CN1491446A - 流场板几何图案 - Google Patents

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Abstract

用于燃料电池的流场板，该流场板包含至少一个从流体的源延伸到所述流体的排出口的沟道，其中在源或排出口处的所述沟道的横截面积分别比源或排出口处的横截面积小95％。

Description

流场板几何图案
本发明涉及燃料电池和电解池，并且尤其是可适用于质子交换膜燃料电池和电解池。
燃料电池是其中燃料和氧化剂以受控方式结合直接产生电的装置。通过直接产生电而不需要中间燃烧和发电步骤，燃料电池的电效率比传统发电机中使用燃料高。这是众所周知的。燃料电池听起来简单且令人满意，但是最近几年，许多人花费全年的工作量试图生产实用的燃料电池系统。电解池实际上和燃料电池相反，其中电被用来将水分解成氢和氧。燃料电池和电解池都可能成为所谓的“氢经济”的重要组成部分。以下对燃料电池作说明，但是应记住相同的原理适用于电解池。
商业生产的一种类型的燃料电池是所谓的质子交换膜(PEM)燃料电池[有时被称为聚合物电解质或固体聚合物燃料电池(PEFC)]。这种电池用氢作燃料，并且包含两面布置多孔电极的电绝缘(但传导离子的)聚合物膜。典型的膜是氟磺酸盐聚合物，并且电极典型包含分散在含碳粉末衬底上的贵金属催化剂。电极和膜的这种组合通常被称为膜电极组件(MEA)。
提供氢燃料给一个电极(阳极)，在此氢被氧化释放电子给阳极，并释放氢离子给电解质。提供氧化剂(典型的为空气或氧气)给另一个电极(阴极)，在此来自阴极的电子和氧及氢离子结合产生水。质子交换膜燃料电池的一个子类是直接的甲醇燃料电池，其中甲醇作为燃料提供。本发明意在覆盖这种燃料电池，以及任何实际上使用质子交换膜的燃料电池。
在商用PEM燃料电池中，许多这样的膜被叠加在一起，用流场板(也称为分隔板或双极板)分隔开。流场板典型由金属或石墨形成，从而使一个膜的阳极和相邻膜的阴极之间有良好的电子传输。
在流场板的表面上有提供流体(燃料或氧化剂)和排除作为燃料电池反应产物所产生的水的沟槽图案。也可提供用于供应冷却剂流体的流场。产生沟槽的各种方法已被描述，例如已经提出利用机械加工、模压或铸模(WO00/41260)，以及(对本发明尤其有用的)通过抗蚀剂利用喷砂(或其它利用运动颗粒的动量研磨表面的刻蚀方法)(WO01/04982)形成上述沟槽。
国际专利申请No.WO01/04982公开了一种利用以下步骤机械加工流场板的方法：施加抗蚀剂或掩模到板上，然后利用喷砂(或其它利用运动颗粒的动量研磨表面的刻蚀方法，例如水喷射机械加工)，形成和在掩模或抗蚀剂中所形成的图案对应的特征。
WO01/04982显示了该工艺，它能够形成穿透流场板的通孔，或者形成在流场板中形成封闭的底端凹陷或沟道。此处整体引用WO01/04982的工艺，作为为实现本发明提供充分的技术背景。
实际中，迄今制作的大多数板通过研磨沟道形成。过去，研磨中研磨工具磨损导致锥形沟道被认为是一种欠缺。锥形不是轻易能控制的。通常目标是形成公差为+-25μm的带直边的沟道。
带有相关燃料和氧化剂供应管道的流场板和膜的组件通常称为燃料电池堆。
虽然上面描述的技术在范例和几个有限的商业应用中证明是有用的，为了获得更广泛的商用认可，现在的一个要求是减少流场板的成本和在可用来改善性能的几何图案的范围内进行改进。
WO00/41260详细描述了现行流场板设计的优缺点。特别是，它讨论了保持经流场板的压降以减少或消除水聚集的需要；以及增加压差的弊端，即需要较大的寄生能量。
WO00/41260也讨论了在S形沟道中靠近弯曲处形成旋涡的问题。
WO00/41260提出的克服这些不同问题的方法是提供直沟道的流场板，与早先的直沟道的流场板相比，增加沟道的长度和减少其宽度。
