直接甲醇燃料电池在通信基站的应用前景展望

孟彦伟（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

直接甲醇燃料电池在通信基站的应用前景展望

孟彦伟
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘 要本文通过对直接甲醇燃料电池本身的特性特点进行分析，并对其在通信基站的使用前景进行了展望。

关键词直接甲醇燃料电池；DMFC；通信基站；超级基站

1　引言

随着移动业务的发展，企业和个人对移动网络的需求持续增高，新建通信基站的数量也持续增加，而选址难、建站难、维护难的问题也日益严重。传统的建站模式已不能满足要求，通信基站建设向着无机房、节能、多样的方向发展。

诺贝尔化学奖得主、著名有机化学家乔治•奥拉在撰写的《跨越油气时代——甲醇经济》一书中，对利用工业排放及自然界的二氧化碳 （CO2）转化为甲醇（CH3OH）提出了高瞻远瞩的观点，描述甲醇是近期乃至未来相当时期内可取代多种矿物燃料的新能源。在低碳经济的全球背景下，燃料电池研发和商业化进程有加快趋势。直接甲醇燃料电池作为一种新型后备电源解决模式，其无污染、低噪音、温度范围广等特点日益受到各行业的重视。

2　甲醇燃料电池原理

甲醇燃料电池分为PMFC（Reformed Methanol Fuel Cell，重组型甲醇燃料电池）和DMFC （Direct Methanol Fuel Cell，直接甲醇燃料电池）。

重组型甲醇燃料电池是一种质子交换膜燃料电池，在现场将甲醇转换为氢气，然后把氢和空气中的氧分别供给燃料电池电堆的阳极和阴极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极，从而产生电能，并合成为纯净水（H2O），是电解水产生氢气和氧气的逆过程。如图1所示。

图1　氢燃料电池反应原理

与氢燃料电池相比，重组型甲醇燃料电池多了一个甲醇-氢气重组装置，作用是将液态甲醇转换为氢气，

如图2所示。

图2　甲醇-氢气重组装置

直接甲醇燃料电池是从质子交换膜燃料电池发展而来，其直接使用甲醇而无需预先重整为氢气。它是以甲醇溶液为燃料、以空气或氧气为氧化剂的化学能直接转化为电能的一种发电装置，产物为二氧化碳和水。如图3所示。

直接甲醇燃料电池化学反应方程式如下：

阳极反应：CH3OH+H2O→CO2↑+6H+ +6e

阴极反应：3/2O2+6H++6e -→3H2O

电池总反应：CH3OH+3/2O2→CO2↑+3H2O

直接甲醇燃料电池的三大组成部分为质子交换膜、膜电极和催化剂，结构上是由两个膜电极及夹在其中间的质子交换膜以及催化剂构成。

（1）质子交换膜：质子交换膜是一种选择性高分子交换膜，起着隔离物、电解质和氧化剂的作用。

（2）膜电极：膜电极是直接甲醇燃料电池发生反应的场所，通常为多孔电极，由背层、扩散层和催化剂层三部分组成，主要材料是碳支撑的贵金属。

（3）催化剂：催化剂是提高甲醇燃料电池性能的物质，阳极需要催化剂提高活性、减小甲醇活化，阴极需要在催化O2还原的同时对甲醇不敏感的催化剂。

3　直接甲醇燃料电池发展现状

由于甲醇氧化反应速度和技术能力的制约，目前直接甲醇燃料电池功率密度较低，通常不超过80 mW/cm2，其特点比较适合小功率设备，因此很多消费类产品公司如东芝、松下、夏普、三星、索尼、三洋、日立、LG等，都在进行DMFC的研发工作。甲醇作为易燃品，由于安全问题被禁止带上飞机，也在一定程度上限制了DMFC的发展。

来自美国硅谷的Oorja Protonics公司于2012年推出的新产品OorjaPac Model Ⅲ的发布功率为每天20 kW•h（约合840 W）。德国的SFC Energy公司生产的EFOY Pro 800和EFOY Pro 2400型直接甲醇燃料电池功率分别为45 W和110 W。

