燃料电池在通信电源中的应用

曹长松

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海200092）

1 概 述

燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置。相比传统的内燃机发电装置，燃料电池具有高能效、低排放、低噪声、可靠性高等优点，有望继水力、火力、核能之后成为第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。在固定发电装置、分布电站、电动汽车、船舶、航天飞行器等领域有着现实的和潜在的巨大需求。特别是近年来，随着传统石油能源的日益枯竭、环境恶化等世界性问题日益突出、人们对能源的需求日益提高，作为一种清洁、高效的替代能源装置，燃料电池发电技术逐渐成为新能源研究的热点［1，2，3］。随着燃料电池技术的发展成熟，生产成本的下降，燃料电池的应用将会得到进一步推广。在通信电源领域，燃料电池替代柴油发电机或铅酸蓄电池等传统后备电源装置也将成为行业发展的一个重要趋势。

2 燃料电池的原理、分类及特性

2.1 燃料电池的工作原理

氢氧燃料电池的原理源于英国业余科学家 William Gr ove（1811－1896）的一次偶然发现。1839年他制作出世界上第一台氢氧燃料电池。燃料电池具有与普通电池相似的结构，单只燃料电池也是由阳极（燃料电极）、阴极 （氧化剂电极）以及夹在两电极间的电解质组成。所不同的是，普通电池是电能存储装置，而燃料电池是由外部提供燃料和氧化剂的能量转换机器。原理上，只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能持续地发电。这里以氢－氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理［2］，如图1所示。

图1 氢氧燃料电池工作原理

阳极反应：H2＋2OH－→2 H2O＋2e－；阴极反应：O2＋H2O＋2e－→2OH－；整个电池反应：H2＋O2→H2O。氢氧燃料电池产生电能的化学反应是电解水的逆过程。

不仅氢气和氧气可以分别作为燃料电池的燃料和氧化剂。理论上讲，燃料电池的燃料可以是任何能够被氧化的流体物质；同样，氧化剂也可以是任何能够以足够的速度被还原的流体［4］。由于氢具有良好的活性，并且可以比较方便地从石化资源或可再生资源中获取，目前发展中的燃料电池多以氢气或者富含氢的化合物如甲烷作为燃料。而氧气则是最容易获取的氧化剂。所以，分别以氢气和氧气作为燃料和氧化剂的氢氧燃料电池成为燃料电池研究最主要的一个方向。

2.2 燃料电池的分类

燃料电池的分类方法有很多种，较为常用的是按电解质的类型进行分类。根据电解质的不同，燃料电池可分为5类［4］：AFC（碱性燃料电池）、PEMFC（质子交换膜燃料电池）、PAFC（磷酸燃料电池）、MCFC（熔融碳酸燃料电池）、SOFC（固态氧燃料电池）。这5类燃料电池在技术性能上各有优缺点，适用的范围也各不相同。与AFC相比，PEMFC对CO、CO2的容许值较高；与PAFC、MCFC、SOFC相比，PEMFC的运行温度较低，启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷，是便携式电源、电动汽车电源、小型固定电源的理想选择。

从国外燃料电池发展现状来看，PEMFC的研究和应用都处于较领先的地位。特别是在小型固定电源领域，PEMFC的比例达到90%以上［5］。

2.3 燃料电池的输出特性

根据电化学理论，标准条件下，单只氢氧燃料电池的理想输出电压为1.23 V（反应生成液态水）或1.18 V（反应生成气态水）［2］。由于燃料电池内部极化作用的影响，燃料电池的实际输出电压只有0.6～0.8 V，并且在不同的电流密度下，燃料电池的输出电压表现出明显的非线性。

影响燃料电池输出电压的极化作用可分为3种：活化极化（Activation polarization）、欧姆极化（Oh mic polarization）、浓度极化（Concentration polarization）。活化极化是由电极的迟滞作用产生的；欧姆极化是由电解质和电极的电阻产生的；浓度极化是由反应物和反应生成物的浓度梯度产生的。3种极化作用的大小和电流密度的大小有关，活化极化在低电流密度时起主导作用，欧姆极化在正常工作区域起主导作用，浓度极化在高电流密度时起主导作用。由于燃料电池的极化作用，燃料电池的输出电压随着电流密度的增大而降低。并因为不同电流密度下起主导作用的极化作用方式不同，燃料电池的电压－电流密度曲线呈现如图2所示的非线性。

3 燃料电池装置的系统构成及特性

单只燃料电池的最大输出直流电压只有1.23 V或1.18 V，难以直接地应用在工程中。为形成具有一定电压和功率输出的实用电源装置，需要将多个单只燃料电池通过串联的方式连接成燃料电池堆。燃料电池堆的主要连接方式有层叠式和管套式两种。