WO00/41260也讨论了用于制造这样的沟道的传统研磨工具的缺陷，特别是工具的磨损，它使得很难重复形成宽度一致的窄沟道。在WO00/41260中建议可以通过铸模或模压形成这样的窄沟道。但是铸模或模压板限制了板的制作材料，结果需在细微特征和材料性能之间采取折衷。
申请者已经意识到如果在流场板中可形成具有可重复的减小的横截面的沟道，则减小的横截面可用来对板提供均匀的压降，并提供变化的穿过板的载送量。这样的减小横截面沟道对几乎任何流场板几何图案都将是有优势的。
因此，本发明提供一种用于质子交换膜燃料电池或电解池的流场板，其包含至少一个从流体的源延伸到所述流体的排出口的沟道，其中所述沟道在排出口或源处的横截面面积分别小于源或排出口处的横截面面积的95％。
优选在排出口或源处的所述沟道的横截面面积分别小于源或排出口处的横截面面积的75％。
沟道可以穿过流场中的电化学活性区，在所述电化学活性区一侧的所述沟道的横截面面积小于在电化学活性区另一侧的横截面面积的95％。
从权利要求和以下参考附图的描述中，本发明的进一步细节将变得很清楚，其中
图1用部分截面示意性示出包含通过磨料气喷技术(喷砂)形成的气体发送沟道和气体扩散沟道的流场板的一部分；
图2示意性示出包含气体发送沟道和气体扩散沟道的流场板的部分平面视图；
图3是图解说明底切沟道的一种方法的示意图；
图4是举例说明图3的方法的技术局限的示意图；
图5是表示执行图3的方法的进一步方法的示意图；
图6是表示执行图3的方法的更进一步方法的示意图；
图7是表示流场板中沟道的部分平面的示意图；
图8是表示流场板中另一沟道的部分平面的示意图；
图9是表示流场板中再另外一个沟道的部分平面的示意图；
图10是表示流场板的部分截面和替换结构的示意图；
图11是流场板中沟道的示意图；
图12是一个流场板几何图案的示意图；
图13是另一个流场板几何图案的示意图；
图14是表示图13的流场板几何图案使用的示意图；
图15是本发明中使用的研磨枪的示意图；
图16是图解说明多头枪的使用的示意图。
以下的描述将涉及用磨料气喷(喷砂)通过抗蚀剂制造流场板，但是本发明的内容不限于这种制造方法。
为了既形成气体传送沟道又形成气体扩散沟道，可采用诸如磨料喷砂的技术，其中对着板的表面放置模板或抗蚀剂，模板或抗蚀剂具有对应于所需沟道几何图案的图案。WO01/04982中描述了这种技术，此处整体引用它来实现本发明。
通过这种技术，可由石墨/树脂复合物或其它不和所用反应物显著反应的非多孔导电材料形成板。更优选的磨料喷砂类型是使用气喷。水喷射机械加工通常发现腐蚀性强不容易控制，但在仔细并有好的控制设备的情况下也是可以采用的。
用于形成这样的精细图形的替换方法包括使用准分子激光器烧蚀或化学刻蚀，但是两种工艺都不能提供由本工艺可获得的低成本。
对于该技术，发现不同宽度的沟道的轮廓由于掩模的阴影投射而变化。图1示出了具有在其表面形成的窄沟道102的流场板101。由于形成沟道所用抗蚀剂的阴影效应，沟道暴露给实际上只直接从上面来的喷砂磨料。这导致沟道成为一个大致半圆轮廓，并导致沟道浅切割。
对于逐渐变大的沟道(103和104)，抗蚀剂投射阴影较少，使得来自逐渐变宽的角度范围的喷砂磨料撞击流场板表面，结果既使沟道表面深切割，又使沟道具有逐渐变平的底部。
因此，通过施加具有不同宽度沟道的抗蚀剂到板上，并用细磨料对暴露的板和抗蚀剂喷砂，可应用不同宽度和深度的沟道图案。
应用这种宽度和深度变化的沟道图案有其优点。在流场板中，传统上使用沟道的背后目的是试图确保反应物材料均匀提供给电极，以及确保快速去除反应产物。但是由于通常采用盘旋路径，因此材料不得不通过的通道长度很长。
另一个系统是呼吸装置(lung)，该系统目的是均匀提供反应物到反应表面，并排除反应产物。在呼吸装置中，提供逐渐变细的沟道布置，从而空气有捷径到达它在呼吸装置中的反应位置，并且二氧化碳又有捷径排出。通过提供逐渐变细的沟道网络到流场板内，反应气体有捷径到达它们的反应位置。
