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经济和社会的快速发展对能源尤其是电力的需求迅速增长。与传统燃煤发电相比,燃料电池（Fuel Cell）可以将燃料中的化学能直接转化为电能,是一种高效、清洁、环境友好的能源转化技术。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）的工作温度高（600-1000 oC）,燃料适用范围广,可以使用天然气、合成气、气化煤气以及生物质气等碳氢燃料,以SOFC为主的新型发电方式是解决我国碳基化石燃料利用率低、污染严重的有效途径。但目前以Ni-YSZ（8%mol Y2O3稳定ZrO2）为主的Ni基阳极在使用甲烷等碳氢燃料时长期运行容易积碳。采用掺杂的（La,Sr）CrO3、（La,Sr）Ti O3以及Sr2MxMo1-xO6（M=Mg,Fe）等钙钛矿氧化物材料来替代Ni可以在一定程度上提高SOFC阳极在直接碳氢燃料下运行的稳定性,但这些材料一般对燃料的催化活性较低,导致电池性能较差。因此发展具有较高电化学催化活性的钙钛矿氧化物阳极是解决SOFC在直接碳氢燃料下高效稳定运行的重要方法。采用溶液浸渍的方法在钙钛矿氧化物阳极中负载高活性的催化剂,是目前普遍应用的制备高活性电极的途径之一。但浸渍工艺过程复杂、耗时长,且难以实现催化剂的均匀负载,在高温运行中浸渍的纳米颗粒极易团聚和长大,造成电池性能明显衰减。近期研究发现,一些钙钛矿结构氧化物材料在还原性气氛中可以原位析出纳米金属颗粒,获得表面均匀负载催化剂的高活性纳微结构材料体系。与浸渍等方法相比,通过原位析出在材料表面负载纳米催化剂的方式成本更低,更加简便。原位析出的纳米金属催化剂对燃料有着很好的催化活性,用于SOFC阳极时,可以降低阳极极化电阻,提高电池性能。但目前该领域的研究大多局限于掺杂的（La,Sr）CrO3和（La,Sr）TiO3等,这些材料在还原性气氛下具有较高的稳定性和较好的电子电导率,但是由于缺少过渡金属元素的掺杂,其氧离子传导率较低,一般只能与YSZ等电解质材料复合使用。而且目前的研究工作仅仅集中在Fe、Co、Ni、Ru、Pd等常见过渡金属的析出现象,其析出机理和规律尚不清晰,金属析出过程对氧化物阳极结构和性能的影响也没有明确的规律。针对上述问题,本文以高电子/氧离子混合电导率的SrFeO3基钙钛矿材料为基础,选用SrTi0.3Fe0.7O3-δ和La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ两种钙钛矿结构氧化物材料,通过掺入第二相过渡金属Co或Ni以及引入A缺位等方法详细研究了其作为SOFC阳极时B位金属的析出过程、材料结构演化、机理以及应用。开发出了高活性Sr0.95Ti0.3(Fe0.9Ni0.1)0.7O3-δ钙钛矿阳极材料;优化了La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ阳极的结构组成和性能;建立了钙钛矿结构氧化物阳极氢氧化模型并对本文和文献中的部分试验现象进行了理论解释;在析出co-fe合金的lscfn基阳极实现了co2对ch4的原位干重整;通过设计新型催化剂负载方式实现了ni-ysz基阳极电池在甲烷燃料下的长期稳定运行。研究发现,通过在钙钛矿氧化物阳极材料中掺入第二种易还原的过渡金属元素,可以促进b位过渡金属元素在还原性气氛中的析出。srti0.3fe0.7o3-δ（stf）在sofc运行的燃料氛围下（如850oc和3%h2o-97%h2）可以保持钙钛矿结构稳定,在b位掺入co后,srti0.3（fe,co）0.7o3-δ（stfc）在相同还原条件下则发生了b位co/fe元素的析出。当co的掺杂量较小时,析出金属元素以（co,fe）合金为主;当co掺杂量较大时,析出金属元素以co为主。