新型燃料电池电源系统

新型燃料电池电源系统

董辉

佛山市攀业氢能源科技有限公司 广东佛山 528000

摘要：将SPE电解水制氢与燃料电池发电相结合，为通信基站提供后备电源。利用市电的波谷电作为电解水的电源，降低制氢成本。利用雨水收集、纯化系统提供电解水需要的纯净水，避免维护人员上站送水。电解水系统输出的氢气压力可以达到2.5 MPa，储存在1个立方米的氢气储罐中，可产生30度电。该系统在上海奉贤铁塔的奉南刘基站使用，运行良好。

关键词： SPE水电解； 氢燃料电池； 基站备电；

0.引言

由于我国的经济增长迅速，使得对各种能源的使用需求日益旺盛，而大量使用传统的化石能源会造成更多的环境污染问题。新能源（太阳能、风能等）对环境污染性小，可以持续利用，在满足国家能源需求﹑改善国家能源结构﹑节能减碳方面发挥了重要作用，已经引起了国际上广泛关注。随着新能源的使用，人们面临着越来越多的储能问题。而氢燃料电池发电技术的发展，使工业界认识到其在后备电源领域有非常广阔的使用前景，是可以取代铅酸蓄电池和柴油发电机作为后备电源的新能源技术[1]。氢燃料电池作为新型供电设备的产品应用已经处在商业化的小批量推广阶段，但是氢燃料电池所需的氢气来源问题日益凸显。电解水制氢是一种方便、清洁的制氢技术，其制取氢气的装置简单，产品纯度高，氢气纯度一般可达99.99 %。把电解水制氢与氢燃料电池结合起来使用，是未来理想的电能储存方式。

1.系统原理

本项目方案采取“市电”作为水电解制氢装置的电源，通过ACDC装置转变为电解水需要的直流电（电压范围为31-34 V），制取的氢气存储在氢气罐内。当“市电”处在波谷电时，制氢设备启动，产生的氢气进入氢气储罐备用。氢气储罐充满时，制氢设备停运。一旦“市电”停电，氢气经过减压系统对氢燃料电池自动供氢，燃料电池运行，所发出的电通过DCDC转换为基站需要的48V直流电再对用电设备供电。该项目系统由雨水收集系统、雨水纯化系统、SPE水电解系统、氢气储气罐、3000 W氢燃料电池备电系统等部分组成，移动基站系统结构图如图1：

2.SPE水电解制氢设备及储氢系统

电解水的方式有两种：一种为碱性电解槽，所电解生产的氢气中含有碱性物质，因此需要对产生的气体进行提纯，增加了系统的复杂性；另一种为酸性电解槽（SPE电解槽）采用质子交换膜作为电解质，产生的气体无对燃料电池有害的杂质。本项目采用SPE电解槽，同时基于设备控制系统总体耗电考虑，采用差压控制技术，即利用纯水机出口剩余压力向常压的氧侧定期加水，可节省加水泵成本以及相关电机驱动的耗电。SPE技术具有不使用碱液、气体容易提纯、电解效率高等优点，发展空间广阔，最近受到国内外的普遍重视。全世界第一台SPE电解槽是由美国的通用电气公司在1966年开发出来的，当时主要用于美国的太空领域。此后日本开展World Energy Networl(WE-NET)计划，对SPE电解槽进行了深入的研究。近年来SPE制氢技术成为电解制氢领域的研究热点之一。美国在SPE水电解制氢领域处于世界领先水平，其研究主要用于空间技术及海军核潜艇中的供氧装置。在90年代美国就已研制出采用SPE电解槽水电解供氧装置，并已应用在“海浪级”核潜艇上[2]。SPE电解槽产氢纯度为99.99 %，工作压力为2.5 MPa，电解槽工作电压31-33 V，最大电流200 A。

储氢单元包括氢气储罐及减压部分。制氢设备设计压力为2.5 MPa，SPE电解槽产生的氢气首先进入氢气储罐进行储存，氢气储罐容积为1 m3。当氢气储罐压力达到2.5 MPa后，制氢设备自动停运；当需要向燃料电池提供氢气时，供氢电磁自动打开，氢罐内氢气经减压阀减压至0.06 MPa进入燃料电池。

下面为SPE制氢工作时的性能曲线。工作电压为33 V，工作电流为131 A，制氢量为1 m3h。由于储罐的体积为1立方米，所以储罐压力每小时增加0.1 MPa。

3.燃料电池备电系统

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，能够满足各个行业后备电源的需求。电化反应唯一产生的副产品即纯净水，节能环保，完全避免了铅、硫酸以及其他酸性污染物排放[3]。燃料电池备电系统在通讯基站已有成功应用范例，燃料电池可使用48 V锂电作为启动电源，燃料电池启动后通过DCDC输出48 V电给基站用电设备使用同时给锂电池充电。本系统中燃料电池的功率配置为3 kW，燃料电池备用电源的具体参数如下表所示：

燃料电池系统输出电压为51 V，，耗氢量为0.87 m3kwh。当燃料电池为满载即3000 W时可运行10小时。

4.系统在上海铁塔奉南刘基站实际运行情况

该基站位于奉贤奉浦开发区，基站周围是稻田，比较空旷，夏季温度较高，该系统也相对的增加了降温措施，使系统能够正常运行。基站负载为500 W左右，氢气满罐时，燃料电池在基站上的连续运行时间可以超过36小时，燃料电池系统工作曲线如下图所示：

该系统在上海奉贤铁塔的基站运行良好，能够长时间的稳定运行，完全能够成为稳定的、绿色环保的备用电源。

5.结束语

能源安全与环境保护的双重压力下，大力发展可再生能源是破解我国能源与环境问题的必由之路。清洁、高效的氢作为电能储存的理想载体已越来越受到重视。一体化新型备用电源系统把SPE水电解制氢、燃料电池发电系统整合作为基站备用电源，并成功运行。为了使本产品更加完善，我们将对该技术进行更深入的研究。

【参考文献】

[1] 詹姆斯﹒拉米尼（英）.燃料电池系统-原理﹒设计﹒应用（第二版）[M].朱红译.北京：科学出版社，2006.

[2] LARMINIE J (England).Fuel cell systems explained (sencond) [M].ZHU Hong translation.BeijingSciencePress,2006.

[3] Recent advances in SPE water electrolysisJournal of Power Source,47 (94)

[3] 张富刚，樊越甫，刘方，刘海东，氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究[J].高压电器，2012.

[4] Zhang Fugang, Fan Yuefu, Liu Fang, Liu Haidong, Application of hydrogen fuel cell in power system backup power supply [J].High voltage electric equipment,2012.