最细的沟道可能只流入宽的气体排除沟道，或者，就像在呼吸装置中一样，可能提供相应的逐渐变宽的沟道网络到流场板外。在后者情况下，逐渐变细沟道和逐渐变宽沟道的这两种网络可头尾相接，或排列成相互交叉网络，经提供连接的电极材料扩散。头尾连接的优点是将保持通过沟道的高压，有助于排除堵塞。
互连沟道对盲沟道的问题取决于我们处理电极的哪一侧。氢离子从阳极出发，通过聚合物，并在阴极合成水。所有水都在燃料电池的阴极侧(空气或氧气侧)合成。在阴极侧产生水意味着空气侧气体沟道不能是盲端沟道，因为这会引起溢流。相互交叉也将是棘手的，除非在电极渗透率不高时使用GDL。相互交叉沟道也限制了从供应气体中去除杂质。因此，优选其中的分支沟道头尾连接或排到较大的沟道的模式。
图2用示意平面表示的流场板的一部分，流场板具有宽阔的主气体传送沟道104，它分叉成次级气体传送沟道103，该沟道103本身分叉成气体扩散沟道102。如果需要，气体扩散沟道105也可以转变为主气体传送沟道104。主气体传送和次级气体传送沟道可以像气体扩散沟道一样，各自形成逐渐变细的沟道的网络，并且沟道的布置可类似分形布置。
主气体传送沟道可具有大于1mm的宽度，例如约2mm。这种沟道的典型深度为0.25mm，但深度只受形成沟道后的流场板要有足够强度的需要的限制。次级气体传送沟道可具有小于1mm的宽度，例如0.5mm，并且在使用喷砂技术的情况下，可能比主气体传送沟道浅。气体扩散沟道可具有小于0.2mm的宽度，例如约100μm，并且还可能更浅。
可使用带有气体扩散层的流场板，或者可在流场板表面上提供足够密度的气体扩散沟道，以提供充足气体传送，从而可省略气体扩散层。
当用作燃料电池时，气体传送沟道传送气体到气体扩散沟道，它将气体分散到流场板整个面。当用作电解池时，气体扩散沟道用于接收来自流场板整个面的气体，而气体传送沟道传送气体用于收集。
对于喷砂技术，沟道宽度的限制是喷砂工艺中所用掩模厚度的函数。图象ProTM材料(Chromaline Corp.US)厚度在125μm，非常厚。这些掩模限制轨道宽度约到100μm。其它掩模材料可被喷涂到衬底上，并被原位曝光。这些材料更有弹性，因此可以更薄。Chromaline SBXTM可被用来刻蚀小到10-20微米宽的特征。
可使用各种的掩模类型：
a)用粘性安装的薄板掩模
b)通过涂刷、喷射、丝网印刷或任何其它这样的方法施加掩模覆盖物体所需要表面，然后经过处理以选择去除某些区域
c)施加并再使用的掩模
d)直接印刷或施加到表面(例如通过喷墨印刷)的掩模
本发明不限于任何特殊形式的掩模，但类型b)和d)最适于大量生产。
当然，喷磨中所用的研磨材料必须具有比要形成特征还细的颗粒尺寸。但是，较细小的颗粒尺寸导致研磨速率降低。申请人已经发现在喷砂中使用相对粗的研磨材料(如直径50-250μm的硅石或刚玉磨料)形成宽沟道，跟着用较细小的研磨材料(如直径5-20μm的硅石或刚玉磨料)形成较精细的特征是有用的。正如下面进一步所解释的，粗和细材料可在一个步骤中混合实施。本发明不限于任何特殊的研磨材料。
优选板材料是石墨、碳-碳复合物，或碳-树脂复合物。但是，本发明不限于这些材料，并且通过适当选择磨料，本发明可用于任何物理特性适当的材料。
使用研磨材料成角度喷砂是有优势的。图3的示意图表示相对板2放置的抗蚀剂1。抗蚀剂1具有厚度dr，并具有宽度wr的小孔3。通过小孔3投射的研磨材料研磨板材料，产生深度dv、宽度wv的空隙4。假定没有颗粒以足够的强度从空隙4的下表面5反弹回来以便研磨凹入表面6，可以看到凹入表面的最小角度α由颗粒到达小孔3的最小角度决定。因此，对于这种构造，最大空隙宽度可按下式计算：
wv＝wr+2*dv*(wr/dr)
作为例子，下表1给出了根据假定的0.125mm的抗蚀剂厚度和变化的小孔尺寸及所需要的深度计算得到的空隙宽度。
                      表1
