《燃料电池在通信领域中的应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃料电池在通信领域中的应用.doc（8页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、燃料电池在通信领域中的应用一、 燃料电池的发展现状燃料电池的研究与开发是20世纪8090年代国际上在能源领域开展的热门课题， 美国和日本处于世界领先地位，特别是日本在应用上投入巨资来开发燃料电池的组件及整个系统设备，一直处于世界领先地位。欧洲各国也在积极从事这方面的研究和开发工作，虽然不同国家各有特色，但总体水平与日美差距较大，个别发展中国家的燃料电池研究与开发也已经起步，并有其独到之处。我国的燃料电池研究始于1958年，电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC 研究。70年代在航天事业的推动下，中国科学院大连化学物理研究所研制成功千瓦级AFC。“七五”期间，中国科学院长春应用化学研究所19
2、90承担了中科院PEMFC研究任务；1993开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化物所，上海硅酸盐研究所，化工冶金研究所及清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC有关的研究。为进一步推动高效，清洁发电技术的研究与开发，“燃料电池发电技术”已被列入科技发展“十五”计划和2015年远景规划。随着开发新材料的进展和生产成本的降低，燃料电池逐步在军事、交通、电力等各 个领域中得到广泛的应用。二、燃料电池的特点及优势燃料电池的特点和优势，大体可概括为如下六个方面：1、能量转
3、化效率高。与一般热力发电相比，燃料电池发电具有较高的理论转化效率。无论是热机还是它的组，其效率都受到卡诺热机效率的限制，目前，汽轮机或柴油机的效率最大值仅为40%50%，当用热机带动时，其效率仅为35%40%；而在燃料电池中，燃料不是被燃烧变为热能，而是直接发电，理论上能量转化效率在90%以上，甚至超过100%。在实际应用时，考虑到综合利用能量，其总效率可望在80%以上。另外，其他的物理电池，如温差电池的效率仅为10%，太阳能的效率为20%，就无法与燃料电池相比较了。2、比能量或比功率高。同样重的各种发电装置，燃料电池的发电功率大。这是因为，对于封闭体系的铅酸蓄电池或锌银电池与外界没有物质的交
4、换，比能量不会随时间变化，但是燃料电池由于不断补充燃料，随着时间延长，其输出能量也越多，这样就可以节省材料，使装置轻，结构紧凑，占用空间小。3、污染小、噪音低、振动小。燃料电池作为大、中型发电装置使用时，它与火力发电相比，突出的优点是可以减少大气污染，燃料电池只会产生水和热，如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。此外，燃料电池自身不需要冷却水，减少了火力发电热排水的污染。对于氢氧燃料电池而言，发电后产物只有水，所以在载人宇宙飞船等航天器中兼做宇航员的饮用水。火力发电则要排放大量残渣，并且热机活塞引擎的机械传动部分所形成的噪音污染也十
5、分严重。比较起来，燃料电池的操作环境要清洁，安静得多。正式由于燃料电池对环境无污染等优点，加利福尼亚空气资源委员会和许多政府部门等免除了苛刻的排放许可要求认证。燃料电池使用除氢以外的其他能源燃料如天然气、甲烷等，确实有一些排放物，但是与其它发电机的排放物相比已经低了很多，燃料电池使用过程中副产物排放情况见下图所示：4、可靠性高。燃料电池的发电装置是由单个电池堆叠成电池组构成的，单个电池串联的电池组并联后再确定整个发电装置的规模。由于这些电池组合是模块结构，因而维修十分方便。燃料电池的可靠性还在于：即使处于额定功率以上过载运行时，它都能承受而效率变化不大；当负载有变化时，它的响应速度也快。这种优
6、良的性能使燃料电池在电高峰期可作为储能电池使用，保证火力发电发电站或核电站在额定功率下稳定运转，电力系统的总效率得以提高。5、适用能力强。燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，包括火力发电厂不宜使用的低质燃料。既可用于固定地点的发电站，亦可用作汽车，潜艇等交通工具的动力源。负荷应答速度快，启动或关闭时间短。设备占地面积小，建设工期短。燃料电池发电设备的构件小，可以全部积木化，制造和组装都可以在工厂进行，建设工期远远短于传统发电设备。机器的配置亦可自由设计，使装置更加紧凑，大大减少占地面积，增设工程相当方便。6、与在网设备的兼容性好。在不同的启动条件下(电网失电和电池低电压启动)，在不同使用站点，
7、系统都能够满足设备的供电要求。正由于燃料电池具有上述优点，故被公认为继火力发电，水力发电和核能发电技术之后的第四代化学能发电技术。燃料电池的最大缺点是辅助控制系统比较复杂，一般都要用昂贵的催化剂。三、燃料电池与目前通信行业使用的铅酸蓄电池的区别从结构上来看，铅酸蓄电池主要由极板、隔板、硫酸电解质3部分构成，燃料电池系统包括燃料、催化剂（电解质）、电极、质子交换膜电池堆、冷却系统、燃料输入控制系统、空气（氧气）输入控制系统、燃料泄漏检测控制系统、输出电压调节稳压器、排放系统和整机控制系统等。通信行业的蓄电池先由外部电能对其进行充电，使用时再放出电能，是电能与化学能的转化，属于化学反应。燃料电池工
