氢内燃机发电机ICT领域应用分析

2023-01-31梁露露陈志江

通信电源技术 2022年19期

梁露露，陈志江，刘绚

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团采购共享服务中心，北京 100080）

0 引言

为了应对全球气候变化，2015年全球175个缔约方在联合国总部签署《巴黎协定》。2020年第75届联合国大会上，中国向世界承诺力争在2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”。2021年7月，中国移动积极响应“双碳”战略，发布“C2三能计划”，构建“三能六绿”发展模式，提出到“十四五”期末在公司电信业务总量增加1.6倍的情况下，碳排放总量控制在5.6×107t以内，单位电信业务总量综合能耗、碳排放指标降幅均超过20%。

5G基站的集成度更高、数据传输量更大，能耗为4G基站的2～3倍。随着5G建设的不断推进，通信设备的高能耗问题不容忽视。

氢能作为一种清洁灵活、来源广泛、应用场景丰富的二次能源，广受国家相关行业重视。氢能主要有氢燃料电池和氢内燃机两种利用途径，前者一直是国内的研究热点，中国移动早在2012年就已经开展若干氢燃料电池试点基站，探讨氢燃料电池在通信基站备用电源中的应用。与之相反，国内对氢内燃机的研究则相对较少[1]。基于此，通过对氢内燃机发电机的工作原理、系统结构、特点、现状以及前景等进行分析，为其在通信备用电源领域的应用提供参考建议。

1 氢内燃机发电机系统

1.1 工作原理与系统构成

氢内燃机发电机是一种将氢气与氧气燃烧产生的热能转化为机械能的装置，带动发电机产生交流电输出。根据燃料组成，氢内燃机分为纯氢内燃机与掺氢内燃机，其中掺氢内燃机主要是将氢气与其他燃料（醇类、天然气、汽油等）混掺使用。

氢内燃机发电机的工作原理类似传统汽油机、柴油机，存在吸气、压缩、做功和排气4个冲程，如图1所示。与传统汽油机、柴油机不同的是，氢内燃机发电机使用的是氢能，而非化石燃料。

图1 氢内燃机工作原理

一个完整的氢内燃机发电系统包括3个组成部分，分别是氢内燃机、氢内燃机电热控制管理子系统以及氢内燃机安全管理子系统。氢内燃机包括发动机、氢气喷射装置、储氢装置，是氢内燃机发电系统的核心能量转换模块。氢内燃机电热控制管理子系统主要实现氢内燃机发电机的热能管理及电控管理。氢内燃机安全管理子系统主要实现针对异常燃烧工况的控制、故障诊断、气缸泄露检测等功能。

1.2 氢燃料的特点

（1）可燃范围广。其他燃料相比，氢气的可燃范围更广。氢气可以在稀薄的混合物中燃烧，稀薄空气-燃料的燃烧反应更彻底，燃油经济性更强。

（2）淬熄距离小。氢气的淬熄距离为0.64 mm，仅为汽油的1/3。较小的淬熄距离可以使火焰传播至接近气缸壁，甚至可以达到活塞余隙，将进入活塞环与缸壁缝隙的混合气燃烧，使燃烧更加彻底。

（3）点火能量小。与需要0.24 mJ点火能量的汽油-空气混合物相比，氢-空气混合物只需要0.02 mJ点火能量即可点燃。点火能量低说明氢内燃机有着良好的启动性且不易失火，但同时也意味着火花塞电极过热、热沉积物等可能导致早燃问题。

（4）扩散系数大。氢气具有非常高的扩散率，有利于形成均匀的空气-燃料混合物。同时，氢气发生泄露时会迅速扩散，浓度迅速降低，可以降低爆炸风险。

（5）自燃温度高。氢气的自燃温度为585 ℃，比汽油、柴油的自燃温度高，在没有外部火源的情况下氢混合物燃料很难自燃。氢气-混合物可以达到较高的压缩比，从而实现较高的氢内燃机系统热效率。

（6）火焰传播速度快。氢气的火焰传播速度较快，这意味着氢内燃机可以实现更接近理想的热力学发动机循环，但同时可能出现爆燃问题。燃烧时气缸内压力急剧上升，膨胀做功时间极短。

1.3 氢内燃机发电机系统的特点

为了应对未来动力多元化、能源多元化的结构趋势，需要构建多元的新型能源供给结构。氢内燃机发电机系统具有效率高、环境适应性强、无碳排放、使用寿命长以及持续供电能力强等特点，与柴油机、氢燃料电池相比，具有一定的技术优势。

