质子陶瓷型燃料电池（PCFC或H+-SOFC）是近年来备受重视的新型中温燃料电池。传统氧离子型固体氧化物燃料电池（O-SOFC）的电解质材料主要通过氧空位传导氧离子,与之相比,PCFC电解质材料中质子的传导机理不同,因此在中温区域具有更高的离子电导率。工作温度的降低有利于O-SOFC的商业化。由于新材料（如电子/离子混合导电材料、电子/质子/离子三相导电材料）在PCFC电极的应用,所以PCFC相比其它类型的燃料电池,其内部具有更复杂的电子、氧离子、质子、物质输运和相互间的电化学转化过程。然而,人们对PCFC内部的运行机制,特别是不同电极微结构形貌与电池工作性能间的相互作用关系的认识还很有限。本文针对含电子/质子/氧离子混合导电阴极的PCFC,发展了PCFC纽扣电池的数值分析模型。首先,采用微观逾渗理论和电化学多物理场耦合建模,从微观参数中预测电池性能,并仔细分析了PCFC燃料和氧化剂的扩散过程,电子、氧离子和质子的传导过程,三个电化学反应的分布,以及它们之间的耦合工作细节。其次,针对复合电极逾渗理论基于均质化假设,无法充分考虑电极不规则结构形貌对PCFC性能影响的问题。提出将带本征性质信息的规整网格矩阵应用于PCFC的新方法,并利用该方法进一步研究了电极不规则微结构形貌内部的电化学和多物理场工作特性。主要研究内容包括:1、针对PCFC纽扣电池建立电化学-多物理场耦合数值分析模型,并通过与不同工作温度下实验结果的对比,验证了模型的有效性。研究了电子、质子、氧离子三相混合导电复合阴极的PCFC内部的物质、电输运和电化学反应特性。分析了不同工作温度下,PCFC内部不同活化极化损失、浓差极化损失、欧姆极化损失的变化与占比,以及温度对阴极氧还原反应活化区域的影响,还分析了阳极支撑结构的PCFC的优势。最后,进一步结合课题组前期发展的PCFC逾渗理论模型,对比讨论了混合导电阴极的微观参数（如有效电子/氧离子/质子电导率、参考交换电流密度、阴极材料配比、孔隙率、颗粒半径等）对电化学活性反应区域以及电池性能的影响规律。2、由于复合电极逾渗理论基于均质化假设,无法充分考虑电极不规则结构形貌对PCFC性能影响的问题。因此,本论文的另一个重要工作是针对这一不足,尝试进一步发展一种直接基于燃料电池不规则微结构形貌开展三维大尺度多场耦合分析的技术方案,并对方法的可行性和准确性进行了初步验证。包括将带本征性质信息的规整网格矩阵应用于PCFC,建立了含微观结构信息的大尺度三维模型,并通过与文献报道的实验结果进行对比,验证了该方法建立的模型的准确性。该新方法不仅将阴极的电化学活性反应位置依照重构的电极三维微观结构赋予三维空间内,而且有效区分了阴极材料与孔隙相。通过分析模型的电子电流密度和质子电流密度,确定了阴极氧还原反应与水生成反应的电化学活性区域。分析了网格密度对电极微观结构与全模型（阴极/电解质/阳极）PCFC性能的影响。通过PCFC的质子、电子、氧离子电流源位置和电流的分布细节分析了复合阴极中不同材料配比对电化学反应活性区域和PCFC性能的影响。