孟彥偉（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

直接甲醇燃料電池在通信基站的應(yīng)用前景展望

孟彥偉
（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

摘 要本文通過對直接甲醇燃料電池本身的特性特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對其在通信基站的使用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞直接甲醇燃料電池；DMFC；通信基站；超級基站

1　引言

隨著移動業(yè)務(wù)的發(fā)展，企業(yè)和個人對移動網(wǎng)絡(luò)的需求持續(xù)增高，新建通信基站的數(shù)量也持續(xù)增加，而選址難、建站難、維護(hù)難的問題也日益嚴(yán)重。傳統(tǒng)的建站模式已不能滿足要求，通信基站建設(shè)向著無機(jī)房、節(jié)能、多樣的方向發(fā)展。

諾貝爾化學(xué)獎得主、著名有機(jī)化學(xué)家喬治?奧拉在撰寫的《跨越油氣時代——甲醇經(jīng)濟(jì)》一書中，對利用工業(yè)排放及自然界的二氧化碳 （CO2）轉(zhuǎn)化為甲醇（CH3OH）提出了高瞻遠(yuǎn)矚的觀點(diǎn)，描述甲醇是近期乃至未來相當(dāng)時期內(nèi)可取代多種礦物燃料的新能源。在低碳經(jīng)濟(jì)的全球背景下，燃料電池研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程有加快趨勢。直接甲醇燃料電池作為一種新型后備電源解決模式，其無污染、低噪音、溫度范圍廣等特點(diǎn)日益受到各行業(yè)的重視。

2　甲醇燃料電池原理

甲醇燃料電池分為PMFC（Reformed Methanol Fuel Cell，重組型甲醇燃料電池）和DMFC （Direct Methanol Fuel Cell，直接甲醇燃料電池）。

重組型甲醇燃料電池是一種質(zhì)子交換膜燃料電池，在現(xiàn)場將甲醇轉(zhuǎn)換為氫氣，然后把氫和空氣中的氧分別供給燃料電池電堆的陽極和陰極，氫通過陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極，從而產(chǎn)生電能，并合成為純凈水（H2O），是電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣的逆過程。如圖1所示。

圖1　氫燃料電池反應(yīng)原理

與氫燃料電池相比，重組型甲醇燃料電池多了一個甲醇-氫氣重組裝置，作用是將液態(tài)甲醇轉(zhuǎn)換為氫氣，

如圖2所示。

圖2　甲醇-氫氣重組裝置

直接甲醇燃料電池是從質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展而來，其直接使用甲醇而無需預(yù)先重整為氫氣。它是以甲醇溶液為燃料、以空氣或氧氣為氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，產(chǎn)物為二氧化碳和水。如圖3所示。

直接甲醇燃料電池化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

陽極反應(yīng)：CH3OH+H2O→CO2↑+6H+ +6e

陰極反應(yīng)：3/2O2+6H++6e -→3H2O

電池總反應(yīng)：CH3OH+3/2O2→CO2↑+3H2O

直接甲醇燃料電池的三大組成部分為質(zhì)子交換膜、膜電極和催化劑，結(jié)構(gòu)上是由兩個膜電極及夾在其中間的質(zhì)子交換膜以及催化劑構(gòu)成。

（1）質(zhì)子交換膜：質(zhì)子交換膜是一種選擇性高分子交換膜，起著隔離物、電解質(zhì)和氧化劑的作用。

（2）膜電極：膜電極是直接甲醇燃料電池發(fā)生反應(yīng)的場所，通常為多孔電極，由背層、擴(kuò)散層和催化劑層三部分組成，主要材料是碳支撐的貴金屬。

（3）催化劑：催化劑是提高甲醇燃料電池性能的物質(zhì)，陽極需要催化劑提高活性、減小甲醇活化，陰極需要在催化O2還原的同時對甲醇不敏感的催化劑。

3　直接甲醇燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀

由于甲醇氧化反應(yīng)速度和技術(shù)能力的制約，目前直接甲醇燃料電池功率密度較低，通常不超過80 mW/cm2，其特點(diǎn)比較適合小功率設(shè)備，因此很多消費(fèi)類產(chǎn)品公司如東芝、松下、夏普、三星、索尼、三洋、日立、LG等，都在進(jìn)行DMFC的研發(fā)工作。甲醇作為易燃品，由于安全問題被禁止帶上飛機(jī)，也在一定程度上限制了DMFC的發(fā)展。

