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氫燃料電池系統應用于通信系統備用電源

2011/09/28

一、通信備用電源系統簡(jiǎn)介

　　通信基站一般用市電供電，為保證基站正常工作，需要給基站配備備用電源系統如鉛酸蓄電池組和移動(dòng)油機，在斷電時(shí)，備用電源系統為基站中的負載供電，保證設備的正常運行。

　　鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是比較安全且采購成本較低，其缺點(diǎn)是體積大、笨重、造成一次和二次環(huán)境污染、備電時(shí)間有限且有不確定性、對環(huán)境溫度要求苛刻。

　　當鉛酸蓄電池因放電時(shí)間較長(cháng)將要退服或出現故障時(shí)，移動(dòng)油機成為現實(shí)可用的備用電源，但移動(dòng)油機后勤保障復雜，需有人值守，有噪聲污染及廢氣污染。

　　鑒于鉛酸蓄電池和移動(dòng)油機的種種缺點(diǎn)，加之能源危機和人們環(huán)保意識的提高，尋求新的備用電源的呼聲越來(lái)越高，氫燃料電池是最理想的替代者之一。

二、氫燃料電池的原理

　　氫燃料電池是一種高效電化學(xué)能量轉換器，把氫氣（燃料）和氧氣（來(lái)自空氣）中的化學(xué)能直接轉化成電能。只要有燃料和空氣不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能，因此，燃料電池兼具電池和油機的特點(diǎn)。

　　燃料在燃料電池的陽(yáng)極被氧化，生成質(zhì)子和電子；質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)遷移到陰極，電子通過(guò)外電路遷移到陰極為外界負載提供電能；遷移到陰極的質(zhì)子、電子和陰極處來(lái)自空氣中的氧氣結合生成水。燃料電池的主要優(yōu)點(diǎn)包括：高效率（不受“卡諾循環(huán)”的限制）、零或超低排放、機械結構簡(jiǎn)單、擴展容易、安靜、安全、可靠、能用可再生能源為燃料、只要有燃料就可連續不斷地發(fā)電。

三、氫燃料電池與現有備用電源的比較

　　1、與鉛酸電池的比較

　　和鉛酸電池相比，燃料電池的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

　　適應環(huán)境溫度范圍寬廣，基站溫度可設定在32℃或更高，這樣每年可節約大量空調電費。

　　只要保證氫氣的供應就可持續供電，在發(fā)生大的自然災害時(shí)可以保持長(cháng)時(shí)間的通信暢通，為此而保護的生命、財產(chǎn)是難以用金錢(qián)來(lái)衡量的。

　　按設定電壓穩定輸出電能，而不像鉛酸電池在剩余電量達到最低值前，放電電壓衰減很快且難以預測。

　　重量輕，不需特殊的承重處理。

　　占地面積小，安置位置靈活，既可安置在室外也可安置在室內。

　　壽命設計一般是累計使用時(shí)間1500小時(shí)、累計開(kāi)關(guān)次數超過(guò)600次、儲存壽命10年，而鉛酸電池幾年就要更換。

　　安全性高，燃料電池系統中有多種傳感器，系統可自動(dòng)采取應對措施，如：當氫氣泄漏時(shí)，燃料電池控制系統會(huì )自動(dòng)關(guān)閉氣源，避免泄漏持續；可遠程監控，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題。世界上還沒(méi)有燃料電池發(fā)生氫氣燃爆事故。

　　2、與移動(dòng)油機的比較

　　與移動(dòng)油機比較，氫燃料電池最大優(yōu)點(diǎn)是：

　　自動(dòng)控制，可實(shí)現無(wú)人值守，通過(guò)遙測、遙控手段來(lái)監控系統的運行狀態(tài)及氫氣的剩余量，實(shí)現遠程管理。

