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固体氧化物燃料电池（SOFC）在中高温（600-1000℃）下,可以将燃料的化学能直接转换成电能,是一种高效的全固态能量转换装置。SOFC具有燃料灵活、使用非贵金属作为催化剂和发电效率高等优点。因此,SOFC在便携式电源、交通动力应用、分布式发电和热电联产等领域具有广阔的应用前景。然而,SOFC要实现从实验室尺度和示范运行到实际工业化应用的跨越式发展,迫切需要进一步提高SOFC电堆的电性能并保证其长期稳定运行。本论文拟通过连接体结构设计,电极微观结构优化和改变燃料重整方式设计电堆结构等提高SOFC电堆系统的电效率并同时降低电堆的退化速率,保证电堆长期高效稳定运行。主要研究工作和取得的主要结果与结论如下:（1）研究了多孔电极微观结构,多孔阳极上催化重整反应,电极功能层上电化学反应和SOFC电堆系统内的质量传递、动量传递、热量传递、电荷传递等传递过程的耦合规律,建立了高仿真的微/宏观多尺度多场全耦合SOFC电堆数值模型。首先,基于配位数和逾渗理论建立了多孔电极的微结构模型,并通过自定义函数建立了电极微观结构参数与有效电化学反应三相界面（TPB）面积、催化重整反应比表面积和电极有效电导率等有效宏观参数之间的量化关系。然后,探讨了多孔阳极上甲烷蒸汽重整涉及的化学反应及催化重整反应机理,以及通过反映传质影响的拓展Butler-Volmer方程来描述多孔电极上的电化学动力场。然后,建立了各传递过程的控制方程,并通过有效宏观参数和化学/电化学反应动力学方程定义了相关控制方程的源项。最后,给出了该数值模型的求解策略,为下一步连接体和电堆的结构设计,电极的微观结构优化和操作工况的合理选择等奠定了高效准确的数值基础。（2）设计了一种梁槽连接体（BSI）,该连接体由通道、肋、梁和槽构成。BSI可以显著降低传统直通道连接体（SCI）结构造成的SOFC电堆的额外电损失。实验结果表明:在相同的操作条件下,BSI-SOFC电堆比SCI-SOFC电堆的电性能更好。在650、700、750和800℃下,BSI-SOFC电堆的峰值功率密度分别比SCI-SOFC电堆的提高了 12.4%,24.3%,33.0%和28.5%。此外,BSI-SOFC电堆的燃料利用率高于SCI-SOFC电堆的燃料利用率。通过对SCI-SOFC电堆和BSI-SOFC电堆内部的速度场、涡量场、温度场、压降和浓度场等分布,以及电流密度、功率密度和各种极化过电势的比较表明:与SCI相比,BSI促使气体在通道中曲折流动,使气体沿垂直于气体通道的方向流动,显著提高了气体在电极TPB上的流速和涡量,强化了气体在SOFC多孔电极中的扩散。BSI使H2在多孔阳极中分布更加均匀,可以将充足的O2扩散到阳极支撑SOFC电堆的阴极TPB上（无论是通道下方还是肋下方）,消除了无氧区,为阴极电化学反应提供了充足的O2。此外,BSI增加了多孔电极与连接体之间的电荷传递通道,同时缩短了电荷在多孔电极中的传递路径,几乎消除了连接体-电极界面接触电阻对SOFC电堆性能的不利影响。最终,BSI显著降低了 SOFC电堆的活化、浓差和接触等各种过电势,提高了电堆的电性能。（3）在800℃,不同燃料组分下对SOFC长期运行期间Ni和Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）复合阳极微观结构形貌演化进行了实验研究。通过对每隔100h获得的多孔阳极的SEM和EDS图像进行分割和定量分析得出:随运行时间Ni颗粒平均直径逐渐增大,尤其蒸汽组分的增多会加速Ni颗粒的粗化。YSZ颗粒尺寸和孔径在整个试验期间几乎保持不变。此外,在多孔阳极中,Ni、YSZ和孔的体积分数随时间略有波动,但变化较小。因此,在研究随运行时间阳极微观结构形貌变化时只考虑Ni颗粒随时间的变化。本文将工作电流导入工业重整制氢的Ni颗粒烧结模型,构建了拓展的Ni颗粒粗化模型,并通过实验数据验证了模型的准确性。拓展模型可以定量评价不同操作条件（如:工作温度,工作电流密度和蒸汽湿度等）和阳极微观结构（如:初始颗粒尺寸,电极各相体积分数等）对Ni颗粒粗化的影响,适用于H2/H2O/N2等三元气体或CH4/H2O/H2/CO/CO2/N2等多组分气体。通过将拓展的Ni颗粒粗化模型和微/宏观多尺度多场全耦合SOFC电堆数值模型相结合,定量描述了 Ni颗粒粗化造成的阳极有效TPB面积和Ni颗粒的有效电导率随运行时间的变化规律。分析了不同工作温度、甲烷蒸汽水碳比、工作电流密度等操作条件下Ni颗粒粗化对SOFC电堆长期运行的影响,通过优化多孔阳极微观结构参数,提高了 SOFC电堆的电性能并降低了其长期运行期间的退化速率。（4）设计了一种以20%Ni/20%MgO/Ni泡沫作为催化剂的甲烷蒸汽重整器,基于Langmuir理论建立了该催化剂的甲烷蒸汽重整本征动力学模型,并通过实验和气体成分定量分析确定了动力学模型参数。通过将重整器与SOFC单电堆组合构建了间接内部重整（IIR）-SOFC电堆系统。在不同的工作温度、入口燃料-空气流量和S/C等操作条件下对IIR-SOFC电堆和直接内部重整（DIR）-SOFC电堆进行了实验研究,结果表明两种电堆的电流密度和功率密度几乎相同。通过数值模拟研究发现:对于DIR-SOFC电堆,甲烷重整反应主要发生在靠近燃料入口的多孔阳极上;而IIR-SOFC电堆,强吸热的甲烷蒸汽重整反应在重整器中完成,SOFC上重整反应速率为0,因此,IIR在确保不影响电堆电性能的情况下,有效避免了 CH4在SOFC阳极上直接内部重整过程中副反应导致的阳极积碳失效。Ni泡沫具有优良的强化传热能力,重整器与电堆紧密接触,实现了热量从SOFC电堆到重整器的高效传递。比较DIR-SOFC电堆和IIR-SOFC电堆的温度场和温度梯度分布可以发现:IIR降低了电池上的温度梯度,使温度分布更加均匀,显著提高了电池抗裂纹抗机械失效的能力。