燃料電池在意大利電信的應用

摘要：燃料電池技術被認為是替代蓄電池和發電機作為通信行業後備電源的最有前景的技術。美國RELION公司和意大利電信
、皮(pi)埃(ai)裏(li)實(shi)驗(yan)室(shi)，共(gong)同(tong)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)後(hou)備(bei)電(dian)源(yuan)運(yun)行(xing)進(jin)行(xing)了(le)詳(xiang)盡(jin)的(de)現(xian)場(chang)測(ce)試(shi)和(he)數(shu)據(ju)整(zheng)理(li)。本(ben)篇(pian)文(wen)章(zhang)介(jie)紹(shao)了(le)該(gai)測(ce)試(shi)小(xiao)組(zu)在(zai)意(yi)大(da)利(li)北(bei)部(bu)的(de)三(san)個(ge)測(ce)試(shi)點(dian)的(de)試(shi)驗(yan)情(qing)況(kuang)，這(zhe)三(san)個(ge)試(shi)驗(yan)點(dian)都(dou)是(shi)以(yi)RELION公司提供的燃料電池作為通信站的備用電源，進行了曆時6個月的現場測試。

　　I.現在的通信站後備電源解決方案

　　現xian在zai的de通tong信xin網wang絡luo，通tong信xin站zhan點dian通tong常chang都dou是shi由you市shi電dian電dian網wang供gong電dian。由you於yu電dian網wang提ti供gong交jiao流liu電dian而er通tong信xin站zhan需xu要yao用yong直zhi流liu電dian
，所suo以yi通tong信xin站zhan需xu要yao配pei備bei整zheng流liu設she備bei，後hou備bei電dian源yuan通tong常chang采cai用yong蓄xu電dian池chi
，而er在zai高gao等deng級ji的de供gong電dian需xu求qiu情qing況kuang下xia，還hai需xu要yao配pei備bei柴chai油you發fa電dian機ji和he小xiao的de啟qi動dong電dian池chi。

　　II.傳統方案的不足

　　電(dian)信(xin)站(zhan)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)鉛(qian)酸(suan)蓄(xu)電(dian)池(chi)作(zuo)為(wei)主(zhu)要(yao)的(de)後(hou)備(bei)電(dian)源(yuan)，其(qi)初(chu)次(ci)投(tou)資(zi)比(bi)較(jiao)低(di)。但(dan)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)維(wei)護(hu)及(ji)管(guan)理(li)成(cheng)本(ben)高(gao)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)環(huan)境(jing)不(bu)好(hao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)

，成(cheng)本(ben)更(geng)高(gao);並且蓄電池壽命短;不能有效監控其工作狀況，常常導致蓄電池在真正需要時不能有效供電，造成通信中斷。

　　III.燃料電池技術

　　燃料電池是電化學裝置
，能夠將氫和氧的化學能轉變成電能，並且沒有汙染及有害物質排放。PEM燃料電池(質子交換膜燃料電池)有兩個電極(陰極和陽極)組成，通過聚合膜聯係起來。

　　氣(qi)態(tai)氫(qing)被(bei)送(song)到(dao)膜(mo)的(de)陽(yang)極(ji)，空(kong)氣(qi)被(bei)送(song)到(dao)陰(yin)極(ji)，氫(qing)原(yuan)子(zi)在(zai)陽(yang)極(ji)側(ce)被(bei)剝(bo)離(li)電(dian)子(zi)，帶(dai)正(zheng)電(dian)荷(he)的(de)質(zhi)子(zi)穿(chuan)過(guo)膜(mo)到(dao)達(da)陰(yin)極(ji)。為(wei)使(shi)該(gai)反(fan)應(ying)發(fa)生(sheng)，須(xu)使(shi)用(yong)鉑(bo)金(jin)催(cui)化(hua)劑(ji)。氫(qing)電(dian)子(zi)通(tong)過(guo)外(wai)部(bu)回(hui)路(lu)從(cong)陽(yang)極(ji)到(dao)達(da)陰(yin)極(ji)，就(jiu)產(chan)生(sheng)了(le)電(dian)流(liu)。在(zai)陰(yin)極(ji)
，電(dian)子(zi)，質(zhi)子(zi)
，和(he)空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)氧(yang)結(jie)合(he)產(chan)生(sheng)水(shui)
，是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)主(zhu)要(yao)副(fu)產(chan)品(pin)。

