氢燃料电池在通信基站中的应用

郭清江

（福建省邮电规划设计院有限公司，福建 福州 350001）

氢燃料电池在通信基站中的应用

郭清江

（福建省邮电规划设计院有限公司，福建 福州 350001）

氢燃料电池作为当今被看好的新能源之一，有着清洁、高效等优点。作为新清洁能源，相对于传统后备电源，集诸多优点于身，使其在通信领域作为后备电源应用成为可能。随着以储氢罐、加氢站、输气管道等相关氢经济配套的发展与环保呼声的日益高涨，燃料电池的广泛商业化将成为可能。文章对氢燃料电池在通信基站中的应用进行研究。

氢；氢燃料电池；氢经济

1 氢燃料电池简介

氢燃料电池是使用氢气制造成储存能量的电池。其原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，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[1]。

氢气与电能转换装置主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质。其中，阳极为氢电极，阴极为氧电极，两极板填充电解质；阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应[2]。氢燃料电池电化学反应与系统工作方框如图1所示。

图1 氢燃料电池电化学反应与系统工作方框

氢燃料电池系统包含以下几个部件：燃料电池发电单元、DC/DC直流稳压单元、系统控制器、监控单元、动力环境传感器、气体安全告警单元、氢气气瓶、气体连接管路。

燃料电池技术在全球的开发极为活跃。美国是研究燃料电池最早的国家，处于该领域的领先地位。中国对氢能的研究与发展可以追溯到70年代初，在氢燃料电池领域取得重大进步，并应用于航天领域[3]。

随着社会经济的发展，氢燃料电池在通信、医疗、汽车等各行业不断推广使用。

2 氢燃料电池与传统备用电源的供电模式对比

通信电源系统被誉为整个机房的心脏，其重要性不言而喻；通信电源系统要求高可靠供电；其可靠性通常由备用电源系统保证，传统的备用电源设备有阀控铅酸电池，交流柴油发电机。各种备用电源的供电模式如下[4]。

2.1 燃料电池做新型“油机”使用

新型的备用电源系统有燃料电池等，氢燃料电池系统是一种新型的将氢能源转化为电能的一种备用电源装置，该系统具有自动供电切换、集中监控、燃料电池管理等功能，满足基站无人值守要求；该系统可以替代油机使用，市电正常时，以交流供电为主，经过整流器与直流配电单元给负载供电；当市电停止时，启动燃料电池系统，通过DC-AC逆变稳压后替代市电供电。

2.2 燃料电池做新型“电池”使用

氢燃料电池系统常可以与通信机房开关电源配合使用，市电正常时，以交流供电为主，经过整流器与直流配电单元给负载供电；当市电停止时，依托燃料电池系统控制器，通过监控交流市电输入状态、直流电输入状态、直流输出状态，适时启动燃料电池系统，通过DC-DC稳压后直接给直流负载供电。

2.3 传统交流油机与铅酸电池

交流油机通常与市电配合使用。当市电正常时，以交流供电为主，经过整流器与直流配电单元给负载供电；当市电停止供应时，机房直流负载由蓄电池提供不间断供电，依托市油切换控制系统，发动油机给高频开关电源供电，从而提供可持续的备用交流电源。

以上两种备用电源中具体对比如表1所示。

表1 燃料电池和交流油机与电池的对比

3 氢燃料电池在基站机房的测试

为验证氢燃料电池系统在基站机房的实际应用效果，本人参与某运营商协同氢燃料电池厂家，组织相关技术骨干人员对某基站对氢燃料电池系统产品试点测试；本次测试某产品型号HH-RQ2000氢燃料电池系统，测试时间为：2017-6-15 9:30。本次对氢燃料电池产品的测试在线（RRU）测试。

3.1 测试工具

实际带载RRU的在线测试地点是某基站，测试时间为：_________ ，测试工具明细如表2所示。

表2 测试工具明细

3.2 测试项目汇总

测试项目汇总如表3所示。

表3 测试项目汇总

3.3 具体测试内容

3.3.1 主机外观与结构测试

（1）标准要求：系统外表应清洁，无机械损伤，接口触点无锈蚀；系统表面应有必须的产品标识，且标识清楚；系统的通信接口、电源接口、干接点接口等应有明确的标识；燃料电池的正、负极端子及极性应有明显标记，便于连接；燃料电池的外观不应有裂纹、污迹及明显变形。

