KR20060008981A - 친액성 연료 전지 성분 - Google Patents

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찰스 더블유. 엑스트란드
산지브 엠. 브하트
록시 몬손
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엔테그리스, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 성분 상의 액체가 비교적 평평한 방울 또는 시트로 표면에 밀접하게 부착되도록 친액성이 개선된 표면을 갖는 연료 전지 성분에 관한 것이다. 친액성 표면은 성분 표면 상의 본질적으로 친액성은 중합체의 박층을 의해 형성될 수 있다. 친액성 표면을 성분의 중요 영역 상에, 예컨대 양극판 및 막 전극 어셈블리의 유동 채널 벽 표면 상에 선택적으로 제공하여, 연료 전지의 운전 동안 유동 채널의 액체 막힘(blocking)을 억제할 수 있다.
유동 채널, 연료 전지, 친액성 표면

Description

친액성 연료 전지 성분 {Lyophilic Fuel Cell Component}
본 출원은 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 2003년 5월 5일자 출원된 미국 가출원 번호 제60/468,213호를 우선권 주장한다.
본 발명은 연료 전지에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 친액성 표면을 갖는 연료 전지 성분에 관한 것이다.
연료 전지 기술은 화석 연료 연소 엔진 및 버너와 연관된 환경 및 장기간 연료 공급 문제로 인해 상당히 최근에 연구 및 개발 활동의 주제가 되었다. 연료 전지 기술은 대체로 차량에 사용이 가능하도록 충분히 소형이고 경량인 보다 청정한 에너지 공급원을 보장한다. 또한, 정지형 연료 전지는 먼 거리로의 에너지 전달(transmission)과 연관된 비효율성이 크게 감소되도록 에너지 사용 지점에 가깝게 위치할 수 있다.
여러가지 상이한 반응물 및 물질이 연료 전지에 사용될 수 있지만, 모든 연료 전지는 일반적으로 전해질에 의해 분리된 애노드 및 대향하는 캐쏘드를 갖는다. 애노드 및 캐쏘드는 일반적으로 공극 또는 채널이 있어서 반응물이 그들 중 하나, 일반적으로는 애노드를 통해 전지 내로 도입되고, 산화제는 다른 곳, 일반적으로는 캐쏘드를 통해 도입될 수 있다. 반응물은 전지 내에서 산화되어 부산물로서의 물 및 열과 함께 직류 전기를 생성한다. 각 전지는 일반적으로 약 1 볼트의 전위차를 생성하지만, 임의의 목적하는 전위차 값을 제공하는 연료 전지 스택(stack)을 생성하기 위해 임의의 수의 전지들을 직렬로 연결하고 격리판으로 분리할 수 있다.
최신 연료 전지 설계에서는, 기체 확산 층이 있는 중합체 전해질 막일 수 있는 막 전극 어셈블리에 흔히 애노드, 캐쏘드 및 전해질을 조합하고, "양극판(bipolar plate)"에 흔히 격리판 및 집전기를 조합한다. 이 양극판은 에너지 전환 반응을 위한 출발 물질과 반응물, 산화제 및 냉각제 흐름을 위한 유동 채널을 구분짓는다. 연료 전지 설계 및 운전에 관한 세부사항은, 2004년 4월 30일자로 출원된 영문 명칭 "FUEL CELL COMPONENT WITH LYOPHILIC SURFACE"의 동시계류 미국 특허 출원 제 호에 부록 A로서 첨부되어 있는 문헌 ["Fuel Cell Handbook, 5th Edition", published by the U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, October, 2000]에 추가로 설명되어 있으며, 상기 부록 A를 포함하는 출원은 그 전문이 본원에 참고로 인용된다. 막 전극 어셈블리 및 양극판을 비롯한 다양한 연료 전지 성분은 미국 특허 제4,988,583호, 제5,733,678호, 제5,798,188호, 제5,858,569호, 제6,071,635호, 제6,251,308호, 제6,436,568호 및 미국 특허 출원 공개 번호 제2002/0155333호에 추가로 기술되어 있으며, 이들 각 문헌은 그 전문이 본원에 참고로 인용된다.
연료 전지의 설계에서 지속되는 도전은 전지 내의 물 및 다른 액체를 관리하 는 것이다. 일부 조건하에서, 물은 전지 내의 반응에 의해 매우 신속하게 발생된다. 이 물은 일반적으로 전지의 캐쏘드측에서 생성되며, 축적되도록 방치할 경우 전지 내로의 연료 흐름을 제한하거나 막을 수 있다. 그러한 상태는 당업계에 "캐쏘드 플러딩(cathode flooding)"으로 알려져 있다. 또한, 전지 내의 공기(atmosphere)를 포함하는 기체는 흔히 반응 부산물로서 형성되거나 운전상의 이유로 전지에 고의로 도입된 상당량의 수증기를 보유한다. 전지와 주변 환경간의 온도차는 수증기 함유 기체가 전지 운전시 전지 내외부로 이동할 때 캐쏘드 또는 애노드 유동 채널 내의 표면, 플랜트 성분의 나머지 부분 또는 전지 내의 다른 표면상에서 상기 수증기의 응축이 발생하게 할 수 있다. 또한, 직접 메탄올 연료 전지의 경우를 예로 들면, 반응물 또는 산화제 물질 중 하나 이상은 액체 형태일 수 있다.
양극판의 구성 물질은 다양할 수 있지만, 중합체 결합제 중의 탄소 미립자가 점점 더 많이 선택되는 재료가 되고 있다. 결합제에 적합한 통상의 구조 중합체는 전형적으로 어느 정도 소액성(lyophobic)이다. 소액성 표면상에 응축하는 액체는 접촉각이 비교적 높은 방울을 형성하기 쉬울 것이다. 따라서, 양극판에 중합체를 사용할 경우, 물 또는 다른 액체가 유동 채널 내부의 양극판 상에 꽉찬 방울로 수집되어, 상기한 것 같은 유동 채널의 막힘 또는 제한이 유발되는 경향이 있다.
