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电源及供电技术
doi：10.19399/jki.tpt.2019.S-1.014
氢燃料电池在通信后备电源领域中的应用
莫汝智1，冼 健1，李勇志2，陈汉华3，邓国华4
（1.中国铁塔股份有限公司云浮市分公司，广东 云浮 527300；2.中国铁塔股份有限公司广东省分公司，广东 广州 510000； 3.中国移动通信集团广东有限公司云浮分公司，广东 云浮 527300；4.中国电信股份有限公司新兴分公司，广东 云浮 527300）
摘要：介绍绿环保的氢燃料电源系统作为通信新型后备电源系统的工作原理、系统结构及其实际应用情况，并与中由铅酸蓄电池和油机构成的传统后备电源系统比较，分析氢燃料后备电源系统的预期
效益，最后对氢燃料电源系统在通信的后续应用进行展望。
关键词：氢燃料电源系统；后备电源系统；通信；预期效益
Application of Hydrogen Fuel Cell in Backup Power Supply Field of Communication Base Station
MO Ru-zhi 1，XIAN Jian 1，LI Yong-zhi 2，CHEN Han-hua 3，DENG Guo-hua 4（1.China Railway Tower Co.，Ltd.，Yunfu City Branch ，Yunfu 527300，China ；
2.China Railway Tower Co.，Ltd.，Guangdong Branch ，Guangzhou 510000，China ；
3.China Mobile Communications Group Guangdong Co.，Ltd.，Yunfu Branch ，Yunfu 527300，China ；
4.China Telecom Co.，Ltd.，Emerging Branch ，Yunfu 527300，China ）
Abstract ：This paper introduces the working principle ，structure and practical application of the green hydrogen
fuel power supply system as a new backup power supply system for communication base station ，an
d compares it with the traditional backup power supply system composed of lead-acid battery and oil machine in base station. The expected benefits of hydrogen fuel backup power supply system are analyzed. Finally ，the future application of hydrogen fuel power supply system
in communication base station is forecasted.
Key words ：hydrogen fuel power supply system ；backup power system ；communications base stations ；expected benefits
0 引 言
为了实现可持续发展，人们意识到加强生态文明
建设和生态环境保护的重要性，越来越关心节能环保技术的应用与发展，尤其是绿环保的新能源技术。氢燃料电池作为最具代表性的绿新能源技术之一，开始被行业各界所应用，尤其是在具有广阔应用前景的备用电源领域。