（2）测试方法：目测检查系统的外观与结构，观察是否符合上述标准要求。

（3）测试结果：满足测试要求。

3.3.2 切换测试

（1）标准要求：市电来电，燃料电池系统20 s内正常关闭；市电断电，燃料电池系统20 s内正常开启。

（2）测试方法：开、关闭市电空开模拟市电来电、市电断电。

（3）测试结果：市电来电，燃料电池系统15 s内正常关闭；市电断电，燃料电池系统18 s内正常开启。

3.3.3 工作状态测试

（1）标准要求：系统直流输出电压额定值为48 V，可调节范围为43.2～57.6 V，输出电压在其可调范围内应能手动或自动连续可调。

（2）测试方法：启动燃料电池供电系统，接直流灯泡假负载，调节旋钮，用万用表测量输出给负载两端电压。

（3）测试结果：输出电压53.6 V，满足测试要求。

3.3.4 噪音测试

（1）标准要求：室内型氢燃料电池供电系统正常运行时的噪音应不大于55 dB。

（2）测试方法：系统输出为额定线性负载满载，氢燃料电池供电系统在正常运行时的噪音应不大于65 dB。工作状态时，在设备正前方1 m、高度的1/2处用声级计测量。

（3）测试结果：系统运行时噪音为64 dB。满足测试要求。

3.4 测试结论

经过多次现场离线测试，对每一项具备测试条件的项目进行严格测试，期间有出现DC-DC变换器输出电压不稳的不正常现象，后经多次技术排查后确认为国产DC-DC变换器质量不稳所致，经过更换采用进口DC-DC变换器后，各项测试指标均正常，测试期间系统额定功率运行正常、负载伏安特性良好、过载能力强，系统整体性能稳定。

4 经济分析

为比较不同后备电源系统在户外场景下的使用成本，以通常电源系统15年的使用寿命比较各种供电模式的使用成本，电源系统设计容量按照带载能力1 kW计列，后备时间按照10 h，具体比较如下。

4.1 建设成本比较

（1）燃料电池：按照带载1 kW，配置1套48 V/20 A系统；（按照电池使用）。

（2）交流油机：按照带载1 kW，配置1台5 kW交流油机。

4.2 维护成本比较

（1）燃料电池：燃料电池系统按模块化系统设计，电堆与DC变换器可以热插拔，其维护成本近乎零，氢燃料罐更换犹如家用燃气瓶，操作简易，无需专业维护人员。

（2）交流油机：交流油机的备用电源系统定位，使得油机通常处于待业状态，为确保满足应急供电需要，需要定期更换三滤一油并进行相应保养，定期试机，需要配备专业维护人员。

4.3 运营成本比较

（1）燃料电池：氢燃料电池的工作温度范围为-20～45 ℃，远远高于传统铅酸蓄电池，对工作环境温度适应能力强，加上系统运行稳定，故障率低，运营期间不需要额外的开支，只需要根据实际场景发电需要补充氢气燃料。

（2）交流油机：交流油机技术成熟，设计使用寿命长，在通信机房应急电源系统大量使用，在运营期间只需要根据实际场景发电需要补充燃油，运营费用低。

综上，不同的备用电源因其各自技术所长，在建设成本、运营维护成本都各不相同，具体费用比较如表4所示。

表4 不同的备用电源具体费用比较

根据以上比较分析，我们得知，氢燃料电池作为备用油机，年平均使用成本为2.33万元，氢燃料电池作为备用电池年平均使用成本为6.366万元，交流油机的年平均使用成本为4.6万元，氢燃料电池具有较高性价比。

5 结语

与传统备用电源系统比，氢燃料电源系统具有较高经济效益。通过本次氢燃料电池系统测试，氢燃料电池系统测试的各项主要指标正常，测试期间系统额定功率运行正常，负载伏安特性良好，过载能力强，系统整体性能稳定，后备时间可控。现有氢燃料电池系统也存在体积大、安装空间大、搬运不便、氢气源保障、氢气使用成本高昂等诸多需要进一步完善的地方。

综上，氢燃料电源系统低碳环保、符合国家新能源应用方向，具有良好的市场前景；作为替代备用油机使用具有成本优势，可以将大额度的油机固定投资变成流动资产，使有限资源调配最优化，可以产生巨大社会经济效益。

[1] 闫卫东，奚甡，刘吉祥.国内外氢能发展概况[J].中国能源，2003（2）：17-20.

[2] 毕道治.中国燃料电池的发展[J].电源技术，2000（2）：103-107.

[3] 郭彦申，李进壮，王晓峰.氢燃料电池在通信电源工程中的应用[C].沈阳：辽宁省通信学会通信网络与信息技术年会，2013.

[4] 张乃国，张凡.氢燃料电池的特点及应用[C].北京：第十四届北京科技交流学术月绿色低碳新能源新技术国际研讨会，2011.

Application of hydrogen fuel cell in communication base station

Guo Qingjiang

（Fujian Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Co., Ltd., Fuzhou 350001, China）

As one of the new energy sources favored today, hydrogen fuel cells have the advantages of being clean and ef fi cient. As a new clean energy, compared with the traditional backup power, set a lot of advantages in the fi eld of communication as a backup power supply possible. With the hydrogen storage tank, hydrogen refueling stations, gas pipelines and other related economic development of hydrogen and environmental protection voices are on the rise, the widespread commercialization of fuel cells will be possible. This paper studies the application of hydrogen fuel cell in communication base station.

hydrogen; hydrogen fuel cell; hydrogen economy

郭清江（1982— ），男，福建惠安人，工程师，学士；研究方向：通信电源。