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[摘 要]海洋浮标是当前使用最为广泛的一种水温气象监测设备，在监督和治理海洋生态环境方面有着十分重要的作用。但是，由于该系统需要24小时不间断的工作，所以功能问题成为了制约该系统进一步开发和利用的最关键因素。本文在参考前人研究结果的基础上，根据笔者多年的工作经验，提出了使用固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）供电系统为海洋浮标提供能源，并将研究结果总结如下。
[关键词]海洋浮标；SOFC；供电系统；控制器
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0110-01
1、SOFC供电系统控制器研究
1.1 电堆电特性的研究
由于SOFC供电系统内有等价的内阻电池，而内阻会随温度的升高而发生改变，电压随电流的改变而变化[1]。对此，本文在参考前人研究结果的基础上，将SOFC单片电池输出电压的计算公式总结如下：
式中Vcell， Vj表示的是单片电池的输出电压，vohm，vact，vconc则分别表示别为系统发生电化学反应时产生的电压欧姆损耗、活化损耗以及浓差损耗，vloss表示SOFC系统总损耗，VOCV表示的是开路电压，可将其表示如下：
式中的E0≈1.2586-2.5245e-4T，表示的是能斯特电压，R、F则分别代表立项砌体常熟和法拉第常数，T代表的是温度，PH2、PO2、PH2O，分别表示的是供电系统中氢气、氧气以及水蒸气 的压力[2]。欧姆损耗vohm，是在电场驱動电子通过电极材料和离子通过电解质时引起的压降现象，与电流之间有着十分密切的关系， 因此，又被称为欧姆损耗。浓差损耗vconc则表示的是当系统输出的电流大于核定电流时，电化学反应过程中消耗燃料的速率就会增大，从而导致系统的电压下降。通常情况下，我们将海洋浮标系统最大运行功率定位120W。而为了给系统提供充足的运行电压，我们常采去将15片面积为5cm×5cm的单电池片串联的方式组成电堆，并根据公式计算出电堆的最大电流密度为800mA/cm？，单片电池输出电压范围在0.6V～1.2V之间。此外，由于在供电系统欧姆极化区域内的电压会随也就是说，SOFC中的电堆带载时，可以输出的最大电压为15V，最大电流为20A。
1.2 电堆温度特性的研究
在SOFC供电系统中，存在着气体温度和固体温度两种模型，其中气体温度主要是空气和氢气的温度引起的，而固体温度则是由电池片的温度引起的，根据能力守恒定律，本文将气体温度和固体温度的计算公式总结如下：
（1） SOFC供电系统气体的通用温度模型为
式中的T 表示的额是气体的温度，CV表示的是气体的比热容，hn和hout则分别代表气体流入系统和流出系统的摩尔比焓，N表示的是气体物质的量，Nin表示气体质的量，Nout表示气体输出的量，Qin表示气体和固体之间的热传导量。
① 气体比热容CV的计算公式为：
式中的Cp，i（T）表示的是气体组成物质i的恒压摩尔比热容。
② 气体的摩尔比焓h计算公式為：
气体的摩尔比焓是组成物质i 的摩尔分数的权重和
式中的Xi表示的是气体i的摩尔分数值。
③ 根据能力守恒定律，气体出口流速Nout和入口流速Nin之间存在着如下关系，可将气体的流速Nout的计算公式为：
式中的Ri表示的是气体i的摩尔反应速率。
④气体与固体之间的热传导量Qin计算公式为：
式中的Sarea 表示的是气体与固体之间的热传导面积，hgs表示的是气体与固体之间的热传导系数，T1 表示的是气体温度，T2 表示的是固体温度。
（2）SOFC供电系统固体的温度模型为
式中的T表示的是系统中固体物质的问题，Ps、Vs、Cs 分别表示的是固体的密度、体积以及比热容，Qin则表示的是固体同相邻单元之间的热传导量。而当电池片发生化学反应时，会将自身的化学能Qreact转化为电能Wout和热能，所以，我们还需要在电池片固体温度计算公式中加入Qreact和Wout两个变量，可将计算公式表示为：
① 而电池片中氢气和空气发生化学反应释放的能力Qreact则可表示为：
式中的RH2O表示的是水蒸气生存速率与电流I之间的关系，可表示为：
② 单片电池输出的功率则可以表示为：
确定SOFC温度的关键因素在于确定该系统的热源项和热传递量。对此，我们可以从以下两个方面入手：第一，依据电堆内部传热、传质过程和三大守恒定律，计算出各热源项的表达公式；其次根据源项表达式建立起反应电堆的气体流量、温度等参数值[3]。
1.3 DC/DC变换器的研究
SOFC系统输出的电能具有电流量大、电压小以及电压不稳定等特点，所以，该系统产生的电力能源必须经过功率变换器转换后才能运用于海洋浮标设备中。且考虑到该系统输出的电压在9V～15V之间，而海洋浮标设备的额定电压为24V ，因此，我们必须经过DC/DC对电压进行处理之后才能使用。本文建议使用BoostDC/DC 变换器，Boost的电路构成主要包含了1个电感、1个肖特二极管、1个功率场效应晶体管、1个电容。
3、结束语
从上述内容我们不难看出，SOFC供电系统在提高海洋浮标监测质量和工作效率方面有着十分重要的作用，但是，受该系统启用时间段、影响因素多以及工作人员对该系统的了解程度不够等因素的影响，SOFC供电系统依然存在着诸多问题，有待于我们在日常的工作中发现和解决。
参考文献：
[1] 孙翔. KW级固体氧化物燃料电池功率变换及能量管理[J]. 武汉：华中科技大学图书馆，2014.
