CN101523645B - 具有拉长的密封件几何形状的固体氧化物燃料电池设备 - Google Patents

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Abstract

一种固体氧化物燃料电池设备，它包括：电解质片；至少一个夹着该电解质片的电极对；其中所述电解质片的密封区域被拉长，具有弓形的几何形状且具有大于1.0的长宽比。

Description

具有拉长的密封件几何形状的固体氧化物燃料电池设备
技术领域
本发明一般涉及燃料电池设备，更具体地说，涉及SOFC设备，其采用拉长的密封件几何形状以将薄型氧化锆基电解质片密封到它们的支撑体上从而使由于热机械应力导致的设备故障最小化。 
背景技术
固体氧化物燃料电池的使用已经成为近年来大量研究的主题。固体氧化物燃料电池(SOFC)的典型部件包括夹在两个电极之间的带负电的氧离子传导性电解质。这种电池中，电流的产生依靠燃料材料在阳极中的氧化，燃料材料，例如氢，与通过电解质传导过来的氧离子反应。氧离子在阴极中通过分子氧的还原被生成。 
美国专利5,273,837叙述了使用这些组件来形成抗热冲击的固体氧化物燃料电池。美国公开专利US2002/0102450叙述了包括改进的电极-电解质结构的固体电解质燃料电池。这种结构包括与多个正极和负极结合的固体电解质片，正负极粘贴在薄的柔性无机电解质片的相对两侧。一个例子示出了电极不在电解质片上形成连续的层，而是限定出多个离散的区域或条带。这些区域是电连接的，通过穿过电解质片中的通道延伸的导体接触。这些通道被导电材料填充(通过互联件)。 
美国专利5,085,455公开了薄的、平滑的无机烧结片。该公开的烧结片具有足够的强度和柔性来弯曲而不破碎，同时还在宽的温度范围内具有出色的稳定性。一些公开的组分，比如氧化钇稳定的氧化锆YSZ(Y2O3-ZrO2)，可以用作燃料电池用的电解质。已知在足够的温度下(例如，约725℃及以上)，氧化锆电解质显示出好的离子传导性和很低的电导率。美国专利5,273,837叙述了采用这些组分来形成抗热冲击的固体氧化物燃料电池。 
然而，由于高的操作温度和快速的温度循环，SOFC设备受制于热机械变形和应力。这些应力影响了SOFC设备的操作可靠性和它们的寿命。这些电解质片被密封到它们的支撑结构体上以保持燃料和氧化气体的隔离。在某些情况下，热机械变形和应力可被集中到燃料电池设备和密封件之间的界面上，导致SOFC 设备和/或密封件的故障。当薄的柔性陶瓷片被用作SOFC用途中的电解质时，存在电解质过早发生故障的可能。由于温度梯度(和热循环)设备/密封件/框架相互作用，膨胀的不一致、硬度的不匹配以及气压差会导致密封件以及在电解质临近密封件的未支撑区域处的应力增加。而且，大且薄的电解质片会由于电解质片的褶皱碎裂而失效，其中碎裂是由于热机械应力引起的。 
美国专利申请US2006/0003213也叙述了与SOFC设备电解质片碎裂有关的应力问题。它公开了图案化的电解质片，具有被设计为抵消由环境引起的张力的图形，故其提高了对设备故障的抵抗力。然而，另一个和/或其他的热应力最小化措施也会可以用作防止燃料电池设备热机械故障的缓和方案。 
发明内容
根据本发明的一个方面，固体氧化物燃料电池设备包括： 
(a)电解质片； 
(b)至少一个夹住该电解质片的电极对； 
其中，所述电解质片具有长宽比大于1.0的密封区域。优选的是，电解质片是至少250cm2，而电解质片的密封区域具有至少1.1或更高的长宽比，更优选至少1.3，再优选至少2，最优选大于3.5。优选该电解质片被密封件密封到它的支撑体或框架上，该密封件的厚度(高度)至少50μm，宽度至少100μm且周边带有圆角。优选该圆形密封件角的半径是至少3mm，更优选至少5mm。优选该密封件高度h小于其宽度w。 
根据本发明的一个实施方式，固体氧化物燃料电池设备包括： 
(a)薄的柔性氧化锆基电解质片，其支撑至少10个阴极/阳极对； 
(b)支撑所述电解质片的框架；以及 
