燃料電池技術(shù)在通信行業(yè)的應(yīng)用

肖 展，詹 劍

（弗爾賽能源有限公司，江蘇 昆山215300）

1 燃料電池的原理

燃料電池是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，它直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池的工作原理不同于熱機(jī)，沒(méi)有中間過(guò)程，不受內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)特性（如卡諾循環(huán)）限制，理論上可以獲得更高的效率。作為發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)，直接使用氫氣的質(zhì)子交換膜燃料電池所獲得的效率是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍。純氫燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物只是水、熱和電能，綠色，無(wú)污染，所以與之相關(guān)的技術(shù)被認(rèn)為是解決化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的戰(zhàn)略性高新能源技術(shù)之一。

燃料電池根據(jù)其使用的電解質(zhì)類型可分為：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度相對(duì)較低，因采用固體電解質(zhì)而具備更好的穩(wěn)定性，其生成的副產(chǎn)物為純水而不存在腐蝕問(wèn)題，電流密度高，且響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)。因此，是現(xiàn)階段燃料電池研究的重點(diǎn)之一，也是中小功率燃料電池電源動(dòng)力系統(tǒng)首選的應(yīng)用對(duì)象。

燃料電池單體是由兩個(gè)電極夾著電解質(zhì)的“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理圖

質(zhì)子交換膜的特性是可以通過(guò)質(zhì)子，而電子不能通過(guò)。氫氣通過(guò)陽(yáng)極板上的流道至陽(yáng)極表面，然后經(jīng)擴(kuò)散層到達(dá)催化層，在催化劑的作用下，發(fā)生如下的電極反應(yīng)：

陽(yáng)極反應(yīng)釋放的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。在催化劑的作用下，氧和氫離子在陰極反應(yīng)生成水：

完整的燃料電池反應(yīng)過(guò)程可以表示為：

通過(guò)上述反應(yīng)，氫和氧被消耗，相應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（Ee）。同時(shí)，反應(yīng)生成熱能（Heat）和水，生成的水通過(guò)電極流場(chǎng)隨反應(yīng)的尾氣排出。

燃料電池技術(shù)為清潔能源系統(tǒng)的利用提供了一條新的途徑。氫的來(lái)源廣泛，既包括可再生能源，也包括不可再生能源資源。氫能可以成為與電力互補(bǔ)的能源載體，從而有效降低當(dāng)前能源系統(tǒng)的碳排放。而燃料電池技術(shù)具有不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高，零排放，無(wú)噪音等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于交通工具、固定式發(fā)電、物料搬運(yùn)、備用電源和便攜式電源等諸多方面。

2 燃料電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域

隨著氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，以美、德、日等國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家政府也不斷為氫能與燃料電池技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化提供政策和資金支持。2013年，世界已經(jīng)看到了氫能與燃料電池商業(yè)化的曙光，目前商業(yè)化進(jìn)展最為迅速的是車用領(lǐng)域與通信領(lǐng)域固定式應(yīng)用（主要是在通信領(lǐng)域的應(yīng)用）。

2.1 燃料電池在車用領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與商業(yè)化進(jìn)展

燃料電池技術(shù)在車用領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)過(guò)十余年的積累，商業(yè)化進(jìn)程在2013年取得突破式的進(jìn)展。世界各大汽車制造商基本都于近期公布了各自的燃料電池汽車量產(chǎn)計(jì)劃。最引人注目的動(dòng)態(tài)是全球汽車巨頭紛紛抱團(tuán)，結(jié)成了燃料電池汽車開(kāi)發(fā)的三大聯(lián)盟。2013年1月24日，將FCV定位為“終極環(huán)保車”的豐田汽車公司與寶馬集團(tuán)就向?qū)汃R提供FCV技術(shù)，雙方合作進(jìn)行開(kāi)發(fā)一事正式達(dá)成了協(xié)議。其中，豐田計(jì)劃在2015年左右讓自行研發(fā)的燃料電池車投入市場(chǎng)，而寶馬則預(yù)計(jì)在2013年完成燃料電池車技術(shù)轉(zhuǎn)讓，在2015年推出實(shí)驗(yàn)車，并于2020年上市。4天后的1月28日，日產(chǎn)雷諾集團(tuán)、戴姆勒集團(tuán)及福特汽車公司宣布，三方將合作推進(jìn)FCV的開(kāi)發(fā)，三公司將開(kāi)發(fā)相同的系統(tǒng)，并于2017年發(fā)售量產(chǎn)車型。7月2日，本田和通用汽車發(fā)布聯(lián)合聲明，宣布將展開(kāi)新一代氫燃料電池系統(tǒng)以及氫儲(chǔ)存科技的長(zhǎng)期合作。在發(fā)布聯(lián)合聲明之際，本田宣布將于2015年在日本和美國(guó)陸續(xù)推出接替FCXClarity的新一代燃料電池汽車，而歐洲市場(chǎng)則緊接在后；通用汽車方面則表示會(huì)在另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)透露氫燃料電池車的量產(chǎn)時(shí)間點(diǎn)。各大汽車巨頭的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合有利于增強(qiáng)他們各自的技術(shù)實(shí)力，分擔(dān)市場(chǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)共享技術(shù)和共用通用部件來(lái)降低開(kāi)發(fā)成本，加快氫燃料電池市場(chǎng)化推廣的步伐。