图2 燃料电池电压－电流密度曲线

另外，燃料电池还需要一套外围的辅助设备用于对燃料、空气、反应生成物和热量的处理。如图3所示的PEMFC发电装置，燃料和空气需要经过加湿和压缩后以一定的压强和比例分别输送到燃料电池的阳极和阴极，经过反应后的剩余氢燃料，部分被循环压缩后重新输送至阳极，部分则被排出。阴极反应的生成物水需要及时地排出，因为电极如果被过多的水分淹没，氧气无法顺利到达电极参与反应，燃料电池的输出功率将会大幅降低。化学反应生成的热量也需要及时地得到处理，以使燃料电池内部保持比较恒定的工作温度。

图3 燃料电池发电装置系统简图

4 燃料电池供电系统在通信电源中的应用

通信设备的工作电源通常是－48 V的直流电，而且燃料电池发电装置输出的恰恰是直流电，这一点使其在通信行业的应用有比其它发电设备更具有天然的优势。燃料电池发电装置可以替代柴油发电机和铅酸蓄电池，作为通信机房的备用电源设备使用。

4.1 燃料电池供电系统构成

燃料电池装置可以与风能发电设备或太阳电池一起构成混合供电系统为偏远的通信站提供电源，供电系统如图4所示。由于气象因素，风能和太阳能的供电时间不稳定，往往需要配置大容量的铅酸蓄电池作为后备电源，以备在风能或太阳能装置停止供电时，继续为通信设备提供电源。而采用燃料电池作为后备的供电系统就可以大大降低铅酸蓄电池的容量，只需配置小容量的铅酸蓄电池，放电时间大于燃料电池启动时间就足够了。

在有市电供应的条件下，燃料电池装置可以替代柴油发电机作为备用电源，图5是比较典型的以燃料电池作为后备电源的系统框图。

图4 太阳能、燃料电池混合供电系统

图5 燃料电池备用电源供电系统

考虑燃料电池的启动时间，安装小容量的铅酸蓄电池作为过渡仍然是必要的。

4.2 燃料电池装置与传统电源设备的比较

柴油发电机和铅酸蓄电池是通信行业传统的备用电源设备。与柴油发电机和铅酸蓄电池相比，燃料电池有很多独特的优势。

4.2.1 燃料电池装置与柴油发电机的比较

与柴油发电机相比，燃料电池装置具有高能效、低噪声、低排放、高可靠性等优点。

（1）高能效

燃料电池是直接将燃料蕴含的化学能转化为电能的装置。而在柴油发电机组中，能量的转换不但受卡诺循环的限制，而且能量的转换环节也多，每次能量形式的转换都不可避免地伴随着能量的损耗，最终柴油发电机组的能效约为30%。理论上，燃料电池的能效可以达到50%，如果热电联用，燃料电池的能效甚至能达到80%以上。虽然适用于通信行业的PEMFC因为工作温度低，不易做到热电联用，但是也能具有约40%的能效。设备的能效越高，对机房通风量、进排风孔道尺寸的要求就小。在当今日益拥挤的城市环境，机房通风有时也会成为机房发展的瓶颈，而高能效的燃料电池无疑可以缓解这样的瓶颈问题。

（2）低噪声

柴油发电机组的噪声源主要有两部分：燃料的爆炸燃烧和机械传动。由于燃料电池堆中不存在机械传动的部件，化学反应也没有剧烈燃烧的过程，燃料电池堆本身几乎不产生噪声。尽管燃料电池堆外围的压缩机、过滤器等辅助设备会增加一些噪声，但整体上燃料电池发电装置的噪声也远远低于相同功率的柴油发电机。以5 k W燃料电池发电装置为例，距设备1 m的噪声仅为53 d B，而相同功率柴油发电机的噪声约为80 d B。燃料电池发电装置替代柴油发电机组无疑可以节省机房消声降噪的费用以及消声降噪装置的安装空间。

（3）低排放

燃料电池是以氢气、天然气、甲烷等作为燃料的，由于这些燃料本身不会像柴油在燃烧的过程中产生大量的一氧化碳、二氧化硫、氮氢化合物等大量的污染物。因此相比柴油发电机，燃料电池的污染物排放也小很多。并且，适用于通信行业的PEMFC是以氢气作为燃料的，其排放物只是纯净水，不会对大气环境产生任何污染。尽管氢气不是一种天然的物质，氢气的制备也需要消耗传统的能源，燃料电池技术不能算作低碳技术，但对改善城市空气质量还是具有积极的作用。

