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固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种可以将燃料中的化学能直接转换为电能的发电装置,其发电效率不受卡诺循环限制,相较于传统燃煤发电技术更为高效、洁净。目前,成本和寿命问题是制约SOFC发电技术走向大规模商业化应用的主要因素。传统第一代（电解质支撑型）和第二代（电极支撑型）SOFC采用全陶瓷设计,存在如生产成本高、强度差、密封困难以及热导率低造成系统启动时间长等诸多问题,很难取代目前占主导地位的发电技术。金属支撑型固体氧化物燃料电池（Metal-Supported SOFC,MS-SOFC）采用“金属支撑体-阳极-电解质-阴极”4层结构。高热导率的不锈钢、合金等材料用作支撑体组件,使电池可在中低温（600oC800 oC）下工作,大大降低了单电池结构中的陶瓷占比,同时降低了电池成本。MS-SOFC被视为第三代SOFC,有望替代传统的电解质或电极支撑型SOFC,使SOFC的商业化应用成为可能。MS-SOFC制备的难点为金属支撑体极易与相连的陶瓷/金属-陶瓷阳极相剥离。本论文使用了一体化结构设计,采用流延、等静压、高温煅烧的方法制备了基体结构为NiO-Fe2O3/NiO-YSZ/YSZ/YSZ的MS-SOFC,纳米结构阴极采用浸渍方法制得。因SOFC运行条件下阳极侧含有大量水蒸气,需考虑金属支撑体的长期氧化稳定性问题。现阶段对于金属支撑体在H2/H2O等阳极气氛中的氧化行为研究极少,而对于多孔金属支撑体能否长期应用,其阳极气氛下的抗氧化性以及氧化后导电性的变化研究至关重要。SOFC阴极是电池组分中极为重要的组成部分并决定着整个电池的输出性能,由于在长期的操作过程中,环境空气一直直接供应给阴极,所以同样需考虑到阴极在储存及长期运行过程中一直遭受的空气及空气中CO2、水汽等的侵蚀作用。本论文主要的研究内容包括:一.对质量比为1:1的Ni-Fe多孔合金支撑体在阳极气氛下的耐侵蚀及稳定性进行了研究。Ni-Fe多孔支撑体采用流延、高温煅烧、H2/N2-3%H2O气氛下750 oC及1000 oC分别还原的步骤制备。选用两种气体组成模拟MS-SOFC的阳极气氛:H2/N2-3%H2O及H2/N2-25%H2O,长期氧化温度为750 oC。首先采用Factsage热力学软件及其数据库计算Ni-Fe-O2的相平衡关系。理论计算可知:750 oC时Ni在H2/N2-3%H2O及H2/N2-25%H2O两种气氛中均保持合金相,不被氧化。Fe在H2/N2-3%H2O气氛中保持合金相,在高氧分压的H2/N2-25%H2O气氛中被氧化为Fe3O4。对Ni-Fe支撑体进行侵蚀实验并与计算结果相互验证。将Ni-Fe支撑体放置于气氛炉中750 oC温度下通入H2/N2-3%H2O和H2/N2-25%H2O两种模拟阳极气氛,进行了1000 h的氧化稳定性测试。H2/N2-3%H2O气氛中的两种多孔Ni-Fe支撑体几乎未被氧化,质量无增长。而放置于H2/N2-25%H2O气氛中的Ni-Fe质量增长了约4-6%,通过XRD及SEM等测试手段检测可知:Ni-Fe合金颗粒表面生成了Fe3O4氧化物。电导率测量结果表明,1000 h氧化稳定性测试后的两种Ni-Fe支撑体仍保持较高的电导率,可以应用于MS-SOFC。二.对MS-SOFC选用的三种（La,Sr）（Co,Fe）O3-δ基阴极进行耐阴极气氛侵蚀稳定性实验并进行衰减机制的研究。MS-SOFC选择的阴极为La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF-6428）及La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.7Nb0.1O3-δ（LSCFN-46271）,并增加La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF-4628）作为对比电极。