　　IV.燃料電池的優勢

　　無汙染：燃料電池對環境無汙染。它們通過電化學反應，而不是燃燒(汽
、柴油)或儲能(蓄電池)方式 — 最典型的傳統後備電源方案。燃燒，會釋放像COx，NOx，SOx和粉塵等汙染物;如上所述
，燃料電池隻產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的(光伏電池板，風能發電等)
，整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。

　　無噪聲：燃料電池安靜，噪聲大約55dBA，相當於正常的說話的水平。這使得燃料電池適合於室內安裝，或是在室外對噪聲有限製的地方。

　　高效率：燃料電池的發電效率可以達50%，這是由燃料電池的轉換性質決定的：直接將化學能轉換為電能，不需要經過熱能和機械能(發電機)的中間變換。

　　V. 意大利電信如何選擇燃料電池

　　經過深入的市場分析，通過與其他的燃料電池係統在以下幾個方麵的對比，意大利電信最終選擇了RELION公司的燃料電池。

　　可靠性：由於係統是在電網斷電時作為通信站備用，一旦後備電源啟動失敗
，通信站就會因此而停機，所以對其工作的可靠性要求非常高。

　　與動力機房現有設備的兼容性：為了與原有供電設備方便對接，與原有的設備(整流器
，蓄電池)兼容且便於操作非常重要。在選擇的過程中
，意大利電信重點關注了與電信中心告警網絡的連接。

　　少維護量：意大利電信選擇RELION公司燃料電池的一個重要原因是該係統維護簡單。實際上，由於通信站點的增加，降低維護成本和縮短維護時間越來越重要了。

　　VI. RELION燃料電池係統介紹

　　RELION 公司的燃料電池係統是模塊化的PEM氫燃料電池，該產品采用了RELION公司的在線熱插拔匣式模塊專利技術，這種模塊化方式通過冗餘備份提供了高可靠性，該技術尚未被其他燃料電池廠家采用。RELION燃料電池通過簡單的空氣冷卻，自身水合反應的設計模式，減少了移動部件。該燃料電池設計使得客戶可以根據自身需要在600W-12000W範圍內靈活配置。RELION燃料電池係統商用已經6年多了
，沒有任何安全事件，其高可靠性及易於維護的特性獲得了用戶的高度信任。

　　圖2： RELION 燃料電池

　　如圖3所示，RELION的匣式模塊結構可以使燃料電池的單個模塊方便的投入工作或退出工作。T1000 通常有六個模塊連接到母排運行。每一個模塊能夠提供200W的功率。一旦模塊損壞，在燃料電池給負載正常供電的情況下
，隻需要幾秒鍾就可以在線更換模塊。

該係統可以通過LAN連接，幹接點進行監控


，與意大利電信告警中心的連接非常方便。這使得意大利電信選擇了RELION的燃料電池。

表1： RELION 燃料電池技術參數

　　VII. RELION 燃料電池係統的特點

　　² 模塊化係統：RELION匣xia式shi模mo塊kuai化hua燃ran料liao電dian池chi，使shi得de用yong戶hu能neng夠gou根gen據ju負fu載zai量liang的de多duo少shao，準zhun確que配pei置zhi供gong電dian模mo塊kuai數shu量liang，不bu需xu要yao閑xian置zhi模mo塊kuai配pei置zhi
，節jie約yue投tou資zi。並bing且qie由you於yu采cai用yong了le模mo塊kuai設she計ji使shi得de係xi統tong最zui重zhong要yao的de參can數shu——可靠性
，大大提高。

