專利名稱：一種通訊用備用電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃料電池，尤其是涉及一種通訊用備用電源系統(tǒng)。
背景技術：
燃料電池作為備用電源可以用在銀行，醫(yī)院，機場，商業(yè)樓宇等，替代目前大 量應用的鉛酸電池和柴油發(fā)電機，具有環(huán)保無污染，無噪音，輕便，便于維護等許 多優(yōu)點。
備用電源作為隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，社會工業(yè)化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，現(xiàn) 代社會和經(jīng)濟對電力的依賴已達到不可或缺的程度，電力己成為社會和經(jīng)濟運行的 總開關，沒有了電， 一切便迅速陷入全面癱瘓。
下面以備用電源在通信方面的應用為例介紹燃料電池在備用電源領域應用情
況
對于通信基站用備用電源， 一旦大面積電網(wǎng)停電，這將嚴重影響人們的正常生 活，甚至對社會經(jīng)濟和人類生命安全造成巨大損失。在去年的冰雪災害和今年的汶 川地震中能夠足見斷電給通信帶來的影響。
目前用做應通信基站備用電源的主要采用鉛蓄電池和用柴油發(fā)電機組相組合 的方式進行，這種備用電源的現(xiàn)狀同當前備用電源的需求之間的矛盾越來越大，主
要表現(xiàn)在a.鉛蓄電池容量有限，備用時間一般不超過為10小時，根本滿足不了重 大應急險情需求。b.而且鉛蓄電池存在重量大，壽命短(一般3-5年左右)，污染大， 品質(zhì)不均一，壽命難保證等缺點.c.為了延長發(fā)電備用時間，要配備大量的柴油發(fā) 電油機車， 一般是10-20個左右的基站配備一個發(fā)電油機車。大部分時間，油機車 封存不用，經(jīng)常不用對油機車不好，需要經(jīng)常維護，日常維護比較頻繁，工作量大。 在遇到大面積停電或重大險情時，油機車根本不夠用。
燃料電池作為一種節(jié)能環(huán)保的發(fā)電設備，體積小，重量輕，無噪音，價格便宜， 維護低，可連續(xù)工作(48小時或更長的備用時間)等特點非常適合用在備用電源領域。
燃料電池在備用電源的應用已經(jīng)進入市場。美國plugpower在2006年到07年間 已經(jīng)銷售1000臺5KW GenCore⑧燃料電池給電信部門用做電信備用電源。08年5月， BALLARD同印度電信簽定了未來三年用22.7MW的燃料電池。2008年2月11日， 在西班牙巴塞羅那GSMA世界移動大會上，美國Motorola公司將美國Itatech公司 ElectraGenTM5XTR燃料電池系統(tǒng)為通信設備BTS站提供動力。2008年4月6日，在 拉斯維加斯舉行的2008美國無線通信展(CTIAWIRELESS2008)展上。康普旗下 EcoPower無線通信公司推出專為無線運營商設計體積更小、更強勁的燃料電池備 用電源。2008年5月份，印度最大的電信設備供應商ICOMMTele對全球公開招標， 準備采購6000臺以燃料電池做備用電源的用于GSM或CDMA的BTS基站。
在我國，電信設備供應商，燃料電池生產(chǎn)商正積極介入通信基站備用電源領域。 可以預計在未來5年內(nèi)，燃料電池將會在備用電源領域得到廣泛的應用。
在燃料電池應用領域，眾所周知燃料電池的開關機操作對燃料電池的壽命影 響比較大，主要是因為在燃料電池開關機操作時能夠產(chǎn)生比較高的局部過電壓，這 將導致燃料電池催化劑碳載體氧化，使燃料電池性能衰減比較快。我們可以通過改 變陽極側(cè)催化劑導電載體的方法，如換用抗腐蝕性金屬氧化物導電載體的方法，提 高燃料電池的催化劑抗氧化性，降低燃料電池開關機對燃料電池性能的影響，如在 專利200610027287.2所介紹的。也可以通過燃料電池帶負載啟動的方法降低燃料電 池的局部過電位，但是在帶大的負載是燃料電池在比較低的電壓下啟動比較危險， 往往造成燃料電池的永久性損害。
