CN117460863A - COx电解槽单元流场和气体扩散层 - Google Patents
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Abstract
提供了各种COx电解槽单元架构，包括各种流场设计和气体扩散层设计，这些设计可能特别适用于COx电解槽单元的情境。
Description
政府支持声明
根据与美国能源部签订的DE-SC0018549和DE-SC0017725合同，政府对本发明享有权利。
通过引用的并入
PCT请求表格与作为本申请的一部分的本说明书同时提交。在同时提交的PCT请求表格中标识的本申请要求利益或优先权的每项申请均通过引用完整且出于所有目的地并入本文中。
背景技术
COx电解槽提供了一种将COx气体(例如CO或CO2)转化或还原为一种或多种所需的碳基副产品(诸如工业化学品或燃料)的潜在途径，从而允许通常被释放到大气中的废弃COx气体转化为工业上有用的产品。
提供本文所包含的背景和上下文描述仅用作一般呈现本公开的上下文的目的。本公开的大部分内容展示了发明人的工作，仅仅因为在背景部分中描述此类工作或在本文其他地方作为上下文呈现此类工作并不意味此类工作被承认为现有技术。
发明内容
本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节在附图和下面的描述中阐述。其他特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求书中变得明显。
附图说明
图1描绘了用于COx还原的示例MEA的示意图。
图2描绘了配置为在阴极接收水和CO2作为反应物并排出CO作为产物的CO2电解槽。
图3描绘了具有阴极催化剂层、阳极催化剂层和阴离子导电PEM的CO2还原MEA的示例结构。
图4描绘了具有阴极催化剂层、阳极催化剂层和阴离子导电PEM的CO2还原MEA的示例结构。
图5描绘了示例COx电解槽单元的分解视图。
图6描绘了示例多单元COx电解槽堆栈的分解视图。
图7描绘了图6的示例多单元COx电解槽的非分解视图。
图8描绘了具有单个蛇形通道的阴极流场的示例。
图9描绘了示例多重蛇形通道排列的示意图。
图10描绘了另一种示例多重蛇形通道排列的示意图。
图11描绘了包括双通道多重蛇形通道排列的阴极流场的示例。
图12至图14描绘了可用于一些实现的示例阴极流场。
图15至图17描绘了可用于一些实现的示例阴极流场。
图18描绘了阴极流场的示例，该阴极流场具有排列在多重蛇形通道排列中的四个阴极蛇形通道。
图19描绘了具有正方形或矩形横截面蛇形通道的阴极流场的横截面视图。
图20示出了阴极流场的横截面视图，该阴极流场具有多个具有圆形内底边的正方形或矩形横截面蛇形通道。
图21示出了阴极流场的横截面视图，该阴极流场具有多个U型横截面蛇形通道。
图22描绘了具有壁厚可变的半岛壁的阴极流场的示例。
图23描绘了示例阴极流场的简化表示的平面视图。
图24描绘了具有两个区和一个边界的阴极流场。
图25描绘了具有以双边对称方式排列的蛇形通道的阴极流场。
图26以放大的破断视图的方式描绘了与图25相同的阴极流场，以允许更容易地标记和看到各种特征。
图27描绘了另一个具有以双边对称方式排列的蛇形通道的阴极流场。
图28以放大的破断视图的方式描绘了与图27相同的阴极流场，以允许更容易地标记和看到各种特征。
图29描绘了具有平行通道排列的阴极流场的示例。
图30描绘了示例平行通道流场的示意图。
图31描绘了分支平行通道流场的示例。
图32描绘了与图31相同的分支通道流场，但以放大的形式，并且通过断口的方式省去了平行通道的中间。
图33描绘了分支平行通道流场的另一个示例的示意图。
图34描绘了分支平行通道流场的又另一个示例的示意图。
图35描绘了以分支平行通道为特征的阴极流场的示例。
图36描绘了图35的阴极流场的上半部分的左右两侧的详细视图，流场的其余部分从视图中省略。
图37描绘了具有交叉通道排列的阴极流场的示例。
图38描绘了气体扩散层的侧视图。
具体实施方式
使用膜电极组件的COx电解槽，例如CO2电解槽，可以与现有的聚合物电解质膜(PEM)水电解槽共同拥有一些结构上的相似之处，尽管在几个方面COx电解槽可以显著不同于此类PEM水电解槽系统。
在典型的COx电解槽中，膜电极组件(MEA)可以是堆叠在一起的多个元素之一，这些多个元素被堆叠在可以被称之为“单元(cell)”的组件中；在下面的讨论中，术语“单元”用于指代这种多元素组件。
用于COx还原的示例MEA 100示于图1。该MEA 100具有由离子导电聚合物层160分隔开的阴极层120和阳极层140，离子导电聚合物层160提供离子在阴极层120和阳极层140之间行进的路径。在某些实施例中，阴极层120包括阴离子导电聚合物并且/或者阳极层140包括阳离子导电聚合物。在某些实施例中，MEA的阴极层和/或阳极层是多孔的。孔可以促进气体和/或流体的运输，并且可以增加可用于反应的催化剂表面积大小。
离子导电层160可以例如，包括两个或三个子层：聚合物电解质膜(PEM)165、可选的阴极缓冲层125和/或可选的阳极缓冲层145。离子导电层中的一层或多层可以是多孔的。在某些实施例中，至少有一层是无孔的，以使得阴极的反应物和产物不能通过气体和/或液体运输到阳极，反之亦然。在某些实施例中，PEM层165是无孔的。阳极缓冲层和阴极缓冲层的示例特性在本文其他地方提供。在某些实施例中，离子导电层只包括单层或两个子层。
图2示出了配置为在阴极205接收水和CO2(例如湿化或干燥的气态CO2)作为反应物并排出CO作为产物的CO2电解槽203。电解槽203同样配置为在阳极207接收水作为反应物并排出气态氧气。电解槽203包括双极性层，该双极性层具有与阴极205相邻的阴离子导电聚合物209和与阳极207相邻的阳离子导电聚合物211(图示为质子交换膜)。
如电解槽203中的双极性界面213的放大插图所示，阴极205包括阴离子交换聚合物(在本例中是位于双极性层中的相同阴离子导电聚合物209)、导电碳支撑颗粒217以及被支撑在支撑颗粒上的金属纳米颗粒219。CO2和水通过孔隙(诸如孔隙221)运输并到达金属纳米颗粒219，它们在金属纳米颗粒219处发生反应(在该情况下，与氢氧根离子反应)，产生碳酸氢根离子和还原反应产物(未示出)。CO2还可以通过在阴离子交换聚合物215内运输来到达金属纳米颗粒219。
氢离子从阳极207运输，并通过阳离子导电聚合物211，直到它们到达双极性界面213，在双极性界面213它们被阴离子交换聚合物209阻止进一步向阴极运输。在界面213，氢离子可以与碳酸氢根或碳酸根离子反应以生成碳酸(H2CO3)，碳酸可以分解生成CO2和水。如本文所解释，产生的CO2可以以气相提供，并且应该在MEA中被提供一条返回阴极205的路径，CO2在阴极205被还原。阳离子导电聚合物211阻止阴离子(诸如碳酸氢根离子)运输到阳极，在阳极阴离子能够与质子反应并释放CO2，而释放的CO2将不能用于参与阴极的还原反应。
如图所示，具有阴离子导电聚合物的阴极缓冲层可以与阴极和阴极的阴离子导电聚合物协同工作以阻止质子运输到阴极。尽管在阴极和阴极缓冲层中采用适当导电类型的离子导电聚合物的MEA可以阻止阳离子运输到阴极，并且如果存在阳极缓冲层，阳极缓冲层也可以类似地阻止阴离子运输到阳极，但阳离子和阴离子仍可以在MEA的内部区域(诸如在膜层中)接触。
如图2所示，碳酸氢根和/或碳酸根离子在阴极层和阳极层之间与氢离子结合形成碳酸，碳酸可以分解以形成气态CO2。据观察，MEA有时会分层，这可能是由于气态CO2的这种产生，而气态CO2没有轻易的出口路径。
分层问题可以通过采用具有惰性填充物和相关孔隙的阴极缓冲层来解决。其有效性的一个可能解释是孔隙创造气态二氧化碳逃逸回阴极的路径，在阴极二氧化碳被还原。在一些实施例中，阴极缓冲层是多孔的，但在阴极层和阳极层之间至少有一层是无孔的。这可以防止气体和/或大量液体在阴极和阳极层之间通过，同时仍然防止分层。例如，无孔层可以防止水直接从阳极通过到阴极。MEA中各层的孔隙率在本文的其他位置进一步描述。
双极性MEA的示例
作为示例，MEA包括含有还原催化剂和第一阴离子导电聚合物(例如Sustainion、FumaSep FAA-3或Tokuyama阴离子交换聚合物)的阴极层、含有氧化催化剂和第一阳离子导电聚合物(例如PFSA聚合物)的阳极层、含有第二阳离子导电聚合物并排列在阴极层和阳极层之间以导电地连接阴极层和阳极层的膜层，以及含有第二阴离子导电聚合物(例如Sustainion、FumaSep FAA-3或Tokuyama阴离子交换聚合物)并排列在阴极层和膜层之间以导电地连接阴极层和膜层的阴极缓冲层。在该示例中，阴极缓冲层可以具有按体积记介于约1％到90％之间的孔隙率，但可以另外或可替代地具有任何合适的孔隙率(包括例如没有孔隙率)。在其他示例中，阴极缓冲层可以具有任何合适的孔隙率(例如介于0.01-95％、0.1-95％、0.01-75％、1-95％、1-90％之间等)。
过多的孔隙率可以降低缓冲层的离子导电性。在一些实施例中，孔隙率为20％或更低，并且在特定的实施例中，孔隙率介于0.1-20％、1-10％或5-10％之间。这些范围中的孔隙率可以足以允许水和/或CO2的移动而不丧失离子导电性。孔隙率可以如下进一步所述进行测量。
在相关的示例中，膜电极组件可以包括阳极缓冲层，该阳极缓冲层包括第三阳离子导电聚合物并且排列在膜层和阳极层之间以导电地连接膜层和阳极层。阳极缓冲层优选地具有按体积记介于约1％到90％之间的孔隙率，但可以另外或可替代地具有任何合适的孔隙率(包括例如没有孔隙率)。然而，在其他排列和示例中，阳极缓冲层可以具有任何合适的孔隙率(例如，介于0.01-95％、0.1-95％、0.01-75％、1-95％、1-90％之间)。与阴极缓冲层一样，在一些实施例中，孔隙率为20％或更低，例如0.1-20％、1-10％或5-10％。
在一个示例中，阳极缓冲层可以用于这样的MEA中，该MEA含有具有阴离子交换聚合物的阴极催化剂层、具有阴离子交换聚合物的阴极缓冲层、具有阳离子交换聚合物的膜和具有阴离子交换聚合物的阳极缓冲层。在这样的结构中，阳极缓冲层可以是多孔的，以促进水运输到膜/阳极缓冲层界面。水将会在该界面分解产生穿过膜的质子和行进到阳极催化剂层的氢氧根。这种结构的一个优点是有可能使用只在基本条件下稳定的低成本的水氧化催化剂(例如NiFeOx)。
在另一个具体示例中，膜电极组件包括含有还原催化剂和第一阴离子导电聚合物(例如Sustainion、FumaSep FAA-3或Tokuyama阴离子交换聚合物)的阴极层、含有氧化催化剂和第一阳离子导电聚合物的阳极层、含有第二阴离子导电聚合物(例如Sustainion、FumaSep FAA-3或Tokuyama阴离子交换聚合物)并排列在阴极层和阳极层之间以导电地连接阴极层和阳极层的膜层，以及含有第二阳离子导电聚合物并排列在阳极层和膜层之间以导电地连接阳极层和膜层的阳极缓冲层。
包含阴离子交换聚合物膜和阳极缓冲层(包含阳离子交换聚合物)的MEA可用于CO还原。在这种情况下，水会在膜/阳极缓冲层界面形成。阳极缓冲层中的孔隙可以促进水的去除。这种结构的一个优点是使用酸(例如IrOx)稳定的水氧化催化剂。
在相关示例中，膜电极组件可以包括阴极缓冲层，该阴极缓冲层包括第三阴离子导电聚合物并排列在阴极层和膜层之间以导电地连接阴极层和膜层。第三阴离子导电聚合物可以与第一和/或第二阴离子导电聚合物相同或不同。阴极缓冲层优选地具有按体积记介于约1％到90％之间的孔隙率，但可以另外或可替代地具有任何合适的孔隙率(包括例如没有孔隙率)。然而，在其他排列和示例中，阳极层可以具有任何合适的孔隙率(例如介于0.01-95％、0.1-95％、0.01-75％、1-95％、1-90％之间)。在一些实施例中，孔隙率为20％或更低，且在特定实施例中，介于0.1-20％、1-10％或5-10％之间。
在一个示例中，可以使用由支撑在Vulcan XC72R碳上并与TM1(mTPN-1)阴离子交换聚合物电解质(来自Orion)混合的直径为4nm的Au纳米颗粒所组成的阴极催化剂层。该层可以厚度为～15μm，金与金+碳的重量比(Au/(Au+C))为20％，TM1与催化剂质量比为0.32，质量负荷为1.4-1.6mg/cm2(总的Au+C),以及估计的孔隙率为0.56。在另一个示例中，可以提供由TM1和PTFE颗粒所组成的阴离子交换聚合物。PTFE颗粒的直径可以大约为200nm，TM1分子量可以大约为30k-45k。这样一层的厚度可以为～15μm，并且PTFE颗粒可以引入约8％的孔隙率。还可以提供由全氟磺酸聚合物(例如Nafion 117)组成的质子交换膜层，其厚度大约为125μm。该膜可以形成一个连续层，防止气体(CO2，CO，H2)显著运动通过该层。还可以提供由Ir或IrOx纳米颗粒(100-200nm聚合体)组成的10μm厚的阳极催化剂层。
用于COx还原的只含阴离子交换膜的MEA
在一些实施例中，MEA不包含阳离子导电聚合物层。在这样的实施例中，电解质不是阳离子导电聚合物，并且如果阳极包括离子导电聚合物，那么阳极就不包含阳离子导电聚合物。下面提供了其各种示例。
只含AEM的MEA允许阴离子穿过MEA传导。在其中没有MEA层具有显著的阳离子导电性的实施例中，氢离子在MEA中的迁移率有限。在一些实现中，只含AEM的膜提供高pH环境(例如至少约pH 7)，并且可以通过抑制在阴极的析氢寄生反应来促进CO2和/或CO的还原。与其他MEA设计一样，只含AEM的MEA允许离子，特别是阴离子，诸如氢氧根离子，移动穿过聚合物电解质。在一些实施例中pH可以更低；pH为4或更高可以高到足以抑制氢的析出。只含AEM的MEA还允许电子在催化剂层中移动到或穿过金属和碳。在阳极层、阴极层和/或PEM中具有孔隙的实施例中，只含AEM的MEA允许液体和气体移动穿过孔隙。
在某些实施例中，只含AEM的MEA包括阴离子交换聚合物电解质膜，该膜两侧均具有电催化剂层：阴极和阳极。在一些实施例中，一层或两层电催化剂层也包含阴离子交换聚合物电解质。
在某些实施例中，通过将阴极和阳极电催化剂层沉积到诸如气体扩散层的多孔导电支撑物上以形成气体扩散电极(GDE)，并在气体扩散电极间夹入阴离子交换膜来形成只含AEM的MEA。
在某些实施例中，只含AEM的MEA用于CO2还原。使用阴离子交换聚合物电解质避免不利于CO2还原的低pH环境。进一步，当使用AEM时水被从阴极催化剂层运输走，从而防止水的积聚(泛滥)，而水的积聚能够阻止单元的阴极中反应物气体的运输。
MEA中水的运输通过多种机制发生，包括扩散和电渗拖拽。在一些实施例中，在本文描述的CO2电解槽的电流密度下，电渗拖拽为主要机制。当离子移动穿过聚合物电解质时，水与离子一起被拖动。对于阳离子交换膜，诸如Nafion膜，水运输的量被很好地表征和理解为依赖于膜的预处理/水合作用。依赖于预处理，质子从正电位移动到负电位(阳极到阴极)，每个质子携带着2-4个水分子。
在某些实施例中，只含AEM的MEA可以被用在CO还原反应中。与CO2还原反应不同，CO还原不产生能够运输到阳极并释放有价值反应物的碳酸根或碳酸氢根阴离子。
图3图解了CO2还原MEA 301的示例构造，该MEA 301具有阴极催化剂层303、阳极催化剂层305和阴离子导电PEM 307。在某些实施例中，阴极催化剂层303可以包括金属催化剂颗粒(例如纳米颗粒)，金属催化剂颗粒未被支撑或被支撑在诸如碳颗粒的导电衬底上。在一些实现中，阴极催化剂层303另外包括阴离子导电聚合物。金属催化剂颗粒可以催化CO2还原，特别是当pH大于7时。在某些实施例中，阳极催化剂层305包括金属氧化物催化剂颗粒(例如纳米颗粒)，金属氧化物催化剂颗粒未被支撑或被支撑在诸如碳颗粒的导电衬底上。在一些实现中，阳极催化剂层305可以另外包括阴离子导电聚合物。用于阳极催化剂层305的金属氧化物催化剂颗粒的示例可以包括氧化铱、氧化镍、镍铁氧化物、铱钌氧化物、氧化铂等。阴离子导电PEM 307可以包括各种阴离子导电聚合物中的任何一种，诸如例如，Ionomr公司的HNN5/HNN8、Fumatech公司的FumaSep、Orion公司的TM1、W7energy公司的PAP-TP、二氧化硅材料公司的Sustainion等。可以使用离子交换容量(IEC)在1.1到2.6之间、工作pH在0-14之间、在一些有机溶剂中溶解度有限、具有合理的热稳定性和机械稳定性以及良好的离子导电性/ASR和可接受的吸水/溶胀比的这些阴离子导电聚合物和其他阴离子导电聚合物。在使用之前，聚合物可以被化学交换为除了卤素阴离子以外的某些阴离子。
如图3所图解的，CO2，诸如CO2气体，可以被提供给阴极催化剂层303。在某些实施例中，可以过气体扩散电极提供CO2。在阴极催化剂层303，CO2反应以产生还原产物，一般表示为CxOyHz。在阴极催化剂层303产生的阴离子可以包括氢氧根、碳酸根和/或碳酸氢根。这些阴离子可以扩散、迁移或以其他方式移动到阳极催化剂层305。在阳极催化剂层305，可以发生氧化反应，诸如水的氧化以产生双原子氧气和氢离子。在一些应用中，氢离子可以与氢氧根、碳酸根和/或碳酸氢根反应以产生水、碳酸和/或CO2。界面越少，阻力(resistance)越低。在一些实施例中，为了C2和C3碳氢化合物合成而维持高度碱性的环境。
图4图解了具有阴极催化剂层403、阳极催化剂层405和阴离子导电PEM 407的CO还原MEA 401的示例构造。总的来说，MEA 401的构造可以与图3中MEA 301的构造相似。然而，可以选择阴极催化剂以促进CO还原反应，这意味着在CO和CO2还原的实施例中将使用不同的还原催化剂。
在一些实施例中，只含AEM的MEA可以利于CO还原。可以选择AEM材料的吸水率以帮助调节催化剂界面上的水分，从而提高催化剂的CO可用性。由于这个原因，只含AEM的膜可以有利于CO还原。由于在碱性阳极电解液介质中具有更好的抗CO2溶解和跨界转变(crossover)的性能，双极性膜可以更加有利于CO2还原。
在各种实施例中，阴极催化剂层403可以包括金属催化剂颗粒(例如纳米颗粒)，该金属催化剂颗粒不被支撑或被支撑在诸如碳颗粒的导电衬底上。在一些实现中，阴极催化剂层403可以另外包括阴离子导电聚合物。在某些实施例中，阳极催化剂层405包括金属氧化物催化剂颗粒(例如纳米颗粒)，该金属氧化物催化剂颗粒不被支撑或被支撑在诸如碳颗粒的导电衬底上。在一些实现中，阳极催化剂层405可以另外包括阴离子导电聚合物。用于阳极催化剂层405的金属氧化物催化剂颗粒的示例可以包括那些被识别用于图3的阳极催化剂层305的金属氧化物催化剂颗粒。阴离子导电PEM 407可以包括多种阴离子导电聚合物(诸如，例如，那些被识别用于图3的PEM 307的阴离子导电聚合物)中的任何一种。
如图4所图解，CO气体可以被提供给阴极催化剂层403。在某些实施例中，可以通过气体扩散电极提供CO。在阴极催化剂层403处，CO可以反应以生成还原产物，一般表示为CxOyHz。
在阴极催化剂层403产生的阴离子可以包括氢氧根离子。这些离子可以扩散、迁移或以其他方式移动到阳极催化剂层405。在阳极催化剂层405，可以发生氧化反应，诸如水的氧化以产生双原子氧气和氢离子。在一些应用中，氢离子可以与氢氧根离子反应以产生水。
尽管MEA 401的总体构造与MEA 301相似，但各MEA之间仍存在一定差异。首先，用于CO还原的MEA可以更加湿润，从而有助于催化剂表面有更多的-H。此外，关于CO2还原，对于诸如图3中所示的只含AEM的MEA来说，大量的CO2可以溶解然后转移到阳极。关于CO还原，不太可能有显著的CO气体跨界转变。在这种情况下，反应环境可以是高度碱性的。可以选择在高pH环境中具有良好稳定性的MEA材料(包括催化剂)。在一些实施例中，与CO2还原相比，更薄的膜可以用于CO还原。
只含AEM的MEA的示例
1、采用电子束沉积法将铜金属(USRN 40nm厚的Cu，～0.05mg/cm2)沉积在多孔碳片(Sigracet 39BC气体扩散层)上。采用滴铸法将Ir金属纳米颗粒以3mg/cm2的负载沉积在多孔钛片上。将来自Ionomr公司的阴离子交换膜(25-50μm，80mS/cm2 OH-电导率，2-3mS/cm2HCO3 -电导率，33-37％吸水率)夹在多孔碳片和钛片之间，其中电催化剂层面向该膜。
2、Sigma Aldrich 80nm球形Cu纳米颗粒，与来自Fumatech公司的FAA-3阴离子交换固体聚合物电解质混合，FAA-3与催化剂的质量比为0.10，如上所述设置。
2017年11月9日公布的美国专利申请公告No.US2017/0321334和2019年7月25日公布的美国专利申请公告No.20190226103，描述了MEA的各种特征和示例，并通过引用完整地并入本文。本文提及的所有公告都通过引用完整地并入，就像完整地记载在本文中一样。
虽然上述讨论提供了COx MEA构造和特性的各个方面的一般概述，以下讨论旨在更加直接地陈述COx电解槽单元的其他方面。
图5描绘了典型COx电解槽单元500的分解视图。单元500可以包括插入到阳极气体扩散层(GDL)504和阴极GDL 514之间的MEA 502。阳极GDL 504可以再插入到MEA 502和阳极流场506之间，以及阴极GDL 514可以类似地插入到MEA 502和阴极流场516之间。阳极GDL504可以例如被阳极垫圈505包围，以及阴极GDL 514可以被阴极垫圈515包围；垫圈505和515可以在MEA 502和相应的流场506和516之间提供流体密封，同时垫圈505和515还提供结构支撑以防止GDL 504和514的过度压缩，但又足够薄以至于GDL不会压缩不足(例如，垫圈505和515的尺寸可以使GDL被压缩，使得GDL对流场506和516密封，以便维持恒定电接触同时防止或阻碍流体汇集)。类似地，阳极流场506可以插入到阳极GDL 504和阳极导体板508之间，以及阴极流场516可以插入到阴极GDL 514和阴极导体板518之间。这整个元素堆栈可以随后被压缩在阳极端板510和阴极端板520之间，其可以例如，使用螺纹紧固件522或其他类似夹紧机件夹在一起。阳极端板510和阴极端板520可以作为负载分布器工作，将夹紧负载均匀地分布在电解槽单元500的中间层上。
单元内每个元素都可以在单元500内提供特定的功能性。如所表明，阳极端板510和阴极端板520通常可以用作负载分布构件，其用于将夹紧负载相对均匀地分布在单元500的其他堆叠元素上。阳极端板510可以包括例如，一个或多个流体入口端口524的至少一部分，以及一个或多个流体出口端口526的至少一部分，其可用于运送流体到单元500的阳极侧和从单元500的阳极侧运送流体。在一些实现中，流体入口端口524和/或流体出口端口526可以反而至少部分地位于阳极流场506的表面，以及/或者流体入口端口524和流体出口端口526位置对调。
