氫燃料電池在通信基站中的應(yīng)用

郭清江

（福建省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福建 福州 350001）

氫燃料電池在通信基站中的應(yīng)用

郭清江

（福建省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福建 福州 350001）

氫燃料電池作為當(dāng)今被看好的新能源之一，有著清潔、高效等優(yōu)點。作為新清潔能源，相對于傳統(tǒng)后備電源，集諸多優(yōu)點于身，使其在通信領(lǐng)域作為后備電源應(yīng)用成為可能。隨著以儲氫罐、加氫站、輸氣管道等相關(guān)氫經(jīng)濟配套的發(fā)展與環(huán)保呼聲的日益高漲，燃料電池的廣泛商業(yè)化將成為可能。文章對氫燃料電池在通信基站中的應(yīng)用進行研究。

氫；氫燃料電池；氫經(jīng)濟

1 氫燃料電池簡介

氫燃料電池是使用氫氣制造成儲存能量的電池。其原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達陽極[1]。

氫氣與電能轉(zhuǎn)換裝置主要由3部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)。其中，陽極為氫電極，陰極為氧電極，兩極板填充電解質(zhì)；陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)[2]。氫燃料電池電化學(xué)反應(yīng)與系統(tǒng)工作方框如圖1所示。

圖1 氫燃料電池電化學(xué)反應(yīng)與系統(tǒng)工作方框

氫燃料電池系統(tǒng)包含以下幾個部件：燃料電池發(fā)電單元、DC/DC直流穩(wěn)壓單元、系統(tǒng)控制器、監(jiān)控單元、動力環(huán)境傳感器、氣體安全告警單元、氫氣氣瓶、氣體連接管路。

燃料電池技術(shù)在全球的開發(fā)極為活躍。美國是研究燃料電池最早的國家，處于該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。中國對氫能的研究與發(fā)展可以追溯到70年代初，在氫燃料電池領(lǐng)域取得重大進步，并應(yīng)用于航天領(lǐng)域[3]。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，氫燃料電池在通信、醫(yī)療、汽車等各行業(yè)不斷推廣使用。

2 氫燃料電池與傳統(tǒng)備用電源的供電模式對比

通信電源系統(tǒng)被譽為整個機房的心臟，其重要性不言而喻；通信電源系統(tǒng)要求高可靠供電；其可靠性通常由備用電源系統(tǒng)保證，傳統(tǒng)的備用電源設(shè)備有閥控鉛酸電池，交流柴油發(fā)電機。各種備用電源的供電模式如下[4]。

2.1 燃料電池做新型“油機”使用

新型的備用電源系統(tǒng)有燃料電池等，氫燃料電池系統(tǒng)是一種新型的將氫能源轉(zhuǎn)化為電能的一種備用電源裝置，該系統(tǒng)具有自動供電切換、集中監(jiān)控、燃料電池管理等功能，滿足基站無人值守要求；該系統(tǒng)可以替代油機使用，市電正常時，以交流供電為主，經(jīng)過整流器與直流配電單元給負(fù)載供電；當(dāng)市電停止時，啟動燃料電池系統(tǒng)，通過DC-AC逆變穩(wěn)壓后替代市電供電。

2.2 燃料電池做新型“電池”使用

氫燃料電池系統(tǒng)?？梢耘c通信機房開關(guān)電源配合使用，市電正常時，以交流供電為主，經(jīng)過整流器與直流配電單元給負(fù)載供電；當(dāng)市電停止時，依托燃料電池系統(tǒng)控制器，通過監(jiān)控交流市電輸入狀態(tài)、直流電輸入狀態(tài)、直流輸出狀態(tài)，適時啟動燃料電池系統(tǒng)，通過DC-DC穩(wěn)壓后直接給直流負(fù)載供電。

2.3 傳統(tǒng)交流油機與鉛酸電池

交流油機通常與市電配合使用。當(dāng)市電正常時，以交流供電為主，經(jīng)過整流器與直流配電單元給負(fù)載供電；當(dāng)市電停止供應(yīng)時，機房直流負(fù)載由蓄電池提供不間斷供電，依托市油切換控制系統(tǒng)，發(fā)動油機給高頻開關(guān)電源供電，從而提供可持續(xù)的備用交流電源。

