高性能燃料电池的制作方法

1.本公开涉及高性能燃料电池和包括这种燃料电池的燃烧系统。特别地，本公开涉及包括流动通道的燃料电池单元，该流动通道各自包括被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成的增强特征。本公开还涉及包括流动通道的燃料电池单元，该流动通道以之字形或跷跷板构造交替，从而提高燃料电池单元的功率密度。


背景技术：

2.燃料电池是电化学能量转换装置，其已证明在发电中具有相对高效率和低污染的潜力。燃料电池通常提供直流电(dc)，直流电(dc)可以经由例如逆变器转换成交流电(ac)。dc或ac电压可用于为马达、灯、通信设备和任何数量的电气装置和系统供电。燃料电池可以在静止、半静止或便携式应用中操作。某些燃料电池(例如固体氧化物燃料电池(sofc))可以在提供电力以满足工业和市政需求的大规模电力系统中操作。其他可能适用于较小的便携式应用，例如为汽车供电。
3.燃料电池通过跨离子传导层电化学结合燃料和氧化剂来产生电。该离子传导层(也称为燃料电池的电解质)可以是液体或固体。常见的燃料电池类型包括磷酸(pafc)、熔融碳酸盐(mcfc)、质子交换膜(pemfc)和固体氧化物(sofc)，它们通常都以其电解质命名。在实践中，燃料电池通常以电气串联的形式聚集在燃料电池组件中，以在有用的电压或电流下产生电力。通常，燃料电池的部件包括电解质和两个电极。产生电的反应通常发生在电极上，通常在电极上设置催化剂以加速反应。电极可以构造为通道、多孔层等，以增加发生化学反应的表面积。电解质将带电粒子从一个电极传送到另一个电极，并且对燃料和氧化剂基本上是不可渗透的。


技术实现要素：

4.根据实施例，提供了一种燃料电池单元，其包括具有多个流动通道的支撑结构和与支撑结构联接的活性层膜，活性层膜包括至少一个电极层。多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。
5.根据实施例，提供了一种包括多个燃料电池单元的燃料电池。多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元包括具有多个流动通道的支撑结构和与支撑结构联接的活性层膜，活性层膜包括至少一个电极层。多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。
6.根据实施例，提供了一种方法，该方法包括将燃料引导到从入口端延伸到燃烧出口端的燃料电池堆中的燃料电池的燃料入口中，燃料入口定位成靠近燃料电池堆的入口
端；将空气引导到燃料电池的空气入口中，空气入口定位成靠近燃料电池堆的入口端；通过跨包括阳极层、电解质层和阴极层的活性层膜的相对侧引导空气和燃料来产生电能；朝向靠近燃料电池堆的燃烧出口端的燃料电池的燃烧出口引导通过燃料电池的流动通道的至少一些燃料和至少一些空气；以及靠近燃烧出口端燃烧至少一些燃料和至少一些空气作为来自燃料电池的输出燃烧。
7.本公开的附加特征、优点和实施例通过考虑以下详细描述、附图和权利要求而被阐述或显而易见。此外，应当理解，本公开的上述概述和以下详细描述都是示例性的并且旨在提供进一步的解释，而不限制所要求保护的本公开的范围。
附图说明
8.根据以下更具体地对如附图中所示的各种示例性实施例的描述，前述和其他特征和优点将变得显而易见，在附图中相似的附图标记通常表示相同、功能类似和/或结构类似的元件。
9.图1示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元的立体图。
10.图2示出了沿图1中所示的线2-2截取的图1的燃料电池单元的横截面侧视图。
11.图3示出了根据本公开的实施例的图1和图2中所示的若干燃料电池单元的堆的横截面侧视图。
12.图4示出了根据本公开的实施例的图1的燃料电池单元的催化剂侧的俯视图。
13.图5a示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元的立体图。
14.图5b示出了根据本公开的实施例的图5a的燃料电池单元的一个流动通道的放大图。
15.图6a示出了根据本公开的实施例的图1的燃料电池单元的侧视图。
16.图6b示出了根据本公开的实施例的图5a的燃料电池单元的侧视图。
17.图7a示出了根据本公开的实施例的图1的燃料电池单元的催化剂侧的俯视图。
18.图7b示出了根据本公开的实施例的图5a的燃料电池单元的催化剂侧的俯视图。
19.图8a示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元的侧视图。
20.图8b示出了沿图8a中所示的线8b-8b截取的图8a的燃料电池单元的横截面视图。
21.图8c示出了根据本公开的实施例的图8b的燃料电池单元的一个流动通道的放大局部视图。
22.图9a示出了根据本公开的实施例的沿图8b中所示的线b-b截取的图8a和图8b的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
23.图9b示出了根据本公开的另一个实施例的沿图8b中所示的线b-b截取的图8a和图8b的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
24.图9c示出了根据本公开的另一实施例的沿图8b中所示的线b-b截取的图8a和图8b的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
25.图9d示出了根据本公开的又一个实施例的沿图8b中所示的线b-b截取的图8a和图8b的燃料电池单元的一个流动通道的横截面俯视图。
26.图10示出了根据本公开的一个实施例的集成燃料电池和燃烧系统。
27.图11示出了根据本公开的一个实施例的可以由图10的集成燃料电池和燃烧系统
中的一个或多个部分提供动力和/或推进的运载器系统的图。
28.图12示出了用于从燃料电池堆产生电能和燃烧的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
29.下面详细讨论各种实施例。尽管讨论了特定实施例，但这仅是为了说明的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和构造。
30.需要改进的燃料电池性能。更特别地，仍然需要具有改进的性能和功率密度的燃料电池。因此，本公开涉及高性能燃料电池和包括这种燃料电池的燃烧系统。根据本公开的实施例，通过使用根据本公开的原理的加性流动边界层破坏和加压几何形状，可以提供高性能燃料电池。例如，燃料电池性能可能会由于传统制造和/或在发生反应的电极和/或膜的表面附近形成的边界层而受到限制。根据本公开的原理的燃料电池通过旋流或破坏边界层的形成的优化设计和/或特征来提供改进的性能和功率密度。根据本公开的原理，可以减小燃料电池的尺寸、体积和/或重量，这允许更紧凑的结构以及降低的成本。凭借更紧凑的结构和/或更小的体积，燃料电池可以安装在例如喷气发动机(例如燃气涡轮发动机)上，并且可以减少至少70％的排放，其中潜在的更低热值(lhv)效率至少超过58％。