(c)被拉长的密封件，其紧邻所述电解质片的周边且被置于所述电解质片和所述框架之间，所述密封件将所述电解质片密封到所述框架上。优选电解质片厚度小于100μm，更优选3μm到30μm。优选密封件穿过该密封区域周边的长宽比至少为1.3，更优选大于2，再优选大于3。优选该密封件具有带有圆形或弓形几何形状的边缘。优选该圆形区域的半径至少为5mm，更优选至少5cm。 
本发明的使用了拉长的、平滑的(弓形)密封件几何形状的固体氧化物燃 料电池(SOFC)的优点之一是，得到的SOFC设备的性能和可靠性都被改善，原因在于(i)电解质片/密封件界面处应力的降低，以及(ii)电解质片在或接近密封区域处的褶皱数目和幅度的减少。根据本发明的这种实施方式，电解质片的密封区域的长宽比在1.3∶1和20∶1之间，优选1.5∶1和10之间，更加优选在2∶1和7之间。优选电解质片的密封面积至少为250cm2，更优选至少300cm2。 
本发明进一步的特征和优点在以下的详细叙述中会被进一步阐明，部分将从以下叙述中或者根据如这里、包括以下详细叙述、权利要求以及附图的描述来实施本发明的过程中，对本领域技术人员来变得显而易见。 
应当理解，前面的概述和下面的示出了本发明示例性实施方式的详细叙述，是为了提供如权利要求所述的本发明的主旨和特征的概览和框架。附以附图以提供对本发明的进一步理解，并并入说明书中成为其中一部分。附图示出了本发明的各种实施方式，与详细叙述一起解释了本发明的原理和操作方式。 
附图说明
图1A是示例性燃料电池设备的俯视示意图； 
图1B是图1A中燃料电池设备的截面示意图； 
图2A是本发明第一实施方式的俯视示意图； 
图2B是图2A中设备的密封区域周围的部分截面示意图； 
图3是本发明第二实施方式的俯视示意图； 
图4是本发明的第三实施方式的俯视示意图； 
图5A是电解质片的变形作为该电解质片密封区域长宽比的函数的关系图； 
图5B示出了最大的核心应力作为该电解质片密封区域长宽比的函数的关系图； 
图6A-6C是示例性的用于电解质片密封区域的卵形、椭圆形或其他拉长的几何形状的示意图；以及 
图7是设备堆积密度对电解质片密封区域长宽比的关系图。 
具体实施方式
本发明的示例性实施方式的在附图中示出的附图标记将会被详细解释。只要可能，同样的附图标记数字会一直在附图中使用以指代相同或类似的部件。 
图1示出了一个示例性的固体氧化物燃料电池设备，被统一标记为附图标记10。固体氧化物燃料电池设备10包括：(a)电解质20；(b)置于电解质上的至少一对电极30；(c)通过连接件22在相邻电池的电极之间提供电连接。设备10被支撑部件支撑并装载，支撑部件例如紧邻电解质20的框架50。电解质20可以是氧化锆基片，可以基于以下组成：铋(Bi2O3)-，二氧化铈(CeO2)-，和氧化钽(Ta2O5)-以及LSGM-(镧锶镓镁氧化物)。在该例中，电解质片20通过密封件60被密封到框架上。在燃料电池系统的启动/关闭步骤和运行过程中，如果以下条件中的一个或多个出现，该燃料电池设备10和密封件60的热机械响应很可能导致该密封件和/或在或临近密封件边缘的电解质的碎裂：(i)电解质20和密封件60横截面是方形的，如图1所示，和/或(ii)电解质片20的面积较大(例如，大于250或300cm2)，和/或(iii)电解质片20易于出现大的变形。电解质的面积越大，电解质片越薄柔性越好，电解质片的变形就越大，电解质和/或密封件的故障可能性就越大。因此，优选薄的、较大尺寸的电解质片(面积大于250cm2，大于300cm2，尤其大于400cm2)的密封区域具有的长宽比L∶W大于1∶1，优选在1.3∶1和20∶1之间，更优选在1.5∶1和10之间，再优选在2∶1和8∶1之间。因此，根据本发明下述例举的实施方式，密封件60具有拉长的几何形状，从而使得密封于其间的电解质片的长度L大于它的宽度M。密封件60可以在350-900℃的范围内显示出理想应力点的软玻璃制成，或者玻璃-陶瓷、陶瓷或金属(例如，CuAg基密封件)，或陶瓷-金属铜焊密封玻璃。软玻璃密封材料的一个例子是碱性含硼硅酸盐的玻璃密封件，其具有以下组成：(a)玻璃料(摩尔比)：Li2O，4.0％；CaO，7.0％；SrO，18.0％；Al2O3，3.0％；B2O3，10.0％；SiO2，58.0％；以及(b)8YSZ填充料(摩尔比)：Y2O3，8.0％；ZrO，92.0％。下表1中列出了多个玻璃-陶瓷料的组成(摩尔比)样品。 