일반적으로, 물과 같은 극성 액체에 대한 중합체의 친액성은 중합체의 표면상에 극성기를 도입함으로써 개선된다고 알려져 있다. 본원에 사용되는 극성 기는 예를 들어 쌍극자 또는 유도 쌍극자 상호작용, 산-염기 상호작용, 수소 결합, 이온 상호작용 또는 정전하 상호작용에 의해 생성될 수 있는, 물 또는 다른 극성 액체에 대해 친화성을 갖는 화학적 잔기를 가리킨다. 이들 극성 기는 일반적으로 비교적 음전하를 띄는 원소, 예컨대, 산소, 질소, 염소 또는 황을 함유하고, 히드록시드, 에테르, 에스테르, 카르보닐, 카르복실, 아민, 아미드, 할라이드, 술포닐 또는 술포네이트의 형태를 취할 수 있다.
성분 표면상에 극성 기를 도입함으로써 습윤성이 개선된 표면을 갖는 중합체 연료 전지 성분을 개발하는 것이 종래가 시도되었다. 한 종래 방법에서는, 성분의 표면을 내우 높은 온도에 노출시켜 산화시킨다. 그러나 이러한 고온 공정에 사용가능한 물질은 필연적으로 매우 높은 온도에서 분자 구조의 파괴에 저항하고 구조적 통합성을 유지할 수 있는 것으로 제한된다. 또한, 표면을 가열하고 냉각시켜야 하므로, 제조 공정이 복잡해지고 지연되며 비용이 높아진다. 따라서, 양극판 및 다른 연료 전지 성분의 대량 생산에 그러한 공정을 사용하는 데에는 문제가 있다.
다른 방법에서는, 성분의 표면을 진한 황산으로 처리하였다. 이 방법으로부터의 화학적 잔류물은 연료 전지를 알맞게 운전시키는데에 해가 된다. 처리 후의 오염물을 제거하기 위해 필요한 복잡하고 비용이 높은 절차는 역시 제조 공정을 복잡하게 하고 지연시키며 제조 비용이 높아지게 한다.
당업계에 필요한 것은 습윤성이 개선된, 값싸고 대량 생산이 용이한 중합체 연료 전지 성분이다.
발명의 요약
본 발명은 습윤성이 개선된 값싸고 대량 생산이 용이한 중합체 연료 전지 성 분에 대한 당업계의 요구를 충족시킨다. 본 발명의 한 실시양태에서, 연료 전지 성분 부재는 중합체 물질로 형성된다. 성분 부재 표면의 적어도 일부를 저온 플라스마에 노출시켜 노출된 표면의 친액성을 증가시킨다. 그 결과, 성분 상의 액체가 비교적 평평한 방울 또는 시트로 표면에 밀접하게 부착되도록 친액성이 개선된 표면을 갖는 연료 전지 성분이 얻어진다. 이러한 표면을 성분의 중요 영역상에, 예를 들면, 양극판 및 막 전극 어셈블리의 유동 채널 벽 표면상에 선택적으로 제공함으로써, 연료 전지의 운전 동안 유동 채널의 액체 막힘을 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 성분 표면을 오존 또는 산소의 존재하에 자외선광으로 처리하여 친액성이 향상된 표면을 생성할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에서, 폴리비닐 알콜과 같이 본질적으로 친수성인 중합체의 박층을 성분 표면에 도포하여 친액성 표면을 제공할 수 있다. 박층은 플라스마 중합법, 필름 삽입 성형(insert molding), 압축 성형 또는 임의의 다른 적합한 방법으로 도포할 수 있다.
상기 임의의 방법에서, 친액성 처리제는 성분에서 개선된 친액성이 요망되는 표면에만 표적화할 수 있다. 별법으로, 친액성이 필요하지 않거나 요망되지 않는 곳에서 중합체 처리제의 일부를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 양극판을 갖는 연료 전지 스택 장치의 단순화된 단면도이다.
도 2는 장치 내에 하나의 유동 채널을 도시하는, 도 1의 연료 전지 스택 장 치의 확대 부분도이다.
도 3은 저온 플라스마 처리 장치의 단순화된 개략도이다.
도 4는 양극판 및 다른 연료 전지 성분에 적합한 중합체를 나타내는 표이다.
도 5는 중합체 연료 전지 성분의 전도성을 변형시키기 위한 충전제 물질을 나타내는 표이다.
도 6은 자외선광 처리 장치의 단순화된 개략도이다.
도 7은 친액성 중합체 층이 위헤 있는 성분 부재를 도시하는 연료 전지 성분의 단면도이다.
도 8은 플라스마 중합 처리 장치의 단순화된 개략도이다.
본 출원의 목적을 위해, 용어 "연료 전지"는 양성자 교환 막 연료 전지 (PEMFC), 알칼리 연료 전지 (AFC), 인산 연료 전지 (PAFC), 용융 카르보네이트 연료 전지 (MCFC), 및 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)를 포함하나 이에 한정되지는 않는 임의의 종류의 임의의 전기화학적 연료 전지 디바이스 또는 장치를 의미한다. 용어 "연료 전지 스택 장치"는 최소한 연료 전지 및 그의 어느 한 성분 또는 모든 성분을, 인클로저(enclosure), 절연재, 다기관, 파이프 및 전기소자를 포함하나 이에 한정되지는 않는, 연료 전지의 기능에 관련된 어느 한 성분 또는 모든 성분과 함께 포함하는 장치를 가리킨다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택 장치 (10)의 실시양태의 일부를 도 1의 단순화된 단면으로 도시했다. 연료 전지 스택 장치 (10)은 일반적으로 양극판(14)에 의해 분리된 막 전극 어셈블리 (12)를 포함한다. 장치 (10)은 각 말단에 말단 판 (16) 형태의 단일면 양극판을 함유한다. 각 막 전극 어셈블리 (12)는 일반적으로 애노드 막 구조체 (18), 캐쏘드 막 구조체 (20) 및 전해질 (22)를 포함한다.