2013年另一個(gè)奪人眼球的汽車制造商是韓國(guó)的現(xiàn)代。2013年2月，現(xiàn)代成為首個(gè)啟動(dòng)燃料電池汽車批量生產(chǎn)線的公司?，F(xiàn)代在韓國(guó)蔚山工廠全球首次量產(chǎn)獨(dú)立研發(fā)的17輛氫燃料電池版ix35，其中15輛運(yùn)往丹麥，2輛運(yùn)往瑞典，這些車已于4月正式在歐洲政府及公共機(jī)關(guān)交付使用。而在11月的洛杉磯車展中，現(xiàn)代發(fā)布了途勝ix35燃料電池車型并聲明該車開(kāi)始在加州地區(qū)租賃。費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)為36個(gè)月的合約期，每個(gè)月繳納499美元的租車費(fèi)用即可享受到搭載先進(jìn)技術(shù)的途勝ix35燃料電池車。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)代計(jì)劃于2015年開(kāi)始以每年10，000輛的產(chǎn)量生產(chǎn)燃料電池汽車，根據(jù)全球加氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況而定，價(jià)格大概在50，000美元左右。

另外，2013年3月，巴拉德與大眾集團(tuán)簽署了高達(dá)1億美元的協(xié)議。協(xié)議有效期4年，主要工作是設(shè)計(jì)和制造大眾HyMotion示范車使用的燃料電池。巴拉德將負(fù)責(zé)燃料電池設(shè)計(jì)、以及測(cè)試和集成工作等關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)的開(kāi)發(fā)與支持。

國(guó)內(nèi)在燃料電池汽車整車產(chǎn)業(yè)化方面走在最前列的是上汽，上汽聯(lián)合弗爾賽、大連新源等燃料電池電堆生產(chǎn)商進(jìn)行車用電堆的開(kāi)發(fā)，并計(jì)劃于2015年實(shí)現(xiàn)100輛燃料電池汽車的量產(chǎn)和銷售，國(guó)產(chǎn)商業(yè)化的燃料電池汽車也呼之欲出。

小功率的車用緊湊型燃料電池應(yīng)用范圍也很廣泛?？蓮V泛主動(dòng)力應(yīng)用于叉車、觀光車和作為增程器用于郵政物流車和快遞車。目前商業(yè)推廣最成熟的是物資搬運(yùn)中采用的叉車用小功率燃料電池。美國(guó)PLUG power公司生產(chǎn)的Gendrive燃料電池動(dòng)力裝置廣泛應(yīng)用在美國(guó)和歐洲的倉(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域。沃爾瑪、可口可樂(lè)、寶馬及維戈斯曼公司都是他的固定客戶，目前在全球領(lǐng)域的應(yīng)用量已達(dá)3 500套。在增城式燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域，美國(guó)的Fedex和法國(guó)郵政都于近期推出了使用燃料電池作為增程器的快遞車與物流車。

