氢燃料电池供电系统应用于通信领域的探讨泰尔实验室邮电工业产品质检中心吴京文随着科技、工业与民生的发展，人类对能源的需求越来越多。当前人类消耗的能源主要为有限的、不可再生的矿物能源，如煤炭、石油、天然气、核燃料等，根据目前社会对能源的需求及已探明的地球矿物能源的储藏量，石油、天然气的可用年限不超过一百年，煤炭、核聚变燃料的可用年限不超过三百年，很快会消耗殆尽。各国都在努力寻求可替代能源和可再生能源，并加快产业化进程。氢是宇宙中最丰富的物质，氢在自然界中多以化合物形态出现。在地壳十公里范围内（包括海洋和大气）化合态氢的重量组成约占1%，原子组成约占15.4%。化合态氢的最常见形式是水和有机物，其中，氢的最大来源是水，而且氢与氧的燃烧或化学反应的产物也是水，因此，氢能是可再生能源，可以循环利用，有巨大的发展前景，成为继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四代发电方式。氢燃料电池作为新型节能环保能源之一，它的研制受到欧美及日、韩等国的高度重视并快速发展起来，“氢能经济＂已成为美国应对金融危机、振兴经济的利器之一；氢燃料电池也是我们国家十一五重点发展支持项目；氢燃料电池将助力通信运营商的节能减排工作，提高企业竞争力，还将带动原材料、机械、电子、能源等各个国民经济重要产业。一、氢燃料电池工作原理1单电池氢燃料电池将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，氢燃料电池的电极本身不含有活性物质，而只是个催化转换部件；氢燃料电池不是能量贮存容器，而相当于能量转换装置。氢燃料电池使用氢气作为燃料，空气（氧气）作为氧化剂；其主要部件是结构类似于传统单体电池的质子交换膜电池堆，质子交换膜电池堆由阳极空腔、阴极空腔、质子交换膜、催化剂、炭电极组成。其工作原理如图1所示。1图1氢燃料电池的工作原理氢燃料电池的工作原理即电解水的逆过程。电化学反应在电极上发生，反应式为：+-阳极：2H24H+4e+-阴极：O2+4H+4e2H2O总反应：2H2+O22H2O+热量氢燃料电池工作时，向阳极供给燃料（氢），向阴极供给氧化剂（空气）；氢在阳极分解成正离子H+和电子e-；氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极；在阴极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收电子并结合形成水。2电池堆氢氧燃料电池的单电池工作电压在0.6V～0.9V之间，将多个单电池串联起来形成电池堆以提高输出电压，输出电压等于单电池的工作电压乘以电池的串联数，其输出电流就等于电流密度与工作面积的乘积。电池堆的组装程序相当严格，密封是组装燃料电池的关键技术之一，其目的是确保阳极与阴极两侧的反应气体不会互窜或泄漏。3系统氢燃料电池与传统电池同属电化学装置，但也有不同之处——燃料和氧化剂等活性物质都从外部供给。原则上，当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂、反应产物不断排除时，其可以连续发电，相当于一种节能环保的直流发电机。2图2氢燃料电池供电系统框图图3通信用氢燃料电池供电系统系统只有单电池或电池堆无法正常工作，必须有储氢系统和氧化剂供给单元不断地向电池内部输送反应物。另外，必须不断排出或回收利用反应过程中生成的水和热，才能保证系统工作温度的稳定及连续可靠地运行，因此，需要一套完善的辅助装置，即水热综合管理单元等。氢燃料电池的内阻较高时具有较好的抗短路能力，但降低了动态响应能力，需要加装直流－直流变换单元才能得到稳定的电压，通过直流配电单元向负载供电。监控单元肩负着综合的控制和管理功能，不仅对各组成部分进行监控，还具有各种保护和告警功能，储氢系统管理单元也承担着重要的氢气泄露保护功能。由于系统启动到稳定运行有一段时间，因3此储能单元在这期间既给负载供电，又为系统的开启提供必要的驱动电流，可采用超级电容器或铅酸蓄电池。二、氢燃料电池的特点传统的热机发电先将煤、石油、天然气等燃料进行燃烧，使化学能转换成热能，再利用热能制造高温高压的水蒸气来推动涡轮机，使热能转变为机械能，带动转子切割磁力线发电，再将机械能转变为电能。这个过程包括了化学能、热能、机械能、电能这四种能量形态的转换，存在两大弊病。一是受卡诺循环及材料的限制，转换效率只有33%～35%，大部分能量被白白地浪费掉了；二是产生大量的废水、废气、废渣、废热和噪声，对环境造成污染。相形之下，氢燃料电池具有明显的优势。1能量转换效率高氢燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能，因此，可以避免过多的能量形态转换环节的损失，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，可达60%～70%。2环境友好氢燃料电池发电过程中没有燃烧，反应产物为水，污染少；没有转动部件，噪音低；不依赖矿物能源，且