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小型燃料电池在通信行业的应用思路及实例浅析 中国电信股份有限公司广州研究院 孙文波、侯福平、赖世能 1 概述 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。燃料电池以其效率高、零污染、使用方便等特点进入人类的 视野，在诸多领域的应用也应运而生，成为人们关注的热点。 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。 目前以质子交换膜技术为代表的燃料电池电源系统具有高效节能、清洁环保、可持续工 作时间长等显著特点，其技术已非常成熟，达到商业应用的要求，这为通信应急电源车、通 信基站备用电源等提供了一个可行的解决方案。以燃料电池技术为核心的应急电源系统也已 开始越来越多的实际应用，已成为目前国际应急电源新技术的重要发展方向。 2 燃料电池基本知识 2.1 工作原理 早在１８３９年，英国科学家威廉·格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。这是一种将 化学能直接转换为电能的化学系统，它的主要部件为两个电极和电解液。在正极（燃料电极）， 氢气在催化剂作用下被拆开成为质子 （氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到负极 （氧 气电极），而电子不能通过电解液，留在正极，这样就在两极之间形成了电位差。如果接通 1 两极，氢原子分拆出的电子就会沿电路从正极流到负极，在那里同氢离子结合后，与氧气发 生反应，生成水并释放出热量。虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。产生电 能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音 小而且稳定。 2.1.1 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。质子交换膜型燃料电池（PEMFC ）以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂 -钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石 墨或表面改性的金属板为双极板。其工作原理如图 2-1 所示。 图 2-1 燃料电池原理示意图（二） 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：2H2 →4H + 4e + - 阴极：O + 4H + 4e → 2H O 2 2 总反应：2H + O → 2H O + 热量 2 2 2 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 2.1.2 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