由于能源需求的增加和环境问题的日益严峻,可再生能源发电技术和二氧化碳捕集、储存和利用（CCU）技术受到世界各国的重视。可再生能源发电并网难的问题使得能源储存成为研究热点。固体氧化物电解池（SOEC）能够高效地将可再生能源发电电能转换为化学能进行储存,同时,能将二氧化碳转化为一氧化碳从而实现二氧化碳的碳中性循环利用。因此,对于SOEC进行性能优化研究具有十分重要的意义。本文建立固体氧化物电解池共电解水和二氧化碳的三维仿真模型,模型详细考虑了电解池中复杂的电化学反应、化学反应及传热传质等过程。通过模型仿真结果与实验数据对比验证确保了模型可靠性。基于本模型,详细研究了电解池操作参数、结构组成对电解池性能的影响,除此之外,针对不同流场结构对电解池内物理场参数分布、电流密度分布等进行了分析。首先,针对操作参数对SOEC性能的影响进行了分析。研究结果表明:与常压操作相比,操作压力高于8 atm时能降低电解电压。在压力为3 atm左右时,甲烷化反应被激活,显著降低了SOEC的热中性电压（TNV）和电解效率。提高进气中CO₂含量和降低进气利用率能提高电解效率,但CO₂含量越高,电解电压越高。相比于进气同向流动,阴阳极进气逆流在大电流密度下能显著降低电解电压。其次,对SOEC的结构组成进行优化分析。结果显示,阳极侧加入阳极扩散层（AGDL）能显著改善氧气吹扫过程,显著降低能斯特电压和欧姆过电势。增加AGDL厚度可在一定程度上进一步改善SOEC性能。相比于传统流场,泡沫流场结构的SOEC气体分布和温度分布更均匀,从而显著降低SOEC电解电压并提高电解效率。最后,以单电池为基础,对传统流场和泡沫流场结构进行了优化设计。相对于蛇形流场,平行流场压降最低。由于多通道平行流场和平行蛇形流场存在流道间物质补给,多孔电极中浓度梯度较大。相对而言,多通道蛇形流场物质分布和化学反应速率最均匀,从而使得其阴极活化损失最小,电解池性能更好。对于泡沫流场,两个入口SOEC物理场参数和电解反应速率分布更均匀比一个入口的,电解池性能更好。相对于普通泡沫流场,空腔泡沫组合流场能使反应气体分配更均匀,从而显著降低电解电压。