相应地，阴极端板520可以包括例如，一个或多个流体入口端口528的至少一部分，以及一个或多个流体出口端口530(未示出，但其在阴极侧上相对于一个或多个流体入口端口528的位置与阳极侧上一个或多个流体出口端口526相对于一个或多个流体入口端口524的位置类似)的至少一部分，其可用于运送流体到单元500的阴极侧和从单元500的阴极侧运送流体。在COx电解槽的情况下，通常流经流体入口端口528的流体是气态COx，例如CO和/或CO2。在一些实现中，流体入口端口528和/或流体出口端口530的至少一部分可以位于阴极流场516的表面。将进一步认识到，在一些情况下，入口端口524/出口端口526和/或入口端口528和出口端口530的位置可以从图5中所示的位置翻转。
阳极导体板508和阴极导体板518可以用于允许单元500与电压或电流源电连接以产生穿过单元500的电势或电流，该电势或电流可以驱动单元500内的还原和氧化反应。阳极导体板508和阴极导体板518可以各自包括一个或多个孔或进料口，以允许来自流体入口端口524和528的流体通过各自的阳极导体板508或阴极导体板518，并进入相应的阳极流场506或阴极流场516。类似地，阳极导体板508和阴极导体板518还可以各自包括一个或多个孔或进料口，以允许来自相应阳极流场506或阴极流场516的流体通过各自的阳极导体板508或阴极导体板518，并离开各自的流体出口端口526或530。
阳极导体板508可以例如，与电压或电流源的正端子电连接，且阴极导体板518可以与电压或电流源的负端子电连接。阳极导体板508和阴极导体板518可以例如，具有凸耳、端子排或其他电连接构件以在每个导体板和适当的正或负的电压或电流源之间促进电连接。当通过应用穿过阳极导体板508和阴极导体板518的电压或电流在单元500上施加电势差时，所产生的电势差在阳极引起氧化反应(例如水氧化为分子氧)，以及在阴极引起还原反应，例如将COx转化为一氧化碳、碳氢化合物和/或其他催化剂特定的副产物。
阳极导体板508可以例如，通过可以夹在阳极导体板508的导电部分和阳极端板510之间的电绝缘材料层532，与阳极端板510电绝缘。这样的电绝缘材料层532可以与阳极导体板508分离、与之接合或相反与阳极端板510一侧相接合——无论怎样提供该电绝缘材料层532，其都可以在阳极导体板508和阳极端板510之间提供电绝缘。在阳极端板510由非导电材料组成的单元500中，或在阳极端板510以其他方式与例如阴极导体板518和/或阴极端板520电绝缘的单元500中，可以省略电绝缘材料层532。类似地，阴极导体板518可以通过电绝缘材料层534与阴极端板520电绝缘，电绝缘材料层534以与电绝缘材料层532相对于阳极导体板508和阳极端板510的类似的方式工作，只是相对于阴极端板520和阴极导体板518。电绝缘材料层534可以类似地与阴极导体板518和/或阴极端板520分离，或与其中一个或另一个接合。在一些实现中，如果阴极导体板518以其他方式与阴极端板520电隔离，可以完全省略电绝缘材料层534。在一些实现中，如果单元500的组件以除了通过贯穿MEA502的导电路径以外的其他方式配置为在阴极导体板518和阳极导体板508之间维持电绝缘，甚至可以允许阴极导体板518与阴极端板520导电接触。
阳极导体板508可以与阳极流场506导电接触；类似地，阴极导体板518可以与阴极流场516导电接触。流场506和516可以由多种材料中的任何一种制成，这些材料是导电的，否则在正常操作条件下能够承受长期暴露于流过其中的流体。例如，在一些实现中，流场506和516可以由钛或钛合金、不锈钢(尽管不锈钢可以具有比其他材料更高的腐蚀敏感性)、多孔石墨、碳纤维增强的热固性聚合物等制成。
在一些实现中，可以给阳极导体板508和阴极导体板518提供高导电性涂层，例如镀金、镀铜或其他具有高电导性的材料，以在导体板和导体板分别电连接的流场之间提供更高水平的导电性。在单个流场或两个流场都由机械稳定且导电的材料(例如金属)制成和/或具有足够的强度来支撑它自身的一些实现中，可以省略单独的导体板508和518，且端子或其他促进与电解槽单元500的电连接的连接器是流场的一部分或直接安装在流场上。
流场506和516可以具有入口和出口，位置分别对应于流体入口端口524和528和流体出口端口526和530。流场506和516可以各自具有一个或多个通道，这些通道形成于流场506和516的分别与阳极GDL 504和阴极GDL 514接触的面上，路线被布置成允许通过通道传导的流体以一般分布的方式与相邻的GDL接触。
例如，阳极流场506可以以一个或多个入口开口和一个或多个出口开口为特征，这些开口分别与流体入口端口524和流体出口端口526流体连接(在图5中，这些开口是流场中的孔，当组装时，它们适当地与流体入口端口524和528以及流体出口端口526和530的孔对齐)。可以在阳极流场506的与阳极GDL 504接触的表面中提供一个或多个阳极通道，例如蛇形通道。阳极通道可以用于将被引入到单元500的阳极侧的流体分布在阳极GDL 504上，使得阳极流体能够以空间分布的方式与阳极GDL 504接触，从而允许阳极流体以穿过阳极GDL504的整个区域或整个区域的大部分相对均匀的方式流经阳极GDL 504。
类似的，阴极流场516可以以一个或多个入口开口和一个或多个出口开口为特征，这些开口可以分别与流体入口端口528和流体出口端口530流体连接(如上讨论)。可以在阴极流场516的与阴极GDL 514接触的表面中提供一个或多个阴极通道554。阴极通道554可以用于将被引入到单元500的阴极侧的流体分布在阴极GDL 514上，使得阴极流体能够以空间分布的方式与阴极GDL 514接触，从而允许阴极流体以穿过阴极GDL 514的整个区域或整个区域的大部分相对均匀的方式流经阴极GDL 514。
阳极GDL 504和阴极GDL 514两者都可以用于帮助气体穿过MEA 502的活性区域扩散，该气体在阳极流场506和阴极流场516内产生或经由阳极流场506和阴极流场516提供。适合用于COx电解槽的典型GDL可以包括例如(为例如MEA 502中的催化剂层)提供结构支撑的纤维衬底，并可以允许气体从相邻的流场流向MEA(包括在与MEA 502的平面平行的方向流动，从而允许气体在可以与GDL接触的相邻流场的部分下方横向流动)。这样的GDL还可以允许存在于MEA 502中的水或陷在GDL内和/或陷在GDL与MEA 502之间的水逸出到与GDL相邻的流场的通道中，从而有可能允许水由于流体流经该流场而从该流场排出。GDL还用作电导体，其用于传导电荷通过MEA502。
用于COx电解槽的MEA 502可以以金属纳米颗粒催化剂层为特征，该金属纳米颗粒催化剂层被按压以与阴极GDL 514接触；在一些实现中，金属纳米颗粒催化剂层可以可替代地形成于GDL 514上并被按压以与MEA 502接触，并且在进一步的实现中，可以存在可以形成于MEA 502和阴极GDL 514两者上并随后被按压以与两者接触的金属纳米颗粒催化剂层。这样的催化剂层的一个示例是支撑金纳米颗粒层或包含金纳米颗粒的碳材料层。2017年5月3日提交的标题均为“REACTOR WITH ADVANCED ARCHITECTURE FOR THEELECTROCHEMICAL REACTION OF CO2,CO,AND OTHER CHEMICAL COMPOUNDS”的两个美国专利申请No.15/586,173和15/586,182以及2019年11月25日提交的标题为“MEMBRANEELECTRODE ASSEMBLY FOR COx REDUCTION”的美国专利申请No.62/939,960讨论了用于COx电解槽的各个类型的MEA和合适的催化剂，所有这些专利申请通过引用在此完整并入本文。
上述关于图5讨论的单元结构同样可以以类似的配置但使用多个单元实现。例如，图6示出了示例多单元堆栈，该堆栈实际上可用于允许多个单元使用公共流体入口端口/出口端口和/或公共电势源。图7描绘了图6的示例多单元堆栈，但是以非分解视图的方式。此处应当注意的是，整体多单元堆栈的性能部分由多个单元的电效率和产物选择性的均匀性所限定，而这种均匀性通常由到每个单元或穿过每个单元的气流输送的均匀性所驱动。在这一点上，由于涉及到流场压降(如下所述)，流场几何形状的选择可以对整体堆栈流动均匀性有很大影响。这是因为当穿过/通过单元的压降比沿着送气室的离散位置之间的任何压差高大约一个数量级时，流动均匀性得到改善，在送气室中，集体流动被分布到堆栈内的单个单元中。因此，当使用固定的送气室几何形状时，优化流场尺寸可以对整体堆栈性能而言很重要。
在图6中，提供了堆栈601，其包括一系列的以一个在另一个顶部上的方式堆叠的四个单元600。每个单元600通常都与图5的单元500在整体构造上类似，并且包括MEA 602、阳极GDL 604(和阳极垫圈605)、阴极GDL 614(和阴极垫圈615)、阳极流场606(阳极通道以虚线轮廓示出，但由于在图中它们位于阳极流场606面向下方的那一侧，在该视图中实际不可见)和阴极流场616。单元600与单元500有一些不同，因为单元600共用公共阳极导体板608、阴极导体板618、阳极端板610、阴极端板620以及电绝缘材料层632和634。单元600还共用公共流体入口端口624和628以及公共流体出口端口626和630。鉴于以上所述，应当理解的是，本文使用的术语“单元”，可以指代具有一个或两个导体板(或其他提供穿过单元600的电势的机构，例如堆栈601的相对端上的流场，其具有允许流场与电势源电连接的电端子)的两个单元。
当组装时，以一个在另一个顶部上面的方式堆叠的单元600可以夹在阳极导体板608和阴极导体板618之间，从而当阳极导体板608和阴极导体板618与合适的电压或电流源连接时，允许形成跨单元600的整个堆栈的电势。实际上，这些单元600形成了电路，该电路中多个单元600串联排列。与此同时，阳极端板610和阴极端板620可以通过拧紧螺纹紧固件622提供的压缩来将单元600、阳极导体板608和阴极导体板618(和电绝缘材料层632和634)压缩以导致整个堆栈被固定在一起，从而导致各层相互密封并提供密封性组件。
通过流体入口端口624和628提供的流体，可以在分别进入阳极流场606和阴极流场616之前，可以分别通过送气室孔A和C行进通过堆栈601，而从阳极流场606和阴极流场616离开的流体，在分别经由流体出口端口626和630离开堆栈601之前，可以分别经由送气室孔B和D行进通过堆栈601。应当理解的是，其他实现可以以用于提供通过流场的平行流体流动(例如，经由附着在堆栈601侧面的一个或多个送气室结构，经由位于流场侧面的端口将流体引进流场)的可替代排列为特征。
在一些堆栈实现中，阳极流场606和阴极流场616可以组合成一个组件。例如，在堆栈中那些阳极流场606之一和阴极流场616之一彼此接触的位置，这样的离散组件可以被单组件的流场代替，该单组件的流场例如包括板，该板一侧具有来自阳极流场606的通道，另一侧具有来自阴极流场616的通道。
应当理解的是，这样的排列允许多个单元600并行运行，但使用公共流体入口端口和流体出口端口，以及公共电连接。另外，应当认识和理解的是，尽管图6的实现示出了4单元的堆栈601，但其他实现可以以更多或更少数量的单元(例如2单元或3单元的堆栈601，或具有多达5个单元、10个单元、20个单元、50个单元、100个单元、200个单元等的堆栈)为特征。还应当理解的是，尽管图5-7的所描述的示例COx电解槽中的单元在MEA面积大小方面与通道宽度相比相对较小，但其他COx电解槽的尺寸可以具有与通道宽度相比大得多的MEA。例如，MEA可以从5x5cm到10x10cm一直到80x80cm或者更大。MEA也不一定需要在长宽比上为正方形，如图5到7所示。
如前面所提到，在COx电解槽中，在运行期间可以将液态水提供给单元500的阳极侧，同时可以将气态COx提供给单元500的阴极侧。在一些实现中，可以提供水溶液以代替水，并且本文中提到的水也可以理解为也包括水溶液的使用。液态水可以通过在单元500的阳极侧的电解反应，经过氧化以产生氧气(O2)气体，H+质子和电子。由于跨单元500施加的电势所导致的单元500内存在的电磁场，H+质子可以被拉动通过MEA 502，并可以与在阴极产生的碳酸氢根和/或氢氧根和/或甲酸反应。
由于其他各种原因，水可以进入MEA的阴极。在一些实现中，液态水通过一种或多种现象运输到阴极。因此，来自单元500的阳极侧的水分子可以被运输到单元500的阴极侧，例如通过H+质子从单元500的阳极侧移动到单元500的阴极侧所引起的电渗拖拽。水输送到单元500的阴极侧的速率和/或水在单元500的阴极侧内产生的速率可以非常高，例如对于通过COx气体的还原而产生的每一个CO气体分子，可以有例如介于5到9个之间的水分子在单元500的阴极侧生成和/或被拉到单元500的阴极侧。这种不平衡带来了一个重大挑战——对于在单元500的阴极侧被还原的每一个COx气体分子，可能需要将介于5到9个之间的水分子从单元500的阴极侧移除。在一些COx气体电解槽中，诸如那些可能使用铜催化剂并可能用于生成CH4的电解槽中，对于在单元500的阴极侧被还原的每一个COx气体分子，可能需要将介于5到36个之间的水分子从单元500的阴极侧移除，这带来了甚至更大的水管理的挑战。
与在燃料电池阴极侧的典型气体流速相比相对较低的COx气体的气体流速，以及与燃料电池相比COx电解槽中所使用的相对较低的温度和较高的压力，使得在单元500的阴极侧COx气体还原的速率和水积聚的速率之间的这种不平衡被进一步复杂化。例如，燃料电池可以使用氮气(N2)稀释在燃料电池阴极的O2的流动，从而允许燃料电池使用比COx电解槽可以使用的更高的体积流速。这种较高的体积流速可以允许在燃料电池中提供比COx电解槽更快的水分子排出速率。相比之下，提供给COx电解槽的COx气体通常可以是高纯度COx气体，其与COx电解槽中可能常见的较高工作压力结合，可以允许使用低得多的体积流速在COx电解槽内提供与同等尺寸的燃料电池相比相似的所需反应物气体流动水平。与燃料电池相比COx电解槽中存在的一般较慢的流速，与在单元500阴极侧的较高的水生成速率和/或到单元500阴极侧的较高的水迁移速率相结合，如果处理不当，可以引起COx电解槽中的重大问题，而这些问题在燃料电池中并不需要过分担心。
例如，在燃料电池运行期间大约90％的生成于/输送到电池阴极侧的水可以是气相的，因此与在COx电解槽运行期间生成于/输送到单元500阴极侧的水相比，能轻易地流出阴极流场516。在典型的COx电解槽中，少于2％的生成于/输送到单元500阴极侧的水可以是气相的；其余是液相。由于COx电解槽中这种显著的液相/气相的不平衡，以及显著较高的水凝聚速率，COx电解槽面临关于液态水管理的独特问题，而燃料电池中不会遇到这些问题。当然，这些问题也不会出现在水电解槽中，因为首先输送到水电解槽阴极侧的反应物是液态水，因此在阴极中存在液态水不仅是预期的，而且是所需且被设计如此的。
在COx电解槽中，在单元500阴极侧存在的高浓度的液态水带来了特定的挑战，为了COx电解槽能够有效运行，必须克服这些挑战。特别是，在COx电解槽阴极侧存在的液态水可能会干扰气态COx通过阴极GDL 514流向MEA 502。例如，在阴极通道554和/或阴极GDL514中聚集的多余液态水可以形成物理屏障，该屏障阻塞部分阴极通道554和/或阴极GDL514并阻止气态COx与部分或全部MEA 502相接触。这限制了单元500的还原效率，并在一些情形下，甚至可以对单元500造成永久性损伤，即使之后除去液态水，该损伤也可能减小单元500今后的还原效率。如果在COx电解槽中存在过量液态水，可能发生的另一个问题是，水可能会代替COx气体被还原，导致产生氢气，而非期望的反应产物。
COx电解槽不仅可以有显著高于相似尺寸的燃料电池反应器的液态水产生速率，而且还可以往往在某些条件下运行，这些条件至少与燃料电池相比往往抑制COx电解槽在一些方面补偿这种增加的液态水产生的能力。例如，与提供给COx电解槽的阴极侧的输入气体相比，提供给燃料电池的阴极侧的输入气体(例如空气)往往以较高的流速提供。由于空气是丰富可用的，几乎不需要担心燃料电池提供比能够用于燃料电池的还原反应的更多的空气。因此，可以以比支持燃料电池内发生的还原反应所需的高得多的流速将空气提供给燃料电池中的阴极流场，从而允许更多的动能用于燃料电池阴极输入气流，其可以用于协助强制排出积聚在燃料电池阴极流场内的水。此外，在燃料电池中，氧化剂气体通常可以用其他气体(例如空气中的氮气)稀释，因此可以使用较高的流速以确保氧化剂气体到燃料电池的阴极侧的充足输送速率。燃料电池中增加的流速可以用于强制推动存在于阴极流场通道中的任何潜在的液态水滴通过流场并到达阴极流场的流体出口端口，从而将流场通道中存在的仅有的少量液态水从流场快速排出。
相比之下，COx电解槽中的输入气体是COx气体，并且使用COx电解槽的主要原因之一是，通过将COx气体转化成其他更加所需的气体或液体(诸如具有商业价值的气体或液体或对环境危害较小的气体或液体，例如水和/或氧气)来减少可能对环境有害的COx排放。因此，可能希望将COx气体的流速降低到某一水平，该水平在给定的用于COx电解槽的电流密度下仍能达到高的(并且优选为最高的)COx还原，而且还减少或最小化流经COx电解槽且未被还原的额外COx气体的量。
由于这些因素，COx电解槽可以使用高纯度、未稀释的一个或多个输入气体流(例如纯净COx气体或相对纯净的COx气体)来运行，输入气体流以至少与具有类似构造的同等尺寸的燃料电池相比相对较低的速度流入单元的阴极侧。例如，一些COx电解槽可以能够在与典型燃料电池相当或更低的流速下运行。在一些实现中，COx电解槽被配置为以在流场通道中介于约0.02m/s到约30m/s、约0.02m/s到约15m/s、约15m/s到约30m/s、约0.02m/s到约7.5m/s、约7.5m/s到约15m/s、约15m/s到约23m/s、约23m/s到约30m/s、约0.02m/s到约3.8m/s、约3.8m/s到约7.5m/s、约7.5m/s到约11m/s、约11m/s到约15m/s、约15m/s到约19m/s、约19m/s到约23m/s、约23m/s到约26m/s或约26m/s到约30m/s之间的平均COx气体流速运行。在一些实现中，COx电解槽被配置为以介于约2m/s到10m/s或约5m/s到10m/s或约7.5m/s到约10m/s之间的COx气体流速运行。
如所表明的，在一些实现中，COx电解槽中相对低的流速带来优点，诸如由于低的摩尔流速而导致的相对高的COx利用率(不要与转换效率混淆)，该摩尔流速通常与低的体积或线性流速相关联。另一个益处是将MEA维持在可接受的水合作用水平。高的气体流速往往使MEA变干燥，从而导致性能劣化。此外，对于固定的利用，较低的气体速度允许流场设计具有较短的通道，因此每单元具有的通道较多。在一些实施例中，COx电解槽被配置为以在流动通道中介于约0.02m/s到约5m/s、约0.02m/s到约2.5m/s、约2.5m/s到约5m/s、约0.02m/s到约1.3m/s、约1.3m/s到约2.5m/s、约2.5m/s到约3.8m/s、约3.8m/s到约5m/s、约0.02m/s到约0.64m/s、约0.64m/s到约1.3m/s、约1.3m/s到约1.9m/s、约1.9m/s到约2.5m/s、约2.5m/s到约3.1m/s、约3.1m/s到约3.8m/s、约3.8m/s到约4.4m/s或约4.4m/s到约5m/s之间的COx流速运行。
相比之下，COx电解槽中所看到的典型的较低流速，结合显著较高的液体水引入到单元500的阴极侧的速率，使得与其他电化学设备(例如燃料电池或水电解槽)相比，COx电解槽中的排水更具挑战性。
流场设计
可以使用各种特征和技术帮助减轻COx电解槽阴极中液态水积聚的有害影响。例如，阴极流场516可以构造成具有一个或多个允许在单元500内的更有效的液态水管理的结构特征。
例如，阳极流场506和阴极流场516两者都可以分别具有相应的一个或多个阳极通道544和一个或多个阴极通道554。例如，阴极通道554可以设计为具有某些特征，当液态水聚集在单元500的阴极侧内时，这些特征可以促成在COx电解槽情境中更有效的排水，并且/或者可以减轻在这样的COx电解槽中可能发生的潜在性能劣化。
蛇形通道流场
虽然可以在COx电解槽中使用各种流场通道的几何形状，但多重蛇形通道通常提供优异的性能，包括提供COx气体到阴极GDL 514并因此到MEA 502的可靠的、均匀的分布，同时还有助于可靠地去除否则可能会积聚在阴极流场516和阴极GDL 514内的液态水。蛇形通道通常具有重复的较长段，这些较长段在大体平行的方向上延伸，并由以交替的方式(很像之字形)流体插入到这些较长段之间的较短段流体连接到一起。
为了本公开的目的，术语“流体连接”用于可在结构上以某种方式与彼此相连以形成流体连接的体积、送气室、孔等，类似于术语“电连接”用于连接到一起以形成电连接的组件。如果使用术语“流体连接”，可以用来指代与至少两个其他组件、体积、送气室或孔流体连接的组件、体积、送气室或孔，使得从那些其他组件、体积、送气室或孔之一流向那些组件、体积、送气室或孔的其他或另一个的流体在到达那些组件、体积、送气室或孔的其他或另一个之前，会首先流经“流体插入”的组件。例如，如果泵被流体插入到储液器和出口之间，从储液器流到出口的流体在到达出口之前会首先流经泵。
在大面积单元(例如大于100cm2)的COx电解槽情境中，单蛇形通道排列可能具有有限的排水性能。然而，对于一些应用来说，它们的性能可以是足够的。在单蛇形通道排列中，例如诸如图8所示，单个连续的蛇形通道856以之字形延伸穿过阴极流场816的区域852，该区域由较短段862和第一以及最后的较长段860所包围。因此蛇形通道856是COx气体进入相应阴极GDL和MEA的唯一管道，也是液态水从阴极GDL经由该区域进入阴极流场816的唯一管道。因此，液态水添加到蛇形通道856的速率等于液态水从区域852流出并流入阴极流场816的速率。液态水引入到这样的蛇形通道856的高速率，结合这些水在到达流体出口端口(诸如流体出口端口830)之前为了被推动通过蛇形通道856所必须行进的长的平均距离，通常使得适当管理阴极流场816内的液态水水平非常具有挑战性，致使使用这种单通道蛇形阴极流场816的COx电解槽与使用例如多重蛇形通道排列的COx电解槽相比，具有显著受损的性能。在一些实现中，单个蛇形通道具有约12m或更短，或约6m或更短，或约2m或更短的总通道长度(从入口到出口的距离)。
