ПЕРЕЗАРЯЖАЕМАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫМ ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДАННОЙ СИСТЕМЫ (ВАРИАНТЫ)
RECHARGEABLE POWER SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING RECHARGEABLE FUEL ELEMENT OF SAID SYSTEM (VERSIONS)

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к перезаряжаемой энергетической системе и способам управления перезаряжаемыми топливными элементами данной системы, которые особенно подходят для подземного применения в нефтяных и газовых скважинах и для подводного использования в связи с морскими скважинами. Более конкретно, настоящее изобретение может быть использовано при каротаже во время бурения.
Предшествующий уровень техники
Некоторые типы оборудования используются в подземных или морских нефтяных и газовых скважинах. Оборудование этих типов может электрически управляться или приводиться в действие. Примеры такого оборудования включают тросовые инструменты определенного вида и дистанционное скважинное телеметрическое оборудование. Требующаяся электрическая энергия может быть обеспечена путем подсоединения оборудования к источнику энергии на поверхности с помощью электрических кабелей или путем расположения источника энергии рядом с оборудованием. Часто является непрактичным использовать электрические кабели, идущие от поверхности к подземному или подводному местоположению электрически питаемого оборудования из-за большого расстояния или из-за того, что кабели могут мешать движению оборудования в скважине и могут быть повреждены во время скважинных работ. В частности, во время каротажа при бурении, где происходит вращение буровой колонны, кабель обычно не может быть подведен для телеметрии или питания.
-1
Применения при каротаже во время бурения или измерениях во время бурения часто требуют энергии. Обычно энергия обеспечивается турбиной, через которую циркулирует буровой раствор. Выходная мощность примерно в 200 Вт является обычной для турбины. Однако, когда буровой раствор не циркулирует, может потребоваться вспомогательный источник энергии. Вспомогательный источник может быть обеспечен, например, с помощью высокотемпературной батареи на основе тионилхлорида лития. В малых конфигурациях эти батареи могут достигать плотности энергии 500 Вт/ч/л. В то время как эти батареи имеют номинальное температурное ограничение в 150°С, показатели выше 200°С могут быть достигнуты с помощью специальной конструкции. Тем не менее, использование этих батарей представляет целый набор препятствий. Например, эти батареи являются дорогими, и из-за по своей природе химически активного тионилхлорида на транспортировку и расположение накладываются ограничения. Затраты часто увеличиваются из-за того, что подземные рабочие процедуры могут требовать замены этих батарей даже после частичного использования, потому что каждое действие при каротаже может требовать нового блока питания. В дополнение, увеличение мощности и плотности генерации энергии батареи обычно требует пропорционального увеличения размера батареи, что может представлять трудности, вызываемые пространственными ограничениями, существующими в стволе скважины. Эти батареи не являются перезаряжаемыми, следовательно, требуются батареи с достаточной энергоемкостью, хватающей на все время каротажной работы.
f
f
Топливные элементы могут быть использованы в качестве локального источника энергии для подземных и подводных электрических устройств. Топливные элементы используют электрохимическую реакцию между топливом и окислителем в элементе, который содержит анод, катод, катализатор, газораспределительные слои и электролит, для генерации электричества без генерации нежелательных побочных продуктов, связанных с горением, одновременно обеспечивая относительно высокую энергетическую эффективность. Топливные элементы потенциально имеют ряд преимуществ над другими средствами генерации или хранения энергии во многих применениях. В топливной ячейке вода синтезируется электрохимически из своих элементарных составляющих, водорода и кислорода. Полезная часть тепла формации для этой реакции, ΔH, является свободной энергией Гиббса, ΔG. В топливной ячейке свободная энергия Гиббса преобразуется в электрическую работу и теплоту.