8、作时，氢的电子聚集到正极极板上，氢离子通过催化剂聚集到负极。燃料电池是电化学系统把化学能直接转化电能，虽然都是化学反应，但是区别在于铅酸蓄电池是储能二次电源，燃料电池是化学反应直接输出电能，化学反应停止，则电能输出停止，从这一点来说燃料电池是发电机，将物质发生化学反应时释放的能量直接变换为电能。铅酸蓄电池在报废后存在重金属铅污染，燃料电池在使用和报废后均不存在环境污染。四、目前燃料电池在通信领域的应用1、燃料电池在通信领域应用概况现在的通信站通常都是由市电供电,采用铅酸蓄电池作为主要的后备电源,其初次投资比较低。但蓄电池的维护及管理成本较高，特别是在环境不好的情况下，成本更高；并且蓄电池使用寿
9、命短，如不能有效监控其工作状况，常常导致蓄电池在真正需要的时候不能有效供电，造成通信中断。燃料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。测试表明，燃料电池是电信后备系统的理想方案，与传统方案相比，其维修工作量与维护管理成本大幅度降低。因此，对于那些经常断电、用柴油机发电或是长时间断电需配置大容量电池的站点，燃料电池是更好的选择。伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电器的主要能源。微型燃料电池因其具有使用寿命长、重量轻和充电方便等优点，比常规电池具有得天独厚的优
10、势。如果要使燃料电池能在膝上型电脑，移动电话和摄录影机等设备中应用，其工作温度，燃料的可用性，以及快速激活将成为人们考虑的主要参数。目前大多数研究工作均集中在对低温质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的改进上。正如其名称所示，这些燃料电池以直接提供的甲醇-水混合物为基础工作，不需要预先重整。直接甲醇燃料电池要比固体电池具有极大的优越性。其充电仅仅涉及重新添加液体燃料，不需要长时间地将电源插头插在外部的供电电源上。当前，这种燃料电池的缺点是用来在低温下生成氢所需的白金催化剂的成本比较昂贵，其电力密度较低。如果这二个问题能够解决，应该说没有什么问题能阻挡它们的广泛应用了。目前，美国正在试验以直接甲
11、醇燃料电池为动力的移动电话，而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑。低温质子交换膜燃料电池或磷酸燃料电池几乎可以满足私人居户和小型企业的所有热电需求。目前，这些燃料电池还不能供小型的应用，美国、日本和德国仅有少量的家庭用质子交换膜燃料电池提供能源。质子交换膜燃料电池的能源密度比磷酸燃料电池大，然而后者的效率比前者高，且目前的生产成本也比前者便宜。这些燃料电池应该能够为单个私人居户或几家居户提供能源，通过设计可以满足居民对能源的所有要求，或者是他们的基本负载，高峰时的需求由电力网提供。通信行业采用大量的电话塔网络及其他的设施来传输手机信号并提供其他的服务，然而所有设施都需要高可靠的电力供应，
12、燃料电池可为这些设施提供高效的电力后备支持。随着通信产业如电话、电脑、网络的高速发展，手机信号塔及一些其他的电信设施也飞速增加。这种膨胀也带来了新的挑战，特别是对服务可靠性的挑战。为了阻止运行中断，大部分电信供应商都安装了各种形式的后备电源来保证他们的信号塔、网络等的正常运行。当然，电力公司提供主要的动力，蓄电池及发电机仅做备用。目前许多通信供应商开始选择燃料电池作为后备电源，这当然与燃料电池的诸多优点是分不开的。为了充分支持燃料电池作为通信后备电源，美国能源部正在与当地官员、国家实验室、行业专家等沟通支持燃料电池的发展，并提供最新的信息给当地官员。2、燃料电池应用实例燃料电池作为后备电源保障
13、通信设备的不间断供电，其绿色环保的特性也使其在节能减排工作中大有可为。目前国外比较成熟的应用是，燃料电池供电系统代替铅酸蓄电池组作为停电时的后备电源，只保留少量的铅酸蓄电池作为系统启动过程中的支撑。这样，就可以大量减少铅酸蓄电池的使用，减少对环境的污染。 虽然目前有许多可用的燃料电池技术，然而最普通、最适用的中小型后备电源则是质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池唯一的输入是工业级氢作为燃料，环境中的空气作为氧气来源，唯一的副产物为直流电、纯水和少量的热量。(1)燃料电池供电系统的应用实例1氢燃料电池供电系统在国外已经有大量的实际应用，截至目前为止，已经使用了数千套，将逐步减少传统铅酸蓄电池的
14、使用。考虑到氢气使用的安全性，目前产品是以室外型为主，如图 3所示的美国移动通信基站后备电源，主要客户有AT&T、Sprint等电信运营商及美国防部、FAA-联邦航空管理委会、CUSTOMS-海关等重要政府部门。另外，加拿大、新加坡、日本、印度、台湾、英国等均有应用，燃料电池供电系统还被应用在严寒地区如苏格兰、高热地区如科威特等极端环境下，充分展示了其极强的环境适应能力。图3 通信用氢燃料电池供电系统用于美国移动基站(2)燃料电池供电系统的应用实例2目前仅仅在北美洲就有1000个以上通信基站在使用燃料电池，虽然对于整个通信基站来讲这仅仅代表其中很小一部分，但是这可以很清楚地证明燃料电池已经越来
