面向NTT DOCOMO无线基站的燃料电池应用

Original AIpatent AIpatent 前沿研发信息介绍平台 2022-06-12

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本文2954字，阅读约需7分钟

摘要：NTT DOCOMO（日本最大的移动通信运营商）需要在其通信设施上节约能源并减少CO₂排放，这些设施占据了电力消耗的很大一部分。NTT DOCOMO正在改进“下一代5G无线基站（5G-BTS）”，以进一步节省BTS的能耗。这些下一代绿色基站包括太阳能电池板、风力发电设施、锂离子电池以及旨在降低现有通信设施电力消耗的燃料电池，这些设施目前使用商业电力运行。此外，还安装了用来储存发电后的多余电量的燃料电池和锂离子电池，以应对在高峰时段或由于台风、大雨和地震而遭受的电力中断。其中，燃料电池使用甲醇溶液作为燃料，能检测电源故障并自动输出48V直流电。本文中对两种燃料电池进行了测试，检查了断电情况下它们的运行稳定性。

关键字：无线基站，电力中断，燃料电池，锂离子电池，直流电源，PEFC、DMFC

作者：AIpatent认证专家库成员

（欲知详情可联络support@aipatent.com）

1前言

近年来人们对于移动网络应对灾害、环境和电力方面的问题，尤其是部署在日本全境的众多无线基站耗电量增加和进一步提高灾害时备用电力供应能力等问题的能力提出了更高的要求。为了应对这些问题，现在正在讨论在无线基站引入大容量锂离子电池和燃料电池，以及电力可视化和能源管理技术等^1-2^）。本文介绍了为在2020年代普及5G移动网络而探讨的环境友好型且抗灾能力强的“绿色基站”，还讨论了其技术的主要装置——燃料电池的应用。

2无线基站的电源系统结构

为连接光纤等固定通信线路和手机等用户终端，日本全境部署了约20万个无线基站。图1是无线基站的网络结构示意图。无线基站在当地接收电力公司的电力，然后将电力用于基站内无线通信设备的运行和蓄电池的充电。

其中蓄电池被作为停电时的备用电源，目前装配的是铅蓄电池，但其与锂离子电池相比，能量密度低，电池寿命短。

另一方面，就无线通信用电而言，日本部署的众多无线基站在整体耗电方面也存在问题。图2示出了无线通信用电的年消耗量比率。在全日本的移动网络必要消耗的约30亿千瓦时的电力中,约20多万座无线基站使用的电力在2017年占到了全体的76%，消耗电量达到约23亿千瓦时^3）。

为解决备用电池和庞大的电力消耗的课题，目前正在开发抗灾能力强、对环境友好的绿色基站。

图3是传统的无线基站和绿色基站电力系统的电源结构。其中,（a）是传统的无线基站，（b）是绿色基站。

在传统的无线基站（a）中，通过整流器将AC（交流）200V的商用电转换成DC（交流）48V的电力输送给无线通信设备。另外，备用铅蓄电池与DC48V的总线并联，只有在停电时才放电。

而在绿色基站（b）中，上述整流器被替换成了输出电压可变的整流器，通过升压或降压自由地控制锂离子电池进行充电或放电。而且为了协同控制锂离子电池，在DC48V的总线后接上了太阳能电池板。图4中比较了无线基站使用DC48V总线和直流高压输电DC380V总线的情况下产生的电力损失。由于无线基站的DC48V总线最大接线长度为10~15m，因此从电力转换效率的角度来看，DC48V的电压在无线基站中较为合适^4）。

图5是绿色基站应对灾害时的一个示例。基站内安装的太阳能电池板和锂离子电池协同工作，使备用时间延长到了传统基站的两倍左右；并且即使蓄电池电量耗尽，也能在晴天等天气状况下重启运转。图6是截止2019年9月底全日本绿色基站的部署情况。日本各个地区共建设了约200座搭载太阳能电池板和锂离子电池的基站，今后还将继续建设。

3 基站用燃料电池（PEFC、DMFC）

NTT DOCOMO从2000年左右开始推进燃料电池的研究，开发了针对移动手机和智能手机充电用DMFC（direct methanol fuel cell）型燃料电池的充电器^5）。目前正在考虑将PEFC型和DMFC型两种燃料电池作为抗灾环保型绿色基站的发电机，并对其商业化以及设备引入展开讨论。

3.1 PEFC型燃料电池

第一种是PEFC（Polymer Electrolyte Fuel Cell）型燃料电池。图7的照片是位于北海道的无线基站用燃料电池装置的试验基地，图8展示了其系统的结构。该燃料电池具备将浓度为60%以下的甲醇水溶液转化为氢气的重整器^6-7）。

该燃料电池的基本原理是燃料甲醇通过内部的重整装置生成氢气，在燃料电池部进行发电。该燃料电池作为备用装置，如图8的系统结构所示，通常是从外部接收DC48V的电力以维持热待机状态。假设由于外部电源中断等情况导致外部DC48V电力的输入电压达到某一数值以下（例如DC41V以下）时，燃料电池的内部开始发电，输出DC48V的电力（额定功率为DC4.8kW）。而且，燃料电池在热待机状态下启动只需要几分钟。

