燃料電池技術在通信行業的應用

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反應裝置，它直接將化學能轉化為電能。燃料電池的工作原理不同于熱機，沒有中間過程，不受內燃機的熱力學特性（如卡諾循環）限制，理論上可以獲得更高的效率。作為發動機使用時，直接使用氫氣的質子交換膜燃料電池所獲得的效率是傳統內燃機的兩倍。純氫燃料電池的反應產物只是水、熱和電能，綠色，無污染，所以與之相關的技術被認為是解決化石能源短缺和環境污染問題的戰略性高新能源技術之一。

燃料電池根據其使用的電解質類型可分為：質子交換膜燃料電池（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）。質子交換膜燃料電池工作溫度相對較低，因采用固體電解質而具備更好的穩定性，其生成的副產物為純水而不存在腐蝕問題，電流密度高，且響應速度快、使用壽命長。因此，是現階段燃料電池研究的重點之一，也是中小功率燃料電池電源動力系統首選的應用對象。

燃料電池單體是由兩個電極夾著電解質的“三明治”結構，如圖1所示。

圖1 質子交換膜燃料電池工作原理圖

質子交換膜的特性是可以通過質子，而電子不能通過。氫氣通過陽極板上的流道至陽極表面，然后經擴散層到達催化層，在催化劑的作用下，發生如下的電極反應：

陽極反應釋放的電子經外電路到達陰極，氫離子則穿過質子交換膜到達陰極。在催化劑的作用下，氧和氫離子在陰極反應生成水：

完整的燃料電池反應過程可以表示為：

通過上述反應，氫和氧被消耗，相應的化學能轉化為電能（Ee）。同時，反應生成熱能（Heat）和水，生成的水通過電極流場隨反應的尾氣排出。

燃料電池技術為清潔能源系統的利用提供了一條新的途徑。氫的來源廣泛，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的能源載體，從而有效降低當前能源系統的碳排放。而燃料電池技術具有不受卡諾循環的限制，能量轉換率高，零排放，無噪音等諸多優點，可廣泛應用于交通工具、固定式發電、物料搬運、備用電源和便攜式電源等諸多方面。

2 燃料電池的應用現狀與應用領域

隨著氫燃料電池技術的進步，以美、德、日等國為代表的發達國家政府也不斷為氫能與燃料電池技術的發展和商業化提供政策和資金支持。2013年，世界已經看到了氫能與燃料電池商業化的曙光，目前商業化進展最為迅速的是車用領域與通信領域固定式應用（主要是在通信領域的應用）。

2.1 燃料電池在車用領域的應用現狀與商業化進展

燃料電池技術在車用領域的應用經過十余年的積累，商業化進程在2013年取得突破式的進展。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計劃。最引人注目的動態是全球汽車巨頭紛紛抱團，結成了燃料電池汽車開發的三大聯盟。2013年1月24日，將FCV定位為“終極環保車”的豐田汽車公司與寶馬集團就向寶馬提供FCV技術，雙方合作進行開發一事正式達成了協議。其中，豐田計劃在2015年左右讓自行研發的燃料電池車投入市場，而寶馬則預計在2013年完成燃料電池車技術轉讓，在2015年推出實驗車，并于2020年上市。4天后的1月28日，日產雷諾集團、戴姆勒集團及福特汽車公司宣布，三方將合作推進FCV的開發，三公司將開發相同的系統，并于2017年發售量產車型。7月2日，本田和通用汽車發布聯合聲明，宣布將展開新一代氫燃料電池系統以及氫儲存科技的長期合作。在發布聯合聲明之際，本田宣布將于2015年在日本和美國陸續推出接替FCXClarity的新一代燃料電池汽車，而歐洲市場則緊接在后；通用汽車方面則表示會在另一個時間點透露氫燃料電池車的量產時間點。各大汽車巨頭的強強聯合有利于增強他們各自的技術實力，分擔市場化風險，通過共享技術和共用通用部件來降低開發成本，加快氫燃料電池市場化推廣的步伐。

2013年另一個奪人眼球的汽車制造商是韓國的現代。2013年2月，現代成為首個啟動燃料電池汽車批量生產線的公司。現代在韓國蔚山工廠全球首次量產獨立研發的17輛氫燃料電池版ix35，其中15輛運往丹麥，2輛運往瑞典，這些車已于4月正式在歐洲政府及公共機關交付使用。而在11月的洛杉磯車展中，現代發布了途勝ix35燃料電池車型并聲明該車開始在加州地區租賃。費用標準為36個月的合約期，每個月繳納499美元的租車費用即可享受到搭載先進技術的途勝ix35燃料電池車。據報道，現代計劃于2015年開始以每年10，000輛的產量生產燃料電池汽車，根據全球加氫基礎設施的建設情況而定，價格大概在50，000美元左右。

另外，2013年3月，巴拉德與大眾集團簽署了高達1億美元的協議。協議有效期4年，主要工作是設計和制造大眾HyMotion示范車使用的燃料電池。巴拉德將負責燃料電池設計、以及測試和集成工作等關鍵領域技術的開發與支持。

