燃料电池在通信领域中的应用有哪些

【专家解说】：摘要：氢燃料电池作为新型节能环保能源之一，它的研制受到欧美及日、韩等国的高度重视并快速发展起来，“氢能经济”已成为美国应对金融危机、振兴经济的利器之一；氢燃料电池也是我们国家十一五重点发展支持项目；氢燃料电池将助力通信运营商的节能减排工作，提高企业竞争力，还将带动原材料、机械、电子、能源等各个国民经济重要产业。 系统只有单电池或电池堆无法正常工作，必须有储氢系统和氧化剂供给单元不断地向电池内部输送反应物。另外，必须不断排出或回收利用反应过程中生成的水和热，才能保证系统工作温度的稳定及连续可靠地运行，因此，需要一套完善的辅助装置，即水热综合管理单元等。氢燃料电池的内阻较高时具有较好的抗短路能力，但降低了动态响应能力，需要加装直流－直流变换单元才能得到稳定的电压，通过直流配电单元向负载供电。监控单元肩负着综合的控制和管理功能，不仅对各组成部分进行监控，还具有各种保护和告警功能，储氢系统管理单元也承担着重要的氢气泄露保护功能。由于系统启动到稳定运行有一段时间，因此储能单元在这期间既给负载供电，又为系统的开启提供必要的驱动电流，可采用超级电容器或铅酸蓄电池。 二、氢燃料电池的特点 传统的热机发电先将煤、石油、天然气等燃料进行燃烧，使化学能转换成热能，再利用热能制造高温高压的水蒸气来推动涡轮机，使热能转变为机械能，带动转子切割磁力线发电，再将机械能转变为电能。这个过程包括了化学能、热能、机械能、电能这四种能量形态的转换，存在两大弊病。一是受卡诺循环及材料的限制，转换效率只有33%～35%，大部分能量被白白地浪费掉了；二是产生大量的废水、废气、废渣、废热和噪声，对环境造成污染。相形之下，氢燃料电池具有明显的优势。 1能量转换效率高 氢燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能，因此，可以避免过多的能量形态转换环节的损失，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，可达60%～70%。 2环境友好 氢燃料电池发电过程中没有燃烧，反应产物为水，污染少；没有转动部件，噪音低；不依赖矿物能源，且降低了污染环境的铅等化学原材料的使用量和油机排出的尾气。 图4各种发电系统的污染排放 图4描述了几种发电系统对环境污染的状况。如果在氢燃料电池发电时使用100%纯净的氢气和氧气，则氢燃料电池的排放为0。出于成本的考虑，通常使用纯度大于或等于99.95%的氢气和大气中的氧气，气体中的杂质仍能产生少量的污染物排放，但如图4所示，这种排放非常低，可以说，氢燃料电池是当今世界上最洁净能源之一。 3性能优越 一般情况下，传统的电力电子变换器接近满载时的效率高于轻载时的效率，为了降低能耗，往往采用休眠技术使电源模块的负载率提高，从而增加了电源系统的控制环节，降低了可靠性；而氢燃料电池供电系统无论轻载还是满载都可以保持高效率，且具有很强的过载能力。氢燃料电池供电系统的高低温适应性强，比传统电池寿命长、可靠性高、易维护，运行维护费用较低。 4灵活性高 系统可由电池堆任意串并组合以形成各种容量，自由度很大，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活；可采用模块化的方式，方便扩容；可根据客户需求，灵活地安放在任何空间和场所，且无需附加设备。 5燃料来源丰富 电解水、生物质气化等制氢方法，现已形成规模。其中低价电解水制氢方法最为主要，工业副产氢也是氢来源的有效途径。据统计，我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14×108m3；在氯碱工业中有87×106m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、炼焦、发酵制酒厂及丁醇溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达15亿立方米以上。由此看来，我国氢的来源是极为丰富的，氢气供给已是比较成熟的产业。 三、燃料电池现状和应用 目前燃料电池的种类很多，如碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）。氢燃料电池属于质子交换膜燃料电池，随着开发新材料的进展和生产成本的降低，逐步在军事、交通、电力等各个领域中得到广泛的应用。 1固定电站 燃料电池作为一种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，正在快步进入工业化规模应用的阶段。 2车用动力 目前燃料电池的应用热点，是在汽车上使用氢燃料电池，不少世界知名汽车公司纷纷推出氢燃料动力汽车，期望通过燃料电池在交通领域的大量使用，极大地降低大气污染并降低对石油的依赖度。氢燃料电池汽车发展较快，但技术要求高、实现难度大、配套制约多，产业化还需五到十年。 3便携式电子产品用电池 近年来，笔记本电脑、手机、数码相机等便携式电子产品风靡全球，其外形日趋短小、功能日渐复杂、能耗日益增加，要求电池能量密度高、使用时间长。目前市场上的主流产品锂离子电池，其能量密度已相当接近理论极限值（500～600）W•h/L，容量已没有太大的提升空间，而质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池则是顺应当今小型化、轻型化潮流的最佳选择。 4后备电源 随着通信业务的发展，业界意识到氢燃料电池在后备电源领域具有广阔的应用前景，大部分基站所需功率等级落在氢燃料电池供电系统最佳性能价格比的区间内，且较易实现产业化。氢燃料电池的启动速度较快，输出电能较稳定，环境适应能力强，能够满足通信行业的需要。