表1 
  样品号   (1)   (2)   (3)   (4)   (5)
  SiO2   40.4   39.2   42.8   38.8   37.4
  Al2O3     2.9       7.4
  CaO   25.2   24.5   29.9   21.7   23.3
  SrO          
  BaO   34.4   33.4   27.3   39.5   31.9
  MgO          
  ZnO          
  基础环硅  酸盐   (Ca.67Ba.33)  -SiO3   (Ca.67Ba.33)  -SiO3   (Ca.75Ba.25)  -SiO3   (Ca.60Ba.40)  -SiO3   (Ca.67Ba.33)  -SiO3
  XRD   Walst s.s   Walst s.s   Walst s.s   Walst s.s   Walst ss+  m.玻璃
  CTE  25-700x  ℃ppm     110.2×10-6       104.8×10-6
           
  样品号   (6)   (7)   (8)   (10)   (11)
  SiO2   35.2   47.8   45.5   41.0   39.8
  Al2O3   4.8     4.8   4.8   7.4
  CaO   21.0   35.7   34.0   19.0   18.5
  SrO     16.5   15.7   35.2   34.3
  BaO   38.0        
  MgO          
  ZnO          
  基础环硅  酸盐   (Ca.50Ba.50)  -SiO3   (Ca.80Ba.20)  -SiO3   (Ca.80Ba.20)  -SiO3   (Ca.50Ba.50)  -SiO3   (Ca.50Ba.50)  -SiO3
  XRD   Walst s.s   Cyclowoll   Cyclowoll  s.s+μs.s   μs.s+m.玻璃   Cyclowoll+  m.μs.s+m.  玻璃
Figure DEST_PATH_G200780028801701D00021
Figure DEST_PATH_G200780028801701D00031
密封件60的高度h(厚度)优选在100μm和4mm之间，并且密封材料的截面宽度w约为1mm到12mm。优选h＜w。更优选2h≤w。 
申请人还发现，为了达到理想的密封保护量和密封寿命，密封件60需要有一个最小厚度h。已经测试过50微米薄的密封件(即，密封件高度h＝50μm)。更薄的(h＜50μm)密封件可能不足以保护设备的完整性，热机械应力会导致密封件从设备和/或框架上剥离。过厚的密封件会由于其与燃料电池设备10的共同作用在热循环期间碎裂。然而，100μm到4mm厚、横截面宽度w为1mm到12mm的密封件提供了足够的粘附性并减轻(减少)热循环过程中CTE不匹配的影响，因此降低了机械破损的可能性。优选该密封件高度(厚度)小于3mm。更优选厚度在1mm和2mm之间且密封件60的横截面宽度w在2mm和10mm之间。 
实施例 
本发明将通过以下实施例变得更加清晰。 
实施例1： 
