固体氧化物燃料电池(SOFC)是一个将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学装置，其中没有燃烧过程和机械运动，从而使其具有高效率、零污染、无噪音等特点。与以燃烧为基础的传统发电方式相比，SOFC技术极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失和对生态环境的破坏；与低温工作的质子交换膜燃料电池(PEMFC)相比，除其高效率外，SOFC还避免了使用贵金属(如Pt)作催化剂的局限性，消除了CO对电极的毒化，降低了对燃料质量的要求，增加了燃料选择的灵活性(如天然气、煤气、生物质气体、柴油以及其它碳氢化合物)；与相对高温工作的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)相比，SOFC具有更高的功率密度，没有液态的熔盐腐蚀介质，避免了燃料电池材料的热腐蚀。SOFC在固定电站、移动电源、交通运输以及军事等领域有着广泛的应用前景，其成功应用对于缓解能源危机、满足人类对电力数量和质量的要求、保护人类的生存环境以及保障国家安全都具有重大的意义。由于SOFC处于高温、封闭的环境，单靠试验的研究成本高、实施困难，与试验方法相比，数值模拟和仿真则经济、容易实施。因此，本文先对SOFC的输出特性进行辨识建模；然后对SOFC进行动态建模理论分析和数值模拟；考虑到SOFC的性能和寿命很大程度上取决于其运行温度，并根据当前SOFC控制模型和控制策略是国内外研究的薄弱环节的现状，本文从SOFC模型简化建立温度控制非线性模型，并进行了温度控制策略研究；由于燃料过度使用或未充分利用都会使SOFC的实际性能受到很大影响，同时为了满足DC型负载的电压需求，分别就不考虑燃料重整和考虑燃料重整两种情况下的SOFC，提出两种控制策略对SOFC的燃料利用率和输出电压进行控制，并进行了仿真研究。本文的主要工作包括： 1.为了更深入地研究运行参数对SOFC输出性能的影响，首次基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)辨识方法建立了SOFC的输出性能模型。与传统的SOFC建模方法相比，该建模方法能够更方便地实现多参数建模，并且模型结构简单，精度高。该建模方法还可以实现在线实时建模，可方便地应用于SOFC的控制系统中。 2.基于物质、动量和能量守恒定律，分别建立了顺流型SOFC电池堆中心单电池的质量平衡子模型、动量守恒子模型和能量守恒子模型，并给出了模型的边界条件；基于热力学和电化学理论，建立了SOFC的电化学子模型。所建模型为后面章节中的温度、燃料利用率及输出电压的控制方案设计奠定基础。 3.通过对所建立的SOFC动态模型进行简化，得到SOFC的温度、气体流速、组分摩尔分率等参数的模型，对SOFC内部的过程进行了理论分析和数值模拟。采用有限差分法对温度模型进行数值解析，并进行了稳态和动态数值模拟仿真，得到一系列仿真结论。这些研究有助于控制方案和流场设计，以及电池材料的选择。 4.根据推导出的温度模型，以SOFC电池堆中心单电池出口处的参数为对象，首次推导出有明确输入输出控制关系的SOFC操作温度的控制非线性模型。基于输入输出反馈线性化，设计了SOFC操作温度的变结构控制系统。仿真结果证明了所设计变结构控制方案的有效性。 5.为了保护SOFC电池堆和满足直流型负载的电压需求，设计了两个控制环分别对SOFC的燃料利用率和输出电压进行控制。为了满足控制系统的设计需要，首先建立了SOFC输出电压的含输入自回归(ARX)辨识模型；然后先设计一个主控制环将燃料利用率控制在其允许范围内，接着基于ARX模型分别进行P-型、PI-型和PD-型三种迭代学习控制(ILC)方案设计。仿真结果证明了所设计ILC控制策略的可行性。 6.本文最后着重考虑以天然气为燃料的情况。考虑了燃料处理器的动态特性，为了便于控制系统设计，建立了考虑燃料重整的SOFC输出电压的Hammerstein模型。由于该模型具有相当高的预测精度，所以在控制燃料利用率为常量的条件下，以所建立的Hammerstein模型代替实际的SOFC设计了非线性模型预测(MPC)控制器，并首次提出采用一种改进的广义极值优化(GEO)算法优化控制序列的方法。仿真结果表明，与国外作者在相同条件下设计的PI控制器相比，本文设计的MPC控制器具有较好的电压控制效果。