固体氧化物燃料电池（SOFC）可直接采用固体碳为燃料,即直接碳固体氧化物燃料电池（DC-SOFC）,它是一种洁净煤技术,也是一种高效利用生物质能源的潜在技术。DC-SOFC的工作原理是:在高温下（800℃）,阳极上发生CO的电化学氧化反应,生成的CO2扩散到碳燃料上发生逆向Boudouard反应,生成更多的CO。DC-SOFC直接使用固体碳为燃料,实现了真正意义上电池结构全固态化,更具安全性和可靠性。针对DC-SOFC,已有很多前期研究工作,但仍缺乏对其动力学机理的认识,而且,多数研究都是基于有效面积很小的扣式电池和短管电池。为深入了解影响DC-SOFC动力学过程的因素,推进DC-SOFC技术向实际应用的转化,本论文研究了DC-SOFC阳极反应中气体的流出对电池性能的影响;探讨了直接使用生物质燃料的可行性;研制和测试了输出功率大于10 W的无密封DC-SOFC电池组;最后设计了可实现多片电池串联和组装的电堆装置。针对DC-SOFC阳极室中的CO可能扩散到阳极发生电化学氧化反应、也可能直接从电池中通过排气口排出的现象,研究了气阻大小对DC-SOFC性能的影响,使用了不同排气口大小的石英管（阳极室）封接电池并测试比较了其性能。结果表明,小排气口石英管封接的电池的极化阻抗更低,输出功率密度更高。对相应的过程进行了理论计算,印证了实验结果,即通过减小电池排气口的面积来增大CO逸出的气阻,可使更多的CO参与到阳极的电化学氧化反应中,从而提高电池性能。为拓展DC-SOFC的应用,研究了直接采用生物质燃料的电池性能。采用富碳的洋紫荆树枝木屑粉为燃料测试SOFC,电池在850℃的最大功率密度为328 mW·cm-2,明显高于以负载5 wt.%Fe的活性炭为燃料的电池。为了研究生物质的原位碳化情况,模拟电池的升温过程采集了不同温度下的固体产物和气体产物,利用TGA、SEM、EDX、XRD、Raman、FTIR和GC等手段表征了其组成和理化性质。结果表明固体产物碳化不完全,石墨化程度低,含有缺陷多,能够提供许多新鲜形成的反应活性位点;固体产物中含有部分含氧官能团,有利于反应的活性;还含有大量天然分布的Ca元素和少量K、Mg元素,它们能够催化Boudouard反应;H2、CH4等小分子燃料气也参与了电化学反应,进一步提高了电池性能。为推进DC-SOFC的应用,研发了一种紧凑型DC-SOFC电池组,该电池组由多节印制在100 mm×100 mm电解质片的单电池组成。无需密封,直接将电池片覆盖在一个装满固体富碳燃料的容器上,稍以固定,即形成一个小型电堆。用活性炭和洋紫荆树枝木屑粉作为燃料测试了12节串联的电池组,800℃时,前者的输出功率达到10 W,并且在1.5 A恒电流下放电时,输出能量为29 W·h,相当于碳的能量密度～2000 W·h·kg-1;而后者输出功率则达到了13 W。这项工作表明了将DC-SOFC开发成使用现成富碳燃料的小型发电机的可行性,还显示了这项技术用于清洁高效的煤炭发电技术的前景。最后,为了进一步扩大DC-SOFC电堆的规模,设计了可实现多片电池组固定、串联和燃料盛放的电堆装置,测试了两片串联的电堆。其在800℃时开路电压约15 V,最大功率15 W。改进装置后测试了四片串联的电堆,开路电压得到明显提升。该系统的研发为分布式发电、便携式电源的实际应用提供了实验基础和参考。以上研究工作的开展,为DC-SOFC技术向实际应用转化提供了新思路以及重要的理论和实验基础,推动了该技术在分布式发电、便携式电源领域的发展。