Ряд препятствий затрудняет использование топливных элементов в подземных или подводных прикладных задачах. Например, при непрерывной работе требуется стабильное снабжение газами-реагентами и удаление получившейся воды, что непросто в нефтепромысловых подземных применениях. Непрерывная работа также ограничена количеством газов, хранящихся в контейнерах, и связанными с этим весовыми ограничениями. Более того, удаление воды требует откачки в скважину под высоким давлением, что само по себе создает трудности. Топливные элементы обычно включают один или несколько насосов для обеспечения циркуляции топлива и/или окислителя по замкнутому контуру через элемент. Если такой насос выходит из строя под землей, то починка или замена могут быть чрезвычайно дорогими, требующими извлечения топливного элемента на поверхность. Более того, работа насосов потребляет некоторое количество энергии, производимой элементом, что, таким образом, уменьшает чистую энергию, доступную для работы внешнего устройства. Этот второй пункт может быть существенной проблемой в подземных или подводных применениях, в которых энергоснабжение необходимо на некоторый период времени и где пространственные ограничения ограничивают возможность простого увеличения размеров резервуаров топлива и окислителя. Дополнительно, продукты реакции, такие как жидкая вода или водяной пар, требуют удаления из батареи топливных элементов для непрерывной работы топливного элемента. Удаление воды в подземных условиях представляет собой сложную задачу из-за окружающего давления, которое выше существующего в обычных топливных элементах, размещенных на поверхности в условиях окружающей среды и работающих на воздухе. Использование насоса для вытеснения воды в подземные условия с более высоким давлением может потребовать большого количества энергии, что делает такую систему непрактичной.
Целью настоящего изобретения является создание компактной и надежной в условиях подземной среды перезаряжаемой энергетической системы, обеспечивающей электрическую энергию, необходимую для работы различного подземного оборудования при отсутствии циркуляции бурового раствора в среде каротажа.
Согласно изобретению создана перезаряжаемая энергетическая система, содержащая бурильную колонну, предназначенную для работы в стволе скважины, содержащую систему топливных элементов, генератор, электрически соединенный с системой топливных элементов, турбину, способную вращаться вследствие давления бурового раствора на одну или несколько лопаток турбины и механически соединенную с генератором таким образом, что генератор создает электрическую энергию при вращении турбины, при этом система топливных элементов содержит контролирующее средство, электрически соединенное с генератором для обеспечения топливных элементов электрической энергией, по меньшей мере, при отсутствии циркуляции бурового раствора в стволе скважины и для перезарядки топливных элементов генератором при циркуляции бурового раствора в стволе скважины.
Система топливных элементов может быть электрически соединена с, по меньшей мере, одним датчиком.
Система топливных элементов может содержать батарею топливных элементов, а контролирующее средство содержит стабилизатор, электрически соединенный с генератором и батареей топливных элементов, и системный контролер, электрически соединенный с генератором, стабилизатором и батареей топливных элементов.
Батарея топливных элементов может содержать первую биполярную пластину, первую зону газораспределения и хранения воды, расположенную вблизи первой биполярной пластины, зону первого дополнительного катализатора с углеродной матрицей, расположенную вблизи первой зоны газораспределения и хранения воды, протонообменную мембрану, расположенную вблизи зоны первого дополнительного катализатора с углеродной матрицей, зону второго дополнительного катализатора с углеродной матрицей, расположенную вблизи протообменной мембраны, вторую зону газораспределения и хранения воды, расположенную вблизи зоны второго дополнительного катализатора с углеродной матрицей, и вторую биполярную пластину, расположенную вблизи второй зоны газораспределения и хранения воды.
Первая зона газораспределения и хранения воды и вторая зона газораспределения и хранения воды могут быть приспособлены для хранения воды, полученной во время реакции топливного элемента.
Первая зона газораспределения и хранения воды и вторая зона газораспределения и хранения воды могут содержать тканую пористую углеродную ткань.
Первая зона газораспределения и хранения воды и вторая зона газораспределения и хранения воды могут содержать гидрофильную углеродную бумагу.
Согласно изобретению создан способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют давление подачи текучей среды, определяют, находится ли величина давления подачи текучей среды ниже порогового значения, останавливают разряд топливного элемента, если давление подачи текучей среды находится ниже порогового значения.
Текучей средой может быть водород, и пороговое значение может быть первым пороговым значением.
Текучей средой может быть кислород, и пороговое значение может быть вторым пороговым давлением.
Можно дополнительно контролировать второе давление подачи текучей среды, при этом определяют, находятся ли величины первого давления подачи текучей среды и второго давления подачи текучей среды в надлежащей пропорции по отношению друг к другу, и выдают предупреждение о ненадлежащей пропорции давлений, если величина первого давления подачи текучей среды и второго давления подачи текучей среды находятся в ненадлежащей пропорции по отношению друг к другу.