通信行业根据自身可持续发展的需要和履行社会责任的需要，响应国家节能减排号召，积极参与绿新能源的应用发展研究。目前，可靠性高、使用寿命长、对环境敏感度低、可扩容、可长时间运行以及绿环保的氢燃料电源系统，已在通信作为新型后备电源系统试点应用。
1 氢燃料电源系统
1.1 氢燃料电池工作原理
氢燃料电池是组成氢燃料电源系统的核心模块，是能把氢气和氧气的化学能直接转化为电能的一种质子交换膜燃料电池，工作原理如图1所示。在燃料电池的阳极，氢气在催化剂的作用下失去电子，分解成氢质子和电子；氢质子穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外部电路到达阴极，并形成回路产生电流；在燃料电池的阴极，氢质子、电子和氧气在催化剂的作用下反应生成水。氢燃料电池整个工作过程只产生了电能、水和少量的热量，只要氢气的纯度足够，基本无污染物产生，绿、环保、无污染。
质子交换膜阳极阳极：阴极：
12
催化剂
多余的H 2催化剂
H 2O O 2
H +
H 2
阴极
H 2
O 2+2H ++2e -2H +
+2e -催化剂
催化剂
H 2O
阳极
阳极：阴极：
12催化剂
多余的H 2催化剂H 2O O 2H +H 2阴极
H 2
O 2
+2H ++2e -2H ++2e -催化剂催化剂
H 2O 阳极
阳极：
阴极：12催化剂
多余的H 2
催化剂
H 2O O 2
H
+H
2
阴极
H 2O 2+2H +
+2e -2H ++2e -催化剂催化剂H 2O
图1 氢燃料电池工作原理图
1.2 氢燃料电源系统结构
如图2所示，氢燃料电源系统由氢储备供给单元、氧化剂供给单元、系统监控单元、系统水热管理单元、启动电源以及燃料电池模块等其他附件组成[1]。其中，氢储备供给单元负责储蓄氢气并向燃料电池模块输送燃料（氢气）；氧化剂供给单元负责把氧化剂（空气中的氧气）输送给燃料电池模块；燃料电池模块把氢气和氧气中的化学能直接转化为电能并向直流配电模
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块供电；启动电源一般由超级电容或铅酸蓄电池组成，负责启动氢燃料电池系统，并在系统启动到能输
出稳定电压期间给负载供电；系统水热管理单元把燃料电池内部的生成物排除到系统外，并给系统散热以保证系统能可靠持续运行；系统监控单元则时刻监控氢储备供给单元是否漏气、气量是否用完，并控制、保护该单元的正常运行，同时对整个氢燃料电池系统的每
一个组成部分进行监督、管理和控制。
图2 氢燃料电源系统结构图
2 氢燃料电源系统的应用
2.1 氢燃料后备电源系统在通信中的应用
在国外，氢燃料电源系统在通信行业已有大量应用；在国内，只是把氢燃料电源系统作为通信的新型后备电源系统试点应用。
国内试点应用中，考虑到氢燃料新型后备电源系统的适应性、安全性等性能和供电属性，基本是将系统安装在机房外面，并直接接入直流配电负载中。系统的接入方式如图3所示。当市电异常无法给供电时，氢燃料后备电源系统会根据实际情况自动控制、手动控制或远程遥控启动，替代由铅酸蓄
电池和油机构成的传统后备电源系统为通信设备和传输设备等供电。
电线监控线路
传统型后备电源线路
市电
空调照明
整流模块
油机
监控模块
铅酸蓄电池
直流配电
传输设备通信设备
氢燃料电源系统
控制开关
机房
直流电
图3 接入氢燃料后备电源系统图
氢燃料新型后备电源系统除了给在配置后备电源系统时多了一个选择、提高多样性和整体可靠性外，该创新型新能源技术的应用还给通信行业探索出一条符合节能减排、利于解决以后能源危机问题的新道路。同时，对整一个通信行业来说，积极参与新一代清洁能源技术的研究与应用是自身可持续发展的需要，也是激发自生活力、培养创新能力的需要。2.2 与通信监控网络对接
