能源利用的清洁无污染与高效率是发电系统以及能源行业发展的大势所趋,同时也是热力学研究的方向之一。基于能量的梯级利用原则,首先提出了采用低品位热（例如太阳能）进行甲醇重整制氢并作为固体氧化物燃料电池燃料的新型联产系统,提升太阳能品位的同时增加了燃料化学能,并且重整产物在电池内可直接实现化学能向电能的转化,提高了能源综合利用效率。本论文主要针对采用环境压力下吸热燃气轮机循环、燃气-蒸汽联合循环以及湿空气透平循环回收固体氧化物燃料电池高温余热的系统,通过建模、仿真对系统进行模拟计算,对系统方案的热力特性进行了分析研究。具体完成的主要工作如下:首先,针对甲醇吸收太阳能重整制氢为燃料的固体氧化物燃料电池系统建立了热力学模型。中低温太阳能驱动甲醇热分解反应,将太阳能转化为富氢燃料（H2、CO）的化学能,产生的太阳能燃料用于驱动SOFC燃料电池进行发电,实现了太阳能及甲醇燃料的髙效发电利用。通过对燃料重整、电池电流密度以及电池电压建立模型、模拟计算,详细研究了燃料流量、电池运行压力和电池运行温度等参数对系统性能的影响,分析了太阳能利用效率的变化规律。研究发现,电池发电功率随电池运行压力的增加而增加,随运行温度的增加也增加;而系统发电效率随电池运行压力的增加而降低,随运行温度的增加而提高。然后,基于电池常压运行成本低,运行难度小,更容易实现应用的特点,为了实现常压运行时电池高温排气的回收利用,采用环境压力下吸热燃气轮机作为底循环,提高了系统发电效率。将燃料电池与传统动力循环结合,形成的化学-电化学-热力复合系统具有能量转换过程清洁、转换效率高的特点,实现了太阳能高效利用和常压运行时电池余热回收的双重效益。设计工况下,引入环境压力下吸热燃气轮机后,系统的总发电功率增加了91.96k W,对应的发电效率提高了24.85个百分点。进而,基于电池在加压运行时可以获得更好的系统性能,采用发电效率较高的燃气-蒸汽联合循环对SOFC余热及未反应燃料进行回收,实现动力余热的高效梯级利用,进一步提升了系统的发电效率及能源利用率。同时,采用湿空气透平循环回收电池高温排气余热,在不增加蒸汽轮机的基础上提高燃气轮机功率,提高了系统性能。在此基础上,对三种联产系统的性能进行了对比研究。相比于传统发电系统,固体氧化物燃料电池联产系统的总发电效率有较大提高。设计工况下,采用环境压力下吸热燃机循环、燃气-蒸汽联合循环和湿空气透平循环作为底循环的联产系统总发电效率分别为58.15%、63.44%和59.74%。最后,设计并测试了以甲醇重整制氢为燃料的固体氧化物燃料电池实验系统,甲醇重整产物的测试结果与软件模拟的理论计算结果高度吻合。从原理上验证了甲醇重整式固体氧化物燃料电池设备用于实际生产的可行性,得到了系统发电性能随燃料利用率的变化规律。针对15片单电池的系统,当燃料利用率达到0.802时,SOFC的发电效率可以达到46.24%的最佳值。