固体氧化物电池（Solid Oxide Cells,SOCs）是一种效率高、环境友好的能量转换装置,与可再生能源具有良好的适配性,有望在“碳中和”中发挥重要作用。目前最为常见的电池构型为多孔支撑电极支撑电池,而其支撑电极的孔道结构对电池的电化学性能有重要影响。常规的支撑电极多为无序孔结构,不利于气体的传输,导致严重的浓差极化。本课题组前期的初步研究表明,相转化流延制备的电极具有直孔结构,其电化学性能明显优于无序孔结构。本论文以多孔电极支撑型SOCs为对象,实验研究了纽扣电池在不同工作模式下的电极孔道结构-电化学性能关系,进而计算分析和优化单电池的运行参数和性能,为SOCs的实际应用提供指导。本论文第一章介绍了 SOCs的原理、关键材料和制备方法,并基于目前的研究状况和面临的问题提出了本论文的研究思路。SOCs可以在燃料电池模式（Solid Oxide Fuel Cells,SOFCs）下工作,将化学能转化为电能。本论文的第二章研究了支撑电极的孔道结构对燃料电池性能的影响。实验所用的纽扣电池采用Ni-8 mol%Y2O3稳定的ZrO2（Yttria-stabilized Zirconia,YSZ）作为燃料电极,YSZ和Gd0.1Ce0.902-δ（GDC）作为双层电解质,GDC-La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）作为复合空气电极。为了对比研究,采用了两种制备方法来制备NiO-YSZ电极。一种为相转化流延法,制备出的电极具有开放直孔结构;另一种为普通流延法,制备出的电极则具有无序孔结构。研究表明,基于前一种支撑电极的电池（电池-1）表现出了优于后一种电池（电池-2）的电化学性能。特别是当氢气浓度较低时,二者的电化学性能的差距变得更加明显。在750℃、燃料气为25%H2+75%H2O的条件下,电池-1的最高功率密度为941 mW·cm-2,而电池-2仅为470 mW·cm-2。这是由于电池-1中的直孔结构电极有利于物质的传输和吸附,减轻了浓差极化。基于纽扣电池的电流密度与氢气浓度的关系数据,采用一维活塞流反应器模型,模拟了单电池的电化学性能。模拟结果表明,直孔结构电极支撑型单电池,其燃料利用率和功率密度均高于无序孔结构电极支撑型单电池。在750℃、0.7V和燃料（95%H2+5%H2O）注入量10 NmL·min-1·cm-2的条件下,前者的燃料利用率和功率密度分别达到90%、857 mW·cm-2,而后者则分别为 61%、591 mW·cm-2。SOCs 也可以在电解池模式（Solid Oxide Electrolysis Cells,SOECs）下工作,将电能转化为化学能。本论文的第三章研究了支撑电极的孔道结构对水电解性能的影响,实验所用的电池与第二章相同。实验发现,直孔结构电极支撑型电池（电池-1）的电解性能优于无序孔结构电极支撑型电池（电池-2）,在低水蒸气浓度时二者的差距尤为显著。在750℃、1.3V和水蒸气浓度10%的条件下,电池-1的电流密度为1.19 A·cm-2,而电池-2仅为0.69 A·cm-2。究其原因是直孔结构支撑电极允许水蒸气快速传输,从而有效减轻了浓差极化,提高了电池性能。与第二章相似,基于纽扣电池的电流密度与水蒸气浓度的关系数据,本章模拟了单电池的水电解性能。模拟结果表明,直孔结构电极支撑型单电池,其水蒸气转化率明显高于无序孔结构电极支撑型单电池。在750℃、1.3 V和水蒸气（90%H2O+10%H2）注入速率12 NmL·min-1·cm-2的条件下,前者可以获得高达91%的水蒸气转化率,而后者则为77%。本论文第四章研究了支撑电极的孔道结构对CO2电解性能的影响,实验所用的电池同前。实验发现,直孔结构电极支撑型电池（电池-1）的电解性能高于无序孔结构电极支撑型电池（电池-2）,特别是在低CO2浓度时二者的差距变大。在750℃、1.5 V和CO2浓度30%的条件下,电池-1的电流密度高达1.12 A·cm-2,而电池-2仅为0.61 A·cm-2。实验还发现,电池-1相比电池-2具有更好的抗积碳性能。前者在电流密度1.0-1.5 A·cm-2时电极出现积碳,而后者的积碳电流则小得多（0.5-1.0 A·cm-2）。显然,直孔结构电极有利于CO2的传输,浓差极化较轻,并且电解产物CO可以迅速离开反应位点,其浓度低于积碳临界值。对于多孔Ni-YSZ支撑型电池,其通行的制备方法是在氢气气氛中将NiO-YSZ支撑电极高温还原为Ni-YSZ,本论文第五章探索了在CO2气氛中的原位电还原新方法。实验发现,在750℃、1.5 V和90%CO2+10%N2的气氛下,直孔结构NiO-YSZ支撑电极能被电解还原为Ni-YSZ,电解电流密度达2.23 A·cm-2,而无序孔结构电极则无法被还原。与常规的氢气还原法相比,本章发展的原位电还原法的速度快。这是因为对于直孔结构电极,其NiO颗粒均匀分布在孔壁上,更容易被还原,而所形成的Ni网络也更为畅通,有利于电子的传输,促进了还原过程。实验还表明,所制得的Ni-YSZ电极性能更好,在750℃、1.5 V和90%CO2+10%N2的气氛下,电池经电还原后的电解电流密度高达2.23 Acm-2,而经氢气还原后仅有1.75A·cm-2。SOCs的实际应用要求电池具有足够高的机械强度。本论文第六章探索了强化支撑电极机械强度的新方法,即在相转化法制备的坯体孔道中灌注石蜡,然后采用温等静压法压实。经该方法处理得到的NiO-YSZ支撑电极,机械强度为80.4 Mpa,显著高于未处理的电极（58.3 Mpa）。需要指出的是,经强化处理的支撑电极,其直孔结构仍然得到保留,故以其为支撑体的电池仍显示出很好的电化学性能。在750℃和氢燃料测试条件下,电池的最大功率密度高达1050 mW·cm-2。第七章总结了全文工作,并对未来的研究作了展望。