（1）能量转换效率高。由于氢燃料的可燃范围广、自燃温度高，因此氢内燃机可以实现更高的压缩比和稀薄燃烧，理论循环最接近奥托循环。通过采用稀薄燃烧技术、米勒循环、精准喷射控制技术以及智能控制系统等，潍柴动力研发的13L氢内燃机、WP13H商用车分别实现了41.8%、51.09%的热效率[2,3]。此外，氢内燃机发电机在高负荷区具有较高的系统效率。

（2）经济性好。氢内燃机发电机保留了传统发动机的主要架构和系统，能够依托现有工业体系在传统内燃机基础上进行包括供气系统等硬件、软件的升级，实现低成本、批量化生产。目前，氢燃料电池在核心材料和关键技术方面仍存在短板，对氢气纯度要求较高且造价较高，氢内燃机发电机的经济性优于氢燃料电池。

（3）无碳排放、绿色环保。与油机的高碳排放不同，氢气与氧气的燃烧产物为水，氢内燃机理论上可以实现零碳排放。

（4）环境适应性强。氢内燃机无冷启动问题，而且也无需过渡电源，在低温环境中仍然可以迅速启动，同时对空气质量要求不高。

（5）连续供电时间长。与氢燃料电池、油机一致，氢内燃机补能效率快，在线补给燃料的情况下可以实现长期供电。由于氢内燃机、油机中存在机械运动部件，长期高温运行后可能会发生故障。

2 氢内燃机发电机在国内外的发展和应用现状

根据相关资料，氢内燃机发电机的主要挑战在于早燃、爆燃、回火和氮氧化物排放等方面的问题。目前，抑制早燃、爆燃、回火的主要方法有降低进气温度、改变喷氢方式、优化内燃机参数等。降低进气温度主要有废气再循环法、进气管喷水、液氢预混法等。缸内直喷供氢方式可以在进气阶段结束后喷氢，以避免回火问题。缸内喷氢包括高压喷氢和低压喷氢，分别在压缩冲程中和压缩冲程前进行喷射供氢。高压喷氢对喷射阀的精度要求较高，可以抑制早燃、回火现象。低压喷氢配以降低进气温度可以抑制早燃，同时提升发动机功率。此外，降低氮氧化物排放的方法有稀薄燃烧和喷射参数优化、废气再循环和喷水技术、后处理技术3种。稀薄燃烧配以机械增压或涡轮增压可以保证氢内燃机发电机在稀薄燃烧情况下的动力性，喷射参数随不同工况变化[4]。通过各种技术的使用，氮氧化物排放可降至极低水平。

国外对氢内燃机的研究起步较早，最早可以追溯到19世纪初瑞士人伊萨克·代·李瓦茨首次制成单缸氢气内燃机。20世纪中后期，德国、美国、日本等国家对氢内燃机的研究逐步兴起。液态储氢、稀薄燃烧、自然吸气进气道喷射等技术的局限性使车辆的续航短、系统热效率低、氮氧化物排放高，加上氢气基础设施缺乏导致其研发一度进入低潮阶段。近年来，氢内燃机中高压储氢、涡轮增压、动力总成电气化、缸内氢气直喷等技术获得了较大的进步，而氢燃料电池居高不下的成本仍然无法解决，氢内燃机技术重新引起广泛关注。多个国家或地区均出台了氢能发展战略，不断建设并完善加氢基础设施，推进氢能产业化。目前，氢内燃机发电机已具备初步产业基础，在全生命周期成本方面具备优势，应用前景广阔。

3 氢内燃机发电机在通信领域的前景分析

随着5G规模化建设，通信网络能耗将大幅提升。考虑到氢能清洁无碳的特点。长期来看，氢内燃机发电机在通信领域备用电源中的应用前景广阔。通过替代传统排放高、对环境不友好的应急移动油机与固定式柴油发电机等场景，促进通信行业绿色低碳发展。针对一些对环保有要求的基站等，可以将氢内燃机发动机作为备用电源为通信站点供电。

对氢内燃机发电机和氢燃料电池的综合性能进行对比分析，如表1所示。

表1 氢内燃机发电机与氢燃料电池的性能比较

氢内燃机发电机与传统柴油机、汽油机产业链高度通用，只需更换供气系统、氢气专用冷型火花塞、匹配新型增压器，并对润滑和曲轴箱通风进行相应的适应性设计即可实现氢内燃机的产业应用，后续维护易更换零部件。氢燃料电池电堆的核心部件膜电极中的质子交换膜、碳纸材料主要依赖进口，难以实现批量化生产。氢内燃机具有多种燃料适应性，对氢气纯度要求不高。氢燃料电池生成物中有水，在低温环境中会发生凝结，阻碍氢气、氧气进入催化层，同时可能损坏组件，需要铅酸电池、磷酸铁锂电池等过渡电源辅助启动，启动时间长。而氢内燃机发电机不存在冷启动问题，可实现快速启动，在通信领域具有较好的应用前景。