關(guān)于車載燃料電池在日常運(yùn)維場(chǎng)景中的研究

馬 強(qiáng)

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司唐山分公司 網(wǎng)絡(luò)部動(dòng)力班組，河北 唐山 063000）

1 場(chǎng)景概述

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，運(yùn)營(yíng)商迎來(lái)了新一輪大規(guī)模的基站建設(shè)。屆時(shí)，更大的站址數(shù)量和更密集的站間密度，都將給維護(hù)工作提出更加苛刻的要求?，F(xiàn)有4G時(shí)代下，城區(qū)內(nèi)重要基站發(fā)電難甚至無(wú)法發(fā)電的問(wèn)題將會(huì)更加突出。本文將探討基站后備供電新模式，設(shè)計(jì)場(chǎng)景為學(xué)校、商場(chǎng)、重要地點(diǎn)等無(wú)法利用傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的基站或機(jī)房。

目前，傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)和汽油發(fā)電機(jī)的原理都是將柴油或汽油的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。先將燃料通過(guò)與空氣混合，在機(jī)器內(nèi)部燃燒產(chǎn)生熱能，熱能再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能則在與發(fā)電機(jī)配合的作用下，利用電磁感應(yīng)原理，使得發(fā)電機(jī)輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)閉合回路產(chǎn)生電流，從而發(fā)電。柴油發(fā)電機(jī)和汽油發(fā)電機(jī)由于使用燃料是汽油或柴油，所以排放物包括CO、SO2、NOX等破壞環(huán)境的污染物，且噪音擾民。

便攜蓄電池（鉛酸或鋰電）是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，是按可再充電設(shè)計(jì)的電池，通過(guò)可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電，通常指鉛酸蓄電池，屬于二次電池。它的工作原理：充電時(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲(chǔ)存為化學(xué)能，而需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。蓄電池雖較燃油發(fā)電機(jī)環(huán)保、低噪音，但其本身不會(huì)發(fā)電，當(dāng)內(nèi)部電能耗完時(shí)需要再次充電，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。

燃料電池是使用氫元素制造成儲(chǔ)存能量的電池?；驹硎请娊馑哪娣磻?yīng)，把氫和氧分別供給給陰極和陽(yáng)極。氫通過(guò)陰極向外擴(kuò)散，和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后放出電子，通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陽(yáng)極。發(fā)電的同時(shí)，排放物僅為水，為典型的綠色能源。目前，國(guó)內(nèi)通用的燃料電池以氫氣為主要能源。由于氫氣是易爆氣體，存在一定的安全隱患，在此特研究全新的甲醇溶液燃料電池，在解決噪音、環(huán)保等問(wèn)題同時(shí)注重安全問(wèn)題。

嘗試采用車載新型電池系統(tǒng)完成充電、放電等一系列循環(huán)，通過(guò)對(duì)車體的全方位改造，保溫、降噪、絕緣、加固集中控制以及智能監(jiān)控等手段解決發(fā)電噪聲擾民的問(wèn)題。在探討新型維護(hù)模式的同時(shí)引入甲醇燃料電池，提供低噪音、低污染、高可靠性的應(yīng)急備電方案。甲醇價(jià)格不到汽柴油的1/3，可節(jié)約發(fā)電成本，切實(shí)解決市區(qū)重要基站發(fā)電難、發(fā)電成本高等問(wèn)題。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

核心部分原理，如圖1所示。

圖1 技術(shù)方案原理圖

甲醇燃料電池的核心技術(shù)：先制氫，后發(fā)電。主要涉及的技術(shù)為甲醇制氫機(jī)和風(fēng)冷電堆兩部分。

甲醇裂解反應(yīng)：CH3OH→2H2+CO

雙向水汽置換反應(yīng)：CO+H2O←→CO2+H2

甲醇水汽重整需要在一定溫度、催化劑作用下，方能產(chǎn)生富氫氣體。同時(shí)，這個(gè)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)自熱重整加熱反應(yīng)器，原理如圖2所示。

當(dāng)燃料電池需要用氫時(shí)，重整器熱啟動(dòng)，約5 min后開始給電堆供氫發(fā)電。氫氣緩沖缸在“制氫機(jī)”與“燃料電池”兩個(gè)核心系統(tǒng)之間，作用在于緩沖負(fù)載變化，讓制氫模塊跟上負(fù)載的變化。

圖2 自熱重整加熱反應(yīng)器原理

燃料電池由多數(shù)單片膜電極堆疊而成，故命名為燃料電池“電堆”。電堆每個(gè)單片都有陽(yáng)極和陰極，因此叫做雙極板（即正極與負(fù)極）。質(zhì)子交換膜讓氫氣質(zhì)子從陽(yáng)極穿透到陰極，但不讓氫電子穿透，電子需要“繞行”形成電流。雖然每個(gè)單片的電路功率不大，但是堆疊成電堆可以達(dá)到較大的功率。

