摘要：燃料蓄电池与传统电池一样，是一种将活性物质的化学能转化为电能的装置，属于电化学动力源。但与一般蓄电池不同的是燃料电池的电极本身不具备也不储存活性物质，而只是一个催化转换元件。

    柴油发电机组与UPS 组成的交流供电系统，因为其良好的可靠性、安全性等得到了广泛应用。当市电中断时，UPS通过蓄电池不间断地向负载供电。同时自动转换开关（ATS）将UPS的输入由市电切换到柴油发电机供电，以防止电池耗尽而引起系统供电的中断。

    当市电中断时，柴油发电机需要一定时间才能启动；UPS可以做到零切换不间断供电，但供电时间一般只有半个小时。如果延长后备时间，特别是20kVA以上的大功率供电系统，蓄电池的成本将大于主机的成本。而且在安装时还要考虑到楼板负重、房间通风散热等问题。因此，长时间延时必须采用柴油发电机组作为备用，与UPS配合供电，但柴油发电机存在着严重的缺点：效率低、噪音大、对环境污染严重。而采用燃料电池作为备用，则这些缺点将不再存在。

    一 燃料电池工作原理

    燃料蓄电池与传统电池一样，是一种将活性物质的化学能转化为电能的装置，属于电化学动力源。但与一般蓄电池不同的是燃料电池的电极本身不具备也不储存活性物质，而只是一个催化转换元件。一般电池除了具有电催化元件外，本身也是活性物质的储存容器，因此，当储存于电池内的活性物质使用完毕时，必须重新补充活性物质后才能继续使用。而燃料电池则是名副其实的能量转换装置，燃料和氧化剂等活性物质都是从外部供给的，只要这些活性物质不断地加入，燃料电池就能够连续发电，从工作方式来看它与柴油发电机相似。 

    氢氧燃料电池的基本结构包括中间的一层电解质，两边分别贴附着多孔阴极和多孔阳极，阳极持续补充氢气，而阴极持续补充氧气，化学反应在电极上发生。阳极反应后产生的质子通过电解质抵达阴极，电子则从阳极经过外接负载达到阴极而完成电流回路，反应产物水及反应的氢气和氧气则经由电机出口排除。 

    二 燃料电池的特点

    燃料电池具有以下几个特点：
    （1） 效率高
    燃料电池按着电化学原理直接将燃料的化学能转换为电能，理论上它的整体热电合并效率可达90%以上。然而由于各种极化的限制，热电合并效率可达80%，实际的电能转换效率约在40%~60%之间。与其他任何形式的发电技术相比，平均单位质量燃料所能产生的电能都高（核能发电除外）。
    （2） 噪音低
    燃料电池结构简单，并且没有告诉运转机械，可以安静地将燃料的化学能转化为电能，实验证明，距离40kW磷酸燃料电池4.6m的噪音值为60dB。
    （3） 污染低
    当燃料电池以化石燃料来提炼富氢燃料作为燃料电池的燃料时，制取过程中二氧化碳的排放量比热机过程少40%以上，可以有效地减缓地球温室效应。其次，由于燃料电池所使用的的燃料气体在反应前必须脱硫，而燃料电池发电不经过燃烧，所以几乎不排放硫化物气体和氮化物气体，减轻了对大气的污染。当以纯氢为燃料时它的产物只有纯水。
    （4） 原料广
    对于燃料电池而言，只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如天然气、石油、煤炭等气化产物，或是沼气、酒精、甲醇等，因此燃料电池非常符合能源多样化，可以减缓主流能源耗竭。 
    （5） 应用广泛
    发电量由单节电池的功率和数目决定，不论发电规模大小均能保持高发电效率。目前发展中燃料电池所能提供的电力范围在1W~1000MW之间，包括可携带式电力、车辆电力、现场型汽电共生电厂、分散型电厂以及集中型电厂等。

