燃料電池在通信電源中的應用

曹長松

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海200092）

1 概 述

燃料電池是直接將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置。相比傳統的內燃機發電裝置，燃料電池具有高能效、低排放、低噪聲、可靠性高等優點，有望繼水力、火力、核能之后成為第四代發電裝置和替代內燃機的動力裝置。在固定發電裝置、分布電站、電動汽車、船舶、航天飛行器等領域有著現實的和潛在的巨大需求。特別是近年來，隨著傳統石油能源的日益枯竭、環境惡化等世界性問題日益突出、人們對能源的需求日益提高，作為一種清潔、高效的替代能源裝置，燃料電池發電技術逐漸成為新能源研究的熱點［1，2，3］。隨著燃料電池技術的發展成熟，生產成本的下降，燃料電池的應用將會得到進一步推廣。在通信電源領域，燃料電池替代柴油發電機或鉛酸蓄電池等傳統后備電源裝置也將成為行業發展的一個重要趨勢。

2 燃料電池的原理、分類及特性

2.1 燃料電池的工作原理

氫氧燃料電池的原理源于英國業余科學家 William Gr ove（1811－1896）的一次偶然發現。1839年他制作出世界上第一臺氫氧燃料電池。燃料電池具有與普通電池相似的結構，單只燃料電池也是由陽極（燃料電極）、陰極 （氧化劑電極）以及夾在兩電極間的電解質組成。所不同的是，普通電池是電能存儲裝置，而燃料電池是由外部提供燃料和氧化劑的能量轉換機器。原理上，只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排出，燃料電池就能持續地發電。這里以氫－氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理［2］，如圖1所示。

圖1 氫氧燃料電池工作原理

陽極反應：H2＋2OH－→2 H2O＋2e－；陰極反應：O2＋H2O＋2e－→2OH－；整個電池反應：H2＋O2→H2O。氫氧燃料電池產生電能的化學反應是電解水的逆過程。

不僅氫氣和氧氣可以分別作為燃料電池的燃料和氧化劑。理論上講，燃料電池的燃料可以是任何能夠被氧化的流體物質；同樣，氧化劑也可以是任何能夠以足夠的速度被還原的流體［4］。由于氫具有良好的活性，并且可以比較方便地從石化資源或可再生資源中獲取，目前發展中的燃料電池多以氫氣或者富含氫的化合物如甲烷作為燃料。而氧氣則是最容易獲取的氧化劑。所以，分別以氫氣和氧氣作為燃料和氧化劑的氫氧燃料電池成為燃料電池研究最主要的一個方向。

2.2 燃料電池的分類

燃料電池的分類方法有很多種，較為常用的是按電解質的類型進行分類。根據電解質的不同，燃料電池可分為5類［4］：AFC（堿性燃料電池）、PEMFC（質子交換膜燃料電池）、PAFC（磷酸燃料電池）、MCFC（熔融碳酸燃料電池）、SOFC（固態氧燃料電池）。這5類燃料電池在技術性能上各有優缺點，適用的范圍也各不相同。與AFC相比，PEMFC對CO、CO2的容許值較高；與PAFC、MCFC、SOFC相比，PEMFC的運行溫度較低，啟動時間很短，在幾分鐘內可達到滿負荷，是便攜式電源、電動汽車電源、小型固定電源的理想選擇。

從國外燃料電池發展現狀來看，PEMFC的研究和應用都處于較領先的地位。特別是在小型固定電源領域，PEMFC的比例達到90%以上［5］。

2.3 燃料電池的輸出特性

根據電化學理論，標準條件下，單只氫氧燃料電池的理想輸出電壓為1.23 V（反應生成液態水）或1.18 V（反應生成氣態水）［2］。由于燃料電池內部極化作用的影響，燃料電池的實際輸出電壓只有0.6～0.8 V，并且在不同的電流密度下，燃料電池的輸出電壓表現出明顯的非線性。

