世界范围内对煤、石油、天然气等化石燃料高效、无污染利用的需求,使得能够直接使用碳氢燃料发电的清洁高效发电装置——固体氧化物燃料电池(简称SOFC)越来越受到人们的重视。多孔电极是固体氧化物燃料电池中非常重要的组成部分,其性能的优劣对固体氧化物燃料电池性能的提高起着关键作用。纳米复合电极作为一种新兴的多孔电极,由于具有跟电解质之间的力学匹配性高,极化损耗小等优点而倍受关注。尽管纳米复合电极实验方面的研究很多,理论研究却相对贫乏,这影响着人们对纳米复合电极内部反应机理的理解及对其微结构和材料组成的优化设计。科学合理的建立和发展纳米复合电极的有效性质理论,进而建立多物理场模型对纳米复合电极的相关性能进行对比和优化,对实验研究有非常重要的指导意义。本论文基于纳米复合电极的实际物理图像,在传统电极的有效性质理论的基础上,使用理论推导和多物理场模拟等方法,对具有纳米复合电极结构的固体氧化物燃料电池进行了有效性质理论研究和性能模拟优化工作,主要内容包括如下几个部分：在第一章中,我们首先介绍了燃料电池的发展概况,其次概述了多物理场模拟相关理论,对建模过程中需要用到的控制方程进行了简单介绍,进而简要介绍了纳米复合电极这种新兴多孔电极的发展背景,制作工艺,国内外研究现状以及优势所在,最后我们对理论模拟过程中常见的模拟技术和方法做了简要介绍。第二章从纳米复合电极的几何结构特殊性出发,引入了多孔电极是由匀质导电的等效球随机排布而成的假设,在已有的由硬球堆积传统电极电导率理论的基础上,提出和发展了纳米复合电极的有效电导率理论,给出了二元纳米复合电极电导率的解析表达式,同时基于三元纳米复合电极中核心骨架的离子传输和纳米小颗粒之间的离子传输形成两条并联的离子传输通路的物理图像,给出了三元纳米电极的等效离子电导率表达式,并跟相关的实验数据进行了比较验证。第三章利用有限厚度逾渗阈值的维度理论,对第二章电导率公式中的球壳层电导率进行修正,并用修正后的理论对纳米复合电极的一些特有的实验现象进行解释,还进一步讨论了层数因子对球壳层电导率的修正。该电导率理论的计算结果跟不同Ni的组分,不同温度和不同电极结构导致的电导率变化的实验数据符合的很好,进一步证明了我们理论的正确性。该理论的提出为纳米复合电极的优化设计奠定了基础。第四章发展了纳米复合电极中的电化学有效性质理论和气体传输有效性质理论,分别给出了有效三相线和有效气孔直径的解析表达式,并跟实验数据对比,验证了有效性质理论的准确性,我们还进一步建立了三元纳米电极的多物理场模型,对三元纳米电极的微结构参数和电极组分配比做了一系列的讨论和优化。第五章基于前面已经验证过的纳米复合电极有效性质理论,耦合电子传输,离子传输,电化学反应,气体传输等过程建立了不同结构电极对应的固体氧化物燃料单电池多物理场模型,该多物理场模型给出的Ⅰ-Ⅴ曲线跟实验符合的很好,验证了我们有效性质理论的准确性。对传统电极,单相浸渍纳米电极,双相浸渍纳米电极等不同结构电极的相关性质的比较,使我们对不同结构的多孔电极的优缺点有了进一步了解。第六章对本论文研究内容进行简单的总结。