·76·
第48卷第2期
2012年2月
高压亡z
Hi曲VoltageAppⅢat∞
V01．48No．2
Feb．2012
氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究
张富刚，樊越甫，刘方，刘海东
(河南洛阳供电公司，洛阳471000)
摘要：笔者针对变电站直流系统，应用新型氢燃料后备电源替代蓄电池组作为后备电源产品。旨在将氢燃料
电源作为直流系统整体后备电源。氢燃料应急移动直流电源。直流技改中氢燃料后备电源的可行性和解决方
案进行测试研究，提出新型后备电源设计、采取措施以及提出一整套系统的解决方案。结果显示，将氢燃料
电池供电系统代替铅酸蓄电池组作为停电期间的后备电源．只保留少量的铅酸蓄电池作为系统启动过程中
的支撑，停电时自动启动、市电恢复时自动进入待机状态，铅酸电池随即进入浮充状态。大量减少铅酸蓄电
池的使用．能减少对环境的污染。氢燃料电池供电系统若包含DC，AC逆变设备，即可为通信站的交流负载供
电，替代汽柴油机，降低噪音和振动，减少二氧化碳等气体排放。
关键词：氢；燃料电池；后备电源；直流电源
中图分类号：TM911．4文献标志码：A文章编号：l001．1609(2012)02—0076．05
IksearchonAppHcationofH2FuelCeUBackupPowerSystematTra鹏formerStatio璐
forElectricPowerSystem
ZHANGFu-gang，FANYue-fu，LIUFang，LIUHai—dong
(Hen柚LuoyaIlgPowersupplyComp锄y，L舡0y锄g471000，ClIi聃)
Abstr觚t：’Ihisanicleisaimingtoi儿ustratethereplaceImntoftraditionaJlead。acidbatterystacks丽thHydrogen
fuelceUproducts鹪backuppowerproductstopmVideelectrici哆forsubstationDCsystem．Thearticle
researcheshowtouseH2fuelceUpowersystem鼬aintegmtedbackupenergyforDCsystem，髂aremovableDC
powersupplyforemergencyuse，andteststhefeasibilityofusingH2fuelceu船backuppower8ystemduringDC
technologicaltI锄sforIIlation．r11leauthoralsoproposesnewbackuppowersupplydesi印肌dnew∞lutionsfortIle
wholepowersystem．Accordingto蛐chresearch锄danalysis，usingH2fuelceutoreplacelead舵idbatteries艄
backuppowersystemd嘶ngblackoutperiodc锄largelyreduceC02p0UutiontotIleenvironment．
Key、Ⅳords：hydrogen(H2)；fuelceU；backuppowersupply；DCpowersupply
O引言
随着燃料电池技术的发展。氢燃料电池逐渐被
业界认识到在后备电源领域具有广阔的应用前景。
被认为是取代蓄电池和柴油发电机作为后备电源的
最有应用前景的新能源技术【1】。目前，国外已开发出
相应的产品，功率普遍在5kW以下，并且具有大量
应用实例，国内在大功率燃料电池系统上也做过深
入研究。截至目前为止，已经在国外商业化应用数
千套，主要用于替代传统铅酸蓄电池。目前上述场
合使用的备用电源以铅酸电池为主，但铅酸电池回
收稿日期：2011．11．20：修回日期：2011．12．21
收可能带来污染，而氢燃料电源系统是一种清洁、持
久的供电系统。氢燃料电池的启动速度较快，输出
电能较稳定，环境适应能力强．能够满足各个行业后
备电源的需要；电化反应唯一产生的副产品即纯净
水，节能环保，完全避免了铅、硫酸以及其他酸性污
染物排放。
目前国外比较成熟的应用是．氢燃料电池供电