为通信行业提供基础设施服务、提高设施共享水平的铁塔公司，一直以来努力提高自身竞争力，积极履行社会责任，格外重视节能产品的研究和应用。铁塔公司积极参与绿环保的氢燃料新型后备电源系统的试点应用，并成功将该系统接入全领域的通信基础设施远程监控平台（FSU ）。具体接线方式如图4所示，每2个输入源可以获取氢燃料电源系统的1个告警信息。图4中共有12个输入源，即最多可以获取6个告警信息，而实际的输入接线可根据需要接入告警信息量。在试点应用中只接入了5个告警信息。
+-
DC7-30 V
电源① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ RS232
+
-RX TX A+B-PB COM IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7IN8IN9IN10IN11IN12
RS485
D1
A1
D1
A1
D1
A1
485A +
485B -
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
图4 监控网络对接输入接线图
在远程监控平台获取的这5个告警信息如图5所示，从上到下告警信息的具体内容分别是：系统运行状态告警（停电时，电堆是否处于发电状态）；第一路气瓶状态告警（氢气瓶是否为空）；安全模式告警（系统是否错误，是否处于安全锁定状态）；第二路气瓶状态告警（氢气瓶是否为空）；第三路气瓶状态告警（氢气瓶是否为空）。另外，可根据实际需要添加第6个告警信息，如系统高温告警、系统水浸告警等环境异常告警。
图5 监控网络对接输入接线图
远程监控平台可远程实时监控氢燃料新型后备电源系统，掌握系统的运行情况、燃料消耗情况和周围环境情况等。当系统出现异常时，远程监控平台及时获取异常的信息并告警。监控维护部门能根据告警的具体内容，及时采取相应的行动去处理发生告警的氢燃料电源系统。通信行业还可根据通信监控网络平台获取氢燃料电源系统数据及氢能源技术在试点应用中学到的知识，为以后的氢燃料新型后备电源系统的推广普及做准备。
3 新型、传统型后备电源系统比较分析
3.1 功能及性能比较
虽然在功能上氢燃料新型后备电源系统和由铅酸蓄电池与油机构成的传统后备电源系统都可以为通信设备供电，在市电供电系统异常时能保证设备和正常运行工作，但在性能上有质的差别。
（1）经济性。目前，由于氢燃料电池的相关技术还不够成熟，需求问题还没形成市场体系，造价较高，所以新型后备电源系统在经济性上比传统型弱。
（2）灵活性。传统型后备电源系统的油机可以是移动式油机，能根据需求灵活调度，所以在一定程度上传统型后备电源系统比新型灵活。
（3）供电时间。铅酸蓄电池连续供电时间只有6～8 h，理论上油机和氢燃料电池可在保证燃料的供应下一直运行供电，但前者由于有机械运动的部件，长时间持续高温运行时易发生故障，而后者能持续长时间稳定工作且故障率低。所以，综合考虑系统的持续供电时长，新型后备电源系统在供电时间上略优于传统型。
（4）环境适应性。保证氢燃料电池、铅酸蓄电池以及油机长时间正常工作的环境温度范围分别是-20～40 ℃、24～26 ℃以及-20～55 ℃。在保证整个系统能长时间正常工作下，新型后备电源系统环境适应
范围更宽、敏感度低，适应能力比传统型强。
（5）节能性。铅酸蓄电池因其适应性差一般需要放在空调环境下，且整个生命周期绝大部分时间都是在浮充状态，需要消耗电能。油机基本是汽油油机或柴油油机，能量先由化学能转化为机械能，再由机械能转化电能，能量转化率只有20%～40%。氢燃料电池能量转化率为40%～60%，不需要放在空调环境下，只是启动电源需要浮充消耗小部分电能。所以，在节能性上新型后备电源系统更节能。
（6）环保性。铅酸蓄电池在生产和报废处理时，容易造成铅污染，对环境和人们的身体健康造成威胁。油机在工作过程中会产生废气和噪声，对周围环境造成污染。氢燃料电池在生产、报废时产生的污染物极少，使用时几乎可以达到零排放。因此，新型后备电源系统更加环保。