2.2 燃料電池在通信領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與商業(yè)化進(jìn)展

在固定式電源領(lǐng)域，和車載環(huán)境相比較，燃料電池工作環(huán)境的溫度濕度條件更好；環(huán)境氣體對(duì)其影響更?。回?fù)載變化相對(duì)穩(wěn)定；無(wú)需抗振要求，更能發(fā)揮燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)越性，尤其是作為通信用應(yīng)急電源。目前基站中普遍使用的傳統(tǒng)鉛酸蓄電池應(yīng)急電源環(huán)境適應(yīng)性差，必須全天候依賴空調(diào)保證其工作環(huán)境溫度，大量地浪費(fèi)了通信基站的空調(diào)設(shè)備能量。同時(shí)鉛酸蓄電池在生產(chǎn)回收過(guò)程中帶來(lái)的較嚴(yán)重的長(zhǎng)期環(huán)境污染；在一些供電情況不穩(wěn)定、不可遇見(jiàn)的自然災(zāi)害（如2008年我國(guó)南方雪災(zāi)）等情況下，傳統(tǒng)的應(yīng)急電源在連續(xù)供電持續(xù)時(shí)間、可靠性及耐久性等方面都受到較大的技術(shù)制約，無(wú)法完成不間斷提供通信服務(wù)的基本要求。燃料電池應(yīng)急發(fā)電電源不僅可以有效地替代現(xiàn)有傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，并且還能較好地替代柴油發(fā)電機(jī)；它無(wú)污染、噪音輕、可持續(xù)工作、可擴(kuò)展、環(huán)境適應(yīng)性好、狀態(tài)可預(yù)估、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、長(zhǎng)壽命、具有較長(zhǎng)的維護(hù)周期，這些特點(diǎn)能夠完全滿足通信行業(yè)對(duì)綠色環(huán)保電源的要求。全球范圍內(nèi)通信用燃料電池應(yīng)急／備用電源成熟的商業(yè)化應(yīng)用已有5年以上的時(shí)間，應(yīng)用規(guī)模已達(dá)到了近萬(wàn)套級(jí)，出現(xiàn)了一批能夠規(guī)模化生產(chǎn)燃料電池備用電源的廠家，例如BALLARD、IDATECH、RELION、HYDROGENICS、ALTERGY等。

伴隨著國(guó)內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速和行業(yè)新型綠色環(huán)保基站建設(shè)的需求，我國(guó)燃料電池備用電源的技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展速度迅猛。目前在三大電信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中已有百余套燃料電池備用電源投入使用。國(guó)內(nèi)有能力提供滿足通信行業(yè)需求的燃料電池電源產(chǎn)品的企業(yè)有弗爾賽能源、武漢銀泰、上海恒勁與上海攀業(yè)等。其中自2009年起，弗爾賽能源有限公司與上海電信空調(diào)與能源中心、上海市信產(chǎn)通信服務(wù)有限公司合作開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的燃料電池備用電源系統(tǒng)就在上海電信投入使用，產(chǎn)品歷經(jīng)數(shù)年的在線實(shí)際考核與改進(jìn)優(yōu)化，已通過(guò)信息產(chǎn)業(yè)通信電源產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心質(zhì)量檢測(cè)，在安全性保護(hù)告警、性能以及效率等方面均達(dá)到或優(yōu)于檢測(cè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的要求。并于2013年通過(guò)德國(guó)TUEV的CE檢測(cè)。目前累計(jì)已有30余套弗爾賽生產(chǎn)的燃料電池電源分別在中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通與中國(guó)電信的基站網(wǎng)絡(luò)中使用，是目前國(guó)內(nèi)最大的燃料電池備用電源在線運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)品累積啟停次數(shù)達(dá)1 200多次，啟動(dòng)成功率達(dá)100%；滿載響應(yīng)時(shí)間小于1分鐘，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；累計(jì)發(fā)電時(shí)間已達(dá)1 370.5小時(shí)；累計(jì)無(wú)故障待機(jī)8 118天，其中單機(jī)最長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間為1 087天。

在近三年的運(yùn)行期內(nèi)，弗爾賽的燃料電池備用電源產(chǎn)品經(jīng)歷了高溫、臺(tái)風(fēng)與暴雨等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，整體產(chǎn)品工作正常，并在多次基站市電自然中斷的情況下，為基站通信設(shè)備供電，體現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性及可靠性。2013年5月30日上海移動(dòng)嘉定某基站市電中斷，燃料電池自動(dòng)啟動(dòng)，為基站通信設(shè)備連續(xù)供電超過(guò)17小時(shí)，確保了基站的正常工作；得到了客戶的認(rèn)可。預(yù)計(jì)至2014年底，還將有將有約六十套弗爾賽的產(chǎn)品投入運(yùn)行。

