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固体氧化物燃料电池（SOFC）是当前国家重点发展的高效绿色能源转换技术,是国家《“十四五”能源领域科技创新规划》列为重点突破的关键技术之一。质子陶瓷膜燃料电池（PCMFC）是一种以质子导体为电解质的SOFC,与传统氧离子电解质的SOFC相比较,在500-700 ℃的中低温范围内运行时具有两个突出优点:一是质子传导的活化能低于氧离子传导的活化能;二是PCMFC运行过程中,水蒸气在阴极一侧产生,不会稀释燃料气体,可以有效提高燃料利用率,降低镍阳极氧化程度。阴极是PCMFC的关键部分,是氧催化还原和水蒸气生成的场所。阴极极化是PCMFC功率性能损失的主要原因,阴极稳定性关系到PCMFC的长期稳定性。本论文围绕如何改善PCMFC无钴铁基钙钛矿阴极的极化性能和提高其稳定性,开展了新型阴极的设计、制备和应用等研究。具体内容如下:第一部分:高性能Ba Fe0.8Ce0.1Y0.1O3-δ无钴PCMFC阴极研究本工作设计、制备了高性能Ba Fe0.8Ce0.1Y0.1O3-δ（BFCY）无钴立方钙钛矿新型阴极材料,并对其进行了PCMFC阴极的性能表征。室温和变温XRD结果表明,Ce、Y共掺的铁酸钡能够有效稳定高氧催化活性的立方钙钛矿结构。XPS分析表明,Ce和Fe在BFCY中表现出Ce+3/+4和Fe+3/+4的混合价态,这有利于材料在高温形成氧空位,促进氧的还原催化。碘滴定-热重分析法测定了BFCY在室温-800 ℃范围的非化学计量氧值,结果显示BFCY具有高的氧空位浓度,这有利于其氧还原催化。在潮湿空气气氛中,BFCY电导率最大值为1.55 S cm-1。在100-1000 ℃范围内,BFCY的平均热膨胀系数为22.08×10-6 K-1。高的热膨胀系数不利于阴极层和电解质层的结合,因此构建了BFCY-Ba Ce0.8Fe0.1Y0.1O3-δ（BCFY）复合阴极进行单电池测试。由BFCY-BCFY阴极组装的阳极支撑单电池在700 ℃时,最高功率密度达750 m W cm-2,极化电阻低至0.05Ωcm~2。此极化电阻值远低于目前已报道的电池阴极的数值。低的极化电阻源于阴极材料的高的氧空位浓度和三相传导性能。高的功率密度和低的极化电阻表明,该阴极具有潜在的开发潜力和应用价值。本研究工作为新型高性能PCMFC无钴阴极和三相传导阴极开发提供了设计思路。第二部分:抗CO2和H2O的无钴铁酸钡基PCMFC阴极研究本工作重点研究了A-位La掺杂和B位Zr掺杂对铁酸钡抗CO2和H2O性能的影响,设计了Ba0.95La0.05Fe0.8Zr0.1Y0.1O3-δ（BLFZY）新型三相传导无钴阴极。通过与Ba Fe0.8Zr0.1Y0.1O3-δ（BFZY）的对比研究,在相结构稳定性、电导率、与电解质的化学兼容性和热膨胀匹配性、单电池性能及长期稳定性等方面全面评价了BLFZY的阴极性能。研究结果表明:BLFZY阴极在室温-900 ℃范围具有稳定的立方钙钛矿结构;Zr、La掺杂均能够提高铁酸钡的金属-氧键的平均键能,使得BLFZY阴极具有优异的抗CO2和H2O稳定性;A-位La掺杂降低了热膨胀系数,提高了电导率和氧吸附能力;单相BLFZY阴极组装的阳极支撑单电池在600 ℃的最大功率密度为305 m W cm-2,极化电阻为0.492Ωcm~2,在0.7 V工作电压下,电池在120 h测试周期内保持着266 m W cm-2的稳定功率输出。综合研究结果表明,BLFZY是一种综合性能优异的抗CO2和H2O稳定的无钴阴极材料,本工作为抗CO2和H2O铁酸钡基阴极设计提供了思路。第三部分:Ni掺杂优化无钴Sr Fe0.9Nb0.1O3-δ阴极研究SrFe0.9Nb0.1O3-δ（SFN）具有良好的化学和抗CO2稳定性,是一种具有发展前景的无钴铁酸盐SOFC阴极。本工作研究了低价元素Ni掺杂对SFN阴极性能的影响,旨在进一步优化SFN阴极性能。XRD结果表明,10%Ni掺杂没有改变SFN的立方钙钛矿晶体结构。热重分析表明,低价Ni取代能够有效增加材料的高温氧空位浓度,有助于提高氧还原催化活性;Ni掺杂提高了材料电导率,在600 ℃时SFN和SFNN电导率分别为57.9 S cm-1和104.3 S cm-1。SFN和SFNN对称电池的电化学阻抗（EIS）研究表明,SFNN的极化电阻明显低于SFN,700 ℃极化电阻由1.4Ωcm~2降低至0.53Ωcm~2。弛豫时间分布法解析EIS发现,SFNN阴极表面的氧吸附解离过程是电极反应动力学的主要速率控制步骤。SFNN组装的单电池性能优于SFN组装的单电池,在700 ℃潮湿氢气/空气测试条件下,两电池功率密度分别为457.5和392.5 m W cm-2,极化电阻分别为0.27和0.35Ωcm~2。以上研究结果表明,低价Ni掺杂能够改善铁酸锶阴极的极化性能,是铁酸锶阴极优化的有效掺杂策略。第四部分:双钙钛矿-萤石结构PCMFC复合阴极一步合成制备研究本工作采用柠檬酸盐-硝酸盐燃烧法一步合成法,制备了Sm Ba Co2O5+δ-Sm0.8Ce0.2O2-δ（SBC-SDC）双钙钛矿-萤石结构复合粉体（一步合成粉体）,重点研究了该复合粉体的成相反应过程,以及它相比于传统机械混合制备的复合粉体（机械混合粉体）在PCMFC阴极应用中的优势。相比于机械混合粉体,一步合成粉体在微观结构上具有更均匀的两相分布和更小的晶粒尺寸,小的晶粒尺寸是由于两相均匀的混合分布彼此抑制了对方晶粒的高温生长所致。一步合成粉体的微观特征有利于形成更丰富和快捷的电子和氧离子传输路径,增加双相异质界面,从而优化SBC-SDC阴极的极化性能。采用一步合成和机械混合粉体分别制备了PCMFC单电池。一步合成粉体制备的单电池具有更高的功率密度和更低的电极极化,这表明通过一步合成制备复合阴极能够进一步提高SBC-SDC阴极性能。本工作为双钙钛矿-萤石结构PCMFC复合阴极的微观结构调控以及PCMF高性能阴极粉体制备提供了新路径和方法。