首先测试不同氧分压下三种阴极的阻抗,并对极化阻抗采用弛豫时间分布法（DRT）进行分析,得到阴极三电化学过程及对应频率。阴极由低频到高频的三电化学过程分别为氧的气体扩散过程,氧的吸附释放过程及阴极与电解质电荷输运过程。分别在800°C及650°C温度下测试电极在空气、含CO2空气、含H2O空气下的侵蚀稳定性。空气气氛下,800°C三电极100 h稳定性侵蚀过程中电极极化阻抗均缓慢增加,LSCF-4628阴极相比LSCF-6428及LSCFN-46271增速更快。根据电极表面EDS元素点扫描结果,部分Sr迁移至电极表面,导致电极表面Sr富集,影响电极催化性能及极化阻抗。650°C下空气中三电极更为稳定,低温的运行条件可使电极保持较好的活性。进行电极耐CO2侵蚀测试,空气中加入20%CO2及50%CO2,侵蚀时长为60 h,电极极化阻抗均大于空气下阻抗,通入纯空气吹扫,极化阻抗可恢复。对CO2侵蚀后的电极进行XRD及SEM测试,无杂相生成,表明测试时间内电极未与CO2发生反应。根据阻抗DRT分析,推测电极极化阻抗增长原因为空气中通入的CO2与O2争夺电极材料上的氧化还原反应催化活性位点,造成O2转化量的下降,且抑制了氧气的扩散,导致电导率下降,从而影响阴极性能。最后进行H2O侵蚀测试,空气中通入4%H2O及10%H2O,极化阻抗增大。H2O侵蚀后的电极经XRD检测未发现杂相生成,但大倍数SEM图像可观察到纳米杂质颗粒,LSCF-4628及LSCFN-46271相比LSCF-6428生成更多杂质颗粒,对颗粒进行点扫描推测为SrO,空气吹扫,颗粒消失,极化阻抗恢复。因此,论文最终选择的LSCF-6428及LSCFN-46271两种阴极具有一定的耐侵蚀稳定性,可以应用于MS-SOFC。三.对文中构建的MS-SOFC进行制备并测试其性能。电池基体均为一体化NiO-Fe2O3/NiO-YSZ/YSZ/YSZ结构,通过阴极浸渍LSCF、LSCFN,整体浸渍LSCF、LSCFN制备了四种单电池。首先测试结构为Ni-Fe/Ni-YSZ/YSZ/YSZ-LSCF电池性能,750 oC电池最大功率密度为0.72 W/cm2,相同温度下用于H2-50%H2O电解的研究显示,1.3V电解电压下电流密度为0.8 A/cm2。进行100 h放电稳定性测试,衰减率约为10.4%,50 h充电稳定性测试,衰减率约为10.2%。经DRT分析及SEM微观形貌表征,阴极LSCF、阳极Ni纳米颗粒的团聚以及Ni-Fe合金支撑体的氧化均会导致MS-SOFC的衰减。电池基体整体浸渍LSCF,这将简化电池制备步骤,并对阳极进行优化,得到结构为LSCF-Ni-Fe/Ni-YSZ/YSZ/YSZ-LSCF的电池。相同测试条件下性能稍高于相同结构的阴极浸渍LSCF电池,750℃最大功率密度达0.75 W/cm2,1.3V的电解电压下电流密度为0.82 A/cm2。同样测试了100 h SOFC稳定性及50 h SOEC稳定性,衰减率分别为6.8%及8.4%,阳极浸渍LSCF的优化改性方法使电池的功率密度及稳定性均得到提升。因此,阳极进行钙钛矿的阴极浸渍是一种新型的电极优化手段。最后测试阴极及整体分别浸渍LSCFN得到的MS-SOFC性能。两种电池750 oC最大功率密度分别为0.73 W/cm2及0.82 W/cm2。采用LSCFN为阴极的电池稳定性较好,与第四章中阴极性能及稳定性测试结果相符。因此原位还原法测试的四种MS-SOFC电池在中低温下均具有较好的性能,且电池结构稳定。综上所述,论文所选择的质量比为1:1的Ni-Fe多孔支撑体经长期SOFC阳极气氛的氧化侵蚀后仍维持足够高的电导率,可以应用于MS-SOFC。LSCF-6428及LSCFN-46271两种（La,Sr）（Co,Fe）O3-δ基阴极具有较好的阴极气氛侵蚀稳定性,采用浸渍的方法应用于MS-SOFC。最后对构建并制备的四种一体化结构的Ni-Fe金属支撑型SOFC电池进行性能测试,MS-SOFC均具有较高的功率密度及电解性能。阳极采用浸渍纳米混合导体钙钛矿进行优化是一种新型阳极优化手段,可提高电池性能及稳定性。