质子导体固体氧化物燃料电池(H+-SOFCs)相较于氧离子导体固体氧化物燃料电池(O2--SOFCs)具有诸多优势,如操作温度低、活化能低和电解质的离子电导率高等。电解质的高离子电导率使得H+-SOFCs可以在中低温(400～700℃ 范围内运行,从而最大限度地减少燃料电池组件的热降解并且缩短器件程序启动和关闭的时间。然而,当燃料电池实际操作温度小于750℃时,对阴极材料的氧还原催化活性存在极大的挑战。此外,与O2--SOFCs不同,反应产物水在H+-SOFCs阴极侧生成从而使得H+-SOFCs阴极材料可能需要满足一些特殊的要求。虽然质子导体固体氧化物燃料电池已经引起了研究者们的广泛关注。然而,到目前为止,由于缺少一种合适的阴极材料使得H+-SOFCs电池整体性能仍然较低。研究表明,同时具有氧离子-电子-质子(O2--e--H+)三重载流子传导能力的钙钛矿材料是一种理想的H+-SOFCs阴极材料。于是,对三重载流子传导的氧化物阴极材料的开发成为当今研究的热点,也是本项目研究的主要内容。首先,我们合成了 SrSc0.175Nb0.025Co0.8O3-δ(SSNC)钙钛矿氧化物材料,研究了 SSNC材料作为H+-SOFCs阴极的氧化还原催化性能,进一步考察了水气氛对其催化反应活性的影响。同时研究了 BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ(BZCY)电解质和SSNC阴极的化学兼容性、稳定性以及SSNC作为单电池阴极时的电化学性能。在600℃条件下、干空气和不同水含量的空气气氛中,对SSNC/BZCY/SSNC对称电池的电化学交流阻抗谱进行了测试,研究了 SSNC阴极的电化学行为。比较了 SSNC阴极在不同水分压气氛中的催化活性。研究结果表明,在600℃条件下,10%水-空气气氛中,SSNC/BZCY/SSNC对称电池的极化阻抗为0.26Ωcm2;在700℃时,采用NiO+BZCY/BZCY/SSNC结构的单电池输出的峰值功率密度为498 mW cm-2。但是,在阴极的高温制备过程中,SSNC阴极与BZCY电解质会发生高温界面反应。其次,在前面研究工作的基础上,详细地研究了水增湿对SSNC阴极反应过程的影响。我们在不同温度和湿度条件下测试了 SSNC/BZCY/SSNC对称电池的电化学阻抗变化,并对其阻抗变化做更细致地分析。根据阻抗变化进行拟合发现,水的引入能够明显降低对称电池的欧姆阻抗,这主要归因于BZCY为良好的质子传导的电解质材料。当SSNC阴极原位产生质子时,质子作为载流子通过电解质使得欧姆阻抗减小。分析对称电池在不同频率范围内的极化阻抗时发现,当引入水之后,在650 ℃条件下,SSNC阴极材料的氧吸附、解离和氧离子扩散速率明显加快。氧吸附和扩散速率虽然在550 ℃时增加,但是载流子转移速率在 550 ℃和450 ℃时降低。进一步对结构为NiO+BZCY/BZCY/SSNC的单电池在湿空气和干空气中进行循环稳定性测试发现,以SSNC为阴极材料的固体氧化物燃料电池在干湿循环空气中具有优异的稳定性。最后,为了解决电解质与阴极之间的高温界面反应问题,尝试采用Ba元素部分取代 SSNC钙钛矿材料 A位的 Sr元素,成功合成了Ba0.5Sr0.5Sc0.175Nb0.025Co0.803-δ(BSSNC)阴极材料;研究了 BSSNC 材料作为质子导体燃料电池阴极的性能以及长期稳定性。研究结果表明,在700℃下,以BSSNC为阴极的质子导体燃料电池峰值功率密度为633 mW cm-2;当引入过多的水时,燃料电池的稳定性有所降低,这主要归因于多余的水会覆盖BSSNC阴极材料表面从而导致阴极材料与氧接触的活性位点减少造成燃料电池性能的降低。这表明,为了提高燃料电池工作的长期稳定性,及时将燃料电池阴极部分多余的水分移除至关重要。我们也对BSSNC/BZCY/BSSNC对称电池在600 ℃湿空气条件下的电化学阻抗谱进行了详细分析。结果表明,在600℃干空气气氛条件下,载流子扩散速率占主导部分;当水引入阴极时,中频范围内的阻抗氧还原反应速率占主导部分。