31.在一个方面，燃料电池单元可以包括流动通道，流动通道包括增强特征以破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。
32.燃料电池单元可以包括具有流动通道的支撑结构和包括电极层的活性层膜。流动通道跨活性层膜的电极层引导空气和/或燃料以产生电流。流动通道可以包括增强特征以破坏在发生反应的活性层膜的表面附近的边界层的形成。
33.图1和图2示出了根据本公开的实施例的燃料电池单元100。如图1和2所示，燃料电池单元100包括从第一侧114延伸到第二侧116的支撑结构110，支撑结构110具有示出为流动通道120a、120b的多个细长流动通道或通路。根据一个实施例，支撑结构110包括在堆(见例如图3)中的燃料电池之间提供电流传导的金属支撑件和/或陶瓷支撑件。该支撑结构110也可以称为传导支撑结构。
34.根据一个实施例，支撑结构110包括实心板112，突起130a、130b在相对方向上远离实心板112(例如，朝向具有活性层膜115(将在下面更详细地描述)的燃料电池单元100的侧/表面122，以及朝向燃料电池单元100的相对侧/表面124(或开放侧124，因为该侧没有被任何活性层膜(例如，活性层膜115)界定或包围))延伸。突起130a、130b延伸板112的长度，并且因此，突起在与每个流动通道120a、120b延伸的方向相同的方向上伸长。这些突起130a、130b和板112形成多个流动通道120a、120b，如图所示，多个流动通道120a、120b是细长的并且位于支撑结构110的内部。例如，多个流动通道120a、120b延伸到支撑结构110的本体内部。多个流动通道120a、120b可以小于一毫米高(例如，多个流动通道120a、120b延伸到支撑结构110中的方向)，例如二十五密耳(0.635毫米)高。多个流动通道120a、120b可以是大约3毫米宽，例如3.176毫米宽。或者，多个流动通道120a、120b可以更高或更短、更宽或更窄。
35.在每个燃料电池单元100中，板112的一侧(例如，侧122)上的流动通道120a可以是燃料通过其流过燃料电池单元100的燃料通道或通路，而板112的相对侧(例如，侧124)上的
流动通道120b可以是空气通过其流过燃料电池单元100的空气通道或通路。或者，板112的一侧(例如，侧122)上的流动通道120a可以是空气通过其流过燃料电池单元100的空气通道或通路，而板112的相对侧(例如，侧124)上的流动通道120b可以是燃料通过其流过燃料电池单元100的燃料通道或通路。
36.流动通道120a均由活性层膜115(将在下文进一步详细描述)、两个突起130a和板112界定或包围。这些流动通道120a可以被称为封闭通道或通路。相反，流动通道120b可以被称为开放通道或通路，因为这些流动通道120b在三侧上由板112和突起130b界定，但它们不被任何活性层膜(例如，活性层膜115)界定或包围，并且因此流动通道120b沿支撑结构110的侧124开放。
37.图1和2的支撑结构110的尺寸可以相对较小。例如，支撑结构110可以具有例如八厘米(800mm)长的长度(例如，在图1的立体图中从燃料电池的前部到后部的尺寸)。支撑结构110可以具有例如2.5厘米(250mm)长的宽度(例如，在图1的立体图中水平或从左到右的尺寸)。支撑结构110还可以具有例如2.2mm长的厚度(例如，在图1的立体图中竖直或从上到下的尺寸)。活性层膜115(将在下面更详细地描述)可以具有覆盖区，或在表面积上延伸，例如，十平方厘米。或者，支撑结构110的长度和/或宽度和/或活性层膜115的尺寸可以小于或大于这些尺寸。虽然支撑结构110被示为平板，但可选地，支撑结构110可以具有非平面形状。例如，支撑结构110可以形成为围绕飞行器发动机的中心轴线的弯曲板。可选地，支撑结构110可以具有另一种形状。虽然燃料电池单元100的其他部件示出为平面体或板，但可选地，这些其他部件也可以具有非平面形状，如支撑结构110。
38.图1和2的燃料电池单元100还包括活性层膜115。根据一个实施例，活性层膜115可以包括多个层。例如，如图2的实施例所示，活性层膜115可以设置在支撑结构110上并通过多孔支撑层140与支撑结构110隔开。多孔支撑层140可以由形成孔的一种或多种材料形成，以允许燃料和空气流过多孔支撑层140。在一个实施例中，支撑结构110和多孔支撑层140可以各自由相同类型的材料形成。或者，根据实施例，支撑结构110可以形成为非多孔的(例如，流体不能穿过支撑结构110)，而多孔支撑层140可以形成为包括孔，一种或多种流体可以通过该孔穿过多孔支撑层140。可用于产生支撑结构110和/或多孔支撑层140的材料的示例包括例如传导陶瓷材料(例如，对于多孔支撑层140，由陶瓷金属混合材料制成的泡沫)、金属、金属合金等。多孔支撑层140可以通过例如热喷涂用于在支撑结构110上形成多孔支撑层140的材料、通过在钎焊支撑结构110的同时在支撑结构110上形成泡沫作为多孔支撑层140(并且可选地将烧结助剂添加到泡沫)、通过在支撑结构110上增材制造多孔支撑层140、通过使用浆料浇铸多孔支撑层140、通过在惰性气体环境中热处理形成多孔支撑层140的泡沫、通过使用金属结构(如网格或网)等来形成。在所有情况下，例如，多孔支撑层140以某种方式结合到支撑结构110。
39.图2的活性层膜115还包括阳极层150，其沉积或以其他方式形成在多孔支撑层140上。阳极层150通常由用作燃料电池的阳极的材料形成，该燃料电池由两个燃料电池单元100的组合形成。活性层膜115还包括沉积或以其他方式形成在阳极层150上的电解质层160。电解质层160通常由用作燃料电池(例如，固体氧化物燃料电池(sofc))的电解质的材料形成，该燃料电池由两个燃料电池单元100的组合形成。活性层膜115还包括沉积或以其他方式形成在电解质层160上的阴极层170。阴极层170通常由用作燃料电池的阴极的材料
形成，该燃料电池由两个燃料电池单元100的组合形成。或者，阴极层170可以在多孔支撑层140上并与多孔支撑层140接触，而不是阳极层150，其中阳极层150位于图2所示的阴极层170的位置。整体或部分地彼此重叠的层(包括例如阳极层150、电解质层160和阴极层170，具有或不具有多孔支撑层140)的二维区域或覆盖区限定燃料电池单元100的活性层膜115。
40.根据一个实施例，燃料电池单元100的电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)可以例如通过将阳极层150沉积在多孔支撑层140上、将电解质层160沉积在阳极层150上、以及将阴极层170沉积在电解质层160上来沉积在多孔支撑件(例如，图2的多孔支撑层140)上。多孔支撑层140可以具有孔，该孔大到足以允许在流动通道120a中流动的燃料(例如，气态燃料)通过多孔支撑层140扩散到电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)。但是，孔可以小到足以阻止形成电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)的任何颗粒穿过多孔支撑层140。在一个实施例中，多孔支撑层140中的孔的尺寸范围可以从2微米到80微米，但可选地，取决于沉积以形成电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)的颗粒的尺寸可以更小或更大。形成电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)的材料层可以使用热喷涂或其他沉积技术来沉积。