目前，5 kW甲醇燃料電池拖車已經(jīng)開發(fā)完成，關(guān)鍵的設(shè)備結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)詮釋如圖3所示。

圖3 5 kW甲醇燃料電池拖車關(guān)鍵的設(shè)備結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)詮釋

燃料箱存儲(chǔ)按照要求配比（甲醇占61.8%重量百分比）的甲醇水混合燃料。為保證32 h備電時(shí)間要求，配置不小于200的置燃料箱、電子液位計(jì)以及球閥等。

甲醇重整模塊將甲醇和水在200～300 ℃范圍內(nèi)通過(guò)單向甲醇裂解反應(yīng)及雙向水汽置換反應(yīng)。水汽重整反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所需熱量通過(guò)燃燒爐燃燒雜質(zhì)（氫氣提純模塊副產(chǎn)品CO2、CO、H2O及少部分H2）提供，燃燒排放物為H2O、CO2及極少量CO（＜50 ppm）等。

氫氣提純模塊通過(guò)變壓吸附分離作用將富氫提純，生成H2純度滿足H2＞99.999%、CO＜1 ppm的要求，同時(shí)將雜質(zhì)（CO2、CO、H2O及少部分H2）送至甲醇重整模塊的燃燒爐。每個(gè)氫氣提純模塊主要包含變壓吸附分離裝置、電磁閥以及壓力傳感器等。

氫氣緩沖模塊將氫氣提純模塊生成氫氣存儲(chǔ)，存儲(chǔ)壓力范圍在0.1～0.5 MPa。模塊包含40 L碳鋼材質(zhì)氣缸1個(gè)、壓力傳感器和安全泄壓隔膜等。

電堆模塊包括2個(gè)3 kW電堆及配套模塊，可獨(dú)立使用，通過(guò)各種的DC/DC后對(duì)設(shè)備供電。參數(shù)如下：電源轉(zhuǎn)換模塊輸入30～60 VDC，輸出43～57 VDC可調(diào)，最大輸入功率3 W×2；不同的啟動(dòng)模式，配置的電源不同。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

目前，如圖4所示，拖車已正式投入使用并正式發(fā)電，解決了油機(jī)噪音、無(wú)法發(fā)電等情況，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景和顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（1）拖車設(shè)計(jì)輸出功率5 kW，完全適用于20～100 A區(qū)間負(fù)載基站，可支撐大部分站點(diǎn)。

（2）拖車自帶繞線裝置，基站開關(guān)電源在拖車20 m內(nèi)均可支撐發(fā)電。

（3）拖車自帶多種連線方式，如鱷魚夾連接和固定連接。鱷魚夾連接即輸出端、開關(guān)電源連接處采用鱷魚夾方式，可短時(shí)間快速接入，適合小負(fù)載基站供電或緊急供電情況；固定連接即輸出端通過(guò)銅鼻子固定連接方式，適用于需長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電及大負(fù)載基站供電情況。

（4）拖車經(jīng)過(guò)夜間室外帶載發(fā)電測(cè)試，在距離車體1 m范圍內(nèi)運(yùn)行的噪音不高于75 dB，遠(yuǎn)低于油機(jī)啟動(dòng)噪音。

（5）拖車運(yùn)行中代謝產(chǎn)物僅為水和少量二氧化碳，所有排放物質(zhì)對(duì)人體沒(méi)有危害，能夠在人口稠密地區(qū)及相對(duì)密閉的空間使用。

圖4 拖車

采用甲醇燃料電池供電方案，與汽油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)等供電解決方案相比，考慮初始設(shè)備投資和5年內(nèi)的運(yùn)行維護(hù)成本，按平均負(fù)載功率5 kW的情況計(jì)算，甲醇燃料電池解決方案經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，如圖5所示。采用甲醇作為燃料，發(fā)電成本是柴油的1/2，汽油的1/3。

圖5 各發(fā)電方案的經(jīng)濟(jì)對(duì)比情 況

以基站平均負(fù)載100 A計(jì)算，每發(fā)電1 h約耗電5.5 kW·h，比柴油發(fā)電節(jié)省約25元。只計(jì)算經(jīng)濟(jì)價(jià)值，購(gòu)置成本相當(dāng)于發(fā)電17 000 h的費(fèi)用，按照年均發(fā)電4 000 h計(jì)算，約4年可收回經(jīng)濟(jì)成本。