燃料電池在移動通信基站的應用淺析

徐韶清　張林沖

摘 要：主要介紹燃料電池技術(shù)在移動通信基站的應用，通過某地市移動通信基站的甲醇燃料電池試點應用案例，分析移動通信基站采用燃料電池的優(yōu)缺點和建議。

關(guān)鍵詞：燃料電池；移動通信基站

中圖分類號：TN204 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2017）03-0067-02

Application of Fuel Cell in Mobile Communication Base Station

XU Shaoqing，ZHANG Linchong

（Guangdong Planning and Designing Institute of Telecommunications Co.，Ltd.，Nanjing Branch，Nanjing 210029，China）

Abstract： This paper mainly introduces the application of fuel cell technology in mobile communication base station， a methanol fuel cell pilot application case through a city mobile communication base station， advantages and disadvantages of using fuel cell for mobile communication base station are analyzed and suggestions are made.

Keywords： fuel cell； mobile communication base station

0 引 言

移動通信網(wǎng)絡的快速發(fā)展建設了大量的移動通信基站，目前多采用鉛酸蓄電池和移動油機后備的保障供電方式。鉛酸蓄電池的體積較大，占用較大機房空間；易造成環(huán)境的一次和二次環(huán)境污染，并對環(huán)境溫度有苛刻的要求。由于鉛酸蓄電池的后備時間較為有限，當市電斷電時間較長，還需要后備移動油機保障。鑒于鉛酸蓄電池的壽命較短，價格較高且制造和使用過程存在一定的環(huán)境污染；而移動油機后備的人力成本較高等各種不足，尋求新的備用電源是目前基站安全運行的一個重要任務。

燃料電池是一種高效能量轉(zhuǎn)換器，把氫氣（或其他燃料）和氧氣中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能。燃料電池系統(tǒng)的主要優(yōu)點為效率相對較高、排放少、無噪音、可靠性高、使用可再生能源為燃料。燃料電池供電系統(tǒng)在移動通信基站的應用值得探討和研究。

1 燃料電池概述

1.1 燃料電池種類

目前廣泛研發(fā)的燃料電池主要有質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸鹽型燃料電池等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池因其不經(jīng)過燃燒直接以電化學反應連續(xù)地把燃料和氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率相對較高（一般達到40%～50%，而內(nèi)燃機僅為30%～35%左右）、無污染、啟動快、電池壽命長等優(yōu)點，成為應用最廣的一類燃料電池，尤其是汽車用燃料電池方面，其應用接近100%。

1.2 燃料電池工作原理

燃料電池雖然名字中有電池，實際并非是儲能裝置，而是能量轉(zhuǎn)換裝置，其通過化學反應直接將燃料中儲存的能量轉(zhuǎn)化為電能，可以稱為電化學發(fā)電機。本文案例中采用的燃料電池，采用的燃料為甲醇，系統(tǒng)內(nèi)置燃料處理模塊，從甲醇燃料提取氫燃料，實際的燃料電池模塊為氫燃料電池模塊，其原理圖如圖1所示。

氫燃料電池模塊的工作原理即電解水的逆向過程，電化學反應在電極上發(fā)生，反應式為：

陽極：2H2→4H++4e-

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

總反應：2H2+O2→2H2O+熱量

2 移動基站甲醇燃料電池的應用案例

2.1 移動基站供電模式

移動通信基站現(xiàn)有供電模式如圖2所示。

在市電正常供電時，由高頻開關(guān)電源輸出直流電給通信設備，在市電中斷時，由開關(guān)電源系統(tǒng)的后備蓄電池組為通信設備供電，同時在市電中斷時間較長時，采用移動油機作為保障。

2.2 燃料電池在基站應用時的供電系統(tǒng)

燃料電池在通信基站應用時，燃料電池系統(tǒng)接入原有高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的蓄電池輸入熔斷器，在市電中斷時，由基站原有鉛酸蓄電池或燃料電池內(nèi)置的鋰電池對基站設備進行供電，同時燃料電池系統(tǒng)啟動，可在短時間內(nèi)提供54V左右的直流，保障基站設備供電，并對放電后的蓄電池進行充電。