图2A中示出的固体氧化物燃料电池设备10与图1中示出的类似，但包括矩形电解质片20和基本矩形的密封件几何形状。更具体地说，图2中的燃料电池设备10包括：矩形氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质片20；置于电解质片20上的多个电极30，包括至少一个阴极32和一个阳极34(图2A中未示出，但例如在图1中可以看到)。电解质片20还可以基于以下组成：铋(Bi2O3)-，二氧化铈(CeO2)-，和氧化钽(Ta2O5)-以及LSGM-(镧锶镓镁氧化物)。矩形金属框架50支撑该矩形电解质片20和附于其上的电极30。在这个实施方式中，固体氧化物燃料电池设备10包括支撑多个阴极32-阳极34对并具有多个被通道互联件22填充的通道孔的电解质片20。在该实施例中，框架50没有提供电功能。图2B示意性地示出了图2A示出的燃料电池设备10的部分电解质/密封件/框架横截面。 
如上所述，在该实施方式中，该密封件60基本是矩形的，具有圆角，以进一步减小应力。优选该角的半径(或密封边缘半径)至少为5mm，更优选至少12mm。例如可以使用的边缘半径有15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm或80mm。申请人发现随着边缘半径r的增加(尤其是在5mm以上，对于电解质片密封区域宽度W＞10cm的情况)，电解质片20的性能/可靠性被改善。在该实施方式中，密封电解质区域的长宽比L∶W约为2.5∶1，但也采用其他长宽比，例如1.2∶1；1.3∶1；1.4∶1；1.5∶1；2∶1；2.5∶1；3∶1；3.5∶1；4∶1；4.5∶1；5∶1；7∶1；10∶1；12∶1；15∶1；18∶1和20∶1。在该实施方式中，电解质片20的角与密封件60交迭产生一个突出区域(见图2B，距离O)，减少了电解质片角区域中的褶皱(由于电解质的处理和/或后续的热机械处理/循环而导致)的幅度，并由此进一步减少了SOFC设备故障的可能性。优选突出部分的最大的距离O为至少2mm，优选至少5mm。优选框架50和电解质片20具有相似的热膨胀系数(CTE)。因此，由于氧化锆基电解质CTE为11.4×10-6/℃，优选框架50的CTE在10×10-6/℃到13×10-6/℃的范围内。更优选框架50的CTE在11×10-6/℃到12×10-6/℃的范围内，最优选在11.2×10-6/℃到11.7×10-6/℃的范围内。在本实施例中，金属框架50由CTE为11.6×10-6/℃的不锈钢446制成。下表2中提供了一些这种材料的CTE。 
表2 
材料                    CTE 
ZrO2电解质              11.4×10-6/℃ 
Fe-20％Cr 446不锈钢     11.6×10-6/℃ 
Fe-20％Cr-5％Al合金     14.5×10-6/℃ 
当不锈钢框架50遭受高于625℃的温度时，其在电解质片20和密封件60之间的界面经受热机械应力。优选电解质片薄，例如薄于45μm，优选在3μm和30μm之间。当薄的柔性电解质变形时，在电解质片的装配界面上的热-机械应力增加。随着电解质面积增大，变形量和应力也增大。然而，当密封边缘处的长宽比(长度L比宽度W)增加(其中L/W＞1)时，电解质片的变形量被最小化。相应地，响应于气压差，与L/W为1的燃料电池设备相比，在L/W＞1的SOFC设备的装配界面(在密封件周边)上的应力较小。由于密封件60具有圆角，应力被沿着密封件边缘较均匀地分布，使得密封件60和/或电解质片20的故障最小化。因此，电解质片20的密封区域的与其宽度W相比较长的长度L，以及圆的密封件的角，使得热-机械应力最小化并降低了密封件和/或在或临近密封件周边的电解质片的故障可能性，从而增加了SOFC设备的寿命和可靠性。 
另外，图2B示出了宽度w大于其高度h(h＜w)的密封件60。更短、更宽的密封件具有更小的碎裂倾向且具有更大的粘附区域，这导致了更小的应力，从而减小了密封件碎裂和/或电解质在临近于密封件的区域内碎裂的可能性。因此，优选1.5h＜w＜10h，更优选2h＜w＜8h。在该示例性实施方式中，如图2B所示，w≈3h。 