41.燃料电池单元100可以相对薄。例如，支撑结构110可以是例如大约2.2毫米厚。根据一个实施例，支撑结构110可以在2.2毫米的3％以内。活性层膜115可以是例如大约200微米厚。根据一个实施例，活性层膜115可以在200微米的3％以内。阴极层170可以是例如50到100微米厚，电解质层160可以是例如5到30微米厚，并且阳极层150可以是例如50到100微米厚。或者，这些层中的一个或多个可以比这些示例尺寸更厚或更薄。
42.燃料电池单元100中的支撑结构110(例如，传导支撑结构)和电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)可以由一种或更多耐腐蚀金属形成，以减缓燃料电池单元100的退化(相对于使用非耐腐蚀金属)。可以使用的金属的示例包括但不限于ss430系列的不锈钢(例如ss430、ss431等)、jethete m152
tm
、crofer 22apu和合金，镍和镍铬合金等。金属可以具有大的铬含量(例如，高于例如金属支撑结构110和/或多孔支撑层140的重量的8-10％)，以赋予支撑件更大的传导率。
43.在一个实施例中，可以在燃料电池单元100的阴极或阳极侧上的支撑结构110上提供薄保护涂层(例如，比阴极层170和/或阳极层150更薄的涂层)，以增加氧化皮的传导率或防止铬蒸发和电极(例如，图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)中毒。保护涂层可以由诸如钴、锰、钴和锰的组合、电子传导陶瓷等的材料形成。
44.图3示出了图1和图2中所示的若干燃料电池单元100的堆200的横截面视图的一个实施例。堆200中的燃料电池单元100的数量被提供为一个示例。在堆200中可以包括更多或更少数量的燃料电池单元100。堆200通过与图2中针对单个燃料电池单元100所示的平面相同的平面以横截面视图示出。堆200从入口端202延伸到相对端204。空气和/或燃料在延伸到每个燃料电池单元100的支撑结构110中的方向上在每个燃料电池单元100的流动通道120a、120b中流动。
45.燃料电池单元100可以被放置成彼此接触，使得若干燃料电池单元100具有与另一个燃料电池单元100的活性层膜115接触的支撑结构110的开放侧124。这可以封闭一个燃料电池单元100的板112、同一燃料电池单元100的两个突起130b和另一个燃料电池单元100的
活性层膜115之间的流动通道120b，如图3所示。这种堆叠燃料电池单元100的方式形成若干燃料电池206，这些燃料电池206中的每一个由两个燃料电池单元100的一部分但不是全部形成。端部燃料电池单元100(例如，图3中的燃料电池单元100a)在该燃料电池单元100a的板112的一侧上可以不具有突起130b或流动通道120b。另一个端部燃料电池单元100(例如，图3中的燃料电池单元100b)可以与端盖支撑结构208连接。端盖支撑结构208可以是支撑结构110的一部分，该部分包括板112和突起130b(以及对应的通道120b)，但不包括突起130a(或对应的通道120a)。
46.如图3所示，将燃料电池单元100彼此堆叠形成若干燃料电池206。可以通过在堆200中包括更多燃料电池单元100来增加每个堆200中的燃料电池206的数量。在每个燃料电池206内，燃料在一个燃料电池单元100的流动通道120a中活性层膜115的一侧上流动，而空气在另一个燃料电池单元100的流动通道120b中同一活性层膜115的另一侧上流动。至少一些燃料可以穿过多孔支撑层140到达阳极层150，并且空气可以接触阴极层170，使得燃料电池206可以产生电流。或者，空气可以在燃料电池206中的一个燃料电池单元100的流动通道120a中活性层膜115的一侧上流动，而燃料在另一个燃料电池单元100的流动通道120b中同一活性层膜115的另一侧上流动。至少一些空气可以穿过多孔支撑层140到达多孔支撑层140上的阴极层170，并且燃料可以接触活性层膜115的相对侧上的阳极层150，使得燃料电池206可以产生电流。
47.燃料电池206可以彼此串联连接，使得燃料电池206中产生的电流相加组合。每个燃料电池206产生的电流可以通过支撑结构110传导到与若干燃料电池206连接的传导体(例如总线、导线等)。或者，两个或更多个燃料电池206可以彼此并联连接。该电流可以通过一个或多个传导体(例如一个或多个总线、导线、电缆等)从堆200和壳体(见例如图10中所示的壳体2010)传导出来。
48.图4示出了燃料电池单元100的催化剂侧300的一个实施例的视图。燃料电池单元100代表一个或多个燃料电池的一部分，该一个或多个燃料电池包括在堆(例如，图3的堆200的燃料电池206)和/或壳体(见例如图10中所示的壳体2010)中。燃料电池单元100沿第一方向从入口端304延伸到相对出口端(或燃烧端)306，沿正交于第一方向的第二方向从催化剂侧300延伸到相对开放侧(图4中不可见但在图2中示出)，以及沿正交于第一方向和第二方向的第三方向从一个边缘308延伸到相对边缘310。如上所述，第一方向可以称为流动方向，因为这是空气和燃料在燃料电池单元100的流动通道(例如，流动通道120a、120b)中流动的方向。如上所述，第二方向可以称为厚度方向或交叉方向，因为燃料电池单元100的厚度是沿该第二方向测量的，并且燃料或空气在该方向上越过并离开流动通道到催化剂堆或活性层膜。第三方向可以称为燃料电池单元100的宽度方向。燃料电池单元100的出口端306可以位于壳体的出口侧处或与壳体的出口侧共同延伸(见例如图10的壳体2010的出口侧2012)。入口端304可以位于壳体的一侧处或一侧内(见例如图10的壳体2010的侧2016)，边缘308可以位于壳体的一侧处或一侧内(见例如图10的壳体2010的侧2015)，并且相对边缘310可以位于壳体的相对侧处或相对侧内(见例如图10的壳体2010的侧2014)。
49.若干燃料电池单元100可一起堆叠或夹在壳体内(见例如图3的堆200和/或图10中所示的壳体2010)。例如，可以将若干燃料电池单元100放置成彼此接触，使得燃料电池单元100的催化剂侧300面向壳体的入口侧(见例如图10中所示的壳体2010的入口侧2022)。催化