판 (14, 16)은 일반적으로, 전기 전도성이고 부식 및 열에 내성을 갖는 물질, 예컨대 탄소 충전 중합체로부터 제조된 판 부재 (23, 25)를 포함한다. 판 (14)의 표면 (24) 및 판 (16)의 내향 표면 (26)은 전형적으로 반응물 및 산화제를 막 전극 어셈블리 (12)로 이송하고 물을 배수시키기 위한 유동 채널 (28)을 갖는다. 판 (14) 및 판 (16)의 열 전달 부분 (30)은 전지로부터의 열을 제거하기 위한 추가의 표면적을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 판 (14) 또는 판 (16)의 외부 표면의 모든 부분 또는 임의의 원하는 부분이 친액성 표면 (31)일 수 있다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 유동 채널 (28)에서의 플러딩(flooding)을 억제하기 위해 유동 채널 (28)의 내향 표면 (32)상에 친액성 표면 (31)을 제공할 수 있다. 반응 과정 동안에 발생되는 물방울은 친액성 표면 (31)상의 유동 채널 벽 (33)에 비교적 평평한 방울 또는 시트로 부착하여 유동 채널 (28)이 개방된 상태를 유지할 수 있게 할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 양극판 (14) 또는 말단 판 (16)의 다른 부분, 예를 들면, 열 전달 부분 (30) 및 외부 표면 (34)에도 친액성 표면 (31)을 제공하여, 이들 표면상에 수집되거나 응축되는 물의 배수를 개선할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 연료 전지 스택 어셈블리의 다른 성분, 예를 들면, 기체 확산 층, 양성자 교환 막 (PEM), 또는 플랜드 성분의 나머지 부분에도 친액성 표면 (31)을 제공하여, 전지 내의 유체 관리를 개선할 수 있다.
본 발명의 제1 실시양태에서, 양극판 (14, 16)일 수 있는 연료 전지 성분 (36)은 "저온" 플라스마로 처리된 표면 (39)를 갖는 성분 부재 (37)를 갖는다. 플라스마는 이온, 전자, 라디칼, 원자 및(또는) 다른 중성 입자들로 구성된 이온화된 기체이다. 본원에 사용되는 저온 플라스마라는 용어는 감압하에, 일반적으로는 약 10 torr 이하의 기상 환경에서 글로 방전(glow discharge)에 의해 발생되는 플라스마를 가리킨다. 기상 이온 및 분자들은 주변 온도를 유지하지만, 전자들은 수만 켈빈(K)의 전자 온도에 도달한다. 플라스마의 전자 온도 (Te)는 하기 관계식에 따라 측정할 수 있다.
Figure 112005063523996-PCT00001
상기 식에서, e는 전하, k는 볼츠만 상수, E는 전기장, λe는 전자의 평균 자유 행로, mm은 플라스마 중의 중성 원자 및 분자들의 질량, me은 플라스마 중의 전자의 질량이다. 저온 플라스마에서는, 비록 활발하기는 하지만, 전자는 플라스마 내의 이온 및 중성 원자의 열 질량의 매우 작은 분율만을 차지한다. 그 결과, 플라스마는 비교적 저온, 일반적으로 약 300 K (23℃)를 유지한다.
글로 방전은 전극에 500 내지 수천 볼트의 저주파 (예컨대, 60 Hz) 전위차를 인가함으로써 발생시킬 수 있다. 글로 방전은 기체 중에 고주파 진동을 도입함으로서 발생시킬 수도 있다. 이들 고주파 진동은 스파크 갭 발생기(spark gap generator) (10 kHz 내지 50 kHz), 무선 주파수 (RF) 발생기 (50 kHz 내지 150 MHz) 또는 마이크로파 발생기 (150 MHz 내지 300 GHz)에 의해 공급할 수 있다. 저온 플라스마 처리 및 그의 표면 효과에 대한 추가의 세부사항은 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 문헌 [Souheng Wu entitled "Polymer Interface and Adhesion", Marcel Dekker, Inc., New York, New Yorkm, 1982, at pages 298-336]에 일반적으로 논의되어 있다. 중합체 물질의 친수성을 개선하기 위한 저온 플라스마 처리를 위한 다양한 방법은 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 제3,526,583호, 제3,870,610호, 제4,072,796호, 제4,188,426호 및 제5,314,539호에 기재되어 있다.
플라스마 처리 장치 (100)의 한 실시양태의 단순화된 개략도를 도 3에 제공하였다. 플라스마 처리 장치 (100)은 일반적으로 밀폐(hermertic) 챔버 (102), 진공원 (104), 전자기 에너지 발생기 (106) 및 공정 기체 공급 시스템 (108)을 포함한다. 상기 기술한 바와 같이 RF 또는 마이크로파 발생기일 수 있는 전자기 에너지 발생기 (106)은 챔버 (102)의 일부를 둘러싸는 유도 코일 (110)과 커플링된다. 진공원 (104)는 챔버 (102)에 충분한 진공, 일반적으로 10 torr 이하, 보다 바람직하게는 1 torr 이하의 진공을 생성할 수 있는 임의의 적합한 진공원일 수 있다. 공정 기체 공급 시스템 (108)은 일반적으로 관 (114) 및 유동 제어기 (116)을 통해 챔버 (102)와 연결된 기체 공급원 (112)을 포함한다.
일반적으로 본 발명의 실시양태에 따르면, 연료 전지 성분 (36)을 플라스마 처리 장치 (100)의 챔버 (102)에 넣는다. 진공원 (104)를 사용하여 챔버 (102)를 소정의 진공 압력 (기저 압력)이 되도록 펌핑한다. 기저 압력에 도달하면, 기체 공급원 (112)로부터의 공정 기체를 챔버 (102)로 도입한다. 유동 제어기 (116)을 조정하여 챔버 (102)의 압력을 요망되는 공정 압력, 일반적으로 약 10 torr 미만에서 안정화시킨다. 이어서, 전자기 에너지 발생기 (106)을 작동시켜 챔버 (102)에 저온 플라스마를 생성한다. 적합한 길이의 시간 동안 처리를 수행한 후, 전자기 에너지를 차단하여 플라스마를 소멸시킨다. 이어서, 챔버를 대기압으로 회복시키고, 처리된 연료 전지 성분 (36)를 꺼낸다.
본 발명에 적합한 것으로 밝혀진 시판되는 한 플라스마 처리 장치는 미국 켄터키주 에를랜저의 플라스마테크, 인크.(Plasmatech, Inc.)에서 제작한 플라스마테크 모델 V55이다. 저온 플라스마를 생성하여 연료 전지 성분과 접촉된 상태로 유지시킬 수 있는 임의의 다른 적합한 플라스마 처리 장치를 또한 본 발명의 범위 내에서 사용할 수 있다.