另外一個方面的問題是在目前燃料電池備用電源領域，如美國的 PLUGPOWER， ECOPOWER， ITATECH公司所采用的燃料電池備用電源技術方 案主要是一種替代性的燃料電池獨立供電的技術方案。在這些技術方案中，燃料電 池作為通信用的備用電源，其輸出電壓是一種軟電壓特性，必須經(jīng)過DC/DC穩(wěn)壓 后提供給通信用電設備，通信用電設備對DC/DC的輸出電壓有有比較嚴格的要求。 此外，因為燃料電池作為一種軟電壓特性的電池，其在外界負載變化時，燃料電池 的電壓變化范圍比較大，這對DC/DC的制作要求比較高，而且價格比較高。國外 這些公司燃料電池系統(tǒng)比較復雜加上比較貴的DC/DC等使整個燃料電池備用電源 系統(tǒng)成本很高，在價格上難同傳統(tǒng)的鉛酸電池競爭，因而也直接影響了燃料電池的 推廣應用速度。需要注意的是在新一代燃料電池系統(tǒng)中(空冷自增濕燃料電池系統(tǒng))，燃料電池系統(tǒng)的成本幾乎同DC/DC相當，如果去掉DC/DC的直接連接方式可 以將燃料電池供電部分的成本直接降低50%。
目前，在備用電源領域主要是鉛酸儲能電池，燃料電池全部替換鉛酸電池，這 在初期會遇到比較大的阻力，首先是原有的鉛酸電池將廢棄掉也會造成一定的浪 費；其次，燃料電池系統(tǒng)成本相對較高；再者，這對燃料電池的氫氣供應和電池本 身的特性也提出了很高的要求。
因此，結(jié)合實際情況研究一種低成本，高穩(wěn)定可靠性的燃料電池備用電源系統(tǒng) 方案具有非常重要的現(xiàn)實意義。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種成本 低，穩(wěn)定性高、壽命長的通訊用備用電源系統(tǒng)。
本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn) 一種通訊用備用電源系統(tǒng)， 其特征在于，該系統(tǒng)包括燃料電池、儲能電池、單向二極管，所述的燃料電池與儲 能電池之間通過單向二極管連接，所述的單向二極管的陽極端連接燃料電池，陰極 端分別連接儲能電池和負載。
所述的燃料電池的燃料入口處設有電磁閥，燃料電池的空氣入口處設有空氣供 應設備。
所述的負載通過AC/DC連接外用電源。
所述的系統(tǒng)還包括控制電路板，該控制電路板分別連接燃料電池、儲能電池、 負載、AC/DC以及電磁閩。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型采用燃料電池同相匹配的儲能電池并聯(lián)的方式 輸出電力，其特征在于其中燃料電池同儲能電池之間通過一個單向二極管直接連 接在一起，燃料電池同儲能電池一起為用電負載提供電力，燃料電池同相匹配的儲 能電池之間的連接不需要可控開關和DC/DC轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)能夠大幅度提高燃料 電池啟動次數(shù)，大幅度降低燃料電池開關機對電池性能的影響，大幅度降低系統(tǒng)成 本，這對于該系統(tǒng)直接應用在備用電源領域具有非常重要的意義。
圖1為本實用新型燃料電池同儲能電池組成的備用電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。
本實用新型燃料電池備用電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用燃料電池同相匹配的儲能電池 并聯(lián)的方式輸出電力，其中燃料電池同儲能電池之間通過一個單向二極管直接連接
在一起，燃料電池同相匹配的儲能電池之間的連接不需要可控開關和DC/DC轉(zhuǎn)換
器，燃料電池給儲能電池和負載提供電力和或燃料電池同儲能電池一起為匹配的負 載提供電力。
所述燃料電池同相匹配的儲能電池之間的連接不需要可控開關，當燃料電池給 儲能電池充電，燃料電池和儲能電池組成的整體輸出電壓達到設定電壓時，通過關 閉燃料電池燃料進口端的電磁閥來使燃料電池停止工作。在外界市電斷電，儲能電 池因為輸出電能導致的兩端電壓降低到設定的電壓時，燃料電池的進口端電磁閥打 開，燃料電池開始工作， 一方面給儲能電池充電和或給匹配的負載供應電力。
