固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有高效、环保等优势近年来得到广泛关注,镍基阳极和高温操作使得以甲烷、甲醇、天然气等为燃料直接内部重整（DIR）成为可能。其中电化学性能、燃料利用率、发电效率和积碳是DIR-SOFC应用中遇到的关键问题,解决方法主要从运行工况、结构优化和电极材料制造等方面进行。论文主要采用实验测试和数值模拟等手段对以CH₄-H₂O为燃料的DIR-SOFC进行了相关研究,具体内容如下:（1）搭建了平板式DIR-SOFC实验测试装置,研究了操作温度、水碳比（S/C）、燃料流量、进气方式对以CH₄-H₂O为燃料的DIR-SOFC电化学性能、燃料利用率和发电效率的影响规律。（2）基于Maxwell-Stefan-Knudsen模型,对CH₄-H₂O重整后参加电化学反应的H₂在多孔阳极中的扩散行为进行研究,通过实验测试了以CH₄-H₂O为燃料的DIR-SOFC在不同操作温度下的极限电流密度和阳极出口气体组成,计算了H₂在多孔阳极中的有效扩散系数,并得到SOFC多孔阳极的曲折因子约为2.78。研究表明,燃料气体在多孔阳极中的有效扩散系数随温度升高而增大,阳极的微观结构参数限制着燃料气体的扩散行为,进而影响着SOFC的电化学性能。（3）利用COMSOL Multiphysics 5.3,结合实验所采用的电池材料、实验获得的微观参数和自行设计的连接体几何结构建立了多通道的三维数值模型,并通过实验验证了模型的有效性。模型耦合了质量、动量、能量、电荷守恒方程和CH₄-H₂O重整反应动力学,在多孔电极中的物质传递采用Maxwell-Stefan-Knudsen模型,并利用孔隙率和曲折因子对燃料气体在多孔阳极内的有效扩散系数进行了修正。对以CH₄-H₂O为燃料的DIR-SOFC的温度分布、浓度分布以及重整反应速率分布进行模拟,考察了操作温度、S/C和电流密度对DIR-SOFC的重整反应和热力学积碳的影响。结果表明,甲烷水蒸气重整（MSR）反应速率分布和CH₄浓度分布一致,入口处的MSR反应速率最大,沿电池长度方向逐渐减小;气体通道和肋板尺寸影响着物质传递和重整反应;热力学积碳最容易发生在燃料入口处,适当提高操作温度、S/C和电流密度都可以抑制积碳产生,电流密度为0.6 A/cm²时,操作温度高于750℃,S/C大于2.5时在阳极不会产生热力学积碳。