本试验中对燃料电池在停电时的启动和供电恢复时的停止进行了测试，图9示出了其试验数据。停电后，燃料电池的发电功率迅速上升，几分钟就达到1.5kW左右的额定功率。另外，DC总线的电压也在燃料电池启动后保持在DC51V附近。但是也观测到DC总线的电压有轻微波动。笔者认为这是受到燃料电池的燃料供给和气温等外部因素的影响。然而，通信用DC总线容许的电压在DC51V~55V的区间，可以承受一定的电压波动，因此这种电波动动产生的影响可以忽略不计，无线设备可以稳定地工作。

该PEFC型燃料电池正在DOCOMO基础设施内开展商业化。为应对台风和停电，日本有超过100座无线基站装配了该燃料电池。从近来的灾害应对可以看到它们对于备用电源供应的贡献^8）。

3.2 DMFC型燃料电池

日本藤仓公司制造的DMFC型燃料电池是一种使甲烷水溶液和空气中的氧气在反应膜表面直接发生化学反应的高效发电装置^9）。

图10是DMFC型燃料电池及高知试验基地的照片。甲醇水溶液燃料放置在照片左侧的塑料桶中并对外供给。作为燃料电池在基站应用的示例，此次将其安置在太阳能电池板下。

图11示出了DMFC型燃料电池的启停试验的数据，包括燃料电池自身的发电功率（W），以及减去驱动燃料电池的功率后所得到的系统输出功率（W）。试验获得了良好的启停特性的数据，系统输出功率为1000W左右。另外，从数据中也可以看出，该系统在过了某个时间段后需要短时间停止，然后再次恢复运转。

前面提到的PEFC型燃料电池是大型固定式的，而这种DMFC型燃料电池的尺寸不到PEFC型燃料电池的二十分之一，便于搬运，因此可以安置在位于狭小场所和建筑中的小型基站，也可以在灾害发生时紧急搬运到受灾地区。

此外，PEFC型燃料电池应用于基站时的运用时间也从原来的3天变为4天，由于能够比之前更长时间地运行，所以能应对近年来灾害时的停电状况。而且，DOCOMO正在开发的搭载太阳能电池板的绿色基站通过与该燃料电池配合运行，可运行1周以上。

4针对燃料电池的环保对策

近年来，为了保护地球环境，人们不断致力于从生物质中制取甲醇和氢气。这些燃料主要被用于发动机燃烧。如果能将该甲醇作为燃料来利用，将有助于减轻环境负荷。但是目前关于DMFC中应用上述生物燃料的研究，在纯度和提炼方法等课题上未能取得进展。

本研究中，笔者与东京都立大学的金村研究室合作，利用气化炉生成生物质甲醇，并用活性炭进行精制处理,然后对假定用于无线通信设备的燃料电池进行发电测试，评价其输出特性和劣化特性等基础性能^10）。

图12表示对使用市售甲醇和生物质甲醇的DMFC进行发电试验的结果。在该实验中，笔者往生物质甲醇中加水以将其浓度调整为2mol/dm³，用于发电试验。另外，为了进行比较，对市售的纯甲醇进行了同样的操作。从图12可以看出，随着发电过程的持续，生物质甲醇的输出功率下降。笔者认为这是由于生物质甲醇中存在杂质。这也成为今后研究的课题。

5总结

此次对用于无线基站的两种基站用燃料电池的状况和各种评价进行了概括说明。今后计划在5G无线基站中推进锂离子电池和太阳能电池板等的联合运行，进一步讨论SOFC（Solid Oxide Fuel Cell）型燃料电池的应用，以推进氢气等可再生能源的利用。

参考文献：

（1）竹野和彦、关祯德：《关于绿色基站直流供电系统的基本运转特性》，2012年电子信息通信学会交流大会演讲论文集，BS-3-3, Sep. （2012）

（2）竹野和彦、小宫一公、古谷崇、中村祐喜：《假定灾害、环境政策限制及电力自由化下绿色基站的现场试验》，2014年电子信息通信学会交流大会演讲论文集，B-9-10, Sep. （2012）

（3）NTT DOCOMO集团：《2015可持续性报告》、DOCOMO网络期刊、p.96 （2015）

（4）竹野和彦、中村祐喜、小宫一公、木村和明：《关于分布式绿色基站群直流供电方式的考察》、电子信息通信学会全国大会、B-9-10, Mar. （2016）

（5）竹野和彦：《NTT DOCOMO的微燃料电池开发》、燃料电池开发信息中心燃料电池、5（2）. 21-25 （2005）

（6）竹野和彦：《绿色基站用电源系统的燃料电池与蓄电池联合运行》、电子信息通信学会全国大会、B-9-7 （2013）

（7）竹野和彦：《DOCOMO的绿色基站和燃料电池的引入评价》、燃料电池开发信息中心燃料电池春季刊、13-4 （2014）

（8）《NTT DOCOMO的灾害对策（NTT DOCOMO燃料电池的应用案例）》、2016年 7 月https://www.nttdocomo. co.jp/kansai/saigai_taisaku/nankai_earthquake/

（9）NTT DOCOMO报道发表资料（藤仓和DOCOMO推动小型且可长时间发电的新型燃料电池的实用化）、2017年12月20日