同时,随着co掺杂量的增多,stfc析出金属后其abo3结构逐渐消失直至生成a2bo4的层状钙钛矿结构。相似的,在stf的b位掺入少量ni之后,析出了以（fe,ni）合金为主的纳米金属颗粒。本文以及文献中结果表明在同一元素周期内,原子序数较大的过渡金属更加容易析出,即ni>co>fe,pd>ru等。在以stf为阳极的lsgm（la0.8sr0.2ga0.83mg0.17o3-δ）电解质支撑电池中,当改变阳极侧氢分压时发现了非常明显的极限电流现象,即随氢分压的降低,电池最大放电电流迅速减小,电池输出功率明显降低,表明阳极表面对游离氢的吸附可能是钙钛矿氧化物阳极的限速步骤。相比没有金属析出的stf阳极,表面析出（fe,ni）合金的srti0.3（fe0.9ni0.1）0.7o3-δ阳极电池在低氢分压下仍然可以保持较小的极化电阻和较高的输出功率。本文以阳极表面游离氢吸附和电化学氧化为限速步骤建立了氧化物阳极氢氧化模型,较好地解释了本文以及文献中的部分试验结果。结果表明以混合电导钙钛矿结构氧化物为阳极的sofc在运行条件下,尤其在低温和低氢分压下,游离氢的吸附是一个非常重要的限速步骤。模型计算结果同时表明钙钛矿阳极表面析出的金属催化剂可以有效促进游离氢的吸附,提高电池的输出性能,这对于实际应用钙钛矿氧化物阳极的大尺寸sofc电池和电池堆在提高燃料利用率、优化电池堆内部热平衡等方面有重要的指导意义。研究发现,在可析出金属的钙钛矿氧化物中引入a缺位后,抑制了析出过程中ao相的生成,保证了析出后钙钛矿基体的稳定,改善了阳极性能,同时也增加了b位金属的析出比例。其中,a缺位的sr0.95ti0.3（fe0.9ni0.1）0.7o3-δ（stfn-951）阳极在析出（fe,ni）合金的后,其钙钛矿结构保持完好,无明显sro相等其他杂相生成;以stfn-951为阳极的lsgm电解质支撑电池的最大功率密度在850和750oc的加湿氢气下分别达到了1.3和0.71w/cm2,实现了高性能输出和长期稳定运行。通过在具有较高电导率的la0.4sr0.6co0.2fe0.7nb0.1o3-δ（lscfn-100）钙钛矿氧化物阳极中引入A缺位,抑制了阳极在加湿氢气下析出Co-Fe合金的过程中（La,Sr）O相的生成,形成了以ABO3结构为主和少量A2BO4结构LSCFN共存的结构,在很大程度上降低了还原过程中由于相结构改变可能对材料结构带来的破坏,同时还促进了Co-Fe合金的析出;以A缺位的（La0.4Sr0.6）0.9Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ（LSCFN-90）为阳极的LSGM电解质支撑电池的性能尤其在甲烷下的性能有了明显提高,在850oC和加湿甲烷下其最大功率密度达到了0.33 W/cm2。结果表明,引入A缺位是钙钛矿氧化物阳极析出B位金属后其结构和性能的有效优化方法;同时还表明,B位析出金属和引入A缺位优化的方法在SrFeO3基钙钛矿阳极中具有较好的普适性和实用性。研究发现,可原位析出纳米合金相的SrFeO3基钙钛矿阳极在碳氢燃料下表现出了良好的电池性能和稳定性。以可析出（Fe,Ni）合金的Sr0.95Ti0.3(Fe0.9Ni0.1)0.7O3-δ为阳极的LSGM电解质支撑电池在在甲烷重整气（合成气）下稳定运行200小时,没有发现明显的衰减现象;以可析出Co-Fe合金的LSCFN为阳极的LSGM电解质支撑电池中,采用10%CO2-90%CH4为燃料,实现了CO2在SOFC阳极原位重整CH4,850 oC下电池性能由纯CH4下的0.28 W/cm2提高到0.455 W/cm2,并实现了在CO2-CH4燃料下的稳定运行。此外,根据分段串联管式电池自身结构特点,设计了支撑管内壁负载甲烷重整催化剂的方式,实现了以Ni-YSZ为阳极的电池在甲烷燃料下的长期稳定运行。