固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)具有高能量转换效率、高比功率和环境友好等优点,被视为解决能源短缺问题的重要新能源装置之一。然而,平板式固体氧化物燃料电池堆(SOFCs)面临最大化电池堆的功率输出、优化电池堆温度分布从而改善各部件的热应力等诸多挑战。为解决上述问题,本文开展了以下几个方面的研究,主要包括:建立了平板式阳极支撑SOFC的三维数学模型,通过耦合电化学动力学和流体动力学模拟了电池的传热传质等传输现象;采用有限容积法计算了质量、动量、组分与能量守恒方程,系统研究了同向流与反向流条件下电流密度、电压与功率密度分布。针对SOFC能量转换过程中的传热传质和电化学反应,建立相应的数学模型,研究了碳氢化合物气体作为燃料气的条件下重整反应和水气交换反应对SOFC性能参数的影响。采用FLUENT与外部子程序结合的方法,求解数学模型。分析对比了不同工作电压条件下电池温度、过电压、电流密度等电池性能参数。建立了SOFC电池堆的三维热流模型,该模型耦合电化学动力学与具有温度相关物性的流体动力学,揭示了电池堆内部的传热传质过程。基于空气与燃料气流动均匀性分析,采用大型商业CFD软件FLUENT与外部VC++子程序计算了不同工作条件下电池堆的温度与电流密度分布以及电压等性能参数。流场计算结果与文献中实验数据吻合较好。基于SOFC热流—电化学耦合模拟计算得到的温度场数据,采用ANSYS数值模拟了平板式阳极支撑SOFC电池堆单元的热力学性能。燃料与空气同向供气条件下,SOFC核心工作部件三合一电极PEN板(Positive/Electrolyte/Negative)中心区域位移较大,而PEN板螺栓周围出现应力集中。由于阳极较厚,PEN三合一电极中阴极结构局部弱化,PEN板中阴极等效热应力最大。PEN板的等效应力与位移随着空气供给速率或者工作电压的增加而减小,然而并非空气供给速率或者工作电压越大越好,实际选择空气供给速率或者工作电压时应综合考虑SOFC系统的功率输出与力学特性。