are often referred to as "particles of intercalated graphite." For example, when exposed to high temperatures of about 700 ° C. to 1000 ° C. and higher, the intercalated graphite particles are in accordion-like fashion in the c direction, ie perpendicular to the crystal plane of the constituent graphite particles. Swell to about 80 to 1000 times or more of the original volume. Expanded (or exfoliated) graphite particles are generally referred to as worms because they are worms in appearance. The worm can be formed into various shapes and cut into a flexible sheet different from the original graphite flakes, which can be provided with a small transverse opening by applying a mechanical impact, which will be described in detail later.

가요성 흑연 시트와 호일은 양호한 취급 강도를 갖춘 응집체이며, 롤 프레싱과 같은 것으로써 적절히 압축되어 두께가 0.003 내지 0.15 인치가 되며 밀도는 입방 센티미터당 0.1 내지 1.5 그램이다. 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 생산물에 강화된 수지 주입을 제공하도록 한다. 첨가제는 길이가 0.15 내지 1.5밀리미터인 세라믹 섬유 입자를 포함한다. 입자의 폭은 0.04부터 0.004mm까지가 적절하다. 세라믹 섬유 입자는 흑연에 대해 비-반응성 및 비-점착성이며, 2000℉까지의 온도, 바람직하게는 2500℉의 온도에 이르기까지 안정적이다. 적절한 세라믹 섬유 입자는 물에 담가 연화된 석영 유리 섬유(macerated glass fiber), 탄소 및 흑연 섬유, 지르코니아, 질화 붕소, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 섬유, 그리고 메타규산 칼슘(calcium metasilicate) 섬유, 규산 칼슘 알루미늄(calcium aluminum silicate) 섬유, 산화 알루미늄 섬유 등과 같은 자연적으로 발생하는 미네랄 섬유의 형태이다.Flexible graphite sheets and foils are agglomerates with good handling strength, such as roll pressing, suitably compressed to a thickness of 0.003 to 0.15 inches and a density of 0.1 to 1.5 grams per cubic centimeter. About 1.5-30% ceramic additives can be mixed with intercalated graphite flakes as described in US Pat. No. 5,902,762 to provide enhanced resin infusion to the final flexible graphite product. The additive includes ceramic fiber particles of 0.15 to 1.5 millimeters in length. The width of the particles is appropriate from 0.04 to 0.004 mm. Ceramic fiber particles are non-reactive and non-tacky to graphite and are stable up to temperatures up to 2000 ° F, preferably up to 2500 ° F. Suitable ceramic fiber particles are immersed in water, softened quartz glass fibers, carbon and graphite fibers, zirconia, boron nitride, silicon carbide and magnesia fibers, calcium metasilicate fibers, calcium silicate aluminum aluminum silicate) is a form of naturally occurring mineral fiber such as fiber and aluminum oxide fiber.

도 1 및 도 2를 참조하여, 팽창된 흑연 입자의 압축체(compressed mass)가 강성 흑연 시트의 형태로 도면 부호 10으로 도시된다. 가요성 흑연 시트(10)에는 채널(20)이 제공되며, 상기 채널은 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 개구(60)보다 큰 개구(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 가압 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 가압으로 일어나는 거칠거나 울퉁불퉁한 에지 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 가압된 시트의 측면상에서 더 큰 채널 개구를 제공하도록 한다. 채널 개구(60)를 둘러싸는 평활하고 연달아 나타난 표면(63)의 전개는 유체를 평활 측면(67)의 채널(20)로 유체를 자유롭게 유동시킬 수 있게 한다.1 and 2, the compressed mass of expanded graphite particles is shown at 10 in the form of a rigid graphite sheet. The flexible graphite sheet 10 is provided with a channel 20, which preferably has a smoothed side, as shown at 67 in FIGS. 5 to 8, of the flexible graphite sheet 10. It passes between the parallel, opposing surfaces 30, 40 and is separated by a wall of compressed expandable graphite 3. The wall 3 is preferably provided with a groove 5 having a depth of 1/10 to 1/3 of the channel depth according to the invention. The channel 20 preferably has an opening 50 on one side of the opposing surface 30 that is larger than the opening 60 of the other opposing surface 40. Channel 20 may have a different configuration as shown by 20 ', 20 ", 20"' in Figures 2 (a), 2 (b), 2 (c), which are shown in Figures 1 (a) and Extending integrally with the compression roller of the pressing device of FIG. 3 as shown at 75, 175, 275, 375 in 2 (a), 2 (b), 2 (c) and suitably formed of a metal such as steel It is formed using flat end protrusion members of different shapes. Smooth flat ends of the channel-forming protrusion members 75, 175, 275, and 375 are shown at 77, 177, 277, and 377, and smooth flat ends of the groove-forming protrusion members 675, 775, 875, and 975. Are shown at 677, 777, 877, 977, the smooth bearing surface 73 of the roller 70 and the smooth bearing surface 78 of the roller 72 (or flat metal plate 79) in the flexible graphite sheet. Since the deformation and displacement of the graphite are ensured, there are preferably no rough or uneven edges or debris resulting from channel forming pressurization. Groove-forming protrusion members 675, 775, 875, and 975 cause deformation and displacement of graphite in the flexible graphite sheet. The preferred channel-forming protrusion member 77 reduces the cross section in the direction away from the compression roller 70 to provide a larger channel opening on the side of the initially pressed sheet. The development of the smooth, continuous surface 63 surrounding the channel opening 60 allows the fluid to flow freely into the channel 20 of the smooth side 67.

