氢燃料电池系统在通信系统备用电源中的应用

一、 通信备用电源系统简介

通信基站一般用市电供电，为保证基站正常工作，需要给基站配备备用电源系统如铅酸蓄电池组和移动油机，在断电时，备用电源系统为基站中的负载供电，保证设备的正常运行。铅酸蓄电池的优点是比较安全且采购成本较低，其缺点是体积大、笨重、造成一次和二次环境污染、备电时间有限且有不确定性、对环境温度要求苛刻。

当铅酸蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时，移动油机成为现实可用的备用电源，但移动油机后勤保障复杂，需有人值守，有噪声污染及废气污染。鉴于铅酸蓄电池和移动油机的种种缺点，加之能源危机和人们环保意识的提高，寻求新的备用电源的呼声越来越高，氢燃料电池是最理想的替代者之一。

二、 氢燃料电池的原理

氢燃料电池是一种高效电化学能量转换器，把氢气（燃料）和氧气（来自空气）中的化学能直接转化成电能。只要有燃料和空气不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池兼具电池和油机的特点。

燃料在燃料电池的阳极被氧化，生成质子和电子；质子通过电解质迁移到阴极，电子通过外电路迁移到阴极为外界负载提供电能；迁移到阴极的质子、电子和阴极处来自空气中的氧气结合生成水。燃料电池的主要优点包括：高效率（不受“卡诺循环”的限制）、零或超低排放、机械结构简单、扩展容易、安静、安全、可靠、能用可再生能源为燃料、只要有燃料就可连续不断地发电。

三、 氢燃料电池与现有备用电源的比较

1、与铅酸电池的比较和铅酸电池相比，燃料电池的主要优点包括：适应环境温度范围宽广，基站温度可设定在32℃或更高，这样每年可节约大量空调电费。

只要保证氢气的供应就可持续供电，在发生大的自然灾害时可以保持长时间的通信畅通，为此而保护的生命、财产是难以用金钱来衡量的。按设定电压稳定输出电能，而不像铅酸电池在剩余电量达到最低值前，放电电压衰减很快且难以预测。重量轻，不需特殊的承重处理。占地面积小，安置位置灵活，既可安置在室外也可安置在室内。寿命设计一般是累计使用时间1500小时、累计开关次数超过600次、储存寿命10年，而铅酸电池几年就要更换。安全性高，燃料电池系统中有多种传感器，系统可自动采取应对措施，如：当氢气泄漏时，燃料电池控制系统会自动关闭气源，避免泄漏持续；可远程监控，及时发现问题。世界上还没有燃料电池发生氢气燃爆事故。

2、与移动油机的比较与移动油机比较，氢燃料电池最大优点是：

• 自动控制，可实现无人值守，通过遥测、遥控手段来监控系统的运行状态及氢气的剩余量，实现远程管理。

• 低噪音、无废气排放。燃料电池系统机械运动部件较少，所以系统比较安静，其排放物为水，对环境友好。

四、 通信备用氢燃料电池系统的应用

1、系统的接入燃料电池系统可以布置于室内和室外，但作为通信备用电源系统，根据现有通信机房的相关管理规范，燃料电池备用电源系统只能布置于室外。燃料电池系统的功率输出线只需和整流器中的直流母线连接即可，另外，由于配置启动电池（小容量），需提供一路市电给启动电池充电。燃料电池系统支持手动启动、自动启动和远程启动三种方式。

2、运行与维护

当市电正常时，燃料电池系统待机。市电通过专用充电器给燃料电池启动电池充电，氢气电磁阀关闭。

当市电中断后，燃料电池系统立即启动。燃料电池系统会自动检测到市电中断，立即完成开启氢气电磁阀等一系列动作，开始发电；启动电池同时给直流负载提供短时间的不间断供电；燃料电池连续运行，给直流负载供电。

当市电恢复后，燃料电池系统自动停机。燃料电池系统检测到市电恢复，关闭氢气电磁阀等，系统进入待机状态。

燃料电池系统可以自动检测剩余氢气量，根据设定自动提醒工作人员更换氢气瓶。

3、经济性比较

燃料电池的应用成本主要是两项：系统采购成本及氢气使用成本。目前燃料电池的一次采购成本比铅酸电池高，但在燃料电池10年的寿命周期内，铅酸电池的采购成本也不菲。目前燃料电池的生产量较少，当大批量生产时，其成本可比目前低很多；美国能源部的报告指出，如果每年生产50万辆、使用80kW燃料电池的汽车，燃料电池每千瓦的成本在2010年就可以降到70美元。每一个40升、125个大气压的常规钢瓶，可以产电7kWh左右。对于一个2kW的基站，可以供电3.5个小时，氢气费用（包括运费）约40-90元人民币。延长备电时间只需增加钢瓶数量即可，而且钢瓶可在线更换。假设一年停电150个小时，需43瓶气体，氢气使用总成本为1720-3870元人民币。

使用燃料电池备用电源的基站的温度可设定在32oC（现在是25oC）或更高，可以节约大量的空调耗电。其次，可节约对原需配置的铅酸电池的充电及浮充耗电；由于燃料电池可靠性高，使用周期长，平均维护费用较低。

所以，在10年的寿命周期内，燃料电池寿命周期成本（含初次购买成本、氢气使用成本、维护成本）会比采用铅酸电池的寿命周期成本更有优势。

4、应用案例

氢燃料电池在全球已得到大量的实际应用，累计已有数千套，IdaTech和印度的ACME集团在2008年签订了多达3万台5kW燃料电池系统协议，用于印度电信市场。燃料电池还被应用于严寒及酷热地区，充分展示了极强的环境适应能力。

五、 氢燃料电池的安全性及氢气来源

氢气是最轻的气体，如果氢气泄露，它会快速向上扩散，其速度接近20米/分钟，很难在空气中积聚，从而减少燃烧或爆炸的可能性。

下表对氢气和常见的两种气体的燃爆特性进行了比较，可见，氢气并不比常见的气体危险，相反，它甚至更安全。

氢气是来源最广泛的燃料，可以用各种可再生或不可再生的能源制备，目前氢气主要来源于工业副产气和电解水制氢。在炼焦、冶炼、氯碱、合成氨工业中有大量的富氢副产气。以炼焦工业为例，副产气叫焦炉煤气，气体中含氢气约56%，按我国的焦炭产量算，每年可产焦炉煤气300多亿立方米，相当于“西气东输”工程设计年输气量120亿立方米的2倍多，但这些焦炉气大部分被点燃排空，未被回收利用。目前我国从副产气中回收氢气的工艺非常成熟，只是因为用氢市场需求较小，尚未形成便捷的制氢、供氢网络，所以对燃料电池的大范围应用形成一定的制约。