固体氧化物燃料电池（SOFC）是由多孔的电极和致密的电解质构成,是一种将燃料中的化学能连续高效地转换成电能的装置。与目前普遍采用的氧离子导体电解质相比,质子导体电解质在中低温时具有更低的活化能和更高的离子电导率,因此,质子导体固体氧化物燃料电池（PCFC）更容易实现中低温下的运行。已有的质子导体氧化物材料中,BaZr0.8Y0.2O3-δ（BZY）和 BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ（BZCY）是最有应用前景的,但仍然存在一些亟待解决的问题。BZY稳定性好,但其烧结活性差以及晶界电导率低;虽然BZCY具有优异的离子电导率,但是其化学稳定差;这些问题使得PCFC的发展和应用受阻。本论文围绕中低温质子导体BZY和BZCY电解质材料问题,针对提高BZY的烧结活性和制备工艺以及BZCY的实际应用及其化学稳定性而展开研究,具体研究内容如下:（1）针对BZY存在的烧结活性差问题,通过添加烧结助剂NiO和Fe2O3提高BZY的烧结活性,发现将NiO的常规用量减少至2 mol%,仍能使电解质在1450℃烧结5 h后致密。分别制备了以NiO和Fe2O3烧结助剂阳极支撑的电池,两者的开路电压相近,表明了 Fe2O3助烧剂能使电解质致密。以NiO为烧结助剂的电池在中高温时,功率密度高于以Fe2O3为烧结助剂的电池,但在低温时以Fe2O3烧结助剂电池性能更高。这是由于在共烧的过程中阳极中的Ni扩散至以Fe2O3为烧结助剂的电解质中,促进了烧结。随着温度的降低,以Fe2O3为烧结助剂的电池欧姆阻抗更小。（2）BZY电池不仅可以使用氢气作为燃料,还可以使用一些烃类有机物作为燃料。采用高温固相法制备了 BZY以及阳极支撑的BZY电池。电解质BZY与阴极La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）之间具有较好的化学稳定性。以过水的H2、CH4和C3H8为燃料,电池性能依次降低,在700℃时最大功率密度分别为356mW cm-2、309 mW cm-2和85 mW cm-2。C3H8作为燃料气时,电池的功率密度低,通过XRD发现存在阳极积碳的现象,并且阳极粉化脱落。使用甲烷燃料时,电池性能是使用氢气时的87%,没有观察到明显的积碳现象。（3）在以上的实验过程中发现,采用固相法合成的BZY烧结活性差,在制备阳极支撑的电池过程中易出现电池开裂的情况。为解决该问题,采用凝胶溶胶法（GS）制备了BZY粉体,并将其与固相法（SP）制备了 BZY粉体进行比较。发现GS法制备的粉体颗粒更小,制备的块体材料在烧结过程中的线形收缩率更大。GS法制备的BZY电解质与固相法制备的NiO-BZY阳极具有更好的热匹配性,在阳极和电解质共烧的过程中避免因电解质和阳极热匹配不一致而导致电池开裂的现象,显著提高了电池的成品率和电池测试过程中的稳定性。（4）目前针对BZY和BZCY的研究很多,但还没有针对BZY和BZCY的对比研究。本研究通过对BZY和BZCY进行系统的对比,直观深入了解该两种材料和相应的电池性能差异,并对二者在不同性能方面的利弊进行评价。实验中发现,添加2 mol%的NiO作为烧结助剂可以改善BZY和BZCY的烧结性能。在1400℃烧结6 h后,Ni掺杂到BZY的间隙中,导致晶格膨胀。然而,Ni进入BZCY的格点位置,占据了 B位,导致晶胞变小。烧结的BZY晶粒小,晶界多,电导率低,而烧结的BZCY晶粒大,晶界少,电导率高。阳极支撑BZY电池的电化学性能低于阳极支撑的BZCY电池,这主要是因为BZY电解质的欧姆电阻大于BZCY电解质。提高共烧结温度使BZY电解质的PCFC由于阳极过烧结导致阳极极化阻抗增大,不能改善其性能。尽管BZY的性能低于BZCY,但BZY在含CO2的气氛中是稳定的,而BZCY在含10%CO2的Ar（650℃）中不稳定。（5）采用具有更高电化学性能的BZCY电解质,研究了以C和H2O为燃料的电池性能。通过固相法制备了阳极支撑的BZCY质子导体燃料电池,在700℃以湿H2为燃料气,空气为氧化性气体,电池的功率密度为875 mWcm-2。该电池以5 mL/min的75%H2O-25%Ar,通入置于阳极的C粉中,C和H2O反应原位产生H2实现工作,在700-600℃的功率密度分别为38 mW cm-2、7 mW cm-2以及0.5 mW cm-2,由于产物气中含有大量的CO2气体,与BZCY反应导致电池阳极结构破坏。为了降低产物气中CO2以及提高产物气中的H2浓度,在C燃料中混合Ca（OH）2通过往C燃料中添加CO2吸附剂Ca（OH）2,电池在700-600℃的功率密度分别为300 mW cm-2、130 mW cm-2以及37 mWcm-2。电化学性能明显提高的原因是添加Ca（OH）2后,不仅能吸收反应产生的CO2,还能促使C和H2O反应生成更多的H2,提高了电池输出性能。（6）为了在保持BZCY高的电导率基础上,提高其化学稳定性。将Fe按化学计量比掺杂至BZCY的B位,掺杂2 mol%Fe（BZCYF2）时,其电解质致密,且晶粒尺寸最大,晶界数量最少,线形收缩率最好,烧结活性最佳。高温烧结后的BZCYF2未出现Y3+元素的富集。在湿H2和湿air下的电导率,发现BZCYF2的电导率最高,活化能最小。制备了阳极支撑的单电池,并测试其电化学输出性能,在700℃和250℃,BZCYF2和BZCY电池的输出峰值功率密度分别为880 mW cm-2、850 mW cm-2以及7 mW cm-2、2 mW cm-2。将BZCYF2组装成电解池,在1.3V的电解电压下,得到1.3A/cm2的电解电流。通过在500℃的放电测试以及耐H2O性测试,可以发现BZCYF2电解质的电池具有较好的电化学稳定性,且Fe的引入可以提高BZCY的耐水性。上述研究表明,PCFC是一种高性能的燃料电池,可在相对低的温度下运行。通过采用适当的粉体合成方法和添加适当的烧结助剂,可提高PCFC制备的成品率。PCFC不仅可采用氢气燃料,还可以采用甲烷、丙烷、水蒸气和碳等为燃料。通过对比研究,发现BZCY在电化学性能和烧结性能方面均优于BZY,但BZY的稳定性更好。通过将2 mol%的Fe掺杂在BZCY的B位,显著提高了材料的稳定性,同时还保留了 BZCY优良的电化学性能。