剂侧300代表在燃料电池单元100的活性层膜115中具有若干催化剂层的燃料电池单元100的一侧。如上所述，这些层包括阳极层、阴极层和设置在阳极层和阴极层之间的电解质层(例如固体氧化物层)(见例如图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)。燃料电池单元100包括燃料入口312和空气入口314，以分别向燃料电池单元100的流动通道120a和/或120b提供燃料和空气。燃料入口312可以与壳体的燃料入口(见例如图10的壳体2010的燃料入口2050)对准或以其他方式与其流体联接，并且空气入口314可以与壳体的空气入口(见例如图10的壳体2010的空气入口2060)对准或以其他方式与其流体联接。当燃料电池单元100彼此堆叠时(见例如图3的堆200)，燃料入口312可以与燃料入口对准或以其他方式与其流体联接，使得燃料电池单元100的流动通道120a或120b接收经由燃料入口(见例如图10的壳体2010的燃料入口2050)注入到壳体中的燃料。空气入口314可以与空气入口对准或以其他方式与其流体联接，使得燃料电池单元100的流动通道120a或120b接收经由空气入口(见例如图10的壳体2010的空气入口2060)注入到壳体中的空气。
50.根据本公开的原理，流动通道可以以紧凑布置构造。通过以紧凑布置产生流动通道，可以减小燃料电池单元的尺寸、体积和/或重量，这允许更紧凑的结构以及降低的成本。这也可以提供增加的功率密度。参考图5a，示出并描述了示例性构造。特别地，图5a示出了根据另一个实施例的燃料电池单元400。如图5a所示，燃料电池单元400包括支撑结构410和活性层膜415，活性层膜415可以包括例如多孔支撑层、阳极层、电解质层和/或阴极层(见例如图2的多孔支撑层140、阳极层150、电解质层160和阴极层170)。在图5a的实施例中，支撑结构410从第一侧414延伸到第二侧416，其中支撑结构410具有多个流动通道420a、420b。根据一个实施例，支撑结构410的一侧(例如，侧422)上的流动通道420a可以是燃料通过其流过燃料电池单元400的燃料通道或通路，而支撑结构410的相对侧(例如，侧424)上的流动通道420b可以是空气通过其流过燃料电池单元400的空气通道或通路。或者，支撑结构410的一侧(例如，侧422)上的流动通道420a可以是空气通过其流过燃料电池单元400的空气通道或通路，并且支撑结构410的相对侧(例如，侧424)上的流动通道420b可以是燃料通过其流过燃料电池单元400的燃料通道或通路。
51.如图5a和5b的实施例中进一步所示，流动通道420a、420b以交替或之字形和/或跷跷板构造定位，使得包括活性层膜415的支撑结构410的一侧(例如，侧422)上的流动通道420a以之字形构造与支撑结构410的相对侧(例如，侧424)上的流动通道420b交替。根据一个实施例，流动通道420a、420b中的每一个的壁(见例如图5b的壁421a、421b)彼此成45度至90度定位，使得流动通道420a、420b的一个壁(见例如图5b的壁421a)可以定位成垂直于同一流动通道420a、420b的另一个壁(见例如图5b的壁421b)。因此，与图1和图2的实施例相比，图5a的支撑结构410不包括具有多个突起的板，该多个突起在板的每一侧上形成流动通道(见例如图1和2的具有突起130a、130b的板112以及通道120a和120b)。通过以图5a的实施例的这种交替或之字形构造产生流动通道420a、420b，可以减小燃料电池单元400的尺寸、体积和/或重量，这允许更紧凑的结构，以及降低的成本。例如，根据一个实施例，支撑结构410的高度(即，从支撑结构410的侧(或表面)422到侧(或表面)424的高度)可以减小到约2mm，这与通常大约为5mm的图1和图2的燃料电池单元100的支撑结构110的高度(即，从支撑结构110的侧(或表面)122到相对侧(或表面)124的高度)相比大大减小。
52.另外，通过以图5a的实施例的交替或之字形构造产生流动通道420a、420b，燃料电
池单元400可以进一步具有增加的功率密度。例如，如图5b所示，流动通道420a、420b的这种之字形构造在流动通道420a、420b中的一个或两个中产生旋流通道450(或旋流几何形状)，其可以更有效地分离反应和未反应的气体。这种旋流通道450(或旋流几何形状)还可以帮助防止和/或破坏在发生反应的活性层膜415的电极(见例如图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)的表面附近形成边界层。根据一个实施例，图5a的实施例的流动通道420a、420b的这种交替或之字形构造可导致对边界层的形成的破坏，这可导致传质单元极化的降低，其反过来可导致更高的电池输出功率(例如，功率密度)。
53.相对于图1和图2的燃料电池单元100，图5a的燃料电池单元400的优点在图6a、6b、7a和7b中进一步示出。例如，如图6a和6b所示，其相对于彼此按比例绘制，燃料电池单元400的尺寸和/或高度可以相对于燃料电池单元100的尺寸和/或高度大大减小，同时在流动通道420a、420b中保持相同的通道尺寸。根据一个实施例，可以通过调节通道高度和/或宽度来优化通道高度，以最大化电池体积和重量功率密度。虽然减小通道尺寸可能导致流速背压，但可以优化各种参数以最大化电池功率，同时保持例如发动机的期望背压。如上所述，根据一个实施例，支撑结构410的高度(即，从图5a的支撑结构410的侧(或表面)422到侧(或表面)424的高度)可以减小到约2mm，这与通常大约为5mm的图1和图2的燃料电池单元100的支撑结构110的高度(即，从图2的支撑结构110的侧(或表面)122到相对侧(或表面)124的高度)相比大大减小。燃料电池单元400的尺寸和/或高度的这种减小至少与燃料电池单元100的支撑结构110的板112的移除以及燃料电池单元400的流动通道420a、420b的交替或之字形构造有关。根据一个实施例，燃料电池单元400的这种构造以及其尺寸的减小可以通过经由增材制造产生燃料电池单元400来实现。增材制造可以涉及在计算机控制下接合或固化材料，以例如通过添加液体分子或将粉末颗粒彼此熔融来产生三维物体。增材制造的示例包括三维(3d)打印、快速原型制作(rp)、直接数字制造(ddm)、选择性激光熔化(slm)、电子束熔化(ebm)、直接金属激光熔化(dmlm)等。或者，燃料电池单元400可以以另一种方式形成。
54.根据另一个实施例，图5a的燃料电池单元400的流动通道420a、420b的交替或之字形构造导致活性层膜415的面积或阴极活性面积的增加。活性层膜415的活性面积的这种增加可以通过例如最小化燃料电池单元(例如燃料电池单元100)的外壁的宽度来发生。例如，如相对于彼此按比例绘制的图7a和7b所示，图1和2的实施例的燃料电池单元100包括催化剂侧300，其代表在燃料电池单元100的活性层膜115中具有若干催化剂层的燃料电池单元100的一侧。如上所述，这些层包括阳极层、阴极层和设置在阳极层和阴极层之间的电解质层(例如固体氧化物层)(见例如图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)。燃料电池单元100还包括燃料入口312和空气入口314。如图7b的实施例中所示，图5a的实施例的燃料电池单元400还包括催化剂侧500，其代表在燃料电池单元400的活性层膜415中具有若干催化剂层的燃料电池单元400的一侧。同样，如上所述，这些层包括阳极层、阴极层和设置在阳极层和阴极层之间的电解质层(例如固体氧化物层)(见例如图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)。燃料电池单元400还包括燃料入口512和空气入口514。然而，如图7b的实施例中所示，与图7a的燃料电池单元100的活性层膜115或阴极活性面积相比，由于例如燃料电池单元400的流动通道420a、420b的交替或之字形构造，燃料电池单元400的活性层膜415的尺寸或阴极活性面积可以增加，这可导致燃料电池单元400的性能和/或功率密度增
