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面对日益严峻的能源危机和环境问题,推进固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）清洁高效利用化石燃料的商业化应用,开发固体氧化电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC）合理利用弃风、弃光、弃水等“弃能”生产新型优质能源,具有十分重要的意义。固体氧化物电池（Solid Oxide Cells,SOCs）作为一种环境友好的能源转换装置,可以实现化学能和电能的高效转化。铁酸锶（Sr Fe O3）钙钛矿具有良好的离子-电子混合导电性,掺杂的Sr Fe O3基钙钛矿氧化物已被广泛应用于SOCs氧电极。目前,研究者们正在积极探索掺杂的Sr Fe O3基钙钛矿材料在SOCs氢电极中的应用。本论文主要针对新型可原位析出纳米金属颗粒的Sr Fe O3基固体氧化物电池氢电极的结构调控与电化学性能优化、高水含量与多种复杂含碳燃料下运行特性展开研究;以期阐明原位析出电极体系荷电传导过程与调控机制,揭示实际工况下电极电化学性能与稳定性规律,构建高性能稳定运行的异质结构氢电极与运行策略。采用固相法成功合成了La/Sr（A位）和Co/Fe（B位）等比例共掺杂的La0.5Sr0.5Co0.45Fe0.45Nb0.1O3-δ（LSCFN）钙钛矿氧化物,研究了LSCFN在不同还原条件下的Co-Fe合金颗粒析出过程,并测试了LSCFN对称电池在相应条件下的电化学性能,讨论了氢电极结构调控对电池电化学性能和稳定性的影响。结果表明,LSCFN在高温下、3%H2O-97%H2气氛中,析出的Co1-xFex颗粒尺寸和Fe含量随着还原温度的升高而变大,且伴随着A2B2O5类钙钛矿结构的形成,欧姆阻抗和极化阻抗的变大导致LSCFN对称电池电化学性能下降。采用高温预还原再低温运行的策略,有效抑制了析出纳米颗粒的粗化,从而减缓了阳极极化阻抗的衰减速率。通过向SrTi0.3Fe0.7O3-δ（STF）中掺入质量分数分别为10 wt%、20 wt%和40 wt%的Gd0.1Ce0.9O1.95（GDC）,制备了STF-GDC复合阳极材料,首次系统研究了STF-GDC复合阳极单电池在低放电电压下的特性及反应机理。结果表明,STF-GDC复合阳极单电池表现出比STF阳极单电池更高的输出性能和更小的极化阻抗。STF-40GDC复合阳极单电池放电的j-V曲线在整个电压范围内保持负曲率,并且在低氢分压下表现出浓差极化现象,消除了STF单相阳极中出现的正曲率现象。结果证实了GDC可以与STF一起作为氧离子传导载体加速氧离子输运过程并扩大三相界面,提升单电池的输出性能,同时阐明了GDC在不同氢分压和放电电压下对STF钙钛矿阳极表面氧空位的调控机制。采用可析出Ni-Fe合金颗粒的Sr0.95Ti0.3Fe0.63Ni0.07O3-δ（STFN）电极,制备了LSGM(La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ)电解质支撑的单电池,并研究了其在高水含量燃料下的运行特性以及使用多种含碳复杂燃料气的产电性能和运行稳定性。通过模拟实际工况（高燃料利用率,水含量～15%以上）,研究并讨论了析出阳极经历不同水含量燃料对STFN单电池性能输出的影响机制。结果表明,STFN单电池纳米异构阳极表面的Ni-Fe颗粒可以显著提高其在低温及高水含量燃料下的输出性能,即在700℃、50%H2-50%H2O条件下,STFN单电池的最大功率密度仍可达到纯氢条件下的～60%,而阳极表面没有Ni-Fe颗粒的STF单电池Pmax仅为纯氢条件下的～40%;STFN阳极单电池在750℃下经历了20次负载循环,性能未发生明显衰减,且在高水含量燃料（50%H2-50%H2O）下稳定运行超过360 h,表明STFN阳极在实际工况下具有非常好的运行稳定性。在电解性能的研究中,研究并解析了STFN作为氢电极在不同水蒸气浓度下的电解性能和稳定性,以及该电池在可逆运行模式下的稳定性。结果表明,STFN氢电极电解池在800°C、1.3V电解电压下,水蒸气浓度为10%、30%、50%时的电解电流密度分别为-0.66、-0.74、-0.76 A·cm-2,在750°C、10%H2-N2-50%H2O条件下进行恒流电解可稳定运行超过80 h,性能衰减率仅为每百小时0.75%;该电池在750°C、可逆运行模式下可以运行超过240 h,每百小时的衰减率为5.7%。可见STFN氢电极在可再生能源转换和储存、分布式离网供能系统方面具有良好的应用前景。最后,联系实际工业生产中的过程气和副产气（可作为碳基燃料）,考察了STFN单电池在实际应用中的可行性。STFN单电池使用重整度为～31%的甲烷重整气进料,可获得与57%H2进料时相当的输出性能,即在750℃下两种燃料的Pmax均为～0.58 W·cm-2,并在750℃下稳定运行超过100 h,无明显积碳和性能衰退。STFN单电池使用某石化企业的复杂副产气作为燃料可以运行并具有较高的性能输出,研究了实际工况差异导致的副产气组成变化对单电池性能的影响,阐明了STFN阳极单电池在复杂副产气燃料下的稳定运行机制。STFN阳极单电池在上述两种含碳复杂燃料下均具有较高的性能输出,表现出良好的工业应用前景。