固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、洁净的新型能源技术,对能源的有效利用和全球环境的保护产生积极的影响。化石燃料的高效清洁利用是目前SOFC技术发展的重要方向,这对于保护地球环境、推进SOFC的商业化进程有非常重要的意义。要实现化石燃料在SOFC中直接使用,需要研究化石燃料在SOFC内部的反应机理,优化和开发新型电极材料,提高电池的抗积碳、耐硫毒化能力和中低温条件下的性能是实现直接化石燃料固体氧化物燃料电池的必由之路。本论文工作紧紧这个主题展开,从优化电池的制备工艺和降低制备成本入手,在深入研究小型电堆设计的基础上,成功地通过低成本的工艺条件制备出适合使用化石燃料的小型SOFC电堆,在中温(600-800℃℃)取得了较好的电池性能。开发中温阴极材料镧锶锰钴(LSMCo)阴极,通过简单有效的方法提高了SDC电解质基SOFC的开路电压和抗积碳、耐硫毒化能力,为进一步降低直接使用化石燃料SOFC的工作温度提供条件。开发了浸渍流延法制备管状阳极支撑体工艺。研究了NiO-YSZ浸渍流延浆料的制备,探讨了浸渍流延法的工艺技术,总结了浸渍流延法的方法和技巧,并对采用浸渍流延法制备的阳极支撑型管状电池进行了测试和分析。研究表明,采用浸渍流延法制备的阳极具有均匀多孔的微观结构,符合SOFC的电极要求,以氢气为燃料,其单电池在700和600℃C下的最大输出功率密度为225mW/cm2和142mW/cm2,并且具有良好的抗热冲击能力,证明了流延浸渍法操作简单,价格低廉,是一种制备固体氧化物燃料电池的可选工艺。实验表明,长管状SOFC由于阳极端电荷的传输路径过长,欧姆极化是能量损失的主要原因。根据上述原因,本文在阳极支撑型管状SOFC的基础上研究了采用不同的电荷收集方案对电池性能输出的影响,为电荷收集理论计算提供实验数据支持,提出了一种可实际操作的电荷收集方案,有效缩短电荷传输路径,降低了阳极支撑型管状SOFC的欧姆电阻。研究表明,电荷收集方法对电池的性能有重要影响,功率的增长速率随着电荷收集点的增加而降低。开发了管状3%氧化钇稳定化氧化锆(PSZ)支撑型带状全膜化SOFC电堆(SIS-SOFCs)。本章采用注浆成型法制备了PSZ管状支撑体,通过浸渍法在支撑管上制备阳极、电解质和阴极电池活性层,使用银浆作为导电材料和密封剂,将支撑管上各电池的阴极和阳极依次连接起来,串联成电池组并进行电化学性能测试。结果表明,在750℃C时,电池组的最大输出功率约为240mW/cm2,总开路电压达到1.978V,阻抗谱显示电池组的欧姆电阻比较大,而电极极化损失是影响电池性能的主要因素,因此改善电极微观结构,选择更好的电极材料是提高电池性能的关键。本章充分证明了管状PSZ支撑SIS-SOFCs几何构型应用于SOFC电堆的可行性。在浸渍流延法制备长管状阳极支撑型SOFC的基础上制备了锥管状阳极支撑型SOFC小型电堆。以加湿氢气为燃料,空气作为氧化剂,对锥管串接式电池堆的电化学性能和热循环能力进行了研究。在800℃和700℃下,11节电池组的最大输出功率分别为8W (421.4mW/cm2)和6W (310.8mW/cm2)在800℃下,电池组的体积能量密度为0.9W/cm3,经过10次的热循环测试,电堆保持稳定运行。同时以加湿甲烷作为燃料,测试电堆使用化石燃料的能力。结果表明,电堆阳极产生的积碳由第一个电池到最后一个电池逐渐递减,可以按照电池的不同顺序,担载不同量的催化剂,抑制积碳,提高电堆的稳定性。在阳极支撑型锥管串接式SOFC电堆的基础上,以活性炭为燃料,初步研究了直接碳固体氧化物燃料电池堆(DC-SOFCs)的可行性。结果表明,在没有使用任何载气的情况下,DC-SOFC能够持续运行。在850℃下,三电池串联电池组的最大输出功率为2.4W,体积能量密度为700mW/cm3。稳定性测试表明,电池性能随着时间发生衰减,而较大的运行电流和较少的碳燃料会导致运行时间的缩短和碳利用率的降低。为进一步提高SOFC的工作性能,对新型阴极材料也进行了初步研究。在La1-xSrxMnO3-δ (LSM)和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF)复合阴极的基础上开发了La0.8Sr0.2Co0.17Mn0.83O3-δ (LSMCo)阴极。结果表明,LSMCo与YSZ电解质1150℃下具有很好的化学兼容性。在电化学性能方面,与LSM相比,LSMCo的性能有了明显的提高。在750℃和0.7V下运行,以LSMCo为阴极的单电池性能比以LSM为阴极的单电池性能高约34%,在100h的运行过程中,没有发生性能衰退的现象。最后,针对实际的化石燃料中含有硫杂质的问题,开发了一种更实用和简单的新型电池结构,采用NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3(BZCYYb)作为阳极基底,支撑致密钐掺杂氧化铈(SDC)电解质层,有效地抑制了SDC的还原,提高了电池的开路电压(OCV)。结果表明,Ni-BZCYYb支撑SDC电池使用含硫氢气和甲烷作为燃料,具有良好的电化学性能和稳定性。