加。
55.图8a-8c示出了根据实施例的燃料电池单元100’。如图8a所示，燃料电池单元100’包括支撑结构110和活性层膜115，活性层膜115可以包括例如多孔支撑层、阳极层、电解质层和/或阴极层(见例如图2的多孔支撑层140、阳极层150、电解质层160和阴极层170)。类似于图1和图2的燃料电池单元100的实施例，在图8a的实施例中，支撑结构110包括板112，板112具有产生多个流动通道120a、120b的突起(见例如图2的突起130a、130b)。根据一个实施例，流动通道120a可以是燃料通过其流过燃料电池单元100’的燃料通道或通路，而流动通道120b可以是空气通过其流过燃料电池单元100’的空气通道或通路。或者，流动通道120a可以是空气通过其流过燃料电池单元100’的空气通道或通路，并且流动通道120b可以是燃料通过其流过燃料电池单元100’的燃料通道或通路。
56.根据一个实施例，图8a-8c的燃料电池单元100’的流动通道120a、120b中的一个或两个还包括一个或多个增强特征，一个或多个增强特征被构造为防止和/或破坏在发生反应的活性层膜115的表面附近(例如，在发生反应的活性层膜115的电极(见例如图2的阳极层150、电解质层160和/或阴极层170)的表面附近)的边界层的形成。例如，根据图8b和8c的实施例，流动通道120a可以包括织带材料(webbing material)600，该织带材料600由例如金属线制成并且附接到多个流动通道120a中的每个流动通道120a的表面，其中织带材料600被构造为破坏在发生反应的活性层膜115(例如，上面讨论的一个或多个电极层)的表面附近的边界层的形成。根据另一个实施例，织带材料600还可以提高流动通道120a和/或燃料电池单元100’处理高压操作的能力。虽然图8a-8c的实施例仅示出了织带材料600被附接到支撑结构110的一组流动通道120a，但是织带材料600也可以或者可以替代地附接到支撑结构110的另一组流动通道120b。
57.根据另一个实施例，图8a的燃料电池单元100’的支撑结构110的流动通道120a可以包括多个内部三维特征形式的一个或多个增强特征。这些特征可以是图8c的织带材料600的补充或图8c的织带材料600的替代。例如，如图9a所示，一个或多个增强特征可以包括沿流动通道120a的一个或多个侧壁的长度设置的多个内部凸块700。根据一个实施例，内部凸块700沿流动通道120a的一个或多个侧壁的内表面设置(见例如图9a)。根据另一个实施例，内部凸块700沿多孔支撑层(见例如图2的多孔支撑层140)的下侧(例如面向流动通道120a的多孔支撑层的表面)设置。这些内部凸块700被构造为例如在流动通道120a中的流中产生湍流，并且由此在每个凸块700处重置潜在边界层的形成。图9b示出了另一实施例，其中一个或多个增强特征可以包括沿流动通道120a的一个或多个侧壁的长度设置的多个内部隆起800，其中每个内部隆起800包括延伸到流动通道120a中的突起部分800a(或凸部)和远离流动通道120a延伸的凹入部分800b(或凹部)。这些内部隆起800被构造为例如在每个隆起800处重置潜在边界层的形成。图9c示出了另一个实施例，其中一个或多个增强特征呈沿流动通道120a设置的螺旋形状900的形式。根据一个实施例，螺旋形状900可以形成在流动通道120a的内侧并且横穿相应流动通道120a的长度。根据另一个实施例，螺旋形状900可以通过在流动通道120a内产生形成湍流器的网状件来形成。这种螺旋或旋流形状900被构造为使通过流动通道120a的空气和/或气体流旋转，和/或沿流动通道120a的长度以垂直运动移动，从而破坏沿流动通道120a的长度的任何边界层的形成。虽然图9a-9c的实施例仅示出了各种增强特征(700、800、900)沿支撑结构110的一组流动通道120a设置，但是各种增强
特征(700、800、900)也可以或可以替代地沿支撑结构110的另一组流动通道120b设置。
58.根据以上讨论的增强特征的各个实施例中的每一个，增强特征被构造为破坏在发生反应的活性层膜115(例如，上面讨论的一个或多个电极层)的表面附近的边界层的形成。例如，根据一个实施例，每个增强特征被构造成在空气和/或燃料沿流动通道120a的方向f流动时产生空气和/或燃料的湍流和/或旋转(见例如图9a-9c))。这种流的湍流和/或旋转的产生有助于防止和/或破坏在发生反应的活性层膜115(例如，上面讨论的一个或多个电极层)的表面附近的边界层的形成。
59.根据一个实施例，多个内部柱可以定位在多个流动通道中的每个流动通道内，其中多个内部柱被构造为允许对燃料电池单元加压。例如，如图9d所示，多个内部柱1000沿流动通道120a的一个或多个侧壁的长度设置。根据该实施例，多个内部柱1000可以支撑可能在燃料电池单元和/或燃料电池本身中出现的压力，这允许对燃料电池单元进行额外加压。例如，根据一个实施例，内部柱1000在多个位置跨流动通道120a的宽度和/或高度延伸，使得内部柱1000可以充当内部支撑结构，这提高了对高内部压力的耐受性，包括例如，如果内部柱1000在多个点处附接到多孔支撑层(见例如图2的多孔支撑层140)。虽然图9d的实施例仅示出了多个内部柱1000沿支撑结构110的一组流动通道120a设置，但多个内部柱1000也可以或者可以替代地沿支撑结构110的另一组流动通道120b设置。
60.根据一个实施例，上述织带材料(例如，图8c的织带材料600)、各种增强特征(700、800、900)和/或多个内部柱1000可以增材地制造。增材制造可以涉及在计算机控制下接合或固化材料，以例如通过添加液体分子或将粉末颗粒彼此熔融来产生三维物体。增材制造的示例包括三维(3d)打印、快速原型制作(rp)、直接数字制造(ddm)、选择性激光熔化(slm)、电子束熔化(ebm)、直接金属激光熔化(dmlm)等。或者，上述织带材料(例如，图8c的织带材料600)、各种增强特征(700、800、900)和/或多个内部柱1000可以以另一种方式形成。
61.图10示出了集成燃料电池和燃烧系统2000的一个实施例。系统2000包括外壳2010，外壳2010具有燃烧出口侧2012和相对侧2016、燃料与空气入口侧2022和相对侧2024、以及相对侧2014、2015。侧2016、2014和2024在图10的立体图中不可见。外壳2010的形状可能与图10中所示的不同。例如，在另一个实施例中，外壳2010不需要具有矩形或立方体形状。
