燃料电池技术作为一种典型的电化学发电装置,可将燃料化学能直接转化为电能且不受卡诺循环的影响,具有能量转化效率高、低污染、低排放的优势,非常切合当今世界资源与环境可持续发展的绿色发展需求。传统的固体氧化物燃料电池（SOFC）主要以氧离子型为主(O2--SOFC),其工作温度多在750℃至1000℃之间,该操作温度区域在带来高燃料适应性和低成本的同时也存在较严重的部件高温退化隐患。因此,将工作温度适当降低到中温区域（350-750oC）是SOFC技术的一个主要发展方向。近年来,新型陶瓷质子型燃料电池（PCFC）以其中温区域较高的质子传导能力而备受研究人员关注,被认为可较好平衡O2--SOFC和低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）的优势。因此如何尽可能高的提高PCFC在中温区域的工作性能和耐久性成为当前研究热点。然而相比传统O2--SOFC和PEMFC,PCFC内部同时存在电子、质子和氧离子传输等复杂的工作过程。因此,当前对PCFC的研究还主要聚焦于电解质与电极材料以及纽扣电池层面的实验、理论和数值分析研究,针对PCFC电堆层面的三维大尺度计算流体动力学（CFD）工程分析方面的研究还相对薄弱。为了选取适用于PCFC阴极的结构,本文第三章建立了U型与Z型气流路径的PCFC与O2--SOFC电堆,比较了两种气流路径作为PCFC和O2--SOFC阴极时内部空气流动情况与组分分布情况。在第四章中通过改变入口管径、入口/出口管径之比以及集管宽度来优化U型气流路径PCFC阴极内部的空气流动分布情况,通过改变肋道宽度以及电极厚度来优化组分分布情况。发现U型气流路径对于PCFC和O2--SOFC都是更好的电堆阴极结构,同时发现增大入口/出口管径比、入口管径、减少层数、增大集管宽度会提升气流路径与肋道间的空气分布均匀性,增加肋道宽度和电极厚度可以优化PCFC电堆阴极内的组分分布。在第五章中,本文建立了单层PCFC电池全模型,进行了多物理场耦合,并基于温度场计算了电池的热应变及等效应力。发现单层PCFC温度梯度并不大,热应变与温度呈线性关系。为优化PCFC电堆工作温度以及材料和结构强度做出了前瞻。