燃料电池技术在通信行业的应用

肖 展，詹 剑

（弗尔赛能源有限公司，江苏 昆山215300）

1 燃料电池的原理

燃料电池是一种电化学反应装置，它直接将化学能转化为电能。燃料电池的工作原理不同于热机，没有中间过程，不受内燃机的热力学特性（如卡诺循环）限制，理论上可以获得更高的效率。作为发动机使用时，直接使用氢气的质子交换膜燃料电池所获得的效率是传统内燃机的两倍。纯氢燃料电池的反应产物只是水、热和电能，绿色，无污染，所以与之相关的技术被认为是解决化石能源短缺和环境污染问题的战略性高新能源技术之一。

燃料电池根据其使用的电解质类型可分为：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。质子交换膜燃料电池工作温度相对较低，因采用固体电解质而具备更好的稳定性，其生成的副产物为纯水而不存在腐蚀问题，电流密度高，且响应速度快、使用寿命长。因此，是现阶段燃料电池研究的重点之一，也是中小功率燃料电池电源动力系统首选的应用对象。

燃料电池单体是由两个电极夹着电解质的“三明治”结构，如图1所示。

图1 质子交换膜燃料电池工作原理图

质子交换膜的特性是可以通过质子，而电子不能通过。氢气通过阳极板上的流道至阳极表面，然后经扩散层到达催化层，在催化剂的作用下，发生如下的电极反应：

阳极反应释放的电子经外电路到达阴极，氢离子则穿过质子交换膜到达阴极。在催化剂的作用下，氧和氢离子在阴极反应生成水：

完整的燃料电池反应过程可以表示为：

通过上述反应，氢和氧被消耗，相应的化学能转化为电能（Ee）。同时，反应生成热能（Heat）和水，生成的水通过电极流场随反应的尾气排出。

燃料电池技术为清洁能源系统的利用提供了一条新的途径。氢的来源广泛，既包括可再生能源，也包括不可再生能源资源。氢能可以成为与电力互补的能源载体，从而有效降低当前能源系统的碳排放。而燃料电池技术具有不受卡诺循环的限制，能量转换率高，零排放，无噪音等诸多优点，可广泛应用于交通工具、固定式发电、物料搬运、备用电源和便携式电源等诸多方面。

2 燃料电池的应用现状与应用领域

随着氢燃料电池技术的进步，以美、德、日等国为代表的发达国家政府也不断为氢能与燃料电池技术的发展和商业化提供政策和资金支持。2013年，世界已经看到了氢能与燃料电池商业化的曙光，目前商业化进展最为迅速的是车用领域与通信领域固定式应用（主要是在通信领域的应用）。

2.1 燃料电池在车用领域的应用现状与商业化进展

燃料电池技术在车用领域的应用经过十余年的积累，商业化进程在2013年取得突破式的进展。世界各大汽车制造商基本都于近期公布了各自的燃料电池汽车量产计划。最引人注目的动态是全球汽车巨头纷纷抱团，结成了燃料电池汽车开发的三大联盟。2013年1月24日，将FCV定位为“终极环保车”的丰田汽车公司与宝马集团就向宝马提供FCV技术，双方合作进行开发一事正式达成了协议。其中，丰田计划在2015年左右让自行研发的燃料电池车投入市场，而宝马则预计在2013年完成燃料电池车技术转让，在2015年推出实验车，并于2020年上市。4天后的1月28日，日产雷诺集团、戴姆勒集团及福特汽车公司宣布，三方将合作推进FCV的开发，三公司将开发相同的系统，并于2017年发售量产车型。7月2日，本田和通用汽车发布联合声明，宣布将展开新一代氢燃料电池系统以及氢储存科技的长期合作。在发布联合声明之际，本田宣布将于2015年在日本和美国陆续推出接替FCXClarity的新一代燃料电池汽车，而欧洲市场则紧接在后；通用汽车方面则表示会在另一个时间点透露氢燃料电池车的量产时间点。各大汽车巨头的强强联合有利于增强他们各自的技术实力，分担市场化风险，通过共享技术和共用通用部件来降低开发成本，加快氢燃料电池市场化推广的步伐。

2013年另一个夺人眼球的汽车制造商是韩国的现代。2013年2月，现代成为首个启动燃料电池汽车批量生产线的公司。现代在韩国蔚山工厂全球首次量产独立研发的17辆氢燃料电池版ix35，其中15辆运往丹麦，2辆运往瑞典，这些车已于4月正式在欧洲政府及公共机关交付使用。而在11月的洛杉矶车展中，现代发布了途胜ix35燃料电池车型并声明该车开始在加州地区租赁。费用标准为36个月的合约期，每个月缴纳499美元的租车费用即可享受到搭载先进技术的途胜ix35燃料电池车。据报道，现代计划于2015年开始以每年10，000辆的产量生产燃料电池汽车，根据全球加氢基础设施的建设情况而定，价格大概在50，000美元左右。

另外，2013年3月，巴拉德与大众集团签署了高达1亿美元的协议。协议有效期4年，主要工作是设计和制造大众HyMotion示范车使用的燃料电池。巴拉德将负责燃料电池设计、以及测试和集成工作等关键领域技术的开发与支持。

