固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC）能利用可再生能源电力将H₂O和CO₂一步高效转化为甲烷,同步实现CO₂资源化利用和可再生能源电力储存,促进可再生能源与天然气网络的深度融合。为推进SOEC直接合成甲烷在可再生能源与天然气融合的分布式能源系统中的应用,需要理解其内部的反应机理和反应传递耦合机制,以及系统中SOEC与其他部件的物质流和能量流传输原理。本文采用实验测试、动力学计算和数值模拟结合的研究方法开展SOEC合成CH₄反应特性和系统研究。首先,本文采用图案电极精确调控电化学活性界面,获得本征动力学数据,推断了H₂O和CO₂电解反应机理及其速率控制步骤,建立基元反应动力学模型阐释反应机理和中间产物的内在关联。研究表明,图案电极中SOEC可逆化运行下的反应速控步骤为生成OH^-（YSZ）以及消耗CO（Ni）的电荷转移反应,CO（Ni）的表面扩散对电化学反应速率的影响也不可忽略。SOEC单元的反应特性是电化学反应耦合化学反应以及电荷、质量和热量传递过程的综合结果。为阐明SOEC内部的反应传递耦合规律,本文开发加压管式SOEC反应器及其实验测试系统,建立多物理场动态热电模型。经过实验和数值模拟的迭代优化,通过热流设计和加压运行,实现了管式SOEC在4 bar下的稳定运行和CH₄定向调控,在-2 A下甲烷生成率可达39.5%;并通过反应传递过程的动态耦合操作,保证SOEC在可再生能源间歇性输入下的稳定、高效运行,为分布式能源系统中SOEC与其他部件的集成耦合提供基础数据、反应传递耦合机制和稳定运行准则。最后,本文构建可再生能源与天然气融合的分布式储能发电系统仿真平台,将SOEC共电解H₂O/CO₂反应器与系统中其他的能源部件集成耦合。研究显示,在SOEC通过电解和甲烷化反应原位耦合可强化系统能效,在8.15 bar下可实现81.3%的?效率,较两步式电制甲烷过程能效提升3%以上。在间歇性风电的融入下,通过精确设计风电发储比例,采用SOEC电制气联合锂离子电池储能,可在节约储能容量同时,提升系统能效、风电融合度和供电稳定性。