3 燃料電池在我國(guó)通信行業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景

我國(guó)擁有世界上規(guī)模最大的移動(dòng)和固定通信網(wǎng)絡(luò)，截至2012年，三大電信運(yùn)營(yíng)商已建成基站超過(guò)130萬(wàn)個(gè)，伴隨著基站總數(shù)快速增長(zhǎng)和4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速，基站備用電源用鉛酸蓄電池的數(shù)量還將以每年10萬(wàn)量級(jí)的數(shù)量增長(zhǎng)，大量使用鉛酸蓄電池引起的巨大能耗和環(huán)境污染問(wèn)題進(jìn)一步凸顯。從2008年開(kāi)始，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通紛紛開(kāi)展“綠色行動(dòng)”，進(jìn)行行業(yè)的節(jié)能減排，質(zhì)子交換膜燃料電池被三大運(yùn)營(yíng)商公認(rèn)為是通信行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、緩解環(huán)境污染最有希望的新能源解決方案和有力手段之一。目前通信用燃料電池備用電源正處于市場(chǎng)培育和成長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)到2016年，全國(guó)各類型基站中投入運(yùn)行的燃料電池備用電源將達(dá)到1 000臺(tái)；根據(jù)三大通信運(yùn)營(yíng)商“綠色行動(dòng)計(jì)劃”中所規(guī)劃節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，到2020年通信基站用燃料電池電源數(shù)量將達(dá)到萬(wàn)套級(jí)。

［1］氫能與燃料電池商業(yè)化曙光初現(xiàn)，中國(guó)仍需努力（一）［EB／OL］.中國(guó)氫能網(wǎng)，2014.

［2］氫能與燃料電池商業(yè)化曙光初現(xiàn)，中國(guó)仍需努力（二）［EB／OL］.中國(guó)氫能網(wǎng)，2014.

［3］氫能與燃料電池商業(yè)化曙光初現(xiàn)，中國(guó)仍需努力（三）［EB／OL］.中國(guó)氫能網(wǎng)，2014.

［4］衣寶廉.燃料電池—原理、技術(shù)、應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［5］The Business Case for Fuel cells［EB／OL］.www.Fuelcell.org.

［6］Unnewehr L E，Nasar S A.Electric Vehicle Technology［M］.John Wiley，1982.

［7］Kiyonami Takano，Ken Nozaki，Yoshiyasu Saito，et al.Simulation study of electrical dynamic characteristics of lithium－ion battery［J］.Journal of Power Sources，2000，（90）：214－223.

［8］LijunGao，Shengyi Liu，Roger A Dougal，et al.Dynamic Lithium－ion battery model for system simulation［J］.IEEE Transaction on Components and Packaging Technology，2002，（25）：495－504.

［9］Peng J Ch，Eberhart R.Battery packs state of charge estimator design using Computational intelligence approaches［C］.IEEE international conference on human intelligence，2000.

［10］Chau K T，Wu K C，Chan C C.A new battery capacity indicator for lithium－ion battery powered electric vehicles using adaptive neuro－fuzzy inference system［J］.Energy Convergence and Management，2004，（54）：1681－1692.

［11］Freedom CAR battery test manual for power－assist hybrid electric vehicles.DOE／ID－11069［Z］.Washington DC.US Department of Energy，2003.

［12］Pritpal Singh，Ramana Vinjamuri，Xiquan Wang，et al.Fuzzy logic modeling of EIS measurements on lithium－ion batteries［J］.ElectrochinicaActa，2006，（51）：1673－1679.

［13］Sudarshan Rao Nelartury，Pritpal Singh.Equivalent circuit parameters of nickel／metal hydride batteries form sparse impedance measurements［J］.Journal of Power Sources，2004，（132）：309－314.

［14］Salameh Z M，Casacca M A，Lynch W A A.Mathematical model for lead－acid batteries［C］.IEEE Transaction on Energy Conversions，1992（17）：222－232.