新能源燃料（7）使用寿命。在和谐的环境下，氢燃料电池的服役寿命可达10～15年，油机的使用寿命为10年左右，而铅酸蓄电池在使用的第4年会因自身的硫化现象性能明显下降，寿命只有4～6年。可见，在使用寿命上，新型后备电源系统比传统型更长。
氢燃料新型后备电源系统和传统后备电源系统的综合比较如表1所示[2]。
表1 氢燃料新型后备电源系统和传统后备电源系统的综合比较
性能氢燃料新型后备电源系统（电池）
传统性后备电源系统
综合蓄电池油机
经济性弱（造价贵）较强成本较低成本较高灵活性弱（固定式）中固定式一般可移动供电时间长（补充氢气）长6～8 h补充燃料环境适应性强（-20～40 ℃）较弱24～26 ℃-20～55 ℃节能性强（非常节能）较弱长时间浮充转化率低环保性强（绿环保）弱铅污染有噪音废气使用寿命长（10～15年）中4～6年10年左右
3.2 社会效益比较分析
从技术层面看，传统型后备电源系统的相关技术经过多年的技术发展已经达到饱和状态，而氢燃料后备电源系统的相关技术才起步。新型后备电源系统的应用能激发整个新能源产业技术的活力，对社会技术的进步和发展有促进作用。
从资源利用情况和节能效果来看，氢燃料后备电源系统的能源转化率更高、更节省能源，资源利用率比较理想，而传统后备电源系统不仅需要在空调环境下延长其使用寿命，而且燃料的转化率不理想，浪费电力资源和能源资源。
随着经济的迅速发展，环境问题越来越突出，整个社会的可持续发展受到了严重威胁。从保护环境角度
来看，绿环保的氢燃料后备电源系统在制造、使用以及报废的过程中几乎都是无污染、零排放，而传统后备电源系统在生产、工作以及报废时有强污染物产生，一定程度上污染环境。所以，前者对生态环境更具保护性。
综上所述，氢燃料后备电源系统预期的社会效益显著比传统型后备电源系统好。
3.3 经济效益比较分析
两种系统的初期投入中，技术还不够成熟，还不能实现大规模批量生产的氢燃料后备电源系统的初装成本高，经济效益明显低于传统型后备电源系统。但是，对两种后备电源系统整个生命周期进行预期的效益进行比较分析发现，新型后备电源系统经济效益更优。
以试点应用为例，在通信设备负载为3 kW的中，分别安装氢燃料新型后备电源系统和传统型后备电源系统并进行效益分析。两种系统的初次购置成本如表2所示，氢燃料后备电源系统初次投入成本较高（13万元/套），是传统后备电池系统（10万元/套，含铅酸电池500 Ah×2组和10 kW固定油机1台）的1.3倍。
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在每年的维护成本方面，传统后备电源系统的铅酸蓄电池需定期进行充放电测试、容量测试以及巡检等
维护工作，维护费约为1 000元/年；氢燃料后备电源系统基本免维护，由1人负责60个每年2次的检查和更换氢气瓶，其人员工资及工具车成本平摊，每个的维护费约为2 000元/年。铅酸蓄电池的放电成本约1.5元/kW·h，柴油发电机发电成本约7.5元/kW·h （蓄电池和油机各占总放电时长的一半），氢燃料电池的发电成本约5元/kW·h，所以，两种后备电源系统在负载为3 kW、年累计断电100h站点的每年维护费，分别如表3、表4所示。
表3 传统备用电源系统的每年维护费
市电工作状态
每年的附加成本
成本项目成本/元
正常铅酸蓄电池浮充状态维护成本 1 000
停电
铅酸蓄电池放电+柴油发电
机发电
电池充电225
柴油发电机燃料 1 125
运输车辆 2 800
合计 5 150
表4 氢燃料后备电源系统的每年维护费
市电工作状态
每年的附加成本
成本项目成本/元
正常氢燃料电池待机状态维护成本 2 000
停电燃料电池消耗氢气发电
耗氢气 1 500
更换备件100
合计 3 600
在新型和传统型后备电源系统的生命周期中，根
据系统的初次投入成本和每年的系统维护费计算出两
种系统在10年内每年的累计费用，结果如表4所示。
氢燃料后备电源系统初次成本较高，在使用周期的前5
年累计成本都比传统后备电源系统高。到第6年，传
