燃料电池/燃气轮机混合系统具有高效、低排放、燃料多样性等优点,是未来发电技术最重要发展方向之一。由于混合系统本身固有的非线性、多变量、强热力耦合的高度复杂性以及运行过程中的不确定性,导致其变工况运行时会面临诸多严重的运行问题,如混合系统运行的安全性、生物质燃料适应性、高含湿量工质对混合系统运行的影响、燃料余能高效利用等关键问题。这些问题的研究以及有效解决,不仅对混合动力系统从理论研究到实际应用具有重要的推动作用,还可以为我国开展混合系统相关领域的应用研究提供必要的技术储备和运行经验。本文针对以上问题,从理论和实验的角度开展了研究,取得如下几方面的进展:首先,建立了完整的SOFC/GT混合动力系统数学模型。基于混合系统集成原理和匹配关系,设计了顶层循环模式的SOFC/GT混合系统结构流程图;根据各个部件工作特性所基于的质量、能量等守恒方程,考虑各部件的压力损失、热力损失,按照所设计的混合系统拓扑结构,建立了以生物质气化气为燃料的SOFC/GT混合动力系统数学模型。该模型中的燃料电池电化学参数选取来源于实验数据,燃气轮机的数学模型通过了实验验证,其他部件的数学模型来源于成熟模型。在MATLAB/Simulink仿真平台上,通过选取合适的设计参数,进行仿真分析,结果表明:所设计的混合系统输出功率为182.40 k W,发电效率为60.78%,性能参数满足设计要求,这对中小型混合动力发电系统的设计具有重要的指导意义。其次,研究了SOFC/GT混合动力系统运行安全问题,确定了安全运行区域。针对每一个部件的运行安全性受到工作特性(电化学、动力学、热力学等特性)和关键参数的制约,研究和分析了不同运行参数对燃料电池工作温度、电池内部最大允许温度梯度、压气机喘振和阻塞等安全因素的影响,确定了各个部件和系统在额定工况、额定转速以及大范围变工况运行时的安全运行区域图。结果表明:燃空比对系统安全运行性能的影响最大,转速次之,水碳比最小。大范围变工况运行时,会出现两个能量不平衡运行区。转速减少,系统运行的安全因素影响程度由碳沉积逐渐转化为透平和电池超温。在安全运行区域内,系统输出功率和负荷调节范围均随转速减少而减少,但发电效率增加,最高值为63.43%。再次,研究了SOFC/GT混合动力系统运行中生物质燃料的适应性问题,得到了燃料种类和运行方式之间的优选规律。利用所建立的SOFC/GT混合系统数学模型,研究了生物质气组分变化(H2,CH4,CO)对混合系统运行性能以及各个部件运行特性的影响,研究了三种不同运行方式下,生物质燃料种类的变化对各个部件工作特性、对系统负荷特性的影响。根据用户负荷变化要求,研究了燃料种类、负荷性能与运行方式之间的耦合关系,得到了燃料种类与运行方式之间的普遍适用性规律。结果表明:生物质气中H2百分比变化引起的系统性能变化幅度最大,CO和CH4相近,适当的降低CH4百分比或者提高的H2百分比均有利于系统发电性能的提高。在三种运行方式下,四种生物质气均可使混合系统的最大发电效率高于59%。高热值(类似木片气和葡萄籽气)燃料,若使系统具有高效率(62.73%)和较宽的负荷调节范围,可选Case B运行方式,但在低负荷或高负荷运行时应注意透平或重整器的安全问题;若使系统具有高效率、低负荷运行特性,可选用Case A。低热值(类似棉柴气和玉米秸秆气)燃料,若使系统具有安全性好、低负荷运行特性,可选用Case C。然后,研究了工质含湿量对混合系统运行特性的影响,获得了部件和系统运行特性随含湿量的变化规律。针对重整制H2过程中加入水蒸气,引起系统运行工质的湿度发生变化,进而会导致系统发电性能和各个关键部件的运行特性产生变化,研究了工质含湿量对电池电压、内部极化损失、工作参数以及发电效率的影响,分析了重整平衡体系中K1、K2以及S/Cbv随含湿量的变化关系,采用Langmuir–Hinshelwood反应机理研究了水蒸气对CH4催化燃烧反应抑制的原理,利用工程计算方法对透平入口湿燃气的物性参数进行了计算,比较分析了工质含湿量对混合系统输出功率、发电效率、安全运行性的影响。结果表明:水蒸气增加使电池性能下降,但电池运行参数仍在要求范围内。当含湿量变化范围为0.04~0.38时,重整器易发生积碳。水蒸气会和CH4在催化剂表面的活性空位形成竞争关系,对催化燃烧起到抑制作用。水蒸气量的增加使混合系统的输出功率和发电效率均呈现不同程度的下降。最后,实验研究了催化燃烧技术,实现了对电池尾气有效成分的充分利用,对混合系统高效运行特性进行了部分实验验证。根据实验目的,搭建了催化燃烧实验台,通过配制不同比例的合成气和生物质气,针对水蒸气对催化燃烧反应影响进行实验研究,完成了水蒸气对催化燃烧影响理论的验证,同时还验证了混合系统高效运行的可行性。实验研究表明:以玉米秸秆为燃料的电池尾气,当温度为580o C,电池尾气中的CO、H2和CH4可以完全转化。验证了在理论研究中(电池尾气温度为744 o C)电池尾气在催化燃烧室中完全反应的假设,经过催化燃烧室之后排气温度上升了近170 o C,满足了涡轮高温膨胀做功的要求。