    dr(mm)    wr(mm)     wv(mm)   dv(mm)
    0.125    0.75     6.75   0.5
    0.125    0.5     4.5   0.5
    0.125    0.2     1.8   0.5
    0.125    0.1     0.9   0.5
    0.125    0.75     3.75   0.25
    0.125    0.5     2.5   0.25
    0.125    0.2     1   0.25
    0.125    0.1     0.5   0.25
实际中，喷砂不产生精确点尺寸的切割工具，而这是产生图3所示形状的空隙所要求的。而且，产生的底切角度取决于喷砂产生的研磨颗粒的入射角度，只要它不小于α。如果喷砂产生的研磨颗粒的入射角度小于α，则板2将处于抗蚀剂阴影中，并且将出现喷砂研磨很少表面或不研磨表面。
实际中，有些像固4所示，空隙形状可能由来自从方向‘A’到‘B’的不同方向范围的均匀喷砂产生，并且所产生的底切角度分别为βA和βB，它将接近于研磨材料的流动方向A和B与板面法线之间的夹角(因为喷砂将有一定程度偏离，底切角将不会精确匹配流动方向A和B的角度)。这些角度如图4所示的一样，但不是必需如此。
很大程度上，可通过从不同方向进行不同强度的喷砂，或通过从不同方向进行不同次数的喷砂，或通过将二者结合，来设计空隙形状。作为例子，如图5所示的空隙可通过从方向‘A’到‘B’连续喷砂产生，以提供在颈8汇合的空隙4。
将会了解到的是图3-5是示意性的、夸大表示了具有大的厚度的抗蚀剂。这意味着所示的底切程度小。实际中，用薄抗蚀剂，可获得高的底切空隙。但是，底切角β越大，向空隙4突出部分7的尖端将越薄。对于给定材料的底切角β的合适角度将取决于应用所要求的强度。底切角大于20°是有利的，优选大于30°。更优选底切角大于40°。对于强度来说优选小于60°的底切角，虽然比这个角度大也是可行的，并且实际上对一些几何图案是有利的。
如图6中所示，如果适当选择掩模小孔间隔和喷砂方向，一对间隔很近的空隙4可能在颈8合并，形成在表面连接相邻的端口9和10的单个空隙。
图7-9说明了应用该技术制造流场板，其中板11有流体入口12。如图7所示，流体入口12在板1表面处连接到沟道13。沟道13有确定它在表面的宽度的边14。沟道13在板1体内的宽度大于在板1表面的宽度，并且，例如，可以具有如图3-5任何一个中的横截面，其中在板体内，沟道横截面的端口比沟道横截面的内部窄。
沟道13的最大宽度如线15所示。这样的流场板可以具有比相等横截面积的两边平行的窄沟道浅的沟道，这使得能够使用较薄的流场板。典型的双极板中的气体沟道是正方形或长方形截面，并且是毫米尺寸。例如，BallardTM板具有2.5mm见方截面沟道。APSTM板有0.9mm宽×0.6mm深的沟道。取图3的横截面沟道，根据基础几何学，沟道的横截面将等于：
wr*dv+2*(1/2dv(dv/tanα))
下面的表2将如图3所示的本发明制造的沟道和已知的BallardTM和APSTM板的那些沟道作了比较。
                           表2
α(°)   面处的宽度(mm)   深度(mm)   面积(mm)
BallardTM 90   2.5   2.50   6.25
本发明 60   2.5   1.77   6.25
45   2.5   1.55   6.25
30   2.5   1.31   6.25
APSTM 90   0.9   0.60   0.54
本发明 60   0.9   0.46   0.54
45   0.9   0.41   0.54
30   0.9   0.36   0.54
对于给定的沟道深度和横截面积，这种几何图案还在表面产生一个相当窄的间隙，减少上面提到的以前的几何图案的缺点。这表示在下面的表3中。