바람직한 실시예에서, 하나의 대향 표면에서의 개구는 다른 대향 표면에서의 개구보다 더 큰데, 예컨대 면적에 있어서 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 미리 결정된 지점들에서 메카니즘을 이용하여 시트(10)의 미리 결정된 지점들에서 기계적 가압에 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 개구 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 전기 전도성과 열 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 가압 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 도면부호 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 100배 및 그 보다 큰 크기로 광학적으로 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 전기 및 열 전도성을 대향 표면(30, 40)에 대하여 횡방향으로 증가시킨다. 절두 원추형 및 평행-측면 펙 형상(parallel-sides peg-shaped) 평탄 단부 돌출부(275, 175)에서도 이와 유사한 효과가 달성된다. 도 1의 천공형 가스 투과 가요성 흑연 시트(10)는 도 6, 7 및 7(a)에 개략적으로 도시된 전기화학적 연료 전지(500)의 전극에 사용될 수 있다.In a preferred embodiment, the opening at one opposing surface is larger than the opening at the other opposing surface, for example from 1 to 200 times larger in area, with converging sides such as 76, 276, 376. This is due to the use of a protrusion member. The transverse channel 20 is formed by mechanical pressing at predetermined points of the sheet 10 using the mechanism at predetermined points of the flexible graphite sheet 10, the mechanism being shown in FIG. 3. One roller comprises a pair of steel rollers 70, 72 having a prismatic protrusion 75 with a flat end, ie a flat end, the protrusion having a surface 30 of the flexible graphite sheet 10. Impact to displace the graphite and penetrate the sheet 10 to form the opening channel 20. In the present invention, the channel-forming protrusion 75 is formed between the channels 20 of the continuously aligned channels following the shape of the channel 20 shown in the sketch of FIG. 3 (c) and the picture of FIG. 3 (e). Is cross-linked by groove-forming protrusions 675 formed to interconnect the grooves 5. In addition, groove-forming protrusion members 675 ′ may be included as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) such that parallel continuous transverse channels 20 as shown in FIG. 3 (d). Grooves 5 'are formed to interconnect. In practice, the two rollers 70, 72 may be provided with "out-of-register" projections, and a flat metal plate 79 may be used in place of the smooth surface roller 72. . 4 illustrates the orientation of a conventional prior art compression expanded graphite particle 80 substantially parallel to the opposing surfaces 130, 140 as an enlarged sketch of the flexible graphite sheet 110. The orientation of these expanded graphite particles 80 results in the anisotropic properties of the flexible graphite sheet, ie the electrical and thermal conductivity of the sheet is substantially parallel to the opposing surfaces 130, 140 ("a" direction). It is lower in the direction traversing the opposing surfaces 130, 140 (“c” direction). As shown in FIG. 3, in the pressing process of the flexible graphite sheet 10 forming the channel 20, the graphite is formed inside the flexible graphite sheet 10 by the flat end channel forming protrusion 75 at 77. Is displaced at and pushes the graphite laterally to move toward the smooth surface 73 of the roller 70 to disintegrate and deform the parallel orientation of the expanded graphite particles 80 as shown at 800 in FIG. Groove forming protrusions 675 together modify the parallel orientation of the expanded graphite particles. In the region of reference 800, the peripheral channel 20 and the groove 5 appear to be inclined in the collapse of the parallel orientation, and the non-parallel orientation is optically observed to be 100 times and larger. The effect of the displaced graphite is to be “die-molded” by the side 76 and the smooth surface 73 of the peripheral protrusion 75 of the roller 70 as shown in FIG. 5. This reduces the anisotropy of the flexible graphite sheet 10 and thus increases the electrical and thermal conductivity of the sheet 10 transversely with respect to the opposing surfaces 30, 40. Similar effects are achieved in truncated conical and parallel-sides peg-shaped flat end protrusions 275 and 175. The perforated gas permeable flexible graphite sheet 10 of FIG. 1 can be used for the electrodes of the electrochemical fuel cell 500 shown schematically in FIGS. 6, 7 and 7 (a).

