燃料電池供電系統(tǒng)（fuel cell power system）是一種潔凈高效的新的發(fā)電裝置，正越來越受到重視和廣泛研究與應(yīng)用。它是通過燃料電池來提供直流能源的；燃料電池是通過外部不斷送入燃料將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿摹６鴮?duì)于燃料，目前人們研究使用最多的是氫氣、甲醇等化學(xué)物質(zhì)。

一、定義

1、燃料電池

燃料電池（fuel cell），在我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都給出了專門的定義，這些定義出發(fā)于不同的角度而表述不盡相同，但可以幫助我們更好的理解其概念。

在GB/T 28816《燃料電池 術(shù)語》中的定義是：將一種燃料和一種氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能（直流電）、熱和反應(yīng)物的電化學(xué)裝置（注：燃料和氧化劑通常存儲(chǔ)在燃料電池的外部，當(dāng)他們被消耗時(shí)而輸入到燃料電池中）。該定義與IEC 60050-482（2004）是一致的。

在GB/T 20024.1《質(zhì)子交換膜燃料電池 第1部分：術(shù)語》中的定義是指：將外部供應(yīng)的燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能（直流電）及生成熱和反應(yīng)產(chǎn)物的電化學(xué)裝置。所謂燃料即指能夠在陽極被氧化產(chǎn)生自由電子的物質(zhì)。

在GB/T 2900.41《電工術(shù)語 原電池與蓄電池》中的定義是：通過一個(gè)化學(xué)過程，將連續(xù)供應(yīng)的反應(yīng)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。

由上述定義可知，燃料電池與我們?cè)瓉沓Ｓ玫乃嵝浴A性蓄電池有非常的不同之處，它們雖然都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電能，它們雖然化學(xué)物質(zhì)的參與，它們都有陽極、陰極和電解質(zhì)，但燃料電池的主要化學(xué)物質(zhì)在電池之外，一旦源源不斷地供應(yīng)燃料就持續(xù)產(chǎn)生電能，結(jié)果是弱化了原來蓄電池的儲(chǔ)能的功能，沒有了原來蓄電池的充電放電的過程。

2、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

在GB/T 28816《燃料電池 術(shù)語》中對(duì)于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)（fuel cell power system）的定義是：使用燃料電池模塊產(chǎn)生電能和熱的發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池模塊（fuel cell module）是指一個(gè)或多個(gè)燃料電池堆和其他主要及適當(dāng)?shù)母郊硬考募审w，目的組裝到一個(gè)發(fā)電裝置或一個(gè)交通工具中。其燃料電池堆（fuel cell stack）的定義是：由單電池、隔離板、冷卻板、歧管和支撐結(jié)構(gòu)組成的設(shè)備，通過電化學(xué)反應(yīng)把（通常）富氫氣體和空氣反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成直流電、熱和其他反應(yīng)產(chǎn)物。

在GB/T 20024.1《質(zhì)子交換膜燃料電池 第1部分：術(shù)語》中的定義是指：由燃料電池模塊和必要的輔助部件組成的一個(gè)完整的可穩(wěn)定運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)。

二、分類與組成

1、燃料電池的分類

燃料電池所使用的燃料，目前國(guó)際與國(guó)內(nèi)研究和研制的產(chǎn)品主要集中在氫氣體。氫是宇宙中豐富的物質(zhì)，氫在自然界多以化合物形態(tài)出現(xiàn)。有資料顯示，在地殼十公里范圍內(nèi)（包括海洋和大氣）化合態(tài)氫的重量組成約占 1%，原子組成約占 15.4%。化合態(tài)氫的常見形式是水和有機(jī)物，其中，氫的最大來源是水，而且氫與氧的燃燒或化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物也是水，因此，氫能是可再生能源， 可以循環(huán)利用，有巨大的發(fā)展前景，成為繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電之后的第四代發(fā)電方式。為此，氫燃料電池的特點(diǎn)表現(xiàn)為：能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、性能優(yōu)越、靈活性高和燃料來源豐富等，具體詳見下表2-1-1。

表2-1-1：氫燃料電池的特點(diǎn)表現(xiàn)

鑒于此，對(duì)于氫燃料電池的分類方法，目前國(guó)際上主要是依據(jù)所用電解質(zhì)的不同來分類，基本上可分為五類：AFC、PAFC、MCFC、SOFC、PEMFC，其名稱的中英文對(duì)照詳見下表2-1-2；其各種類的主要特點(diǎn)（燃料、電解質(zhì)、比功率等）匯總在下表2-1-3中。

表2-1-2：氫燃料電池的名稱的中英文對(duì)照

表2-1-3：各種類氫燃料電池的主要特點(diǎn)

根據(jù)GB/T 28816的指出：一個(gè)燃料電池模塊由以下幾個(gè)主要部分組成：一個(gè)或多個(gè)燃料電池堆；輸送燃料、氧化劑和廢氣的管路系統(tǒng)；電池堆輸電的電路連接、檢測(cè)和/或控制手段。此外，燃料電池模塊還可以包括：額外流體（如冷卻介質(zhì)、惰性氣體）的輸送手段；檢測(cè)正常或不正常運(yùn)行條件的手段；外殼或壓力容器；和模塊的通風(fēng)系統(tǒng)。

