化石能源的广泛使用,给人类社会带来便利的同时,也造成了能源危机和环境污染两大问题。开发更加清洁和高效的新型能源技术,成为解决上述问题的重要策略。固体氧化物燃料电池是一种清洁、高效、燃料选择灵活、低噪音的发电方式,被认为是最具前景的能源转换技术。其三个基本部件（阳极、电解质、阴极）中,电解质作为核心部件,由离子导体构成,用于传输离子完成电池反应。然而传统的电解质如Y₂O₃稳定的ZrO₂（YSZ）需要高温（800-1000°C）才能达到理想的电导率,但由于高温操作会使电池的各个部件之间的化学和热力学不匹配问题加剧,这严重限制了电池部件的选材范围,导致了较高的器件制作成本,也就不能把它用于商业化推广。为了突破电解质限制、降低操作温度,瑞典皇家理工学院朱斌教授及团队,发明了“单部件燃料电池”。该电池仅有一个核心部件,由多功能纳米复合材料构成,具备混合离子电子传导功能。这种电池具有独特的构造和新颖的选材思路,它的操作温度可以降至300°C,性能可与传统结构的三部件燃料电池相媲美甚至更高,且工艺简单、成本低。然而,要进一步提升这种新型“单部件燃料电池”的性能,寻求新型高效材料用于制备电池部件成为切实可行的策略。本文围绕掺杂氧化铈（Doped CeO₂）电解质体系,对这类材料在单部件燃料电池中的应用展开了系统性研究。主要内容简述如下:（1）首先,由Sm、Ca共掺杂的CeO₂（SCDC）材料入手,将这种离子传导型电解质与一种半导体镍钴铝锂氧化物（NCAL）混合,作为一种新型纳米复合隔膜应用于单部件燃料电池中。与传统的基于纯离子型电解质SCDC的燃料电池相比,使用SCDC-NCAL半导体-离子混合传导型隔膜的燃料电池在550°C的功率密度显著增强,从415 mW/cm²提升至617 mW/cm²。实验方面,使用X射线衍射和扫描电镜对材料的物相结构和微观形貌进行了表征,还通过电化学阻抗谱分析了燃料电池运行中的各个电化学过程。结果表明,通过向离子型电解质中引入半导体,可增大材料的三相界面区,为燃料电池提供更多的活性反应位点,从而增强电池性能。此外,当离子导体与半导体材料以某种合适的组成比例混合时,复合材料具备增强的电导率,此时离子-电子电导率也达到平衡,这是实现燃料电池高性能的关键所在。（2）进一步使用一种Sm掺杂的CeO₂-Na₂CO₃（NSDC）复合材料与半导体NCAL进行混合,制成一种新型三相（氧离子、质子和电子）传导型隔膜,将其应用于单部件燃料电池中。使用X射线衍射、扫描电镜和热重分析等方法,对材料的晶体结构、形貌、化学成分和热稳定性进行了表征。当把这种复合隔膜材料中NSDC和NCAL的混合比例调整为6:4时,燃料电池表现出了最佳性能。这种混合了电子传导的复合隔膜没有引起短路问题,且器件达到了良好的开路电压,并获得了极为卓越的功率输出（1072mW/cm²,550°C）。进一步的电化学阻抗谱研究表明,这一复合材料具备较高的晶界导电性,采用这种材料作隔膜时,燃料电池的电极极化损失也较低,这些因素是实现器件高性能的关键。另外,还通过稳定性测试,进一步证实了这种新型隔膜材料在单部件燃料电池应用中的可靠性。结果表明,使用这种混合传导型隔膜的单部件燃料电池,在低温范围即可实现较高的电化学性能,极具商业化应用价值。本文的研究专注于CeO₂基电解质在单部件燃料电池中的实际应用。通过两相或多相复合手段,对单部件燃料电池的隔膜材料进行了系统性优化,着力提升器件性能。本研究以发展和优化新型功能半导体-离子材料为基础,对混合导电材料在燃料电池中的作用机制进行了深入探讨。CeO₂基电解质材料在该领域的成功应用,将为单部件燃料电池科学与技术的发展提供进一步的实验事实和理论支持,促进该行业的技术革新和商业化发展。