国内在燃料电池汽车整车产业化方面走在最前列的是上汽，上汽联合弗尔赛、大连新源等燃料电池电堆生产商进行车用电堆的开发，并计划于2015年实现100辆燃料电池汽车的量产和销售，国产商业化的燃料电池汽车也呼之欲出。

小功率的车用紧凑型燃料电池应用范围也很广泛。可广泛主动力应用于叉车、观光车和作为增程器用于邮政物流车和快递车。目前商业推广最成熟的是物资搬运中采用的叉车用小功率燃料电池。美国PLUG power公司生产的Gendrive燃料电池动力装置广泛应用在美国和欧洲的仓储领域。沃尔玛、可口可乐、宝马及维戈斯曼公司都是他的固定客户，目前在全球领域的应用量已达3 500套。在增城式燃料电池应用领域，美国的Fedex和法国邮政都于近期推出了使用燃料电池作为增程器的快递车与物流车。

2.2 燃料电池在通信领域的应用现状与商业化进展

在固定式电源领域，和车载环境相比较，燃料电池工作环境的温度湿度条件更好；环境气体对其影响更小；负载变化相对稳定；无需抗振要求，更能发挥燃料电池系统的优越性，尤其是作为通信用应急电源。目前基站中普遍使用的传统铅酸蓄电池应急电源环境适应性差，必须全天候依赖空调保证其工作环境温度，大量地浪费了通信基站的空调设备能量。同时铅酸蓄电池在生产回收过程中带来的较严重的长期环境污染；在一些供电情况不稳定、不可遇见的自然灾害（如2008年我国南方雪灾）等情况下，传统的应急电源在连续供电持续时间、可靠性及耐久性等方面都受到较大的技术制约，无法完成不间断提供通信服务的基本要求。燃料电池应急发电电源不仅可以有效地替代现有传统的铅酸蓄电池，并且还能较好地替代柴油发电机；它无污染、噪音轻、可持续工作、可扩展、环境适应性好、状态可预估、可远程监控、长寿命、具有较长的维护周期，这些特点能够完全满足通信行业对绿色环保电源的要求。全球范围内通信用燃料电池应急／备用电源成熟的商业化应用已有5年以上的时间，应用规模已达到了近万套级，出现了一批能够规模化生产燃料电池备用电源的厂家，例如BALLARD、IDATECH、RELION、HYDROGENICS、ALTERGY等。

伴随着国内4G网络建设的加速和行业新型绿色环保基站建设的需求，我国燃料电池备用电源的技术与应用的发展速度迅猛。目前在三大电信运营商的运行网络中已有百余套燃料电池备用电源投入使用。国内有能力提供满足通信行业需求的燃料电池电源产品的企业有弗尔赛能源、武汉银泰、上海恒劲与上海攀业等。其中自2009年起，弗尔赛能源有限公司与上海电信空调与能源中心、上海市信产通信服务有限公司合作开发生产的燃料电池备用电源系统就在上海电信投入使用，产品历经数年的在线实际考核与改进优化，已通过信息产业通信电源产品质量监督检验中心质量检测，在安全性保护告警、性能以及效率等方面均达到或优于检测依据标准中所规定的要求。并于2013年通过德国TUEV的CE检测。目前累计已有30余套弗尔赛生产的燃料电池电源分别在中国移动、中国联通与中国电信的基站网络中使用，是目前国内最大的燃料电池备用电源在线运行网络，产品累积启停次数达1 200多次，启动成功率达100%；满载响应时间小于1分钟，优于行业标准；累计发电时间已达1 370.5小时；累计无故障待机8 118天，其中单机最长待机时间为1 087天。

在近三年的运行期内，弗尔赛的燃料电池备用电源产品经历了高温、台风与暴雨等恶劣环境的考验，整体产品工作正常，并在多次基站市电自然中断的情况下，为基站通信设备供电，体现了较好的稳定性及可靠性。2013年5月30日上海移动嘉定某基站市电中断，燃料电池自动启动，为基站通信设备连续供电超过17小时，确保了基站的正常工作；得到了客户的认可。预计至2014年底，还将有将有约六十套弗尔赛的产品投入运行。

3 燃料电池在我国通信行业应用的现状与前景

我国拥有世界上规模最大的移动和固定通信网络，截至2012年，三大电信运营商已建成基站超过130万个，伴随着基站总数快速增长和4G网络建设的加速，基站备用电源用铅酸蓄电池的数量还将以每年10万量级的数量增长，大量使用铅酸蓄电池引起的巨大能耗和环境污染问题进一步凸显。从2008年开始，中国移动、中国电信和中国联通纷纷开展“绿色行动”，进行行业的节能减排，质子交换膜燃料电池被三大运营商公认为是通信行业实现节能减排、缓解环境污染最有希望的新能源解决方案和有力手段之一。目前通信用燃料电池备用电源正处于市场培育和成长期，预计到2016年，全国各类型基站中投入运行的燃料电池备用电源将达到1 000台；根据三大通信运营商“绿色行动计划”中所规划节能减排和可持续发展目标，到2020年通信基站用燃料电池电源数量将达到万套级。

［1］氢能与燃料电池商业化曙光初现，中国仍需努力（一）［EB／OL］.中国氢能网，2014.

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