巴拉德动力系统（Ballard Power Systems）公司在2012年宣布收购Ida Tech公司的燃料电池业务，通过增加直接甲醇燃料电池以进一步完善其产品链。

直接甲醇燃料电池在汽车行业的应用不如氢燃料电池应用成熟，在通信领域的研究更是寥寥无几，尚未进入试点应用阶段。

4　直接甲醇燃料电池在通信基站的应用前景

4.1直接甲醇燃料电池在通信基站应用的技术分析

直接甲醇燃料电池以清洁可再生的甲醇溶液作为燃料，能量转换方式简单，其自身具有如下特点

（1） 甲醇本身不易变质，储存时间可达10年。

（2） 甲醇结冻点低，直接甲醇燃料电池使用温度范围广，运行环境要求低。

（3） 直接甲醇燃料电池反应温度低，不超过80℃。

（4） 甲醇可被生物分解，电化学反应不产生Nox、SOx等有害物质，对环境友好。

（5） 甲醇价格便宜，采购方便。

因此，与氢燃料电池相比，直接甲醇燃料电池具有的优势如表1所示。

探讨完翻转课堂的狭义和广义的定义之后，我们就可以把翻转课堂定义为由以下两部分组成的教育技术：课内的互动式小组学习活动和课后的以计算机为基础的个人辅导。形象的定义表述见图1。我们对这一定义进行了严格限制，排除了那些在课外活动中没有使用视频的研究设计。尽管翻转课堂的广义定义可能对我们有帮助，但如果定义过广，也就意味着单纯的课外布置阅读任务和课内讨论就构成了所谓的翻转课堂，这种误解也是我们所要避免的。

此外，与重组型甲醇燃料电池相比，直接甲醇燃料电池不需要甲醇-氢气重组装置。这样不仅可以提高甲醇的理论使用效率，还可以节省建设投资（甲醇-氢气重组装置占重组型甲醇燃料电池成本的45%）。因此直接甲醇燃料电池具备在通信基站应用的技术条件。

表1　直接甲醇燃料电池与氢燃料电池对比

4.2直接甲醇燃料电池在中国移动通信基站的应用前景

随着移动信号覆盖要求越来越高，通信基站的密度将进一步增加、覆盖区域将扩大，通信基站建设向着无机房、节能、多样的方向发展，特点如下。

（1）网络建设更加密集，基站选址更加困难，需要增加更多的小型户外机柜站点。

（2）中国移动通信基站将覆盖到更加偏远的地区，供电条件恶劣，需要配置多样灵活的电源系统。

（3）随着中国移动基站数量不断增加，基站能耗总量越来越大，国家对于通信基站节能减排考核也将越来越重视，LTE通信设备普遍采用BBU+RRU的分布式设计，设备功率相比以前有了大幅度降低。对主要通信设备制造商的LTE通信设备功率调研数据如表2所示。

表2　LTE通信设备功率

调研显示主流LTE BBU设备和RRU设备的功率均为300 W左右，典型场景（1个BBU+3个RRU）的设备功率约为1 200 W。现阶段直接甲醇燃料电池的容量较小，单系统设备容量通常不超过1 500 W，但这与典型场景的通信设备功率是相符，即直接甲醇燃料电池容量可以满足通信设备功率需求。而且，对于无法或暂时无法引接市电和噪音敏感的通信基站，采用直接甲醇燃料电池作为临时或主用电源，无论在可靠性还是经济性方面都应是一个可行的解决方案。因此，直接甲醇燃料电池符合通信基站多样化的发展方向。

4.3直接甲醇燃料电池在超级基站的应用前景

中国移动超级基站是为了应对极端自然灾害配置的一种能够在极端环境下提供应急通信的一种特殊通信基站，目前超级基站一般要求采用“蓄电池+小型固定式柴油发电机组”联合供电方式达到110 h后备时间。

超级基站的通信设备在灾时会通过远程关闭多余载频，只保留S1/1/1的最低配置需求（功率不超过1 000 W），因此其灾时功率符合直接甲醇燃料电池的容量特性。目前中国移动的超级基站后备电源系统普遍采用1台开关电源、2组1 000 Ah/48 V阀控铅酸蓄电池组和1台小型固定式柴油发电机组的配置方式。如使用配置大容量燃料罐的直接甲醇