2.3 某地市移動基站的應用實例

2.3.1 試點選擇和設備安裝

某地市通信基站為試點基站，采用甲醇燃料電池（氫燃料模塊）系統(tǒng)，額定輸出功率為5kW，采用戶外一體化機柜的安裝方式，安裝平面如圖3所示。

該試點基站選點時，考慮該站離主城區(qū)較近，方便運維監(jiān)測；站內(nèi)負載容量約為3kW，燃料電池額定功率滿足需求；周圍人員流動性較小，站內(nèi)空間寬敞，適合燃料電池設備的安裝。

燃料電池的設備安裝位置應考慮燃料電池的電纜走線路由，避免與原有交流引入市電電纜和光纜進線電纜等路由交叉，并考慮與原有基站院墻、柵欄預留有合適的維護和散熱空間，設備正面面向的方向應當方便運維人員操作。

燃料電池設備運行時會產(chǎn)生水，因此安裝還應考慮排水，以免設備基座積水導致安裝螺栓腐蝕加快。

燃料電池設備安裝工程設計應當包括設備的防雷保護接地，應與機房原有地網(wǎng)做有效連接，根據(jù)設備實際尺寸和安裝定位在基礎承臺處預留扁鋼接地點，通過接地電纜與設備接地點相連。

2.3.2 燃料電池設備基礎設計要點

由于基站燃料電池設備在室外安裝，設備安裝基礎應當考慮防水需求，建議高出原基站院落地坪30公分，與基站機房內(nèi)地坪同高?；A上預留電纜輸出管孔和控制電纜管孔，并按照走線路由預埋對應管道。直流輸出電纜和控制線纜走線分離，避免電磁干擾。由于燃料電池設備運行后會產(chǎn)生水，因此基礎設計應預留排水管孔，并做排水坡度，排水管道引出預埋至基站院外排水。

2.4 燃料電池在移動通信基站應用存在的不足和瓶頸

根據(jù)燃料電池在試點的移動通信基站應用的情況，總結(jié)燃料電池在通信基站應用尚存在的不足和瓶頸如下。

（1）燃料電池造價偏高。氫燃料電池（模塊）的質(zhì)子交換隔膜和鉑觸媒價格較高，因此燃料電池供電系統(tǒng)整體造價較高，具有一定局限性。

（2）試點采用的燃料電池為直流輸出，作為基站短時間后備能夠滿足需求，但由于基站的空調(diào)設備均為交流供電，當市電中斷時間較長，燃料電池系統(tǒng)供電僅能滿足通信設備，空調(diào)設備無法供冷，將導致基站溫度偏高，影響到通信設備的正常工作。

（3）碳氫燃料較難直接利用：多數(shù)碳氫化合物燃料均需經(jīng)過轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生純氫氣后方可利用，該部分的轉(zhuǎn)化模塊增加燃料電池系統(tǒng)的投資額。

（4）燃料儲存還存在一定的局限，特別是氫燃料的儲存有較大的瓶頸，且燃料儲存需要考慮安全性。

（5）現(xiàn)有產(chǎn)品單系統(tǒng)的額定輸出功率較小，僅能滿足小功率基站的應用，目前移動通信基站的實際功率多數(shù)達到8KW以上，部分站點功率可達10kW。

3 結(jié) 論

燃料電池從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有100多年的歷史，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟，雖然由于原材料的限制造成現(xiàn)有市場價格較高，但是燃料電池具有的優(yōu)勢非常明顯，尤其在現(xiàn)在世界能源短缺的大環(huán)境下，燃料電池的開發(fā)和應用將會有非常美好的前景，其在通信行業(yè)的應用也會逐步擴大，特別是其帶載能力強，噪音低、無污染排放這3個特點，完全克服目前移動通信基站采用的傳統(tǒng)小型移動油機的缺點，特別適合在人口密度高的環(huán)境下使用，為通信運營商保障居民區(qū)內(nèi)的通信基站提供了新思路。

參考文獻：

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[2] 衣寶廉.燃料電池-原理及應用 [J].北京：化學工業(yè)出版社，2003.

作者簡介：徐韶清，工程師，主要從事通信行業(yè)電氣和電源設計、數(shù)據(jù)中心基礎設施規(guī)劃設計工作；張林沖，工程師，主要從事通信行業(yè)電氣和電源設計、數(shù)據(jù)中心基礎設施規(guī)劃設計工作。