多重蛇形通道可以指代通常沿着共同蛇形路径从而导致单独蛇形通道的交错或嵌套排列的多个单独的蛇形通道，或者可以指代并排排列或以其他方式排列以致平行流动的相同蛇形通道(或几乎相同的蛇形通道)的多个实例。图9描绘了前一种排列，其在本文也可以指代嵌套或交错的多重蛇形通道排列。在图9中，示出了四个通常沿着相同蛇形路径的蛇形通道(其中两个通道内部以白色填充示出，两个通道内部以阴影填充示出，以便区分它们；还示出了表示具有这样排列的流场的组合开放通道面积和壁占用空间面积的虚线矩形)。开放通道面积指气体可以穿过其离开流场并进入GDL的总面积；在具有恒定且相等宽度路径的流场中，开放通道面积通常会等于通道的总路径长度乘以通道宽度。流场的壁占用空间面积指流场某部分的面积，该部分定义流场的一个或多个通道的相邻部分之间的壁，且该部分被按压与GDL接触。因此，这两个面积都在被按压与GDL接触的流场的平面内被评估。流体可以通过入口和出口端口(终止于黑色实心小圆圈的短段)引入到蛇形通道/从蛇形通道移除。在图10中，示出了四个多个蛇形通道的并排排列的类似排列，其在本文也可以被称为并排多重蛇形通道。图10中使用了如图9中所使用的关于入口/出口、组合开放通道面积和壁占用空间面积以及使用阴影/非阴影填充来说明不同通道的类似约定。
在这些排列中，每个独立蛇形通道的总长度通常可以等于多重蛇形通道(尽管在嵌套或交错的多重蛇形通道排列中，取决于通道如何排列，可以存在长度上的一些微小变化，例如在每个通道中是否存在奇数或偶数的较长段)中的其他独立蛇形通道的总长度，导致了通道(假设每个这样的通道在两端都与相同的流体环境流体连接)之间通常相等的流动阻力、压降以及运输时间。
图11描绘了阴极流场1116的示例，该阴极流场1116包括双通道的多重蛇形通道排列。可以看出，阴极流场1116具有流体入口端口1128和流体出口端口1130。示出了两个蛇形通道1156a和1156b，它们沿着共同的蛇形路径(未示出，但通常由分隔壁1166所沿着的路径来表示，该分隔壁1166将两个蛇形通道1156a和1156b分隔开)。蛇形通道1156a和1156b以大致前后串联的方式之字形穿过区域1152。因此，流经蛇形通道1156a和1156b两者之一的流体，例如COx气体，通常可以在对应于区域1152的区域内均匀地输送到相邻的阴极GDL。与此同时，从相邻阴极GDL流进阴极流场1116的任何液态水往往可以相应地均匀地运输到蛇形通道1156a和1156b两者。因此，假设用阴极流场1116被替换为图8的阴极流场816，每个蛇形通道1156会接收大约一半的被输送到图8的单个蛇形通道856的水。一般来说，输送到具有多重蛇形通道排列的阴极流场中每个蛇形通道的水的量将会等于多重蛇形通道排列所接收的水的总量除以多重蛇形通道排列中单独通道的数量。这具有减少每单位时间必须从每个蛇形通道排出的水的量的效果，可以使得如果气体流速保持不变或至少不按比例降低的话，在COx电解槽内适当管理液态水条件更加可行。例如，每通道水的量越低，质量就越小，将其通过通道推至阴极流场1116的流体出口端口1130所需的能量就越少。因此，可以使用较低的阴极流场1116的流体入口端口1128和流体出口端口1130之间的压力差，同时仍提供有效的从阴极流场1116的液态水排出。
多重蛇形通道还可以允许在它们内流动的流体跨阴极GDL 514分布得相对均匀，但与具有相同或类似的通道深度和宽度以及与阴极GDL 514接触的总开放通道面积但此类通道数量较少的多重蛇形通道或单蛇形通道实现相比，每个这样的蛇形通道的总流动路径长度减小。例如，对于给定的多重蛇形通道排列，可能希望将蛇形通道的至少较长部分的相邻部分之间的距离维持在彼此的最小距离内。对于每一个包含在多重蛇形通道排列中的附加蛇形通道，使用总长度越来越短的蛇形通道可以满足这种通道间的间距限制。为了清楚起见，蛇形通道的总长度是指蛇形通道所有较长段的平均路径长度的总和，加上将那些较长段互相流体连接的较短段的总平均路径长度，加上流体插入在蛇形通道的入口和出口之间的任何其他段的总平均路径长度。
此外，随着蛇形通道长度减少，液态水为了从这样的蛇形通道排出所必须行进的平均潜在距离也会减少，潜在地需要移除的最大水量通常也会减少。因此，当水聚集在这样的蛇形通道内时，将水从这样的蛇形通道排出所需的能量更少；这是因为可能需要从这样的通道移除的最大水量将少于在更长长度的通道(具有相同的一般横截面积)中需要移除的最大水量——因此移动的质量更少。除此之外，为了将其通过这样的通道推至流体出口端口，这样的水体必须位移的距离通常会小于为了将其通过更长长度通道被推至流体出口端口的类似的水体必须位移的距离。当然，水体为了通过通道被推至流体出口端口而必须位移的距离取决于水体位于通道内的位置。然而，平均来看，为了将这样的水体移动到具有这样通道的流场的流体出口端口，聚集在更短长度通道中的水体比聚集在更长长度通道中的水体需要位移的量更小。由于在具有更短长度通路的流场中移动这些水体(水滴)所需的能量更少，可以使用更低的气体流速和更低的压降。在一些实施例中，阴极流场具有长度约为12m或更短，或者约为10m或更短，或者约为6m或更短的蛇形通道。例如，总长度在小于约6米的量级(例如小于约6米、小于约5.5米、小于约5米、小于约4.5米、小于约4米、小于3.5米、小于约3米、小于约2.5米或小于约2米)的蛇形通道在一些实现中可以在阴极流场516中提供流体流动路径，该路径允许COx气体的流动跨阴极GDL 514的宽的区域分布，同时避免蛇形通道太长使得将液态水从这样的蛇形通道内排出变得很困难。与此同时，太短的蛇形通道可能使得维持穿过阴极流场516的所需压降(见于下面的后续讨论)具有挑战性。为此，一些阴极流场蛇形通道可以配置为总长度大于或等于1.5米。
在一些实现中，阴极流场的单独蛇形通道的长度可以介于约1.5m到约12m之间、约1.5m到约6m之间、约1.5m到约3.8m之间、约3.8m到约6m之间、约1.5m到约2.6m之间、约2.6m到约3.8m之间、约3.8m到约4.9m之间、约4.9m到约6m之间、约1.5m到约2.1m之间、约2.1m到约2.6m之间、约2.6m到约3.2m之间、约3.2m到约3.8m之间、约3.8m到约4.3m之间、约4.3m到约4.9m之间、约4.9m到约5.4m之间、约5.4m到约6m之间、约1.5m到约1.8m之间、约1.8m到约2.1m之间、约2.1m到约2.3m之间、约2.3m到约2.6m之间、约2.6m到约2.9m之间、约2.9m到约3.2m之间、约3.2m到约3.5m之间、约3.5m到约3.8m之间、约3.8m到约4m之间、约4m到约4.3m之间、约4.3m到约4.6m之间、约4.6m到约4.9m之间或约4.9m到约5.2m之间。应理解的是，除非上下文另有指示，本文上下文中提及关于“介于”两个其他值之间的值，是指包括这两个其他值之间的值以及这两个其他值自身的值。
在具有蛇形通道的阴极流场中，将蛇形通道配置为具有特定结构特性可以是有益的，这些结构特性可以提供增强的液态水去除同时提供到阴极GDL的有效COx输送。例如，在上述讨论的长度范围内的蛇形通道可以进一步限制为具有特定的宽度(蛇形通道在与阴极GDL 514平面平行且横断于通道沿着的路径的方向(或者，通常横断于通过通道的流体流动的标称流动方向)上的尺寸)和深度(蛇形通道在与阴极GDL 514的平面垂直的方向上的尺寸)，以进一步增强它们在COx电解槽情境中的除水性能。为了清楚起见，阴极GDL 514通常呈薄片形式，当其与MEA 502和阳极GDL 504堆叠在一起时，该薄片在阴极流场516和阳极流场506之间被压缩成标称平面的几何形状；因此提及关于“阴极GDL平面”，应理解为是指通常与处于这种状态的阴极GDL 514平行并重合的平面。例如，这样的蛇形通道可以具有介于约0.3mm到约2mm、约0.3mm到约1.2mm、约1.2mm到约2mm、约0.3mm到约0.72mm、约0.72mm到约1.2mm、约1.2mm到约1.6mm、约1.6mm到约2mm、约0.3mm到约0.51mm、约0.51mm到约0.72mm、约0.72mm到约0.94mm、约0.94mm到约1.2mm、约1.2mm到约1.4mm、约1.4mm到约1.6mm、约1.6mm到约1.8mm或约1.8mm到约2mm之间的宽度。
这样的蛇形通道还可以具有介于约0.3mm到约3mm、约0.3mm到约1.6mm、约1.6mm到约3mm、约0.3mm到约0.98mm、约0.98mm到约1.6mm、约1.6mm到约2.3mm、约2.3mm到约3mm、约0.3mm到约0.64mm、约0.64mm到约0.98mm、约0.98mm到约1.3mm、约1.3mm到约1.6mm、约1.6mm到约2mm、约2mm到约2.3mm、约2.3mm到约2.7mm或约2.7mm到约3mm之间的深度。
特别是，在一些具有蛇形通道的阴极流场实现中，通道的尺寸可以设置为使每通道的开放表面积，即，被与阴极GDL接触的通道边缘包围的面积，介于约750mm2到约200000mm2、约750mm2到约100000mm2、约100000mm2到约200000mm2、约750mm2到约51000mm2、约51000mm2到约100000mm2、约100000mm2到约150000mm2、约150000mm2到约200000mm2、约750mm2到约26000mm2、约26000mm2到约51000mm2、约51000mm2到约75000mm2、约75000mm2到约100000mm2、约100000mm2到约130000mm2、约130000mm2到约150000mm2、约150000mm2到约180000mm2或约180000mm2到约200000mm2之间。
在一些这样的实现中，这样的通道尺寸可以进一步设置为使每个这样的通道的横截面积(或者多个面积，如果通道沿着其长度具有变化的横截面积)，即，通道在垂直于正常运行条件下流体通过通道流动的方向的平面上的面积，或垂直于通道穿过阴极流场沿着的路径的平面上的面积，介于约0.15mm2到约6mm2、约0.15mm2到约3.1mm2、约3.1mm2到约6mm2、约0.15mm2到约1.6mm2、约1.6mm2到约3.1mm2、约3.1mm2到约4.5mm2、约4.5mm2到约6mm2、约0.15mm2到约0.88mm2、约0.88mm2到约1.6mm2、约1.6mm2到约2.3mm2、约2.3mm2到约3.1mm2、约3.1mm2到约3.8mm2、约3.8mm2到约4.5mm2、约4.5mm2到约5.3mm2或约5.3mm2到约6mm2之间。
在又进一步的实现中，每个这样的通道的总通道体积可以介于约200μl到约36000μl、约200μl到约18000μl、约18000μl到约36000μl、约200μl到约9200μl、约9200μl到约18000μl、约18000μl到约27000μl、约27000μl到约36000μl、约200μl到约4700μl、约4700μl到约9200μl、约9200μl到约14000μl、约14000μl到约18000μl、约18000μl到约23000μl、约23000μl到约27000μl、约27000μl到约32000μl或约32000μl到约36000μl之间。
在一些这样的实现中，具有蛇形通道的阴极流场也可以具有有关插入在一个或多个蛇形通道的相邻较长段之间的壁的厚度的结构特性。例如，一个或多个蛇形通道的相邻较长段之间的壁厚(以及因此也是该通道或那些通道彼此最接近的表面之间的距离)可以选择为介于该蛇形通道或那些蛇形通道(后一种情况适用于如果壁将两个不同蛇形通道的较长部分彼此分隔开的情况——为了清楚起见，该情况下“平均”总长度是指两个蛇形通道的总长度的和的一半)的平均总长度的介于约0.00005到约0.0013333、约0.00005到约0.00069、约0.00069到约0.0013333、约0.00005到约0.00037、约0.00037到约0.00069、约0.00069到约0.001、约0.001到约0.0013333、约0.00005到约0.00021、约0.00021到约0.00037、约0.00037到约0.00053、约0.00053到约0.00069、约0.00069到约0.00085、约0.00085到约0.001、约0.001到约0.0012或约0.0012到约0.0013333倍之间。在一些这样的具有像那些上述讨论的尺寸特性的蛇形通道实现中，壁厚可以例如，介于约0.3mm到约2mm、约0.3mm到约1.2mm、约1.2mm到约2mm、约0.3mm到约0.72mm、约0.72mm到约1.2mm、约1.2mm到约1.6mm、约1.6mm到约2mm、约0.3mm到约0.51mm、约0.51mm到约0.72mm、约0.72mm到约0.94mm、约0.94mm到约1.2mm、约1.2mm到约1.4mm、约1.4mm到约1.6mm、约1.6mm到约1.8mm或约1.8mm到约2mm之间。
具有诸如那些上述讨论的特性的蛇形通道阴极流场在COx电解槽情境中，例如在COx电解槽(诸如本文先前讨论过的)中常见的运行条件下，与具有其他这些特性(诸如可以设计用于燃料电池的特性)的蛇形通道阴极流场相比，可以提供优异的液态水排出性能。
尽管在阴极流场中包含越来越多的数量的多重蛇形通道通常似乎是可取的，但阴极流场516的流场通道数量的无限制增加可能适得其反。阴极流场516中存在的每个额外的平行流场通道都可以代表流经多重蛇形通道的流体如果被阻止流经多重蛇形通道排列中的一个或多个其他蛇形通道时可以采取的另一条路径。当发生这种流体改道时，可以造成沿着通道(例如从通道起点到通道终点)的压力差增加，其可以导致压在阻塞物上的流体对阻塞物施加更大的压力，从而增加驱逐、推动阻塞物(液态水)通过被阻塞的蛇形通道，并最终经由流场出口(诸如流场出口1830)从阴极流场516排出的可能性。然而，如果存在足够多数量的通道，任何一个通道(或少量通道)的阻塞在任何单个通道中可能导致出现的压力差增量，比具有更少数量通道的流场中同等数量的通道被阻塞时所产生的压力差增量小得多。简而言之，被阻塞并改道通过其他未阻塞通道的气流可以被分配到更多的可替代通道之间，从而导致与类似阻塞情形下具有更少数量的通道的情况相比，必须流经每个通道的额外气体量更少。必须流经每个通道的额外气体量越少，适应这种变化所需的压降变化越小。因此，随着存在的通道数量增加，当由于一个或多个通道阻塞导致气流改道从其通过时在未阻塞通道中可能产生的压降的增量减小。
与此同时，如果蛇形通道的总长度足够长，例如0.3m到6m，则跨每个这样的通道产生的压降可以足够高，以至于不管存在多少通道该压降都可以用于帮助排除可能存在于任何单独蛇形通道内的任何阻塞物，例如水。例如，用于COx电解槽的蛇形通道可以具有这样的尺寸和运行条件(例如流体入口端口压力)，其被选择为使得在这样的蛇形通道的正常运行流动期间产生0.001psi到4psi的压降，该压降高到足以排除可能存在于蛇形通道内的潜在的水阻塞物；虽然也可以使用更高的压降，但就排水而言是不必要的，并且只会导致在该压降条件下浪费将流体通过蛇形通道移动所需的能量。在一些实现中，用于COx电解槽的蛇形通道可以具有这样的尺寸和运行条件(例如流体入口端口压力)，其被选择为使得在COx电解槽的正常运行流动条件下产生介于约0.001psi到约4psi、约0.001psi到约2psi、约2psi到约4psi、约0.001psi到约1psi、约1psi到约2psi、约2psi到约3psi、约3psi到约4psi、约0.001psi到约0.5psi、约0.5psi到约1psi、约1psi到约1.5psi、约1.5psi到约2psi、约2psi到约2.5psi、约2.5psi到约3psi、约3psi到约3.5psi、约3.5psi到约4psi、约0.001psi到约0.25psi、约0.25psi到约0.5psi、约0.5psi到约0.75psi、约0.75psi到约1psi、约1psi到约1.3psi、约1.3psi到约1.5psi、约1.5psi到约1.8psi、约1.8psi到约2psi、约2psi到约2.3psi、约2.3psi到约2.5psi、约2.5psi到约2.8psi、约2.8psi到约3psi、约3psi到约3.3psi、约3.3psi到约3.5psi、约3.5psi到约3.8psi、约3.8psi到约4psi、约0.001psi到约0.13psi、约0.13psi到约0.25psi、约0.25psi到约0.38psi、约0.38psi到约0.5psi、约0.5psi到约0.63psi、约0.63psi到约0.75psi、约0.75psi到约0.88psi、约0.88psi到约1psi、约1psi到约1.1psi、约1.1psi到约1.3psi、约1.3psi到约1.4psi、约1.4psi到约1.5psi、约1.5psi到约1.6psi、约1.6psi到约1.8psi、约1.8psi到约1.9psi、约1.9psi到约2psi、约2psi到约2.1psi、约2.1psi到约2.3psi、约2.3psi到约2.4psi、约2.4psi到约2.5psi、约2.5psi到约2.6psi、约2.6psi到约2.8psi、约2.8psi到约2.9psi、约2.9psi到约3psi、约3psi到约3.1psi、约3.1psi到约3.3psi、约3.3psi到约3.4psi、约3.4psi到约3.5psi、约3.5psi到约3.6psi、约3.6psi到约3.8psi、约3.8psi到约3.9psi或约3.9psi到约4psi之间的压降。在一些其他实现中，用于COx电解槽的蛇形通道可以具有这样的尺寸和运行条件(例如流体入口端口压力)，其被选择为使得在COx电解槽的正常运行流动条件下，产生介于约4psi到约50psi、约4psi到约27psi、约27psi到约50psi、约4psi到约16psi、约16psi到约27psi、约27psi到约38psi、约38psi到约50psi、约4psi到约9.8psi、约9.8psi到约16psi、约16psi到约21psi、约21psi到约27psi、约27psi到约33psi、约33psi到约38psi、约38psi到约44psi、约44psi到约50psi、约4psi到约6.9psi、约6.9psi到约9.8psi、约9.8psi到约13psi、约13psi到约16psi、约16psi到约18psi、约18psi到约21psi、约21psi到约24psi、约24psi到约27psi、约27psi到约30psi、约30psi到约33psi、约33psi到约36psi、约36psi到约38psi、约38psi到约41psi、约41psi到约44psi、约44psi到约47psi或约47psi到约50psi之间的压降。在一些其他实现中，用于COx电解槽的蛇形通道可以具有这样的尺寸和运行条件(例如流体入口端口压力)，其被选择为使得在COx电解槽的正常运行流动条件下产生介于约0.001psi到约50psi、约0.001psi到约25psi、约25psi到约50psi、约0.001psi到约13psi、约13psi到约25psi、约25psi到约38psi、约38psi到约50psi、约0.001psi到约6.3psi、约6.3psi到约13psi、约13psi到约19psi、约19psi到约25psi、约25psi到约31psi、约31psi到约38psi、约38psi到约44psi或约44psi到约50psi之间的压降。上面列出的范围内的压降可以高到足以排除可能存在于这样的蛇形通道内的潜在的水阻塞物，特别是在COx电解槽往往表现出高产水率的情境下。
图12到图14描绘了可以用于一些实现的示例阴极流场1216。所描绘的流场具有15个通道和9个通过次数(pass)。在一个实现中，所描绘的流场具有700cm2的平面表面积(面向GDL)。图12描绘了等距视图，以及图14描绘了图12中被圆圈包围的部分的详细视图。图13描绘了图12的等距视图，但省略了流场的大部分通道，只留下三个通道1258a、1258b和1258c可见；该视图旨在使得更容易地看到各个通道沿着的代表性蛇形路径。阴极流场1216实际包括15个通道1258。示例阴极流场1216中的通道分别深0.66mm，宽0.81mm，且每个通道长度为～2310mm，通道开放面积为～1880mm2，体积为～1240mm3。在本示例中，阴极流场1216的总开放通道面积为28200mm2。15个通道中的每一个都由宽1.12mm的壁与任何相邻的通道隔开，且阴极流场的尺寸约为265mm乘265mm，约40％的阴极流场1216表面积被通道1258占据。所描绘的阴极流场1216被设计为接收(并输送)来自外部歧管的流体，该外部歧管可以抵靠阴极流场的外边缘安装，以便使流体从侧面流入或流出通道1258。
图15到图17描绘了可以用于一些实现的另一个示例阴极流场1516。所描绘的流场具有34个通道和7个通过次数。在一个实现中，所描绘的流场具有1600cm2的平面表面积(面向GDL)。像图12到图14那样，图15描绘了等距视图，以及图17描绘了图15中被圆圈包围的部分的详细视图。图16描绘了图15的等距视图，但省略了流场的大部分通道，只留下三个通道1558a、1558b和1558c可见；像图14那样，该视图旨在使得更容易地看到各个通道沿着的代表性蛇形路径。阴极流场1516实际包括34个通道1558。示例阴极流场1516中的通道分别深0.66mm，宽0.76mm，且每个通道长度为～2440mm，通道开放面积为～1880mm2，体积为～1230mm3。在本示例中，阴极流场1516的总开放通道面积为63230mm2。34个通道中的每一个都由宽1.14mm的壁与任何相邻的通道隔开，且阴极流场的尺寸约为360mm乘450mm，约39％的阴极流场1516表面积被通道1558占据。像阴极流场1216那样，所描绘的阴极流场1516被设计为接收(并输送)来自外部歧管的流体，该外部歧管可以安装在阴极流场的外边缘上，以便使流体从侧面流入或流出通道1558。
在某些实施例中，如图12-17中的蛇形流场，通道深度约为0.5mm到1.5mm。在某些实施例中，图12-17的流场中的每个流动通道的标称长度约为300mm到3000mm。在某些实施例中，图12-17的流场中的标称通道宽度约为0.5mm到1mm。在某些实施例中，图12-17的流场中的标称通道分隔距离约为1mm到1.5mm。
在一些实现中，蛇形通道阴极流场可以以在较长段和较短段之间具有圆形或平滑的过渡而不是在这些段之间具有急剧的过渡的蛇形通道为特征。例如，图18描绘了阴极流场1816的示例，该阴极流场具有排列在多重蛇形通道排列中的四个阴极蛇形通道1856。应当注意的是，与图8和图11中描绘的单通道和双通道蛇形排列不同，较长段之间的过渡是由弧形较短段而不是直线较短段提供的。在其他实现中，较短段仍然可以包括直线部分，但可以通过更小的弧形段连接到流体相邻的较长段。这样的阴极流场可以进一步增强COx电解槽的排水性能，因为蛇形通道中不存在尖锐的内角，可以消除流体流动的潜在的死区或停滞位置，否则死区或停滞位置可以用作在阴极流场使用期间液态水能够在其中聚集并无限期停留的位置。
流场通道的其他方面也可以可替代地或额外地修改，以促进更有效的液态水排出。例如，图19描绘了压在阴极GDL 1914上的阴极流场1916的横截面视图。在压在阴极GDL1914上的阴极流场1916的正面形成了多个正方形或矩形横截面的蛇形通道1956。这些蛇形通道1956在它们的内底边1957处具有尖角，这些尖角可以作用产生小的流体流动停滞区域，其可以导致在正常COx电解槽运行条件下液态水不能轻易排出。