　　低噪音、無(wú)廢氣排放。燃料電池系統機械運動(dòng)部件較少，所以系統比較安靜，其排放物為水，對環(huán)境友好。

四、通信備用氫燃料電池系統的應用

　　1、系統的接入

　　燃料電池系統可以布置于室內和室外，但作為通信備用電源系統，根據現有通信機房的相關(guān)管理規范，燃料電池備用電源系統只能布置于室外。

　　燃料電池系統的功率輸出線(xiàn)只需和整流器中的直流母線(xiàn)連接即可，另外，由于配置啟動(dòng)電池（小容量），需提供一路市電給啟動(dòng)電池充電。燃料電池系統支持手動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)啟動(dòng)和遠程啟動(dòng)三種方式。

　　2、運行與維護

　　當市電正常時(shí)，燃料電池系統待機。市電通過(guò)專(zhuān)用充電器給燃料電池啟動(dòng)電池充電，氫氣電磁閥關(guān)閉。

　　當市電中斷后，燃料電池系統立即啟動(dòng)。燃料電池系統會(huì )自動(dòng)檢測到市電中斷，立即完成開(kāi)啟氫氣電磁閥等一系列動(dòng)作，開(kāi)始發(fā)電；啟動(dòng)電池同時(shí)給直流負載提供短時(shí)間的不間斷供電；燃料電池連續運行，給直流負載供電。

　　當市電恢復后，燃料電池系統自動(dòng)停機。燃料電池系統檢測到市電恢復，關(guān)閉氫氣電磁閥等，系統進(jìn)入待機狀態(tài)。

　　燃料電池系統可以自動(dòng)檢測剩余氫氣量，根據設定自動(dòng)提醒工作人員更換氫氣瓶。

　　3、經(jīng)濟性比較

　　燃料電池的應用成本主要是兩項：系統采購成本及氫氣使用成本。目前燃料電池的一次采購成本比鉛酸電池高，但在燃料電池10年的壽命周期內，鉛酸電池的采購成本也不菲。目前燃料電池的生產(chǎn)量較少，當大批量生產(chǎn)時(shí)，其成本可比目前低很多；美國能源部的報告指出，如果每年生產(chǎn)50萬(wàn)輛、使用80kW燃料電池的汽車(chē)，燃料電池每千瓦的成本在2010年就可以降到70美元。每一個(gè)40升、125個(gè)大氣壓的常規鋼瓶，可以產(chǎn)電7kWh左右。對于一個(gè)2kW的基站，可以供電3.5個(gè)小時(shí)，氫氣費用（包括運費）約40-90元人民幣。延長(cháng)備電時(shí)間只需增加鋼瓶數量即可，而且鋼瓶可在線(xiàn)更換。假設一年停電150個(gè)小時(shí)，需43瓶氣體，氫氣使用總成本為1720-3870元人民幣。

　　使用燃料電池備用電源的基站的溫度可設定在32oC（現在是25oC）或更高，可以節約大量的空調耗電。其次，可節約對原需配置的鉛酸電池的充電及浮充耗電；由于燃料電池可靠性高，使用周期長(cháng)，平均維護費用較低。

　　所以，在10年的壽命周期內，燃料電池壽命周期成本（含初次購買(mǎi)成本、氫氣使用成本、維護成本）會(huì )比采用鉛酸電池的壽命周期成本更有優(yōu)勢。

　　4、應用案例

　　氫燃料電池在全球已得到大量的實(shí)際應用，累計已有數千套，IdaTech和印度的ACME集團在2008年簽訂了多達3萬(wàn)臺5kW燃料電池系統協(xié)議，用于印度電信市場(chǎng)。燃料電池還被應用于嚴寒及酷熱地區，充分展示了極強的環(huán)境適應能力。

五、氫燃料電池的安全性及氫氣來(lái)源

　　氫氣是最輕的氣體，如果氫氣泄露，它會(huì )快速向上擴散，其速度接近20米/分鐘，很難在空氣中積聚，從而減少燃燒或爆炸的可能性。

　　下表對氫氣和常見(jiàn)的兩種氣體的燃爆特性進(jìn)行了比較，可見(jiàn)，氫氣并不比常見(jiàn)的氣體危險，相反，它甚至更安全。

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