系统代替铅酸蓄电池组作为停电时的后备电源，只
保留少量的铅酸蓄电池作为系统启动过程中的支
撑。这样，就可以大量减少铅酸蓄电池的使用，减少
对环境的污染。氢燃料电池供电系统若包含DC／AC
逆变设备。即可为通信站的交流负载供电，替代汽柴
万方数据
研究与分析张富刚，樊越甫，刘方，等．氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究·77·
油机。降低噪音和振动，减少二氧化碳等气体排放。
国外的大量商业化运行显示氢燃料电池系统在后
备电源将有长足的发展。
国内虽有少量通讯基站使用氢燃料电池供电
系统代替铅酸蓄电池组作为停电时的后备电源，但
未见相关应用研究文献出现。而在电力系统变电站
更无应用及其研究。
笔者针对变电站直流系统应用新型氢燃料后
备电源替代蓄电池组．氢燃料电源作为直流系统整
体后备电源，氢燃料应急移动直流电源，直流技改
中氢燃料后备电源的可行性和解决方案进行测试
研究。提出新型后备电源设计、采取措施以及实施提
出一整套系统的解决方案。提交有关氢燃料后备电
源系统试点研究报告。并对各类型变电站后备电源
提出可以供实际设计使用的比较具体的氢燃料后
备电源的主要设计方法和实用化原则。
l氢燃料电源系统结构及原理
氢燃料电池G3000结构见图1．从图1上可以
看出．G3000分为6个模块．分别为系统电控单元、
直流管理单元、燃料电池模块、蓄电池、室外散热单
元、储氢单元。其中燃料电池模块包含燃料电池电
堆(简称电堆)及其辅机(即供氢单元、氧化剂供给单
元和热交换单元)，系统电控单元控制辅机为电堆提
供必要的燃料和氧化剂．并控制室外散热单元将燃
料电池产生的余热排出系统，除此之外，系统电控
单元还负责遥感、遥测和遥控功能的实现。直流管理
模块负责将燃料电池电堆输出的直流电整流为稳
定的220VDC作为备用电源系统的总输出，还负责
系统的能量管理。G3000为了兼顾移动基站备用电
源的应用．其直流管理模块采用2级DCDC转换，
第l级转换将燃料电池电堆输出的直流电转化为
52VDC．第2级DCDC将第1级输出的52VDC
升压至220VDC满足电力系统变电站的用电要
求；储氢单元由储氢罐、汇流排、控制阀等构成，国
内的储氢罐一般使用国标T40钢瓶，并被安放在室
外，有利于解决氢气的安全性和更换气瓶的方便性
问题。
图2描述了燃料电池系统与负载的电力供应
关系。当交流电网供电时。整流模块将220VAC变
为220VDC为负载供电。当电网断电时，暂时由50Ah
启动用蓄电池提供3kW电力，同时G3000的系统
电控单元自动控制燃料电池模块启动，在很短的时
间内逐步替代启动电源。当燃料电池模块启动完毕
后。除了提供负载电流外，还提供对50Ah启动蓄
审外
散热单几
医夏妥翌园
爿A流l管王}lI单元l
燃料
电池模块
图l燃料电池系统结构示意围
ng．1F呲lceusys咖劬mct．1nh妒ut
电池的充电电流。当交流电网重新提供电力时，系
统电控单元自动关闭燃料电池的电力输出。
母排
图2燃料电池系统与负载的电力供应关系示意图
F毡．2勘∞懈creIa60璐mpbet咖fIld删昭stem
蛆ddectricIoad
原理上。采用氢燃料电池完全可以取代铅酸蓄
电池，安装于变电站，作为停电期间的后备电源，只
在氢燃料电池系统的启动单元中使用50Ah的蓄
电池。作为燃料电池系统G3000自身启动过程中的
支撑．当市电断电时G3000自动启动。市电恢复时
G3000自动进入待机状态，启动单元内部的铅酸电
池随即进入浮充状态。
2氢燃料电池的工作过程
根据G3000工作现场的功率需求．当电网突然
断电后．G3000应能够在第一时间输出3kW的直
流电．也就是说。52V一级DCDC应输出约60A直
流电力。为说明G3000的启动过程和负载突变情况
下系统的响应情况，首先使用1．5kW的负载启动
G3000。然后负载突变到2．5kW，最后负载突变到
3kW．考察系统在3种工况下的响应情况。图3
给出了上述工况下，燃料电池系统的启动过程中，
电堆电压、电流和第一级DCDC电压和电流随时间
的同步变化情况。
2．1电流响应
从图3可以看到．一级DCDC并没有在0时间
提供用户需要的60A(3k聊电流，这时用户电流基