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.6, 7 and 7 (a) schematically illustrate the basic elements of an electrochemical fuel cell, more complete descriptions of which are described in US Pat. Nos. 4,988,583 and 5,300,370 and International Patent Publication Nos. WO 95/16287 (1995, 6,15).

도 6, 도 7 및 도 7(a)를 참조하면, 연료 전지(500)는 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 플라스틱 형태의 전해질, 예컨대 표면(601, 603)이 예컨대 백금(600)으로 코팅된 고형 폴리머 이온 교환막(solid polymer ion exchange membrane; 550) 촉매와; 본 발명에 따른 천공형 가요성 흑연 시트 전극(10)과; 그리고 각각의 전극(10)에 인접한 유동장(flow field) 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.6, 7 and 7 (a), the fuel cell 500 has a plastic electrolyte, such as surfaces 601 and 603, for example platinum 600, as shown in FIG. 7 (a). A solid polymer ion exchange membrane (550) catalyst coated with; Perforated flexible graphite sheet electrode 10 according to the present invention; And flow field plates 1000 and 1100 adjacent to each electrode 10. Pressurized fuel is circulated through the groove 1400 of the fuel flow field plate 1100 and pressurized oxidant is circulated through the groove 1200. In operation, the fuel flow field plate 1100 becomes an anode and the oxidant flow field plate 1000 becomes a cathode so that an electrical potential, ie, a voltage, develops between the fuel flow field plate 1100 and the oxidant flow field plate 1000. The electrochemical fuel cell described above is combined with other fuel cell stacks to provide a predetermined level of electrical force, such as in US Pat. No. 5,300,370 described above.

연료 전지(500)의 동작은 전극(10)이 연료와 산화제 유체, 예컨대 수소와 산소에 대해 다공성이어서 이러한 컴포넌트들이 도 7(a)에 도시된 바와 같이 촉매(600)에 접촉하도록 그루브(1400, 1200)로부터 전극(10)을 용이하게 통과할 수 있도록 하는 것을 필요로 하며, 수소로부터 유도된 양자들이 이온 교환막(550)을 통해 이동할 수 있도록 하는 것을 필요로 한다. 본 발명의 전극(10)에서, 채널(20)은 유동장 플레이트의 그루브(1400, 1200)를 인접하게 덮도록 위치되므로 그루브로부터의 압축 가스는 채널(20)의 작은 개구(60)를 통과하여 채널(20)의 큰 개구(50)로 배출된다. 도 6과 도 7에서 "7"로 나타난 것과 같이, 채널(20)이 봉쇄되는 경우, 인접 채널로부터의 유체는 그루브를 통해 유동될 수 있어 차단된 채널에 인접한 가스 촉매 접촉이 유지된다. 작은 개구(60)에서의 가스의 초기 속도는 큰 개구(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 전기 전도성은 더욱 효과적인 연료 전지 작동을 가능하게 한다.Operation of the fuel cell 500 is such that the electrode 1 10 is porous to fuel and oxidant fluids such as hydrogen and oxygen such that these components contact the catalyst 600 as shown in Figure 7 (a). It is necessary to be able to easily pass the electrode 10 from 1200, and to be able to move protons derived from hydrogen through the ion exchange membrane 550. In the electrode 10 of the present invention, the channel 20 is positioned to cover the grooves 1400 and 1200 of the flow field plate adjacently so that the compressed gas from the groove passes through the small opening 60 of the channel 20 It is discharged to the large opening 50 of 20. As shown by "7" in Figures 6 and 7, when the channel 20 is closed, fluid from the adjacent channel can flow through the groove to maintain gas catalyst contact adjacent to the blocked channel. The initial velocity of the gas in the small opening 60 becomes greater than the gas flow in the large opening 50, resulting in a decrease in the velocity of the gas when it comes into contact with the catalyst 600 and an increase in the residence time of the gas catalyst contact and the exchange membrane. The gas exposure area at 550 is maximized. In addition to these features, the increased electrical conductivity of the flexible graphite electrode of the present invention enables more efficient fuel cell operation.