                           表3
  α(°)   面处的宽度(mm)   深度(mm)   面积(mm)2
BallardTM   90   2.50   2.50   6.25
本发明   60   1.06   2.50   6.25
APSTM   90   0.90   0.60   0.54
本发明   60   0.55   0.60   0.54
  45   0.30   0.60   0.54
当然，这些数据是从用于喷砂技术的理想几何图案计算得来，实际得到的尺寸将会不同。将会了解到，不同宽度沟道的角度α将不同。这意味着对于宽沟道，可获得比窄沟道大的底切度。而且，抗蚀剂的厚度将影响角度α。因此，通过改变沟道宽度和/或抗蚀剂厚度，通过利用抗蚀剂阴影，有可能提供不同底切度的沟道。
图8表示和图7相似的几何图案，但是，是通过在多个端口16处给板打孔并围绕这些端口底切以形成沟道13而制作的。在这种布置中，沟道在面上被桥连沟道的区域中断，以在面中形成被覆盖的连接端口的沟道。
图9表示一个相似的布置，但其中提供相邻的数对端口(像在图6中一样)。
为了从不同方向喷砂，可使用多个枪，从而在一次操作中研磨材料从多个流动方向被引导；或从不同方向连续使用单个枪；或从不同方向使用多个枪。例如，包含两个或更多被安装成以非平行方向(例如，图3中的方向A和B)定向喷砂的枪的喷砂头可在流场板上移动。
当喷砂横扫时，实际上从方向A和B连续将抗蚀剂中的小孔暴露给喷砂。类似效果可通过连续移动以方向A和B定向的枪达到。若想使位于颈8下的隆起变平，则可使用垂直于板2表面的枪。这样一种枪能形成包含两个或更多被安装成以非平行方向定向喷砂的枪的喷砂头的一部分，或者可以是一个在独立操作中使用的单独的枪。
由于喷砂中的磨料颗粒不会进入比其直径小的孔，则很显然能够使用以一定角度定向的粗颗粒来形成大底切沟道，在单独的垂直对准的喷砂中，使用细磨料形成非底切细沟道。
形成底切沟道的替换但非优选方法是保持磨料方向在一个方向上，而调节板和该方向的相对角度。该方法可与上述方法相结合。
很容易明白该技术不是可以获得底切几何图案的唯一方法。例如准分子激光烧蚀可用来模拟喷砂技术。一个替代方法是在塑料材料中形成沟道，然后碾压该材料，从而强制使沟道的边向内。
另一个获得底切沟道的替代方法是用两个或两个以上的板形成流场板。图10表示一个中心非多孔的板217和两个板218，每个板218在和中心非多孔板227相邻的板218的侧面形成沟道219。沟道219有开向远离中心非多孔板227的板218侧面的端口220。端口220可以有从端口220引出并处于远离中心非多孔板227的板218侧面的细沟道221。板218可以通过上面描述的喷砂法制作，或实际上用任何其它看上去合适的方法。板217和218被夹在一起形成组合流场板，其中流场埋在板227任一侧面上的所得板内。端口220用于将流体导入/导出组合流场板的表面，而细沟道221用于引导流体通过组合流场板的表面。(这种流场板表面中的细沟道221也可采用图7-9的几何图案来使用)。
使用宽度小于0.2mm的气体扩散沟道有助于扩散来自沟道13的气体。
显然可只在板217的一个侧面上结合板217和一个板218形成流场。在这种情况下，板217可选择有在远离板217的一侧内形成的不同的流场几何图案(例如，用于冷却剂)。
申请人已经意识到如果在流场板中可形成具有重复的减小的截面的沟道，则减小的横截面可用来穿过板提供均匀的压降，并穿过板提供变化的运输量。这种减小的横截面沟道对几乎任何流场板几何图案都是有利的。
目前，减小的横截面沟道的优势主要用在燃料电池的氢一方。在操作过程中，紧邻流场的电化学活性区的氢被消耗，从而离开板的气体比进入板的气体少。因此逐渐减小的沟道可提供穿过流场板电化学活性区的均匀压降。