본 발명의 한 특정 실시양태에서, 양극판 (14, 16)은 전기 전도성을 위해, 흑연, 또는 카본 블랙과 같은 다른 전도성 탄소와 배합된 열경화성 비닐 에스테르 (즉, 폴리에스테르)로부터 형성된다. 양극판을 위한 전기 전도성 흑연 충전 비닐 에스테르 물질은 미국 60185 일리노이주 웨스트 시카고 포위스 코트 1600의 벌크 몰딩 콤파운즈, 인크.(Bulk Molding Compounds, Inc.)로부터 "BMC-940"이라는 명칭으로 시판된다. 양극판 (14,16)은 본 발명의 소유권자와 공동 소유되고, 그 전문이 본원에 참고로 인용되는, 본 출원과 동시계류 중인 영문 명칭 "EXTRUDABLE BIPOLAR PLATES"의 미국 특허 출원 제 호에 개시된 압출 방법을 비롯한 임의의 적합한 방법으로 형성할 수 있다. 형성된 후, 양극판 (14,16)을 상기한 플라스마 처리 장치 (100)에서 순수한 산소를 공정 기체로 사용하여 처리한다. 챔버 (102)를 약 0.1 torr의 기저 압력이 되기까지 펌핑한다. 산소를 약 300 ㎖/분의 속도 및 약 1 torr로 안정화된 공정 압력으로 챔버 (102)에 도입할 수 있다. 전자기 에너지는 챔버 (102)에서 글로 방전에 의해 저온 플라스마가 형성되기에 충분한 양으로 인가할 수 있다. 적합한 시간 동안, 일반적으로 약 30 초 내지 약 1 시간 동안, 일부 실시양태의 경우 적합하게는 15 내지 30 분 동안 처리한 후, 전자기 에너지를 차단하고 챔버를 대기압으로 가져간다.
일반적으로, 양극판 (14, 16)의 표면의 습윤성의 정도는 저온 플라스마에 대한 노출 시간을 증가시킴에 따라 증가한다. 약 1 분 동안 처리한 후, 표면은 표면상에 놓인 고착된 물방울에 대해 약 25 내지 40도의 접촉각을 나타낸다. 1 시간 처리한 후, 표면은 물방울에 대해 거의 0의 접촉각을 나타낼 수 있다.
가공 결과를 변경시키기 위해 다른 수치의 공정 기체 압력 및 흐름을 사용할 수 있다는 것은 자명할 것이다. 더욱이, 산소가 현재 가장 바람직한 공정 기체이지만, 다른 적합한 기체 및 증기를 공정에 사용할 수 있다는 것은 자명하다. 상응하는 표면 개질을 제공하도록 상이한 공정 기체를 선택할 수 있다. 다른 적합한 기체 및 증기로는 예를 들어 공기, 질소, 아르곤, 알킬아민, 알킬실란, 암모니아, 이산화탄소, 염소, 이산화염소, 클로로플루오로카본, 예컨대 클로로트리플루오로메탄, 클로로히드로카본, 예컨대, 클로로포름, 메틸 클로라이드 및 에틸 클로라이드, 산화질소, 오존, 수증기, 알콕시실란, 알릴 알콜, 사염화탄소, 에틸렌 글리콜, 모노메틸 에테르, 에틸렌 옥시드, 일산화탄소, 니트로알칸, 질소, 이산화질소 및 산화황이 포함될 수 있다.
상기 예에서는 열경화성 비닐 에스테르 물질을 사용하였지만, 본 발명의 방법을 사용하여, 물질 표면에 극성 기를 형성할 수 있는 본질적으로 임의의 조성을 갖는 중합체 양극판 (14,16) 및 다른 연료 전지 성분을 처리할 수 있음은 자명하다. 양극판 및 다른 연료 전지 성분을 형성하는데 적합한 다른 중합체 물질의 일부 목록을 도 4에 제공하였다. 이들 물질의 전도성은 충전제 물질을 포함시킴으로써 변형시킬 수 있고, 그의 일부 목록을 도 5의 표에 제공하였다.
저온 플라스마 처리제는 성분 (36)의 외부 표면에서 친액성 표면이 요망되는 부분에만 선택적으로 표적화될 수 있음은 자명할 것이다. 일 실시양태에서, 제거가능한 마스크(mask)를 성분 (36)의 표면에서 플라스마 처리되지 않을 부분 위에 덮는다. 처리 후, 마스크를 제거하여 미처리 부분을 노출시킨다. 다른 실시양태에서, 성분 (36)의 전체 표면을 처리하고, 처리된 표면이 요망되지 않는 부분에서 처리된 표면을 물리적으로 제거할 수도 있다. 일반적으로 처리된 표면은 약 10 nm 내지 100 nm 두께 범위의 박층이다. 결과적으로, 정밀 연마 및 분쇄(milling) 장치, 예컨대 CNC 밀(mill)을 비롯하여, 상기 두께의 중합체 층을 밑에 놓인 기판을 과도하게 손상시키지 않으면서 제거할 수 있는 임의의 물리적 제거 수단이 본 발명에 사용하기 적합하다는 것이 예상된다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 성분 (36)의 선택된 부분을 대기압 저온 플라스마 처리 장치로 처리할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합할 수 있는 대기압 저온 플라스마 처리 장치는 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 제6,502,558호에 기재되어 있다. 성분 (36)의 선택된 부분이 대기압에서 플라스마 처리되는 것을 가능하케 할 수 있는 또 다른 플라스마 처리 장치는 역시 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 5,693,241호에 기재되어 있다.
상기한 처리 공정은 저온 공정이기 때문에, 이들은 종래에 사용된 공정에 비해 현저한 이점을 제공한다. 처리제 가열 및 냉각 시간을 실질적으로 없앨 수 있어, 가속화되고 보다 효율적인 제작 공정이 된다. 또한, 그의 저온으로 인해, 이들 공정은 성분의 현저한 치수 변형을 유발하지 않는다. 또한, 처리 공정 중의 화학 작용제의 부재는 양극 연료 성분에 필요한 후속 처리제 세정의 양을 감소시켜 효율을 더욱 향상시키고 비용을 낮춘다. 또한, 상기한 바와 같은 저온 플라스마 처리제 공정은 일반적으로 전도성 충전제를 갖는 중합체 연료 전지 성분 (34)의 전도성을 증가시키며, 이는 양극판과 같은 특정 연료 전지 성분에 유익하다.