來自美國硅谷的Oorja Protonics公司于2012年推出的新產(chǎn)品OorjaPac Model Ⅲ的發(fā)布功率為每天20 kW?h（約合840 W）。德國的SFC Energy公司生產(chǎn)的EFOY Pro 800和EFOY Pro 2400型直接甲醇燃料電池功率分別為45 W和110 W。

巴拉德動力系統(tǒng)（Ballard Power Systems）公司在2012年宣布收購Ida Tech公司的燃料電池業(yè)務(wù)，通過增加直接甲醇燃料電池以進(jìn)一步完善其產(chǎn)品鏈。

直接甲醇燃料電池在汽車行業(yè)的應(yīng)用不如氫燃料電池應(yīng)用成熟，在通信領(lǐng)域的研究更是寥寥無幾，尚未進(jìn)入試點(diǎn)應(yīng)用階段。

4　直接甲醇燃料電池在通信基站的應(yīng)用前景

4.1直接甲醇燃料電池在通信基站應(yīng)用的技術(shù)分析

直接甲醇燃料電池以清潔可再生的甲醇溶液作為燃料，能量轉(zhuǎn)換方式簡單，其自身具有如下特點(diǎn)

（1） 甲醇本身不易變質(zhì)，儲存時間可達(dá)10年。

（2） 甲醇結(jié)凍點(diǎn)低，直接甲醇燃料電池使用溫度范圍廣，運(yùn)行環(huán)境要求低。

（3） 直接甲醇燃料電池反應(yīng)溫度低，不超過80℃。

（4） 甲醇可被生物分解，電化學(xué)反應(yīng)不產(chǎn)生Nox、SOx等有害物質(zhì)，對環(huán)境友好。

（5） 甲醇價格便宜，采購方便。

因此，與氫燃料電池相比，直接甲醇燃料電池具有的優(yōu)勢如表1所示。

探討完翻轉(zhuǎn)課堂的狹義和廣義的定義之后，我們就可以把翻轉(zhuǎn)課堂定義為由以下兩部分組成的教育技術(shù)：課內(nèi)的互動式小組學(xué)習(xí)活動和課后的以計算機(jī)為基礎(chǔ)的個人輔導(dǎo)。形象的定義表述見圖1。我們對這一定義進(jìn)行了嚴(yán)格限制，排除了那些在課外活動中沒有使用視頻的研究設(shè)計。盡管翻轉(zhuǎn)課堂的廣義定義可能對我們有幫助，但如果定義過廣，也就意味著單純的課外布置閱讀任務(wù)和課內(nèi)討論就構(gòu)成了所謂的翻轉(zhuǎn)課堂，這種誤解也是我們所要避免的。

此外，與重組型甲醇燃料電池相比，直接甲醇燃料電池不需要甲醇-氫氣重組裝置。這樣不僅可以提高甲醇的理論使用效率，還可以節(jié)省建設(shè)投資（甲醇-氫氣重組裝置占重組型甲醇燃料電池成本的45%）。因此直接甲醇燃料電池具備在通信基站應(yīng)用的技術(shù)條件。

表1　直接甲醇燃料電池與氫燃料電池對比

4.2直接甲醇燃料電池在中國移動通信基站的應(yīng)用前景

隨著移動信號覆蓋要求越來越高，通信基站的密度將進(jìn)一步增加、覆蓋區(qū)域?qū)U(kuò)大，通信基站建設(shè)向著無機(jī)房、節(jié)能、多樣的方向發(fā)展，特點(diǎn)如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)更加密集，基站選址更加困難，需要增加更多的小型戶外機(jī)柜站點(diǎn)。

（2）中國移動通信基站將覆蓋到更加偏遠(yuǎn)的地區(qū)，供電條件惡劣，需要配置多樣靈活的電源系統(tǒng)。

（3）隨著中國移動基站數(shù)量不斷增加，基站能耗總量越來越大，國家對于通信基站節(jié)能減排考核也將越來越重視，LTE通信設(shè)備普遍采用BBU+RRU的分布式設(shè)計，設(shè)備功率相比以前有了大幅度降低。對主要通信設(shè)備制造商的LTE通信設(shè)備功率調(diào)研數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　LTE通信設(shè)備功率