62.出口侧2012包括若干燃烧出口2080，燃烧2088从这些燃烧出口2080被引导出壳体2010。如本文所述，燃烧2088可以使用不被壳体2010内的燃料电池堆(见例如图3)中的燃料电池消耗的燃料和空气来产生。该燃烧2088可用于生成用于运载器(例如有人驾驶或无人驾驶飞行器)的推进或推力。
63.入口侧2022包括一个或多个燃料入口2050和一个或多个空气入口2060。可选地，入口2050、2060中的一个或多个可以位于外壳2010的另一侧上。燃料入口2050与燃料电池的燃料源(例如一个或多个含氢气体的加压容器)流体联接。或者，可以使用另一种类型或来源的燃料。空气入口2060与用于燃料电池的空气源(例如一个或多个加压氧气容器)流体联接。或者，可以提供另一个空气源。入口2050、2060分别接收来自外部燃料和空气源的燃料和空气，并且分别将燃料和空气引导到燃料电池中。
64.在一个实施例中，入口侧2022和出口侧2012可以是未被密封的壳体2010的仅有
侧。例如，壳体2010可以被密封以防止流体(气体和/或液体)进出壳体2010，但燃料和空气入口2050、2060和燃烧出口2080除外。经由入口2050、2060引导到壳体2010中的空气和燃料可以被壳体2010内的燃料电池和/或产生燃烧2088完全或基本上消耗(例如，至少98％的体积或质量被消耗)。这可以允许除了燃烧2088通过其离开壳体2010的燃烧出口2080之外，壳体2010没有任何燃料或空气通过其流过的其他出口。
65.在一个实施例中，系统2000可以由从端部2022到端部2024并排堆叠的一百个燃料电池形成。或者，系统2000可以包括更少或更多并排堆叠的燃料电池。根据一个实施例，系统2000可以是8厘米高、2.5厘米宽和24厘米长。或者，系统2000可以比这些示例尺寸更高或更矮、更宽或更窄、和/或更长或更短。
66.图1和2的燃料电池单元100以及图5a-9d的实施例中分别示出的燃料电池单元400和100’可以代表包括在图10所示的壳体2010中的一个或多个燃料电池的一部分。另外，如上所述，图4、图7a和图7b分别示出了图1和图5a的燃料电池单元100、400的催化剂侧300、500的一个实施例的视图。根据一个实施例，燃料电池单元100、400的出口端306、506可以位于壳体2010的出口侧2012(如图10所示)处或与壳体2010的出口侧2012共同延伸。例如，图10中所示的出口2080可以是若干燃料电池单元100、400的堆的出口端306、506(图7a和7b)。入口端304、504(图7a和7b)可以位于壳体2010的侧2016处或侧2016内，边缘308、508可以位于壳体2010的侧2015处或侧2015内，并且相对边缘310，510可以位于壳体2010的相对侧2014处或相对侧2014内。
67.若干燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)可以一起堆叠或夹在壳体2010内。例如，若干燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)可以被放置成彼此接触，使得相应燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)的催化剂侧(例如，催化剂侧300和/或500)面向壳体2010的入口侧2022。燃料入口(例如，燃料入口312和/或512)可以与壳体2010的燃料入口2050对准或以其他方式与其流体联接，并且空气入口(例如，空气入口314和/或514)可以与壳体2010的空气入口2060对准或以其他方式与其流体联接。当燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)彼此堆叠时，燃料入口(例如，燃料入口312和/或512)可以与燃料入口2050对准或以其他方式与其流体联接，使得燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)接收经由燃料入口2050注入到壳体2010中的燃料。空气入口(例如，空气入口314和/或514)可以与空气入口2060对准或以其他方式与其流体联接，使得燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)接收经由空气入口2060注入到壳体2010中的空气。
68.图11示出了运载器系统3000的一个实施例，运载器系统3000可以至少部分地由图10中所示的集成燃料电池和燃烧系统2000中的一个或多个提供动力和/或推进。运载器系统3000可选地可以称为运载器。运载器系统3000被示为飞行器(例如，无人驾驶飞行器)，但可选地可以是有人驾驶飞行器、船舶或陆基运载器(例如，汽车、轨道运载器、采矿运载器等)。运载器系统3000包括一个或多个集成燃料电池和燃烧系统2000，其生成燃烧2088以推进或辅助推进运载器系统3000。例如，燃烧2088可以向运载器系统3000提供推力以帮助移动运载器系统3000。
69.运载器系统3000可以包括一个或多个动力系统3005、3010，其接收由集成燃料电池和燃烧系统2000生成的电流以执行工作。例如，动力系统3005、3010可以是至少部分由集
成燃料电池和燃烧系统2000中的堆叠燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400和/或100’)的燃料电池(例如，图3的燃料电池206)生成的电流供电的负载。动力系统3005、3010的示例可以是控制运载器系统3000、运载器系统3000的武器、导航系统、马达(例如轮辋马达)等的移动、推力、油门设置、移动方向等的控制电路。动力系统3005、3010可以与系统2000传导联接，以从堆叠燃料电池单元(例如，燃料电池单元100、400、和/或100’)的燃料电池(例如，图3的燃料电池206)接收电流。
70.图12示出了用于从燃料电池堆生成电能和燃烧的方法4000的一个实施例的流程图。方法4000可以描述本文描述的燃料电池单元(100、400、100’)、燃料电池(见例如图3的燃料电池206)和/或集成燃料电池和燃烧系统2000的一个或多个实施例的操作。结合方法4000描述的操作可以由一个或多个处理器、泵、阀、马达等自动控制，以自动控制系统2000中的燃料电池同时或同步生成用于推进的电流和燃烧。
71.在4002处，空气和燃料被引导到燃料电池单元(100、400、100’)和/或燃料电池的分离流动通道中，该流动通道具有至少一个增强特征(如上所述)，以破坏系统的燃料电池堆(见例如图3的燃料电池206)中的边界层形成。例如，氧气可以被引导到系统2000的外壳2010的空气入口2060中，并且气体可以被引导到系统2000的外壳2010的燃料入口2050中。这些入口分别与不同燃料电池中的空气通道和燃料通道联接。