影響燃料電池輸出電壓的極化作用可分為3種：活化極化（Activation polarization）、歐姆極化（Oh mic polarization）、濃度極化（Concentration polarization）。活化極化是由電極的遲滯作用產生的；歐姆極化是由電解質和電極的電阻產生的；濃度極化是由反應物和反應生成物的濃度梯度產生的。3種極化作用的大小和電流密度的大小有關，活化極化在低電流密度時起主導作用，歐姆極化在正常工作區域起主導作用，濃度極化在高電流密度時起主導作用。由于燃料電池的極化作用，燃料電池的輸出電壓隨著電流密度的增大而降低。并因為不同電流密度下起主導作用的極化作用方式不同，燃料電池的電壓－電流密度曲線呈現如圖2所示的非線性。

3 燃料電池裝置的系統構成及特性

單只燃料電池的最大輸出直流電壓只有1.23 V或1.18 V，難以直接地應用在工程中。為形成具有一定電壓和功率輸出的實用電源裝置，需要將多個單只燃料電池通過串聯的方式連接成燃料電池堆。燃料電池堆的主要連接方式有層疊式和管套式兩種。

圖2 燃料電池電壓－電流密度曲線

另外，燃料電池還需要一套外圍的輔助設備用于對燃料、空氣、反應生成物和熱量的處理。如圖3所示的PEMFC發電裝置，燃料和空氣需要經過加濕和壓縮后以一定的壓強和比例分別輸送到燃料電池的陽極和陰極，經過反應后的剩余氫燃料，部分被循環壓縮后重新輸送至陽極，部分則被排出。陰極反應的生成物水需要及時地排出，因為電極如果被過多的水分淹沒，氧氣無法順利到達電極參與反應，燃料電池的輸出功率將會大幅降低。化學反應生成的熱量也需要及時地得到處理，以使燃料電池內部保持比較恒定的工作溫度。

圖3 燃料電池發電裝置系統簡圖

4 燃料電池供電系統在通信電源中的應用

通信設備的工作電源通常是－48 V的直流電，而且燃料電池發電裝置輸出的恰恰是直流電，這一點使其在通信行業的應用有比其它發電設備更具有天然的優勢。燃料電池發電裝置可以替代柴油發電機和鉛酸蓄電池，作為通信機房的備用電源設備使用。

4.1 燃料電池供電系統構成

燃料電池裝置可以與風能發電設備或太陽電池一起構成混合供電系統為偏遠的通信站提供電源，供電系統如圖4所示。由于氣象因素，風能和太陽能的供電時間不穩定，往往需要配置大容量的鉛酸蓄電池作為后備電源，以備在風能或太陽能裝置停止供電時，繼續為通信設備提供電源。而采用燃料電池作為后備的供電系統就可以大大降低鉛酸蓄電池的容量，只需配置小容量的鉛酸蓄電池，放電時間大于燃料電池啟動時間就足夠了。

在有市電供應的條件下，燃料電池裝置可以替代柴油發電機作為備用電源，圖5是比較典型的以燃料電池作為后備電源的系統框圖。

圖4 太陽能、燃料電池混合供電系統

圖5 燃料電池備用電源供電系統

考慮燃料電池的啟動時間，安裝小容量的鉛酸蓄電池作為過渡仍然是必要的。

4.2 燃料電池裝置與傳統電源設備的比較

柴油發電機和鉛酸蓄電池是通信行業傳統的備用電源設備。與柴油發電機和鉛酸蓄電池相比，燃料電池有很多獨特的優勢。

4.2.1 燃料電池裝置與柴油發電機的比較

與柴油發電機相比，燃料電池裝置具有高能效、低噪聲、低排放、高可靠性等優點。

（1）高能效

燃料電池是直接將燃料蘊含的化學能轉化為電能的裝置。而在柴油發電機組中，能量的轉換不但受卡諾循環的限制，而且能量的轉換環節也多，每次能量形式的轉換都不可避免地伴隨著能量的損耗，最終柴油發電機組的能效約為30%。理論上，燃料電池的能效可以達到50%，如果熱電聯用，燃料電池的能效甚至能達到80%以上。雖然適用于通信行業的PEMFC因為工作溫度低，不易做到熱電聯用，但是也能具有約40%的能效。設備的能效越高，對機房通風量、進排風孔道尺寸的要求就小。在當今日益擁擠的城市環境，機房通風有時也會成為機房發展的瓶頸，而高能效的燃料電池無疑可以緩解這樣的瓶頸問題。