國內在燃料電池汽車整車產業化方面走在最前列的是上汽，上汽聯合弗爾賽、大連新源等燃料電池電堆生產商進行車用電堆的開發，并計劃于2015年實現100輛燃料電池汽車的量產和銷售，國產商業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用范圍也很廣泛。可廣泛主動力應用于叉車、觀光車和作為增程器用于郵政物流車和快遞車。目前商業推廣最成熟的是物資搬運中采用的叉車用小功率燃料電池。美國PLUG power公司生產的Gendrive燃料電池動力裝置廣泛應用在美國和歐洲的倉儲領域。沃爾瑪、可口可樂、寶馬及維戈斯曼公司都是他的固定客戶，目前在全球領域的應用量已達3 500套。在增城式燃料電池應用領域，美國的Fedex和法國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 燃料電池在通信領域的應用現狀與商業化進展

在固定式電源領域，和車載環境相比較，燃料電池工作環境的溫度濕度條件更好；環境氣體對其影響更小；負載變化相對穩定；無需抗振要求，更能發揮燃料電池系統的優越性，尤其是作為通信用應急電源。目前基站中普遍使用的傳統鉛酸蓄電池應急電源環境適應性差，必須全天候依賴空調保證其工作環境溫度，大量地浪費了通信基站的空調設備能量。同時鉛酸蓄電池在生產回收過程中帶來的較嚴重的長期環境污染；在一些供電情況不穩定、不可遇見的自然災害（如2008年我國南方雪災）等情況下，傳統的應急電源在連續供電持續時間、可靠性及耐久性等方面都受到較大的技術制約，無法完成不間斷提供通信服務的基本要求。燃料電池應急發電電源不僅可以有效地替代現有傳統的鉛酸蓄電池，并且還能較好地替代柴油發電機；它無污染、噪音輕、可持續工作、可擴展、環境適應性好、狀態可預估、可遠程監控、長壽命、具有較長的維護周期，這些特點能夠完全滿足通信行業對綠色環保電源的要求。全球范圍內通信用燃料電池應急／備用電源成熟的商業化應用已有5年以上的時間，應用規模已達到了近萬套級，出現了一批能夠規模化生產燃料電池備用電源的廠家，例如BALLARD、IDATECH、RELION、HYDROGENICS、ALTERGY等。

伴隨著國內4G網絡建設的加速和行業新型綠色環保基站建設的需求，我國燃料電池備用電源的技術與應用的發展速度迅猛。目前在三大電信運營商的運行網絡中已有百余套燃料電池備用電源投入使用。國內有能力提供滿足通信行業需求的燃料電池電源產品的企業有弗爾賽能源、武漢銀泰、上海恒勁與上海攀業等。其中自2009年起，弗爾賽能源有限公司與上海電信空調與能源中心、上海市信產通信服務有限公司合作開發生產的燃料電池備用電源系統就在上海電信投入使用，產品歷經數年的在線實際考核與改進優化，已通過信息產業通信電源產品質量監督檢驗中心質量檢測，在安全性保護告警、性能以及效率等方面均達到或優于檢測依據標準中所規定的要求。并于2013年通過德國TUEV的CE檢測。目前累計已有30余套弗爾賽生產的燃料電池電源分別在中國移動、中國聯通與中國電信的基站網絡中使用，是目前國內最大的燃料電池備用電源在線運行網絡，產品累積啟停次數達1 200多次，啟動成功率達100%；滿載響應時間小于1分鐘，優于行業標準；累計發電時間已達1 370.5小時；累計無故障待機8 118天，其中單機最長待機時間為1 087天。

在近三年的運行期內，弗爾賽的燃料電池備用電源產品經歷了高溫、臺風與暴雨等惡劣環境的考驗，整體產品工作正常，并在多次基站市電自然中斷的情況下，為基站通信設備供電，體現了較好的穩定性及可靠性。2013年5月30日上海移動嘉定某基站市電中斷，燃料電池自動啟動，為基站通信設備連續供電超過17小時，確保了基站的正常工作；得到了客戶的認可。預計至2014年底，還將有將有約六十套弗爾賽的產品投入運行。

3 燃料電池在我國通信行業應用的現狀與前景

我國擁有世界上規模最大的移動和固定通信網絡，截至2012年，三大電信運營商已建成基站超過130萬個，伴隨著基站總數快速增長和4G網絡建設的加速，基站備用電源用鉛酸蓄電池的數量還將以每年10萬量級的數量增長，大量使用鉛酸蓄電池引起的巨大能耗和環境污染問題進一步凸顯。從2008年開始，中國移動、中國電信和中國聯通紛紛開展“綠色行動”，進行行業的節能減排，質子交換膜燃料電池被三大運營商公認為是通信行業實現節能減排、緩解環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培育和成長期，預計到2016年，全國各類型基站中投入運行的燃料電池備用電源將達到1 000臺；根據三大通信運營商“綠色行動計劃”中所規劃節能減排和可持續發展目標，到2020年通信基站用燃料電池電源數量將達到萬套級。

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