72.在4004处，使用通过或以其他方式接触燃料电池中的催化剂层堆(或活性层膜)(见例如图1和图2的活性层膜115和/或图5a的活性层膜415)的燃料和空气中的至少一些生成电流。例如，燃料通道可以在每个燃料电池中的催化剂层堆的一侧上延伸，并且空气通道可以在同一燃料电池中的催化剂层堆的相对侧上延伸。燃料和空气分别接触每个燃料电池的催化剂层堆中的阴极层和阳极层以生成电流(见例如图1和2的活性层膜)。该电流可以通过燃料电池的支撑结构(见例如图1和2的支撑结构110和/或图5a的支撑结构410)传导到一个或多个外部负载。
73.在4006处，在生成电流期间未被消耗的空气和燃料继续流过细长燃料和空气通道。该空气和燃料可以在燃料电池中保持分离，同时空气和燃料流向燃料电池中的空气和燃料通道的开放端。
74.在4008处，在生成电流期间未被消耗并且流到燃料电池的流动通道的开放端的空气和燃料被燃烧。该燃烧可以正好发生在通道的开放端的外面，燃料电池的外面。在4010处，可选地，由燃料电池生成的电流用于为一个或多个负载(例如飞行器的一个或多个电子部件)供电。燃料电池生成的燃烧可用于推进飞行器或辅助推进飞行器。
75.尽管本文为系统2000和燃料电池单元(100、400、100’)提供了各种尺寸，但这些尺寸可以根据需要而变化。例如，可以改变部件的尺寸以增加燃烧和/或电流生成，从而适应在飞行器发动机减小或增加推力等情况下空气和燃料的连续均匀流动。
76.如上所述，由于在发生反应的活性层膜的表面附近形成边界层，因此燃料电池性能可能受到限制。此外，已发现加压是燃料电池的功率密度增强因素。因此，根据本公开的原理，可以经由例如燃料电池金属和/或陶瓷支撑结构的三维(3d)打印来创建各种几何形状，该支撑结构在传统制造中通常是不可能的。此外，这些支撑结构和/或增强特征可以在单个制造处理(例如，3d打印)中产生。此外，已发现这些几何形状可产生优异的性能，包括例如更高的性能密度。
77.例如，当前的机加工金属支撑件具有有限的几何形状和/或灵活性，这可能导致燃料电池的过度设计和/或功率密度的降低。然而，根据本公开的原理，可以根据需要制造具有期望几何形状的金属支撑件，并且预期2d/3d结构产生至少2x至3x的功率密度增加。
78.此外，当前的燃料电池表现出在发生反应的活性层膜的表面附近形成边界层，这导致特别是在下游位置处的反应速率降低。然而，根据本公开的原理，增强特征可以被创建和/或3d打印到流动通道的流场中，以通过创建例如台阶、绊线(trip wire)、旋转特征、翅片、传热增强凹坑和/或谷部及其组合来旋流和/或破坏这样的边界层。
79.此外，sofc(和类似燃料电池)的当前问题是这种燃料电池没有针对加压进行优化。然而，根据本公开的原理，可以创建新颖的3d设计和/或结构，其可以以最小的支撑管理高压，从而可以使这种3d设计和/或结构保持压力而不会向实际燃料电池结构增加太多重量。
80.此外，当前的sofc(和类似燃料电池)通常以包括排列若干歧管的复杂方式组装。然而，根据本公开的原理，3d设计和/或结构可以以允许易于组装和/或新的歧管几何形状的方式创建。
81.因此，根据本公开的原理，可以经由例如使用由各种合金(包括例如ss441或其他兼容的sofc合金)制成的材料的3d打印以促进边界层破坏的几何形状(例如之字形构造、旋流几何形状、内部3d特征、内部翅片、人字形流动破坏翅片、边界层行程特征和/或其他3d几何形状)创建流动通道。此外，可以添加这些特征以及支撑柱以允许对sofc加压。根据本公开的原理，预期这些效果将功率密度增加高达5x(倍)。这种紧凑sofc的功率密度增加5x将允许这些sofc以更低的成本、更小的体积(例如，可以适配在例如喷气发动机中的sofc)和减小的重量实现商业化。
82.本公开的进一步方面由以下条项的主题提供。
83.1.一种燃料电池单元，包括：支撑结构，所述支撑结构具有多个流动通道；以及活性层膜，所述活性层膜与所述支撑结构联接，所述活性层膜包括至少一个电极层，其中，所述多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且其中，所述多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，所述至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。
84.2.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述至少一个电极层包括第一电极层和第二电极层。
85.3.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述第一电极层是阳极层并且所述第二电极层是阴极层。
86.4.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述活性层膜进一步包括设置在所述支撑结构和所述至少一个电极层之间的多孔层。
87.5.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述活性层膜沉积到所述支撑结构上。
88.6.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，进一步包括用于将所述活性层膜结合到所述支撑结构的结合层。
89.7.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述至少一个增强特征包括附
接到所述多个流动通道中的每个流动通道的表面的织带材料，其中所述织带材料被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。
90.8.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述至少一个增强特征包括(i)多个内部三维特征，(ii)多个内部翅片，(iii)多个人字形流动破坏翅片，(iv)多个边界层行程特征，以及(v)其组合。
91.9.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述多个内部三维特征包括(i)多个内部凸块、(ii)多个内部隆起和(iii)螺旋形状中的一个或多个。
92.10.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，进一步包括定位在所述多个流动通道中的每个流动通道内的多个内部柱，其中所述多个内部柱被构造为允许对所述燃料电池单元加压。
93.11.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述支撑结构包括设置在不同组流动通道之间的板。
94.12.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，引导空气流的第一组所述流动通道位于所述板的一侧，并且引导燃料流的第二组所述流动通道位于所述板的相对侧。
