能源危机和环境污染是全世界在可持续发展道路中所面临的问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高的能量转化效率和低的污染排放,被认为是未来能源经济的基石。其中,以质子导体作为电解质的固体氧化物燃料电池(H-SOFC)由于具有高燃料利用率,高理论电动势,高离子迁移数以及低传导活化能,因而备受关注。然而,与氧离子导体固体氧化物燃料电池(O-SOFC)相比,H-SOFC的材料选择和理论体系还处于初级阶段,尤其是H-SOFC的阴极。在H-SOFC中,氢气在阳极被氧化,形成质子,通过电解质,迁移到阴极,而后与氧进行电极反应,生成水,其阴极的电极过程比O-SOFC的更为复杂。寻找高性能的阴极材料和探索H-SOFC中的阴极反应机理,对于H-SOFC的发展具有重要的意义。本论文的研究主要围绕H-SOFC的阴极材料、电化学性能以及反应模型等方面展开。第一章,简要介绍了H-SOFC的发展背景,工作原理和研究进展。从材料的应用和发展等方面简明介绍了H-SOFC的阳极和电解质,并围绕阴极材料进行深入地调研,着重阐述了不同传导类型的阴极材料的电化学行为及其反应模型。第二章,H-SOFC的阴极可以细分为不同类型,包括质子导体/电子导体复合阴极和氧离子导体/电子导体复合阴极。一般认为,前者可以增加阴极反应的三相界面(H-TPB)的长度,而后者的H-TPB只限制在阴极电解质界面处。然而,近期的研究发现,后者也可以很大程度上增加阴极的电化学活性,但是其机理不清楚。为此,本工作制备了一种典型的氧离子导体/电子导体复合阴极,即SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3-δ)-SDC研究其在BCS (BaCe0.8Sm0.2O3-δ)质子导体电解质上的电化学行为。采用交流阻抗法表征了其界面阻抗随氧分压、水分压以及温度的关系。实验结果表明,Oad-和VO的扩散可能是SSC-SDC阴极反应的速控步骤,氧离子和质子形成水的反应是快反应,不是阴极过程的速控步骤。即对SSC-SDC, H-TPB处的反应动力学足够快,对电极反应的影响并不显著。三电极的测试结果表明,在电极实际工作的状态下,SSC-SDC比SSC-BCS具有更小的阻抗,所以在实际应用中可能更具潜力。第三章,制备及表征了H-SOFC的新型阴极,即Fe掺杂的PrBaCo2-xFexO5+δ (x=0,0.5,1.0,1.5and2.0)层状钙钛矿氧化物。结果表明：晶格常数和氧非化学计量δ随Fe的含量升高而升高；而材料的电子电导率以及热膨胀系数随Fe含量的升高而降低。且材料在700℃,3%CO2-97%空气气氛下,能保持化学稳定性。对称电池的实验从侧面证明了材料的氧催化活性随Fe的含量升高而出现下降,这也和密度泛函理论(DFT)的计算相一致。由于PrBaCo2O5+δ (PBCO)具有最高的氧催化活性,采用其作为H-SOFC的阴极材料,在700℃下,单电池的最高输出功率能达到545mW cm-2。 PBCO良好的电化学性能使之成为H-SOFC最好的阴极材料之一。第四章,制备和表征了微管H-SOFC.在第一部分工作中,我们采用相转化法制备了NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ (BZCYYb)中空纤维阳极支撑体。通过控制实验参数,使得阳极支撑体呈现非对称的结构：管内具有指孔结构,管外是具有海绵层结构。管内的指孔结构有利于燃料气体的传输,而外侧的海绵层由于靠近电解质,所以提供更多的反应活性区,即阳极反应TPBs。支撑体的机械强度和电子电导随烧结温度的提高而增加,而孔隙率则随温度提高而降低,这也使得阳极和电解质共烧有一个最佳温度1350℃。其质子导体管状单电池在650℃下,最高的输出功率为254mW cm2。第二部分工作,由于SDC管状电池普遍具有较低的OCV,为了提高开路电压,研究采用(BZCY)作为电子阻抗层。采用悬浮涂覆法,在NiO-SDC阳极支撑体上,制备双层电解质3μm BZCY10μm Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC),并且实现三层共烧。OCV从单层SDC的0.72V提高到双层的0.97V,证明了BZCY可以有效地防止SDC电解质的内短路现象。