중합체 연료 전지 성분 표면의 친액성 개선은 표면을 자외선(UV)광으로 처리하여 달성할 수도 있다. 일부 실시양태에서, 성분을 산소에 노출시키고, 파장이 약 184.7 nm인 UV 방사선을 비롯한 고에너지 UV 방사선으로 조사한다. UV 방사선은 산소와 상호작용하여, 오존 및 산소 라디칼을 생성하고, 이것이 중합체 성분의 표면을 산화시킨다. 다른 실시양태에서, 성분을 오존에 노출시키고, 파장이 약 254 nm인 UV 방사선을 비롯한 UV 방사선으로 조사한다. UV 방사선은 오존을 분자 및 원자 산소로 해리시킴으로써, 중합체 성분의 표면을 산화시키는 공격적인 산화성 환경을 만든다. 또한, 이들 각 실시양태에서 성분의 중합체 표면에 대한 직접적인 UV 조사는 중합체 중의 결합을 파단시킬 수 있어, 표면을 산화성 환경에 노출시킬 때 고극성인 히드록실기, 카르보닐기 또는 카르복실기가 형성되고, 이것에 의해 표면의 친액성이 개선된다. 파장이 약 140 nm 내지 약 400 nm 범위, 또는 보다 바람직하게는 약 184 nm 내지 약 365 nm 범위의 고에너지 UV 방사선이 가장 효과적일 수 있다.
본 발명을 실시하는데 적합할 수 있는 자외선 처리 장치 (200)을 도 6에 단순화된 개략도의 형태로 도시하였다. 자외선 처리 장치 (220)은 일반적으로 밀폐 챔버 (202), UV 광원 (204), 진공원 (206) 및 공정 기체 공급 시스템 (208)을 포함한다. 챔버 (202)는 바람직하게는 UV 저항성 물질로 제조된다.
UV 광원 (204)는 크세논, 수은 증기, 또는 요망되는 파장의 UV 방사선을 방출할 수 있는 다른 램프일 수 있다. 254 nm 및 184.7 nm의 고에너지 UV를 생성하는 램프가 UV 광원 (204)으로 바람직하다. UV 광원 (204)로서 사용하기 적합할 수 있는 특정 램프에는 미국 01801 매사추세츠주 워버언 카머어스 웨이 20의 제논 코포레이션(Xenon Corporation)에서 시판되는, 타입 C, D 또는 E 램프가 장착된 RC-500, RC-600, RC-742, RC-747 및 RC-1002 모델 크세논 램프 시스템이 포함된다. UV 광원 (204) 및 성분 (36)을, 바람직하게는 UV 광원 (204)가 활성화될 때 성분 (36)의 표면에 150 mJ/㎠ 내지 300 mJ/㎠의 UV 방사선이 생성되도록 챔버 (202)에 위치시킨다. 성분 (36)의 다수의 표면 부분을 동시에 UV 조사할 수 있도록 챔버 (202)의 둘레에 다수의 UV 광원 (204)를 위치시킬 수 있음은 자명할 것이다.
진공원 (206)은 밀폐 챔버 (202) 내에 충분한 진공, 일반적으로 10 torr 이하, 보다 바람직하게는 1 torr 이하의 진공을 생성할 수 있는 임의의 적합한 진공원이다. 공정 기체 공급 시스템 (208)은 일반적으로 관 (212) 및 유동 제어기 (214)를 통해 챔버 (202)에 연결된 기체 공급원 (210)을 포함한다. 공정 기체 공급 시스템 (208)에 의해 공급되는 공정 기체는 오존, 분자 및 원자 산소, 또는 다른 적합한 산화제, 예컨대 이산화황, 산화질소 또는 이산화질소일 수 있다.
본 발명의 한 특정한 실시양태에서, 연료 전지 성분 (36)을 밀폐 챔버 (202)에 넣는다. 챔버 (202)가 적합한 기저 압력, 일반적으로는 약 0.0001 내지 20 torr 및 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 1 torr의 압력으로 비워지기까지 진공원 (206)을 작동시킨다. 다음 단계로, 공정 기체 공급 시스템 (208)을 통해 오존을 챔버 (202)로 도입하고, 챔버 (202)의 기체 압력을 기저 압력이거나 그에 가까울 수 있는 공정 압력에서 안정화시킨다. 이어서, UV 광원 (204)를 켜서 오존과 성분 (36)을 조사한다. 30 초 내지 1 시간 동안 상기 처리를 지속하는 것이 성분 (36)의 표면의 습윤성을 개선하는데에 효과적일 수 있음이 예상된다. 오존을 대신한 공정 기체로서, 분자 또는 원자 산소, 및 184.7 nm의 파장을 갖는 UV 방사선에 의해 동일계내(in situ) 생성된 오존을 공정 기체로서 사용할 수 있다.
본 발명에 사용하기 적합할 수 있는 UV 처리 공정의 추가 세부사항은 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 문헌 [Bhurke, et al. entitled "Ultraviolet Light Surface Treatment of Polymers and Composites to Improve Adhesion", included in the Proceedings of the 26th Annual Meeting of the Adhesion Society, Inc., held February 23-26, 2003, published in 2003 by the Adhesion Society, Inc. and identified as ISSN 1086-9506]에 기재되어 있다. UV/오존 처리 공정에 대한 추가의 일반적인 정보는 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 문헌 [John R. Vig entitled "UV/Ozone Cleaning of Surfaces", J. Vac, Sci. Technol., May/June 1985, pages 1027-1034]에서 찾아볼 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 연료 전지 성분 (36)의 표면 습윤성은 본질적으로 친액성인 중합체, 예컨대, 폴리비닐 알콜 (PVOH)의 박층 (38)을 표면에 도포함으로써 향상시킬 수 있음이 또한 예상된다. 층 (38)로서 적합할 수 있는 다른 친액성 중합체로는 폴리알킬렌 글리콜, 예컨대 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜; 셀룰로오스 및 관능화 셀룰로오스 화합물, 예컨대 히드록실에틸 셀룰로오스; 폴리아크릴로니트릴; 폴리아크릴아미드; 폴리비닐아미드; 폴리비닐사카라이드; 폴리아미노아크릴레이트; 폴리히드록시알킬 아크릴레이트, 예컨대 2-히드록시에틸 메타크릴레이트; 폴리아크릴산; 폴리아크릴산 염; 및 관능화된 스티렌 이오노머, 예컨대 폴리(나트륨 스티렌 술포네이트)가 포함된다. 층 (38)에 사용하기 위한 중합체의 적합성을 검사하는 한 가지 방법은 벌크 중합체의 평면 샘플을 물에 침지시킨 후 그의 습윤 특성을 관찰하는 것이다. 일반적으로, 침지 후 표면상에 물이 넓게 펼쳐지고 방울짐이 없는 것이 적합한 중합체 물질의 긍정적인 지표이다. 다른 방법으로는, 벌크 중합체 샘플의 수평한 평면 표면상에서 액체 방출의 전진 접촉각(advancing contact angle)을 관찰할 수 있다. 45도 이하의 전진 접촉각이 일반적으로 층 (38)에 적합한 중합체 물질의 긍정적인 지표이다.