相比之下，图20示出了类似结构的横截面视图，该结构具有压在阴极GDL 2014上的阴极流场2016。在压在阴极GDL 2014上的阴极流场2016的正面形成了多个正方形或矩形横截面的蛇形通道2056。与蛇形通道1956不同，蛇形通道2056在它们的内底边2057具有圆角，这些圆角可以作用于减小此类通道底部内边区域的流动停滞，从而在正常COx电解槽运行条件下促进液态水排出。
图21是在正常COx电解槽运行条件下可以更轻易排出液态水的阴极流场的进一步示例。可以看出，阴极流场2116压在阴极GDL 2114上。在压在阴极GDL 2114上的阴极流场2116的正面形成了多个U形横截面的蛇形通道2156。在这种情况下，由于此类蛇形通道2156的底面为半圆形，蛇形通道2156的内底边实际上不存在，该半圆形底面可以进一步减小此类通道中的流动停滞，从而在正常COx电解槽运行条件下进一步促进液态水排出。
在一些其他或额外的实现中，蛇形通道阴极流场可以在一个或多个蛇形通道的一些或全部较长段之间具有可变宽度的壁。图22描绘了这样的阴极流场的示例。在图22中，示出了阴极流场2216，其具有四通道蛇形排列，其中每个蛇形通道2256具有较长段2260和较短段2262。应当注意的是，多重蛇形通道排列具有“半岛(peninsular)”壁2264，其插入在公共蛇形通道2256a(或2256b)的相邻的较长段2260之间，这些相邻较长段2260在当流体流经蛇形通道2256时具有相反的流体流动方向(通常所有嵌套或交错的多重蛇形通道排列都具有半岛壁；由于本示例实现的细节，此处只专门标注它们)。
从图22可以看出，半岛壁2264可以具有变化的壁厚。例如，半岛壁2264具有根部宽度2268(其可被认为是半岛壁的“根”)，以及在它们的相对端具有尖端宽度2270，半岛壁2264在根部宽度2268处与阴极流场的外周区域连接。与半岛壁2264的尖端相比，在根部增加的宽度可以减小通过阴极GDL的气流可能通过在壁下面通过(即，通过夹在阴极流场2216和MEA(未示出，但可见图5)之间并且实际覆盖阴极蛇形通道2256的GDL)而绕过一些或所有由半岛壁2264分隔开的较长段2260的机会。
例如，在阴极流场的具有彼此相邻部分的蛇形通道(例如多通道、交错的蛇形通道排列中的最外侧或最里侧的蛇形通道)中，流经这样的通道(例如从点A流到点B)的气体可以经历的压降/流动阻力，在一些情形下，如果从点A途径点C流到点B，该气体所经历的压降/流动阻力可以超过该气体仅仅更直接地从点A流到点B(例如，通过借助跨越点A和点B并于半岛壁2264下面的多孔GDL，在点A和点B之间的半岛壁2264下面通过)可以经历的压降/流动阻力。例如，如果水聚集在点A和点C之间的和/或点C和点B之间的通道中，所导致的阻塞可以增加沿着该路径流动的气体的压降/流动阻力，以致于其超过该气体如果从点A更直接地行进到点B(例如在半岛壁2264下面)将经历的压降/流动阻力。由于位于半岛壁2264下面的点A和点B之间的流动路径可以提供比点A和点B之间经过点C的流动路径更小的流动阻力，气体可以随后优先地从点A经过半岛壁2264下面到达点B，而不经过点C，因此失去了GDL与MEA对于一般会流经点C的气体的暴露，并且降低了使用阴极流场2216的COx单元的效率。为了防止这种情况发生，或者至少减小这种情况发生的机会，在一些实现中，半岛壁2264可以仅仅沿着它们的长度具有恒定的厚度，但该厚度可以厚于可以将其他具有同方向流体流动的相邻较长段2260分隔开的分隔壁2266，从而增加试图在半岛壁2264下面流动的气体经历的流动阻力。在其他实现中，诸如图22中所示，半岛壁2264可以往其尖端变细以使得尖端宽度2270的大小减小，从而导致半岛壁2264下面的流动阻力从之前半岛壁2264的根附近的流动阻力减小为与半岛壁2264的尖端附近的流动一样。这样可以协助避免气体在那些半岛壁2264的根附近的壁下面流动，但该效应也可能随着气体流沿半岛壁向其尖端移动而减弱——然而，沿着所期望流动路径(例如，通过点C)的流动阻力也可以减小，因此可以不会过于诱导气体在半岛壁2264尖端附近在半岛壁下面流动。通过使半岛壁的厚度变细，与未变细的半岛壁2264相比，压缩在半岛壁2264下面的阴极GDL的面积可以减小，从而增加直接暴露于通过通道的气流的阴极GDL的面积，并增加与这样的气体发生还原反应的机会。
镜面蛇形通道流场
在上述讨论的蛇形通道流场中，所讨论的蛇形通道通常不表现出任何镜面或双边对称性。然而，另一类蛇形通道流场可以以大体双边对称方式排列的蛇形通道为特征。在此类流场中，流场大体可以分隔成两个区。这两个区通常可以大小和形状相同，且可以分别包含相似数量的蛇形通道。每个区中的一个或多个蛇形通道可以关于两区之间的边界排列成大体为另一个区的镜像，例如蛇形通道可以表现出关于两区之间的边界的双边对称性。
图23描绘了这样的阴极流场示例的简化表示的平面视图。在图23中，示出了阴极流场2316，其被分隔成形状和大小大体相同的两个区2370。在两个区2370之间定义了边界2372；区2370大体对称地排列在边界2372的两侧。该示例中的每个区2370都包括单个阴极蛇形通道2356，尽管应当理解的是，与前面讨论的示例一样，每个区可以包括更多数量的阴极蛇形通道2356，这些阴极蛇形通道2356以嵌套或交错的方式沿着公共路径。阴极蛇形通道2356各自在相应流体入口端口2328和相应流体出口端口2330之间延伸(应当理解的是，这些流体入口端口2328可以例如，终止于相同的位置，例如公共流动通道或歧管，且流体出口端口2330可以类似地配置)。
如下面将进一步讨论，与阴极蛇形通道的非对称排列相比，阴极蛇形通道2356的对称排列可以提供关于维持跨阴极流场2316的流动均匀性的多种优点。例如，两个区2370通常可以一起代表阴极流场2316的活性区域。该活性区域可以例如，被在活性区域的相对侧之间来回行进的一个或多个阴极蛇形通道横断，如图24所示。
图24描绘了阴极流场2416；与区2370和边界2372类似的两个区2470和边界2472也被示出。阴极流场2416具有蛇形通道2456，该蛇形通道2456包括在标称垂直于活性区域的一组相对边的方向上延伸的较长段A，和在标称平行于那些相对边的方向上延伸的较短段B。较长长度的段通常具有与活性区域的两条相对边之间的距离大小量级相同的长度(尽管可能缩短一些，以允许以嵌套或交错的方式路由额外的阴极蛇形通道)。可以看到阴极蛇形通道2456的较长段A穿过边界2472并延伸到两个区2470中。在这样的排列中，沿着较长段A流动，流经较短段B，再流入另一个与原先较长段A相邻的较长段A(例如沿着图24中所示的与最左边的两个较长段A关联的粗虚线2474流动)的流体会经历压降，该压降大体与两个较长段A和连接它们的较短段B的长度之和成比例。
然而，通过阴极蛇形通道2456的气流不限于停留在阴极蛇形通道2456内。例如，如前面讨论，阴极流场2416的提供阴极蛇形通道2456的那一面可以抵靠多孔或纤维GDL(未示出)被压缩，该多孔或纤维GDL提供允许气体还或可替代地在位于每对相邻较长段A之间的分隔壁2466下面流动(例如通过夹在阴极流场2416和相邻结构(例如MEA)之间的GDL流动)的可替代流动路径。例如，气体流还可以经由沿着虚线2476的流动路径，在图24左边的两个较长段A之间流动。
一般来说，由于与GDL流动路径2476相比，阴极蛇形通道2456具有相对大的开放横截面这一事实，沿着流动路径2474与流动路径2476流动的气体的比例可能偏向于沿着通道流动路径2474的气体流。例如，阴极蛇形通道2456可以具有完全开放且相对大尺寸(例如高度和宽度具有毫米左右的量级)的横截面，而GDL提供的流动路径高度可能只有几百微米的量级，且该路径被GDL的纤维或多孔材料填充。换句话说，GDL的每单位长度流动阻力可能远大于阴极蛇形通道2456的每单位长度流动阻力。
然而，流动路径2474的总流动阻力会随着阴极蛇形通道2456的较长段A的长度增加而增加。因此，阴极蛇形通道2456的较长段A越长，沿着流动路径2474的流动阻力越高，其导致流经流动路径2474的气体与流经流动路径2476的气体的比例下降。换句话说，更短的较长段A的长度会导致比更长的较长段A的长度更少的沿着流动路径2476的气体流。
此外，在运行期间，由于阴极蛇形通道2456内的阻塞可能性，例如液态水或者例如，矿物沉积物，流动路径2474的流动阻力也可以增加。如果发生了此类阻塞，会增加沿着阴极蛇形通道的流动阻力，从而导致流经流动路径2474的气体与流经流动路径2476的气体的比例下降。
应当理解的是，尽管图24中只示出了一个流动路径2474和一个流动路径2476，这样的流动路径通常可以针对类似的几何特征跨阴极流场2416被复制，并且这样的额外流动路径可以具有类似的特性和行为。
回到图23，可以看到通过用单独的阴极蛇形通道2356填充同样的两个区2370，与阴极蛇形通道2456的较长段A相比，那些蛇形通道2356的较长段A可以缩短。在图23中，阴极蛇形通道2356的较长段A的长度大约为阴极蛇形通道2456的较长段A的长度的一半。假设阴极蛇形通道2356和2456通常在其他方面相似(例如相似的横截面积)，沿着流动路径2374的流动阻力会显著变小，例如为沿着流动路径2474的流动阻力的50％左右。这又增加了流经阴极蛇形通道2356的气体与例如在半岛壁2366下面(例如经由流动路径2376)泄漏的气体相比的比例。由于阴极蛇形通道2356以一般均匀分布的方式横越区域2370，这导致气体在区域2370上比可能在诸如阴极流场2416的阴极流场中出现的更均匀的分布。
图23中所示的几何形状的另一方面是，所描绘的阴极蛇形通道2356以一般对称的方式排列，使得在两个区中的阴极蛇形通道达到彼此紧密接近的位置，例如与边界2372相邻的较短段B，沿着蛇形通道从它们各自的入口到那些段的总流动阻力通常相等，从而导致从入口到每组位置的压降通常相等。这避免了不同阴极蛇形通道的两个段彼此相邻但可能具有标称不同的压力的情况，标称不同的压力使得它们之间存在压力差，压力差可能作用导致气体从一个这样的阴极蛇形通道穿过到另一个阴极蛇形通道。
例如，如果考虑沿着位于图23中的位置C和流体入口端口2328之间的阴极蛇形通道2356部分的流动阻力，可以看到从相应流体入口端口2328出发流经每一个阴极蛇形通道2356到达相应位置C的气体将会流过四个较长段A和三个较短段B(并且，可论证地，未标出但其从流体入口端口2328通向最左侧的较长段A的第四个较短段B)。因此，流经阴极蛇形通道2356的气体所穿过的阴极蛇形通道2356的各部分的长度通常可以相同，并且相应地(假设阴极蛇形通道2356在其他方面相同，例如相同的横截面尺寸)流体入口端口2328和位置C之间的总流动阻力可以相同。这使得在流体入口端口2328和位置C之间所经历的压降通常相同，导致两个位置C之间压力差很小或没有。因此，位置C附近存在很小的压力差或不存在压力差，压力差会作用导致来自一个阴极蛇形通道2356的气体从其流过并流进另一个阴极蛇形通道2356。这避免或减少了流进一个区2370的气体迁移进入另一个区2370，导致阴极流场2316上的气体分布有所偏离的情况的风险或严重性。
因此，图23中所描绘的阴极蛇形通道的对称排列可以例如被表征为对于沿着阴极蛇形通道的彼此分开最小的每组位置，在它们的流体入口端口和那些位置之间具有沿着阴极蛇形通道所遵循的蛇形路径的相同或标称相同的路径长度。
上述讨论的图中可以明显看到的阴极蛇形通道的双边对称排列的另一个优势是，这样的排列允许流体入口端口和流体出口端口位于阴极流场的边缘中心附近(而不是位于角落)。在阴极流场和阳极流场两者中可以使用类似蛇形通道几何形状的实现中，使流体入口端口和流体出口端口位于流场相对边缘的中间可以允许相同的流场组件用作阴极流场或阳极流场，从而有可能减少组装特定COx电解槽单元所需的唯一部分的数量。
图25描绘了具有以双边对称方式排列的蛇形通道的阴极流场2516。图26以放大的破断视图的方式描绘了相同的阴极流场，以允许更容易地标记和看到各种特征。图26中阴极流场2516的大部分已被切掉并移除，同时移动了剩余的部分以便使得彼此相邻。在图25和图26的实现中，阴极流场2516被分为由边界2572分隔开的两个区2570。每个区2570具有一组四个阴极蛇形通道2556，其以嵌套或交错的方式以之字形行进在边界2572和相关区2570的距离边界2572最远的边缘之间。每个阴极蛇形通道2556延伸在相应的流体入口端口2528和相应的流体出口端口2530之间(应当理解的是，在一些实现中，这样的流体入口端口2528和流体出口端口2530可以在单元堆栈中与共同的送气室或歧管流体连接，其中送气室或歧管将气体同时输送到所有流体入口端口(或者视情况而定，送气室或歧管同时接收来自所有流体出口端口的气体))。
图25和图26的阴极流场可以例如，具有750-800cm2量级(例如760-790cm2或770-780cm2)的活性面积(通常对应于图25中所描绘组件的边界内的面积)，同时阴极蛇形通道2556它们自身可以例如，各自具有大约5000到6000mm的长度，例如5200到5800mm、5400到5600mm、5400到5800mm或5200到5600mm。每个阴极蛇形通道的横截面可以大体为矩形或正方形，例如具有介于0.5mm到2mm之间(例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm等)的横向宽度(通常垂直于阴极蛇形通道内的气流方向)和/或深度。在所描绘的示例中，阴极蛇形通道2556各自由例如横向宽度为0.5mm到2mm(例如0.5mm到2mm，例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm等)的半岛壁2566与相邻的阴极蛇形通道隔开。例如，阴极蛇形通道2556的宽度和深度可以约为0.8mm，通过宽度大约为0.9mm的半岛壁与彼此分隔开，并且各自的长度大约为5600mm(因此对于覆盖77650mm2的活性面积的区中的每个通道，具有～5400mm2的开放通道面积)。
图27描绘了具有以双边对称方式排列的蛇形通道的另一个阴极流场2716。图28以放大的破断视图的方式描绘了相同的阴极流场2716，以允许更容易地标记和看到各种特征。图28中阴极流场2716的大部分已被切掉并移除，同时移动了剩余的部分以便使其彼此相邻。图27和图28的实现与图25和图26的实现大体类似，其中相应元素以与图25和图26的实现中它们的对应编号最后两位数字相同的插图编号标记。除非下文另有说明，在图25和图26的上下文中关于此类元素的上述讨论同样适用于图27和图28中的那些相同元素。
例如，图27和图28的实现以在每个区2770中的更多数量的阴极蛇形通道2756为特征，例如每个区2770中具有七个阴极蛇形通道2756。阴极蛇形通道2756各自的长度可以在3000mm到3500mm的量级。在所示的实现中，阴极蛇形通道2756的宽度和深度可以大约为0.8mm，通过宽度大约为0.9mm的半岛壁彼此分隔开，并且各自的长度大约为3200mm(因此对于覆盖77650mm2的活性面积的区中的每个通道，具有～2570mm2的开放通道面积)。
平行通道流场
可以用于一些阴极流场的另一类型的通道排列为平行通道排列。具有平行通道排列的流场至少具有一些通道，这些通道在入口端口和出口端口之间具有直线或基本直线的路径。在一些实施例中，具有平行通道排列的流场中的所有通道都在入口端口和出口端口之间具有直线或基本直线的路径。在一些实施例中，具有平行通道排列的流场具有至少一个维度，其长度和流场中平行通道的通道长度相当。图29描绘了示例平行通道阴极流场。可以看到，阴极流场2916被描绘为具有流体入口端口2928和流体出口端口2930。流体入口端口2928和流体出口端口2930可以各自与相应的送气室管道2972流体连接，送气室管道2972通常可以在彼此平行的方向上延伸。一系列平行通道2958可以以线性阵列排列，其中每个平行通道2958与两个送气室管道2972流体连接并流体插入其中。平行通道2958可以设计为具有类似的流动阻力，例如类似或相同的横截面和类似或相同的长度。流体入口端口2928和流体出口端口2930可以置于平行通道排列的相对的角处，使得无论任何给定流动路径流经哪个平行通道2958，从流体入口端口2928经由平行通道2958和送气室管道2972到达流体出口端口2930的流动路径长度大体相等。
具有平行通道排列的阴极流场提供比相同覆盖面积的蛇形通道排列提供的更多的直接流体流动路径，并且与在相似尺寸COx电解槽的蛇形通道中相比，为了将积聚的液态水从这样排列的平行通道中排出，积聚的液态水必须移动通过的平均距离明显更短。虽然为了将液态水从通道中排出所需的能量更少是有利的，但平行通道排列通常也会包括更多数量的潜在可替代流动路径，例如数十或数百个流动路径，而相比之下蛇形通道排列往往包括较少数量的流动路径，例如2、3、4个或其他相对少的流动路径数量。如前面讨论，随着穿过阴极流场的流动路径的数量增加，本该正常流经阻塞的平行通道的流体流动将更有可能仅仅自己改道并且行进通过阴极流场内一个或多个其他未阻塞的平行通道，而不是作用将阻塞流体流动的液态水排出。
在平行通道阴极流场中可能需要使用的更多数量的平行通道可能使得难以维持在COx电解槽情境下的此类阴极流场内所需的较高压力和流速，且不减小平行通道的横截面积以允许两个送气室管道2272之间的更高压力差。从机械加工的角度来看，实现这样的横截面积可能具有挑战性，并且可能使在更小规模上制造这样的阴极流场更具挑战性。然而，更大尺寸的阴极流场，例如足够大以至于能够支持平行、直线通道流场的阴极流场，可以允许使用易于加工以实现所需压降的通道尺寸。例如，各自具有1.5米长度，0.2mm2横截面积(例如宽度为0.5mm，深度为0.4mm)的量级的长度的平行直线通道流场在一些阴极流场中的正常运行条件下可以允许1.9psi的压降，该压降可足以排出COx电解槽运行所导致的任何积聚的水。
作为示例，一些平行通道阴极流场可以具有每个通道总长度约为12m或更短或约为6m或更短的平行通道。一些平行通道阴极流场具有每个通道总长度约为0.3m或更长的平行通道。在一些实施例中，平行通道阴极流场具有通道，这些通道各自具有量级介于约0.1m到约1.5m之间、约0.1m到约0.8m之间、约0.3m到约2m之间、约0.8m到约1.5m之间、约0.1m到约0.45m之间、约0.45m到约0.8m之间、约0.8m到约1.15m之间、约1.15m到约1.5m之间、约0.1m到约0.275m之间、约0.275m到约0.45m之间、约0.45m到约0.625m之间、约0.625m到约0.8m之间、约0.8m到约0.975m之间、约0.975m到约1.15m之间、约1.15m到约1.32m之间或约1.32m到约1.5m之间的总长度。
例如，这样的平行通道可以具有介于约0.5mm到约2mm之间、约0.5mm到约1.2mm之间、约1.2mm到约2mm之间、约0.5mm到约0.88mm之间、约0.88mm到约1.2mm之间、约1.2mm到约1.6mm之间、约1.6mm到约2mm之间、约0.5mm到约0.69mm之间、约0.69mm到约0.88mm之间、约0.88mm到约1.1mm之间、约1.1mm到约1.2mm之间、约1.2mm到约1.4mm之间、约1.4mm到约1.6mm之间、约1.6mm到约1.8mm之间或约1.8mm到约2mm之间的宽度。
这样的平行通道还可以具有介于约0.3mm到约3mm之间、约0.3mm到约1.6mm之间、约1.6mm到约3mm之间、约0.3mm到约0.98mm之间、约0.98mm到约1.6mm之间、约1.6mm到约2.3mm之间、约2.3mm到约3mm之间、约0.3mm到约0.64mm之间、约0.64mm到约0.98mm之间、约0.98mm到约1.3mm之间、约1.3mm到约1.6mm之间、约1.6mm到约2mm之间、约2mm到约2.3mm之间、约2.3mm到约2.7mm之间或约2.7mm到约3mm之间的深度。
具有诸如那些上述讨论的宽度和深度的平行通道可以导致每个这样的平行通道具有介于约150mm2到约3000mm2之间、约150mm2到约1600mm2之间、约1600mm2到约3000mm2之间、约150mm2到约860mm2之间、约860mm2到约1600mm2之间、约1600mm2到约2300mm2之间、约2300mm2到约3000mm2之间、约150mm2到约510mm2之间、约510mm2到约860mm2之间、约860mm2到约1200mm2之间、约1200mm2到约1600mm2之间、约1600mm2到约1900mm2之间、约1900mm2到约2300mm2之间、约2300mm2到约2600mm2之间或约2600mm2到约3000mm2之间的每通道开放表面积。
这样的平行通道还可以具有介于约0.15mm2到约6mm2之间、约0.15mm2到约3.1mm2之间、约3.1mm2到约6mm2之间、约0.15mm2到约1.6mm2之间、约1.6mm2到约3.1mm2之间、约3.1mm2到约4.5mm2之间、约4.5mm2到约6mm2之间、约0.15mm2到约0.88mm2之间、约0.88mm2到约1.6mm2之间、约1.6mm2到约2.3mm2之间、约2.3mm2到约3.1mm2之间、约3.1mm2到约3.8mm2之间、约3.8mm2到约4.5mm2之间、约4.5mm2到约5.3mm2之间或约5.3mm2到约6mm2之间的每通道横截面积。
这样的平行通道还可以具有介于约100μl到约9000μl之间、约100μl到约4600μl之间、约4600μl到约9000μl之间、约100μl到约2300μl之间、约2300μl到约4600μl之间、约4600μl到约6800μl之间、约6800μl到约9000μl之间、约100μl到约1200μl之间、约1200μl到约2300μl之间、约2300μl到约3400μl之间、约3400μl到约4600μl之间、约4600μl到约5700μl之间、约5700μl到约6800μl之间、约6800μl到约7900μl之间或约7900μl到约9000μl之间的总通道体积(每通道)。
在一些这样的实现中，具有平行通道的阴极流场还可以具有关于插入在相邻平行通道之间的壁的厚度的结构特性。例如，相邻平行通道之间的壁厚(因此为那些彼此最接近的通道的表面间的距离)可以被选择为两个相邻平行通道的平均总长度的介于约0.0002到约0.0067、约0.0002到约0.0034、约0.0034到约0.0067、约0.0002到约0.0018、约0.0018到约0.0034、约0.0034到约0.005、约0.005到约0.0067、约0.0002到约0.001、约0.001到约0.0018、约0.0018到约0.0026、约0.0026到约0.0034、约0.0034到约0.0042、约0.0042到约0.005、约0.005到约0.0059、约0.0059到约0.0067之间的倍数。