（4）可靠性高

目前燃料电池装置的MTBF（平均无故障间隔时间）约为2 000～4 000 h，远大于一般柴油发电机1 000 h的MTBF。另外，由于燃料电池没有机械传动部分，可以很方便地制造成模块化的结构。多个燃料电池模块以N＋X（N为主用模块数量，X为冗余模块数量）并联冗余运行，能够进一步提高系统的供电可靠性［6］。图6展示的是一款模块化的燃料电池发电装置，燃料电池模块插接在燃料电池框中，可以在线插拔而不影响系统的正常运行。

图6 模块化燃料电池发电装置

但是，燃料电池装置与柴油发电机相比，存在成本高、寿命较短等缺点。

（1）成本高

燃料电池成本高体现在两个方面，一是初次投资的成本高，二是运行成本高。就目前的制造工艺来讲，PEMFC的两个电极以及催化剂都离不开贵重金属——铂的使用，这是燃料电池装置价格居高不下的一个最重要原因。而柴油发电机的制造技术已经非常成熟了，所需要的材料也比较普通、低廉。目前固定式PEMFC发电装置的价格约为2 500～4 500美元／千瓦，而柴油发电机的价格约为800～1 500美元／千瓦。PEMFC采用的燃料是从天然气、煤气、氨气等物质中提取的工业纯氢气，目前在美国的市场售价约为8.3美元／千克。每千克氢气大概可以产生11.8度电能，那么用燃料电池发电的成本大概为0.70美元／度，折合人民币4.78元／度。而柴油发电机产生1度电大约消耗0.27升柴油，目前国内柴油的价格约为7元／升，那么柴油发电机的发电成本约为1.89元／度。无论是初次安装成本或是运行成本，燃料电池发电装置均远高于柴油发电机组。

（2）寿命短

目前燃料电池的使用寿命可以达到20 000 h，但与普通柴油发电机30 000 h的使用寿命还有不小的差距。

4.2.2 燃料电池与铅酸蓄电池的比较

与铅酸蓄电池比较，燃料电池具有占地面积小、重量轻、寿命长、低维护、低污染、对环境温度适应性强等优点。

尽管难以将铅酸电池和燃料电池的外形尺寸和重量做简单的比较。因为铅酸电池的反应物储存在电池的内部，而燃料电池的反应物是外部提供的。但是通过一个例子可以对两者的重量和外形尺寸的对比有一个直观的了解。

以采用太阳电池作为主电源的中继站为例，为保证夜晚和阴雨天时通信的畅通，必须配置后备电源。假设中继站的负荷为200 W，当地最长连续阴雨天为10天，如单独采用铅酸蓄电池组作为后备电源，考虑蓄电池的自放电，需要安装蓄电池的容量大概为－48 V／1 500 Ah。蓄电池组的重量约为3 000 kg，占地面积约为2 m2（二层安装）。如采用Reli On燃料电池发电装置作为后备电源，可安装1台满架配置功率为1 000 W的Reli On模块化燃料电池框。每台燃料电池框可安装5只200 W的模块化燃料电池，燃料电池框的外形尺寸为44.5c m×69c m×51c m，重量为66 kg可安装在60 c m×90 c m的机架（重量约为50 kg占地面积为0.54 m2），考虑燃料电池启动时间并避免燃料电池频繁启动，另配置－48 V／100 Ah（重量约为150 kg）的蓄电池组做短时间的备用电源，可与燃料电池发电装置安装在同一机架内。安装2只200 W燃料电池模块（1＋1并联冗余）。燃料电池产生200 W的电能，每小时消耗的氢气大概为17 g，1只气压为20 Mpa的高压氢气瓶（直径为23 c m，高度为140 c m）可存储900 g氢气，4.5瓶高压氢气可满足燃料电池连续工作10天的消耗量。每瓶的重量（含钢瓶自重和氢气重量）约为63 kg，以5瓶计算，钢瓶总重量约为315 kg，占地面积仅为0.32 m2。加上燃料电池、－48 V／100 Ah的蓄电池组及机架的占地面积（0.54 m2）和重量（约270 kg），总的占地面积为0.84 m2，总重量约为585 kg。与－48 V／1 500 Ah的铅酸电池相比，无论是占地面积还是重量均不到后者的一半。

在以太阳能或风能为主电源，蓄电池为备用电源的混合供电系统中，因为工作环境恶劣，蓄电池的寿命较低，一般2～3年就需要更新。而燃料电池不需充电，也不存在自放电的问题，不需要工作时可以完全停机。加上搁置寿命燃料电池可使用10年以上，远高于蓄电池组。

铅酸蓄电池对环境温度要求较高，当温度降低时，不但影响电池的放电量而且影响电池的寿命，而燃料电池的工作几乎不受环境温度的影响。另外，由于含有有毒重金属物质，容易对环境造成污染，对于废旧铅酸电池的处理往往也需要一笔可观的费用，而燃料电池不含有毒有害物质，设备报废后，其中的贵重金属可回收再利用。目前的燃料电池系统往往具备通信功能，方便远端监控。平时燃料电池也无需维护，相比铅酸电池要定期维护要简单得多。