일 실시양태에서, 분말 형태의 PVOH를 물 및 적합한 가교제와 혼합하고, 성분 (36)의 표면에 도포할 수 있다. 예를 들면, 0.5％ 셀볼(Celvol, 등록상표) 325 폴리비닐 알콜과 20％ 글리옥살 이수화물 가교제 (셀볼(등록상표) 325 10 ㎖ 중 125 ㎕)로부터 액상 PVOH 용액을 제조할 수 있다. 셀볼(등록상표) 325는 미국 켄터키주 칼버트 시티의 셀라니즈 케미칼즈(Celanese Chemicals)로부터 시판된다. PVOH 용액의 얇은 코팅을 임의의 적합한 수단으로 성분 (36)의 표면에 도포하고, 건조시켜, 성분 (36)상에 층 (38)을 형성한다. 층 (38)의 두께는 약 100 nm 내지 약 1 mm의 범위, 및 보다 바람직하게는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위인 것이 일반적으로 바람직하다. 성분 (36)에 대한 층 (38)의 부착은 층 (38)의 도포 전에 성분 (36)의 표면을 상기한 바와 같이 저온 플라스마로 처리함으로써 향상시킬 수 있다.
성분 (36)에서 친액성이 요망되는 부분 (예를 들면, 양극판의 유동 채널의 내부 표면)에만 층 (38)을 선택적으로 도포할 수 있음은 자명할 것이다. 층 (38)의 선택적 도포는 성분 (36)의 표면에서 층 (38)이 생략되는 영역에 제거가능한 마스크 (도시하지 않았음)를 도포하여 달성할 수 있다. 성분 (36)의 마스크 및 마스크가 없는 부분 위에 층 (38)을 도포한 후, 마스크를 제거할 수 있다. 다른 실시양태에서, 자동 분배기(dispenser)를 사용하여 성분 (36)의 요망되는 부분에만 층 (38)을 선택적으로 도포할 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합할 수 있는 상기 자동 분배기 시스템 중 하나는 미국 뉴저지주 페얼론 밴터 플레이스 2-07의 아이 앤 제이 피스너(I ＆ J Fisnar)로부터 시판되는 모델 DK118 디지틀 분배기이다. 요망될 경우, 자동 분배기는 로봇에 의해 자동적으로 배치될 수 있다. 자동 분배기의 배치에 사용하기 적합한 로봇 배치 장치는 역시 아이 앤 제이 피스너로부터 시판되는 모델 아이앤제이(I＆J) 7400 로봇이다.
본 발명의 또 다른 실시양태에서, 친액성 중합체를 얇은 시트 저장품(stock) (예컨대 1 mm 이하) 형태로 제공하고, 본 발명의 소유권자가 공동 소유하고 각각 그 전문이 본원에 참조로 인용되는 영문 명칭 "PERFORMANCE POLYMER FLIM INSERT MOLDING FOR FLUID CONTROL DEVICES"의 PCT 특허 출원 제PCT/US02/37966호 및 영문 명칭 "SEMICONDUCTOR COMPONENT HANDLING DEVICE HAVING AN ELECTROSTATIC DISSIPATING FILM"의 PCT 특허 출원 제PCT/US02/38076호에 개시된 필름 삽입 성형법을 사용하여 성분 (36)의 표면에 결합시킬 수 있다. 이들 방법을 사용할 때, 성분 (36)의 표면에서 친액성이 요망되는 부분 (예컨대, 양극판의 유동 채널 내부)에만 얇은 필름 층 (38)을 표적화함으로써 성분 (36)의 친액성이 요망되지 않는 부분에서 층 (38)을 제거할 필요가 없도록 할 수 있음은 자명할 것이다.
다른 실시양태에서, 공지된 압출 성형 기술을 사용하여, 얇은 가교된 시트 저장품 형태의 친액성 중합체를 성분 (36)의 표면에 압축 성형함으로써 층 (38)을 도포할 수도 있다. 다른 실시양태에서, 성분 (36)의 표면상에 친액성 중합체를 용융시켜 층 (38)을 도포할 수도 있다.
층 (38)은 또한 공지된 플라스마 중합 기술에 의해 도포될 수도 있다. 일반적으로, 플라스마 중합에서는, 반응기 중의 플라스마 내로 유기 화합물 (예컨대, 단량체)를 도입함으로써 중합체의 층을 기판 상에 침착시킬 수 있다. 단량체는 비탄성 충돌을 통해 플라스마로부터 에너지를 얻어 활성화됨으로써 다른 단량체 또는 올리고머와 반응할 수 있다. 이들 작은 분자들은 조합되어 기판 및 반응기 표면상에 중합체로서 침착된다. 본 발명에서 성분 (36) 상의 층 (38)의 침착에 적합할 수 있는 플라스마 중합 방법은 각각 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 제3,518,108호, 제3,666,533호, 제4,013,532호, 제4,188,273호 및 제5,447,799호에 기재되어 있다.
플라스마 중합 장치 (300)의 한 실시양태의 단순화된 개략도를 도 8에 제공하였다. 플라스마 중합 장치 (300)은 일반적으로 밀폐 챔버 (302), 진공원 (304), 전자기 에너지 발생기 (306), 공정 기체 공급 시스템 (308) 및 출발 기체 공급원 (310)을 포함한다. 상기 플라스마 처리 장치 (100)에서 기재한 바와 같은 RF 또는 마이크로파 발생기일 수 있는 전자기 에너지 발생기 (306)은 챔버 (302)를 둘러싸는 유도 코일 (312)와 커플링된다. 진공원 (304)는 챔버 (302)에 충분한 진공, 일반적으로는 10 torr 이하, 및 보다 바람직하게는 1 torr 이하의 진공을 생성할 수 있는 임의의 적합한 진공원일 수 있다. 공정 기체 공급 시스템 (308)은 일반적으로 관 (316) 및 유동 제어기 (318)을 통해 챔버 (302)에 연결된 기체 공급원 (314)를 포함한다. 출발 기체 공급원 (310)은 일반적으로 관 (322) 및 유동 제어기 (324)를 통해 챔버 (302)에 연결된 기체 공급원 (320)을 포함한다. 본 발명에 사용하기 적합할 수 있는 또 다른 장치는 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 제6,156,435호에 개시되어 있다.