实施例2 
本发明另一个实施方式被示意性地示出在图3中。图3中示出的燃料电池设备也使用了装配在矩形框架50上的矩形电解质片20。然而，密封件60的周边几何形状却不同。图3的密封件60具有“跑道”形的几何形状-即，包括两个较直的彼此平行的边和两个弓形边(例如，半圆)。例如，密封件60的弓形部分的边缘半径r在5cm与20cm之间(50cm≤r≤200cm)。在该示例性实施方式中，密封边缘半径r＝8cm。该密封件几何形状比图2中示出的倾向于更好，因为其 允许应力沿着密封件60的边缘更好(甚至更均匀)地分散。由于密封件60具有弓形的几何形状(例如，基本圆形的区域)且电解质片的角基本与该圆形密封区域交迭，应力被沿着密封件边缘均匀分布并且由于热循环而产生的电解质片的褶皱幅度被进一步减小。还要注意的是，在密封件边缘和电解质片20的角之间的交迭部O大于实施例1中的实施方式，因此进一步减小了电解质片角部区域的褶皱幅度。 
因此，电解质片20的密封区域的与密封区域的宽度W相比较长的长度L，以及密封件的圆角(以及角部的电解质片突出O)有助于热-机械应力的最小化和密封件和/或在或临近密封件边缘的电解质的故障可能性，从而增加了SOFC设备的寿命和可靠性。在该示例性实施方式中，如之前的实施方式，密封件宽度w大于密封件高度h。优选密封件几何形状满足1/8≤h/w≤3/4的h/w比。例如，h/w可以是0.125、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.6或0.66。 
实施例3 
本发明的另一个实施方式被图4示例性地示出。图4的燃料电池设备与图3示出的相似。密封件60的边缘几何形状与图3示出的相同。然而，在本实施方式中，电解质片20和密封件60都基本上交迭并包括两个较直的彼此平行的边和两个弓形(例如，半圆)的边。而且，由于电解质片20和密封件60具有几乎相同的弓形几何形状，响应于电解质片的热-机械负荷的电解质片褶皱的数目被进一步减少。因此，该密封件/电解质片几何形状的优点在于具有更少的由于电解质片的热循环而导致的褶皱。 
分析 
图5A是具有相同尺寸面积但不同长宽比的矩形电解质片(对应于图2示出的设备)以及圆形(圆周形)电解质片/密封件组合(其也具有1∶1的长宽比)的最大电解质片变形量的图。使用了两套模型。上部的曲线对应于15.5kPa的气压差P(燃料和氧化剂)。下部的曲线对应的气压差P为3.1kPa。随着长宽比增加，两条曲线显示出明显的下行倾向。因此，图5A示出了随着L/W比(长宽比)增加，矩形电解质片的变形变小。其还示出具有圆形横截面的电解质片与方形电解质片(即长宽比为1的矩形片)相比经历稍大的变形。 
图5B是沿着具有相同的面积但长宽比不同的矩形电解质片边缘的电解质片20的最大核心应力(MPa)以及圆形(圆周形)电解质片的MPa的图。该图对应的气压差P为3.1kPa。图5B示出了矩形电解质片的最大核心应力(MPa)随着L/W比(长宽比)的增加而减小。其还示出了具有圆周形横截面的电解质片与方形电解质片相比经历了更小的应力。 
因此，图5A和5B示出了具有装备有拉长的长宽比L/W大于1的密封件几何形状，和/或拉长的电解质片对于给定的操作变量和材料选择而言降低了在密封件/装配界面上的变形和应力。变形减小和最大应力降低的倾向对于燃料电池设备的任何操作温度范围(25℃到900℃)都是有益的。图5A和5B也示出了圆形密封件/装配几何形状对于降低应力是有效的，尽管其增加了电解质片20的变形。 
圆形几何形状和更高的长宽比结构的结合的有益效果可以通过将圆形与矩形的几何结构结合来充分利用以提供圆形的拉长的密封件/电解质片装配几何形状。要注意的是，连续的弧形有利于沿着密封件和/或电解质片20的装配边缘均匀分布变形和应力。采用弓形密封件/装配边缘并具有更大长宽比的密封件/装配边缘使得连续的密封/装配边缘线条类似于图6A-C示出的。重要的是要注意到，连续的密封件/装配边缘还可以包括半径不是常数的那些类型(例如椭圆、抛物线等)，从而精确迎合具体的变形和应力的需求。卵形、椭圆或其他用于电解质片或密封件60的密封区域的被拉长的几何形状的例子在图6A-6C中示出。 
