随着全球人口不断增长、化石燃料日渐枯竭以及环境污染日益严重,人类对能源和环境问题日益关注,对可替代传统化石燃料等不可再生资源的新能源的有效开发与利用愈发重视。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种具有清洁、高效、低噪音等优点的21世纪绿色能源,它可将多种燃料的化学能直接转化成电能,是一种新型发电技术。在新能源的研究开发与实际应用领域,SOFC占据重要地位,是当前的研究热点。传统SOFC工作温度很高（800～1000℃）,由此高温引发了诸多问题,阻碍了SOFC的商业化进程,因此降低SOFC的操作温度势在必行。SOFC操作温度的低温化主要可通过探索低温下具有高离子电导率的电解质材料、减薄电解质层厚度和发展新的燃料电池构型来实现。本文针对发展低温SOFC,并兼顾实用性方面降低电池成本和简化制备工艺的目标,采取了组装新构型燃料电池——无电解质燃料电池（EFFC）或称为半导体-离子隔膜燃料电池（SIMFC）的方法,此方法不仅简化了电池制备工艺,降低了制作成本,还减小了电池电极/电解质界面的极化损失和电池在低操作温度下的阻抗损失（包含电解质和电极两部分）,从而获得了在低温下具有不错性能输出的电池,为低温SOFC的发展提供了一种新思路。在论文的第一章绪论中大致介绍了燃料电池的种类、特点及应用,概括介绍了SOFC的工作原理和关键材料（阳极、阴极和电解质）,此外,还对SOFC国内外发展现状,尤其是低温SOFC的研究与发展进行了介绍,确立了本文研究低温SOFC的方向,结合对EFFC（或SIMFC）的研究进展的介绍,进一步确立了本文的具体研究方向:基于新电池结构构型EFFC（或称SIMFC）开发具有优异电池性能的低温SOFC。论文的第二章概括介绍了文中所用到的实验药品、仪器,和表征粉末材料和块状电池时所用到的方法（XRD、XPS和SEM）。此外,还对新构型燃料电池EFFC的制备工艺和电池电化学性能测试所用的方法进行了详细介绍,建立了对EFFC比较全面的认知。鉴于Ce O₂基材料在中低温下具有较高离子电导率,是发展中低温SOFC极具潜力的电解质材料,本文采用钐掺杂氧化铈(Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ,SDC)作为EFFC中间半导体-离子复合电解质隔膜层的离子材料。此外,半导体材料采用的是具有良好催化活性,混合电子-离子导电性和化学、结构稳定性等特性的ABO₃型钙钛矿氧化物。将SDC与钙钛矿相材料均匀复合用作半导体-离子电解质隔膜,对组装的EFFC进行系统的研究。主要工作内容（第三、四、五章）如下:1.将共沉淀法合成的SDC与溶胶-凝胶法合成的La_0.7Sr_0.3Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ复合物（LSCr F’）均匀复合制得LSCr F’-SDC复合材料,并用其作电解质隔膜组装EFFC。通过测试EFFC在不同温度下的性能,发现该电池具有良好的低温操作可行性,在低温区间470℃到550℃内获得了553～1059 m W cm^-2的最大输出功率。此外,还研究了电解质隔膜中SDC和LSCr F’的重量比对EFFC性能的影响,发现当SDC:LSCr F’=6:4时达到了离子传导和电子传导的“平衡”,对应的EFFC获得了最优性能。相比于使用SDC作电解质隔膜的传统构型SOFC,使用LSCr F’-SDC复合电解质隔膜的EFFC,获得了更高的开路电压和更优的电池性能。结合阻抗谱测试分析,发现将LSCr F’合并到SDC电解质中形成的半导体-离子复合电解质隔膜降低了电极极化,增强了电导率,扩大了三相反应界面面积,从而加速了电池的电化学反应过程,提高了电池性能。2.将溶胶-凝胶法制得的半导体La_0.65Sr_0.3Ce_0.05Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ（CLSCr F）与离子导体SDC均匀复合,制得了低温下具有高离子电导率的CLSCr F-SDC半导体-离子复合电解质隔膜。通过系统地研究CLSCr F与SDC材料的晶体结构、化学兼容性、微观形貌和基于不同重量比复合隔膜的EFFC的电化学性能,发现将适量的半导体CLSCr F引入SDC离子隔膜可以提高电解质隔膜的离子电导率,降低电池的极化电阻,并加速阴极区的电极反应。基于3CLSCr F-7SDC隔膜的EFFC在550℃获得最优性能,其最大功率密度为837 m W cm^-2,且此隔膜的离子电导率达到0.15 S cm^-1,是SDC电解质隔膜离子电导率数值的将近2倍。通过伏安特性曲线的测试发现,CLSCr F-SDC电池具有物理结效应,可以防止电子从电池内部通过,可有效避免电池短路。此外,对EFFC进行了短时间稳定性测试,发现电池在550℃恒定电流密度为234 m A cm^-2下可稳定运行18小时。3.将用固相反应法合成的钙钛矿材料Sr Fe O_3-δ（SFO）与SDC复合,得到SFO-SDC用做EFFC的电解质隔膜。基于两Ni_0.8Co_0.15Al_0.05Li O_2-δ（NCAL）电极和SFO-SDC电解质隔膜的EFFC,通过调节隔膜中半导体与离子导体的重量比,发现基于3SFO-7SDC隔膜的电池在550℃下获得了最佳输出性能,开路电压1.08V,最大功率密度780 m W cm^-2。比相同温度下,基于两NCAL电极和SDC隔膜的电池性能高很多。通过对阻抗谱进行分析,发现用SFO-SDC替代SDC隔膜可扩展三相反应界面,并可提供更多的活性位点来加速燃料电池反应,从而提高电池性能。此外,研究还发现将SFO用作阴极材料替换原有的NCAL阴极,可进一步提高电池性能,获得更高的功率输出,907 m W cm^-2。通过对测试后电池横截面的微观形貌分析,发现SFO-SDC隔膜与两种电极材料NCAL和SFO之间均具有良好的热匹配性,这为电池获得良好输出性能提供了保证。综上所述,本论文通过采用新的燃料电池构型EFFC（或称SIMFC）极大地消除了SOFC传统离子电解质/电极界面的限制,促进了电子和离子在电解质隔膜/电极连接区域的转移,从而降低了电池的欧姆损耗。并且通过将钙钛矿材料并入离子电解质隔膜中,加速电极反应,降低了电池的极化损失,提高了电解质隔膜的离子电导率,达到了提高SOFC在低温下电化学性能的目的。为探索高性能低温SOFC提供了新思路,有望应用于SOFC的工业化生产中。