　　² 高冗餘度：所有的係統輔助配置都有備份
，大大降低了係統停機維修的幾率。

　　² LAN總線和“幹接點”連接：可以方便、快速與原係統連接。通過internet遠程監控降低了維護和管理的工作量。

　　² 空氣冷卻係統：RELION的簡化設計使得該係統不需要水冷和特殊製冷裝置。

　　² 專業的係統：RELION燃料電池係統是專門為通訊站設計的，滿足通信站各項嚴格的技術要求。

　　VIII.現場測試的目的

　　意大利電信采用燃料電池，首先要測試該燃料電池係統應用於通信站作為後備電源的整體性能。

　　該(gai)測(ce)試(shi)的(de)出(chu)發(fa)點(dian)是(shi)要(yao)證(zheng)明(ming)與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)方(fang)案(an)相(xiang)比(bi)較(jiao)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)一(yi)個(ge)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)的(de)方(fang)案(an)。傳(chuan)統(tong)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)雖(sui)然(ran)可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)
，但(dan)蓄(xu)電(dian)池(chi)很(hen)重(zhong)
，且(qie)蓄(xu)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)失(shi)效(xiao)的(de)可(ke)預(yu)測(ce)性(xing)太(tai)低(di)。因(yin)此(ci)，該(gai)項(xiang)目(mu)要(yao)測(ce)試(shi)的(de)是(shi)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)是(shi)否(fou)具(ju)備(bei)以(yi)下(xia)特(te)點(dian)：既具備與蓄電池相似的可靠性，同時又避免了蓄電池的這些缺陷。

　　對dui意yi大da利li電dian信xin通tong信xin站zhan內nei的de整zheng體ti設she備bei進jin行xing評ping估gu
，通tong過guo對dui設she備bei整zheng體ti分fen析xi，以yi評ping估gu包bao括kuo燃ran料liao電dian池chi和he其qi他ta設she備bei在zai內nei的de綜zong合he係xi統tong的de完wan整zheng的de備bei用yong電dian源yuan方fang案an。燃ran料liao電dian池chi方fang案an的de各ge個ge方fang麵mian在zai此ci都dou被bei評ping估gu，包bao括kuo：導氣管布放，氫氣的傳輸，各部分的連接點，啟動邏輯和維護等方麵。

　　IX. 意大利氫安裝相關的法規和標準

　　在意大利國內外關於氫的安裝的法規不完整，詳細的指導也不易找到。意大利的相關法規有DM 24NOV1984和DM 24/05/2002，是關於天然氣的法規。因為兩種氣體都比空氣密度低
，所以
，氫的安裝與天然氣類似，因此采用天然氣法規作為參考。

　　X. 現場測試計劃

　　在現場測試開始之前，意大利電信與RELION公司共同製訂了測試計劃，該計劃分為4個階段，測試周期6個月。

　　階段0：係統安裝在意大利電信指定的3個站點
，係統安裝驗收內容包括告警係統驗證
，控製單元校準
，和燃料電池數據的遠程傳送。

　　階段1：階段1的目標是驗證係統運行
，在該階段，逐漸增加開啟和關閉燃料電池的時間
，直至燃料耗盡108立米。該階段每個站點測試大約100個小時。

　　階段2：meigezhanhuandiaodiyipingqihou
，kaishidierjieduan
，gaijieduandemudeshiyaoceshihoubeixitongdechangshijiandegongzuonenglihelianxugongzuonengli
，zhizhidierpingqitihaowan。xianchangceshihuodeyixiajieguo：

　　² 每個站的燃料電池後備係統自足能力

　　² 係統的電能轉換效率

　　² 監控係統報警的準確度(例如氣瓶氫氣泄漏信號)

　　階段3：與傳統後備方案的典型測試對比，為研究和監控係統而進行的測試。測試內容如下：

　　1)達到係統的名義條件

　　2)周期性快速開啟/關閉

　　3)電池組深放電(44v)後重新充電到浮充電壓

　　4)頻繁多次的電網斷電觸發燃料電池啟動

　　5)電池低電壓自啟動

　　6)長時間(一個月)備用後啟動

　　7)惡劣環境條件測試

　　階段4：這是最後的測試，將原蓄電池替換為小容量的電池組後——能滿足燃料電池啟動的短時需要
，進行的測試。

　　XI.測試現場的選擇

　　意大利電信選擇測試現場主要考慮以下幾點：1、有足夠多的用戶但不是網絡節點機房;2、一旦出現故障
，能夠在設備(由原有電池供電)斷電之前趕到現場;3、原有電池組容量及替換經濟性。

