燃料電池在移動(dòng)通信基站的應(yīng)用淺析

徐韶清　張林沖

摘 要：主要介紹燃料電池技術(shù)在移動(dòng)通信基站的應(yīng)用，通過某地市移動(dòng)通信基站的甲醇燃料電池試點(diǎn)應(yīng)用案例，分析移動(dòng)通信基站采用燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)和建議。

關(guān)鍵詞：燃料電池；移動(dòng)通信基站

中圖分類號(hào)：TN204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2017）03-0067-02

Application of Fuel Cell in Mobile Communication Base Station

XU Shaoqing，ZHANG Linchong

（Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co.，Ltd.，Nanjing Branch，Nanjing 210029，China）

Abstract： This paper mainly introduces the application of fuel cell technology in mobile communication base station， a methanol fuel cell pilot application case through a city mobile communication base station， advantages and disadvantages of using fuel cell for mobile communication base station are analyzed and suggestions are made.

Keywords： fuel cell； mobile communication base station

0 引 言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展建設(shè)了大量的移動(dòng)通信基站，目前多采用鉛酸蓄電池和移動(dòng)油機(jī)后備的保障供電方式。鉛酸蓄電池的體積較大，占用較大機(jī)房空間；易造成環(huán)境的一次和二次環(huán)境污染，并對(duì)環(huán)境溫度有苛刻的要求。由于鉛酸蓄電池的后備時(shí)間較為有限，當(dāng)市電斷電時(shí)間較長，還需要后備移動(dòng)油機(jī)保障。鑒于鉛酸蓄電池的壽命較短，價(jià)格較高且制造和使用過程存在一定的環(huán)境污染；而移動(dòng)油機(jī)后備的人力成本較高等各種不足，尋求新的備用電源是目前基站安全運(yùn)行的一個(gè)重要任務(wù)。

燃料電池是一種高效能量轉(zhuǎn)換器，把氫氣（或其他燃料）和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。燃料電池系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為效率相對(duì)較高、排放少、無噪音、可靠性高、使用可再生能源為燃料。燃料電池供電系統(tǒng)在移動(dòng)通信基站的應(yīng)用值得探討和研究。

1 燃料電池概述

1.1 燃料電池種類

目前廣泛研發(fā)的燃料電池主要有質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸鹽型燃料電池等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池因其不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)連續(xù)地把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高（一般達(dá)到40%～50%，而內(nèi)燃機(jī)僅為30%～35%左右）、無污染、啟動(dòng)快、電池壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用最廣的一類燃料電池，尤其是汽車用燃料電池方面，其應(yīng)用接近100%。

1.2 燃料電池工作原理

燃料電池雖然名字中有電池，實(shí)際并非是儲(chǔ)能裝置，而是能量轉(zhuǎn)換裝置，其通過化學(xué)反應(yīng)直接將燃料中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能，可以稱為電化學(xué)發(fā)電機(jī)。本文案例中采用的燃料電池，采用的燃料為甲醇，系統(tǒng)內(nèi)置燃料處理模塊，從甲醇燃料提取氫燃料，實(shí)際的燃料電池模塊為氫燃料電池模塊，其原理圖如圖1所示。

氫燃料電池模塊的工作原理即電解水的逆向過程，電化學(xué)反應(yīng)在電極上發(fā)生，反應(yīng)式為：

陽極：2H2→4H++4e-

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O+熱量

2 移動(dòng)基站甲醇燃料電池的應(yīng)用案例

2.1 移動(dòng)基站供電模式

移動(dòng)通信基站現(xiàn)有供電模式如圖2所示。

在市電正常供電時(shí)，由高頻開關(guān)電源輸出直流電給通信設(shè)備，在市電中斷時(shí)，由開關(guān)電源系統(tǒng)的后備蓄電池組為通信設(shè)備供電，同時(shí)在市電中斷時(shí)間較長時(shí)，采用移動(dòng)油機(jī)作為保障。

2.2 燃料電池在基站應(yīng)用時(shí)的供電系統(tǒng)

燃料電池在通信基站應(yīng)用時(shí)，燃料電池系統(tǒng)接入原有高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的蓄電池輸入熔斷器，在市電中斷時(shí)，由基站原有鉛酸蓄電池或燃料電池內(nèi)置的鋰電池對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行供電，同時(shí)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)，可在短時(shí)間內(nèi)提供54V左右的直流，保障基站設(shè)備供電，并對(duì)放電后的蓄電池進(jìn)行充電。

2.3 某地市移動(dòng)基站的應(yīng)用實(shí)例

2.3.1 試點(diǎn)選擇和設(shè)備安裝

某地市通信基站為試點(diǎn)基站，采用甲醇燃料電池（氫燃料模塊）系統(tǒng)，額定輸出功率為5kW，采用戶外一體化機(jī)柜的安裝方式，安裝平面如圖3所示。

