面对能源短缺和环境污染的严峻形势,世界各国高度重视能源转型问题,不断增加高效电力设备和可再生能源的占比。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、清洁的发电设备,能够利用甲烷、合成气,乙醇等燃料进行发电,在大中型发电站、微小型热电联产系统及移动源动力系统中受到广泛的关注。同时SOFC系统还能与可再生能源进行耦合发电,在未来的电力、交通等领域中具有长远发展前景。不同应用领域需要选择不同类型的SOFC结构并匹配高效的系统设计,同时系统在复杂多变工况下的最优运行参数、安全运行窗口及热集成性能等问题值得深入分析。本文基于不同的能量载体和SOFC电堆结构,围绕SOFC发电系统的运行特性和应用潜力的挖掘开展研究,建立了 SOFC热电联产系统的基础架构模型,并拓展到多联产系统和车载动力系统概念设计,为推动SOFC系统在未来的商业应用提供数据支撑。本文首先开展了沼气-电解质支撑SOFC热电联产系统的概念设计,在规避积碳风险和减少外部水供应的约束下,设计了四种具有不同阳极尾气循环方案和沼气重整方式的系统布置。探究了不同燃料利用率、阳极循环率、外部重整温度和沼气组分对系统运行特性的影响规律,并通过系统的热集成分析揭示了多变工况下的热量利用过程。结果表明:冷循环方案展现了最优的系统效率,在700℃的重整温度、70%的循环率和85%的燃料利用率下,峰值效率达到62.4%,但该方案产生积碳的运行窗口更大,需要更多的外部水量来消除积碳。热循环方案在相同的重整温度和燃料利用率下,当循环率为50%时,最高效率达到61%,循环流中的水量稀释了 SOFC入口浓度,降低了发电效率,但提供了更大的自给水操作范围来消除积碳风险。内重整方案和部分氧化方案在无外部水供应下,峰值效率可达到58.4%。系统的热集成分析表明当重整温度高于800℃时,容易造成系统自热不足,需辅助额外电加热,降低系统发电效率。阳极循环率的增加有助于改善系统的热集成,同时减少散发到环境中的热量。为了降低系统的运行温度,提升系统效率,同时揭示甲烷内重整对SOFC内部传热传质过程和电堆温度分布的影响,本文基于准2维阳极支撑SOFC模型,开展了沼气-阳极支撑SOFC热电联产系统的概念设计和优化。结果表明:阳极支撑SOFC热电联产系统的冷循环和热循环方案均优于电解质支撑SOFC热电联产系统。优选的热循环方案在重整温度为600℃,循环率为55%时,峰值效率可达到62.7%,可独立于外部重整水来消除积碳风险。冷循环方案在650℃的重整温度和55%的循环率下,系统最高效率达到62.9%,但仍需要外部水供应来消除积碳风险。内重整方案可直接在SOFC阳极上进行,强烈的重整吸热反应造成SOFC入口温度下降,当循环率为67%时,最高效率达到58%。部分氧化方案通过直接氧化甲烷燃料为重整反应提供H2O和CO2,但由于氧化反应对甲烷消耗量较大,最高效率仅达58.9%。为了拓宽SOFC热电联产系统的应用,本文基于生物质合成气-SOFC系统的特性,设计了一种生物质气化-乙醇耦合SOFC热电联产系统,通过参数分析和多目标优化方法对多联产系统进行优化,实现效率与成本之间的平衡。选取木屑为生物质原料,采用双循环流化床气化炉,当水蒸气与生物质之比为0.1,气化温度为900℃,燃烧室温度为950℃时,合成气中的CO和H2产率最高同时乙醇的产量最高。利用20万吨木屑通过气化技术产生合成气并发酵制备乙醇,年生产能力可达69595吨,生产成本为3282元/吨,将发酵废气回收到SOFC系统可进一步降低生产成本。通过调控合成气的比例和SOFC阳极循环率,联产系统总能量效率超过55%。为了挖掘SOFC系统在交通领域的潜力,本文基于乙醇-SOFC系统的特性,开展了车载乙醇-金属支撑SOFC动力系统的概念设计与性能研究。通过对四种乙醇重整工艺的金属支撑SOFC系统性能评价,确定了基于乙醇自热重整的技术方案,并建立了完整的车载乙醇-SOFC动力系统模型。从积碳安全性和燃油经济性的角度出发,对系统的启动和稳定运行阶段进行热力学性能评价。在系统的启动阶段,当阳极循环率超过60%时,可以在最低0.42 g/s的乙醇流量下安全启动运行。在系统稳定运行阶段,当阳极循环率为70%时,SOFC动力系统的最高电效率和（火用）效率分别达到55.4%和77.1%。本文还进一步开展了耦合乙醇-SOFC动力系统的参数匹配设计与整车动态运行性能研究。搭建了蓄电池-SOFC混合动力系统的整车仿真模型,从工作模式、动力性和经济性对整车模型进行验证,并在不同道路工况下开展动态仿真测试。结果表明匹配24 kWh蓄电池为主动力源、5 kW的SOFC系统为辅动力源的混合动力汽车在NEDC的综合道路工况下,总行驶里程达到240 km,高出相同容量下纯电动汽车里程一倍,同时SOFC系统在运行过程中对功率需求起到了“削峰填谷”的作用,平衡了蓄电池的SOC值。通过对行驶里程的影响因素分析与多参数优化,SOFC电动汽车在UDDS的市区道路工况下实现600 km的里程目标,展现了优异的增程性能。