由于燃料电池具有天然的模块化属性,使得其能够很好地与分布式发电技术相结合。固体氧化物燃料电池（SOFC）和燃气轮机（GT）之间拥有良好的互补特性,由两者耦合而成的发电系统理论效率可达70%以上,并有望延长SOFC的使用寿命,进一步推动SOFC的商业化。因此,SOFC-GT耦合发电系统自提出以来得到了广泛的研究和关注,已成为SOFC领域内一个新的研究热点和前沿领域。SOFC燃料利用率和燃料重整过程是影响SOFC-GT耦合发电系统性能的两个重要因素。SOFC燃料利用率是指消耗于SOFC内部的燃料量在进入SOFC电池堆的燃料总量中所占的份额。在SOFC-GT耦合发电系统中,燃料利用率不仅影响着SOFC的发电效率、输出电压、功率密度以及性能衰减速率等方面,同时由于其直接决定了SOFC与GT之间的燃料分配情况,因此其对整个耦合系统的热管理策略和整体性能都有着至关重要的影响。燃料重整过程一方面直接影响着SOFC阳极入口燃料组分的变化,另一方面其强烈的吸热效应也对SOFC-GT耦合发电系统的配置结构和发电性能产生着重要影响。目前,在SOFC-GT耦合发电系统中燃料利用率的影响方面,已有研究表明该类型系统在相对较低的燃料利用率下依然可以维持较高的发电效率。但相对来说,在考虑低燃料利用率设计下的耦合系统研究工作较少。而在耦合系统中燃料重整过程的研究方面,关注于燃料内重整的研究工作较多,在研究燃料预重整份额对耦合系统性能影响方面的工作相对较少。同时,燃料利用率和燃料重整过程都可以影响和改变耦合系统中各子系统之间的能量分配情况。但是在综合考虑燃料利用率和燃料重整过程的影响,合理设计耦合系统的配置结构和运行方式以实现系统高效、安全、稳定运行方面的研究工作尚显不足。针对上述问题,文中深入开展了不同燃料利用率和燃料预重整份额对SOFC-GT耦合发电系统设计影响的分析研究,并着重探索了在低燃料利用率和燃料外重整的设计工况下保证较高系统发电效率的可行性。具体研究内容如下:1.在燃料自热热重整的系统配置方式下（外重整器与系统其他部件不存在热耦合关系）,分析了不同的燃料利用率（45-90%）下燃料预重整份额（外重整温度:600-1000 K）对SOFC-GT耦合发电系统性能的影响。系统分析结果显示,在燃料预重整份额从外重整（外重整温度:1000 K）向内重整（外重整温度:600 K）过渡的过程中,外重整由于无法有效的利用系统中的热量来支持重整反应,使得其系统发电效率普遍低于内重整。在低燃料利用率区间（45-65%）,内重整下的系统发电效率大约比外重整高出了10个百分点,但是这一优势在高燃料利用率下逐渐减少:在90%的燃料利用率下,内重整下的系统发电效率只比外重整高3个百分点。此外,在60%的燃料利用率和600 K的燃料外重整温度下,耦合发电系统的效率最高,可达74%;但是该设计工况下要求耦合系统工作在比较苛刻的条件下（SOFC阴极入口的空气温度需达到1150 K以上,燃气轮机进口温度需在1400 K左右等）。2.在1的研究基础上,基于将燃料外重整器布置于燃气轮机进口的系统配置方式,分析了不同的燃料利用率和燃料预重整份额下SOFC-GT耦合发电系统的性能。仿真结果显示,在该系统配置方式下,系统发电效率受燃料利用率和燃料预重整份额的影响并不大。不同设计工况下的系统发电效率普遍在70%以上,最高-最低系统发电效率之差仅为6个百分点。该系统配置方式下,系统在低燃料利用率和燃料外重整的设计工况下依然可以维持较高的系统效率（50%的SOFC燃料利用率和1000 K燃料外重整温度下,系统效率达到70%）;同时,通过对设计工况下系统中主要温度参数（如燃气轮机进口温度、SOFC阴极入口温度、SOFC最大内部温度梯度等等）的分析,初步验证了低燃料利用率和燃料外重整的设计工况下维持该系统高效运行的可行性。3.基于2中提出的低燃料利用率和燃料外重整的运行方式,对部分负荷下（80%、60%和40%设计负荷）SOFC-GT耦合发电系统的性能开展了仿真研究。该运行方式下,耦合发电系统在部分负荷下的效率依然较高:80%设计负荷下可达71%,60%设计负荷下可达65%,40%设计负荷下可达56%。此外,本文根据系统分析结果给出了部分负荷下SOFC-GT耦合发电系统的推荐运行策略:在低燃料利用率和低SOFC阴极空气流量的工况下运行,既可以维持较高的系统效率也可以延长SOFC的使用寿命。4.自主构建了天然气外重整器的一维实时动态模型,并在1中的系统配置方式下,结合一维SOFC动态模型,构建了整个SOFC-GT耦合发电系统的动态模型。利用该动态模型,分别在开环控制和燃气轮机定转速控制策略下,研究了外重整器入口O2摩尔分数阶跃上升5%后耦合系统的动态响应过程。动态仿真结果显示,外重整器入口O2摩尔分数阶跃上升5%将会导致SOFC燃料利用率和运行温度的升高,同时会影响到燃气轮机转速的变化。在开环仿真实验下,该动态变化过程最后导致了阴极空气流量的快速减少和SOFC运行温度的快速上升。燃气轮机定转速控制下,耦合系统可以相对平稳地运行至下一稳态工况,但动态响应过程中SOFC运行温度的升高以及SOFC电压和输出功率的下降仍是实际运行中需要注意的地方。5.在燃料电池技术与分布式发电技术结合得越来越紧密的背景下,本文最后在考虑可再生能源不稳定性和间歇性的情况下,初步探索了燃料电池分布式发电系统的多目标优化设计方法。针对一个风能/太阳能/燃料电池分布式发电系统,在建立该分布式发电系统机理模型的基础上,以系统的供能可靠性、发电效率和建造成本为主要目标函数,建立了可再生能源介入下燃料电池分布式发电系统多目标优化设计的基本框架,并通过基于Hammersley抽样方法和序列二次归化法的多目标优化方法,得到了该燃料电池分布式发电系统多目标优化设计的Pareto解集。