일반적으로 본 발명의 실시양태에 따르면, 연료 전지 성분 (36)을 플라스마 처리 장치 (300)의 챔버 (302)에 넣는다. 진공원 (304)을 사용하여 소정의 진공 압력 (기저 압력)이 되기까지 챔버 (302)를 펌핑한다. 기저 압력에 도달하면, 기체 공급원 (314)로부터의 공정 기체를 챔버 (302)로 도입한다. 유동 제어기 (318)을 조정하여 챔버 (302)의 압력을 요망되는 공정 압력, 일반적으로는 약 10 torr 미만에서 안정화시킨다. 이어서, 전자기 에너지 발생기 (306)을 작동시켜 챔버 (302) 내에 저온 플라스마를 생성한다. 이어서, 출발 기체 공급원 (310)으로부터의 출발 기체를 챔버 (302)에 도입하여 층 (38)의 침착을 개시한다. 층 (38)이 적합한 두께에 도달한 후, 전자기 에너지를 차단하여 플라스마를 소멸시키고, 출발 기체 공급원 (310)으로부터의 출발 기체 흐름을 중단시킨다. 이어서, 챔버 (302)를 대기압으로 회복시키고, 층 (38)이 침착된 연료 전지 성분 (36)를 꺼낸다.
출발 기체 공급원에 의해 공급된 출발 기체는 친액성 중합체를 형성할 수 있는 임의의 유기 또는 무기 단량체 또는 기체 또는 증기 형태의 다른 화합물일 수 있다. 출발 기체 공급원 (310)에 적합한 출발 기체의 예로는 에틸렌 옥시드, 니트로에탄, 1-니트로프로판 (C3H7NO2), 2-니트로프로판 ((CH3)2CHNO2), 에틸렌, 메탄 및 트리메틸아민이 포함된다. 또한, 실란 또는 클로로실란을 출발 기체로서 사용하여 친수성 산화규소 층 (38)을 성분 (36) 상에 형성할 수도 있다. 본 발명에 사용하기 적합할 수 있는 실란 화합물의 예로는 아미노 실란 (예컨대, 아미노 프로필 트리메톡시 실란, N-(2-아미노 에틸)-3-아미노 프로필 트리에톡시 실란, 또는 비스[(3-트리메톡시실릴)]에틸렌디아민; 폴리 알킬렌 옥시드 실란 (예컨대, 2-[메톡시(폴리에틸렌옥시)프로필] 트리메톡시 실란); 우레탄 실란 (예컨대, N-(트리에톡시실릴 프로필)-o-폴리에틸렌 옥시드 우레탄); 및 히드록시 실란 (예컨대, 히드록실 메틸 트리에톡시 실란)이 포함된다.
일부 성분 (34), 예컨대 양극판 (14, 16)의 경우, 층 (38)이 비교적 전기 전도성인 것이 바람직할 수 있다. 전기 전도성 층 (38)은 플라스마 중합 공정 동안 탄소와 같은 전도성 미립자를 챔버 (302)에 도입함으로써 생성할 수 있다. 플라스마 중합에 의해 연료 전지 성분 상에 전도성 중합체 필름을 생성하는데 적합할 수 있는 장치 및 방법은 그 전문이 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 제4,422,915호에 개시되어 있다.
마찬가지로, 일부 실시양태에서 플라스마 중합된 층 (38)을 성분 (36)에서 향상된 친액성이 요망되는 부분에만 선택적으로 표적화하는 것이 바람직할 수 있다. 상기한 바와 같이, 층 (38)의 선택적 도포는 성분 (36)의 표면에서 층 (38)이 생략되어야 할 영역 상에 제거가능한 마스크 (도시하지 않았음)을 도포함으로써 수행할 수 있다. 층 (38)을 성분 (36)의 마스크 및 마스크가 없는 부분 위에 도포한 후, 마스크를 제거하여 미처리된 부분을 노출시킬 수 있다. 층 (38)은 향상된 친액성이 요망되지 않는 영역에서 연마 또는 분쇄와 같은 통상의 기계적 방법에 의해 물리적으로 제거될 수 있다.
본 발명은 그의 중심적인 속성에서 벗어남 없이 다른 구체적인 형태로 구현될 수 있으므로, 예시된 실시양태들은 모든 측면에서 예시적이고 비제한적인 것으로 간주되어야 한다. 본 출원에 개시된 특징 및 본원에 참고로 인용된 모든 참고문헌에 기재된 특징은 특정 상황에 적합하게 조합 또는 변형될 수 있음이 예상된다. 다양한 다른 변형 및 변경이 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (26)

  1. 중합체 물질로부터 외부 표면을 갖는 판 부재를 형성하는 단계,
    판 부재를 밀폐(hermetic) 챔버에 넣는 단계,
    출발 기체를 밀폐 챔버에 도입하는 단계,
    충분한 양의 전자기 에너지를 출발 기체에 인가하여 저온 플라스마를 생성하는 단계,
    플라스마 중합에 의해 출발 기체로부터 중합체 층을 판 부재 상에 침착시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된, 연료 전지용 중합체 양극판(bipolar plate).
  2. 제1항에 있어서, 판 부재가 알키드, 디알릴 프탈레이트, 에폭시, 페놀릭, 멜라민, 폴리에스테르, 우레아, 아크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리스티렌 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에스테르, 나일론, 액정 중합체 및 블렌드, 폴리아릴케톤, 천연 고무, 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 클로로프렌, 부틸 고무, 니트릴 고무, 실리콘, 에틸렌 프로필렌 고무, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 에테르-아미드 블록 공중합체 및 스티렌-올레핀 블록 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 중합체 물질로부터 제조된 것인 양극판.
  3. 제2항에 있어서, 판 부재가 열경화성 비닐 에스테르로부터 제조된 것인 양극판.
  4. 제2항에 있어서, 판 부재가 유리 섬유, 유리 비드, 스테인레스강 섬유, 금속 입자, 광물, 탄소 분말, 탄소 섬유, 흑연, 탄소 피브릴 및 탄소 나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 충전제 물질을 함유하는 것인 양극판.
