单室固体氧化物燃料电池（SC-SOFC）是固体氧化物燃料电池（SOFC）中一种全新的结构，它只有一个充满含有燃料与氧气混合气体的气室，利用阳极和阴极对燃料与氧气的选择催化性产生电压和电流，避免了传统固体氧化物然电池的密封问题，具有耐热、耐冲击性好、结构简单、紧凑等一系列优点。目前SC-SOFC还存在着一些不可回避的问题，其中电解质支撑同面电池的欧姆电阻大，严重影响电池输出性能；电池传统阳极材料Ni/YSZ在燃料和氧化的混合气氛中会频繁发生氧化-还原循环从而导致电池性能振荡；Ni/YSZ阳极在含碳燃料中还会由于碳沉积导致电池性能的衰退，这些是影响SC-SOFC输出性能和稳定性的三个主要因素。本文以SC-SOFC提高电池电化学性能和运行稳定性为目标，针对目前SC-SOFC中存在的上述问题，从优化电池结构和提高电极稳定性两方面入手展开系统研究，并且尝试在质子导体燃料电池和SC-SOFC中应用同时具有电子、氧离子和质子三种导电性的单相阴极BaPr_1-xIn_xO_3-δ（x=0.1，0.2，0.3，BPI）。电解质支撑的同面电池具有结构设计多样性，便于组建电池组等优点，是SC-SOFC的一个重要的分支。但电池欧姆电阻在此类电池内阻中占据主导作用，是影响电池性能的关键因素。针对同面结构电池主要依靠增加电解质厚度，减小电极宽度和缩小电极间距来降低电池欧姆电阻的传统方法都会带来各种新的问题。为此，我们改变思路，从改变电流流通路径和电极的排布的角度出发，发明了两种新的电解质支撑SC-SOFC结构，即凹槽和直角面SC-SOFC。理论模拟和实验观测的结果表明，凹槽电池和直角面电池都改变了电解质中电流的分布，明显缩短了两电极间的离子传导距离，减小了电池的欧姆电阻；同时通过减少阴阳极之间的气体交互影响，提高了电池的开路电压，从而提高了电解质支撑型SC-SOFC的性能。针对SC-SOFC存在的性能振荡问题，采用电池的开路电压、电极温度、放电曲线和交流阻抗谱的测试与同一电池阳极的区域电阻原位测试相结合的研究方法，将电池性能的变化和阳极中Ni的状态改变直接联系起来，证明Ni/YSZ阳极在单室条件下的氧化-还原循环是含Ni阳极SC-SOFC性能振荡的主要原因，揭示了Ni/YSZ阳极在单室条件下发生氧化还原的机理。在此基础上，进一步研究了CH₄和O₂的比例（M）、电池放电电流（J）和阳极厚度对阳极中Ni氧化还原及电池性能衰退的影响。实验结果表明，M和阳极厚度是影响Ni氧化还原及电池性能衰退的主要原因，在高氧气浓度或薄阳极的SC-SOFC中，Ni的氧化-还原只是一个过程，伴随着这种氧化-还原Ni逐渐趋于氧化的结果是SC-SOFC电池性能衰退的主要原因。测试前后电池阳极的扫描电镜（SEM）照片显示Ni/YSZ阳极在经历单室条件下的多次氧化-还原循环后，Ni颗粒发生不可逆的细化、团聚和阳极机械破裂，这是SC-SOFC性能发生不可逆衰退的主要原因。以BaCO₃修饰传统Ni/YSZ阳极，可以极大地提高阳极的耐硫抗碳能力，获得简单、经济、高效的耐硫抗碳阳极催化剂。利用X射线衍射（XRD），微区拉曼光谱（Raman），热重分析（TG）和SEM系统地研究了BaCO₃-Ni-YSZ化合物在SOFC的制备和测试中的成相和化学稳定问题，揭示了BaO修饰Ni，BaZr1-xYxO3-δ（BZY）修饰YSZ的选择性的微观结构形成原因，并对Ba-Ni-YSZ阳极在CH₄/O₂的混合气氛中的抗碳沉积性能和单室条件下的应用做了初步的研究。结果表明，Ba-Ni-YSZ这种经济、简单、高效的催化剂有望在SC-SOFC中乃至化工领域得到应用。首次提出了基于H-SOFC的同时具有电子、氧离子和质子三种导电性能的单相阴极BaPr_1-xIn_xO_3-δ（x=0.1，0.2，0.3，BPI）材料。通过系统地测试BPI材料的稳定性和电导率，发现In的掺杂可以明显提高BaPrO3材料在H₂O和CO₂气氛中的化学稳定性。测试了以BPI2单相材料为阴极的NiO/BZCYYb|BZCYYb|BPI2电池在单室条件下的性能，发现由于Pr的变价，电池在单室结构中不能产生高的输出性能，且稳定性比较差，在短期实验中衰退明显。并进一步对质子导体在SC-SOFC中应用的相关机理进行了分析、讨论。