新型燃料电池电源系统

2025-12-11 16:14:21

摘要：将SPE电解水制氢与燃料电池发电相结合，为通信基站供给后备电源。运用市电的波谷电作为电解水的电源，下降制氢本钱。运用雨水搜集、纯化体系供给电解水需求的纯净水，防止维护人员上站送水。电解水体系输出的氢气压力可以到达2.5 MPa，贮存在1个立方米的氢气储罐中，可发生30度电。该体系在上海奉贤铁塔的奉南刘基站运用，运转良好。

 

关键词： SPE水电解； 氢燃料电池； 基站备电；

 

 

 

 

 

0.引言

 

因为我国的经济增长敏捷，使得对各种动力的运用需求日益旺盛，而很多运用传统的化石动力会造成更多的环境污染问题。新动力（太阳能、风能等）对环境污染性小，可以继续运用，在满足国家动力需求﹑改进国家动力结构﹑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。随着新动力的运用，人们面临着越来越多的储能问题。而氢燃料电池发电技能的开展，使工业界认识到其在后备电源范畴有非常宽广的运用远景，是可以替代铅酸蓄电池和柴油发电机作为后备电源的新动力技能[1]。氢燃料电池作为新式供电设备的产品使用已经处在商业化的小批量推行阶段，但是氢燃料电池所需的氢气来历问题日益凸显。电解水制氢是一种便利、清洁的制氢技能，其制取氢气的设备简单，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运用，是未来理想的电能贮存方式。

 

1.体系原理

 

本项目方案采纳“市电”作为水电解制氢设备的电源，经过ACDC设备转变为电解水需求的直流电（电压规模为31-34 V），制取的氢气存储在氢气罐内。当“市电”处在波谷电时，制氢设备发动，发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，氢气经过减压体系对氢燃料电池主动供氢，燃料电池运转，所发出的电经过DCDC转换为基站需求的48V直流电再对用电设备供电。该项目体系由雨水搜集体系、雨水纯化体系、SPE水电解体系、氢气储气罐、3000 W氢燃料电池备电体系等部分组成，移动基站体系结构图如图1：

 

 

 

 

 

2.SPE水电解制氢设备及储氢体系

 

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，因此需求对发生的气体进行提纯，增加了体系的复杂性；另一种为酸性电解槽（SPE电解槽）选用质子交流膜作为电解质，发生的气体无对燃料电池有害的杂质。本项目选用SPE电解槽，同时根据设备操控体系总体耗电考虑，选用差压操控技能，即运用纯水机出口剩下压力向常压的氧侧定期加水，可节省加水泵本钱以及相关电机驱动的耗电。SPE技能具有不运用碱液、气体容易提纯、电解效率高级长处，开展空间宽广，最近受到国内外的普遍注重。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，当时首要用于美国的太空范畴。尔后日本开展World Energy Networl(WE-NET)方案，对SPE电解槽进行了深化的研讨。近年来SPE制氢技能成为电解制氢范畴的研讨热点之一。美国在SPE水电解制氢范畴处于世界领先水平，其研讨首要用于空间技能及海军核潜艇中的供氧设备。在90年代美国就已研制出选用SPE电解槽水电解供氧设备，并已使用在“海浪级”核潜艇上[2]。SPE电解槽产氢纯度为99.99 %，作业压力为2.5 MPa，电解槽作业电压31-33 V，最大电流200 A。

 

储氢单元包含氢气储罐及减压部分。制氢设备设计压力为2.5 MPa，SPE电解槽发生的氢气首先进入氢气储罐进行贮存，氢气储罐容积为1 m3。当氢气储罐压力到达2.5 MPa后，制氢设备主动停运；当需求向燃料电池供给氢气时，供氢电磁主动翻开，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制氢作业时的功能曲线。作业电压为33 V，作业电流为131 A，制氢量为1 m3h。因为储罐的体积为1立方米，所以储罐压力每小时增加0.1 MPa。

 

 

 

 

 

3.燃料电池备电体系

 

氢燃料电池的发动速度较快，输出电能较安稳，环境习惯能力强，可以满足各个职业后备电源的需求。电化反响仅有发生的副产品即纯净水，节能环保，完全防止了铅、硫酸以及其他酸性污染物排放[3]。燃料电池备电体系在通讯基站已有成功使用范例，燃料电池可运用48 V锂电作为发动电源，燃料电池发动后经过DCDC输出48 V电给基站用电设备运用同时给锂电池充电。本体系中燃料电池的功率装备为3 kW，燃料电池备用电源的具体参数如下表所示：

 

 

 

 

 

燃料电池体系输出电压为51 V，，耗氢量为0.87 m3kwh。当燃料电池为满载即3000 W时可运转10小时。

 

 

 

4.体系在上海铁塔奉南刘基站实践运转情况

 

该基站位于奉贤奉浦开发区，基站周围是稻田，比较空阔，夏日温度较高，该体系也相对的增加了降温措施，使体系可以正常运转。基站负载为500 W左右，氢气满罐时，燃料电池在基站上的接连运转时间可以超过36小时，燃料电池体系作业曲线如下图所示：

 

 

 

 

 

 

 

该体系在上海奉贤铁塔的基站运转良好，可以长期的安稳运转，完全可以成为安稳的、绿色环保的备用电源。

 

5.结束语

 

动力安全与环境保护的双重压力下，大力开展可再生动力是破解我国动力与环境问题的必经之路。清洁、高效的氢作为电能贮存的理想载体已越来越受到注重。一体化新式备用电源体系把SPE水电解制氢、燃料电池发电体系整合作为基站备用电源，并成功运转。为了使本产品更加完善，我们将对该技能进行更深化的研讨。