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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种环境友好，高效的发电装置得到了人们的极大关注。氢气是SOFC的理想燃料，但是制备成本高，运输困难等问题限制了它的应用。固体碳由于其来源广泛，成本低廉而成为研究热点之一。直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)采用全固态结构，其理论容量达到8917mAh g-1，理论转化效率高达100％。本文利用实验室制备的管式SOFC结合具有CO2渗透能力的陶瓷膜片，开发了一种中高温碳空气电池。该电池作为一种高储能密度电池，具有客观发展前景，从而促进SOFC的商业化应用。 本论文采用了一种新颖的办法合成了一种致密双相膜SDC-(Li/Na/K)2CO3。我们系统地研究了Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)粉体的稳定性，膜片形貌以及高温下膜片的CO2渗透性能。通过XRD，TG表征发现，高温环境下，SDC粉体在空气中或者CO2气氛下稳定性良好，并且SDC与碳酸盐之间没有发生相反应产生新相。从SEM形貌上发现，SDC基片微观下结构规则均匀，并且对熔融碳酸盐有较好的浸润性，SDC-(Li/Na/K)2CO3膜片致密度良好，并且其SDC相与熔融碳酸盐相充分接触。EDX分析结果也证明熔融碳酸盐浸入良好。SDC-(Li/Na/K)2CO3膜片的渗透通量随着温度的升高而增大，在500℃时的CO2渗透通量约为0.11mLmin-1cm-2，700℃时渗透通量升至1.50mLmin-1cm-2;膜片的性能主要受制因素为SDC相中氧离子电导率，而氧离子电导率随温度增加而上升，假定膜片的通量只受限于基片的电导率，与其呈线性关系，可以推算出该膜片在750℃时通量增加到1.79mLmin-1cm-2，850℃增加到2.44mLmin-1cm-2，其性能较同类膜片有很大提升。 基于前一章的研究，我们设计并制备出一种集成SDC-(Li/Na/K)2CO3膜片的管式SOFC，称之为碳空气电池。我们系统研究了电池的形貌，采用不同固体碳燃料时电池的性能，串联电堆的稳定性。SEM表征显示两电极层微观结构疏松多孔且与电解质层衔接紧密，YSZ电解质层微观结构致密，电解质层厚度约为12μm，电池使用H2作燃料气，阴极分别为La1-xSrxMnO3(LSM)-(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92(YSZ)及Ba0.95La0.05FeO3-δ(BLF)时，这两种电池的开路电压值(OCVs)在650-850℃均在1.1-1.15V之间，进一步证明了电池结构完好。使用化学浸渍法向四种固体碳燃料担载FemOn-MxO(M=Li,Na，K)系催化剂。使用活性炭(1824.9m2g-1)作燃料，850℃下电池的开路电压达到了1.06V，最高功率密度达到了279.3mWcm-2。分别测试使用活性炭(1824.9m2g-1)、活性炭(1201.6m2g-1)、活性炭(920.7m2g-1)和石墨(5.7m2g-1)的碳空气电池，850℃下电池的开路电压分别为1.06，0.92，0.85，0.82V，最大功率密度分别为279.3，229.6，168.6，142.1mWcm-2，说明碳空气电池采用的碳粉比表面积越大，它的性能也会越好。将两根碳空气单电池串联组成小型电池堆，活性炭(1824.9m2g-1)作为电池堆的燃料，825℃的时候电堆的开路电压达到了2.12V，电堆在300mA恒电流下稳定工作约2h。