以上兩種備用電源中具體對比如表1所示。

表1 燃料電池和交流油機與電池的對比

3 氫燃料電池在基站機房的測試

為驗證氫燃料電池系統(tǒng)在基站機房的實際應(yīng)用效果，本人參與某運營商協(xié)同氫燃料電池廠家，組織相關(guān)技術(shù)骨干人員對某基站對氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品試點測試；本次測試某產(chǎn)品型號HH-RQ2000氫燃料電池系統(tǒng)，測試時間為：2017-6-15 9:30。本次對氫燃料電池產(chǎn)品的測試在線（RRU）測試。

3.1 測試工具

實際帶載RRU的在線測試地點是某基站，測試時間為：_________ ，測試工具明細(xì)如表2所示。

表2 測試工具明細(xì)

3.2 測試項目匯總

測試項目匯總?cè)绫?所示。

表3 測試項目匯總

3.3 具體測試內(nèi)容

3.3.1 主機外觀與結(jié)構(gòu)測試

（1）標(biāo)準(zhǔn)要求：系統(tǒng)外表應(yīng)清潔，無機械損傷，接口觸點無銹蝕；系統(tǒng)表面應(yīng)有必須的產(chǎn)品標(biāo)識，且標(biāo)識清楚；系統(tǒng)的通信接口、電源接口、干接點接口等應(yīng)有明確的標(biāo)識；燃料電池的正、負(fù)極端子及極性應(yīng)有明顯標(biāo)記，便于連接；燃料電池的外觀不應(yīng)有裂紋、污跡及明顯變形。

（2）測試方法：目測檢查系統(tǒng)的外觀與結(jié)構(gòu)，觀察是否符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）測試結(jié)果：滿足測試要求。

3.3.2 切換測試

（1）標(biāo)準(zhǔn)要求：市電來電，燃料電池系統(tǒng)20 s內(nèi)正常關(guān)閉；市電斷電，燃料電池系統(tǒng)20 s內(nèi)正常開啟。

（2）測試方法：開、關(guān)閉市電空開模擬市電來電、市電斷電。

（3）測試結(jié)果：市電來電，燃料電池系統(tǒng)15 s內(nèi)正常關(guān)閉；市電斷電，燃料電池系統(tǒng)18 s內(nèi)正常開啟。

3.3.3 工作狀態(tài)測試

（1）標(biāo)準(zhǔn)要求：系統(tǒng)直流輸出電壓額定值為48 V，可調(diào)節(jié)范圍為43.2～57.6 V，輸出電壓在其可調(diào)范圍內(nèi)應(yīng)能手動或自動連續(xù)可調(diào)。

（2）測試方法：啟動燃料電池供電系統(tǒng)，接直流燈泡假負(fù)載，調(diào)節(jié)旋鈕，用萬用表測量輸出給負(fù)載兩端電壓。

（3）測試結(jié)果：輸出電壓53.6 V，滿足測試要求。

3.3.4 噪音測試

（1）標(biāo)準(zhǔn)要求：室內(nèi)型氫燃料電池供電系統(tǒng)正常運行時的噪音應(yīng)不大于55 dB。

（2）測試方法：系統(tǒng)輸出為額定線性負(fù)載滿載，氫燃料電池供電系統(tǒng)在正常運行時的噪音應(yīng)不大于65 dB。工作狀態(tài)時，在設(shè)備正前方1 m、高度的1/2處用聲級計測量。

（3）測試結(jié)果：系統(tǒng)運行時噪音為64 dB。滿足測試要求。

3.4 測試結(jié)論

經(jīng)過多次現(xiàn)場離線測試，對每一項具備測試條件的項目進行嚴(yán)格測試，期間有出現(xiàn)DC-DC變換器輸出電壓不穩(wěn)的不正?，F(xiàn)象，后經(jīng)多次技術(shù)排查后確認(rèn)為國產(chǎn)DC-DC變換器質(zhì)量不穩(wěn)所致，經(jīng)過更換采用進口DC-DC變換器后，各項測試指標(biāo)均正常，測試期間系統(tǒng)額定功率運行正常、負(fù)載伏安特性良好、過載能力強，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定。

4 經(jīng)濟分析

為比較不同后備電源系統(tǒng)在戶外場景下的使用成本，以通常電源系統(tǒng)15年的使用壽命比較各種供電模式的使用成本，電源系統(tǒng)設(shè)計容量按照帶載能力1 kW計列，后備時間按照10 h，具體比較如下。