調(diào)研顯示主流LTE BBU設(shè)備和RRU設(shè)備的功率均為300 W左右，典型場景（1個BBU+3個RRU）的設(shè)備功率約為1 200 W。現(xiàn)階段直接甲醇燃料電池的容量較小，單系統(tǒng)設(shè)備容量通常不超過1 500 W，但這與典型場景的通信設(shè)備功率是相符，即直接甲醇燃料電池容量可以滿足通信設(shè)備功率需求。而且，對于無法或暫時無法引接市電和噪音敏感的通信基站，采用直接甲醇燃料電池作為臨時或主用電源，無論在可靠性還是經(jīng)濟(jì)性方面都應(yīng)是一個可行的解決方案。因此，直接甲醇燃料電池符合通信基站多樣化的發(fā)展方向。

4.3直接甲醇燃料電池在超級基站的應(yīng)用前景

中國移動超級基站是為了應(yīng)對極端自然災(zāi)害配置的一種能夠在極端環(huán)境下提供應(yīng)急通信的一種特殊通信基站，目前超級基站一般要求采用“蓄電池+小型固定式柴油發(fā)電機(jī)組”聯(lián)合供電方式達(dá)到110 h后備時間。

超級基站的通信設(shè)備在災(zāi)時會通過遠(yuǎn)程關(guān)閉多余載頻，只保留S1/1/1的最低配置需求（功率不超過1 000 W），因此其災(zāi)時功率符合直接甲醇燃料電池的容量特性。目前中國移動的超級基站后備電源系統(tǒng)普遍采用1臺開關(guān)電源、2組1 000 Ah/48 V閥控鉛酸蓄電池組和1臺小型固定式柴油發(fā)電機(jī)組的配置方式。如使用配置大容量燃料罐的直接甲醇

燃料電池作為備用電源，理論上可替代大容量閥控鉛酸蓄電池組和小型柴油發(fā)電機(jī)組的組合。而且甲醇燃料相比燃油在使用和儲存上更安全，因此直接甲醇燃料電池在超級基站具有進(jìn)一步研究的價值。

4.4直接甲醇燃料電池在通信基站應(yīng)用的問題

直接甲醇燃料電池的容量和特性滿足通信基站的發(fā)展方向，但由于其尚處于發(fā)展的初級階段，離應(yīng)用仍存在以下幾個問題。

4.4.1 效率

甲醇燃料的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)92.5%，但目前效率通常不超過40%。這是因?yàn)榧状贾苯友趸蒀O2是一個6e的轉(zhuǎn)移過程，但實(shí)際發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)要比理論復(fù)雜得多，中間過程會涉及一系列化學(xué)副反應(yīng)，產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物和吸附產(chǎn)物。比如現(xiàn)階段普遍采用在催化劑中添加鉑來降低甲醇氧化的活性，但同時鉑對反應(yīng)中間產(chǎn)物CO具有吸附能力，催化劑表面吸附CO會降低甲醇的吸附和氧化，從而導(dǎo)致功率密度降低。同時，甲醇在反應(yīng)過程中從陽極經(jīng)質(zhì)子交換膜滲透至陰極，也會導(dǎo)致陰極性能衰退。所以整個催化氧化過程無法全部轉(zhuǎn)移出6個電子，便得電池實(shí)際效率大大減少。因此，直接甲醇燃料電池在通信基站實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的重點(diǎn)是研制出性能優(yōu)良的催化劑和質(zhì)子交換膜，提高能量轉(zhuǎn)化率，降低性能衰減率。

4.4.2 成本

現(xiàn)階段直接甲醇燃料電池催化劑普遍使用價格昂貴的含鉑催化劑，價格是阻礙其應(yīng)用的最大障礙。因此要使直接甲醇燃料電池實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，就需要減少催化劑中貴金屬的使用量或找到性能優(yōu)良、價格便宜的替代品，降低電池成本。