燃料电池作为备用电源，理论上可替代大容量阀控铅酸蓄电池组和小型柴油发电机组的组合。而且甲醇燃料相比燃油在使用和储存上更安全，因此直接甲醇燃料电池在超级基站具有进一步研究的价值。

4.4直接甲醇燃料电池在通信基站应用的问题

直接甲醇燃料电池的容量和特性满足通信基站的发展方向，但由于其尚处于发展的初级阶段，离应用仍存在以下几个问题。

4.4.1 效率

甲醇燃料的理论转换效率可达92.5%，但目前效率通常不超过40%。这是因为甲醇直接氧化生成CO2是一个6e的转移过程，但实际发生的电化学反应要比理论复杂得多，中间过程会涉及一系列化学副反应，产生各种中间产物和吸附产物。比如现阶段普遍采用在催化剂中添加铂来降低甲醇氧化的活性，但同时铂对反应中间产物CO具有吸附能力，催化剂表面吸附CO会降低甲醇的吸附和氧化，从而导致功率密度降低。同时，甲醇在反应过程中从阳极经质子交换膜渗透至阴极，也会导致阴极性能衰退。所以整个催化氧化过程无法全部转移出6个电子，便得电池实际效率大大减少。因此，直接甲醇燃料电池在通信基站实现应用的重点是研制出性能优良的催化剂和质子交换膜，提高能量转化率，降低性能衰减率。

4.4.2 成本

现阶段直接甲醇燃料电池催化剂普遍使用价格昂贵的含铂催化剂，价格是阻碍其应用的最大障碍。因此要使直接甲醇燃料电池实现应用，就需要减少催化剂中贵金属的使用量或找到性能优良、价格便宜的替代品，降低电池成本。

4.4.3 寿命

直接甲醇燃料电池的预期工作寿命主要取决于其核心部件，即质子交换膜的持续工作寿命。实验用直接甲醇燃料电池的持续发电时间已经达到5 000 h，但是实际使用中受催化剂失效和甲醇渗透的影响，其使用寿命会严重缩短，因此寿命需以权威部门检测数据为准。

4.4.4 安全

直接甲醇燃料电池副产物除了水之外，还会产生微量的CO、CO2和甲醇蒸汽等有害物质，为了确保人身安全，直接甲醇燃料电池必须保证副产物在通信基站可以安全排放。

5　结束语

现阶段直接甲醇燃料电池在通信基站的研究处于起步阶段，要实现在通信基站和超级基站的试点应用就需要解决效率低和成本高的问题。但随着石墨烯、氮化硼等二维纳米新材料的出现，以上问题有望得到解决。目前各行业对直接甲醇燃料电池的研究也日益重视，通信行业亦应对其发展保持密切跟踪。

参考文献

[1] BTI Inc. 2012 Fuel Cell Technologies Market Report[R]. United States：[s.n.]，2012.

[2] 王新东，谢晓峰，王萌，等. 直接甲醇燃料电池关键材料与技术[J].化学进展，2011(23).

中国移动与泰心医院签署“互联网+医疗”战略合作协议

11月11日，中国移动与泰达国际心血管病医院（以下简称“泰心医院”）在天津签署战略合作协议，开启了电信运营商与医疗机构合作的全新模式。中国移动李跃总裁、董昕副总裁、泰心医院刘晓程院长等出席签约仪式及“爱护心”产品发布仪式，参观了网络医疗中心，看望并慰问了中国移动爱“心”行动项目中在泰心医院进行治疗的贫困先心病患儿。

根据战略协议，中国移动将携手泰心医院，以泰心医院为医学临床基地，在天津滨海新区联合成立“中国移动—泰心医院移动医疗应用实验平台”。通过实验平台，根据临床需求开发移动医疗产品，并对产品进行专业评测和孵化，在院内进行业务试点和医学验证，进而在全国进行普及推广。

此次发布的“爱护心”产品由中国移动和泰心医院联合研发，是为患者提供闭环的心血管病专项贴身医疗和健康管理的个性化服务方案，能够使心血管疾病患者得到持续、完整的院外“双心”诊疗，降低再入院率及医疗费用，提高生活质量。