도 8은 도 5의 스케치 부분에 해당되는 가요성 흑연의 몸체의 사진(원래 크기의 100배)이다.FIG. 8 is a photograph (100 times original size) of a body of flexible graphite corresponding to the sketched portion of FIG. 5.

도 1 내지 도 5의 제품과 도 8의 사진(100배)에 도시된 재료는, 도 4의 재료의 표면(130, 140)에 횡방향으로의 열 및 전기 전도성과 비교하여 대향된 평행한 평탄 표면(30, 40)에 횡방향으로 증가된 열 및 전기 전도성을 나타낼 수 있는데, 여기에서 대향 평탄 표면과 정렬되지 않은 팽창된 천연 흑연 입자는 광학적으로 탐지가 되지 않는다.The material shown in the article of FIGS. 1-5 and the photograph 100 times of FIG. 8 is a parallel flat opposite to the surface 130, 140 of the material of FIG. 4 as compared to the thermal and electrical conductivity in the transverse direction. Surfaces 30 and 40 may exhibit increased thermal and electrical conductivity laterally, in which expanded natural graphite particles that are not aligned with opposing flat surfaces are not optically detected.

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 가압된다. 시트 재료 샘플의 횡방향("c" 방향) 전기 저항이 측정되어 그 결과치가 아래의 표로 제시된다. A sample of 0.01 inch thick flexible graphite sheet having a density of 0.3 grams / cc, shown in FIG. 4, is mechanically pressed by a similar device as in FIG. 3 to provide channels of different sizes in the flexible graphite sheet. The transverse ("c" direction) electrical resistance of the sheet material sample is measured and the results are presented in the table below.

또한, 본 발명에 따라, 채널 형성된 흑연 시트 샘플의 횡방향 가스 투과성은 가스 투과성 측정 장치용 Gurley Model 4118을 이용하여 측정된다.Also in accordance with the present invention, the transverse gas permeability of the channeled graphite sheet sample is measured using Gurley Model 4118 for gas permeability measurement apparatus.

본 발명에 따라 채널 형성된 가요성 흑연 시트의 샘플은 수직 실린더(3인치 직경 단면)의 바닥 개구(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 유속은 피스톤의 강하에 대한 시간의 함수로서 측정되며 그 결과는 다음 표와 같다.A sample of the channeled flexible graphite sheet according to the invention is placed in the bottom opening (3/8 inch diameter) of the vertical cylinder (3 inch diameter cross section). The cylinder was filled with 300 cc of air, and the weight piston (5 ounces) was set at a predetermined position at the top of the cylinder. The gas flow rate through the channeled sample is measured as a function of time for the piston's drop and the results are shown in the following table.

가요성 흑연 시트Flexible graphite sheet

(0.01 인치 두께; 밀도 = 0.3 gms/cc)(0.01 inch thick; density = 0.3 gms / cc)

채널 없음 No channels 평방 인치당 1600채널 - 상부에서 0.02인치 폭; 바닥에서 0.005인치 폭1600 channels per square inch-0.02 inches wide at the top; 0.005 inch wide from the bottom 평방 인치당 250채널 - 상부에서 0.02인치 폭; 바닥에서 0.007인치 폭250 channels per square inch-0.02 inches wide at the top; 0.007 inch wide from the bottom 횡방향 전기 저항(micro ohms)Transverse Electrical Resistance (micro ohms) 8080 88 0.30.3 확산율-초 Diffusion Rate-Second -- 8 초8 sec 30초30 seconds

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 50:1 내지 150:1인 채널이다.In the present invention, for a flexible graphite sheet having a thickness of 0.003 inches to 0.015 inches adjacent to the channel and a density of 0.5 to 1.5 grams per square centimeter, the preferred channel density is from 1000 to 3000 channels per square inch and the preferred channel size is It is a channel having an area ratio of large channel opening to small channel opening from 50: 1 to 150: 1.

본 발명의 실시에 있어서, 가요성 흑연 시트는 종종 유용하게 수지로서 처리될 수 있으며 흡수된 수지는, 경화후 내습성과 취급 강도, 예컨대 가요성 흑연 시트의 강성도를 강화시킨다. 적절한 수지 함유량은 바람직하게는 20 내지 30 중량%이며, 60 중량%까지가 적절하다.In the practice of the present invention, the flexible graphite sheet can often be usefully treated as a resin and the absorbed resin enhances the moisture resistance and handling strength after curing, such as the rigidity of the flexible graphite sheet. The suitable resin content is preferably 20 to 30% by weight, and up to 60% by weight is appropriate.

