燃料电池在意大利电信的应用

摘要：燃料电池技术被认为是替代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国RELION公司和意大利电信、皮埃里实验室，共同对燃料电池作为后备电源运行进行了详尽的现场测试和数据整理。本篇文章介绍了该测试小组在意大利北部的三个测试点的试验情况，这三个试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信站的备用电源，进行了历时6个月的现场测试。

　　I.现在的通信站后备电源解决方案

　　现在的通信网络，通信站点通常都是由市电电网供电。由于电网提供交流电而通信站需要用直流电，所以通信站需要配备整流设备，后备电源通常采用蓄电池，而在高等级的供电需求情况下，还需要配备柴油发电机和小的启动电池。

　　II.传统方案的不足

　　电信站通常采用铅酸蓄电池作为主要的后备电源，其初次投资比较低。但蓄电池的维护及管理成本高，特别是在环境不好的情况下，成本更高;并且蓄电池寿命短;不能有效监控其工作状况，常常导致蓄电池在真正需要时不能有效供电，造成通信中断。

　　III.燃料电池技术

　　燃料电池是电化学装置，能够将氢和氧的化学能转变成电能，并且没有污染及有害物质排放。PEM燃料电池(质子交换膜燃料电池)有两个电极(阴极和阳极)组成，通过聚合膜联系起来。

　　气态氢被送到膜的阳极，空气被送到阴极，氢原子在阳极侧被剥离电子，带正电荷的质子穿过膜到达阴极。为使该反应发生，须使用铂金催化剂。氢电子通过外部回路从阳极到达阴极，就产生了电流。在阴极，电子，质子，和空气中的氧结合产生水，是燃料电池的主要副产品。

　　IV.燃料电池的优势

　　无污染：燃料电池对环境无污染。它们通过电化学反应，而不是燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式 — 最典型的传统后备电源方案。燃烧，会释放像COx，NOx，SOx和粉尘等污染物;如上所述，燃料电池只产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板，风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。

　　无噪声：燃料电池安静，噪声大约55dBA，相当于正常的说话的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。

　　高效率：燃料电池的发电效率可以达50%，这是由燃料电池的转换性质决定的：直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

　　V. 意大利电信如何选择燃料电池

　　经过深入的市场分析，通过与其他的燃料电池系统在以下几个方面的对比，意大利电信最终选择了RELION公司的燃料电池。

　　可靠性：由于系统是在电网断电时作为通信站备用，一旦后备电源启动失败，通信站就会因此而停机，所以对其工作的可靠性要求非常高。

　　与动力机房现有设备的兼容性：为了与原有供电设备方便对接，与原有的设备(整流器，蓄电池)兼容且便于操作非常重要。在选择的过程中，意大利电信重点关注了与电信中心告警网络的连接。

　　少维护量：意大利电信选择RELION公司燃料电池的一个重要原因是该系统维护简单。实际上，由于通信站点的增加，降低维护成本和缩短维护时间越来越重要了。

　　VI. RELION燃料电池系统介绍

　　RELION 公司的燃料电池系统是模块化的PEM氢燃料电池，该产品采用了RELION公司的在线热插拔匣式模块专利技术，这种模块化方式通过冗余备份提供了高可靠性，该技术尚未被其他燃料电池厂家采用。RELION燃料电池通过简单的空气冷却，自身水合反应的设计模式，减少了移动部件。该燃料电池设计使得客户可以根据自身需要在600W-12000W范围内灵活配置。RELION燃料电池系统商用已经6年多了，没有任何安全事件，其高可靠性及易于维护的特性获得了用户的高度信任。

　　图2： RELION 燃料电池

　　如图3所示，RELION的匣式模块结构可以使燃料电池的单个模块方便的投入工作或退出工作。T1000 通常有六个模块连接到母排运行。每一个模块能够提供200W的功率。一旦模块损坏，在燃料电池给负载正常供电的情况下，只需要几秒钟就可以在线更换模块。

该系统可以通过LAN连接，干接点进行监控，与意大利电信告警中心的连接非常方便。这使得意大利电信选择了RELION的燃料电池。

表1： RELION 燃料电池技术参数

　　VII. RELION 燃料电池系统的特点

　　² 模块化系统：RELION匣式模块化燃料电池，使得用户能够根据负载量的多少，准确配置供电模块数量，不需要闲置模块配置，节约投资。并且由于采用了模块设计使得系统最重要的参数——可靠性，大大提高。

