燃料電池在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用有哪些

【專家解說】：摘要：氫燃料電池作為新型節(jié)能環(huán)保能源之一，它的研制受到歐美及日、韓等國的高度重視并快速發(fā)展起來，“氫能經(jīng)濟(jì)”已成為美國應(yīng)對金融危機(jī)、振興經(jīng)濟(jì)的利器之一；氫燃料電池也是我們國家十一五重點發(fā)展支持項目；氫燃料電池將助力通信運(yùn)營商的節(jié)能減排工作，提高企業(yè)競爭力，還將帶動原材料、機(jī)械、電子、能源等各個國民經(jīng)濟(jì)重要產(chǎn)業(yè)。 系統(tǒng)只有單電池或電池堆無法正常工作，必須有儲氫系統(tǒng)和氧化劑供給單元不斷地向電池內(nèi)部輸送反應(yīng)物。另外，必須不斷排出或回收利用反應(yīng)過程中生成的水和熱，才能保證系統(tǒng)工作溫度的穩(wěn)定及連續(xù)可靠地運(yùn)行，因此，需要一套完善的輔助裝置，即水熱綜合管理單元等。氫燃料電池的內(nèi)阻較高時具有較好的抗短路能力，但降低了動態(tài)響應(yīng)能力，需要加裝直流－直流變換單元才能得到穩(wěn)定的電壓，通過直流配電單元向負(fù)載供電。監(jiān)控單元肩負(fù)著綜合的控制和管理功能，不僅對各組成部分進(jìn)行監(jiān)控，還具有各種保護(hù)和告警功能，儲氫系統(tǒng)管理單元也承擔(dān)著重要的氫氣泄露保護(hù)功能。由于系統(tǒng)啟動到穩(wěn)定運(yùn)行有一段時間，因此儲能單元在這期間既給負(fù)載供電，又為系統(tǒng)的開啟提供必要的驅(qū)動電流，可采用超級電容器或鉛酸蓄電池。 二、氫燃料電池的特點 傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電先將煤、石油、天然氣等燃料進(jìn)行燃燒，使化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，再利用熱能制造高溫高壓的水蒸氣來推動渦輪機(jī)，使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，帶動轉(zhuǎn)子切割磁力線發(fā)電，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。這個過程包括了化學(xué)能、熱能、機(jī)械能、電能這四種能量形態(tài)的轉(zhuǎn)換，存在兩大弊病。一是受卡諾循環(huán)及材料的限制，轉(zhuǎn)換效率只有33%～35%，大部分能量被白白地浪費掉了；二是產(chǎn)生大量的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲，對環(huán)境造成污染。相形之下，氫燃料電池具有明顯的優(yōu)勢。 1能量轉(zhuǎn)換效率高 氫燃料電池將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，可以避免過多的能量形態(tài)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的損失，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%～70%。 2環(huán)境友好 氫燃料電池發(fā)電過程中沒有燃燒，反應(yīng)產(chǎn)物為水，污染少；沒有轉(zhuǎn)動部件，噪音低；不依賴礦物能源，且降低了污染環(huán)境的鉛等化學(xué)原材料的使用量和油機(jī)排出的尾氣。 圖4各種發(fā)電系統(tǒng)的污染排放 圖4描述了幾種發(fā)電系統(tǒng)對環(huán)境污染的狀況。如果在氫燃料電池發(fā)電時使用100%純凈的氫氣和氧氣，則氫燃料電池的排放為0。出于成本的考慮，通常使用純度大于或等于99.95%的氫氣和大氣中的氧氣，氣體中的雜質(zhì)仍能產(chǎn)生少量的污染物排放，但如圖4所示，這種排放非常低，可以說，氫燃料電池是當(dāng)今世界上最潔凈能源之一。 3性能優(yōu)越 一般情況下，傳統(tǒng)的電力電子變換器接近滿載時的效率高于輕載時的效率，為了降低能耗，往往采用休眠技術(shù)使電源模塊的負(fù)載率提高，從而增加了電源系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)，降低了可靠性；而氫燃料電池供電系統(tǒng)無論輕載還是滿載都可以保持高效率，且具有很強(qiáng)的過載能力。氫燃料電池供電系統(tǒng)的高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，比傳統(tǒng)電池壽命長、可靠性高、易維護(hù)，運(yùn)行維護(hù)費用較低。 4靈活性高 系統(tǒng)可由電池堆任意串并組合以形成各種容量，自由度很大，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活；可采用模塊化的方式，方便擴(kuò)容；可根據(jù)客戶需求，靈活地安放在任何空間和場所，且無需附加設(shè)備。 5燃料來源豐富 電解水、生物質(zhì)氣化等制氫方法，現(xiàn)已形成規(guī)模。其中低價電解水制氫方法最為主要，工業(yè)副產(chǎn)氫也是氫來源的有效途徑。據(jù)統(tǒng)計，我國在合成氨工業(yè)中氫的年回收量可達(dá)標(biāo)14×108m3；在氯堿工業(yè)中有87×106m3的氫可供回收利用。此外，在冶金工業(yè)、煉焦、發(fā)酵制酒廠及丁醇溶劑廠等生產(chǎn)過程中都有大量氫可回收。上述各類工業(yè)副產(chǎn)氫的可回收總量，估計可達(dá)15億立方米以上。由此看來，我國氫的來源是極為豐富的，氫氣供給已是比較成熟的產(chǎn)業(yè)。 三、燃料電池現(xiàn)狀和應(yīng)用 目前燃料電池的種類很多，如堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）。氫燃料電池屬于質(zhì)子交換膜燃料電池，隨著開發(fā)新材料的進(jìn)展和生產(chǎn)成本的降低，逐步在軍事、交通、電力等各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 1固定電站 燃料電池作為一種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應(yīng)、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設(shè)備已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達(dá)國家建成，正在快步進(jìn)入工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的階段。 2車用動力 目前燃料電池的應(yīng)用熱點，是在汽車上使用氫燃料電池，不少世界知名汽車公司紛紛推出氫燃料動力汽車，期望通過燃料電池在交通領(lǐng)域的大量使用，極大地降低大氣污染并降低對石油的依賴度。氫燃料電池汽車發(fā)展較快，但技術(shù)要求高、實現(xiàn)難度大、配套制約多，產(chǎn)業(yè)化還需五到十年。 3便攜式電子產(chǎn)品用電池 近年來，筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品風(fēng)靡全球，其外形日趨短小、功能日漸復(fù)雜、能耗日益增加，要求電池能量密度高、使用時間長。目前市場上的主流產(chǎn)品鋰離子電池，其能量密度已相當(dāng)接近理論極限值（500～600）W?h/L，容量已沒有太大的提升空間，而質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池則是順應(yīng)當(dāng)今小型化、輕型化潮流的最佳選擇。 4后備電源 隨著通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，業(yè)界意識到氫燃料電池在后備電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，大部分基站所需功率等級落在氫燃料電池供電系統(tǒng)最佳性能價格比的區(qū)間內(nèi)，且較易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。氫燃料電池的啟動速度較快，輸出電能較穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠滿足通信行業(yè)的需要。