（2）低噪聲

柴油發電機組的噪聲源主要有兩部分：燃料的爆炸燃燒和機械傳動。由于燃料電池堆中不存在機械傳動的部件，化學反應也沒有劇烈燃燒的過程，燃料電池堆本身幾乎不產生噪聲。盡管燃料電池堆外圍的壓縮機、過濾器等輔助設備會增加一些噪聲，但整體上燃料電池發電裝置的噪聲也遠遠低于相同功率的柴油發電機。以5 k W燃料電池發電裝置為例，距設備1 m的噪聲僅為53 d B，而相同功率柴油發電機的噪聲約為80 d B。燃料電池發電裝置替代柴油發電機組無疑可以節省機房消聲降噪的費用以及消聲降噪裝置的安裝空間。

（3）低排放

燃料電池是以氫氣、天然氣、甲烷等作為燃料的，由于這些燃料本身不會像柴油在燃燒的過程中產生大量的一氧化碳、二氧化硫、氮氫化合物等大量的污染物。因此相比柴油發電機，燃料電池的污染物排放也小很多。并且，適用于通信行業的PEMFC是以氫氣作為燃料的，其排放物只是純凈水，不會對大氣環境產生任何污染。盡管氫氣不是一種天然的物質，氫氣的制備也需要消耗傳統的能源，燃料電池技術不能算作低碳技術，但對改善城市空氣質量還是具有積極的作用。

（4）可靠性高

目前燃料電池裝置的MTBF（平均無故障間隔時間）約為2 000～4 000 h，遠大于一般柴油發電機1 000 h的MTBF。另外，由于燃料電池沒有機械傳動部分，可以很方便地制造成模塊化的結構。多個燃料電池模塊以N＋X（N為主用模塊數量，X為冗余模塊數量）并聯冗余運行，能夠進一步提高系統的供電可靠性［6］。圖6展示的是一款模塊化的燃料電池發電裝置，燃料電池模塊插接在燃料電池框中，可以在線插拔而不影響系統的正常運行。

圖6 模塊化燃料電池發電裝置

但是，燃料電池裝置與柴油發電機相比，存在成本高、壽命較短等缺點。

（1）成本高

燃料電池成本高體現在兩個方面，一是初次投資的成本高，二是運行成本高。就目前的制造工藝來講，PEMFC的兩個電極以及催化劑都離不開貴重金屬——鉑的使用，這是燃料電池裝置價格居高不下的一個最重要原因。而柴油發電機的制造技術已經非常成熟了，所需要的材料也比較普通、低廉。目前固定式PEMFC發電裝置的價格約為2 500～4 500美元／千瓦，而柴油發電機的價格約為800～1 500美元／千瓦。PEMFC采用的燃料是從天然氣、煤氣、氨氣等物質中提取的工業純氫氣，目前在美國的市場售價約為8.3美元／千克。每千克氫氣大概可以產生11.8度電能，那么用燃料電池發電的成本大概為0.70美元／度，折合人民幣4.78元／度。而柴油發電機產生1度電大約消耗0.27升柴油，目前國內柴油的價格約為7元／升，那么柴油發電機的發電成本約為1.89元／度。無論是初次安裝成本或是運行成本，燃料電池發電裝置均遠高于柴油發電機組。

（2）壽命短

目前燃料電池的使用壽命可以達到20 000 h，但與普通柴油發電機30 000 h的使用壽命還有不小的差距。

4.2.2 燃料電池與鉛酸蓄電池的比較

與鉛酸蓄電池比較，燃料電池具有占地面積小、重量輕、壽命長、低維護、低污染、對環境溫度適應性強等優點。

盡管難以將鉛酸電池和燃料電池的外形尺寸和重量做簡單的比較。因為鉛酸電池的反應物儲存在電池的內部，而燃料電池的反應物是外部提供的。但是通過一個例子可以對兩者的重量和外形尺寸的對比有一個直觀的了解。