与铅酸电池相比，燃料电池装置的缺点依然是成本过高，另外，铅酸电池组的结构更简单，输出无需经过变换器，可靠性要优于燃料电池装置。

4.3 燃料电池在通信行业的应用情况及存在的问题

在推进燃料电池的研究和应用上，世界上许多国家给予了鼓励政策。如英国技术战略委员会2009年向11个燃料电池和氢能源技术的发展项目提供了总值约9百万英镑的资助，美国能源部向46个新能源研究机构提供了总值377百万美元的资助，另外，美国财政部和能源部联合推出了一项税收抵免（Tax Credit）计划，在2年内对燃料电池生产商给予总值为23亿美元的税收减免。韩国政府推出一项长期政策，给予购买家用燃料电池装置的家庭高达80%购买价的财政补贴［7］。

国外通信企业也较早就开始了燃料电池的试验性应用。早在2002年，美国在位于红木国家公园的中继站中安装了一套太阳能、燃料电池混合供电系统，以满足公园管理部门禁止在自然保护区内安装产生噪声或污染设备的要求［8］。2006年，意大利电信与燃料电池生产商Reli On开展合作，分别在意大利电信的3个通信机房各安装了一套系统功率为5 k W的模块化燃料电池发电装置，就燃料电池的性能、可靠性、能效以及与机房既有设备的兼容性进行了为期6个月的测试并得到了良好的测试结果，并在接下来的测试阶段，将测试地点扩大为23个通信机房［9］。

从上述资料看，国外通信行业对燃料电池的应用主要集中在小功率装置的应用，而且应用阶段也处于试验性应用阶段。

影响燃料电池推广应用的原因除成本因素外，还存在着其它不容忽视的问题。首先是氢气供应的基础设施不完善。氢气从原料到最终用户需要有生产、存储、运输、配送等完整的产业链条和相关的基础设施。一些发达国家已经开始相关基础设施的发展，例如在美国的某些加油站已经增加了提供氢气的设施，但是普及程度还远远不足。而国内相关产业的发展还几乎为零。另外一个重要的问题是相关建设法规的不健全。目前，燃料电池的产品性能标准、安装场所的消防标准要求在国内和国外许多国家的设计规范里还是空白，给燃料电池的应用安装设计和相关部门的监管工作都带来操作上的难度。

目前，由于国内燃料电池研究和应用的相对落后，有关燃料电池成本的相关资料不完善，测算数据一般引用国外的。由于价格体制的差异和产品关税等因素，需要根据国内的实际情况对燃料电池的成本进行核算，使燃料电池的应用不但要做到技术先进，还要做到经济合理。

5 燃料电池的发展应用前景展望

价格昂贵是阻碍燃料电池大规模推广应用的最主要原因。而价格昂贵的主要原因是贵重金属的使用（目前约为1 000美元／千瓦）。世界上主要的燃料电池开发商或研究机构纷纷将研究重点放在开发新材料以降低或取代贵重金属的使用；改进现有技术，增大燃料电池的电流密度，以降低燃料电池的制造成本。以美国为例，美国能源部制定了详细的燃料电池发展计划。其中目标之一是到2012年将固定式燃料电池的价格降低至400美元／千瓦，燃料电池将在价格上具备与柴油发电机相竞争的实力。

目前我国的燃料电池生产厂家将研究重点放在车载燃料电池上，但也开发出了小型固定式燃料电池发电装置。国内许多大学和研究机构也在进行着燃料电池的应用研究，正努力缩小与发达国家在燃料电池技术上的差距。相信在不久的将来，我国市场上也会出现价格具有竞争力的、拥有自主知识产权的燃料电池产品。

6 结束语

人们对燃料电池这种新能源装置的研究和应用方兴未艾。与国际上燃料电池在通信行业的应用相比，我国还存在不小的差距。在产业政策上，我国也缺乏具体的鼓励措施，在配套基础设施的建设上，在有关的法律、法规的制定上也相对落后。

随着技术的发展，燃料电池制造成本的下降，配套设施的逐渐完善，国家鼓励政策的推进，燃料电池作为一种高效节能、环境兼容性高的发电装置，将会在通信行业中得到广泛的应用。燃料电池的基本原理和应用技术将会是通信电源从业人员所必须掌握的。国内通信运营商应积极开展燃料电池在通信行业的应用试验并开展成本测算的研究，参与和推动国家相关政策、规范的建立、制定，迎接燃料电池时代的到来。

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［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.