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2、燃料電池供電系統(tǒng)的分類與組成

在GB/T 28816《燃料電池 術(shù)語》中，給出了燃料電池供電系統(tǒng)的一個(gè)基本分類，目前可分為：固定式燃料電池供電系統(tǒng)；便攜式燃料電池供電系統(tǒng)；微型燃料電池供電系統(tǒng)和燃料電池車。其概念詳見下表2-2。

表2-2：四種燃料電池供電系統(tǒng)的定義

在GB/T 28816中，還分別給出了這四種系統(tǒng)的框圖，由框圖可以看出各種燃料電池供電系統(tǒng)的組成，應(yīng)是一個(gè)個(gè)功能系統(tǒng)的集合。這部分所能預(yù)期的發(fā)電系的總體設(shè)計(jì)有下述所述能實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的系統(tǒng)的必要組合而成：自動(dòng)控制系統(tǒng)；燃料電池模塊；燃料電池堆；燃料處理系統(tǒng)；內(nèi)置式能量存儲(chǔ)系統(tǒng)；氧化劑處理系統(tǒng)；功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)；熱管理系統(tǒng)；通風(fēng)系統(tǒng)；水處理系統(tǒng)；等。

三、通信用燃料電池供電系統(tǒng)

由于目前的研究和應(yīng)用進(jìn)展，通信用燃料電池供電系統(tǒng)還沒有得到很大地普及。目前通信電源系統(tǒng)所應(yīng)用和使用的是燃料為氫、氧化劑為氧、電解質(zhì)為質(zhì)子交換膜的燃料電池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell），主要是固定式燃料電池供電系統(tǒng)，為通信設(shè)備提供電源。

1、系統(tǒng)組成

目前對(duì)于通信用燃料電池供電系統(tǒng)，只是在2010年工信部發(fā)布了一個(gè)技術(shù)報(bào)告，即YDB 051《通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》。該技術(shù)報(bào)告是作為引導(dǎo)和指導(dǎo)研制之用，并非為通信行業(yè)正式標(biāo)準(zhǔn)。但從該技術(shù)報(bào)告可以看到燃料電池系統(tǒng)在通信電源領(lǐng)域的應(yīng)用方向，其中給出了通信用固定式燃料電池供電系統(tǒng)的功能框圖如下圖3-1-1所示，它主要由儲(chǔ)氫單元、供氫單元、燃料電池單元、DC/DC變換單元（可選）、監(jiān)控單元、配電單元、水、熱綜合管理單元及其它附件組成。下圖3-1-2給出了一個(gè)通信用燃料電池供電系統(tǒng)的實(shí)物圖。

圖3-1-1：通信用燃料電池供電系統(tǒng)的功能框圖

圖3-1-2：通信用燃料電池供電系統(tǒng)的實(shí)物示例

2、系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

通信用燃料電池供電系統(tǒng)，在通信局（站）電源系統(tǒng)中，人們期望有兩大應(yīng)用場(chǎng)景，一是能夠代替原來大量使用的鉛酸蓄電池；二是能夠代替原有的備用柴油發(fā)電機(jī)。

在通信基礎(chǔ)電源系統(tǒng)中，配備使用了大量的鉛酸蓄電池，而鉛酸蓄電池是在交流市電停電時(shí)才為通信設(shè)備供電。當(dāng)用氫燃料電池代替鉛酸蓄電池后，在市電正常時(shí)，供氫閥門關(guān)閉，氫燃料電池停止工作，不發(fā)電處于備用狀態(tài)。一旦氫燃料電池供電系統(tǒng)探測(cè)到市電停電，立即自動(dòng)打開供氫閥門，氫燃料電池供電系統(tǒng)開始發(fā)電，立即向通信設(shè)備供電。市電來電后，供氫閥門又自動(dòng)關(guān)閉，氫燃料電池供電系統(tǒng)停止發(fā)電，處于備用。這樣在一個(gè)通信機(jī)樓，不用配備大量的鉛酸蓄電池了，尤其是在目前多采用的直流分散供電方式的情形下。為此可以減少鉛酸蓄電池的投資，同時(shí)減少了鉛酸蓄電池占用機(jī)房的面積。在實(shí)際使用中，因?yàn)闅錃忾y門開啟到能正常提供足夠電力需要一定的啟動(dòng)時(shí)間，因此需要一個(gè)容量相對(duì)較小的蓄電池，以保證燃料電池發(fā)電與市電供電轉(zhuǎn)換過程中維持通信設(shè)備的不間斷供電，并為燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)電流。

同理，在配備了DC/AC逆變器后，可以用燃料電池供電系統(tǒng)代替?zhèn)溆貌裼桶l(fā)電機(jī)，用氫氣代替了柴油，以減少其排放污染和噪音污染等。當(dāng)然，燃料電池供電系統(tǒng)在通信局（站）或通信終端還有其它應(yīng)用場(chǎng)景，還有待于研究、開發(fā)和利用。

3、系統(tǒng)的技術(shù)性能

通信用燃料電池供電系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)性能要求，目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但在YDB 051-2010《通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》中，對(duì)48V氫燃料電池供電系統(tǒng)給出了一系列的技術(shù)性能要求，可供參考。

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