统后备电源系统中，使用寿命为5年的铅酸蓄电池组
需要全部更换。在氢燃料后备电源系统服役的第6年起，
生命周期成本低于传统的后备电源系统。
在氢燃料后备电源系统应用的10年期间，每个基
站的备用电源系统将产生24 151元的直接经济效益，还
有节能减排保护环境、降低空调的使用率节省电力资源
等间接经济效益。目前，全国超200万个，当氢燃
料后备电源系统普及应用时所产生的效益将无可估量。
表2 两种系统的初次购置成本表
项目传统后备电源系统/元氢燃料新型后备电源系统/元
电池40 197.14130 000.00电池安装费8 517.14—
整流模块 4 957.26—
10 kW固定式柴油发电机60 000.00—
合计105 154.40130 000.00
表4 两种系统10年内成本比较表
年限
传统后备电源系统氢燃料后备电源系统
投入类型投入成本/元累计/元投入类型投入成本/元累计/元
第1年初次购置105 154105 154初次购置130 000130 000第2～5年维护费（×4） 5 150×4125 754维护费（×4） 3 600×4144 400第6年更换蓄电池40 197165 951维护费 3 600148 000第7～10年维护费（×4） 5 150×4186 551维护费（×4） 3 600×4162 400
4 在通信行业的后续应用展望
4.1 便携式电源系统
现阶段我国还有大量移动油机作为的备用电源或应急电源，当发生特殊情况电网无法正常供电时，可灵活调度移动油机到需要的发电供电。但是，移动油机体积较大，过于笨重，搬运成本高，且工作时有噪声污染和废气污染。此外，通信行业发生过多起因汽油机发电排气不畅导致人员中毒死亡的事故。为了有效解决移动油机的发电成本高、噪声与废弃污染严重以及安全事故频发等问题，便携式氢燃料电源发电系统将会是移动油机的有效替代品之一。在功能上，便携式氢燃料电源系统可以完全替代移动油机的发电工作；在使用寿命和工作原理上，前者使用寿命约为15年，工作时是将化学能直接转化成
电能，能源转化率高，几乎无污染产生，而后者使用寿命一般为10年，工作时通过发动机把化学能转化成机械能，再由发电机把机械能转化成电能，且会产生废气和噪声；在设备组成上，一套3 kW便携式电源系统为12 kg左右，而一套5 kW的移动油机为50 kg左右，在相同功率下，前者质量更轻，需要的搬运成本更低。
在相同效用下，便携式氢燃料电源系统比移动油机更轻便、更环保、寿命更长、维护及供电成本更低以及能源转化率更高，在通信行业具有良好的应用性，同时工作温度低、噪声低、红外辐射少。当前，无震动的便携式电源系统在军事和野外考察等领域具有巨大的应用前景。
4.2 发电充气一体车
目前，我国已经投入运营及在建的加氢站约为31个，正在运营约为12个。加氢站数量少，已成为阻碍氢能源发展的问题之一。如今，氢能源产品在加氢方面存在严重问题，普遍存在加氢难甚至无氢加的局面。然而，现在大规模建设加氢站不符合实际，因为目前制氢、储氢以及加氢等环节的核心部件还不能在我国实现产
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业化大规模生产。加氢站建设成本极高且运营成本高、后期收益慢。落实发电充气一体车设计生产并投入运营计划，给需要加氢的加氢，能很好地决解加氢站不足而引起加氢困难的问题。
随着氢能源技术的发展，氢燃料电池成本会逐步降低，慢慢地在通信的后备电源系统中普及应用，给氢气瓶充气的需求将会不断增加。当需要补充氢气时，可把加好氢气的氢气瓶拿到替换需要充气的气瓶，但需要大量的备用气瓶；可去把需要充气的气瓶带回来，加好气后再带回去，但需要大量的人力资源和运输费用。因此，这时可将发电充气一体车直接开往需要补充氢气的加气且在加气时可作为后备电源给设备供电，减少备用气瓶量和节约人力资源等，降低的运营成本。