[2] 曹红亮.固体氧化物燃料电池发电系统动态建模与控制[J]. 武汉：华中科技大学图书馆，2012.
[3] 李君.低输入BOOST DC/DC转换器的研究与设计[J]. 西安：西安电子科技大学图书馆，2010.
[关键词]海洋浮标；SOFC；供电系统；控制器
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0110-01
1、SOFC供电系统控制器研究
1.1 电堆电特性的研究
由于SOFC供电系统内有等价的内阻电池，而内阻会随温度的升高而发生改变，电压随电流的改变而变化[1]。对此，本文在参考前人研究结果的基础上，将SOFC单片电池输出电压的计算公式总结如下：
式中Vcell， Vj表示的是单片电池的输出电压，vohm，vact，vconc则分别表示别为系统发生电化学反应时产生的电压欧姆损耗、活化损耗以及浓差损耗，vloss表示SOFC系统总损耗，VOCV表示的是开路电压，可将其表示如下：
式中的E0≈1.2586-2.5245e-4T，表示的是能斯特电压，R、F则分别代表立项砌体常熟和法拉第常数，T代表的是温度，PH2、PO2、PH2O，分别表示的是供电系统中氢气、氧气以及水蒸气 的压力[2]。欧姆损耗vohm，是在电场驱動电子通过电极材料和离子通过电解质时引起的压降现象，与电流之间有着十分密切的关系， 因此，又被称为欧姆损耗。浓差损耗vconc则表示的是当系统输出的电流大于核定电流时，电化学反应过程中消耗燃料的速率就会增大，从而导致系统的电压下降。通常情况下，我们将海洋浮标系统最大运行功率定位120W。而为了给系统提供充足的运行电压，我们常采去将15片面积为5cm×5cm的单电池片串联的方式组成电堆，并根据公式计算出电堆的最大电流密度为800mA/cm？，单片电池输出电压范围在0.6V～1.2V之间。此外，由于在供电系统欧姆极化区域内的电压会随也就是说，SOFC中的电堆带载时，可以输出的最大电压为15V，最大电流为20A。
1.2 电堆温度特性的研究
在SOFC供电系统中，存在着气体温度和固体温度两种模型，其中气体温度主要是空气和氢气的温度引起的，而固体温度则是由电池片的温度引起的，根据能力守恒定律，本文将气体温度和固体温度的计算公式总结如下：
（1） SOFC供电系统气体的通用温度模型为
式中的T 表示的额是气体的温度，CV表示的是气体的比热容，hn和hout则分别代表气体流入系统和流出系统的摩尔比焓，N表示的是气体物质的量，Nin表示气体质的量，Nout表示气体输出的量，Qin表示气体和固体之间的热传导量。
① 气体比热容CV的计算公式为：
式中的Cp，i（T）表示的是气体组成物质i的恒压摩尔比热容。
② 气体的摩尔比焓h计算公式為：
气体的摩尔比焓是组成物质i 的摩尔分数的权重和
式中的Xi表示的是气体i的摩尔分数值。
③ 根据能力守恒定律，气体出口流速Nout和入口流速Nin之间存在着如下关系，可将气体的流速Nout的计算公式为：
式中的Ri表示的是气体i的摩尔反应速率。
④气体与固体之间的热传导量Qin计算公式为：
式中的Sarea 表示的是气体与固体之间的热传导面积，hgs表示的是气体与固体之间的热传导系数，T1 表示的是气体温度，T2 表示的是固体温度。
（2）SOFC供电系统固体的温度模型为
式中的T表示的是系统中固体物质的问题，Ps、Vs、Cs 分别表示的是固体的密度、体积以及比热容，Qin则表示的是固体同相邻单元之间的热传导量。而当电池片发生化学反应时，会将自身的化学能Qreact转化为电能Wout和热能，所以，我们还需要在电池片固体温度计算公式中加入Qreact和Wout两个变量，可将计算公式表示为：
① 而电池片中氢气和空气发生化学反应释放的能力Qreact则可表示为：
式中的RH2O表示的是水蒸气生存速率与电流I之间的关系，可表示为：
② 单片电池输出的功率则可以表示为：
确定SOFC温度的关键因素在于确定该系统的热源项和热传递量。对此，我们可以从以下两个方面入手：第一，依据电堆内部传热、传质过程和三大守恒定律，计算出各热源项的表达公式；其次根据源项表达式建立起反应电堆的气体流量、温度等参数值[3]。
1.3 DC/DC变换器的研究
SOFC系统输出的电能具有电流量大、电压小以及电压不稳定等特点，所以，该系统产生的电力能源必须经过功率变换器转换后才能运用于海洋浮标设备中。且考虑到该系统输出的电压在9V～15V之间，而海洋浮标设备的额定电压为24V ，因此，我们必须经过DC/DC对电压进行处理之后才能使用。本文建议使用BoostDC/DC 变换器，Boost的电路构成主要包含了1个电感、1个肖特二极管、1个功率场效应晶体管、1个电容。
3、结束语
从上述内容我们不难看出，SOFC供电系统在提高海洋浮标监测质量和工作效率方面有着十分重要的作用，但是，受该系统启用时间段、影响因素多以及工作人员对该系统的了解程度不够等因素的影响，SOFC供电系统依然存在着诸多问题，有待于我们在日常的工作中发现和解决。
参考文献：
[1] 孙翔. KW级固体氧化物燃料电池功率变换及能量管理[J]. 武汉：华中科技大学图书馆，2014.
[2] 曹红亮.固体氧化物燃料电池发电系统动态建模与控制[J]. 武汉：华中科技大学图书馆，2012.
[3] 李君.低输入BOOST DC/DC转换器的研究与设计[J]. 西安：西安电子科技大学图书馆，2010.