4.4.3 壽命

直接甲醇燃料電池的預(yù)期工作壽命主要取決于其核心部件，即質(zhì)子交換膜的持續(xù)工作壽命。實(shí)驗(yàn)用直接甲醇燃料電池的持續(xù)發(fā)電時間已經(jīng)達(dá)到5 000 h，但是實(shí)際使用中受催化劑失效和甲醇滲透的影響，其使用壽命會嚴(yán)重縮短，因此壽命需以權(quán)威部門檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4.4.4 安全

直接甲醇燃料電池副產(chǎn)物除了水之外，還會產(chǎn)生微量的CO、CO2和甲醇蒸汽等有害物質(zhì)，為了確保人身安全，直接甲醇燃料電池必須保證副產(chǎn)物在通信基站可以安全排放。

5　結(jié)束語

現(xiàn)階段直接甲醇燃料電池在通信基站的研究處于起步階段，要實(shí)現(xiàn)在通信基站和超級基站的試點(diǎn)應(yīng)用就需要解決效率低和成本高的問題。但隨著石墨烯、氮化硼等二維納米新材料的出現(xiàn)，以上問題有望得到解決。目前各行業(yè)對直接甲醇燃料電池的研究也日益重視，通信行業(yè)亦應(yīng)對其發(fā)展保持密切跟蹤。

參考文獻(xiàn)

[1] BTI Inc. 2012 Fuel Cell Technologies Market Report[R]. United States：[s.n.]，2012.

[2] 王新東，謝曉峰，王萌，等. 直接甲醇燃料電池關(guān)鍵材料與技術(shù)[J].化學(xué)進(jìn)展，2011(23).

中國移動與泰心醫(yī)院簽署“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”戰(zhàn)略合作協(xié)議

11月11日，中國移動與泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院（以下簡稱“泰心醫(yī)院”）在天津簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，開啟了電信運(yùn)營商與醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作的全新模式。中國移動李躍總裁、董昕副總裁、泰心醫(yī)院劉曉程院長等出席簽約儀式及“愛護(hù)心”產(chǎn)品發(fā)布儀式，參觀了網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療中心，看望并慰問了中國移動愛“心”行動項(xiàng)目中在泰心醫(yī)院進(jìn)行治療的貧困先心病患兒。

根據(jù)戰(zhàn)略協(xié)議，中國移動將攜手泰心醫(yī)院，以泰心醫(yī)院為醫(yī)學(xué)臨床基地，在天津?yàn)I海新區(qū)聯(lián)合成立“中國移動—泰心醫(yī)院移動醫(yī)療應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺”。通過實(shí)驗(yàn)平臺，根據(jù)臨床需求開發(fā)移動醫(yī)療產(chǎn)品，并對產(chǎn)品進(jìn)行專業(yè)評測和孵化，在院內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)試點(diǎn)和醫(yī)學(xué)驗(yàn)證，進(jìn)而在全國進(jìn)行普及推廣。

此次發(fā)布的“愛護(hù)心”產(chǎn)品由中國移動和泰心醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)，是為患者提供閉環(huán)的心血管病專項(xiàng)貼身醫(yī)療和健康管理的個性化服務(wù)方案，能夠使心血管疾病患者得到持續(xù)、完整的院外“雙心”診療，降低再入院率及醫(yī)療費(fèi)用，提高生活質(zhì)量。

李躍總裁表示，泰心醫(yī)院和中國移動一直保持良好的合作關(guān)系，經(jīng)過四年的合作，愛“心”救助項(xiàng)目取得了一定成績，中國移動還將繼續(xù)努力，努力讓愛“心”行動項(xiàng)目在更大范圍內(nèi)開花結(jié)果。此次戰(zhàn)略合作協(xié)議的簽署，將進(jìn)一步加強(qiáng)雙方的戰(zhàn)略合作關(guān)系，標(biāo)志著雙方將繼續(xù)發(fā)揮各自的資源優(yōu)勢，積極探索醫(yī)療行業(yè)與電信運(yùn)營業(yè)共同發(fā)展的新模式。中國移動將全力發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，進(jìn)一步加大投入，積極與泰心醫(yī)院在各個領(lǐng)域進(jìn)行業(yè)務(wù)合作，共同推進(jìn)、全力支撐各項(xiàng)業(yè)務(wù)的試點(diǎn)和運(yùn)營等工作。