以采用太陽電池作為主電源的中繼站為例，為保證夜晚和陰雨天時通信的暢通，必須配置后備電源。假設中繼站的負荷為200 W，當地最長連續陰雨天為10天，如單獨采用鉛酸蓄電池組作為后備電源，考慮蓄電池的自放電，需要安裝蓄電池的容量大概為－48 V／1 500 Ah。蓄電池組的重量約為3 000 kg，占地面積約為2 m2（二層安裝）。如采用Reli On燃料電池發電裝置作為后備電源，可安裝1臺滿架配置功率為1 000 W的Reli On模塊化燃料電池框。每臺燃料電池框可安裝5只200 W的模塊化燃料電池，燃料電池框的外形尺寸為44.5c m×69c m×51c m，重量為66 kg可安裝在60 c m×90 c m的機架（重量約為50 kg占地面積為0.54 m2），考慮燃料電池啟動時間并避免燃料電池頻繁啟動，另配置－48 V／100 Ah（重量約為150 kg）的蓄電池組做短時間的備用電源，可與燃料電池發電裝置安裝在同一機架內。安裝2只200 W燃料電池模塊（1＋1并聯冗余）。燃料電池產生200 W的電能，每小時消耗的氫氣大概為17 g，1只氣壓為20 Mpa的高壓氫氣瓶（直徑為23 c m，高度為140 c m）可存儲900 g氫氣，4.5瓶高壓氫氣可滿足燃料電池連續工作10天的消耗量。每瓶的重量（含鋼瓶自重和氫氣重量）約為63 kg，以5瓶計算，鋼瓶總重量約為315 kg，占地面積僅為0.32 m2。加上燃料電池、－48 V／100 Ah的蓄電池組及機架的占地面積（0.54 m2）和重量（約270 kg），總的占地面積為0.84 m2，總重量約為585 kg。與－48 V／1 500 Ah的鉛酸電池相比，無論是占地面積還是重量均不到后者的一半。

在以太陽能或風能為主電源，蓄電池為備用電源的混合供電系統中，因為工作環境惡劣，蓄電池的壽命較低，一般2～3年就需要更新。而燃料電池不需充電，也不存在自放電的問題，不需要工作時可以完全停機。加上擱置壽命燃料電池可使用10年以上，遠高于蓄電池組。

鉛酸蓄電池對環境溫度要求較高，當溫度降低時，不但影響電池的放電量而且影響電池的壽命，而燃料電池的工作幾乎不受環境溫度的影響。另外，由于含有有毒重金屬物質，容易對環境造成污染，對于廢舊鉛酸電池的處理往往也需要一筆可觀的費用，而燃料電池不含有毒有害物質，設備報廢后，其中的貴重金屬可回收再利用。目前的燃料電池系統往往具備通信功能，方便遠端監控。平時燃料電池也無需維護，相比鉛酸電池要定期維護要簡單得多。

與鉛酸電池相比，燃料電池裝置的缺點依然是成本過高，另外，鉛酸電池組的結構更簡單，輸出無需經過變換器，可靠性要優于燃料電池裝置。

4.3 燃料電池在通信行業的應用情況及存在的問題

在推進燃料電池的研究和應用上，世界上許多國家給予了鼓勵政策。如英國技術戰略委員會2009年向11個燃料電池和氫能源技術的發展項目提供了總值約9百萬英鎊的資助，美國能源部向46個新能源研究機構提供了總值377百萬美元的資助，另外，美國財政部和能源部聯合推出了一項稅收抵免（Tax Credit）計劃，在2年內對燃料電池生產商給予總值為23億美元的稅收減免。韓國政府推出一項長期政策，給予購買家用燃料電池裝置的家庭高達80%購買價的財政補貼［7］。

國外通信企業也較早就開始了燃料電池的試驗性應用。早在2002年，美國在位于紅木國家公園的中繼站中安裝了一套太陽能、燃料電池混合供電系統，以滿足公園管理部門禁止在自然保護區內安裝產生噪聲或污染設備的要求［8］。2006年，意大利電信與燃料電池生產商Reli On開展合作，分別在意大利電信的3個通信機房各安裝了一套系統功率為5 k W的模塊化燃料電池發電裝置，就燃料電池的性能、可靠性、能效以及與機房既有設備的兼容性進行了為期6個月的測試并得到了良好的測試結果，并在接下來的測試階段，將測試地點擴大為23個通信機房［9］。