在一些具有如那些上述讨论的尺寸特性的这样的平行通道实现中，相邻通道之间的壁厚可以为例如，介于约0.15mm到5mm之间、约0.15mm到约2.6mm之间、约2.6mm到约5mm之间、约0.15mm到约1.4mm之间、约1.4mm到约2.6mm之间、约2.6mm到约3.8mm之间、约3.8mm到约5mm之间、约0.15mm到约0.76mm之间、约0.76mm到约1.4mm之间、约1.4mm到约2mm之间、约2mm到约2.6mm之间、约2.6mm到约3.2mm之间、约3.2mm到约3.8mm之间、约3.8mm到约4.4mm之间或约4.4mm到约5mm之间。
分支平行通道流场
在一些具有如上述讨论的尺寸特性的平行通道实现中，平行通道可以划分为单独的相邻通道集群，每个通道由相应的公共入口流动路径提供气体(且具有类似的出口流动路径排列)。这样的平行通道实现可以有助于确保气体在阴极流场内更均匀的分布。实际上，每个平行通道集群可以表示一个单独的流体流动“分支”，该分支起源于同一个起点(诸如送气室或歧管)，该起点向为每个平行通道集群提供气体的流体入口端口馈送。
图30描绘了这样的示例平行通道流场的示意图。在图30中，示出了阴极流场3016的示意图。在图30的上半部分，阴极流场3016以整体示出，而在下半部分，穿过阴极流场3016的流动路径被示出为分解成各个子部分(虚线表示这些子部分之间的流体连接)。可以看出，平行通道3058的集群3078a/b/c/d以平行的方式沿着第一方向3086延伸，类似于前面讨论过的平行通道。在所描绘的排列中，集群3078a/b/c/d以双边对称的方式排列，例如两个集群3078a位于对称轴3072的等距位置并位于对称轴3072的两侧。其他集群3078b/c/d也成对提供，其中每对中的每个集群类似地与对称轴3072距离相等地间隔开。
每个集群3078a/b/c/d中的平行通道3058各自在一端与相应的入口分支通道3080流体连接(该入口分支管道3080在标称正交于第一方向3086的第二方向3088上延伸)，并且在另一端与相应的出口分支管道3082流体连接，该出口分支管道3082也在第二方向3088上延伸。入口分支管道3080中的每一个与通向相应流体入口端口3028的相应入口管道3081连接，同时另一侧的出口分支管道3082中的每一个与通向相应流体出口端口3030的出口管道3083连接。入口管道3081和出口管道3083通常可以沿平行于第二方向3088的方向延伸，但也可以包括为了与流体入口端口3028或流体出口端口3030(视情况而定)连接而在第一方向3086上延伸的段，并且流体入口端口3028和流体出口端口3030可以各自位于靠近对称轴3072并以对称轴3072为中心(作为一个组)的位置。尽管此处未描绘，视情况而定并如本文其他示例流场所示，流体入口端口3028和流体出口端口3030可以各自与相应的公共入口或公共出口连接。
当气体流进流体入口端口3028时，气体作为经由相应入口管道3081流向入口分支管道3080中的每一个的单独的气流，流进阴极流场3016，在该点每个气流可以细分进入各自的平行通道3058集群3078a/b/c/d中的单独平行通道3058，这些集群3078a/b/c/d与那些平行通道3058所连接的入口分支管道3080流体连接。类似地，当气体顺着特定集群3078a/b/c/d中的平行通道3058流动时，该气体离开那些平行通道3058，这样的气流将会在与那些平行通道3058连接的出口分支管道3082中重新组合，然后经由相应出口管道3083和流体出口端口3030离开阴极流场3016。
应当注意的是，随着集群3078a/b/c/d离对称轴3072越远，每个集群3078a/b/c/d中的平行通道3058的数量减少。换句话说，每个集群3078a/b/c/d中的平行通道3058的数量通常可以按照从相应流体入口端口3028到相应入口分支通道3080的增加的流动路径长度而减小(尽管在一些情况下，在一些相邻集群中的平行通道3058的数量可以保持不变)。因此，集群3078a/b/c/d中气体在到达该集群之前沿着较长入口管道3081路径长度行进的集群3078，与集群3078a/b/c/d中气体在到达该集群之前沿着较短入口管道3081路径长度行进的集群3078相比，可以具有更少的平行通道3058。这样的构造允许流经阴极流场3016的气体的更均匀的分布。例如，由于当气体流经集群3078d中的平行通道3058时所必须流动的距离较长(由于流体入口端口3028和与集群3078d中的平行通道3058连接的入口分支管道3080之间的更长的流动路径)，流经这样的平行通道3058的气体所经历的总流动阻力可以高于流经例如在集群3078a/b/c中的平行通道3058的气体(其沿着较短的流动路径长度流动，因此遇到更低的流动阻力)。
图31描绘了分支平行通道流场的示例；图32描绘了与图31相同的分支通道流场，但以放大的方式，并且通过断口的方式省略了平行通道的中部。
在图31和图32中，示出了具有平行通道排列的阴极流场3116。阴极流场3116包括位于对称轴(未示出，但相对于页面取向将阴极流场3116水平二等分)任一侧的平行通道3158的7个集群3178a/b/c/d/e/f/g。平行通道3158由分隔壁3166分隔开；进一步的分隔壁3166可以定义阴极流场3116的其他通道。
每个集群3178a/b/c/d/e/f/g中的平行通道3158各自在一端连接到相应入口分支管道3180a/b/c/d/e/f/g，并在另一端连接到相应出口分支管道3182a/b/c/d/e/f/g，其通常沿着垂直于平行通道3158的方向延伸(只标注了所描绘的阴极流场3116的左上象限的入口分支管道3180和右上象限的出口分支管道3182，但应当理解的是，类似设计的另外的入口分支管道3180和出口分支管道3182也可见于图31和图32中)。每个入口分支管道3180可以经由相应入口管道3181连接到流体入口端口3128之一。类似地，每个出口分支管道3182可以经由相应出口管道3183连接到流体出口端口3130之一。
图31和图32的阴极流场可以例如，具有量级为750-800cm2(例如760-790cm2或770-780cm2)的活性面积(通常对应于图31中所描绘组件的边界内的面积)，同时平行通道3158自身可以例如，各自具有大约250到300mm(例如260到290mm、260到280mm、270到280mm、270到290mm或270到280mm)的长度。平行通道在横截面上通常可以各自为矩形或正方形，例如具有从0.5mm到2mm(例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm等)的横向宽度(通常垂直于平行通道内的气流方向)和/或深度。在所描绘的示例中，平行通道3158各自由分隔壁3166与相邻的平行通道分隔开，分隔壁3166的横向宽度为例如0.5mm到2mm(例如0.5mm到2mm，例如0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm等)。例如，平行通道2558可以大约为0.8mm宽和0.5mm深，由宽度大约为0.9mm的分隔壁彼此分隔开，并且每个平行通道2558的长度大约为270mm。
图33描绘了分支平行通道流场的另一个示例的示意图。在图33中，示出了阴极流场3316，其中存在多个平行通道3358集群(例如，类似于图30中所描绘的集群3078)。每个平行通道3358集群中的平行通道3358可以在一端连接到入口分支管道3380，在另一端连接到出口分支管道3382。每个入口分支管道3380可以经由相应入口管道3381与相应流体入口端口3328连接，以及每个出口分支管道3382可以经由相应出口管道3383与相应流体出口端口3330连接。在图33中，只有一个入口分支管道3380、出口分支管道3382、入口管道3381和出口管道3383用标注指示，但应当理解的是，与每个平行通道3358集群相关联的其他对入口/出口分支管道3380/3382和入口/出口管道3381/3383也存在。
图33所示的平行通道3358和入口/出口分支管道3380/3382的排列与图30所示的排列非常类似。然而，有一个显著的区别——图33中每个平行通道3358集群的入口分支管道3380和出口分支管道3382实际上在相对端与各自的入口管道3381或出口管道3383连接。例如，入口分支管道3380连接到通向流体入口端口3328之一的入口管道3381，而出口分支管道3382连接到通向流体出口端口3330之一的出口管道3383。然而，通向流体入口端口3328的入口管道3381在沿着入口分支管道3380的最靠近该流体入口端口3328的位置连接到入口分支管道3380，而通向流体出口端口3330的出口管道3383在沿着出口分支管道3382的最远离该流体出口端口3330的位置连接到出口分支管道3382。应当理解的是，也可以使用相反的排列(实质上将所描绘的排列从左向右翻转)。
另一种观看这种排列的方式是，从流体入口端口3328引出的入口管道3381，在入口分支管道3380向其提供气体的平行通道3358集群中靠近两个最外侧平行通道3358中的一个的位置与入口分支管道3380连接，而通向流体出口端口3330的出口管道3383，在出口分支管道3382从其接收气体的平行通道3358集群中靠近两个最外侧平行通道3358中的另一个的位置与出口分支通道3382连接。为了清楚起见，平行通道集群中的“最外侧”平行通道是指这样的两个通道：集群中所有其他平行通道(如果有的话)都位于这两个通道之间。
这样的排列可以确保流进给定平行通道3358集群的气体将不仅需要沿着该集群中的平行通道3358之一穿过以达到流体出口端口3330，而且还将需要总体上沿着入口分支管道3380之一穿过。实际上，这种排列使给定平行通道3358集群中的所有平行通道3358的从流体入口端口3328到流体出口端口3330的流动路径长度大体相等。这有助于均衡每个平行通道3358集群内的平行通道3358之间的流动阻力，从而增强每个平行通道3358集群内的流动均匀性。
图34描绘了分支平行通道流场的又一个示例的示意图。在图34中，示出了阴极流场3416，其中存在多个平行通道3458集群(例如，类似于图30中所描绘的集群)。每个平行通道3458集群中的平行通道3458可以在一端与入口分支管道3480(3480'和3480”)连接，在另一端与出口分支管道3482(3482'和3482”)连接。每个入口分支管道3480可以经由相应入口管道3481与相应流体入口端口3428连接，以及每个出口分支管道3482可以经由相应出口管道3483与相应出口端口3428连接。如图所示，所标注的出口分支管道3482实际上分为两个子部分3482'和3482”，子部分中的每一个通过相应出口分支管道扩展部3485(3485'或3485”)与相同的出口管道3483连接。这些出口分支管道扩展部3485'和3485”的长度可以大体相等。像在图33中那样，仅指示出了一个入口分支管道3480、出口分支管道3482、入口管道3481和出口管道3482，但应当理解的是，这些管道的其他实例可以与每个平行通道3458集群相关联。
图34中所示的排列与图33中所示的排列类似，尽管将入口分支管道3480和出口分支管道3482与它们各自的流体入口端口3428和流体出口端口3430连接的入口管道3481和出口管道3483不一定需要连接到入口分支管道3480或出口分支管道3482的任一端。例如，将流体入口端口3428连接到入口分支管道3480的入口管道3481在沿着入口分支管道3480的长度的大约中途的位置与入口分支管道3480连接，相关联平行通道3458集群中的平行通道3458中的一些在该连接点一侧与入口分支管道3480的第一子部分3480'连接，且相关联平行通道3458集群中的其他平行通道3458在该连接点另一侧与入口分支管道3480的第二子部分3480”连接。应当注意的是，出口分支管道3482也遵循这一惯例，尽管出口分支管道3482子部分具有出口分支管道扩展部3485'或3485”，其允许流动路径在平行通道3458与其连接的地方和通向流体出口端口3430的出口管道3483与其连接的地方之间进行U型转弯。可以看到，出口分支管道扩展部3485'和3485”可以具有各自与出口分支管道3482的子部分3482'和3482”的相应长度大体相等的长度。
图34的入口分支管道3480和出口分支管道3482通常可以表征为具有相应的子部分，每对相应子部分中的子部分与和入口分支管道3480中的每一个以及出口分支通道3482中的每一个相关联的平行通道3458集群中的平行通道3458的子群的相对端连接。每对子部分可以与跨越在那些子部分之间的平行通道3458连接，连接方式类似于图33的实现中每个平行通道集群中的平行通道3358与该平行通道3358集群的相应入口分支管道3380和出口分支管道3382连接的方式。
例如，每个入口分支管道3480子部分和每个出口分支管道3482子部分可以具有第一端和第二端，每个这样子部分的第一端最接近通向相关流体入口或出口端口3428或3430的相应入口管道3481或出口管道3483与具有该子部分的入口分支管道3480或出口分支管道3482连接的位置，以及该子部分的第二端沿着该子部分遵循的路径最远离上述位置。跨越在每对子部分之间的平行通道3458可以在彼此间隔开的位置与每个子部分连接。每个平行通道3458子群与那些平行通道3458在其间跨越的两个子部分相连接的顺序可以在那两个子部分之间反转。例如，在各种连接位置中最接近一个子部分的第一端的位置处与该一个子部分连接的平行通道3458，将会在各种连接位置中最远离另一个子部分的第一端的位置处与该另一个子部分连接，反之亦然。
这种增加弯曲度的排列是上述关于图33讨论的构造的细化，并且与图33的构造相比允许穿过阴极流场3416的气流甚至更加均匀地分布。应当理解的是，尽管图34只关于两个最内侧平行通道集群示出了上述讨论的子部分排列，对于分支平行通道流场中的任何或所有集群，都可以实现这样的构造。同样应当理解的是，图34的排列可以从左到右翻转，其中入口分支管道具有入口分支管道扩展部而出口分支管道不具有出口分支管道扩展部。
图35描绘了以分支平行通道为特征的阴极流场的示例。图36描绘了图35的阴极流场的上半部分左右两侧的详细视图，从视图中省略了流场的其余部分。
可以在图35和图36中看到，阴极流场3516以多个平行通道3558集群3578a/b/c/d/e/f/g为特征。集群3578a实际由平行通道3558的两个子群3578a'和3578a”形成。通过相应入口分支管道3580a/b/c/d/e/f/g向每个集群3578中的平行通道3558分别提供来自流体入口端口3528之一的气体，该入口分支管道3580a/b/c/d/e/f/g通过相应入口管道3581连接到流体入口端口3528之一。提供给每个平行通道3558集群的气体随后通过相应出口分支管道3580a/b/c/d/e/f/g离开相应集群3578a/b/c/d/e/f/g，出口分支管道3580a/b/c/d/e/f/g通过相应出口管道3583连接到流体出口端口3530之一。入口分支管道3580a各自具有两个子部分3580a'和3580a”，子部分中的每一个分别与子群3578a'和3578a”中的不同平行通道3558子群相关联，且出口分支管道3582a类似地各自具有两个子部分3582a'和3582a”(通过相应出口分支管道扩展部3585，例如3585'和3585”，连接到出口管道3583)，子部分中的每一个分别与子群3578a'和3578a”中的不同平行通道3558子群相关联。这种排列大体上与图34所示的排列类似，且表现出类似的均匀性行为。在阴极流场3116所指示的范围内的各种所描绘特征的尺寸值可以例如提供用于COx电解槽的具有高度均匀性和充足的水排出能力的气流。
交叉通道流场
可以用于一些阴极流场的另一类型的通道排列为交叉通道排列。图37描绘了示例交叉通道阴极流场。可以看到，阴极流场3716被描绘为具有流体入口端口3728和流体出口端口3730。流体入口端口3728和流体出口端口3730可以各自分别与相应的送气室管道3772或3772'流体连接。送气室管道3772和3772'通常可以沿着彼此平行的方向延伸，并且可以分别具有远离相应送气室管道3772或3772'并向另一个送气室管道3772'或3772延伸的多个通道3578或3578'(为了更容易的参考，送气室管道3772和通道3758以不同于送气室管道3772'和通道3758'的方式被阴影化)。每对相邻通道3758之间可以插入有通道3758'，并且每对相邻通道3758'之间可以插入有通道3758(因此提供两组交叉的通道)。在这样的排列中，每个通道3758可以是在阴极流场3716内不与通道3758'流体连接的死路通道。类似地，每个通道3758'也可以是在阴极流场3716内不与通道3758流体连接的死路通道。然而，在使用期间，COx气体仍然能够通过阴极GDL(未示出)迁移，通过在壁3748下面通过，而在两组通道3758和3758'之间穿过，该阴极GDL被压缩在阴极流场3716和使用该阴极流场3716的COx电解槽的MEA之间。在图37中这种COx气体的壁下流动通过使用从通道3758指向通道3758'的短箭头来指示。来自流体入口端口3728并通过通道3758的气流，以及从通道3758'到流体出口端口3730的气流也用箭头指示。
与平行通道排列类似，具有交叉通道排列的阴极流场可以提供比蛇形通道排列可以提供给类似于覆盖区域3752的覆盖区域的更直接的流体流动路径，以及对于类似尺寸的COx电解槽，在交叉通道中为了将积聚的液态水从这样排列中的通道排出，必须将液态水移动通过的平均距离显著短于在蛇形通道中。虽然为了将液态水从通道排出所需的能量更少是有利的，但与蛇形通道排列相比，平行通道排列通常也会包括更多数量的潜在可替代流动路径，例如数十或数百个流动路径，而蛇形通道往往包括更少数量的流动路径，例如2、3、4个或其他相对少的数量的流动路径。如前面所讨论的，随着通过阴极流场的流动路径数量增加，将要正常流经阻塞的平行通道的流体流动会更加可能仅仅自己改道并行进穿过阴极流场内一个或多个其他未阻塞平行通道，而不是作用将阻塞流体流动的液态水排出。通过在壁3748下面强迫气体流动，交叉阴极流场实质上可以强迫COx气体与在壁3748下面的阴极GDL和MEA的部分接触，从而确保COx气体到达这样的区域——在平行和蛇形通道排列中，COx气体仍然可以与MEA和阴极GDL的这样的部分接触，但COx气体不一定被迫使这样做。
交叉阴极流场COx电解槽可以具有通道，通道具有多种尺寸特性，这些尺寸特性可以使它们例如在关于促进从阴极流场中移除水方面特别适合用于COx电解槽情境中。
作为示例，一些交叉通道阴极流场可以具有交叉通道，这些交叉通道具有介于约0.1m到约1.5m、约0.1m到约0.8m、约0.8m到约1.5m、约0.1m到约0.45m、约0.45m到约0.8m、约0.8m到约1.15m、约1.15m到约1.5m、约0.1m到约0.275m、约0.275m到约0.45m、约0.45m到约0.625m、约0.625m到约0.8m、约0.8m到约0.975m、约0.975m到约1.15m、约1.15m到约1.32m或约1.32m到约1.5m之间的量级的个体长度。
例如，这样的交叉通道可以具有介于约0.5mm到约2mm、约0.5mm到约1.2mm、约1.2mm到约2mm、约0.5mm到约0.88mm、约0.88mm到约1.2mm、约1.2mm到约1.6mm、约1.6mm到约2mm、约0.5mm到约0.69mm、约0.69mm到约0.88mm、约0.88mm到约1.1mm、约1.1mm到约1.2mm、约1.2mm到约1.4mm、约1.4mm到约1.6mm、约1.6mm到约1.8mm或约1.8mm到约2mm之间的宽度。
这样的交叉通道也可以具有介于约0.3mm到约3mm、约0.3mm到约1.6mm、约1.6mm到约3mm、约0.3mm到约0.98mm、约0.98mm到约1.6mm、约1.6mm到约2.3mm、约2.3mm到约3mm、约0.3mm到约0.64mm、约0.64mm到约0.98mm、约0.98mm到约1.3mm、约1.3mm到约1.6mm、约1.6mm到约2mm、约2mm到约2.3mm、约2.3mm到约2.7mm或约2.7mm到约3mm之间的深度。
具有诸如那些上述讨论的宽度和深度的交叉通道可以导致每个这样的交叉通道具有介于约150mm2到约3000mm2、约150mm2到约1600mm2、约1600mm2到约3000mm2、约150mm2到约860mm2、约860mm2到约1600mm2、约1600mm2到约2300mm2、约2300mm2到约3000mm2、约150mm2到约510mm2、约510mm2到约860mm2、约860mm2到约1200mm2、约1200mm2到约1600mm2、约1600mm2到约1900mm2、约1900mm2到约2300mm2、约2300mm2到约2600mm2或约2600mm2到约3000mm2之间的每通道开放表面积。
这样的交叉通道还可以具有介于约0.15mm2到约6mm2、约0.15mm2到约3.1mm2、约3.1mm2到约6mm2、约0.15mm2到约1.6mm2、约1.6mm2到约3.1mm2、约3.1mm2到约4.5mm2、约4.5mm2到约6mm2、约0.15mm2到约0.88mm2、约0.88mm2到约1.6mm2、约1.6mm2到约2.3mm2、约2.3mm2到约3.1mm2、约3.1mm2到约3.8mm2、约3.8mm2到约4.5mm2、约4.5mm2到约5.3mm2或约5.3mm2到约6mm2之间的每通道横截面积。
这样的交叉通道还可以具有介于约100μl到约9000μl、约100μl到约4600μl、约4600μl到约9000μl、约100μl到约2300μl、约2300μl到约4600μl、约4600μl到约6800μl、约6800μl到约9000μl、约100μl到约1200μl、约1200μl到约2300μl、约2300μl到约3400μl、约3400μl到约4600μl、约4600μl到约5700μl、约5700μl到约6800μl、约6800μl到约7900μl或约7900μl到约9000μl之间的总通道体积(每通道)。
在一些这样的实现中，具有交叉通道的阴极流场还可以具有某些结构特性，这些结构特性与插入在相邻交叉通道之间的壁的厚度相关。例如，可以将相邻交叉通道之间的壁厚(因此为那些彼此最接近的通道的表面之间的距离)选择为两个相邻交叉通道的平均总长度的介于约0.0002到约0.0067、约0.0002到约0.0034、约0.0034到约0.0067、约0.0002到约0.0018、约0.0018到约0.0034、约0.0034到约0.005、约0.005到约0.0067、约0.0002到约0.001、约0.001到约0.0018、约0.0018到约0.0026、约0.0026到约0.0034、约0.0034到约0.0042、约0.0042到约0.005、约0.005到约0.0059、约0.0059到约0.0067之间的倍数。