본 발명의 제품은 컴퓨터 적용분야의 집적 회로용 전기적 열적 연결 소자로서, 등각 전기 접촉 패드로서, 그리고 제빙 장치의 전기적 활성화 그리드로서 사용될 수 있다.The products of the present invention can be used as electrically thermal connection elements for integrated circuits in computer applications, as conformal electrical contact pads, and as electrically activated grids of ice making devices.

전술한 설명은 본 기술분야의 당업자들이 본 발명을 실시할 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. 본원의 청구범위는 문맥상 특별히 반대의 의미를 명시하지 않는 한, 본 발명에서 의도된 목적에 효과적인 어떠한 장치나 방법에 있어서의 구성요소와 단계들도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. The foregoing description has been described to enable those skilled in the art to practice the invention. It is not intended to limit all possible variations and changes in the matter apparent to those skilled in the art, which appear in the description. However, it is intended that all modifications and changes fall within the scope of the present invention, which is limited by the following claims. It is to be understood that the claims herein include components and steps in any apparatus or method effective for the purposes intended in the present invention, unless the context clearly indicates otherwise.

Claims (20)

한 쌍의 전극들, 및 상기 전극들 사이에 위치된 이온 교환막을 포함하는 막 전극 어셈블리로서, A membrane electrode assembly comprising a pair of electrodes and an ion exchange membrane positioned between the electrodes, 상기 전극들 중 적어도 하나는 팽창된 흑연 입자들로 이루어진 압축체(compressed mass)의 시트로 형성되고 다수의 횡방향 유체 채널들을 가지며 - 상기 다수의 횡방향 유체 채널들은 상기 압축체 시트의 제 1 및 제 2 대향 표면 사이에서 상기 시트를 관통하고, 상기 압축된 팽창 흑연 입자들의 벽들에 의해 분리됨 -, 상기 벽들의 적어도 일부분은 인접한 상기 채널들이 상호 연결될 수 있도록 하고, 상기 대향 표면들 중 하나는 상기 이온 교환막에 인접하는, 막 전극 어셈블리.At least one of the electrodes is formed of a compressed mass sheet of expanded graphite particles and has a plurality of transverse fluid channels-the plurality of transverse fluid channels being the first and the first sheet of the compact sheet. Penetrating the sheet between a second opposing surface, separated by walls of the compressed expanded graphite particles, at least a portion of the walls allowing adjacent channels to be interconnected, one of the opposing surfaces being the ion Membrane electrode assembly, adjacent to the exchange membrane. 제 1 항에 있어서, 상기 횡방향 유체 채널들은 다수의 미리 결정된 지점들에서 상기 시트 내부의 흑연을 변위시키도록 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the transverse fluid channels are formed by mechanically pressing an opposing surface of the sheet to displace graphite within the sheet at a plurality of predetermined points. 제 1 항에 있어서, 상기 벽들의 적어도 일부분에 형성된 그루브들에 의해, 상기 인접 채널들의 적어도 일부분이 상호 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein at least a portion of the adjacent channels can be interconnected by grooves formed in at least a portion of the walls. 제 3 항에 있어서, 상기 상호 연결되는 그루브들은 인접한 상기 채널간에 유체 유동을 가능하게 하도록 인접한 상기 채널들을 분리하는 벽들에서 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.4. The membrane electrode assembly of claim 3, wherein the interconnecting grooves are formed by mechanically pressing an opposing surface of the sheet at walls separating the adjacent channels to enable fluid flow between the adjacent channels. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창된 흑연 입자들의 압축체는 상기 시트의 대향 표면들에 대하여 경사지게 연장되는 상기 채널들에 인접한 팽창된 흑연 입자들에 의해 특징지워지는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.2. The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the compact of expanded graphite particles is characterized by expanded graphite particles adjacent the channels extending obliquely relative to opposing surfaces of the sheet. 제 1 항에 있어서, 상기 시트의 제 2 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들은 평활 흑연 표면에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the channel openings on the second opposing surface of the sheet are surrounded by a smooth graphite surface. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들은 상기 제 2 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들보다 더 큰 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.2. The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the channel openings on the first opposing surface are larger than the channel openings on the second opposing surface. