能源短缺和环境污染是阻碍人类发展的两个重大挑战[1]。与传统的火力发电厂相比,固体氧化物燃料电池(SOFCs)具有高的能量转换效率、燃料灵活性、低排放等优点。然而,氧离子导体基SOFCs高的运行温度导致电池长期稳定性的降低是阻碍其商业化发展的重要原因。因此降低SOFCs的运行温度是促进其商业化发展的迫切需求。质子导体基SOFCs由于其在中低温下优异的性能输出,成为了研究学者解决氧离子导体基SOFCs高运行温度的重要途径之一。本论文围绕质子导体基固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)进行了一系列新型阴极材料的设计及其电化学性能表征等研究工作。论文的第一章,简单阐述了该论文的研究背景,质子导体基SOFCs的概念、原理、研究进展等。同时,对质子导体基SOFCs的电解质材料、阴极材料及反应动力学等进行了重点论述。论文第二章探索了一种新型的无钴阴极Ba0.95Ca0.05Fe0.9-xSnxY0.1O3-δ-SDC(x<=0.1)。在这里,它首次应用于质子导体基固体氧化物燃料电池。我们研究了Sn掺杂量对材料的相结构、电导率、热膨胀系数(TEC)和电化学性能的影响。TEC数据表明,掺杂Sn可以有效降低热膨胀系数,室温至850℃温度范围内的平均热膨胀系数从Ba0.95Ca0.05Fe0.9Y0.1O3-δ的17.8×10-6 K-1降低到 12×10-6 K-1(Ba0.95Ca0.05Fe0.8Sn0.1Y0.1O3-δ)。具有Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O3-δ-SDC阴极的单电池在700℃时可达到949 mW cm-2的最大功率密度。实验结果表明Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O3-δ-SDC是质子导体基固体氧化物燃料电池有希望的阴极材料。论文第三章通过阴离子F和阳离子Ca,Sn,Y在BaFe03-δ上的共掺杂成功地开发了新型阴极Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O3-x-δFx(x=0,0.05,0.1)。研究了F-掺杂对材料的相结构、电导率和电化学性能的影响。实验结果表明F-的掺杂可以有效的提高材料的电导率,同时,相对于无氟阴极,含氟阴极的电化学性能得到了显著的提升,由Ba0.95Ca0.05Fe0.85 Sn0.05Y0.1O2.9-δF0.1和Sm0.2Ce0.8O2-δ组成的复合阴极应用于BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ电解质的H-SOFCs中,在700℃时,实现了1050mW cm-2的最大功率密度和0.039Ωcm2的极化电阻。结果表明,阴、阳离子共掺杂策略可以为H-SOFOs中的阴极材料提供新的方向。论文的第四章在前两章工作的基础上探讨了卤族元素掺杂对材料的相结构、电导率以及电池的电化学性能影响的规律性。研究了不同含氯材料Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O3-x-δClx(X=0,0.05,0.1)作为阴极应用于质子导体基SOFCs的潜力。研究发现,Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O3-x-δClx材料的电导率随着Cl含量的增加而增加,当材料组分为Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O2.9-δCl0.1时,电导率最大。阴离子C1的掺杂可以有效的提高电池的电化学性能,当阴极组分为Ba0.95Ca0.05Fe0.85Sn0.05Y0.1O2.9-δCl0.1-SDC时,电池具有最优的性能,在700℃时的极化电阻(Rp)为0.025 Ω cm2。实验结果表明含氯材料有希望成为质子导体基SOFCs阴极材料的候选者。论文的第五章对论文的研究内容进行了总结,同时对今后可能需要进行的质子导体基SOFCs相关的研究工作做了展望。