所要求的面积减少量将根据燃料电池的几何图案变化。从进入流场的电化学活性区开始到离开该区，减少到初始截面积的95％将产生某种有用的效果，但本发明期望减少更多，典型地在减少到进入流场的电化学活性区时的初始截面积的25-75％区域内，例如，减少到进入流场的电化学活性区时的初始截面积的30-50％。
对于分为多个沟道的沟道，在计算横截面积减少量时，应该取多个沟道进入流场的电化学活性区时的截面积的总和。
在氧一侧，每消耗一个氧分子，产生两个水分子。目前，对于商业生产的燃料电池，水通常作为液体和气体产生。但是，随着膜技术改进，允许燃料电池在水的沸点以上操作，则离开燃料电池的气体比进入的气体多。这能够使逐渐变宽的沟道有利于在整个电池中提供均匀的压力增益。
本发明也可用于冷却剂流场，特别是从流场一侧到另一侧沟道数变化的流场中。
不具有均匀减小的横截面可能是有利的，这样可控制穿过流场的电化学活性区的压降。这将使燃料电池的一些部分变得比其它部分更热，这有助于水的处理。
可以通过加工锥形沟道或通过减少/增加沟道深度或将二者结合获得减少/加宽的横截面。
图11示意性表示从一端330到另一端331成锥形的流场板中一个单独的沟道304。锥形沟道304的深度表示为常量，但是从前面的描述中将会了解到它不是必需如此。终端330的面积小于终端331的面积。沟道在使用中位置将和膜电极(带或不带插入的气体扩散层)相对并且紧邻膜电极的电化学活性部分的流场的面积将在下文中称为流场的电化学活性区。
图12表示可使用的流场几何图案。它将锥形沟道和分支流场几何图案相结合。流场板302有多个将燃料气体供应沟道305连接到燃料气体排出沟道306的锥形沟道304。沟道在电化学活性区307呈锥形。紧邻的沟道304可由通过高压区到低压区的气体扩散沟道308连接。
申请人已经意识到可能省略传统燃料电池结构中的一些沟道。图13表示流场板的一种可选形式，其中流场板402是环形，具有燃料供应孔403。分支流场图案404(部分示出)将燃料供应孔403连接到燃料排出口405。形成焊接区406来接收密封，该结构可随流场的形成而形成或在单独步骤中形成。
流场板402底侧上的氧化物流场是反向的，氧化物从流场板402的外边缘流入内部排出口407。如图14所示，在公用室中可使用几个使用这种流场板的流场堆。室410容纳多个燃料电池堆411，其具有通过中心孔412供应的燃料，并且氧化物被提供并填充到堆之间的空间413中的室内。从排出口405和407排出的废物从堆同一端的或相对端的支管排除。
当然，整体布置可以被反向(氧化物上到中间，而燃料在外面)，但是处于安全原因，优选图中所示布置。利用这种布置，也可以用燃料存储装置来填充燃料供应孔403。这可以提供可再充电的、紧凑的、类似电池的能量源。
图13和14的布置不限于圆形流场板，虽然传统流场板是长方形形状，这产生角密封问题。圆形或椭圆形几何图案有利于密封。但是圆形结构对施加压力到燃料电池堆不理想，如图13所示，六角形板通过将螺杆或其它装置插入角上的固定孔中来紧固堆，可以很方便地使用。
如上所提到的，当用磨料喷砂技术形成流场板时，使用不同尺寸的磨料形成不同尺寸的沟道。可将不同尺寸的磨料混合形成混合磨料。图15表示用于这种技术的磨料枪，其中主体601具有一个输入高压气体供应管道602，和两个磨料传送管道603和604。来自管道602的空气流吸收来自传送管道603和604的磨料，如果需要时传送管道603和604可以独立调节。携带磨料的空气流向下通过用于限制空气流发散的管道605。传统喷砂中典型的发散度约为10°，尽管可以通过加长管道605或通过在管道605的下游出口设置小孔以排除具有最大发散度的一部分气流来减小扩散度。如果需要，可以通过缩短管道或在空气流中心设置障碍物将其转向到旁路来分散空气流。(后者情况下，可以看到磨料动量的损失)。