在一些具有如上述讨论的尺寸特性的这样的交叉通道实现中，相邻通道之间的壁厚可以为例如，介于约0.15mm到5mm之间、约0.15mm到约2.6mm之间、约2.6mm到约5mm之间、约0.15mm到约1.4mm之间、约1.4mm到约2.6mm之间、约2.6mm到约3.8mm之间、约3.8mm到约5mm之间、约0.15mm到约0.76mm之间、约0.76mm到约1.4mm之间、约1.4mm到约2mm之间、约2mm到约2.6mm之间、约2.6mm到约3.2mm之间、约3.2mm到约3.8mm之间、约3.8mm到约4.4mm之间或约4.4mm到约5mm之间。
除了上述特性，本文讨论的用于COx电解槽的阴极流场的一些流场通道的实现还可以具有某些相对尺寸限制。例如，通道宽度与每对相邻通道或通道部分之间壁的壁宽的比率可以介于约0.08到约10、约0.08到约5、约5到约10、约0.08到约2.6、约2.6到约5、约5到约7.5、约7.5到约10、约0.08到约1.3、约1.3到约2.6、约2.6到约3.8、约3.8到约5、约5到约6.3、约6.3到约7.5、约7.5到约8.8或约8.8到约10之间。
类似地，对于一些实现，流场中所有通道的总开放表面积，或者如果在流场中使用单个通道时该单个通道的总开放表面积，可以为介于约25％到约80％、约25％到约52％、约52％到约80％、约25％到约39％、约39％到约52％、约52％到约66％、约66％到约80％、约25％到约32％、约32％到约39％、约39％到约46％、约46％到约52％、约52％到约59％、约59％到约66％、约66％到约73％或约73％到约80％之间。
应当注意的是，虽然本文讨论和图中示出的示例通常着重于正方形单元几何形状，例如在正方形区域上延伸的通道，但其他实现可以以非正方形单元几何形状为特征，例如矩形几何形状。
还应当注意的是，虽然到现在为止讨论的通道通常已经具有恒定的横截面轮廓(可能在尖角处除外，其中当进入和离开角时，轮廓可能增长和收缩)，一些实现可以以在沿着其长度的不同位置处具有可变宽度和/或深度的通道为特征。例如，在一些实现中，在从流体入口端口延伸到流体入口端口和流体出口端口之间的一个点的降低流速区域中，与流体插入在降低流速区域和流体出口端口之间的增加流速区域中的通道宽度和/或深度相比，其通道宽度和/或深度可以增加。降低流速区域中的增加的通道深度和/或宽度可以作用于扩大降低流速区域中通道的横截面积，从而导致降低流速区域中的气流速度与增加流速区域中的气流速度相比有所降低。类似地，增加流速区域中的减小的通道深度和/或宽度可以作用于减小增加流速区域中通道的横截面积，从而导致增加流速区域中的气流速度与降低流速区域中的气流速度相比有所增加。由于这种较低的流速所导致的气体在降低流速区域所增加的滞留时间，可以为阴极GDL中存在的水提供额外的时间来蒸发和/或扩散进入到流经降低流速区域中的通道的气体中，从而在气体流向下游进入增加流速区域之前润湿气体。这样的实现可以有助于减少阴极GDL的部分可能变干燥从而有可能损害GDL性能的可能性。
压力考虑
更一般地说，用于COx电解槽的阴极流场可以例如在以下方面从被设计为具有导致阴极场的某些物理特性的物理结构中受益：提供足够高的压降以使得在COx还原中以增加的速率(例如，与燃料电池运行相比)在阴极流场中积聚的液态水能够通过该压降可靠地从阴极流场排出。例如，用于COx电解槽阴极流场的阴极通道可以具有通道尺寸(例如长度、宽度和深度)，在COx电解槽的一般运行条件下，这些通道尺寸导致阴极流场的流体入口端口和流体出口端口之间的压降为介于约0.001psi到约4psi、约0.001psi到约2psi、约2psi到约4psi、约0.001psi到约1psi、约1psi到约2psi、约2psi到约3psi、约3psi到约4psi、约0.001psi到约0.5psi、约0.5psi到约1psi、约1psi到约1.5psi、约1.5psi到约2psi、约2psi到约2.5psi、约2.5psi到约3psi、约3psi到约3.5psi、约3.5psi到约4psi、约0.001psi到约0.25psi、约0.25psi到约0.5psi、约0.5psi到约0.75psi、约0.75psi到约1psi、约1psi到约1.3psi、约1.3psi到约1.5psi、约1.5psi到约1.8psi、约1.8psi到约2psi、约2psi到约2.3psi、约2.3psi到约2.5psi、约2.5psi到约2.8psi、约2.8psi到约3psi、约3psi到约3.3psi、约3.3psi到约3.5psi、约3.5psi到约3.8psi、约3.8psi到约4psi、约0.001psi到约0.13psi、约0.13psi到约0.25psi、约0.25psi到约0.38psi、约0.38psi到约0.5psi、约0.5psi到约0.63psi、约0.63psi到约0.75psi、约0.75psi到约0.88psi、约0.88psi到约1psi、约1psi到约1.1psi、约1.1psi到约1.3psi、约1.3psi到约1.4psi、约1.4psi到约1.5psi、约1.5psi到约1.6psi、约1.6psi到约1.8psi、约1.8psi到约1.9psi、约1.9psi到约2psi、约2psi到约2.1psi、约2.1psi到约2.3psi、约2.3psi到约2.4psi、约2.4psi到约2.5psi、约2.5psi到约2.6psi、约2.6psi到约2.8psi、约2.8psi到约2.9psi、约2.9psi到约3psi、约3psi到约3.1psi、约3.1psi到约3.3psi、约3.3psi到约3.4psi、约3.4psi到约3.5psi、约3.5psi到约3.6psi、约3.6psi到约3.8psi、约3.8psi到约3.9psi或约3.9psi到约4psi之间。在一些其他实现中，用于COx电解槽的此类通道可以具有某些尺寸和运行条件(例如流体入口端口压力)，其被选择为使得在COx电解槽的正常运行流动条件下，产生介于约4psi到约50psi、约4psi到约27psi、约27psi到约50psi、约4psi到约16psi、约16psi到约27psi、约27psi到约38psi、约38psi到约50psi、约4psi到约9.8psi、约9.8psi到约16psi、约16psi到约21psi、约21psi到约27psi、约27psi到约33psi、约33psi到约38psi、约38psi到约44psi、约44psi到约50psi、约4psi到约6.9psi、约6.9psi到约9.8psi、约9.8psi到约13psi、约13psi到约16psi、约16psi到约18psi、约18psi到约21psi、约21psi到约24psi、约24psi到约27psi、约27psi到约30psi、约30psi到约33psi、约33psi到约36psi、约36psi到约38psi、约38psi到约41psi、约41psi到约44psi、约44psi到约47psi或约47psi到约50psi之间的压降。应当理解的是，在某些情形下，该压降可以超过上面的范围，例如，如果来自流体出口端口的出口流进入另一个电解槽单元的入口端口，如果水积聚在通道内并阻塞通过通道的流动，如果阴极GDL在被压缩时凸起到流场通道中等。低于0.5psi的压降同样可以工作，但在液态水阻塞特定阴极通道(假设存在多个阴极通道)的情况下，同样可能使通过阴极流场的COx气流仅仅只是改道而不是作用于将液态水从被阻塞通道排出的风险增加。高于上面列出的一个或多个范围的压降也可以工作，但可能不提供额外的性能优势，即，可能仅仅只是导致在提供更低压降也能提供的气体分布均匀性和水排出能力的同时COx电解槽过多的能量消耗。应当理解的是，这样的压降是在COx电解槽的一般运行条件的情境下(例如在通道的至少一些部分内，COx气体压力在50或75到400psi的范围内，气流速度在0.019到30m/s之间)进行评估的。例如，诸如那些上述讨论的阴极流场或类似的阴极流场可以用于COx电解槽单元，其中含COx的气体以每平方厘米的活性阴极流场区域2到21sccm之间的流速、50到400psi之间的入口压力和30℃到80℃之间的温度，流进阴极流场的流体入口端口。在这样的条件下，此类阴极流场可以在其流体入口端口和流体出口端口之间产生压降(例如诸如本文所讨论的压降)，该压降足以可靠地排出任何可能积聚在阴极蛇形通道内的液态水，同时仍然提供穿过阴极流场的充分均匀的气流。
GDL设计
COx电解槽也可以从使用具有特定特性和特征的阴极GDL中受益，这些特定特性和特征可以有助于在MEA和流场之间运输物质，包括COx、碳酸氢盐/碳酸盐、水和生成的产物。如前所述，适用于COx电解槽中的阴极GDL可以包括例如(为例如MEA 502中的催化剂层)提供结构支撑的纤维衬底。在一些实现中，阴极GDL可以包括纤维衬底，例如背衬纸、布或毡，其由例如碳纤维的导电材料制成，该导电材料为微孔层(MPL)提供结构支撑。纤维衬底可以例如，为编织的(布)或非编织的(纸或毡)。MPL可以是多孔碳层，其确保阴极GDL与相邻的MEA(MPL可以位于阴极GDL面向MEA并接触MEA的一侧)之间的紧密接触。示例MPL材料可以包括聚合物集成或聚合物支撑的颗粒碳层，例如含氟聚合物集成或含氟聚合物支撑的碳颗粒层。
图38描绘了示例阴极GDL与MEA和阴极流场的部分的部分横截面视图。所示的MEA3802没有任何内部或结构细节，并且所示的阴极流场3816的部分包括代表性通道横截面。夹在阴极流场3816和MEA 3802之间的是阴极GDL 3814，其包括纤维层3876和微孔层3878。左边的照片为纤维层3876和微孔层3878的代表性示例的放大视图。
在COx电解槽运行期间，从电解槽单元的阳极侧通过MEA运输到单元的阴极侧的液态水，以及COx还原期间在阴极侧生成的液态水，可能穿过阴极GDL并进入阴极流场通道。可以选择阴极GDL以具有特定性质，以便促进和刺激将这些液态水从阴极GDL排出。例如，阴极GDL可以在MPL和纤维衬底两者中添加聚四氟乙烯(PTFE)或其他疏水成分，以使MPL和纤维衬底更加疏水，这可以促进将液态水从阴极GDL排出以及防止流场中的水扩散回阴极层。
下面的讨论与用于COx电解槽中阴极GDL的GDL相关，并且在一些情况下，还涉及到其他电解系统。在下面描述的各种实施例中，GDL包括一种或多种碳成分，诸如纤维碳、亚微米尺度的碳粉、乙炔黑、富勒烯、科琴黑、聚丙烯腈和/或多孔碳。在某些实施例中，GDL中的碳具有约75-1300m2/g的密度。
如上述讨论，GDL可以包括纤维层(也称为背衬层)和微孔层(MPL)。在一些实施例中，微孔层可以至少在一定程度上与背衬层重叠或延伸到背衬层中。在一些实施例中，微孔层和背衬层相互粘附，使得它们在处理、电极制造和/或电解过程中抵抗分层。在一些COx电解槽中，阴极GDL被排列为使MPL与MEA接触或靠近MEA，同时GDL的另一侧与阴极流场接触。
存在商用GDL，其省略了MPL，但测试表明在一些COx电解槽中，这样的GDL表现出差的性能。例如，在使用两个类似GDL(其中一个GDL具有MPL而另一个不具有MPL)执行的测试中，当使用不具有MPL的GDL时，COx电解槽中的一氧化碳的法拉第产率(FY_CO)在四小时内从～90-100％下降到<75％，在约9小时内下降到<25％，而使用具有MPL的GDL的COx电解槽连续16小时产生了～90％+的FY_CO。与此同时，当使用具有MPL的GDL时，COx单元中的电解槽单元电压在16个小时内保持稳定，而当使用不具有MPL的GDL时，COx电解槽中的电压在相同持续时间内稳步上升。
COx电解槽中的GDL，与阴极流场组合，在将水从COx电解槽阴极移除中发挥了重要作用。选择或构造GDL以便于具有某些特定特性可以增强COx电解槽的水排出速率和/或能力。如前所述，液态水的存在妨碍了COx电解槽中的MEA与COx反应的能力，而在正常运行期间液态水大量存在。如果不充分地将水从阴极移除，水会影响气态物质的质量传输并通过水的电解促进诸如H2的副产物生成，从而使COx电解槽的性能劣化。
GDL经常设计为用于燃料电池、液流电池和/或水电解槽中。虽然此类GDL没有针对用于COx电解槽而进行优化，但它们有时可以在这些情境下使用。本发明人识别了GDL的某些特性，可以选择这些特性以便于提供在COx电解槽情境中具有特别高效性能的GDL。不同GDL在COx电解槽情境中的性能常常与那些相同GDL在其他情境中(例如在燃料电池、液流电池和/或水电解槽中)的性能显著不同。在那些其他情境中表现优异的GDL在COx环境中可能表现不优异，反之亦然。
例如，在燃料电池情境中，优选地避免使用厚的GDL。由于燃料电池的运行条件，随着增加GDL的厚度，燃料电池通过GDL扩散到催化剂表面的反应物减少。因此，许多商用GDL的厚度范围为～300μm，例如315μm或更薄，而一些供应商可能提供上至～400μm，例如410μm的GDL。厚度较高的GDL通常被认为对燃料电池的性能有负面影响，因此制造商通常避免制造厚度超过300μm(或者最多400μm)的GDL。应当理解的是，除非另有说明，下文提及的阴极GDL的特定厚度或厚度范围，指的是此类GDL的未压缩厚度。对于商用GDL，其未压缩厚度是用于具体说明此类GDL的典型厚度参数。
相比之下，使用较厚GDL的COx电解槽可以不受到这样的性能劣化的影响。COx电解槽往往在比燃料电池更高的压力和更低的温度下运行，因此可能增加COx电解槽阴极内液态水产生的生成和/或保留。然而，有点出乎意料地发现，在COx电解槽情境中，厚度更高的GDL实际上提供增强的性能。
例如，本发明人测试并模拟了在COx电解槽情境中几种不同类型的GDL的性能，发现增加GDL的厚度，例如增加到厚度超过那些通常用于燃料电池GDL的厚度，以显著且有益的方式直接影响了COx电解槽的性能。
例如，当模型中GDL的厚度从252μm增加为三倍到756μm(该模型中GDL厚度代表GDL的压缩厚度，即当GDL预加载/夹装在电解槽堆栈内时的厚度)，且所有其他输入保持不变(模型内至少有11个参数可以改变或调整)时，发现该模型预测通过GDL并流出流场的水蒸气通量增加12％。水蒸气可以作为气态排气流的一部分轻易从COx电解槽中排出。虽然不希望受到理论的约束，但增加的水蒸气通量与模型显示的穿过GDL的温度梯度相关。例如，对于两种GDL，阴极流场和GDL之间的界面处温度均为44℃，但较薄GDL的GDL/催化剂界面处温度为46.5℃，较厚GDL为51.5℃。增大的温度差可以增加水蒸气通量。
测试还表明较厚GDL(例如350μm或更厚(未压缩且包括MPL和背衬层))，表现出比较薄GDL(例如200μm(包括MPL和背衬层))更加可重复且更高的性能。例如，对于较厚(350+μm)的GDL组合，在三次45小时的性能运行中，测试COx电解槽中的法拉第产率保持在95％+，而较薄GDL(200μm)从测试开始在性能上就表现出立即下降，例如～6小时内下降到90％以下，并且～13小时内下降到85％以下(并且在剩余的测试时间内从未恢复到85％以上)。这组数据中的所有GDL在背衬层和MPL中具有按重量记25％的PTFE含量。用于测试的较厚GDL包括具有在350到550μm范围、950到1250μm范围和1350到1750μm范围内的未压缩厚度的GDL(这些GDL由多个离散的GDL组成，这些离散GDL以堆栈配置排列，以便获取所需的厚度，因为这些厚度的商用GDL不可用——可能是由于在燃料电池情境中它们的有害性能)。
测试还表明较厚GDL(例如600μm或更厚(未压缩且包括MPL和背衬层))，表现出比较薄GDL(例如315μm(包括MPL和背衬层))更加可重复且更高的性能。例如，对于较厚(600μm)的GDL，在两次28小时的性能运行中，测试COx电解槽中的FY_CO保持在95％+，而较薄GDL(315μm)在15小时时段内表现出相当的性能，但是当执行第二次性能运行时，FY_CO性能表现出显著且立即明显的降低——～6小时内下降到95％，11小时内下降到90％，以及21小时内下降到～85％。两种GDL在背衬层中具有按重量记5％的PTFE含量。
在本例中，较厚GDL是通过堆叠两个较薄商用GDL来组装的——一个GDL具有MPL，一个GDL不具有MPL——以便创造一侧具有MPL(面向MEA的一侧)、另一侧具有背衬层区域(面向阴极流场)的较厚GDL。堆叠GDL的背衬层部分整体采用按重量记5％的PTFE处理。据发明人所知以及由于该GDL的厚度，由此产生的600μm的GDL是一种以前未得到的新型GDL。发明人创造了他们自己的厚GDL。有点令人惊讶的是，实验揭示了这样的较厚GDL不仅在用于COx电解槽中时发挥作用，而且提供了显著且意想不到的性能优势。
GDL的增加的厚度，例如400μm或更加未压缩的厚度，导致了通过GDL的更长的热传导路径，这进而可以由于MEA中产生的热量行进穿过GDL并进入阴极流场而导致穿过GDL的更高温度差。这种增加的温度差导致更多热量转移到可能存在于GDL内的液态水中，并导致这种液态水的更多部分转变到(或保留为)气相，从而促进液态水从GDL中移除并提升COx电解槽的法拉第产率性能。
使用600μm的堆叠GDL和另一个与600μm的GDL构造类似但厚度为880μm的堆叠GDL(两者都未压缩)进行了进一步的测试。在该进一步测试中，两个GDL在COx电解槽中均使用接近连续70小时的时段。虽然两个GDL在该时间段内都经历了FY_CO的性能下降，但较厚(880μm)GDL在～20小时内FY_CO从～97％下降到～90％，而相比之下较薄(但仍然相对较厚)GDL过了～45小时才下降到相同的FY_CO水平。然而，880μm厚GDL在随后50+小时内保持稳定并且始终以FY_CO介于～88％到～90％之间运行，而600μm厚GDL的FY_CO性能从未稳定过，并且实际上随着时间推移表现出逐渐加速的劣化。在第60小时，600μm厚GDL的FY_CO下降到88％以下，并且在第68小时，下降到86％以下。因此，与稍微较薄600μm的GDL随着时间推移表现出越来越低的FY_CO性能相比，880μm厚GDL在70小时测试时间段期间提供了较低但恒定得多的性能。
根据各种实施例，COx电解槽的阴极侧上的GDL具有至少约300μm或至少约400μm或至少约500μm的未压缩厚度。在一些实施例中，COx电解槽的阴极侧上的GDL具有约200μm到1000μm、约300μm到1000μm、约400μm到1000μm、约500μm到1000μm、约600μm到1000μm、约200μm到1600μm、约300μm到1600μm、约400μm到1600μm、约500μm到1600μm、约600μm到1600μm、约200μm到2000μm、约300μm到2000μm、约400μm到2000μm、约500μm到2000μm、约600μm到2000μm、约200μm到3000μm、约300μm到3000μm、约400μm到3000μm、约500μm到3000μm或约600μm到3000μm的厚度。在一些可替代实现中，COx电解槽的阴极侧上的GDL可以具有约350μm到约3000μm、约350μm到约1680μm、约1680μm到约3000μm、约350μm到约1010μm、约1010μm到约1680μm、约1680μm到约2340μm、约2340μm到约3000μm、约350μm到约681μm、约681μm到约1010μm、约1010μm到约1340μm、约1340μm到约1680μm、约1680μm到约2010μm、约2010μm到约2340μm、约2340μm到约2670μm或约2670μm到约3000μm的未压缩厚度。在一些进一步的可替代实现中，COx电解槽的阴极侧上的GDL可以具有约400μm到约3000μm、约400μm到约1700μm、约1700μm到约3000μm、约400μm到约1050μm、约1050μm到约1700μm、约1700μm到约2350μm、约2350μm到约3000μm、约400μm到约725μm、约725μm到约1050μm、约1050μm到约1380μm、约1380μm到约1700μm、约1700μm到约2020μm、约2020μm到约2350μm、约2350μm到约2680μm或约2680μm到约3000μm的未压缩厚度。在一些进一步的可替代实现中，COx电解槽的阴极侧上的GDL可以具有约450μm到约3000μm、约450μm到约1720μm、约1720μm到约3000μm、约450μm到约1090μm、约1090μm到约1720μm、约1720μm到约2360μm、约2360μm到约3000μm、约450μm到约769μm、约769μm到约1090μm、约1090μm到约1410μm、约1410μm到约1720μm、约1720μm到约2040μm、约2040μm到约2360μm、约2360μm到约2680μm或约2680μm到约3000μm的厚度。在一些实现中，具有此处所示厚度的GDL包括一个或多个MPL以及一个或多个背衬层。
GDL的另一个可以选择以便于增强在COx电解槽情境中的GDL性能的特性为GDL的热导率。例如，使用上面提到的模型比较了仅仅在它们各自的热导率上存在差异的两个同等厚度GDL的预测性能，其中一个GDL的热导率为0.2W/mK，另一个翻倍为0.4W/mK。热导率减半导致了穿过GDL的温度差增加为～1.25倍，但同样也导致了水蒸气通量增加为大约105％。
根据各种实施例，COx电解槽的阴极侧上的GDL具有至少约至多约0.5W/mK或至多约0.1W/mK的平均热导率。在一些实施例中，COx电解槽的阴极侧上的GDL具有约0.05到0.5W/mK的平均热导率。在一些实现中，具有此处所示热导率的GDL包括一个或多个MPL以及一个或多个背衬层。
在可能至少某些程度上与上述关于热导率的观察有关的情况下，额外的测试揭示了，在用于COx电解槽的GDL的背衬层的整个厚度中存在PTFE提供了显著的性能优势。背衬层中包含PTFE可以具有多种有益效果中的任何一种，包括例如，改变背衬层的疏水性。然而，包含PTFE也可以减少背衬层的热导率，因为PTFE具有与例如可用于背衬层的碳纤维相比显著较低的热导率。实际上，PTFE可以有助于使碳纤维隔热，因此降低GDL作为一个整体的热导率。
在测试中，存在两个较厚(均为～600μm)的GDL(其中一个在整个背衬层材料中具有按重量记5％的PTFE，另一个在～280μm的背衬层中完全不具有PTFE)，以及一个较薄的GDL(315μm)，其在背衬层中具有按重量记5％的PTFE，发现与仅仅在一部分背衬层厚度内具有PTFE的～600μm的GDL相比，在贯穿它们整个背衬层厚度中具有按重量记5％的PTFE的两个GDL均在18小时测试间隔内保持了相对稳定且高的FY_CO性能(315μm的GDL为>85％，但随时间缓慢减小；600μm的GDL在相同时间段内为>95％，且减小的速率慢得多)。具有一部分不含PTFE的背衬层厚度的GDL表现出其FY_CO水平在小于5小时内减小到85％以下，在7小时过去之前减小到60％以下。使用这种GDL的FY_CO经过12小时下降到低于20％。
