[发明专利]使用石墨制造亲水性制品的方法

说明书

技术领域

本发明涉及亲水性制品的制造。特别的，本发明涉及使用石墨作 为亲水性制品润湿性的提供源。

背景技术

很多情况下需要用到亲水性制品。一个实例是在燃料电池领域中。 大部分燃料电池组(fuel cell arrangements)包括水传输板，其是以一种 公知的方式来控制燃料电池组件中的水流，空气流和燃料流。传统的， 水传输板包括多孔的，亲水性流场，该流场包括使流体按照期望的方 式流动的流道。许多这种流场包括石墨、树脂和润湿性成分。例如， 公知以金属氧化物后处理来处理多孔石墨板使之具有润湿性。还公知 加入金属氧化物作为制造水传输板的成分之一。另外一个例子包括加 入亲水性碳黑。在大部分的例子中，润湿性成分是作为一个单独的成 分加入到包含树脂的混合物中，使得树脂在适当的位置结合润湿性成 分。使用传统的方法，对石墨本身没有效果。

US 5,942,347显示了一种示范性技术，其中一种多孔双极分离板 具有至少一种导电材料，至少一种树脂和至少一种亲水剂。这些成分 中的每一个基本上均匀分布于该文件的分离板中。该文件中的亲水剂 选自材料如Ti、Al和Si的氧化物和其混合物。这种方法至少有两个 难点。首先，如该专利建议的均匀分布各种材料是很困难的。其次， 因为该氧化物是电介的(dielectric)，使用所述类型的亲水剂或润湿剂 会增加这种分离板的电阻，而这是不希望的。因此，不增加电阻而达 到如该文件建议的均匀分布是很困难的。

因为石墨一般是疏水的，所以需要经过润湿处理或添加剂。在没 有润湿剂或处理时，传统的石墨基水传输板是疏水的，不适合其期望 的应用。石墨粒子包括这样的碳原子，其排列方式通常提供相对低的 表面能，使得石墨粒子基本上是疏水的。石墨晶体中的碳原子排列成 多个通常平行的平面。平面内碳原子间的键非常强。与如此平面(即 基础面表面)排列对齐的石墨粒子表面具有相对低的表面能。

期望的是提供一种改进的方法来制备亲水性制品如水传输板。例 如，将有用的是通过采用不同的方法使得制造过程复杂性降低并且减 少成本，所述方法不包括传统的润湿添加剂或润湿增强剂。本发明解 决了这种需要。

发明概述

制造亲水性制品的一种示范性的方法包括通过包括多个(a plurality of)具有在足以使制品亲水的范围内的润湿率(wettability ratio) 的石墨粒子而形成制品的亲水性，所述润湿率为亲水表面面积与总表 面面积之比。

在一个例子中，润湿率大于约0.10。在另一个例子中，润湿率大 于约0.18。

制造亲水性制品的另外一种示范性的方法包括使用多个石墨粒 子，其各自具有至少一个亲水表面，形成各个所述粒子的总表面面积 的至少约10％，从而形成所述制品的亲水性。

在一个例子中，石墨粒子上的棱状(prismatic)表面是亲水性的并且 用作主要的(primary)亲水表面，用于为所述粒子形成总表面面积的希 望的亲水性百分比。一种这样的例子包括通常球形的石墨粒子。另一 个实例包括膨胀石墨(expanded graphite)。在另一个例子中，改性的基 础表面是至少部分亲水的并且构成所述粒子的总表面面积的亲水百 分比的一部分。一种这样的例子包括预处理的石墨，其具有改变的基 础表面，使得该表面至少部分可润湿。

包括具有根据各个上述例子的表面特性的石墨粒子为至少那些石 墨粒子引入了足够高的表面能，即所得到的制品具有足够的亲水性而 被认为是亲水的。使用这些石墨粒子的一个优点包括获得所需的亲水 性制品，其中无需加入润湿增强剂或润湿剂。这提供了如下优点：简 化生产工艺和削减开支，例如通过减少所需要的材料数目。

根据以下的发明详述，本发明的多种特征和优点对本领域技术人 员来说是很明显的。可简要地描述附于发明详述的附图，如下。

附图简述

图1示意性地举例说明了包括根据本发明实施方案设计的亲水结 构的示范性水传输板组件。

图2A示意性地显示了示范性石墨粒子的晶体结构的特征。

图2B示意性地显示了图2A的晶体结构的另一视图。

图3示意性地举例说明了一种示范性生产工艺过程。

图4示意性地举例说明了由图3的示范性生产工艺制得的示范性 制品的一部分。

发明详述