該試點(diǎn)基站選點(diǎn)時(shí)，考慮該站離主城區(qū)較近，方便運(yùn)維監(jiān)測；站內(nèi)負(fù)載容量約為3kW，燃料電池額定功率滿足需求；周圍人員流動(dòng)性較小，站內(nèi)空間寬敞，適合燃料電池設(shè)備的安裝。

燃料電池的設(shè)備安裝位置應(yīng)考慮燃料電池的電纜走線路由，避免與原有交流引入市電電纜和光纜進(jìn)線電纜等路由交叉，并考慮與原有基站院墻、柵欄預(yù)留有合適的維護(hù)和散熱空間，設(shè)備正面面向的方向應(yīng)當(dāng)方便運(yùn)維人員操作。

燃料電池設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生水，因此安裝還應(yīng)考慮排水，以免設(shè)備基座積水導(dǎo)致安裝螺栓腐蝕加快。

燃料電池設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括設(shè)備的防雷保護(hù)接地，應(yīng)與機(jī)房原有地網(wǎng)做有效連接，根據(jù)設(shè)備實(shí)際尺寸和安裝定位在基礎(chǔ)承臺(tái)處預(yù)留扁鋼接地點(diǎn)，通過接地電纜與設(shè)備接地點(diǎn)相連。

2.3.2 燃料電池設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由于基站燃料電池設(shè)備在室外安裝，設(shè)備安裝基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)考慮防水需求，建議高出原基站院落地坪30公分，與基站機(jī)房內(nèi)地坪同高?；A(chǔ)上預(yù)留電纜輸出管孔和控制電纜管孔，并按照走線路由預(yù)埋對(duì)應(yīng)管道。直流輸出電纜和控制線纜走線分離，避免電磁干擾。由于燃料電池設(shè)備運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生水，因此基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留排水管孔，并做排水坡度，排水管道引出預(yù)埋至基站院外排水。

2.4 燃料電池在移動(dòng)通信基站應(yīng)用存在的不足和瓶頸

根據(jù)燃料電池在試點(diǎn)的移動(dòng)通信基站應(yīng)用的情況，總結(jié)燃料電池在通信基站應(yīng)用尚存在的不足和瓶頸如下。

（1）燃料電池造價(jià)偏高。氫燃料電池（模塊）的質(zhì)子交換隔膜和鉑觸媒價(jià)格較高，因此燃料電池供電系統(tǒng)整體造價(jià)較高，具有一定局限性。

（2）試點(diǎn)采用的燃料電池為直流輸出，作為基站短時(shí)間后備能夠滿足需求，但由于基站的空調(diào)設(shè)備均為交流供電，當(dāng)市電中斷時(shí)間較長，燃料電池系統(tǒng)供電僅能滿足通信設(shè)備，空調(diào)設(shè)備無法供冷，將導(dǎo)致基站溫度偏高，影響到通信設(shè)備的正常工作。

（3）碳?xì)淙剂陷^難直接利用：多數(shù)碳?xì)浠衔锶剂暇杞?jīng)過轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生純氫氣后方可利用，該部分的轉(zhuǎn)化模塊增加燃料電池系統(tǒng)的投資額。

（4）燃料儲(chǔ)存還存在一定的局限，特別是氫燃料的儲(chǔ)存有較大的瓶頸，且燃料儲(chǔ)存需要考慮安全性。

（5）現(xiàn)有產(chǎn)品單系統(tǒng)的額定輸出功率較小，僅能滿足小功率基站的應(yīng)用，目前移動(dòng)通信基站的實(shí)際功率多數(shù)達(dá)到8KW以上，部分站點(diǎn)功率可達(dá)10kW。

3 結(jié) 論

燃料電池從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的歷史，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，雖然由于原材料的限制造成現(xiàn)有市場價(jià)格較高，但是燃料電池具有的優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其在現(xiàn)在世界能源短缺的大環(huán)境下，燃料電池的開發(fā)和應(yīng)用將會(huì)有非常美好的前景，其在通信行業(yè)的應(yīng)用也會(huì)逐步擴(kuò)大，特別是其帶載能力強(qiáng)，噪音低、無污染排放這3個(gè)特點(diǎn)，完全克服目前移動(dòng)通信基站采用的傳統(tǒng)小型移動(dòng)油機(jī)的缺點(diǎn)，特別適合在人口密度高的環(huán)境下使用，為通信運(yùn)營商保障居民區(qū)內(nèi)的通信基站提供了新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝曉峰，范星河.燃料電池技術(shù) [J].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 衣寶廉.燃料電池-原理及應(yīng)用 [J].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：徐韶清，工程師，主要從事通信行業(yè)電氣和電源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)工作；張林沖，工程師，主要從事通信行業(yè)電氣和電源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。