测试还表明，增加PTFE在GDL的背衬层中存在的重量百分比/量，在COx电解槽中提供了有益的效果。在对若干GDL进行的测试中，发现使用在背衬层中具有升高水平的PTFE(例如与按重量记5％相比，按重量记为25％)但厚度相当的GDL导致了法拉第产率的衰减速率更低。
根据各种实施例，COx电解槽的阴极侧GDL包含疏水添加物。在一些这样的情况下，GDL或该GDL的层包括含碳材料和疏水添加物。在一些情况下，疏水添加物为诸如氟化或全氟化聚合物(例如PTFE)的疏水聚合物。在某些实施例中，诸如全氟化聚合物的疏水添加物在GDL背衬层和MPL两者中都存在(两者都包含于GDL中)。在一些配置中，疏水添加物存在于GDL的整个厚度中，包括MPL、背衬层和任何其他层中。在一些实施例中，诸如全氟化聚合物的疏水添加物以至少按重量记约5％或按重量记约5％到55％的浓度存在于GDL中。
在一些实例中，使用具有不同层，每层具有不同形态和/或不同组成的分层GDL可以是有益的。作为示例，两层或更多层中的每一层可以包括背衬层和MPL。在一些实施例中，两个不同层具有不同的疏水添加物含量，例如GDL具有MPL和三个不同的背衬层，每层都具有不同的疏水添加物含量，例如MPL/层A/层B/层C，其中层A具有约5％，层B具有约10％，以及层C具有约20％(按重量记)的PTFE。
基于上述结果和各种其他观察，识别了用于COx电解槽的GDL的某些潜在所需特性；下面总结的这些特性可能单独适用，但它们中的许多或所有也可以组合以提供超过任何特定特性单独可能能够提供的性能增长。
例如，当具有诸如以下的任何一个或多个的特性时，用于COx电解槽的GDL可以例如提供增强的性能：
约200μm到2000μm的总体厚度，其中400μm到2000μm范围、500μm到2000μm范围或600μm到900μm范围中的厚度被证明与较薄GDL相比提供改善的性能。
在背衬层中按重量记约0％到55％的PTFE含量，其中在背衬层中按重量记至少约25％的PTFE含量显示出提供优良的性能。
在背衬层的应用于水的60秒内测量，外部水接触角值为约120°到170°，并且在一些实现中大于或等于约140°。虽然该特性可能被GDL背衬层的PTFE含量控制，但具有包含除了PTFE以外的疏水材料(例如其他氟化聚合物)的背衬层的GDL可以提供与使用具有如上所述的PTFE含量的GDL所获得的性能类似的性能，如果那些不含PTFE的GDL具有在所述范围内的外部水接触角。
约35％到90％或约60％到90％的背衬层或总体GDL孔隙率。
约1到25μm(例如约5到15μm)的背衬层纤维直径。
约0.1g/cm3到0.8g/cm3的GDL体积密度，其中约0.2g/cm3到0.4g/cm3的体积密度显示出与较低体积密度相比增加的性能。
约50g/cm2到1000g/cm2的GDL基本重量，其中约150g/cm2到300g/cm2的基本重量显示出与较低基本重量相比增加的性能。
约0.05mΩ·cm2到20mΩ·cm2或约0.05mΩ·cm2到5mΩ·cm2的GDL面积比电阻。
约0.05mΩ·m到7mΩ·m或约0.05mΩ·m到2mΩ·m的GDL面内电阻率。
约1葛尔莱秒到1000葛尔莱秒的GDL透气性。
约0％到40％(例如10％到20％)的GDL可压缩性。
约0.05W/mK到0.5W/mK或约0.15W/mK到0.35W/mK的GDL热导率。
约1000N/m到10000N/m(例如2000N/m到4500N/m)的GDL断裂强度。
约20泰伯尔刚度单位到40泰伯尔刚度单位(例如25-30泰伯尔刚度单位)的GDL刚度。
约1.5到5的GDL弯曲度(弯曲度为分子通过GDL在两点之间占据的实际路径长度与那两点之间的直线距离的比率)。
任何上述属性都可以单独应用于MPL或背衬层。或者任何上述属性都可以应用于MPL与背衬层两者。
如上所述，使用不具有MPL的GDL的COx电解槽可能表现出显著劣化的性能。因此，在一些实施例中，在用于COx电解槽的GDL中存在至少一个MPL。在一些实现中，GDL至少包括MPL。
在一些实现中，用于COx电解槽使用的GDL的MPL可以具有按重量记介于约15％到55％(例如约25％)的PTFE含量。用于COx电解槽使用的GDL的MPL还可以具有在约1％到30％的GDL总体厚度的范围中的厚度。
在一些实现中，GDL包括GDL单元的堆栈，每个堆栈包括至少一个粘附到至少一个背衬层的MPL。在一些情况下，GDL包括由两个GDL单元组成的堆栈，每个GDL单元包含至少一个背衬层，并且GDL单元中的一个或两个包含MPL。在一些情况下，GDL包括由三个GDL单元组成的堆栈，每个GDL单元包含至少一个背衬层，以及GDL单元中的至少一个包含MPL。
应当理解的是，上述讨论的GDL(例如阴极GDL情境中的GDL)，可以在COx电解槽堆栈组件中与上述讨论的流场(例如阴极流场情境中的流场)组合。例如，使用较厚GDL(和/或具有其他上述讨论特性的GDL)可以导致从这样的电解槽的MEA中的更高的水排出速率，因为在使用COx电解槽的情境中可能出现较高的水蒸气通量。通过将这些GDL与诸如那些可以提供优越的水移除能力的上述讨论的流场耦合，由于残余水储留减少，COx电解槽可以被制造为更高效地运行且具有更高的一致性以及更低的潜在性能劣化。
应当理解的是，短语“对于一个或多个(物体)中的每一个(物体)”、“一个或多个(物体)中的每一个(物体)”或类似短语，如果在本文中使用，则包括单物体组和多物体组两者，即短语“对于…每一个”的使用意义为其用于编程语言中以指代无论引用了多少个物体的群体中的每个物体——无论是指单个物体的群体还是多于一个物体的群体。例如，如果引用的一个或多个物体的群体为单个物体，那么“每个”将仅仅指代该单个物体(尽管“每个”的字典定义经常将该术语定义为指代“两个或更多个事物中的每一个”)，而不会意味着必须存在至少两个那些物体。类似地，术语“集”或“子集”本身不应被视为必须包含多个物体——应当理解的是，集或子集可以包含仅一个成员或多个成员(除非上下文另有说明)。
同样应当理解的是，本文提供的各种尺寸参数范围可以与本文提供的任何其他尺寸参数范围组合。例如，如果通道被描述为可能具有在范围A、B或C中的长度，范围D、E或F中的宽度，以及范围G、H或I中的深度，则可以理解为明确考虑具有表示这些范围的任何组合的长度、宽度和深度的通道。例如，在上述情景中，这样的通道可以具有AEI、AEJ、AEK、AEL、AFI、AFJ、AFK、AFL、AGI、AGJ、AGK、AGL、AHI、AHJ、AHK、AHL、BEI、BEJ、BEK、BEL、BFI、BFJ、BFK、BFL、BGI、BGJ、BGK、BGL、BHI、BHJ、BHK、BHL、CEI、CEJ、CEK、CEL、CFI、CFJ、CFK、CFL、CGI、CGJ、CGK、CGL、CHI、CHJ、CHK、CHL、DEI、DEJ、DEK、DEL、DFI、DFJ、DFK、DFL、DGI、DGJ、DGK、DGL、DHI、DHJ、DHK或DHL的长度、宽度和高度，每个字母三元组的第一个字母表示通道的长度范围，每个字母三元组的第二个字母表示通道的宽度范围，以及每个字母三元组的第三个字母表示通道的深度范围。
产出高性能装置的上述GDL规格的一种组合具有约470-570μm的未压缩总体厚度，其中具有约20-70μm厚的一个微孔层，在微孔层以及碳纤维背衬层内分散有25％的PTFE。该GDL可以具有约85-90g/m2的基重、约0.32－0.35g/cm3的体积密度、约2100-4200N/m的机器方向的断裂强度、约12-52泰伯尔的机器方向的刚度、约25-50葛尔莱秒的过平面透气性和面内透气性、约11-17％的可压缩性、约11mΩ·cm2的面积比电阻率或其任意组合。需要注意的是，这些性质的组合可以描述各种类型的GDL排列，包括仅包含MPL的GDL、仅包含背衬层的GDL以及包含具有一个或多个背衬层和一个或多个MPL的任何堆栈的GDL。在一些情况下，具有这些性质组合的GDL包括两个更多结构的堆栈，每个结构具有至少一个MPL和至少一个背衬层。
应当认识到的是，上述概念(所提供的这些概念不是相互不一致的)的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。特别是，本公开末尾处出现的要求保护的主题的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。同样应当认识到的是，在通过引用并入的任何公开中同样可能出现的本文明确使用的术语，应具有与本文所公开的特定概念最一致的含义。
应当理解的是，尽管从上述讨论中可以明显看到另外的实现，但本公开至少涉及以下编号的实现，并且下面的列表不应被视为是限制性或排他性的。
实现1：一种COx电解槽系统，包括：阴极入口端口；阴极出口端口；以及一个或多个COx电解槽单元，每个COx电解槽单元包括：相应阴极流场，相应膜电极组件(MEA)，其包括金属纳米颗粒催化剂层，相应阴极气体扩散层(GDL)，其插入在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，其中：所述一个或多个COx电解槽单元被配置为与电压或电流源连接以便于产生穿过所述一个或多个电解槽单元的电势或电流，每个COx电解槽单元的相应阴极流场具有一个或多个相应阴极通道，每个阴极通道被配置为通过阴极入口端口接收阴极流体并将至少一些该阴极流体引导向阴极出口端口，阴极入口端口被配置为接收气态COx，每个COx电解槽单元的相应阴极流场的相应阴极通道位于该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧，以及每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于300到6000mm之间的长度，介于0.15到6mm2之间的横截面积和介于0.5到2mm之间的宽度。
实现2：按照实现1所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每一个遵循相应蛇形路径，其多个较长段沿着平行路径延伸，其较短段跨越在其相邻较长段的相对端之间。
实现3：按照实现2所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于1500到6000mm之间的长度。
实现4：按照实现2或实现3所述的COx电解槽系统，其中在每个COx电解槽单元的相应阴极流场中存在多个相应阴极通道。
实现5：按照实现4所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成交错模式，其中每个相应阴极通道的每个较长段与另一个相应阴极通道的至少一个较长段相邻。
实现6：按照实现5所述的COx电解槽系统，其中：每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道包括第一相应阴极通道和第二相应阴极通道，该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第一相应半岛壁分隔开，该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第二相应半岛壁分隔开，对于每个第一相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第一相应半岛壁的宽度随着该第一相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的跨越在由该第一相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段，而减小，以及对于每个第二相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第二相应半岛壁的宽度随着该第二相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的跨越在由该第二相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小。
实现7：按照实现4所述的COx电解槽系统，其中：每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每个相应阴极通道的较长端段各自包括第一相应端段和第二相应端段，以及每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成并排模式，其中在每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每对相邻相应阴极通道中的一个相应阴极通道的第一相应端段与该对相邻相应阴极通道中的另一个相应阴极通道的第二相应端段相邻。
实现8：按照实现2到7中的任何一个所述的COx电解槽系统，其中较短段是弧形的。
实现9：按照实现2到8中的任何一个所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道的每个较长段，通过具有至少介于0.3到2mm之间的厚度的相应壁，与该相应阴极通道或相邻相应阴极通道的每个邻近段分隔开。
实现10：按照实现1所述的COx电解槽系统，其中存在排列成线性阵列的每个电解槽单元的相应阴极流场的多个相应阴极通道，每个相应阴极通道跨越在该COx电解槽单元的相应阴极流场的一侧和该COx电解槽单元的相应阴极流场的相对侧之间。
实现11：按照实现10所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于300到1500mm之间的长度。
实现12：按照实现10或实现11所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道的每个较长段，通过具有至少介于0.3到2mm之间的厚度的壁，与该相应阴极通道或相邻相应阴极通道的每个邻近段分隔开。
实现13：按照实现1到10中的任何一个所述的COx电解槽，其中：每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道具有两个相应内底边，该两个相应内底边与该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧在垂直于该相应一侧的方向上间隔开，以及每个相应内底边是圆形的。
实现14：按照实现1到13中的任何一个所述的COx电解槽，其中：每个COx电解槽单元进一步包括相应阳极流场，相应阳极GDL，阳极入口端口和阳极出口端口，阳极入口端口被配置为接收液态水或水溶液，每个COx电解槽单元的相应阳极流场具有一个或多个相应阳极通道，每个相应阳极通道被配置为经由阳极入口端口接收阳极流体并将至少一些该阳极流体引导向阳极出口端口，每个COx电解槽单元的相应MEA被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极GDL和该COx电解槽的相应阴极GDL之间，每个COx电解槽单元的相应阴极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，每个COx电解槽单元的相应阳极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，所述一个或多个COx电解槽单元包括多个N个COx电解槽单元，且所述多个N个COx电解槽单元排列成堆栈，其中N-1个COx电解槽单元中的每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场与N-1个COx电解槽单元中的每个COx电解槽单元的相应阳极流场相邻。
实现15：按照实现1到13中的任何一个所述的COx电解槽，其中：每个COx电解槽单元进一步包括相应阳极流场，相应阳极GDL，阳极入口端口和阳极出口端口，阳极入口端口被配置为接收液态水或水溶液，每个COx电解槽单元的相应阳极流场具有一个或多个相应阳极通道，每个相应阳极通道被配置为经由阳极入口端口接收阳极流体并将至少一些该阳极流体引导向阳极出口端口，每个COx电解槽单元的相应MEA被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极GDL和该COx电解槽单元的相应阴极GDL之间，每个COx电解槽单元的相应阴极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，每个COx电解槽单元的相应阳极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，所述一个或多个COx电解槽单元包括多个COx电解槽单元，所述多个N个COx电解槽单元排列成堆栈，并且相邻的每对COx电解槽单元的相应公共结构为相邻的该对COx电解槽单元中的一个COx电解槽单元提供相应阴极流场，并为相邻的该对COx电解槽单元中的另一个COx电解槽单元提供相应阳极流场。
实现16：按照实现14或15所述的COx电解槽，进一步包括：气态COx源；以及液态水或水溶液源，其中：气态COx源与阴极入口端口流体连接，且液态水或水溶液源与阳极入口端口流体连接。
实现17：按照实现1到13中的任何一个所述的COx电解槽，其中在COx电解槽中仅存在一个COx电解槽单元。
实现18：按照实现1到17中的任何一个所述的COx电解槽，进一步包括：阳极端子；以及阴极端子，其中：阳极端子和阴极端子与所述一个或多个COx电解槽单元导电耦合，使得当通过借助阳极端子将电流引入到所述一个或多个COx电解槽单元时，电流穿行通过串联的所述一个或多个COx电解槽单元，直到电流到达阴极端子。
实现19：按照实现18所述的COx电解槽，进一步包括：阳极导体板；以及阴极导体板，其中：所述一个或多个COx电解槽单元插入在阳极导体板和阴极导体板之间，阳极端子是阳极导体板的一部分，阴极端子是阴极导体板的一部分。
实现20：按照实现1到13和实现17到19中的任何一个所述的COx电解槽，进一步包括：阳极入口端口；气态COx源；以及液态水或水溶液源，其中：气态COx源与阴极入口端口流体连接，且液态水或水溶液源与阳极入口端口流体连接。
实现21：一种COx电解槽系统，包括：阴极入口端口；阴极出口端口；以及一个或多个COx电解槽单元，所述一个或多个COx电解槽单元包括COx电解槽单元且每个COx电解槽单元包括：相应阴极流场，相应膜电极组件(MEA)，其包括金属纳米颗粒催化剂层，相应阴极气体扩散层(GDL)，其插入在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，其中：所述一个或多个COx电解槽单元被配置为与电压或电流源连接以便于产生穿过所述一个或多个电解槽单元的电势或电流，每个COx电解槽单元的相应阴极流场具有一个或多个相应阴极通道，每个阴极通道被配置为经由阴极入口端口接收阴极流体并将至少一些该阴极流体引导向阴极出口端口，阴极入口端口被配置为接收气态COx，每个COx电解槽单元的相应阴极流场的相应阴极通道位于该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧，以及每个阴极流场被配置为在COx电解槽系统的正常运行条件下产生穿过其阴极通道的介于0.001psi到50psi之间的压降。
实现22：按照实现21所述的COx电解槽系统，其中COx电解槽系统被配置为在正常运行条件下运行，使得具有在1％到95％范围中的一氧化碳摩尔浓度的气体，以介于每平方厘米的活性单元面积中2标准立方厘米每分钟(sccm)到21sccm之间的速率，以及在阴极入口端口处介于50psi到400psi之间的入口压力，被提供给每个阴极流场。
实现23：按照实现21所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每一个遵循相应蛇形路径，其多个较长段沿着平行路径延伸，其较短段跨越在其相邻较长段的相对端之间。
实现24：按照实现23所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于1500到6000mm之间的长度。
实现25：按照实现23或实现24所述的COx电解槽系统，其中在每个COx电解槽单元的相应阴极流场中存在多个相应阴极通道。
实现26：按照实现25所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成交错模式，其中每个相应阴极通道的每个较长段与另一个相应阴极通道的至少一个较长段相邻。
实现27：按照实现26所述的COx电解槽系统，其中：每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道包括第一相应阴极通道和第二相应阴极通道，该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第一相应半岛壁分隔开，该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第二相应半岛壁分隔开，对于每个第一相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第一相应半岛壁的宽度随着该第一相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的跨越在由该第一相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小，以及对于每个第二相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第二相应半岛壁的宽度随着该第二相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的跨越在由该第二相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小。
实现28：按照实现25所述的COx电解槽系统，其中：每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每个相应阴极通道的较长端段各自包括第一相应端段和第二相应端段，以及每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成并排模式，其中在每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每对相邻相应阴极通道中的一个相应阴极通道的第一相应端段与该对相邻相应阴极通道中的另一个相应阴极通道的第二相应端段相邻。
实现29：按照实现23到28中的任何一个所述的COx电解槽系统，其中较短段是弧形的。