　　² 高冗余度：所有的系统辅助配置都有备份，大大降低了系统停机维修的几率。

　　² LAN总线和“干接点”连接：可以方便、快速与原系统连接。通过internet远程监控降低了维护和管理的工作量。

　　² 空气冷却系统：RELION的简化设计使得该系统不需要水冷和特殊制冷装置。

　　² 专业的系统：RELION燃料电池系统是专门为通讯站设计的，满足通信站各项严格的技术要求。

　　VIII.现场测试的目的

　　意大利电信采用燃料电池，首先要测试该燃料电池系统应用于通信站作为后备电源的整体性能。

　　该测试的出发点是要证明与传统的蓄电池方案相比较，燃料电池一个高可靠性的方案。传统的蓄电池虽然可靠性高，但蓄电池很重，且蓄电池供电失效的可预测性太低。因此，该项目要测试的是燃料电池是否具备以下特点：既具备与蓄电池相似的可靠性，同时又避免了蓄电池的这些缺陷。

　　对意大利电信通信站内的整体设备进行评估，通过对设备整体分析，以评估包括燃料电池和其他设备在内的综合系统的完整的备用电源方案。燃料电池方案的各个方面在此都被评估，包括：导气管布放，氢气的传输，各部分的连接点，启动逻辑和维护等方面。

　　IX. 意大利氢安装相关的法规和标准

　　在意大利国内外关于氢的安装的法规不完整，详细的指导也不易找到。意大利的相关法规有DM 24NOV1984和DM 24/05/2002，是关于天然气的法规。因为两种气体都比空气密度低，所以，氢的安装与天然气类似，因此采用天然气法规作为参考。

　　X. 现场测试计划

　　在现场测试开始之前，意大利电信与RELION公司共同制订了测试计划，该计划分为4个阶段，测试周期6个月。

　　阶段0：系统安装在意大利电信指定的3个站点，系统安装验收内容包括告警系统验证，控制单元校准，和燃料电池数据的远程传送。

　　阶段1：阶段1的目标是验证系统运行，在该阶段，逐渐增加开启和关闭燃料电池的时间，直至燃料耗尽108立米。该阶段每个站点测试大约100个小时。

　　阶段2：每个站换掉第一瓶气后，开始第二阶段，该阶段的目的是要测试后备系统的长时间的工作能力和连续工作能力，直至第二瓶气体耗完。现场测试获得以下结果：

　　² 每个站的燃料电池后备系统自足能力

　　² 系统的电能转换效率

　　² 监控系统报警的准确度(例如气瓶氢气泄漏信号)

　　阶段3：与传统后备方案的典型测试对比，为研究和监控系统而进行的测试。测试内容如下：

　　1)达到系统的名义条件

　　2)周期性快速开启/关闭

　　3)电池组深放电(44v)后重新充电到浮充电压

　　4)频繁多次的电网断电触发燃料电池启动

　　5)电池低电压自启动

　　6)长时间(一个月)备用后启动

　　7)恶劣环境条件测试

　　阶段4：这是最后的测试，将原蓄电池替换为小容量的电池组后——能满足燃料电池启动的短时需要，进行的测试。

　　XI.测试现场的选择

　　意大利电信选择测试现场主要考虑以下几点：1、有足够多的用户但不是网络节点机房;2、一旦出现故障，能够在设备(由原有电池供电)断电之前赶到现场;3、原有电池组容量及替换经济性。

　　最后选择了三个测试站点，见下表：

　　站名负载原有电池容量

　　VEZZANO(简称V)27A2*530AH

　　CALAVINO(简称C)31A2*1200AH

　　MATTARELLO(简称M)74A2*600AH

　　表2： 测试站点

　　XII. 现场安装的系统说明

　　在意大利电信设备现场，后备电池的连接如图所示：燃料电池与蓄电池(项目的前半阶段用原有电池，后半阶段用小容量电池)并联，直接与整流器母排连接。

图4 燃料电池安装图

　　根据各现场所需功率不同，M站中心配置了4KW的燃料电池系统，另外两个站配置了2KW的燃料电池系统。

　　在电网停电，后备蓄电池电压降低时，设置启动燃料电池。用户对燃料电池可设定不同的低压启动电压，如果电压下降到该值，燃料电池启动，持续供电达到浮充电压(电压可调)，如果浮充电压稳定20分钟(可调)，燃料电池关闭，转为备用。该项目低压启动值设为48VDC。

　　氢气用气瓶贮存，安装在室外，每一个气瓶可以储存大约108立米(在标准压力和温度条件下)，为防止气体泄露，都安装了安全阀。每一个安全阀前面都安装了一个减压阀，使气压减到电池可用压力。一个气瓶用完后可以更换新的气瓶：当气瓶里的气体消耗到设定值时，减压阀可以将告警信号传送到监控中心。

　　设备串接了电控开关：为了使用更加安全，电控开关平时处于关闭状态：在燃料电池开始启动后，给电控开关开启指令。电控开关与室内的氢气传感器相连，系统一旦检测到氢气泄露，就将氢气导气管关闭。

