(美)瑞莱昂有限公司北京代表处    张  凡

本 刊 编 辑 部                 张乃国

摘要  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。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。

1   现在通信站后备电源的解决方案

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。

2   燃料电池技术

燃料电池是电化学装置,能够将氢和氧的化学能转变为电能,并且没有污染,无有害物质排放。PEM型燃料电池(质子交换膜燃料电池)由两个电极(阴极和阳极)组成,通过聚合膜联系起来。

气态氢被送到膜的阳极,空气被送到阴极,氢原子在阳极侧被剥离电子,带正电荷的质子穿过膜到达阴极。为使该反应发生,须使用铂金催化剂。氢的电子通过外部回路从阳极到达阴极,产生了电流,在阴极,电子、质子和空气中的氧结合产生水,是燃料电池的主要副产品,如图1所示。

                                           图1  燃料电池的工作原理图

3   燃料电池的优势

(1)无污染。燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式——最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,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。

(2)无噪声。燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。

(3)高效率。燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

4   RELION燃料电池系统特点

RELION公司的燃料电池系统是模块化的PEM氢燃料电池(见图2),该产品采用了RELION公司的在线热插拔匣式模块专利技术,这种模块化方式通过冗余备份提高了可靠性,该技术尚未被其他燃料电池厂家采用。RELION燃料电池通过简单的空气冷却,自身水合反应的设计模式,减少了移动部件。该燃料电池设计使得客户可以根据自身需要在600～12000W范围内灵活配置。

                                                图2  RELION燃料电池

RELION燃料电池系统商用已经6年多了,没有出现任何安全事故,其高可靠性及易于维护的特性获得了用户的高度信任。

RELION的匣式模块结构可以使燃料电池的单个模块方便地投入工作或退出工作(见图3)。T1000®通常有6个模块连接到母排运行。每一个模块能够提供200W的功率。一旦模块损坏,在燃料电池给负载正常供电的情况下,只需要几秒钟就可以在线更换模块。

                                      图3  RELION燃料电池模块热插拔

该系统可以通过LAN连接,干接点进行监控,连接非常方便。

RELION燃料电池系统有如下特点：

(1)模块化系统。RELION匣式模块化燃料电池,使得用户能够根据负载量的多少,准确配置供电模块数量,不需要配置备用模块,节约了投资。并且由于采用了模块设计使得系统中最重要参数的可靠性大大提高;

(2)高冗余度。所有的系统辅助配置都有备份,大大降低了系统停机维修的几率;

(3)LAN总线和“干接点”连接。可以方便、快速与原系统连接。通过互联网远程监控降低了维护和管理的工作量;

(4)空气冷却系统。RELION的简化设计使得该系统不需要水冷和特殊制冷装置。

5   现场测试的目的

首先要测试该燃料电池系统应用于通信站作为后备电源的整体性能。
该测试的出发点是要证明与传统的蓄电池方案相比,燃料电池是一个高可靠性的方案。传统的蓄电池虽然可靠性高,但蓄电池很重,且供电失效的可预测性太低。因此,该项目要测试的是燃料电池是否具备以下特点:既具备与蓄电池相似的可靠性,同时又避免了蓄电池的这些缺陷。

对通信站内的整体设备进行评估,通过对设备整体分析,以评估包括燃料电池和其他设备在内的综合系统的完整备用电源方案。燃料电池方案的各个方面在此都将被评估,包括:导气管布放、氢气的传输、各部分的连接点、启动逻辑和维护等方面。

6   产品规格(见表1、表2)

                                              表1  T-1000产品参数

                                                表2  T-2000产品参数

7   现场的安装方法

电信设备现场后备电池的连接如图4所示。燃料电池与蓄电池并联,直接与整流器母排连接。

                                                 图4  燃料电池安装图

在电网停电,后备蓄电池电压降低时,设置启动燃料电池。用户对燃料电池可设定不同的低压启动电压,如果电压下降到该值,燃料电池启动,持续供电达到浮充电压(电压可调)。

氢气用气瓶贮存,安装在室外,每一个气瓶可以储存大约108m3(在标准压力和温度条件下),为防止气体泄露,都安装了安全阀。每一个安全阀前面都安装了一个减压阀,使气压减到电池可用压力。一个气瓶用完后可以更换新的气瓶,当气瓶里的气体消耗到设定值时,减压阀可以将告警信号传送到监控中心。

设备串接了电控开关。为了更加安全,电控开关平时处于关闭状态。在燃料电池开始启动后,给电控开关开启指令。电控开关与室内的氢气传感器相连,系统一旦检测到氢气泄露,就将氢气导气管关闭。

8   测试结果的分析与评估

现场测试结果验证了产品的可靠性。当系统需要启动的时候,燃料电池在整个测试过程中都达到了设计要求,结果显示系统可靠性为100%。

图5显示了现有的蓄电池(绿线)与燃料电池(蓝线)对比的功率曲线,该图记录了50min的工作曲线。

                         图5   RELION燃料电池与现用电池功率和电压的对比

系统启动后大约11min即达到标称功率;在2min之内就可以达到标称功率的80%。

9   结束语

在测试的最后阶段,最重要的是系统的良好性能和与现场已有设备的友好对接,现场测试结果与RELION公司提供的说明书相符,没有出现故障或错误。

现场测试的重要结论:

(1)可靠性:燃料电池在任何时候都做到了正确响应,可靠性为100%。

(2)与在网设备的兼容性: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,系统都能够满足设备的供电要求。

现场测试表明,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。

                              图6  本文作者在T-1000型燃料电池前留影
                                                       (左:张乃国,右:张凡)

图6是本文作者在美国RELION公司北京办事处摆放的T-1000型燃料电池前留影，机柜中有6个模块，每个模块的功率为200W,体积重量都较小。■