95.13.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，(i)引导空气流的所述多个流动通道中的第一组流动通道位于所述支撑结构的一侧，并且(ii)引导燃料流的所述多个流动通道中的第二组流动通道位于所述支撑结构的相对侧。
96.14.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述第一组流动通道与所述第二组流动通道以之字形构造布置。
97.15.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述之字形构造产生旋流通道，所述旋流通道被构造为分离反应气体和未反应气体。
98.16.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述至少一个增强特征被构造为被增材制造在所述多个流动通道中的每个流动通道内。
99.17.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述支撑结构是传导的。
100.18.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述活性层膜包括固体氧化物。
101.19.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述支撑结构和所述活性层膜被成形为定位在飞行器上，其中所述支撑结构传导地联接到所述飞行器的一个或多个电子负载，使得由所述活性层膜产生的至少一些所述电流为所述一个或多个电子负载供电。
102.20.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述多个流动通道中的每个流动通道延伸至燃烧出口，其中所述多个流动通道的所述燃烧出口在所述飞行器上定向以推进所述飞行器。
103.21.一种包括多个燃料电池单元的燃料电池，所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元包括：支撑结构，所述支撑结构具有多个流动通道；以及活性层膜，所述活性层膜与所述支撑结构联接，所述活性层膜包括至少一个电极层，其中，所述多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且其中，所述多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，所述至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。
104.22.根据任何前述条项所述的燃料电池，其中，第一燃料电池单元的活性层膜设置
成邻近第二燃料电池单元的多个流动通道。
105.23.根据任何前述条项所述的燃料电池，其中，每个燃料电池单元的所述活性层膜包括固体氧化物。
106.24.根据任何前述条项所述的燃料电池，其中，每个燃料电池单元的所述支撑结构和所述活性层膜被成形为定位在飞行器上，其中所述支撑结构传导地联接到所述飞行器的一个或多个电子负载，使得由每个燃料电池单元的所述活性层膜产生的至少一些所述电流为所述一个或多个电子负载供电。
107.25.根据任何前述条项所述的燃料电池，其中，每个燃料电池单元的所述多个流动通道中的每个流动通道都延伸到燃烧出口，其中所述多个流动通道的所述燃烧出口被定向在所述飞行器上以推进所述飞行器。
108.26.一种燃料电池单元，包括：支撑结构，所述支撑结构具有多个流动通道，其中(i)所述多个流动通道中的第一组流动通道被构造为引导位于所述支撑结构的一侧的空气流，并且(ii)所述多个流动通道中的第二组流动通道被构造为引导位于所述支撑结构的相对侧的燃料流；以及活性层膜，所述活性层膜与所述支撑结构联接，所述活性层膜包括至少一个电极层，其中所述多个流动通道中的每个流动通道被构造为跨活性层膜的至少一个电极层引导空气和燃料中的一个以产生电流，并且其中，所述第一组流动通道与所述第二组流动通道以之字形构造布置。
109.27.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述之字形构造产生旋流通道，所述旋流通道被构造为分离反应气体和未反应气体。
110.28.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述多个流动通道中的每个流动通道包括至少一个增强特征，所述至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。
111.29.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述至少一个增强特征包括附接到所述多个流动通道中的每个流动通道的表面的织带材料，其中所述织带材料被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。
112.30.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述至少一个增强特征包括(i)多个内部三维特征，(ii)多个内部翅片，(iii)多个人字形流动破坏翅片，(iv)多个边界层行程特征，以及(v)其组合。
113.31.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，其中，所述多个内部三维特征包括(i)多个内部凸块、(ii)多个内部隆起和(iii)螺旋形状中的一个或多个。
114.32.根据任何前述条项所述的燃料电池单元，进一步包括定位在所述多个流动通道中的每个流动通道内的多个内部柱，其中所述多个内部柱被构造为允许对所述燃料电池单元加压。
115.33.一种方法，包括：将燃料引导到从入口端延伸到燃烧出口端的燃料电池堆中的燃料电池的燃料入口中，所述燃料入口定位成靠近所述燃料电池堆的所述入口端；将空气引导到所述燃料电池的空气入口中，所述空气入口定位成靠近所述燃料电池堆的所述入口端；通过跨包括阳极层、电解质层和阴极层的活性层膜的相对侧引导所述空气和所述燃料来产生电能；朝向靠近所述燃料电池堆的所述燃烧出口端的所述燃料电池的燃烧出口引导通过所述燃料电池的流动通道的至少一些所述燃料和至少一些所述空气；以及靠近所述燃
烧出口端燃烧所述至少一些燃料和所述至少一些空气作为来自所述燃料电池的输出燃烧，其中所述燃料电池的一个或多个所述流动通道包括至少一个增强特征，所述至少一个增强特征被构造为破坏在发生反应的所述活性层膜的表面附近的边界层的形成。
116.34.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括以下中的一项或多项：使用所述输出燃烧推进运载器；或将所述电能供应给所述运载器的一个或多个系统以为所述一个或多个系统供电。
117.尽管前面的描述是针对优选实施例的，但是应当注意，其他变化和修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下进行。此外，结合一个实施例描述的特征可以结合其他实施例使用，即使上面没有明确说明。