　　最後選擇了三個測試站點
，見下表：

　　站名負載原有電池容量

　　VEZZANO(簡稱V)27A2*530AH

　　CALAVINO(簡稱C)31A2*1200AH

　　MATTARELLO(簡稱M)74A2*600AH

　　表2： 測試站點

　　XII. 現場安裝的係統說明

　　在意大利電信設備現場，後備電池的連接如圖所示：燃料電池與蓄電池(項目的前半階段用原有電池，後半階段用小容量電池)並聯
，直接與整流器母排連接。

圖4 燃料電池安裝圖

　　根據各現場所需功率不同
，M站中心配置了4KW的燃料電池係統，另外兩個站配置了2KW的燃料電池係統。

　　在(zai)電(dian)網(wang)停(ting)電(dian)，後(hou)備(bei)蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)時(shi)
，設(she)置(zhi)啟(qi)動(dong)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)。用(yong)戶(hu)對(dui)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)可(ke)設(she)定(ding)不(bu)同(tong)的(de)低(di)壓(ya)啟(qi)動(dong)電(dian)壓(ya)，如(ru)果(guo)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)到(dao)該(gai)值(zhi)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)啟(qi)動(dong)，持(chi)續(xu)供(gong)電(dian)達(da)到(dao)浮(fu)充(chong)電(dian)壓(ya)(電壓可調)，如果浮充電壓穩定20分鍾(可調)，燃料電池關閉，轉為備用。該項目低壓啟動值設為48VDC。

　　氫氣用氣瓶貯存
，安裝在室外，每一個氣瓶可以儲存大約108立米(在標準壓力和溫度條件下)，為(wei)防(fang)止(zhi)氣(qi)體(ti)泄(xie)露(lu)，都(dou)安(an)裝(zhuang)了(le)安(an)全(quan)閥(fa)。每(mei)一(yi)個(ge)安(an)全(quan)閥(fa)前(qian)麵(mian)都(dou)安(an)裝(zhuang)了(le)一(yi)個(ge)減(jian)壓(ya)閥(fa)，使(shi)氣(qi)壓(ya)減(jian)到(dao)電(dian)池(chi)可(ke)用(yong)壓(ya)力(li)。一(yi)個(ge)氣(qi)瓶(ping)用(yong)完(wan)後(hou)可(ke)以(yi)更(geng)換(huan)新(xin)的(de)氣(qi)瓶(ping)：當氣瓶裏的氣體消耗到設定值時
，減壓閥可以將告警信號傳送到監控中心。

　　設備串接了電控開關：為了使用更加安全
，電控開關平時處於關閉狀態：在燃料電池開始啟動後
，給電控開關開啟指令。電控開關與室內的氫氣傳感器相連，係統一旦檢測到氫氣泄露，就將氫氣導氣管關閉。

　　係統連接到意大利電信監控中心，報警傳送的信息有：“係統啟動”“重要告警”“燃料耗盡”等。

　　XIII.測試結果的分析和評估

　　現場測試結果驗證了產品的可靠性：當係統需要啟動的時候

，燃料電池在整個測試過程中都達到了設計要求，結果顯示係統可靠性為100%。

　　圖5顯示了現有的蓄電池(綠線)與燃料電池(藍線)對比的功率曲線，該圖記錄了50分鍾的工作曲線。

　　圖5 RELION 燃料電池與現電池功率與電壓的對比

　　係統啟動後大約11分鍾即達到標稱功率;在2分鍾之內就可以達到標稱功率的80%。

　　電池組的浮充電壓設定為53.3V, 對電池充電，大約25分鍾可達到浮充電壓。

　　A.階段2測試結果

　　ruqiansuoshu，dierjieduanyaoceshiyaojinyibuyanzhengxitongdekekaoxing
，lingyigemudeshiyaoceshixitongxiaolv。weici，tongxinzhanyaopeibeiyibiao
，yiceshiqingqixiaohaohejisuandianliang。

　　測ce試shi在zai三san個ge站zhan點dian進jin行xing，斷duan開kai市shi電dian，啟qi動dong係xi統tong。直zhi到dao新xin裝zhuang的de氫qing氣qi瓶ping內nei的de氫qing氣qi徹che底di消xiao耗hao完wan，係xi統tong因yin沒mei有you氫qing氣qi而er關guan閉bi。調tiao整zheng校xiao準zhun壓ya力li計ji
，可ke以yi傳chuan送song剩sheng餘yu氫qing氣qi量liang和he燃ran料liao耗hao盡jin前qian的de可ke用yong時shi間jian。該gai參can數shu表biao示shi氫qing氣qi安an全quan自zi足zu關guan鍵jian時shi間jian：一旦該情況出現