李跃总裁表示，泰心医院和中国移动一直保持良好的合作关系，经过四年的合作，爱“心”救助项目取得了一定成绩，中国移动还将继续努力，努力让爱“心”行动项目在更大范围内开花结果。此次战略合作协议的签署，将进一步加强双方的战略合作关系，标志着双方将继续发挥各自的资源优势，积极探索医疗行业与电信运营业共同发展的新模式。中国移动将全力发挥专业优势，进一步加大投入，积极与泰心医院在各个领域进行业务合作，共同推进、全力支撑各项业务的试点和运营等工作。

（摘自：中国移动通信集团设计院有限公司网站）

谷歌推出TensorFlow机器学习系统

谷歌近日推出了一种新的开源工具，这种工具可使其与大众分享有关机器学习的知识和经验。谷歌多年来一直都致力于机器学习的实验室研究工作，并将其在这个领域中取得的一些成就引入了Google Photos等产品。

谷歌新推出的这种机器学习系统名为TensorFlow，可在小到一部智能手机、大到数千台数据中心服务器的各种设备上运行。这个系统是基于谷歌在2011年开发的深度学习基础架构DistBelief而构建起来的，但将这种第一代架构向前推进了几步。

“与原来的系统相比，TensorFlow更快，更智能化，也更加灵活，因此可以更加轻松地适应新产品和研究工作。”谷歌CEO桑达尔•皮查伊（Sundar Pichai）发表博文称。

谷歌高级研究员杰夫•迪恩（Jeff Dean）和技术主管拉雅•蒙加（Rajat Monga）称，DistBelief关注的重心是神经网络，而且与谷歌内部的基础架构联系紧密，这意味着该系统“几乎不可能与外部共享研究代码”。另外，按某些标准计算，TensorFlow的运行速度相当于DistBelief的一倍。

谷歌推出这种新工具旨在令研究人员、工程师和爱好者能以更快的速度交换想法。而与此同时，谷歌自己也将可在研究人员使用TensorFlow取得新的成就时从中受益。

（摘自：新浪科技）

新一代国产卫星通信系统问世 可实现百万数量级终端在线

11月5日，“2015中国卫星通信产品高峰论坛”在京举行，中国航天科技集团所属航天恒星科技有限公司发布了新一代国产卫星通信系统anovo2.0。该系统可以实现百万数量级终端在线，不仅标志着我国卫星通信技术应用达到世界先进水平，同时提供与国家保密部门的接口方案，也进一步夯实了我国信息安全、航天安全的基础。

我国自1970年发射“东方红一号”后，卫星通信应用长期受到关键技术的制约。20世纪80年代以来，虽然各行业普遍开始使用国际流行的vsat（小型地球卫星站）卫星通信系统，但一直依靠进口vsat设备进行卫星通信系统的组网建设。2011年，中国航天科技集团旗下航天恒星科技有限公司发布的自主卫星通信系统anovo1.0填补了国内空白。随后，该系统在关系国家安全和商业安全的多个领域得到应用，并为“雪龙号”等成功提供了通信保障。

航天恒星科技有限公司原为航天五院503所，是中国航天科技集团公司卫星应用的总体单位，同时从事基于中国天基资源的综合信息化整体解决方案、系统集成、产品研制和运营服务。随着“走出去”战略和“一带一路”的进一步实施，中国卫星产业自身将面临参与国际竞争的重要机遇和挑战。

（摘自：中国信息产业网）

[3] 王瑞敏，张颖颖.直接甲醇燃料电池技术发展近况及应用[J].上海汽车，2010(11).

Application prospect of direct methanol fuel cell in communicative base station

MENG Yan-wei
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractIn this paper, through the analysis of the characteristics of the direct methanol fuel cell itself, its usage prospect in communicative base station would be discussed herein.

Keywordsdirect methanol fuel cell； DMFC； communicative base station； super base station

收稿日期：2015-08-11

中图分类号TN915

文献标识码A

文章编号1008-5599（2015）11-0088-04