这种能由氢燃料发电并能充气的一体车，在发生地震、海啸等特大自然灾害导致数天内电力系统无法恢复的断电期间，可不断给发电、供电及补充氢气。随着氢能源技术的逐渐成熟，该发电充气一体车还可以应用到氢燃料电池汽车的移动充气救援车、军事的供电供气系统等领域[3]。
4.3 氢能源与5G建设协同规模发展的展望
当前，煤、石油、天然气等不可再生能源危机日益突出，而人类的生存与发展离不开能源，所以低碳环保的二次能源氢能源在能源界脱颖而出。近年来，氢能源的相关技术发展迅速，越来越可靠，且被国际认可并应用到了各个需要的行业中。
随着移动通信技术的发展，5G（第五代移动通信技术）计划在2020年投入商用，5G网络建设已是箭在弦上蓄势待发。从1G到5G，所用的电磁波频率越来越高，波长越来越短，通信总量成倍增长，单个覆盖的范围越来越少，微观小型将逐步替代往代的宏观大型。将来，通信行业的5G建设
中需要建设大量微型和相对应的杆，以保证5G 网络的覆盖及通信畅通。如果杆全部是由通信行业独自新装建设，则需要大量的建设成本、能源资源、土地资源及日后维护费。
在交通行业，为了达到理想的照明、指示效果，保证人们的出行安全，需要在公路上建设大量的路灯、信号灯和交通杆。在广告和监控等行业，为宣传效果和监控效果也需要建设大量的广告杆或监控杆等。但识，这些行业基本都是独立发展，建设和管理方面极少联系，所以有时在同一个地方会树立很多不同行业的杆塔。各个行业在建杆时，不但消耗了巨大的建设成本和线路铺设成本，而且土地资源、能源资源等没有得到整合利用而造成资源浪费。此外，建杆后因其分布情况过于分散，日后维护管理十分困难。
目前，各个行业独立建杆并独自管理运营，在建设、维护成本和资源利用方面存在很大问题。为了解决各行业的成本过高、重复建设和资源利用率不理想问题，可实施一杆多用的建设方法。将5G微型和路灯、交通信号灯、电子监控设备以及广告牌等整合到同一条杆上，实现各行业设备整合到同一根共享杆上，充分共享土地资源、空间资源、管理资源以及电力资源等，并节省各行业的运营成本。
但在共享杆上，5G微型、交通信号灯等设备对电力供应要求比其他设备较为严格，共享的电力系统必须要足够稳定可靠。从绿环保、稳定可靠的性能上看，氢能源电力系统具有在多用杆主要供电系统上应用的可能性。从建设成本和管理水平上看，氢能源电力系统能按区域给多用杆供电，可以减少电缆
的铺设成本，提高维护管理水平。如果拟定氢能源电力系统应用到5G建设的相关计划，有望氢能源与5G建设协同规模发展。
5 结 论
本文对氢燃料电源系统作为通信新型后备电源系统的初步应用进行了分析，得出氢燃料电源系统虽然具有很多的优良性能、对环境友好且有一定的社会效益，但在短期内经济效益不理想，相关技术还不够成熟，所以很难在短时间内普及应用。从长远来看，氢燃料电源系统具有广阔的应用前景，并能产生客观的经济效益，待相关技术成熟时，势必将在各行业得到广泛应用。
参考文献：
[1]中国通信标准化协会 . 通信用氢燃料电池供电系统
YDB-051-2010[R].2010.
[2]侯士彦，李 然 . 氢燃料备用电源应用于通信领域的分
析[J]. 电信科学， 2012，（9）： 81-90.
[3]杨 健 . 氢燃料电池的技术特点及应用探讨[J]. 通信电
源技术， 2016， 33（3）： 83-85.
作者简介：
莫汝智，中国铁塔股份有限公司云浮市分公司，主要研究方向为动力环境监控、电力系统、制冷系统管理；
冼 健，中国铁塔股份有限公司云浮市分公司，主要研究方向为通信电源管理、新能源探索、塔房维护、资源管理；
李勇志，中国铁塔股份有限公司广东省分公司，主要研究方向为动力配套维护、更新改造项目、能源管理；
陈汉华，中国移动通信集团广东有限公司云浮分公司，主要研究方向为无线网络优化、通信设备维护；
邓国华，中国电信股份有限公司新兴分公司，主要经营移动通信、固定电话、互联网接入及应用等综合信息服务。
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