Текучей средой может быть водород, и второй текучей средой может быть кислород.
Согласно изобретению создан также способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют давление подачи текучей среды, определяют, находится ли величина давления подачи текучей среды выше порогового значения, останавливают заряд топливного элемента, если величина давления подачи текучей среды находится выше порогового значения.
Текучей средой может быть водород, и пороговое значение может быть третьим пороговым значением.
Текучей средой может быть кислород, и пороговое значение может быть четвертым пороговым значением.
Можно дополнительно контролировать второе давление подачи текучей среды, при этом определяют, находятся ли величины первого давления подачи текучей среды и второго давления подачи текучей среды в надлежащей пропорции по отношению друг к другу, и выдают предупреждение о ненадлежащей пропорции давлений, если величины первого давления подачи текучей среды и второго давления подачи текучей среды находятся в ненадлежащей пропорции по отношению друг к другу.
Первой текучей средой может быть водород, и второй текучей средой может быть кислород.
Согласно изобретению создан способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют напряжение на батарее топливных элементов, определяют, находится ли величина напряжения ниже первого порогового напряжения для заданного тока, останавливают разряд топливного элемента, если величина напряжения находится ниже первого порогового напряжения.
Первое пороговое напряжение может быть первым пороговым напряжением для заданного тока разряда или для заданной мощности разряда.
Согласно изобретению создан способ для управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют напряжение питания на батарее топливных элементов, определяют, находится ли величина напряжения выше второго порогового напряжения для заданного тока заряда, и останавливают заряд топливного элемента, если величина напряжения находится выше второго порогового значения для заданного тока заряда.
Согласно другому варианту выполнения создан способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют ток разряда на батарее топливных элементов, определяют, находится ли величина тока разряда ниже порогового значения тока разряда для фиксированного напряжения, останавливают разряд топливного элемента, если величина тока находится ниже порогового значения тока для фиксированного напряжения.
Согласно еще одному варианту выполнения создан способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют ток на батарее топливных элементов, определяют, находится ли величина тока ниже порогового значения тока для фиксированного напряжения, останавливают заряд топливного элемента, если величина тока находится ниже порогового значения тока для фиксированного напряжения.
Согласно еще одному варианту выполнения создан способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют ток на батарее топливных элементов, контролируют напряжение на батарее топливных элементов, определяют, находится ли величина тока выше порогового значения тока для фиксированной выходной мощности, останавливают разряд топливного элемента, если величина тока находится выше порогового значения тока для фиксированной выходной мощности, определяют, находится ли величина напряжения ниже порогового значения напряжения для фиксированной выходной мощности, и останавливают разряд топливного элемента, если величина напряжения находится ниже порогового значения напряжения для фиксированной выходной мощности.
Согласно еще одному варианту выполнения создан способ управления перезаряжаемым топливным элементом, при котором контролируют ток на батарее топливных элементов, контролируют напряжение на батарее топливных элементов, определяют, находится ли величина тока ниже порогового значения тока для фиксированной мощности заряда, останавливают заряд топливного элемента, если величина тока находится ниже порогового значения тока для фиксированной мощности заряда, определяют, находится ли величина напряжения выше порогового значения напряжения для фиксированной мощности заряда, и останавливают разряд топливного элемента, если величина напряжения находится выше порогового значения напряжения для фиксированной мощности заряда.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 является схематическим видом поперечного сечения скважинной бурильной колонны с системой топливных элементов согласно изобретению;
фиг.2 является схематическим видом системы топливных элементов, изображенной на фиг.1;
фиг.3 является схематическим видом поперечного сечения батареи топливных элементов, изображенной на фиг.2;
фиг.4 является графиком тока и напряжения относительно времени для раскрытой батареи топливных элементов;
фиг.5 является блок-схемой способа определения момента для начала процедуры заряда для системы топливных элементов;
фиг.6 является блок-схемой способа для определения момента для начала процедуры заряда для системы топливных элементов;
фиг.7 является блок-схемой способа для определения момента для остановки заряда для системы топливных элементов;
фиг.8 является блок-схемой еще одного способа для определения момента для остановки заряда для системы топливных элементов;
фиг.9 является блок-схемой способа использования тока в определении момента для начала процедуры заряда для системы топливных элементов;
фиг.10 является блок-схемой способа использования тока в определении момента для остановки процедуры заряда для системы топливных элементов;
фиг.11 является блок-схемой еще одного варианта осуществления способа для определения момента для остановки разряда для раскрытой системы топливных элементов;
фиг.12 является блок-схемой еще одного варианта осуществления способа для определения момента для остановки заряда для раскрытой системы топливных элементов.