所述匹配儲能電池的匹配性包括燃料電池在儲能電池合理的工作電壓范圍內(nèi)
工作；燃料電池給該儲能電池充電不需要進行限流；燃料電池工作時提供給儲能電 池的充電電流不超過儲能電池的合理充電電流。
所述的相匹配的儲能電池是采用寬電壓范圍的電池，可以是鉛酸蓄電池，鎳氫 電池等可以在寬電壓范圍工作的電池，其電壓波動范圍一般為18%-30%之間。
所述匹配的負載，在燃料電池在寬的工作電壓范圍內(nèi)，其功率輸出也有較寬的 范圍，匹配負載的消耗功率設定在燃料電池寬的輸出功率范圍內(nèi)。
所述燃料電池，燃料電池工作時，開始階段燃料氫氣首先進入電池，給燃料電 池提供反應用空氣設備不運行，燃料電池提供的電能穩(wěn)定后，提供空氣的設備才開 始運行。從燃料氫氣進入燃料電池到提供空氣的設備運行之間的時間間隔一般為1 秒到5分鐘時間，最優(yōu)的時間為3秒-30秒的時間。
所述燃料電池，燃料電池停止工作時，燃料氫氣進口電磁閥關閉，因為單向二 極管的存在，燃料電池電壓在接近儲能電池的電壓時，燃料電池不再對外輸出電力， 燃料電池存在的電壓將靠電池的控制電路板和空氣供應設備消耗完畢。
通過本實用新型的實施，燃料電池的開關機啟動次數(shù)顯著增加，燃料電池儲能 電池系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著增強，成本顯著降低，燃料電池對氫氣方面的要求和自身的快 速反應供電要求顯著降低，具有非常重要的商業(yè)價值。實施例1
如圖1所示，一種燃料電池同儲能電池組成的通信用備用電源系統(tǒng)，工作原理， 過程和匹配性如下
負載4即為通信設備，此系統(tǒng)中負載4消耗功率一般為1.5-2.5KW，其消耗功 率同通信設備的通信量有關，通信設備的工作電壓范圍一般為40V-60VDC通常狀 況下，負載4消耗的電力來自于220VAC交流電(或380VAC)， 220VAC交流電通 過AC/DC8轉(zhuǎn)化成55.5VDC直流電后提供給負載4和鉛酸電池2，鉛酸電池2單 片的工作電壓為1.8V-2.35V, 24塊串聯(lián)后工作電壓范圍為43,2-56.4VDC。燃料電 池1為多片串聯(lián)組成的電池堆，電壓范圍很寬，但是在此系統(tǒng)中同鉛酸蓄電池2 相匹配，因此其工作的電壓范圍為43.2-56.4VDC，事例中用到的是一個80單電池 組成的燃料電池，每個單電池的工作電壓平均為0.54-0.705VDC，燃料電池的電流 從61A-20A，因此電池的輸出功率將隨電壓的變化而變化，范圍從2.63KW-1.13KW 變化。負載的功率波動范圍同燃料電池的輸出功率范圍接近，燃料電池1的輸出時 的電壓在鉛酸儲能電池2的電壓范圍內(nèi)。
系統(tǒng)中的燃料電池1采用新一代空冷自增濕燃料電池，鉛酸電池2的容量一般 大于IOOAH。
通常狀況下，燃料電池1檢測到AC/DC的正常的輸出電壓時不工作。在外界 220VAC電斷電后，燃料電池1雖然檢測到AC/DC的電壓為零，燃料電池1不立 即工作，此時負載4消耗的電力全部由鉛酸電池2提供，鉛酸電池2的電壓從 55.5VDC開始下降，當鉛酸電池2的電壓下至一個設定值時，如48VDC，燃料電 池1開始工作。
燃料電池1工作時首先將氫氣進口電磁闊5打開，此時氫氣迅速進入燃料電池 1，燃料電池l電壓開始上升，因為由單向二極管3的存在，燃料電池的輸出電壓 達到48.6V時(48V加0.6V單向二極管的壓降)，開始輸出電流到鉛酸電池2和負 載4。燃料電池1的每片電池的工作電壓接近0.6V，但因為此時供空氣設備如風扇 6沒有啟動，所以，燃料電池1電流快速上沖大約l-5S的時間后，由于電池陰極 側(cè)的缺氧導致電流快速下降到一個非常低的電流約2A左右。大約經(jīng)過IOS后，燃 料電池1的風扇6供空氣設備開始運行，燃料電池1開始正常工作，此時燃料電池 1在48.6V時輸出電流在48A左右，輸出功率為2.3KW,因若此時的負載為L5KW， 燃料電池1發(fā)出的電將有一部分直接提供給負載4，另有部分電力提供給鉛酸電池2，考慮到鉛酸電池2充電是的過電位，此時燃料電池1同儲能電池的穩(wěn)定電位將