4.1 建設(shè)成本比較

（1）燃料電池：按照帶載1 kW，配置1套48 V/20 A系統(tǒng)；（按照電池使用）。

（2）交流油機：按照帶載1 kW，配置1臺5 kW交流油機。

4.2 維護成本比較

（1）燃料電池：燃料電池系統(tǒng)按模塊化系統(tǒng)設(shè)計，電堆與DC變換器可以熱插拔，其維護成本近乎零，氫燃料罐更換猶如家用燃?xì)馄?，操作簡易，無需專業(yè)維護人員。

（2）交流油機：交流油機的備用電源系統(tǒng)定位，使得油機通常處于待業(yè)狀態(tài)，為確保滿足應(yīng)急供電需要，需要定期更換三濾一油并進行相應(yīng)保養(yǎng)，定期試機，需要配備專業(yè)維護人員。

4.3 運營成本比較

（1）燃料電池：氫燃料電池的工作溫度范圍為-20～45 ℃，遠遠高于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，對工作環(huán)境溫度適應(yīng)能力強，加上系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率低，運營期間不需要額外的開支，只需要根據(jù)實際場景發(fā)電需要補充氫氣燃料。

（2）交流油機：交流油機技術(shù)成熟，設(shè)計使用壽命長，在通信機房應(yīng)急電源系統(tǒng)大量使用，在運營期間只需要根據(jù)實際場景發(fā)電需要補充燃油，運營費用低。

綜上，不同的備用電源因其各自技術(shù)所長，在建設(shè)成本、運營維護成本都各不相同，具體費用比較如表4所示。

表4 不同的備用電源具體費用比較

根據(jù)以上比較分析，我們得知，氫燃料電池作為備用油機，年平均使用成本為2.33萬元，氫燃料電池作為備用電池年平均使用成本為6.366萬元，交流油機的年平均使用成本為4.6萬元，氫燃料電池具有較高性價比。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)備用電源系統(tǒng)比，氫燃料電源系統(tǒng)具有較高經(jīng)濟效益。通過本次氫燃料電池系統(tǒng)測試，氫燃料電池系統(tǒng)測試的各項主要指標(biāo)正常，測試期間系統(tǒng)額定功率運行正常，負(fù)載伏安特性良好，過載能力強，系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，后備時間可控?，F(xiàn)有氫燃料電池系統(tǒng)也存在體積大、安裝空間大、搬運不便、氫氣源保障、氫氣使用成本高昂等諸多需要進一步完善的地方。

綜上，氫燃料電源系統(tǒng)低碳環(huán)保、符合國家新能源應(yīng)用方向，具有良好的市場前景；作為替代備用油機使用具有成本優(yōu)勢，可以將大額度的油機固定投資變成流動資產(chǎn)，使有限資源調(diào)配最優(yōu)化，可以產(chǎn)生巨大社會經(jīng)濟效益。

[1] 閆衛(wèi)東，奚甡，劉吉祥.國內(nèi)外氫能發(fā)展概況[J].中國能源，2003（2）：17-20.

[2] 畢道治.中國燃料電池的發(fā)展[J].電源技術(shù)，2000（2）：103-107.

[3] 郭彥申，李進壯，王曉峰.氫燃料電池在通信電源工程中的應(yīng)用[C].沈陽：遼寧省通信學(xué)會通信網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)年會，2013.

[4] 張乃國，張凡.氫燃料電池的特點及應(yīng)用[C].北京：第十四屆北京科技交流學(xué)術(shù)月綠色低碳新能源新技術(shù)國際研討會，2011.

Application of hydrogen fuel cell in communication base station

Guo Qingjiang

（Fujian Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Co., Ltd., Fuzhou 350001, China）

As one of the new energy sources favored today, hydrogen fuel cells have the advantages of being clean and ef fi cient. As a new clean energy, compared with the traditional backup power, set a lot of advantages in the fi eld of communication as a backup power supply possible. With the hydrogen storage tank, hydrogen refueling stations, gas pipelines and other related economic development of hydrogen and environmental protection voices are on the rise, the widespread commercialization of fuel cells will be possible. This paper studies the application of hydrogen fuel cell in communication base station.

hydrogen; hydrogen fuel cell; hydrogen economy

郭清江（1982— ），男，福建惠安人，工程師，學(xué)士；研究方向：通信電源。