固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）系统因其符合清洁与可再生能源的要求而受到广泛关注。目前针对SOFC系统的模拟优化主要基于平衡态的热力学模型,并且对SOFC系统进行余热回收研究过程中未考虑多品位余热的梯级利用。为此,针对上述问题,本文开展基于电极微观反应动力学机理的严格动力学建模和SOFC系统多品位余热回收的研究。主要研究内容如下:（1）针对文献在对SOFC系统进行先进（火用）分析时,甲烷重整反应器的模拟采用热力学模型以及（火用）平衡公式中未考虑反应热的影响不足,提出了基于甲烷重整反应器动力学建模的SOFC,采用常规和先进（火用）分析方法分析了该系统的性能。常规（火用）分析的计算结果表明设备电堆（39.66 k W）的（火用）损最大,所以应优先改进设备电堆。先进（火用）分析在常规（火用）分析的基础上考虑了系统各设备之间的相互作用和技术限制,并得出了比常规（火用）分析更详细、可靠和全面的结果。结果表明,设备电堆具有第二大可避免内源（火用）损（19.86 k W）和正可避免外源（火用）损（2.81 k W）,这表明应该首先改进设备电堆。SOFC系统的实际改进潜力通过先进（火用）分析被量化:总（火用）损的48.39%是可避免的;87.50%的（火用）损是内源性,所以（火用）损主要与系统中的设备本身有关。常规（火用）和先进（火用）分析的结果均表明,在SOFC系统中,设备电堆均应优先进行改进。（2）针对目前SOFC系统的余热回收只考虑单一流股作为热源,未考虑多品位余热回收情况,提出了一种新型分布式能量系统SOFC-RC-KC（SOFC系统-朗肯循环-卡琳娜循环）,以回收SOFC系统的多品位余热,其中朗肯循环作为顶部循环回收中高温余热,卡琳娜循环作为底部循环回收低温余热。在求解过程中,以产功最大为优化目标,建立基于随机优化的拓展D-G模型,用于约束SOFC-RC-KC系统的热公用工程。在此条件下,采用遗传算法对SOFC、朗肯循环和卡琳娜循环的参数进行优化。在分步优化中,SOFC系统不需要热公用工程的约束,对SOFC系统的操作条件进行了优化。随后,对朗肯循环和卡琳娜循环产功进行优化。在同步优化中,以SOFC-RC-KC系统的热公用工程为限制条件,以SOFC-RC-KC全局系统产功最大为优化目标,同时对SOFC系统、朗肯循环和卡琳娜循环参数进行优化。结果表明,同步优化得到的朗肯循环、卡琳娜循环和SOFC的产功分别为170.1 k W、59.39 k W和145.0 k W,优于分步优化得到的朗肯循环、卡琳娜循环和SOFC的功率（146.32 k W、52.02 k W和146.9 k W）。最后,通过灵敏度分析,研究了关键参数（包括设备电堆温度、甲烷重整反应器温度和循环比）对热力学性能的影响。（3）针对目前SOFC系统建模时未考虑电极反应的微观动力学,而只能模拟化学反应达到最终平衡状态的不足,提出了一种SOFC系统严格动力学模型建模方法,旨在解决该领域以往研究的不足。本文提出的建模方法分别采用两个平推流反应器模拟设备电堆的阴极侧和阳极侧,考虑了阴极侧的微观反应机理,并将反应器的长度进行微分求解。然后,对平推流反应器的直径、长度和催化剂用量进行了灵敏度分析,研究了其对设备电堆及其出口气体组成的影响。在SOFC系统严格动力学模型的基础上,进行了余热回收设计与分析。结果表明,同步优化比分步优化产功增加了6.56%。