本上全部来自于图l中的50Ah的52VDC蓄电
万方数据
·78·2012年2月ji5压亡譬第48卷第2期
t{s
图3燃料电池系统启动过程
Fig．3StartIlpproce鲻of^lel∞Usystem
池组。而且蓄电池组还为图1中的系统电控单元和
辅机f燃料电池模块中的供氢单元、氧化剂供给单元
和热交换单元1提供电力，维持其启动和运转所需要
的电力。随着时间的推移，燃料电池系统在系统电
控单元的控制下，逐渐完成燃料和氧化剂的加注。
逐渐代替蓄电池的电力供应。从图3中可看到．从0
时刻开始DCDC输出电流以2刖s的速度爬升。当
达到30s时，蓄电池停止供应电力，燃料电池系统
除了提供全部的3kW电力供应之外，还负责向蓄
电池小电流充电(图3中未显示)，至此燃料电池系
统完成启动过程，可以稳定地为直流负载供电。
DCDC的电力来自于电堆。所以同图3上可以看到
电堆输出电流也同步上升。
．系统稳定运行了一段时间后，在90s时刻，负
载由1．5kW突变到2．5kW，同样在突变开始时。52V
启动蓄电池承担了额外的lkW电力供应。也就是
说负载得到的2．5kW电力供应中。有1．5kW来自
于燃料电池模块。另外lkW来自于启动蓄电池。从
该时刻起．一级DCDC输出电流以2从的速度重新
开始爬升，并达到2．5kW输出额定电流，即50A。
同理系统在150s时刻再次发生负载突变．突
变到3kW，最终达到3kW输出额定电流，即60A。
2．2电压晌应
图3还给出了启动过程中电堆电压和一级
DCDC输出电压的变化情况。由于一级DCDC和
50Ah蓄电池共同连接在母线上(见图2)，在启动过
程中DCDC输出电压变化不大。与此同时，可以从
图4上看到。随着电堆输出电流的逐渐增大。电堆
输出电压有非常明显的下降，从0时刻的开路电压
63V，到30s时刻(60A爬升结束时)，下降到约
48V。2．5kW负载时，电堆电压下降到44V．3kW
负载时，电压下降到约4lV。注意到电堆电压相对
DCDC输出电压波动比较大，这是由于供氢量、供氧
量以及电堆温度等控制因素的波动造成的。
由以上讨论可以认为。燃料电池系统能够满足
电力系统变电站的电力需求．实现了电力供给的
“零”等待，可以用来代替2V103只，2组200Ah
铅酸蓄电池组。
≥
芒
静
蕾
亏三
彝
电堆电湔A
图4实际启动过程中的电流爬升曲线
Fig．4CurMntinc删ngcur、忙inactIlalh∞tingproc嘲
3电池寿命及稳定性研究
’
在铅酸蓄电池的实际运行中．由于使用中的一
些问题以及维护不到位的因素。造成电池使用寿命
大大短于理论寿命，本来应该工作8—10年的电池，
大都在3～5年内有损坏．有的甚至连2年的寿命也
达不到。从而给变电站的正常运行带来了极大的安
全隐患，成为变电站整体可靠性的薄弱点。同时蓄
电池的过早更换也造成了极大的经济损失。
燃料电池系统区别于铅酸蓄电池最大的优势
为使用寿命长，由于燃料集中存放在电池腔体外
部，所以其搁置时间能够超过30年。该系统中所占
成本比例最高，对整机寿命影响最大的部件为燃料
电池电堆，电堆的使用寿命(非搁置寿命)的长短是
该领域的研究热点问题。众多文献【2-3】描述了电堆中
各个零部件的寿命对电堆寿命的影响，笔者仅从
G3000系统的实况运行数据讨论整机系统在变电站
应用中的寿命问题。图4给出了G3000在多次启动
过程中的电堆电流爬升曲线．即电堆电流与电堆电
压的对应关系，该曲线类似于极化曲线，但与之不
同的是，极化曲线表征了电堆的稳态性能，能够客
观地反映电堆的性能，由于爬升速度较快。图4给
出的性能曲线掺杂了电堆的暂态响应因素．还包含
了燃料和氧化剂供给速度等因素的影响．为一综合
性能曲线，从图4可以看到，启动结束后，电堆的输
出功率达到最大，即3．5kW，比系统额定输出3kW
大，这是由于系统辅机需要占用大约0．5kW的功耗。
经过多次启动关机过程。电池系统的性能下降十分
有限，实际状况下，由于每次开机后系统工作不固
定，图4并不能准确给出系统的使用寿命，但从性
万方数据
研究与分析张富刚，樊越甫，刘方，等．氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究·79·
能变化趋势看，完全能够满足电力系统变电站的工