在一般的平面SOFC堆(即，多层设备堆)中，燃料电池设备的间距主要由设备、电互联件和气体通道结构(例如，双极板)的材料厚度控制。这种包括周边装配和/或密封电池和/或设备的SOFC堆也应当将电池/设备的变形作为设备间距的考虑因素，这样两个相邻设备的电池/设备/电极，和/或电解质片就不会物理接触。这种需求防止了气体误分配和电短路事件。最小化的电池和/或设备间距从而通过在负载条件下最大的电池/设备变形而确定。 
如上所述，SOFC堆(1×n阵列)中电池/设备的间距被部分定义为所述电池/设备在负载条件下的最大变形。该间距还(部分)确定电池堆的整体体积能量密度(Pv)。该设备堆积密度被定义作 DPD = 1 2 U max (设备/cm的数目)，其中Umax＝最大设备变形(cm)且 U max = a + bexp [ - ( L / W ) - 1 2.32 ] , 其中a和b是取决于 气压差(燃料和氧化剂之间)的常数，(L/W)是设备或电解质片的密封区域的长度和宽度的比(这里称作长宽比)。 
作为设备间距的函数电池堆体积能量密度的简单表述如下： 
Pv＝Pa×DPD    (1) 
其中，Pv＝体积能量密度(W/cm3) 
Pa＝活性面积能量密度(W/cm2)，由燃料电池设备的活性面积(电极的面积)产生的能量。 
图7示出了Umax、DPD和长宽比之间的关系。更具体地说，图7示出了随着长宽比的增加，最大变形量的降低和DPD的增加。也就是说，DPD(因此，体积能量密度Pv)随着长宽比的增加而增加。随着设备变形的减小，能够减小燃料电池堆中的设备间距，在给定的空间中装入更多的设备。优选电解质片20的厚度小于45μm，更优选小于30μm，并且设备厚度(电解质加上电极)小于150μm，更优选小于100μm。优选地，设备10的密封区域大于250cm2。在本实施例中其为300cm2。优选地，设备10(和/或电解质片20)的最大变形小于0.18cm，更优选小于0.15cm，再优选小于0.12cm。这使得固体氧化物燃料电池堆包括多个燃料电池设备，其中，设备间电解质到电解质的间隔在1mm和1cm之间，更优选在1mm和3mm之间。优选地，电解质片密封区域的长宽比L/W大于2，更优选＞3，再优选＞3.5。优选地，燃料电池堆的DPD大于3设备/cm，更优选在3.5和10设备/cm之间，最优选大于5设备/cm。 
例如，给定活性面积能量密度为0.15W/cm2，长宽比为1.1，对应于Umax为0.178cm，则最大可接受的体积能量密度，Pv，为0.42W/cm3。如果长宽比为变为约5，对应于Umax为0.07cm，最大可接受体积能量密度，Pv，为1.07W/cm3。类似地，给定活性面积能量密度为0.3W/cm2，长宽比为1.1，对应于Umax为0.178cm，则最大可接受的体积能量密度，Pv，为0.84W/cm3。如果长宽比变为约5，对应于Umax为0.07cm，最大可接受体积能量密度，Pv，为2.14W/cm3。给定活性面积能量密度为0.5W/cm2，长宽比为1.1和5，Pv分别为1.40W/cm3和3.57W/cm3。当活性面积能量密度，Pa，为1W/cm2时，Pv分别为2.81W/cm3和7.14W/cm3，对应于长宽比为1.1和5。因此，用于这些实施方式的示例性Pv值为0.5W/cm3，0.75W/cm3，1W/cm3，2W/cm3，3W/cm3，4W/cm3，5W/cm3，6W/cm3和7W/cm3。优选Pv大于0.5W/cm3，更优选Pv大于0.75W/cm3，再优选Pv大于1W/cm3。更优选Pv大于5W/cm3，最优选Pv大于7W/cm3。 
对于本领域技术人员来说，显然可以在不偏离本发明主旨和范围的情况下做出各种改进和变化。因此，本发明意在覆盖来自后附的权利要求及其等价的范围内的各种改进和变化。 

