提高能源转化效率，降低燃料使用过程中造成的环境污染是全世界各国可持续发展道路中共同面临的严峻问题。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效能源转换装置，同时具备较高的能源转换效率和较低的污染物排放双重优点。截至目前，SOFC已有100多年的发展历史，但是一直没有得到大规模的商业应用，其根本原因之一在于其固有的三部件结构，缺乏创新性的技术突破，单部件燃料电池(SLFC)从这些方面取得根本性突破，是一种新型能源转换装置。然而，与SOFC的发展进展相比较，SLFC发展还处于初级阶段。SLFC的实用化进程仍有许多工作亟待开展，降低材料的成本和简化电池制备步骤是非常重要的一方面，同时单电池制造工艺的改进、电池整体性能的优化提高和深入探索其反应机理等工作均迫切需要开展起来。目前，SLFC有关研究日趋活跃，其应用前景良好。探索SLFC的反应机理，寻找成本较低同时具有高性能的单部件燃料电池材料，对SLFC的发展具有重要意义。因此，本论文的研究主要围绕SLFC的材料制备、电化学性能以及与传统SOFC不同的电化学工作机理等方面展开研究。　　第一章简要介绍传统SOFC及新型能源转换装置SLFC的发展背景，工作原理和研究进展。从材料的开发和选择等方面介绍了SLFC的发展历史，着重阐述了SLFC的制备工艺、材料研制、电化学特性及研究发展。　　第二章介绍了论文中实验过程、材料制备方法、性能表征及测试手段。　　第三章研究了扩大尺寸的对称电极低温固体氧化物燃料电池(6cm×6cm×1mm，有效反应面积25 cm2)。制备了新型电解质材料Mg0.4Zn0.6O/Ce0.8Sm0.2O2-δ(MZSDC)和与之兼容的复合物电极材料Li0.3Ni0.6Cu0.07Sr0.03O2-δ(LNCuS)-MZSDC，设计并开发了一种基于这种新型电解质材料的扩大尺寸的对称电极固体氧化物燃料电池。600℃下单电池的最大输出功率达到16.5W。　　第四章使用Li0.1Mg0.1Zn0.3O2-δ/Ce0.9Sm0.1O2-δ(LMZSDC)作为电解质材料，LNCuS作为对称的电极材料，制备了传统的SOFC。与此同时，用质量比为5.7∶4.3的LMZSDC与LNCuS制作了SLFC。研究发现传统的SOFC和由LMZSDC和LNCuS纳米材料制备的SLFC都表现较高的电化学性能，并且两者的优异程度不分伯仲;EIS结果表明在SOFC和SLFC中有不同的电化学反应过程。　　第五章研究了离子导体材料和半导体体材料的配比对SLFC材料的微观结构和电化学性能的影响。制备和表征了由离子导体材料Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和半导体材料LNCuS组成的SLFC。550℃下，SDC和LNCuS质量比为6∶4的SLFC展现出最大的功率密度（312mW·cm-2）。这项研究有助于我们更全面地了解SLFC中离子导电相和半导体导电相对电池整体性能的影响。　　第六章研究了不同半导体材料对SLFC单电池电化学性能的影响。使用SDC为离子导体材料，基于铜、钴、锰改性的LNO基复合材料为半导体材料，制备出三种SLFC单电池。结果表明，SDC-LNMnS的单电池表现出最大的输出功率密度(422mW·cm-2)，但是其材料本身的热稳定性较差;反之，SDC-LNCuS材料本身的热稳定性较好，但其最大输出功率反而最小，仅为331 mW·cm-2。　　第七章研究了扩大尺寸的SLFC的电化学性能及其长时间工作稳定性。用质量比为5.2∶4.8的LMZSDC与LNO制备了SLFC单电池。600℃下，单电池的最大功率可以达到12.8W（最大功率密度为512mW.cm-2）。此外，我们研究了600℃下单电池输出性能与工作时间的关系，结果表明，经过120小时的长时间运行后，单电池未观察到显著的电流密度和OCV下降现象。通过XPS曲线拟合分析，我们获得长时间工作前后电池材料中Ce3+/(Ce3++Ce4+)比例稳定的直接证据。　　第八章对本论文工作进行了总结，并提出了一些针对SLFC还值得深入研究的问题。