实现30：按照实现23到29中的任何一个所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道的每个较长段，通过具有至少介于0.3到2mm之间的厚度的相应壁，与该相应阴极通道或相邻相应阴极通道的每个邻近段分隔开。
实现31：按照实现21所述的COx电解槽系统，其中存在排列成线性阵列的每个COx电解槽单元的相应阴极流场的多个相应阴极通道，每个相应阴极通道跨越在该COx电解槽单元的相应阴极流场的一侧和该COx电解槽单元的相应阴极流场的相对侧之间。
实现32：按照实现31所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于300到1500mm之间的长度。
实现33：按照实现31或实现32所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道的每个较长段，通过具有至少介于0.3到2mm之间的厚度的相应壁，与该相应阴极通道或相邻相应阴极通道的每个邻近段分隔开。
实现34：按照实现21到31中的任何一个所述的COx电解槽，其中：每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道具有两个相应内底边，两个相应内底边与该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧在垂直于该相应一侧的方向上间隔开，以及每个相应内底边是圆形的。
实现35：按照实现21到34中的任何一个所述的COx电解槽，其中：每个COx电解槽单元进一步包括相应阳极流场，相应阳极GDL，阳极入口端口和阳极出口端口，阳极入口端口被配置为接收液态水或水溶液，每个COx电解槽单元的相应阳极流场具有一个或多个相应阳极通道，每个阳极通道被配置为经由阳极入口端口接收阳极流体并将至少一些该阳极流体引导向阳极出口端口，每个COx电解槽单元的相应MEA被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极GDL和该COx电解槽的相应阴极GDL之间，每个COx电解槽单元的相应阴极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，每个COx电解槽单元的相应阳极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，所述一个或多个COx电解槽单元包括多个N个COx电解槽单元，且所述多个N个COx电解槽单元排列成堆栈，N-1个COx电解槽单元中的每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场与N-1个COx电解槽单元中的每个COx电解槽单元的相应阳极流场相邻。
实现36：按照实现21到34中的任何一个所述的COx电解槽，其中：每个COx电解槽单元进一步包括相应阳极流场，相应阳极GDL，阳极入口端口和阳极出口端口，阳极入口端口被配置为接收液态水或水溶液，每个COx电解槽单元的相应阳极流场具有一个或多个相应阳极通道，每个阳极通道被配置为经由阳极入口端口接收阳极流体并将至少一些该阳极流体引导向阳极出口端口，每个COx电解槽单元的相应MEA被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极GDL和该COx电解槽的相应阴极GDL之间，每个COx电解槽单元的相应阴极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，每个COx电解槽单元的相应阳极GDL被压缩在该COx电解槽单元的相应阳极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，所述一个或多个COx电解槽单元包括多个N个COx电解槽单元，所述多个N个COx电解槽单元排列成堆栈，并且每对相邻COx电解槽单元的相应公共结构为该对相邻COx电解槽单元中的一个COx电解槽单元提供相应阴极流场，为该对相邻COx电解槽单元中的另一个COx电解槽单元提供相应阳极流场。
实现37：按照实现35或36所述的COx电解槽，进一步包括：气态COx源；以及液态水或水溶液源，其中：气态COx源与阴极入口端口流体连接，且液态水或水溶液源与阳极入口端口流体连接。
实现38：按照实现21到34中的任何一个所述的COx电解槽，其中在COx电解槽中仅存在一个COx电解槽单元。
实现39：按照实现21到38中的任何一个所述的COx电解槽，进一步包括：阳极端子；以及阴极端子，其中：阳极端子和阴极端子与所述一个或多个COx电解槽单元导电耦合，使得当通过借助阳极端子将电流引入到所述一个或多个COx电解槽单元时，电流穿行通过串联的所述一个或多个COx电解槽单元，直到电流到达阴极端子。
实现40：按照实现39所述的COx电解槽，进一步包括：阳极导体板；以及阴极导体板，其中：所述一个或多个COx电解槽单元插入在阳极导体板和阴极导体板之间，阳极端子是阳极导体板的一部分，阴极端子是阴极导体板的一部分。
实现41：按照实现21到34和实现38到40中的任何一个所述的COx电解槽，进一步包括：阳极入口端口；气态COx源；以及液态水或水溶液源，其中：气态COx源与阴极入口端口流体连接，且液态水或水溶液源与阳极入口端口流体连接。
实现42：一种碳氧化物电解槽，包括：膜电极组件(MEA)；阴极，包括放置在MEA第一侧上的碳氧化物还原催化剂；与阴极接触并且具有至少约400μm的厚度的气体扩散层(GDL)；以及在GDL的与阴极相对的那一侧与气体扩散层接触的流场。
实现43：按照实现42所述的碳氧化物电解槽，其中GDL具有至少约600μm的厚度。
实现44：按照实现42所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括微孔层(MPL)和背衬层。
实现45：按照实现42所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括两个或更多个MPL。
实现46：按照实现42所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括疏水聚合物。
实现47：按照实现46所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括贯穿GDL厚度的疏水聚合物。
实现48：按照实现46所述的碳氧化物电解槽，其中疏水聚合物包括氟化聚烯烃。
实现49：按照实现42所述的碳氧化物电解槽，其中GDL具有至多约0.5W/mK的热导率。
实现50：一种使用按照任何实现1-8所述的碳氧化物电解槽电解碳氧化物的方法，该方法包括：将碳氧化物经由GDL输送到阴极。
实现51：一种碳氧化物电解槽，包括：膜电极组件(MEA)；阴极，包括放置在MEA第一侧上的碳氧化物还原催化剂；与阴极接触并且具有至多约0.5W/mK的热导率的气体扩散层(GDL)；以及在GDL的与阴极相对的一侧与气体扩散层接触的流场。
实现52：按照实现51所述的碳氧化物电解槽，其中GDL具有约0.05到0.5W/mK的热导率。
实现53：按照实现51所述的碳氧化物电解槽，其中GDL具有至少约400μm的厚度。
实现54：按照实现51所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括微孔层(MPL)和背衬层。
实现55：按照实现51所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括两个或更多个MPL。
实现56：按照实现51所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括疏水聚合物。
实现57：按照实现56所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括贯穿GDL厚度的疏水聚合物。
实现58：按照实现57所述的碳氧化物电解槽，其中疏水聚合物包括氟化聚烯烃。
实现59：一种使用按照实现51-58中任何一项所述的碳氧化物电解槽电解碳氧化物的方法，该方法包括：将碳氧化物经由GDL输送到阴极。
实现60：一种碳氧化物电解槽，包括：膜电极组件(MEA)；阴极，包括放置在MEA第一侧上的碳氧化物还原催化剂；与阴极接触并且具有(a)背衬层和(b)微孔层(MPL)的气体扩散层(GDL)，其中背衬层和MPL各自包括疏水成分；以及在GDL的与阴极相对的一侧与气体扩散层接触的流场。
实现61：按照实现60所述的碳氧化物电解槽，其中疏水成分包括疏水聚合物。
实现62：按照实现61所述的碳氧化物电解槽，其中疏水聚合物包括氟化聚烯烃。
实现63：按照实现60所述的碳氧化物电解槽，其中GDL包括两个或更多个MPL。
实现64：按照实现60所述的碳氧化物电解槽，其中GDL具有至少约400μm的厚度。
实现65：按照实现60所述的碳氧化物电解槽，其中GDL具有至多约0.5W/mK的热导率。
实现66：按照实现60所述的碳氧化物电解槽，其中背衬层包括第一浓度的疏水成分，其中MPL包括第二浓度的疏水成分，且第一和第二浓度基本相同。
实现67：按照实现60所述的碳氧化物电解槽，其中背衬层包括第一浓度的疏水成分，其中MPL包括第二浓度的疏水成分，且第一和第二浓度基本不同。
实现68：一种使用按照任何实现60-67所述的碳氧化物电解槽电解碳氧化物的方法，该方法包括：将碳氧化物经由GDL输送到阴极。
实现69：一种COx电解槽系统，包括：被配置为接收气态COx的阴极入口端口；阴极出口端口；以及一个或多个COx电解槽单元，每个COx电解槽单元包括：阴极流场，膜电极组件(MEA)和插入在该COx电解槽单元的阴极流场和MEA之间的阴极气体扩散层(GDL)，其中：所述一个或多个COx电解槽单元被配置为与电压或电流源连接以便于产生穿过所述一个或多个电解槽单元的电势或电流，每个COx电解槽单元的阴极流场具有多个平行阴极通道，每个平行阴极通道被配置为经由阴极入口端口接收阴极流体并将至少一些该阴极流体引导向阴极出口端口，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的一个或多个相应阴极通道中的每一个遵循相应的基本线性的路径，而不是遵循蛇形路径，每个COx电解槽单元的阴极流场的所述多个平行阴极通道位于该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的阴极GDL接触的相应一侧，以及所述多个平行阴极通道中的每一个具有至少约300mm的长度。
实现70：按照实现69所述的COx电解槽系统，其中阴极流场具有至少一个维度，所述至少一个维度为至少约300mm。
实现71：按照实现69所述的COx电解槽系统，其中所述多个平行阴极通道中的每一个具有至少约350mm的长度，且其中阴极流场具有至少一个维度，所述至少一个维度为至少约350mm。
实现72：按照实现69所述的COx电解槽系统，其中所述多个平行阴极通道中的每一个具有至少约400mm的长度，且其中阴极流场具有至少一个维度，所述至少一个维度为至少约400mm。
实现73：按照实现69所述的COx电解槽系统，其中所述多个平行阴极通道中的每一个具有至少约500mm的长度，且其中阴极流场具有至少一个维度，所述至少一个维度为至少约500mm。
实现74：一种使用按照任何实现69-73所述的COx电解槽电解COx的方法，该方法包括：将气态COx经由GDL输送到阴极。
应当进一步理解的是，虽然着重于特定的一个或多个示例实现，但上述公开不仅限于所讨论的示例，而是也可以适用于类似的变体和机制，并且这些类似的变体和机制也被认为在本公开的范围内。
Claims (20)
1.一种COx电解槽系统，包括：
阴极入口端口；
阴极出口端口；以及
一个或多个COx电解槽单元，每个COx电解槽单元包括：
相应阴极流场，
相应膜电极组件(MEA)，其包括金属纳米颗粒催化剂层，
相应阴极气体扩散层(GDL)，其插入在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，其中：
所述一个或多个COx电解槽单元被配置为与电压或电流源连接以便产生穿过所述一个或多个COx电解槽单元的电势或电流，
每个COx电解槽单元的相应阴极流场具有一个或多个相应阴极通道，每个阴极通道被配置为经由阴极入口端口接收阴极流体并将至少一些该阴极流体引导向阴极出口端口，
阴极入口端口被配置为接收气态COx，
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的相应阴极通道位于该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧，以及
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于300到6000mm之间的长度，介于0.15到6mm2之间的横截面积和介于0.5到2mm之间的宽度。
2.按照权利要求1所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每一个遵循相应蛇形路径，其多个较长段沿着平行路径延伸，其较短段跨越在其相邻的较长段的相对端之间。
3.按照权利要求2所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每个阴极通道具有介于1500到6000mm之间的长度。
4.按照权利要求2或权利要求3所述的COx电解槽系统，其中在每个COx电解槽单元的相应阴极流场中存在多个相应阴极通道。
5.按照权利要求4所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成交错模式，其中每个相应阴极通道的每个较长段与另一个相应阴极通道的至少一个较长段相邻。
6.按照权利要求5所述的COx电解槽系统，其中：
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道包括第一相应阴极通道和第二相应阴极通道，
该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第一相应半岛壁分隔开，
该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第二相应半岛壁分隔开，
对于每个第一相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第一相应半岛壁的宽度随着该第一相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的跨越在由该第一相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小，以及
对于每个第二相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第二相应半岛壁的宽度随着该第二相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的跨越在由该第二相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小。
7.按照权利要求4所述的COx电解槽系统，其中：
每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每个相应阴极通道的较长端段分别包括第一相应端段和第二相应端段，以及
每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成并排模式，其中在每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每对相邻的相应阴极通道中的一个相应阴极通道的第一相应端段与该对相邻的相应阴极通道中的另一个相应阴极通道的第二相应端段相邻。
8.按照权利要求2到7中的任何一个所述的COx电解槽系统，其中较短段是弧形的。
9.按照权利要求1所述的COx电解槽系统，其中存在每个COx电解槽单元的相应阴极流场的排列成线性阵列的多个相应阴极通道，每个相应阴极通道跨越在该COx电解槽单元的相应阴极流场的一侧和该COx电解槽单元的相应阴极流场的相对侧之间。
10.按照权利要求1所述的COx电解槽系统，其中：
在一个或多个阴极流场的第一阴极流场中存在多个阴极通道；
第一阴极流场中的阴极通道为平行通道；
第一阴极流场中的第一组阴极通道中的阴极通道具有第一端，每个第一端与在横断平行通道的第一方向上延伸的相应入口分支通道连接，
第一阴极流场中的第一组阴极通道中的阴极通道具有第二端，每个第二端与在第一方向上延伸的相应出口分支通道连接，
第一组阴极通道具有两个最外侧阴极通道，
入口管道从第一阴极流场中的流体入口端口延伸到入口分支管道，并在靠近第一组的一个最外侧阴极通道与入口分支管道连接之处的位置与入口分支管道连接，以及
出口管道从第一阴极流场中的流体出口端口延伸到出口分支管道，并在靠近第一组的另一个最外侧阴极通道与出口分支管道连接之处的位置与出口分支管道连接。
11.按照权利要求1到10中的任何一个所述的COx电解槽，其中：
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道具有两个相应内底边，所述两个相应内底边与该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧在垂直于该相应一侧的方向上间隔开，以及
每个相应内底边是圆形的。
12.一种COx电解槽系统，包括：
阴极入口端口；
阴极出口端口；以及
一个或多个COx电解槽单元，每个COx电解槽单元包括：
相应阴极流场，
相应膜电极组件(MEA)，其包括金属纳米颗粒催化剂层，
相应阴极气体扩散层(GDL)，其插入在该COx电解槽单元的相应阴极流场和该COx电解槽单元的相应MEA之间，其中：
所述一个或多个COx电解槽单元被配置为与电压或电流源连接以便产生穿过所述一个或多个COx电解槽单元的电势或电流，
每个COx电解槽单元的相应阴极流场具有一个或多个相应阴极通道，每个相应阴极通道被配置为经由阴极入口端口接收阴极流体并将至少一些该阴极流体引导向阴极出口端口，
阴极入口端口被配置为接收气态COx，
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的相应阴极通道位于该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧，以及
每个阴极流场被配置为在COx电解槽系统的正常运行条件下产生穿过其阴极通道的介于0.001psi到50psi之间的压降。
13.按照权利要求12所述的COx电解槽系统，其中COx电解槽系统被配置为在正常运行条件下运行，使得含COx的气体以介于每平方厘米活性流动阴极流场面积2标准立方厘米每分钟(sccm)到每平方厘米活性流动阴极流场面积21sccm之间的速率，以及在阴极入口端口处介于50psi到400psi之间的入口压力，被提供给每个阴极流场。
14.按照权利要求12所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述一个或多个相应阴极通道中的每一个相应阴极通道遵循相应蛇形路径，其多个较长段沿着平行路径延伸，其较短段跨越在其相邻较长段的相对端之间。
15.按照权利要求12所述的COx电解槽系统，其中每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成交错模式，其中每个相应阴极通道的每个较长段与另一个相应阴极通道的至少一个较长段相邻。
16.按照权利要求15所述的COx电解槽系统，其中：
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的所述多个相应阴极通道包括第一相应阴极通道和第二相应阴极通道，
该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第一相应半岛壁分隔开，
该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的彼此相邻的较长段由第二相应半岛壁分隔开，
对于每个第一相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第一相应半岛壁的宽度随着该第一相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第一相应阴极通道的跨越在由该第一相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小，以及
对于每个第二相应半岛壁的至少其长度的一部分，该第二相应半岛壁的宽度随着该第二相应半岛壁靠近该COx电解槽单元的相应阴极流场的第二相应阴极通道的跨越在由该第二相应半岛壁分隔开的其两个较长段之间的较短段而减小。
17.按照权利要求15所述的COx电解槽系统，其中：
每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每个相应阴极通道的较长端段分别包括第一相应端段和第二相应端段，以及
每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的所述多个相应阴极通道排列成并排模式，其中在每个COx电解槽单元的每个相应阴极流场的每对相邻相应阴极通道中的一个相应阴极通道的第一相应端段与该对相邻相应阴极通道的另一个相应阴极通道的第二相应端段相邻。
18.按照权利要求14到17中的任何一个所述的COx电解槽系统，其中较短段是弧形的。
19.按照权利要求12所述的COx电解槽系统，其中存在排列成线性阵列的每个COx电解槽单元的相应阴极流场的多个相应阴极通道，每个相应阴极通道跨越在该COx电解槽单元的相应阴极流场的一侧和该COx电解槽单元的相应阴极流场的相对侧之间。
20.按照权利要求12到19中的任何一个所述的COx电解槽，其中：
每个COx电解槽单元的相应阴极流场的每个相应阴极通道具有两个相应内底边，所述两个相应内底边与该COx电解槽单元的相应阴极流场的与该COx电解槽单元的相应阴极GDL接触的相应一侧在垂直于该相应一侧的方向上间隔开，以及
每个相应内底边是圆形的。
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|---|---|---|---|
| US63/199,931 | 2021-02-03 | ||
| US202163203497P | 2021-07-26 | 2021-07-26 | |
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