氫燃料電池在通信基站中的應用

郭清江

（福建省郵電規劃設計院有限公司，福建 福州 350001）

氫燃料電池在通信基站中的應用

郭清江

（福建省郵電規劃設計院有限公司，福建 福州 350001）

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

氫；氫燃料電池；氫經濟

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，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發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極[1]。

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

圖1 氫燃料電池電化學反應與系統工作方框

氫燃料電池系統包含以下幾個部件：燃料電池發電單元、DC/DC直流穩壓單元、系統控制器、監控單元、動力環境傳感器、氣體安全告警單元、氫氣氣瓶、氣體連接管路。

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

隨著社會經濟的發展，氫燃料電池在通信、醫療、汽車等各行業不斷推廣使用。

2 氫燃料電池與傳統備用電源的供電模式對比

通信電源系統被譽為整個機房的心臟，其重要性不言而喻；通信電源系統要求高可靠供電；其可靠性通常由備用電源系統保證，傳統的備用電源設備有閥控鉛酸電池，交流柴油發電機。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有燃料電池等，氫燃料電池系統是一種新型的將氫能源轉化為電能的一種備用電源裝置，該系統具有自動供電切換、集中監控、燃料電池管理等功能，滿足基站無人值守要求；該系統可以替代油機使用，市電正常時，以交流供電為主，經過整流器與直流配電單元給負載供電；當市電停止時，啟動燃料電池系統，通過DC-AC逆變穩壓后替代市電供電。

2.2 燃料電池做新型“電池”使用

氫燃料電池系統常可以與通信機房開關電源配合使用，市電正常時，以交流供電為主，經過整流器與直流配電單元給負載供電；當市電停止時，依托燃料電池系統控制器，通過監控交流市電輸入狀態、直流電輸入狀態、直流輸出狀態，適時啟動燃料電池系統，通過DC-DC穩壓后直接給直流負載供電。

2.3 傳統交流油機與鉛酸電池

交流油機通常與市電配合使用。當市電正常時，以交流供電為主，經過整流器與直流配電單元給負載供電；當市電停止供應時，機房直流負載由蓄電池提供不間斷供電，依托市油切換控制系統，發動油機給高頻開關電源供電，從而提供可持續的備用交流電源。

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在基站機房的實際應用效果，本人參與某運營商協同氫燃料電池廠家，組織相關技術骨干人員對某基站對氫燃料電池系統產品試點測試；本次測試某產品型號HH-RQ2000氫燃料電池系統，測試時間為：2017-6-15 9:30。本次對氫燃料電池產品的測試在線（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：_________ ，測試工具明細如表2所示。

表2 測試工具明細

3.2 測試項目匯總

測試項目匯總如表3所示。

表3 測試項目匯總

3.3 具體測試內容

3.3.1 主機外觀與結構測試

（1）標準要求：系統外表應清潔，無機械損傷，接口觸點無銹蝕；系統表面應有必須的產品標識，且標識清楚；系統的通信接口、電源接口、干接點接口等應有明確的標識；燃料電池的正、負極端子及極性應有明顯標記，便于連接；燃料電池的外觀不應有裂紋、污跡及明顯變形。

（2）測試方法：目測檢查系統的外觀與結構，觀察是否符合上述標準要求。

（3）測試結果：滿足測試要求。

3.3.2 切換測試

（1）標準要求：市電來電，燃料電池系統20 s內正常關閉；市電斷電，燃料電池系統20 s內正常開啟。

（2）測試方法：開、關閉市電空開模擬市電來電、市電斷電。

（3）測試結果：市電來電，燃料電池系統15 s內正常關閉；市電斷電，燃料電池系統18 s內正常開啟。

3.3.3 工作狀態測試

（1）標準要求：系統直流輸出電壓額定值為48 V，可調節范圍為43.2～57.6 V，輸出電壓在其可調范圍內應能手動或自動連續可調。

（2）測試方法：啟動燃料電池供電系統，接直流燈泡假負載，調節旋鈕，用萬用表測量輸出給負載兩端電壓。

（3）測試結果：輸出電壓53.6 V，滿足測試要求。

3.3.4 噪音測試

（1）標準要求：室內型氫燃料電池供電系統正常運行時的噪音應不大于55 dB。

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

（3）測試結果：系統運行時噪音為64 dB。滿足測試要求。

3.4 測試結論

經過多次現場離線測試，對每一項具備測試條件的項目進行嚴格測試，期間有出現DC-DC變換器輸出電壓不穩的不正常現象，后經多次技術排查后確認為國產DC-DC變換器質量不穩所致，經過更換采用進口DC-DC變換器后，各項測試指標均正常，測試期間系統額定功率運行正常、負載伏安特性良好、過載能力強，系統整體性能穩定。

4 經濟分析

為比較不同后備電源系統在戶外場景下的使用成本，以通常電源系統15年的使用壽命比較各種供電模式的使用成本，電源系統設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；（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：燃料電池系統按模塊化系統設計，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氣瓶，操作簡易，無需專業維護人員。

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

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 ℃，遠遠高于傳統鉛酸蓄電池，對工作環境溫度適應能力強，加上系統運行穩定，故障率低，運營期間不需要額外的開支，只需要根據實際場景發電需要補充氫氣燃料。

（2）交流油機：交流油機技術成熟，設計使用壽命長，在通信機房應急電源系統大量使用，在運營期間只需要根據實際場景發電需要補充燃油，運營費用低。

綜上，不同的備用電源因其各自技術所長，在建設成本、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 結語

與傳統備用電源系統比，氫燃料電源系統具有較高經濟效益。通過本次氫燃料電池系統測試，氫燃料電池系統測試的各項主要指標正常，測試期間系統額定功率運行正常，負載伏安特性良好，過載能力強，系統整體性能穩定，后備時間可控。現有氫燃料電池系統也存在體積大、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，氫燃料電源系統低碳環保、符合國家新能源應用方向，具有良好的市場前景；作為替代備用油機使用具有成本優勢，可以將大額度的油機固定投資變成流動資產，使有限資源調配最優化，可以產生巨大社會經濟效益。

[1] 閆衛東，奚甡，劉吉祥.國內外氫能發展概況[J].中國能源，2003（2）：17-20.

[2] 畢道治.中國燃料電池的發展[J].電源技術，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用[C].沈陽：遼寧省通信學會通信網絡與信息技術年會，2013.

[4] 張乃國，張凡.氫燃料電池的特點及應用[C].北京：第十四屆北京科技交流學術月綠色低碳新能源新技術國際研討會，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，學士；研究方向：通信電源。