    除此之外，与传统电池比较，燃料电池还具有能量密度高、无需充电、使用时间长的特点。

    三 燃料电池的种类

    燃料蓄电池的种类很多，而且分类方式也各不相同，常用的分类方法是依照电解质性质不同来分类。分为：碱性燃料电池（Alkaline fuel cell—AFC）、磷酸燃料电池(Phosphoric acid fuel cell--PAFC)、质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell--PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten carbonate fuel cell--MCFC)、固态氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell--SOFC)等五种不同电解质的燃料电池。

    如果依照其操作温度范围不同，一般将碱性燃料电池、磷酸燃料电池归为低温燃料电池；质子交换膜燃料电池则为中温燃料电池；熔融碳酸盐燃料电池和固态氧化物燃料电池则属于高温型燃料电池。基本上，燃料电池的温度影响了燃料电池电化学反应所使用触媒的种类，也影响所使用燃料的种类，不同种类的燃料电池对燃料处理成都的要求也不尽相同。
如果按照开发时间顺序，一般将磷酸燃料电池称为第一代燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池称为第二代燃料电池，固态氧化物燃料电池称为第三代蓄电池。
   
    四 燃料电池在UPS供电系统中的应用

    柴油发电机组与UPS配套使用与燃料电池与UPS的配套使用是不相同的，前者是延长市电的供电时间，后者是延长UPS中蓄电池的供电时间。由于柴油发电机组与UPS的配套是在UPS的输入侧，通过自动转换开关ATS与市电向UPS供电，因此这种配套使用方式容易出现如下的问题：由于UPS的输入端对于交流电源而言是一个非线性负载，且发电机只能提供有限的电流，因此两者配套就容易出现电压振荡、电流振荡、发电机频率振荡和UPS不能正常工作等问题，电压振荡是由反馈的波动电压造成发电机的输出电压波动形成的振荡，振荡范围高达额定电压的±10％±20％；电流振荡是指在UPS负载稳定的情况下发电机输出电流在±20％ ～±50％范围内的摆动，且这种摆动无法调整；发电机的频率振荡在一般情况下比较小，只有±5％，但影响较大，它将导致UPS处于频繁切换的状态。

    柴油发电机由于负载有规律地忽大忽小，造成其工作电压忽高忽低，引起机组噪声有规律地忽大忽小，使机组振动加剧，加速了机械磨损甚至损坏机件；此外发电机频率的漂移，对UPS的正常运行将产生两方面的影响。
  
    (1)UPS不能旁路。当旁路电源由发电机提供时，频率会发生快速变化，当变化超出预先设定的极限值时，逆变器频率的变化无法跟上旁路电源的频率变化。这时静态旁路开关将禁止切换到旁路(在这种情况下切换，有可能造成逆变器过流、短路)。此时，UPS只能发出告警，提醒用户避免超载造成短路。 
    (2)蓄电池寿命降低。由于频率漂移，使UPS经常切换到蓄电池供电，蓄电池频繁地放电，将大大缩短蓄电池寿命，严重时会使蓄电池全部放完电，使UPS的输出中断。

    对于柴油发电机组来说，解决上述问题有两个办法，即正确选择发电机励磁工作方式和正确选择机组的功率，但根除是不可能的。而用燃料电池与UPS配套使用，以延长蓄电池容量来延长UPS的后备时间则不会出现上述问题。一是发电机组频率振荡不存在了，二是由于DC／DC变(稳)压器的存在，使UPS 直流侧电压稳定了，UPS输出电压的波动也减小了。因而由此而引起的电压振荡也就不存在了。这样，不仅仅避免了上述问题的存在，同时也使UPS 的输出电能质量大大提高。

    结 语

    用燃料电池(特别是低温燃料电池PEMFC)取代柴油发电机组与UPS 匹配有很多优点：例如效率高，对环境污染小，噪音低，能量密度大等。此外，由于柴油发电机组与UPS 匹配使用时出现的电压振荡、电流振荡、机组频率振荡和使UPS 不能正常工作的缺点，也基本上不再发生，所以是一种很有前途的应用方式。目前使用燃料电池的唯一缺点是售价较高，估计在不久的将来其性能价格比将与柴油发电机组相当。