固体氧化物燃料电池（SOFC）能够利用包括甲烷在内的多种碳氢燃料。SOFC利用甲烷的主要途径包括甲烷干重整、甲烷湿重整以及甲烷部分氧化等。在SOFC运行时对其进行实时原位的监测有利于监控电池工况以及了解电池性能衰减机理,并指导调节SOFC工作发电工作条件提高电池性能与耐久性。然而,目前仍缺少对大面积SOFC单电池甲烷发电工作状态下的实时原位监测方法。因此,本文首先设计发明了大面积单电池阳极燃料通道实时多物理场监测方法,在长期甲烷干重整发电过程中研究了电池电化学性能及催化活性的衰减机理;以甲烷干重整发电的结论与成果为基础探索了SOFC利用氢烷发电的可行性、电化学性能、催化性能及衰减机理;针对前两部分单电池工作中发现的电池阳极Ni颗粒烧结现象,使用Ni图案电极研究了放电工作条件下Ni烧结迁移机理。论文各部分主要工作及相应的结论如下:（1）设计发明了一种实时原位检测SOFC阳极燃料通道内气体成分浓度及温度场分布的方法。并在超过1000 h的甲烷干重整发电电池中应用该方法,发现了阳极Ni-YSZ甲烷干重整催化活性从电池进气口部位开始沿燃料流向方向发生缓慢、局部、渐进的降低。催化活性的降低带来催化反应及电催化反应的发生区域变化,电池阳极热效应随之改变,反映为阳极温度变化。对工作后电池的阳极支撑层不同区域的形貌表征以及激光共聚焦Raman光谱分析,发现了积碳与Ni颗粒烧结沿燃料流向方向递减的分布。结合原位观测与事后分析讨论了SOFC长期甲烷干重整发电的性能衰减机理。（2）本部分探究了SOFC利用氢烷发电的可行性、电化学性能以及阳极对燃料的催化性能,并且同样通过对工作后电池的形貌表征与元素分析讨论了其衰减机理。逐渐降低燃料混合气体中CO2含量,最低达到了生物氢烷的成分水平,实现了CO2/CH4摩尔比小于2的情况下共计150 h稳定放电。该电池衰减行为与长期干重整放电电池类似,均由积碳与Ni颗粒烧结导致。与甲烷干重整相比,电池内部未出现大量积碳,但进气管与尾气管出现了明显积碳。此外电池进气口附近Ni颗粒烧结现象明显,中部及出气口区域未发现明显烧结现象。（3）利用图案电极纽扣电池,在简化后的测试环境下研究甲烷重整放电条件下Ni的烧结迁移行为。以H2放电过程作为对照首先确认了Ni膜孔洞的长大,之后对比了甲烷干重整与湿重整条件下Ni膜烧结迁移行为的差异,在此期间发现在电流及水蒸气作用下Ni膜脱离YSZ基底的现象,同时通过对比得知了甲烷湿重整的高水蒸气浓度对Ni烧结的促进作用更加显著,这一现象会限制SOFC长期甲烷湿重整发电的耐久性与稳定性。