作需要。而且电力系统中使用的备用电源系统的开
关机次数远小于其他备用电源系统，比如移动基站
备用电源系统。所以更适合于采用燃料电池系统。
充分发挥其搁置寿命超长的特点。
燃料电池系统另外一个重要参数为单片电压
一致性。电堆是由众多单片电池串联组成的，如果
单片电压一致性差．则导致电堆中的l片或者多片
电压低于平均电压过多．造成系统不稳定，甚至系
统停机。图5给出了与图4相对应的不同启动次数
下，64片单电池电压分布情况，从图5上可以看出，
额定电流(60A)下，单片电压分布非常平均，上下波
动不超过±20mV．偏差最大的单片电压出现在第1
片单电池．这是由于电堆内部流体在各个单片分配
不完全均匀导致的(4】。虽然启动次数不断增加，单片
电压的数据变化不大，这说明电堆在被考察期间工
作稳定正常。
第1次开机
器8}，“—Ⅳ、／一一一～…——、一一“一《；：!()I：：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．_一
0IO203040506070
平均值：649．6mV；方差：7．6mV；最人值：660mV；最小值：620mV。
第lO次开机
>錾8【／＼…一～、～√一一一一“一～～飞～一。一
罢620L—．．．．．。．．．．．．．．．．．—．．．。．．．．．．。．．．．．．．．——．。．．．。．．_一岜
0lO203040506070
口、P均值：649．5mV：方露：7．7mV：屉大值：660mV；最小值：617mV。
盏第20次开机萎黜[，，一Ⅳ，以～“～一‘～‘一一1～，一
番620t二．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．—．。．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．—_J
OlO203040506070
乎均值：648．1mV；力差：7．7mV；最人值：660mV；最小值：617mV。
第100次开机
黜fp—ⅣVv——————、——一
620}!—．．．．．．J．．．．．．．．．L．．．．．．。．J．．。．．．．．．^。．．．．．．．．L．．．．．．．．^．．．_一0lO203040506070
平均值：648．1mv；方筹：7．8mV：最人值：658mV：最小值：613mV。
单”电池序号
圈5G30∞在3kW稳定输出时各个单片电压分布
ng．5VoIta萨m曲曲un叫0f翰chsin羽ecellwh伽
G3咖has嘲bIe3kWpo眦r伽tp眦
4支撑时间研究
变电站的维护时间比较长，一般在10—20h之
间．这就要求备用电源必须能够支撑足够长的时
间．达到这个目的需要两方面的具体要求：①容量
足够且已知：②容量随时间的衰减已知。
由于蓄电池的电化学特性比较复杂，很难进行
快速准确的容量测试。现有的蓄电池性能与容量的
测试技术．只能提供一个蓄电池的性能状态的参
考。无法准确的测算出整组电池或者单体电池的实
际容量，只能通过实际的蓄电池放电来测试电池的
实际容量和单体电池的性能。而蓄电池放电测试电
力行业规程要求投运后6年内每3年1次，6年后
每年1次。因此，在蓄电池使用中．往往比较难以发
现蓄电池的容量降低，尤其是第3年至第6年较易
发生问题又未放电测试期间，等到真正需要蓄电池
工作的时候。才会暴露出容量下降的问题。蓄电池
放电性能的不确定性从而给变电站的安全运行造
成隐患。因此长期运行后的蓄电池不能满足上述的
2点要求。
与蓄电池相反。燃料电池由于燃料单独存储在
电池体之外．其能量的总量是已知的．而且不随时
间而衰减，支撑时间的计算公式为
仁意}㈣
式(1)中：t为支撑时间；y见为钢瓶内氢气的体
积；厶为电堆输出电流大小；p。为电堆单电池片数；
A为比例系数，如果y吼的单位取标准升，电流的
单位取安培，f的单位为Illin，则A=0．007。由于y日l、
厶在任一时刻均是已知的，因此燃料电池的支撑时
间是绝对可知的。
考虑到实际情况．钢瓶中的氢气不能完全用
完，另外估算支撑时间以输出功率更为方便，图6
给出了在恒功率3kW输出的情况下。T40钢瓶数
目与实测支撑时间之间的关系．并与2V103只2组
200Ah蓄电池组的实际支撑时间做了对比。