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들은 상기 제 2 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들보다 면적이 50 내지 150배 더 큰 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.8. The membrane electrode assembly of claim 7, wherein the channel openings in the first opposing surface are 50 to 150 times larger in area than the channel openings in the second opposing surface. 제 1 항에 있어서, 평방 인치당 1000 내지 3000 채널들이 상기 시트내에 존재하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein 1000 to 3000 channels per square inch are present in the sheet. 제 1 항에 있어서, 상기 흑연 시트는 상기 채널들 주변에서 0.003인치 내지 0.015인치의 두께를 갖고 입방 센티미터당 0.5 내지 1.5그램의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.The membrane electrode assembly of claim 1, wherein the graphite sheet has a thickness of 0.003 inches to 0.015 inches around the channels and has a density of 0.5 to 1.5 grams per cubic centimeter. 팽창된 흑연 입자들로 이루어진 압축체(compressed mass)의 시트를 포함하고 다수의 횡방향 유체 채널들을 가지며 - 상기 다수의 횡방향 유체 채널들은 상기 압축체 시트의 제 1 및 제 2 대향 표면 사이에서 상기 시트를 관통하며, 상기 압축된 팽창 흑연 입자들의 벽들에 의해 분리됨 -, 상기 벽들의 적어도 일부분은 인접한 상기 채널들이 상호 연결될 수 있도록 하는, 흑연 제품.A compressed mass sheet of expanded graphite particles and having a plurality of transverse fluid channels, the plurality of transverse fluid channels being interposed between the first and second opposing surfaces of the compact sheet. Penetrating a sheet, separated by walls of the compressed expanded graphite particles, at least a portion of the walls allowing adjacent channels to be interconnected. 제 11 항에 있어서, 상기 횡방향 유체 채널들은 다수의 미리 결정된 지점들에서 상기 시트 내부의 흑연을 변위시키도록 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite article of claim 11 wherein the transverse fluid channels are formed by mechanically pressing an opposing surface of the sheet to displace the graphite within the sheet at a plurality of predetermined points. 제 11 항에 있어서, 상기 벽들의 적어도 일부분에 형성된 그루브들에 의해, 인접한 상기 채널들의 적어도 일부분이 상호 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite article of claim 11, wherein at least a portion of the adjacent channels can be interconnected by grooves formed in at least a portion of the walls. 제 13 항에 있어서, 상기 상호 연결되는 그루브들은 인접한 상기 채널들간에 유체 유동을 가능하게 하도록 인접한 상기 채널들을 분리하는 벽들에서 상기 시트의 대향 표면을 기계적으로 가압함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.14. The graphite article of claim 13 wherein the interconnecting grooves are formed by mechanically pressing an opposing surface of the sheet at walls separating the adjacent channels to enable fluid flow between the adjacent channels. 제 11 항에 있어서, 상기 팽창된 흑연 입자들의 압축체는 상기 시트의 대향 표면들에 대하여 경사지게 연장되는 상기 채널들에 인접한 팽창된 흑연 입자들에 의하여 특징지워지는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite article of claim 11 wherein the compact of expanded graphite particles is characterized by expanded graphite particles adjacent the channels extending obliquely with respect to opposite surfaces of the sheet. 제 11 항에 있어서, 상기 시트의 제 2 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들은 평활 흑연 표면에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite article of claim 11 wherein the channel openings at the second opposing surface of the sheet are surrounded by a smooth graphite surface. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들은 상기 제 2 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들보다 더 큰 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite article of claim 11 wherein the channel openings at the first opposing surface are larger than the channel openings at the second opposing surface. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들은 상기 제 2 대향 표면에 있는 상기 채널 개구들보다 면적이 50 내지 150배 더 큰 것을 특징으로 하는 흑연 제품.18. The graphite article of claim 17 wherein the channel openings on the first opposing surface are 50 to 150 times larger in area than the channel openings on the second opposing surface. 제 11 항에 있어서, 평방 인치당 1000 내지 3000 채널들이 상기 시트내에 존재하는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite product of claim 11, wherein 1000 to 3000 channels per square inch are present in the sheet. 제 11 항에 있어서, 상기 흑연 시트는 상기 채널들 주변에서 0.003인치 내지 0.015인치의 두께를 갖고 입방 센티미터당 0.5 내지 1.5그램의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 흑연 제품.12. The graphite product of claim 11, wherein the graphite sheet has a thickness of 0.003 inches to 0.015 inches around the channels and a density of 0.5 to 1.5 grams per cubic centimeter.
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