直接碳燃料电池(DCFC)是一种高效、清洁的新技术，在节能和环保方面具有很大应用前景。直接碳燃料电池通过电化学过程将储存在碳中的化学能直接转化为电能，具有燃料容易运输和储存、理论热力学转化效率高(100％)和燃料来源广等特点。本文以熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构特点为基础，设计并建立了新型的直接碳燃料电池单电池。　　 本文从电池材料的选择与制备着手，以草酸共沉淀法制备的Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)作为主相，二元混合碳酸盐作为分散相，制成SDC-二元碳酸盐复合电解质。采用锂化氧化镍作为阴极材料主体，与复合电解质混合制备了复合阴极。其中，复合电解质中的SDC呈现良好的立方萤石结构，均匀分散并由无定形态的熔融碳酸盐相包裹。锂化氧化镍与复合电解质之间无化学反应发生，形成多孔阴极。碳材料与二元混合碳酸盐混合后制备阳极浆料，这有利于阳极的传质与提高反应面积。采用简单易操作的共压-共烧工艺制备电池片，将其放入特制的电池反应器装置中获得直接碳燃料电池单电池。　　 考察了碳燃料材料、工作温度、阴极气体、以及二元碳酸盐体系组成对直接碳燃料电池单电池放电性能的影响。结果表明，石墨化程度低，比表面积大的椰壳制活性炭(AC)具有很好的电化学反应活性，700℃是较为适宜的工作温度，摩尔比为2:1的CO2/O2混合气体表现出良好的电池性能，采用SDC-二元Li/Na碳酸盐复合电解质获得了稳定的1.04 V的开路电压，以及100 mW cm-2的最大功率输出。基于实验结果，提出了直接碳燃料电池电解质中的二元离子传导模型，并针对反应器结构与操作条件，讨论并研究了阳极电化学反应机理。