燃料电池在移动通信基站的应用浅析

徐韶清　张林冲

摘 要：主要介绍燃料电池技术在移动通信基站的应用，通过某地市移动通信基站的甲醇燃料电池试点应用案例，分析移动通信基站采用燃料电池的优缺点和建议。

关键词：燃料电池；移动通信基站

中图分类号：TN204 文献标识码：A 文章编号：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

移动通信网络的快速发展建设了大量的移动通信基站，目前多采用铅酸蓄电池和移动油机后备的保障供电方式。铅酸蓄电池的体积较大，占用较大机房空间；易造成环境的一次和二次环境污染，并对环境温度有苛刻的要求。由于铅酸蓄电池的后备时间较为有限，当市电断电时间较长，还需要后备移动油机保障。鉴于铅酸蓄电池的寿命较短，价格较高且制造和使用过程存在一定的环境污染；而移动油机后备的人力成本较高等各种不足，寻求新的备用电源是目前基站安全运行的一个重要任务。

燃料电池是一种高效能量转换器，把氢气（或其他燃料）和氧气中的化学能直接转化成电能。燃料电池系统的主要优点为效率相对较高、排放少、无噪音、可靠性高、使用可再生能源为燃料。燃料电池供电系统在移动通信基站的应用值得探讨和研究。

1 燃料电池概述

1.1 燃料电池种类

目前广泛研发的燃料电池主要有质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸盐型燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能，具有能量转换效率相对较高（一般达到40%～50%，而内燃机仅为30%～35%左右）、无污染、启动快、电池寿命长等优点，成为应用最广的一类燃料电池，尤其是汽车用燃料电池方面，其应用接近100%。

1.2 燃料电池工作原理

燃料电池虽然名字中有电池，实际并非是储能装置，而是能量转换装置，其通过化学反应直接将燃料中储存的能量转化为电能，可以称为电化学发电机。本文案例中采用的燃料电池，采用的燃料为甲醇，系统内置燃料处理模块，从甲醇燃料提取氢燃料，实际的燃料电池模块为氢燃料电池模块，其原理图如图1所示。

氢燃料电池模块的工作原理即电解水的逆向过程，电化学反应在电极上发生，反应式为：

阳极：2H2→4H++4e-

阴极：O2+4H++4e-→2H2O

总反应：2H2+O2→2H2O+热量

2 移动基站甲醇燃料电池的应用案例

2.1 移动基站供电模式

移动通信基站现有供电模式如图2所示。

在市电正常供电时，由高频开关电源输出直流电给通信设备，在市电中断时，由开关电源系统的后备蓄电池组为通信设备供电，同时在市电中断时间较长时，采用移动油机作为保障。

2.2 燃料电池在基站应用时的供电系统

燃料电池在通信基站应用时，燃料电池系统接入原有高频开关电源系统的蓄电池输入熔断器，在市电中断时，由基站原有铅酸蓄电池或燃料电池内置的锂电池对基站设备进行供电，同时燃料电池系统启动，可在短时间内提供54V左右的直流，保障基站设备供电，并对放电后的蓄电池进行充电。

2.3 某地市移动基站的应用实例

2.3.1 试点选择和设备安装

某地市通信基站為试点基站，采用甲醇燃料电池（氢燃料模块）系统，额定输出功率为5kW，采用户外一体化机柜的安装方式，安装平面如图3所示。

该试点基站选点时，考虑该站离主城区较近，方便运维监测；站内负载容量约为3kW，燃料电池额定功率满足需求；周围人员流动性较小，站内空间宽敞，适合燃料电池设备的安装。

燃料电池的设备安装位置应考虑燃料电池的电缆走线路由，避免与原有交流引入市电电缆和光缆进线电缆等路由交叉，并考虑与原有基站院墙、栅栏预留有合适的维护和散热空间，设备正面面向的方向应当方便运维人员操作。

燃料电池设备运行时会产生水，因此安装还应考虑排水，以免设备基座积水导致安装螺栓腐蚀加快。

燃料电池设备安装工程设计应当包括设备的防雷保护接地，应与机房原有地网做有效连接，根据设备实际尺寸和安装定位在基础承台处预留扁钢接地点，通过接地电缆与设备接地点相连。

2.3.2 燃料电池设备基础设计要点

由于基站燃料电池设备在室外安装，设备安装基础应当考虑防水需求，建议高出原基站院落地坪30公分，与基站机房内地坪同高。基础上预留电缆输出管孔和控制电缆管孔，并按照走线路由预埋对应管道。直流输出电缆和控制线缆走线分离，避免电磁干扰。由于燃料电池设备运行后会产生水，因此基础设计应预留排水管孔，并做排水坡度，排水管道引出预埋至基站院外排水。

2.4 燃料电池在移动通信基站应用存在的不足和瓶颈

根据燃料电池在试点的移动通信基站应用的情况，总结燃料电池在通信基站应用尚存在的不足和瓶颈如下。

（1）燃料电池造价偏高。氢燃料电池（模块）的质子交换隔膜和铂触媒价格较高，因此燃料电池供电系统整体造价较高，具有一定局限性。

（2）试点采用的燃料电池为直流输出，作为基站短时间后备能够满足需求，但由于基站的空调设备均为交流供电，当市电中断时间较长，燃料电池系统供电仅能满足通信设备，空调设备无法供冷，将导致基站温度偏高，影响到通信设备的正常工作。

（3）碳氢燃料较难直接利用：多数碳氢化合物燃料均需经过转化器产生纯氢气后方可利用，该部分的转化模块增加燃料电池系统的投资额。

（4）燃料储存还存在一定的局限，特别是氢燃料的储存有较大的瓶颈，且燃料储存需要考虑安全性。

（5）现有产品单系统的额定输出功率较小，仅能满足小功率基站的应用，目前移动通信基站的实际功率多数达到8KW以上，部分站点功率可达10kW。

3 结 论

燃料电池从出现到现在已经有100多年的历史，其技术已经非常成熟，虽然由于原材料的限制造成现有市场价格较高，但是燃料电池具有的优势非常明显，尤其在现在世界能源短缺的大环境下，燃料电池的开发和应用将会有非常美好的前景，其在通信行业的应用也会逐步扩大，特别是其带载能力强，噪音低、无污染排放这3个特点，完全克服目前移动通信基站采用的传统小型移动油机的缺点，特别适合在人口密度高的环境下使用，为通信运营商保障居民区内的通信基站提供了新思路。

参考文獻：

[1] 谢晓峰，范星河.燃料电池技术 [J].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 衣宝廉.燃料电池-原理及应用 [J].北京：化学工业出版社，2003.

作者简介：徐韶清，工程师，主要从事通信行业电气和电源设计、数据中心基础设施规划设计工作；张林冲，工程师，主要从事通信行业电气和电源设计、数据中心基础设施规划设计工作。