關于車載燃料電池在日常運維場景中的研究

馬 強

（中國移動通信集團河北有限公司唐山分公司 網絡部動力班組，河北 唐山 063000）

1 場景概述

隨著5G時代的到來，運營商迎來了新一輪大規模的基站建設。屆時，更大的站址數量和更密集的站間密度，都將給維護工作提出更加苛刻的要求。現有4G時代下，城區內重要基站發電難甚至無法發電的問題將會更加突出。本文將探討基站后備供電新模式，設計場景為學校、商場、重要地點等無法利用傳統發電機發電的基站或機房。

目前，傳統的柴油發電機和汽油發電機的原理都是將柴油或汽油的能量轉變為電能。先將燃料通過與空氣混合，在機器內部燃燒產生熱能，熱能再轉變為機械能，機械能則在與發電機配合的作用下，利用電磁感應原理，使得發電機輸出感應電動勢，經閉合回路產生電流，從而發電。柴油發電機和汽油發電機由于使用燃料是汽油或柴油，所以排放物包括CO、SO2、NOX等破壞環境的污染物，且噪音擾民。

便攜蓄電池（鉛酸或鋰電）是將化學能直接轉化成電能的一種裝置，是按可再充電設計的電池，通過可逆的化學反應實現再充電，通常指鉛酸蓄電池，屬于二次電池。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內部活性物質再生，把電能儲存為化學能，而需要放電時再次把化學能轉換為電能輸出。蓄電池雖較燃油發電機環保、低噪音，但其本身不會發電，當內部電能耗完時需要再次充電，無法長時間續航。

燃料電池是使用氫元素制造成儲存能量的電池。基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給給陰極和陽極。氫通過陰極向外擴散，和電解質發生反應后放出電子，通過外部的負載到達陽極。發電的同時，排放物僅為水，為典型的綠色能源。目前，國內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、環保等問題同時注重安全問題。

嘗試采用車載新型電池系統完成充電、放電等一系列循環，通過對車體的全方位改造，保溫、降噪、絕緣、加固集中控制以及智能監控等手段解決發電噪聲擾民的問題。在探討新型維護模式的同時引入甲醇燃料電池，提供低噪音、低污染、高可靠性的應急備電方案。甲醇價格不到汽柴油的1/3，可節約發電成本，切實解決市區重要基站發電難、發電成本高等問題。

2 關鍵技術介紹

核心部分原理，如圖1所示。

圖1 技術方案原理圖

甲醇燃料電池的核心技術：先制氫，后發電。主要涉及的技術為甲醇制氫機和風冷電堆兩部分。

甲醇裂解反應：CH3OH→2H2+CO

雙向水汽置換反應：CO+H2O←→CO2+H2

甲醇水汽重整需要在一定溫度、催化劑作用下，方能產生富氫氣體。同時，這個反應是吸熱反應，為此設計了一個自熱重整加熱反應器，原理如圖2所示。

當燃料電池需要用氫時，重整器熱啟動，約5 min后開始給電堆供氫發電。氫氣緩沖缸在“制氫機”與“燃料電池”兩個核心系統之間，作用在于緩沖負載變化，讓制氫模塊跟上負載的變化。

圖2 自熱重整加熱反應器原理

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

目前，5 kW甲醇燃料電池拖車已經開發完成，關鍵的設備結構及結構詮釋如圖3所示。

圖3 5 kW甲醇燃料電池拖車關鍵的設備結構及結構詮釋

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

甲醇重整模塊將甲醇和水在200～300 ℃范圍內通過單向甲醇裂解反應及雙向水汽置換反應。水汽重整反應為吸熱反應，所需熱量通過燃燒爐燃燒雜質（氫氣提純模塊副產品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，同時將雜質（CO2、CO、H2O及少部分H2）送至甲醇重整模塊的燃燒爐。每個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，存儲壓力范圍在0.1～0.5 MPa。模塊包含40 L碳鋼材質氣缸1個、壓力傳感器和安全泄壓隔膜等。

電堆模塊包括2個3 kW電堆及配套模塊，可獨立使用，通過各種的DC/DC后對設備供電。參數如下：電源轉換模塊輸入30～60 VDC，輸出43～57 VDC可調，最大輸入功率3 W×2；不同的啟動模式，配置的電源不同。

3 實際應用效果

目前，如圖4所示，拖車已正式投入使用并正式發電，解決了油機噪音、無法發電等情況，具有廣闊的應用場景和顯著的應用優勢。

（1）拖車設計輸出功率5 kW，完全適用于20～100 A區間負載基站，可支撐大部分站點。

（2）拖車自帶繞線裝置，基站開關電源在拖車20 m內均可支撐發電。

（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、開關電源連接處采用鱷魚夾方式，可短時間快速接入，適合小負載基站供電或緊急供電情況；固定連接即輸出端通過銅鼻子固定連接方式，適用于需長時間發電及大負載基站供電情況。

（4）拖車經過夜間室外帶載發電測試，在距離車體1 m范圍內運行的噪音不高于75 dB，遠低于油機啟動噪音。

（5）拖車運行中代謝產物僅為水和少量二氧化碳，所有排放物質對人體沒有危害，能夠在人口稠密地區及相對密閉的空間使用。

圖4 拖車

采用甲醇燃料電池供電方案，與汽油發電機、柴油發電機和電網等供電解決方案相比，考慮初始設備投資和5年內的運行維護成本，按平均負載功率5 kW的情況計算，甲醇燃料電池解決方案經濟優勢明顯，如圖5所示。采用甲醇作為燃料，發電成本是柴油的1/2，汽油的1/3。

圖5 各發電方案的經濟對比情 況

以基站平均負載100 A計算，每發電1 h約耗電5.5 kW·h，比柴油發電節省約25元。只計算經濟價值，購置成本相當于發電17 000 h的費用，按照年均發電4 000 h計算，約4年可收回經濟成本。