在不可再生资源锐减、生态环境恶化的现状下,能源多样化的研究已将燃料电池这种高效、环保的产能模式推到了可再生能源研究的前沿,其中作为燃料来源多、转化效率高、容量范围宽、环境更友好的固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是最具商业化发展潜力的能源之一。SOFC系统正常运转需要800-1000℃甚至更高的内部环境温度,电堆内高温、高速率的化学反应过程给系统在材料加工、结构设计、过程控制等方面开展研究带来了诸多困难。全封闭的工作环境使得过程参数难以实测获取,直接影响了对其电特性、热管理、稳定度的分析与研究。目前,以数值模拟与仿真分析为主、实验测试与参数拟合为辅的低成本、高效率的研究方法,仍然是加速SOFC本体及其发电系统技术发展的最有效手段。为了了解SOFC微观状态下的稳态性能以及关键参数的分布情况,研究中首先对板式结构SOFC单体建立了多物理场耦合模型,进行数值模拟与性能分析,在此基础上又对电池电堆展开了动态特性的分析与建模,采用时间尺度分析的方法简化模型。在控制方法研究过程中,首先对电堆的机理模型进行简化并建立了用于温度控制的非线性模型,开展温度控制策略的研究；其次对包含内部燃料重整环节和尾气循环利用的SOFC发电系统提出了模型预测控制的控制策略。论文的主要工作体现在：1.在对SOFC工作原理与特性开展电化学、热力学理论推导的基础上,为SOFC单电池建立了多物理场耦合模型并进行了稳态性能的分析。建模过程中,充分考虑了电池内部多种影响传热传质的因素,对不同物理域尺度下的基于流体力学、电化学、热力学的守恒方程采用设定模型边界耦合条件的方式进行了综合建模。该方法解决了由于模型属性差别、量级不同而无法匹配的问题,最终建立了稳态工作点下电池单体的三维仿真模型,能够采用3D图像的形式描述单电池极板、电解质层内部燃料与氧化剂的气体质量、流量、压力和电势、电流的分布状况。通过对不同工况下的仿真结果进行分析与比较,获得更全面的SOFC单体稳态性能描述。2.在数值模拟工作的基础上,结合实验测试获得的暂态性能分析结果围绕电池电堆的集总动态建模方法展开了研究。首先将电堆内部的动态行为等效为阻性、容性、感性元件在电路中带来的影响,重点考虑了电容性元素在燃料电池建模过程中的识别与数学表述。接下来引入了时间尺度分析的方法,将动态行为表述形式予以分类,或为常值,或为函数形式,使得最终得到的模型能够充分表征电池电堆内这些潜在的阻性、容性和感性元件在工作过程中参数的变化、反应速率的变化、耦合参数的调整等瞬态行为,为接下来控制方法的研究提供准确有效的数学模型。3.分析了引起电堆内部温度变化的参变量间直接或间接的影响关系,针对之前搭建的系统模型本身具有强非线性、单一控制策略无法达到控制目标等问题,结合控制系统设计的需要,将电堆的温度模型与NARIMAX模型进行联合,得到了包含电堆温度和输出电压的辨识模型。分别采用常规广义预测控制方法和改进型广义预测控制方法对入口气体流量、组分和温度进行实时控制,改进中采用了基于最小二乘原理的Levenberg-Marquardt算法作为参数预测优化的方法。通过对两种控制效果的比较,提出的算法降低了计算过程陷入局部极小值的可能性,并且使系统对由负载电流变化引起的扰动具有迅速、有效的抑制作用。4.为了使SOFC电堆对多种燃料具有更好的适用性,在之前的电堆模型基础上加入了燃料重整环节和尾气循环燃烧室两个重要的辅助部件,将之前建立的SIMULINK仿真模型扩展为可采用CH4、CO、H2、N2等多成分混合气体燃料的模型并以非线性状态空间方程的方式予以表述。针对扩展后的系统分别采用基于白适应UKF参数估计的非线性模型预测控制与鲁棒模型预测控制方法,从直接能量最大化、损耗能量最小化的角度提出控制的优化目标和约束条件。提出的控制方案在处理SOFC系统的控制目标值与边界约束发生冲突时能够表现稳定,当目标与约束条件发生冲突时,能迅速得出最接近于目标的控制输入的次优值。本课题的研究工作对于推进SOFC电堆及其集成系统在材料制备、结构设计、能效分析、控制策略方面的研究具有理论应用和实践指导的意义,为进一步研究和设计SOFC-GT系统的控制方案、系统故障诊断等方面的研究奠定了基础。