從上述資料看，國外通信行業對燃料電池的應用主要集中在小功率裝置的應用，而且應用階段也處于試驗性應用階段。

影響燃料電池推廣應用的原因除成本因素外，還存在著其它不容忽視的問題。首先是氫氣供應的基礎設施不完善。氫氣從原料到最終用戶需要有生產、存儲、運輸、配送等完整的產業鏈條和相關的基礎設施。一些發達國家已經開始相關基礎設施的發展，例如在美國的某些加油站已經增加了提供氫氣的設施，但是普及程度還遠遠不足。而國內相關產業的發展還幾乎為零。另外一個重要的問題是相關建設法規的不健全。目前，燃料電池的產品性能標準、安裝場所的消防標準要求在國內和國外許多國家的設計規范里還是空白，給燃料電池的應用安裝設計和相關部門的監管工作都帶來操作上的難度。

目前，由于國內燃料電池研究和應用的相對落后，有關燃料電池成本的相關資料不完善，測算數據一般引用國外的。由于價格體制的差異和產品關稅等因素，需要根據國內的實際情況對燃料電池的成本進行核算，使燃料電池的應用不但要做到技術先進，還要做到經濟合理。

5 燃料電池的發展應用前景展望

價格昂貴是阻礙燃料電池大規模推廣應用的最主要原因。而價格昂貴的主要原因是貴重金屬的使用（目前約為1 000美元／千瓦）。世界上主要的燃料電池開發商或研究機構紛紛將研究重點放在開發新材料以降低或取代貴重金屬的使用；改進現有技術，增大燃料電池的電流密度，以降低燃料電池的制造成本。以美國為例，美國能源部制定了詳細的燃料電池發展計劃。其中目標之一是到2012年將固定式燃料電池的價格降低至400美元／千瓦，燃料電池將在價格上具備與柴油發電機相競爭的實力。

目前我國的燃料電池生產廠家將研究重點放在車載燃料電池上，但也開發出了小型固定式燃料電池發電裝置。國內許多大學和研究機構也在進行著燃料電池的應用研究，正努力縮小與發達國家在燃料電池技術上的差距。相信在不久的將來，我國市場上也會出現價格具有競爭力的、擁有自主知識產權的燃料電池產品。

6 結束語

人們對燃料電池這種新能源裝置的研究和應用方興未艾。與國際上燃料電池在通信行業的應用相比，我國還存在不小的差距。在產業政策上，我國也缺乏具體的鼓勵措施，在配套基礎設施的建設上，在有關的法律、法規的制定上也相對落后。

隨著技術的發展，燃料電池制造成本的下降，配套設施的逐漸完善，國家鼓勵政策的推進，燃料電池作為一種高效節能、環境兼容性高的發電裝置，將會在通信行業中得到廣泛的應用。燃料電池的基本原理和應用技術將會是通信電源從業人員所必須掌握的。國內通信運營商應積極開展燃料電池在通信行業的應用試驗并開展成本測算的研究，參與和推動國家相關政策、規范的建立、制定，迎接燃料電池時代的到來。

［1］ Thomas Le.Fuel Cells：The Epidemic of the Fut ure［C］.

［2］ Brian Cook.Introduction to f uel cells and hydrogen technology［J］.Engineering Science and Education Jour nal，2002，（12）：205－216.

［3］ Laughton M A.Fuel Cells［J］.Engineering Science and Education Jour nal，2002，（11）：7－16.

［4］ Fuel Cell Handbook（Seventh Edition）［Z］.EG＆G Technical Services，Inc，2004.

［5］ Small Stationary Survey 2009.Fuel Cell Today［EB／OL］.Http：www.f uelcelltoday.com

［6］ Joe Blanchard.Site Reliability：Fuel Cells Add Reliability to Teleco m Sites［C］.2007：563－567.

［7］ Fuel Cell Industr y Report［Z］.October 2009.

［8］ Lehman P，Chamberlin C，Zoellick J，Engel R，Rommel D.Fuel Cell／Photovoltaic Integrated Power System for a Remote Teleco mmunications Repeater［C］.Manuscript for 14th World Hydrogen Ener gy Conference，2002.

［9］ To masi A，Concina M，Grossoni M，Caracino P，Blanchard J.Fuel Cells as Backup Power f or Italian Telecommunication Sites［C］.Intelec 2006 Proceedings，2006.