（摘自：中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)站）

谷歌推出TensorFlow機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)

谷歌近日推出了一種新的開源工具，這種工具可使其與大眾分享有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)的知識和經(jīng)驗(yàn)。谷歌多年來一直都致力于機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)室研究工作，并將其在這個領(lǐng)域中取得的一些成就引入了Google Photos等產(chǎn)品。

谷歌新推出的這種機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)名為TensorFlow，可在小到一部智能手機(jī)、大到數(shù)千臺數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的各種設(shè)備上運(yùn)行。這個系統(tǒng)是基于谷歌在2011年開發(fā)的深度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)架構(gòu)DistBelief而構(gòu)建起來的，但將這種第一代架構(gòu)向前推進(jìn)了幾步。

“與原來的系統(tǒng)相比，TensorFlow更快，更智能化，也更加靈活，因此可以更加輕松地適應(yīng)新產(chǎn)品和研究工作?！惫雀鐲EO桑達(dá)爾?皮查伊（Sundar Pichai）發(fā)表博文稱。

谷歌高級研究員杰夫?迪恩（Jeff Dean）和技術(shù)主管拉雅?蒙加（Rajat Monga）稱，DistBelief關(guān)注的重心是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而且與谷歌內(nèi)部的基礎(chǔ)架構(gòu)聯(lián)系緊密，這意味著該系統(tǒng)“幾乎不可能與外部共享研究代碼”。另外，按某些標(biāo)準(zhǔn)計算，TensorFlow的運(yùn)行速度相當(dāng)于DistBelief的一倍。

谷歌推出這種新工具旨在令研究人員、工程師和愛好者能以更快的速度交換想法。而與此同時，谷歌自己也將可在研究人員使用TensorFlow取得新的成就時從中受益。

（摘自：新浪科技）

新一代國產(chǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)問世 可實(shí)現(xiàn)百萬數(shù)量級終端在線

11月5日，“2015中國衛(wèi)星通信產(chǎn)品高峰論壇”在京舉行，中國航天科技集團(tuán)所屬航天恒星科技有限公司發(fā)布了新一代國產(chǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)anovo2.0。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)百萬數(shù)量級終端在線，不僅標(biāo)志著我國衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用達(dá)到世界先進(jìn)水平，同時提供與國家保密部門的接口方案，也進(jìn)一步夯實(shí)了我國信息安全、航天安全的基礎(chǔ)。

我國自1970年發(fā)射“東方紅一號”后，衛(wèi)星通信應(yīng)用長期受到關(guān)鍵技術(shù)的制約。20世紀(jì)80年代以來，雖然各行業(yè)普遍開始使用國際流行的vsat（小型地球衛(wèi)星站）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，但一直依靠進(jìn)口vsat設(shè)備進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)建設(shè)。2011年，中國航天科技集團(tuán)旗下航天恒星科技有限公司發(fā)布的自主衛(wèi)星通信系統(tǒng)anovo1.0填補(bǔ)了國內(nèi)空白。隨后，該系統(tǒng)在關(guān)系國家安全和商業(yè)安全的多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，并為“雪龍?zhí)枴钡瘸晒μ峁┝送ㄐ疟Ｕ稀?/p>

航天恒星科技有限公司原為航天五院503所，是中國航天科技集團(tuán)公司衛(wèi)星應(yīng)用的總體單位，同時從事基于中國天基資源的綜合信息化整體解決方案、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品研制和運(yùn)營服務(wù)。隨著“走出去”戰(zhàn)略和“一帶一路”的進(jìn)一步實(shí)施，中國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)自身將面臨參與國際競爭的重要機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

（摘自：中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)）

[3] 王瑞敏，張穎穎.直接甲醇燃料電池技術(shù)發(fā)展近況及應(yīng)用[J].上海汽車，2010(11).

Application prospect of direct methanol fuel cell in communicative base station

MENG Yan-wei
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractIn this paper, through the analysis of the characteristics of the direct methanol fuel cell itself, its usage prospect in communicative base station would be discussed herein.

Keywordsdirect methanol fuel cell； DMFC； communicative base station； super base station

收稿日期：2015-08-11

中圖分類號TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2015）11-0088-04