，就要更換氫氣瓶
，氫氣更換告警點設定值依物流情況而定(地理情況，地點遠近)。

　　該階段測試結果如下：

　　表3： 階段2的結果

　　測試結果顯示電能轉換效率比RELION技術說明書中的名義值更高。

　　三個地點獲得的結果稍有不同，是由於氫氣瓶氣體量測量誤差。

　　B.階段3結果

　　在該階段，為獲得更多的數據，3個地點的測試程序有所不同。

　　² 在M站重複進行為期三周的遙控測試，為獲得更多的變化和實驗結果，間隔時間周期性的變化，

　　² 使C站的係統在一個月中處於待機狀態，由電信公司設定維護周期

，測試維護周期內自啟動過程
，

　　² 在V站進行特殊測試，內容由意大利電信與RELION公司共同製定製訂

，結果如下。測試結果表明，燃料電池的快速瞬態響應很好。

　　下圖顯示了在V站的兩組RELION燃料電池的工作情況。

　　圖6： V站發電情況

　　從圖中可以看到
，在所需電壓突變時，燃料電池能夠迅速響應：實際上，在開始測試21分鍾後，市電重新接入，則燃料電池開始關閉，6分鍾後電網再次斷電，燃料電池再次啟動並很快達到標稱功率。

　　電池低壓啟動過程經測試運行良好。

　　M站進行了周期性的強化測試和加速測試
，測試進行了3周

，結果如下：

　　² 每小時啟動一次(8點-16點)，每次持續15分鍾(第一周)。

　　² 每小時啟動一次(8點-16點)
，每次持續30分鍾(第二周)。

　　² 每小時啟動一次(8點-16點)
，每次持續45分鍾(第三周)。

　　電池的電壓和功率狀況如下(以30分鍾為例)：

　　圖7：發電變化趨勢圖：一天的紀錄

　　圖8：電池電壓變化趨勢圖：一天的紀錄

　　該測試再次驗證了燃料電池100%的可靠性。

　　環境條件測試周期達6個月
，環境變化充分，從0-30度：所有的情況下
，結果都很滿意。

　　在Czhanxitongchuyuhoubeizhuangtaiyigeyue，zhihouyuanchengqidong。weijiaqiangceshi，zaiqidongzhilingfachuhou，shidianduankai，xianchangfuzaiquanbuyouranliaodianchigongdian。shijishang，dangshidianzaijietong，jishiranliaodianchizaiyunxing
，rengyouzhengliuqiyouxiangongdian
，erbuyouranliaodianchigongdian。

　　測試結果解釋如下：係統能夠迅速供電，在15分鍾內，將達到標稱功率。

　　圖9：係統備用一個月後的工作狀態圖

　　C. 階段4結果

　　在每一個站點，將階段3的測試改用更小容量的，標稱150AH的AGM電池，測試結果顯示
，燃料電池係統快速啟動能力令人滿意。

　　XIV.結論

　　在測試的最後階段
，最重要的是係統的良好性能和與現場已有設備的友好對接
，現場測試結果與RELION公司提供的說明書相符
，沒有出現故障或錯誤。

　　現場測試的重要結論：

　　² 可靠性：燃料電池在任何時候都做到了正確響應，可靠性100%。

　　² 與在網設備的兼容性：在不同的啟動條件下(電網失電和電池低電壓啟動)，在意大利電信不同使用站點，係統都能夠滿足設備的供電要求。

　　A. 經濟性評估

　　xianchangceshibiaoming，ranliaodianchishidianxinhoubeixitongdelixiangfangan，yuchuantongfanganxiangbijiao，qiweixiugongzuoliangyuweihuguanlichengbendafujiangdi。yinci，duiyunaxiejingchangduandian，youjifadian
，huoshichangshijianduandianxupeizhidarongliangdianchidezhandian

，ranliaodianchishigenghaodexuanze。

　　B.未來發展

　　意大利電信與RELION公司合作

，為獲取更多的燃料電池的運行經驗，將增加20個通信站點。如果結果仍然很好，計劃進一步擴大使用範圍。