Claims (14)

1.一种固体氧化物燃料电池设备，包括：
(a)薄的、柔性的电解质片，其厚度不超过100μm；所述电解质片基于选自以下至少一种的组分：氧化锆、Bi2O3、二氧化铈(CeO2)、氧化钽(Ta2O5)以及镧锶镓镁氧化物(LSGM)；
(b)至少一个夹着该电解质片的电极对；
其中，所述电解质片具有密封区域，该密封区域具有弧形的几何形状并具有至少1.3∶1的长宽比。
2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，所述电解质片具有至少250cm2的面积和至少1.3∶1的长宽比。
3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，该设备还包括支撑所述电解质片的框架，以及邻近所述电解质片的边缘且置于所述电解质片与所述框架之间的密封件，所述密封件将所述电解质片密封到所述框架上，其中，所述电解质片的厚度小于45μm，并且该电解质片的密封区域，(a)至少为250cm2且(b)长宽比至少1.5∶1。
4.如权利要求3所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，该电解质片的该密封区域具有至少300cm2的面积，以及在2∶1到20∶1之间的长宽比。
5.如权利要求3所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，(i)所述电解质片的厚度小于45μm；并且(ii)密封件的厚度h在100μm到4mm之间且密封件的横截面宽度w为1mm到12mm。
6.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，(a)所述电解质片的厚度为3μm到30μm；并且(ii)密封件的厚度h在100μm和4mm之间且密封件的横截面宽度w是1mm到12mm。
7.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，所述密封件包括软玻璃、玻璃-陶瓷、金属和陶瓷-金属铜焊中的一种。
8.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，所述密封件的外缘具有圆弧状的边且其半径大于5mm。
9.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，所述密封件具有高度/厚度h和宽度w，使得h＜w。
10.如权利要求3所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，所述密封件具有高度/厚度与宽度比h/w，使得1/8≤h/w≤3/4。
11.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备，其特征在于，所述设备还包括支撑所述电解质片的框架，以及邻近所述电解质片的边缘且置于所述电解质片和所述框架之间的密封件，所述密封件将所述电解质片密封到所述框架上，所述密封件与所述电解质片的边缘间隔距离(O)，使得所述电解质片至少在一个区域中比所述密封件突出。
12.一种包括多个权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备的固体氧化物燃料电池堆，其中，电解质到电解质的间隔为1mm到1cm。
13.一种包括多个权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备的固体氧化物燃料电池堆，其中，电解质到电解质的间隔为1mm到3mm。
14.一种包括多个权利要求1所述的固体氧化物燃料电池设备的固体氧化物燃料电池堆，其中，体积能量密度Pv大于0.42W/cm3。
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