  5. 제1항에 있어서, 출발 기체가 에틸렌 옥시드, 니트로에탄, 1-니트로프로판 (C3H7NO2), 2-니트로프로판 ((CH3)2CHNO2), 에틸렌, 메탄 및 트리메틸아민으로 이루어진 군에서 선택된 것인 양극판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방법이 전도성 미립자 물질을 밀폐 챔버에 도입하고, 전도성 미립자 물질을 중합체 층과 함께 판 부재 상에 침착시키는 단계를 또한 포함하는 양극판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방법이 실란 또는 클로로실란을 밀폐 챔버에 도입하고, 플라스마 중합에 의해 산화규소 층을 판 부재 상에 침착시키는 단계를 또한 포함하는 양극판.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방법이 중합체 층의 적어도 일부를 물리적으로 제거하는 단계를 또한 포함하는 양극판.
  9. 중합체 물질로부터 외부 표면을 갖는 성분을 형성하는 단계,
    성분을 밀폐 챔버에 넣는 단계,
    출발 기체를 밀폐 챔버에 도입하는 단계,
    충분한 양의 전자기 에너지를 공정 기체에 인가하여 저온 플라스마를 생성하는 단계,
    플라스마 중합에 의해 출발 기체로부터 중합체 층을 성분 상에 침착시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된, 친액성 표면 부분을 갖는 중합체 연료 전지 성분.
  10. 제9항에 있어서, 양극판인 연료 전지 성분.
  11. 제9항에 있어서, 알키드, 디알릴 프탈레이트, 에폭시, 페놀릭, 멜라민, 폴리에스테르, 우레아, 아크릴레이트, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리스티렌 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리이미드, 폴리술폰, 폴리페닐렌 술피드, 폴리에스테르, 나일론, 액정 중합체 및 블렌드, 폴리아릴케톤, 천연 고무, 폴리이소프 렌, 폴리부타디엔, 클로로프렌, 부틸 고무, 니트릴 고무, 실리콘, 에틸렌 프로필렌 고무, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 에테르-아미드 블록 공중합체 및 스티렌-올레핀 블록 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 중합체 물질로부터 제조된 연료 전지 성분.
  12. 제9항에 있어서, 열경화성 비닐 에스테르로부터 제조된 것인 연료 전지 성분.
  13. 제9항에 있어서, 유리 섬유, 유리 비드, 스테인레스강 섬유, 금속 입자, 광물, 탄소 분말, 탄소 섬유, 흑연, 탄소 피브릴 및 탄소 나노튜브로 이루어진 군에서 선택된 충전제 물질을 함유하는 것인 연료 전지 성분.
  14. 제9항에 있어서, 출발 기체가 에틸렌 옥시드, 니트로에탄, 1-니트로프로판 (C3H7NO2), 2-니트로프로판 ((CH3)2CHNO2), 에틸렌, 메탄 및 트리메틸아민으로 이루어진 군에서 선택된 것인 연료 전지 성분.
  15. 제9항에 있어서, 상기 방법이 전도성 미립자 물질을 밀폐 챔버에 도입하고, 전도성 미립자 물질을 중합체 층과 함께 성분 상에 침착시키는 단계를 또한 포함하는 연료 전지 성분.
  16. 제9항에 있어서, 상기 방법이 실란 또는 클로로실란을 밀폐 챔버에 도입하고, 플라스마 중합에 의해 산화규소 층을 성분 상에 침착시키는 것을 또한 포함하는 연료 전지 성분.
  17. 제9항에 있어서, 상기 방법이 중합체 층의 적어도 일부를 물리적으로 제거하는 단계를 또한 포함하는 연료 전지 성분.
  18. 각각 유동 채널 벽에 의해 구분지어진 복수의 유동 채널을 정의하는 복수의 양극판 및 복수의 막 전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지를 제공하는 단계,
    연료 전지의 운전 동안 유동 채널에서 응축되는 물이 유동 채널 벽에 부착되고 유동 채널을 막지 않도록, 각 유동 채널의 유동 채널 벽의 일부 상에 친액성 중합체 층을 형성하는 단계를 포함하는, 연료 전지에서 캐쏘드 플러딩(cathode flooding)을 억제하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 플라스마 중합에 의해 유동 채널 벽 표면의 일부 상에 본질적으로 친액성인 중합체의 층을 침착시키는 것을 포함하는 방법으로 친액성 중합체를 형성하는 방법.
  20. 중합체 물질로부터 제조되고 외부 표면을 갖는 성분 부재, 및
    성분 부재의 외부 표면의 적어도 일부 상의 친액성 중합체 물질의 박층을 포함하는 연료 전지 성분.
  21. 제20항에 있어서, 친액성 중합체가 폴리알킬렌 글리콜, 셀룰로오스, 관능화 셀룰로오스 화합물, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐아미드, 폴리비닐사카라이드, 폴리아미노아크릴레이트, 폴리히드록시알킬 아크릴레이트, 폴리아크릴산, 폴리아크릴산 염 및 관능화된 스티렌 이오노머로 이루어진 군에서 선택된 것인 연료 전지 성분.
  22. 제20항에 있어서, 친액성 중합체가 폴리비닐 알콜인 연료 전지 성분.
  23. 제20항에 있어서, 친액성 중합체 물질이, 친액성 중합체 물질을 얇은 가교된 시트 저장품(stock)의 층으로서 제공하고, 시트 저장품의 층을 성분의 표면 상에 압축 성형하는 단계를 포함하는 방법에 의해 도포된 연료 전지 성분.
  24. 제20항에 있어서, 친액성 중합체 물질이, 친수성 중합체 물질을 얇은 필름으로서 제공하고, 성분의 표면상에 필름을 삽입 성형(insert molding)하는 단계를 포함하는 방법에 의해 도포된 연료 전지 성분.
  25. 제20항에 있어서, 친액성 중합체 물질이, 친액성 중합체 물질의 액체 용액을 혼합하고, 성분의 표면 상에 용액의 얇은 코팅을 도포하는 단계를 포함하는 방법에 의해 도포된 연료 전지 성분.
  26. 제20항에 있어서, 친액성 중합체 물질이, 성분을 밀폐 챔버에 넣는 단계, 밀폐 챔버를 대기압 미만의 기저 압력(base pressure)으로 비우는 단계, 공정 기체를 밀폐 챔버에 도입하는 단계, 출발 기체를 챔버에 도입하는 단계, 및 충분한 양의 전자기 에너지를 공정 기체에 인가하여 저온 플라스마를 생성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 도포된 것인 연료 전지 성분.
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