40
32
24
16
8
O
p。憾
圈6G3∞O不同钢瓶配置情况下的支撑时间以及与
、碾LA的对比
Fig．6黜m6meofG30∞hsed帆删％咒nt懈畿l
加mbersand耐mev&VIH．A
从图6可以看到．氢燃料电池可提供不受限的
供电时间。供电时间的延长只需要增加氢气罐储备
即可。当配置12只T40钢瓶的情况下，3kW恒功
率输出时间已经超过2V103只．2组200Ah
VRLA的支撑时间。当配置24只钢瓶的情况下，支
撑时间已近大于VRLA的2倍．并且G3000性能不
万方数据
．80．2012年2月
．
高压电z第48卷第2期
会随着使用时间而产生下降，完全解决了铅酸电池
供电失效的不可预测性问题。另外，由于铅酸蓄电
池的放电时间随着使用次数的增多而下降，而
G3000的放电时间和使用次数无关。只与钢瓶的储
气量大小有关，所以在图3中G3000给出的使用时
间误差为正负误差，而VRLA给出的是负误差。
5结论
1)氢燃料电池符合国家政策发展方向、市场容
量大．目前处于产业成长初期．具有良好的市场前
景和广泛的应用领域。
2)适时探讨和开发基于氢能整体产业链的业务
模式的拓展，特别是利用氢能作为二次能源的储能
特性研究开发太阳能一氢能、风电一氢能系统．将
太阳能／风能转化为氢能．通过太阳能／风能_电解
水_÷制氢制氧-+发电、制热的产业链模式实现资源
的综合利用，解决当前模式下的风电并网难，出力
多变，不可调峰的问题。同时也可以将这个过程中
产生的氢气和氧气应用于工业领域．以期产生经济
效益。
31氢燃料电池车是符合国家产业发展规划的重
要领域，目前仍然处于技术培育期。很多关键技术
还有待突破，装备公司应适当进行超前研究。进行
一定的技术储备，等待产业机会成熟的时机。
4)由于氢能行业仍处于市场培育期，目前氢能
行业尚无主导机构进行产业研究和标准的制定．可
以预见的是，在未来市场中，掌握了标准和规则的
竞争者将是市场最大的受益者．装备公司应在行业
标准和产业研究方面适当参与，争取参与行业标准
的制定，引导氢能产业的整合和发展。
51低碳环保氢燃料电源系统是一种清洁、持久
的供电系统。电化反应唯一产生的副产品即纯净
水，节能环保。完全避免了铅、硫酸以及其他酸性污
染物排放：在二氧化碳排放方面，其整个生命周期
与传统铅酸电池相比，可减少95％的CO：排放量；而
在运行噪音方面．产品运行时噪音低于55dB，非常
安静，避免了传统柴油发电机的噪音污染。
6)降低综合成本。氢燃料电源的工作环境温度
范围从一200C到+450C．其工作温度远高于传统铅
酸电池，可大幅节约机房基站空调所需的电能．节
约成本。它可完全节省传统铅酸电池的充电和维持
浮充的电能损耗，不需要放电和充电过程．因此也
减少了充电损耗及运行成本。其次。氢燃料电源效
率大于50％，而柴油发电机效率小于20％．其综合
供电成本约为铅酸电池供电成本的l／40．大幅降低
单位产值的能耗。
71性能优异原则上，氢燃料电池可提供不受限
的供电时间，供电时间的延长只需要增加氢气罐储备
即可。并且产品性能不会随着使用时间而产生下降。
完全解决了铅酸电池供电失效的不可预测性问题。
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张富刚(1963一)，男，高级工程师，从事电力系统运行方
式研究。
樊越甫(1972一)，男，高级工程师，从事电力系统高压设
备运行分析研究。
刘方(1982一)，男，工程师，从事电力系统高压设备运
行分析研究。
刘海东(1977一)，男，工程师，从事变电站直流系统运行
分析研究。
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万方数据
氢燃料电池在电力系统后备电源的应用研究
作者：张富刚，樊越甫，刘方，刘海东，ZHANGFu-gang，FANYue-fu，LIUFang，LIUHai-dong
作者单位：河南洛阳供电公司,洛阳,471000
刊名：高压电器
英文刊名：HighVoltageApparatus
年，卷(期)：2012,48(2)
参考文献(4条)
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