　　系统连接到意大利电信监控中心，报警传送的信息有：“系统启动”“重要告警”“燃料耗尽”等。

　　XIII.测试结果的分析和评估

　　现场测试结果验证了产品的可靠性：当系统需要启动的时候，燃料电池在整个测试过程中都达到了设计要求，结果显示系统可靠性为100%。

　　图5显示了现有的蓄电池(绿线)与燃料电池(蓝线)对比的功率曲线，该图记录了50分钟的工作曲线。

　　图5 RELION 燃料电池与现电池功率与电压的对比

　　系统启动后大约11分钟即达到标称功率;在2分钟之内就可以达到标称功率的80%。

　　电池组的浮充电压设定为53.3V, 对电池充电，大约25分钟可达到浮充电压。

　　A.阶段2测试结果

　　如前所述，第二阶段要测试要进一步验证系统的可靠性，另一个目的是要测试系统效率。为此，通信站要配备仪表，以测试氢气消耗和计算电量。

　　测试在三个站点进行，断开市电，启动系统。直到新装的氢气瓶内的氢气彻底消耗完，系统因没有氢气而关闭。调整校准压力计，可以传送剩余氢气量和燃料耗尽前的可用时间。该参数表示氢气安全自足关键时间：一旦该情况出现，就要更换氢气瓶，氢气更换告警点设定值依物流情况而定(地理情况，地点远近)。

　　该阶段测试结果如下：

　　表3： 阶段2的结果

　　测试结果显示电能转换效率比RELION技术说明书中的名义值更高。

　　三个地点获得的结果稍有不同，是由于氢气瓶气体量测量误差。

　　B.阶段3结果

　　在该阶段，为获得更多的数据，3个地点的测试程序有所不同。

　　² 在M站重复进行为期三周的遥控测试，为获得更多的变化和实验结果，间隔时间周期性的变化，

　　² 使C站的系统在一个月中处于待机状态，由电信公司设定维护周期，测试维护周期内自启动过程，

　　² 在V站进行特殊测试，内容由意大利电信与RELION公司共同制定制订，结果如下。测试结果表明，燃料电池的快速瞬态响应很好。

　　下图显示了在V站的两组RELION燃料电池的工作情况。

　　图6： V站发电情况

　　从图中可以看到，在所需电压突变时，燃料电池能够迅速响应：实际上，在开始测试21分钟后，市电重新接入，则燃料电池开始关闭，6分钟后电网再次断电，燃料电池再次启动并很快达到标称功率。

　　电池低压启动过程经测试运行良好。

　　M站进行了周期性的强化测试和加速测试，测试进行了3周，结果如下：

　　² 每小时启动一次(8点-16点)，每次持续15分钟(第一周)。

　　² 每小时启动一次(8点-16点)，每次持续30分钟(第二周)。

　　² 每小时启动一次(8点-16点)，每次持续45分钟(第三周)。

　　电池的电压和功率状况如下(以30分钟为例)：

　　图7：发电变化趋势图：一天的纪录

　　图8：电池电压变化趋势图：一天的纪录

　　该测试再次验证了燃料电池100%的可靠性。

　　环境条件测试周期达6个月，环境变化充分，从0-30度：所有的情况下，结果都很满意。

　　在C站系统处于后备状态一个月，之后远程启动。为加强测试，在启动指令发出后，市电断开，现场负载全部由燃料电池供电。实际上，当市电再接通，即使燃料电池在运行，仍由整流器优先供电，而不由燃料电池供电。

　　测试结果解释如下：系统能够迅速供电，在15分钟内，将达到标称功率。

　　图9：系统备用一个月后的工作状态图

　　C. 阶段4结果

　　在每一个站点，将阶段3的测试改用更小容量的，标称150AH的AGM电池，测试结果显示，燃料电池系统快速启动能力令人满意。

　　XIV.结论

　　在测试的最后阶段，最重要的是系统的良好性能和与现场已有设备的友好对接，现场测试结果与RELION公司提供的说明书相符，没有出现故障或错误。

　　现场测试的重要结论：

　　² 可靠性：燃料电池在任何时候都做到了正确响应，可靠性100%。

　　² 与在网设备的兼容性：在不同的启动条件下(电网失电和电池低电压启动)，在意大利电信不同使用站点，系统都能够满足设备的供电要求。

　　A. 经济性评估

　　现场测试表明，燃料电池是电信后备系统的理想方案，与传统方案相比较，其维修工作量与维护管理成本大幅降低。因此，对于那些经常断电，油机发电，或是长时间断电需配置大容量电池的站点，燃料电池是更好的选择。

　　B.未来发展

　　意大利电信与RELION公司合作，为获取更多的燃料电池的运行经验，将增加20个通信站点。如果结果仍然很好，计划进一步扩大使用范围。