关于车载燃料电池在日常运维场景中的研究

马 强

（中国移动通信集团河北有限公司唐山分公司 网络部动力班组，河北 唐山 063000）

1 场景概述

随着5G时代的到来，运营商迎来了新一轮大规模的基站建设。届时，更大的站址数量和更密集的站间密度，都将给维护工作提出更加苛刻的要求。现有4G时代下，城区内重要基站发电难甚至无法发电的问题将会更加突出。本文将探讨基站后备供电新模式，设计场景为学校、商场、重要地点等无法利用传统发电机发电的基站或机房。

目前，传统的柴油发电机和汽油发电机的原理都是将柴油或汽油的能量转变为电能。先将燃料通过与空气混合，在机器内部燃烧产生热能，热能再转变为机械能，机械能则在与发电机配合的作用下，利用电磁感应原理，使得发电机输出感应电动势，经闭合回路产生电流，从而发电。柴油发电机和汽油发电机由于使用燃料是汽油或柴油，所以排放物包括CO、SO2、NOX等破坏环境的污染物，且噪音扰民。

便携蓄电池（铅酸或锂电）是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电，通常指铅酸蓄电池，属于二次电池。它的工作原理：充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，而需要放电时再次把化学能转换为电能输出。蓄电池虽较燃油发电机环保、低噪音，但其本身不会发电，当内部电能耗完时需要再次充电，无法长时间续航。

燃料电池是使用氢元素制造成储存能量的电池。基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给给阴极和阳极。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。发电的同时，排放物仅为水，为典型的绿色能源。目前，国内通用的燃料电池以氢气为主要能源。由于氢气是易爆气体，存在一定的安全隐患，在此特研究全新的甲醇溶液燃料电池，在解决噪音、环保等问题同时注重安全问题。

尝试采用车载新型电池系统完成充电、放电等一系列循环，通过对车体的全方位改造，保温、降噪、绝缘、加固集中控制以及智能监控等手段解决发电噪声扰民的问题。在探讨新型维护模式的同时引入甲醇燃料电池，提供低噪音、低污染、高可靠性的应急备电方案。甲醇价格不到汽柴油的1/3，可节约发电成本，切实解决市区重要基站发电难、发电成本高等问题。

2 关键技术介绍

核心部分原理，如图1所示。

图1 技术方案原理图

甲醇燃料电池的核心技术：先制氢，后发电。主要涉及的技术为甲醇制氢机和风冷电堆两部分。

甲醇裂解反应：CH3OH→2H2+CO

双向水汽置换反应：CO+H2O←→CO2+H2

甲醇水汽重整需要在一定温度、催化剂作用下，方能产生富氢气体。同时，这个反应是吸热反应，为此设计了一个自热重整加热反应器，原理如图2所示。

当燃料电池需要用氢时，重整器热启动，约5 min后开始给电堆供氢发电。氢气缓冲缸在“制氢机”与“燃料电池”两个核心系统之间，作用在于缓冲负载变化，让制氢模块跟上负载的变化。

图2 自热重整加热反应器原理

燃料电池由多数单片膜电极堆叠而成，故命名为燃料电池“电堆”。电堆每个单片都有阳极和阴极，因此叫做双极板（即正极与负极）。质子交换膜让氢气质子从阳极穿透到阴极，但不让氢电子穿透，电子需要“绕行”形成电流。虽然每个单片的电路功率不大，但是堆叠成电堆可以达到较大的功率。

目前，5 kW甲醇燃料电池拖车已经开发完成，关键的设备结构及结构诠释如图3所示。

图3 5 kW甲醇燃料电池拖车关键的设备结构及结构诠释

燃料箱存储按照要求配比（甲醇占61.8%重量百分比）的甲醇水混合燃料。为保证32 h备电时间要求，配置不小于200的置燃料箱、电子液位计以及球阀等。

甲醇重整模块将甲醇和水在200～300 ℃范围内通过单向甲醇裂解反应及双向水汽置换反应。水汽重整反应为吸热反应，所需热量通过燃烧炉燃烧杂质（氢气提纯模块副产品CO2、CO、H2O及少部分H2）提供，燃烧排放物为H2O、CO2及极少量CO（＜50 ppm）等。

氢气提纯模块通过变压吸附分离作用将富氢提纯，生成H2纯度满足H2＞99.999%、CO＜1 ppm的要求，同时将杂质（CO2、CO、H2O及少部分H2）送至甲醇重整模块的燃烧炉。每个氢气提纯模块主要包含变压吸附分离装置、电磁阀以及压力传感器等。

氢气缓冲模块将氢气提纯模块生成氢气存储，存储压力范围在0.1～0.5 MPa。模块包含40 L碳钢材质气缸1个、压力传感器和安全泄压隔膜等。

电堆模块包括2个3 kW电堆及配套模块，可独立使用，通过各种的DC/DC后对设备供电。参数如下：电源转换模块输入30～60 VDC，输出43～57 VDC可调，最大输入功率3 W×2；不同的启动模式，配置的电源不同。

3 实际应用效果

目前，如图4所示，拖车已正式投入使用并正式发电，解决了油机噪音、无法发电等情况，具有广阔的应用场景和显著的应用优势。

（1）拖车设计输出功率5 kW，完全适用于20～100 A区间负载基站，可支撑大部分站点。

（2）拖车自带绕线装置，基站开关电源在拖车20 m内均可支撑发电。

（3）拖车自带多种连线方式，如鳄鱼夹连接和固定连接。鳄鱼夹连接即输出端、开关电源连接处采用鳄鱼夹方式，可短时间快速接入，适合小负载基站供电或紧急供电情况；固定连接即输出端通过铜鼻子固定连接方式，适用于需长时间发电及大负载基站供电情况。

（4）拖车经过夜间室外带载发电测试，在距离车体1 m范围内运行的噪音不高于75 dB，远低于油机启动噪音。

（5）拖车运行中代谢产物仅为水和少量二氧化碳，所有排放物质对人体没有危害，能够在人口稠密地区及相对密闭的空间使用。

图4 拖车

采用甲醇燃料电池供电方案，与汽油发电机、柴油发电机和电网等供电解决方案相比，考虑初始设备投资和5年内的运行维护成本，按平均负载功率5 kW的情况计算，甲醇燃料电池解决方案经济优势明显，如图5所示。采用甲醇作为燃料，发电成本是柴油的1/2，汽油的1/3。

图5 各发电方案的经济对比情 况

以基站平均负载100 A计算，每发电1 h约耗电5.5 kW·h，比柴油发电节省约25元。只计算经济价值，购置成本相当于发电17 000 h的费用，按照年均发电4 000 h计算，约4年可收回经济成本。