根据本发明可以使用多头枪。这在形成底切和直边沟道时是有利的。为简化，图16表示出带两个头502的枪501，但是应该明白，本发明可以使用一个或多个头，并且优选三个头。每个头装在顶部，从而使喷砂材料503的喷射的入射角度βA和βB可以被改变。为了有效研磨衬底506，该角度受抗蚀剂504的厚度dr和掩模中小孔的宽度wr限制，wr如上所述。以这两种方式使用多头，可在衬底506中形成空隙505。
首先，多头枪可以简单地扫过衬底，从而引导喷砂材料的喷射形成底切空隙505。对于包含三个头的多头枪，第三个头优选和衬底成90°对准以确保形成平底的空隙。
其次，多头枪可以围绕从(优选垂直于)衬底506平面的平面伸出的轴508旋转，产生基本圆锥形的气流。这对于确保通过衬底的空隙或小孔被均匀底切特别有利。当然，成一定角度的单个枪围绕从(优选垂直于)衬底506平面的平面伸出的轴旋转会得到相似效果，但是多头枪意味着头的旋转速度可以保持较低。
如果圆锥形的气流的尖端和衬底表面相交，则磨料颗粒可能彼此干扰。但是如果尖端在衬底表面以下，则气流会在表面上形成一个圆或椭圆，减少这种干扰。
在WO01/04982中所描述的喷磨技术中，当板在枪下以非平行方向移动时，枪在一个方向横过板，从而气流以光栅形式通过板。(显然枪可以保持不动而板移动，但这对工程师来说更复杂)。保持均匀通过速度通常是有利的，但是对于从一边到另一边趋向明显不同的几何图案(例如，图12中的图案)，改变枪的速度或板的速度以获得不同的切割深度或许是有利的。利用该技术可产生的另一种几何图案类似于图12，但一般具有直沟道304，它从燃料气体供应沟道305至燃料气体排出沟道306逐渐变浅。
显然上述许多流场板特征可通过利用掩模的喷磨之外的其它方法获得(例如，用适当材料注射铸模、准分子激光烧蚀)。
用喷磨法机械加工碳基材料会产生许多碳尘埃，必须提供装置处理它，以及防止产生爆炸危险。在磨料循环中使用用于将颗粒按大小和/或重量分离的空气分级机或其它这样的装置将使碳分离，并且，这可以，例如，通过经过火焰而被烧掉的方法处理掉。
空气分级机也会将细颗粒从粗颗粒中分离出来，而且在需要时它们可被传送到分离枪。
已知的是提供包含导电芯和非导电框架的流场板(例如，WO97/50139、WO01/89019和US3278336)。本发明的流场可用于这样的结构，使整个流场在导电芯上，或部分在非导电框架上部分在导电芯上。特别是用于流体的源和/或排出口可在非导电框架上。在这种结构中，沟道只在导电芯上的横截面积可以变化，并且特别是只位于膜电极组件的电化学活性区下的区域内可以逐渐变细。
上面描述的各个整体和组合可以在它们自己的权利要求内形成发明。

Claims (11)

1.一种用于质子交换膜燃料电池或电解池的流场板，包含至少一个从板上流体的源延伸到板上所述流体的排出口的沟道，其中在排出口或源处的所述沟道的横截面积分别比源或排出口处的横截面积的95％小。
2.如权利要求1的流场板，其中，在排出口或源处所述沟道的横截面积分别比源或排出口处的横截面积的75％小。
3.如权利要求1或权利要求2的流场板，其中，沟道穿过流场中的电化学活性区，在所述电化学活性区一侧的所述沟道的横截面积比在该电化学活性区另一侧的横截面积的95％小。
4.如任何前述权利要求之一的流场板，其中，沟道被分支。
5.如任何前述权利要求之一的流场板，其中，沟道宽度沿其长度方向变化。
6.如任何前述权利要求之一的流场板，其中，沟道深度沿其长度方向变化。
7.如任何前述权利要求之一的流场板，其中，沟道面积沿其长度方向非均匀变化。
8.如任何前述权利要求之一的流场板，包括导电芯和非导电框架。
9.如权利要求8的流场板，其中源和/或排出口位于非导电框架上。
10.如权利要求9的流场板，其中只有导电芯上的沟道横截面积变化。
11.一种包含多个如任何前述权利要求之一的流场板的质子交换膜燃料电池或电解池。
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