大于48.6V，在該系統(tǒng)中給負載4的供電電壓為52V左右，燃料電池1的輸出電流 為35A,因此，燃料電池1提供給負載的電流約28.8A，提供給鉛酸電池2的電流 為6.2A，根據(jù)鉛酸電池2充電電流不超過0.1C最優(yōu)充電電流規(guī)定，上述100AH 的鉛酸電池2能夠滿足要求。因為隨著鉛酸電池2被充電，系統(tǒng)的電壓將會慢慢上 升，因為燃料電池1在56.2V時輸出功率僅1.13KW，小于負載4的消耗功率，所 以鉛酸電池2被充電的最后平衡電壓一般不會超過設定的56.2V。
如果負載4的消耗功率逐漸增加，當大于燃料電池1在工作電壓下的電流時， 燃料電池1同鉛酸電池2將一起為負載提供電力。此時系統(tǒng)的電壓將慢慢降低，但 是，隨著系統(tǒng)電壓的降低，燃料電池l的輸出電流將增大，輸出功率將增加。因此 在合適的電壓下，此系統(tǒng)的電壓將達到平衡，系統(tǒng)的電壓將不在降低。因為一般設 定燃料電池在低的電壓如43.2V+0.6V (二極管損耗)時，輸出功率大于負載的消 耗功率，因此鉛酸電池及同燃料電池組成系統(tǒng)的對外供電電壓一般不會43.2V。
當檢測到市電220VAC重新供給時，燃料電池1將氫氣進口電磁閥5將關閉， 燃料電池1停止工作，因為單向二極管3的存在，燃料電池1電壓在接近儲能電池 2的電壓時，燃料電池l不再對外輸出電力，燃料電池l存在的電壓將靠電池的控 制電路板7和空氣供應設備消耗完畢。燃料電池1殘余的氫氣將被風扇6消耗完畢。 此時，負載4和鉛酸電池2由AC/DC8提供電力。
同傳統(tǒng)的單獨燃料電池用做備用電源的系統(tǒng)相比，上述燃料電池系統(tǒng)可以大幅 度降低成本，提高燃料電池開關機對電池性能的影響。同時，燃料電池的應用又可 以大量節(jié)省傳統(tǒng)鉛酸電池的用量，在一般的通信用備用電源鉛酸電池的容量一般為 500AH，甚至更大如IOOOAH， 2000AH，燃料電池應用后可以將鉛酸電池的用量 節(jié)省50%-80%。
上述事例主要是說明本實用新型的系統(tǒng)工作過程，而不是對本實用新型的限制。
權(quán)利要求1.一種通訊用備用電源系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括燃料電池、儲能電池、單向二極管，所述的燃料電池與儲能電池之間通過單向二極管連接，所述的單向二極管的陽極端連接燃料電池，陰極端分別連接儲能電池和負載。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種通訊用備用電源系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃 料電池的燃料入口處設有電磁閥，燃料電池的空氣入口處設有空氣供應設備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種通訊用備用電源系統(tǒng)，其特征在于，所述的負 載通過AC/DC連接外用電源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種通訊用備用電源系統(tǒng)，其特征在于， 所述的系統(tǒng)還包括控制電路板，該控制電路板分別連接燃料電池、儲能電池、負載、 AC/DC以及電磁閥。
專利摘要本實用新型涉及一種通訊用備用電源系統(tǒng)，該備用電源包括燃料電池和與燃料電池相匹配的儲能電池，所述的燃料電池與儲能電池之間通過單向二極管連接，該單向二極管的陽極端連接燃料電池，陰極端分別連接儲能電池和負載。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有成本低，穩(wěn)定性高、壽命長等優(yōu)點。
文檔編號H02J9/00GK201332296SQ20082015725
公開日2009年10月21日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者明 李, 李秀云, 田丙倫, 田丙坤, 輝 董 申請人:上海攀業(yè)氫能源科技有限公司