15、越成为各种场合基站使用的可靠能源，比如在市区、郊区、乡村、离网地区及环境敏感性地区。在美国亚利桑那州的沙漠地区，有许多离网通讯站、监督站均是由太阳能板和电池组成的混合系统提供动力，而燃料电池即被用来做后备电源(图4)。一般情况下，如果长时间处于黑暗状态限制光电输出时或者太阳能故障时则由燃料电池提供动力。燃料电池系统同时附带燃料储存装置，以增加燃料电池的供电时间。图4 通信用氢燃料电池供电系统用于美国亚利桑那州沙漠地区(3)燃料电池供电系统的其他应用实例3燃料电池的其他的应用实例如下图5、图6所示：图5图6六、燃料电池在通信领域的应用前景燃料电池在通信领域应用主要是作为后备电源使用的，因此燃料电
16、池在通信领域应用首先应了解其对电力系统的影响。1、展望燃料电池对电力系统的影响(1)调峰能力增加应用氢气做燃料PEMFC已经商业化，在国外容量为3kW、5kW、7kW等热电联用的燃料电池正在源源不断地进入家庭，数百kW的燃料电池正在源源不断地进入旅馆、饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置一样可以独立发电，也可与电力网相连。为了获得氢燃料，目前在非纯氢燃料电池前均加了燃料改质器。据专家介绍，碳纳米管储氢技术已获得突破，随着其商业化的发展，实行家庭发电将像用煤气灶与煤气罐配合使用一样方便，购一罐氢气可以发电数月（3kg氢气能量可以使一般轿车行驶500km）。(2)节约配电网的建设费用中国
17、有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电网的末端，用电量不大。从商业角度考虑，架设高电压等级的线路是不合算的，但不架设又难以实现村村通电的目标。有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地的风能、太阳能等，就可以满足当地的长期的电能需求。这样可以使投资更加合理，又提高电网的经济效益。(3)提高电网的安全性电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电和坑口、路口以及海口处的火电输送到负荷中心地带。中外近年多次电网事故证明，在地震、水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电网的安全性。在某个远距离的基本负荷电源跳闸时，
18、燃料电池可以对电网起到一定的支承作用，保证重要用户的电能需求。随着MCFC、SOFC技术的突破、天然气管线的铺通和大型煤气化技术的解决，届时人们会看到，对于大规模的应用化石能源的电力系统来说，变长距离输电为长距离输气，应用大中小相结合的各种燃料电池靠近负荷供电供热会更经济、更安全。(4)电网管理燃料电池发电将增加管理的复杂性。一是燃料电池发的均是直流电，需变频后入网，如此将需要对谐波进行控制；二是价格管理，每一个小的系统与电网均有电量交换，需要进行合理的价格管理，这与其他新能源入网问题一样（如太阳能、风能、生物质能发电），入网电量小，管理量不小。2、从燃料方面展望燃料电池在通信领域的应用前景目
19、前，我国燃料电池的研究形势很好，特别是PEMFC取得了长足进展。在此基础上，除继续做好对大功率PEMFC的材料、部件和工艺技术的研究外，还应加强PEMFC系统工程关键技术开发和系统集成。PEMFC系统集成的水平是PEMFC电源走向实用化、商品化的关键。此外，天然气重整制氢开发与实用化对在我国推广PEMFC发电系统有着重要的现实意义。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,从我国能源结构的实际出发,高度依赖煤炭消费的格局短期内不会改变。因此，开发以煤为一次能源的高温型MCFC和SOFC，对我国具有特别重要的意义。由于我国在MCFC和SOFC方面起点低，应选好整体技术的突破点，加强多孔薄膜电极过程动
20、力学理论、新型关键材料的设计、制备及多相复杂界面等方面的基础研究。燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新高效、清洁发电方式。我国煤炭资源丰富，又是燃煤大国，大力开发燃料电池，对提高一次能源利用效率，发展洁净煤发电技术，具有特别重要的意义。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面，有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。中国稀土资源丰富，发展MCFC和SOFC技术具有十分有利的条件。以天然气和净化煤气为燃料的MCFC和SOFC发电效率高达55%65%，而且还可提供优质余热用于联合循环发电，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时,燃料利用率高达80%以上。专家们认为它与各种大型中心电站的关系，颇类似于个人电脑与大型中心计算机的关系，二者互为补充。二十一世纪，这种区域性、环境友好的、高效的发电技术有可能发展成为一种主要的供电方式。最近日本提出2010年普及燃料电池的应用，并向发达欧美国家建议制定安全基准和通用规格。随着其生产成本的降低，燃料电池也将在我国获得快速的发展，它将对传统的热机发电构成有利的挑战。