Подробное описание чертежей
На фиг.1 изображена новая и улучшенная система 10 топливных элементов в обычной бурильной колонне 14. Несмотря на то что система 10 топливных элементов главным образом описана здесь в связи с применением в подземных скважинах, следует понимать, что система 10 может быть использована в других применениях отличных от скважинных применений. Бурильная колонна 14 содержит долото 18 вращательного бурения, приспособленное для бурения скважины 22 сквозь различные подземные формации. Во время вращения бурильной колонны 14 обычной буровой установкой (не показана), расположенной на поверхности, достаточный объем подходящего бурового раствора непрерывно закачивается вниз через трубчатую бурильную колонну и вытекает из бурильного долота 18, охлаждая коронку и вынося буровой шлам, удаленный коронкой 18, на поверхность по мере возвращения бурового раствора наверх по скважине 22 с внешней стороны бурильной колонны. Электрическая энергия может быть обеспечена во время бурения генератором 26 с вращательным приводом, который соединен с помощью вала 30 с обычной турбиной 34. Во время бурения буровой раствор давит на лопатки турбины 34, которая, в свою очередь, приводит в движение генератор 26, производя тем самым электричество. Система 10 топливных элементов электрически соединена с генератором 26. Система 10 топливных элементов подсоединена к одному или нескольким датчикам 38 состояния или скважинным инструментам 42. Датчики 38 состояния могут быть приспособлены для измерения таких скважинных условий, как давление, температура, сопротивление или проводимость, акустический или ядерный отклик как бурового раствора, так и прилегающих земных формаций, так же как и множество других состояний формации или параметров, которые обычно получаются современными каротажными инструментами. Должно быть принято во внимание, что скважинные инструменты 42 могут включать, но не ограничены ими, приводы, двигатели, насосы, компрессоры и другие системы привода.
Как показано на фиг.2, батарея 44 имеет канал для текучей среды с источником 48 водорода и источником 52 кислорода. Источники 48, 52 водорода и кислорода могут быть резервуарами под давлением с соответствующими текучими средами. Первое устройство 56 измерения давления находится в канале для текучей среды, соединенного с источником 48 водорода, и второе устройство 60 для измерения давления находится в канале для текучей среды, соединенного с источником 52 кислорода. Электрическая нагрузка 64 электрически соединена с батареей 44 топливных элементов. Электрическое соединение на фиг.2 представлено пунктирными линиями. Электрический переключатель 66 расположен между нагрузкой 64 и батареей 44 топливных элементов. Генератор 26 электрически соединен со стабилизатором 72 напряжения. Стабилизатор 72 напряжения электрически соединен с батареей 44 топливных элементов. Электрический переключатель 76 расположен между батареей 44 топливных элементов и стабилизатором 72 напряжения. Системный контроллер 68 электрически соединен с первым и вторым устройствами 56, 60 измерения давления, переключателями 66, 76, стабилизатором 72 напряжения и генератором 26. Устройство 80 измерения напряжения или тока подсоединено к электрической нагрузке 64, батарее 44 топливных элементов и системному контроллеру 68.
x
2
x
x
Источник 48 водорода и источник 52 кислорода могут быть сконфигурированы так, чтобы быть под одинаковым давлением. Специалист в данной области техники поймет, что при одинаковом давлении потребуется объем водорода, приблизительно вдвое больший, чем объем кислорода. Система топливных элементов может содержать протонообменную мембрану. Водород является топливом, а кислород является окислителем. Вода образуется как результат синтеза между водородом и кислородом. В предпочтительном варианте осуществления чистый кислород может быть обеспечен источником 52 кислорода в целях сохранения пространства. В раскрытой системе топливных элементов полученная вода содержится внутри батареи 44 топливных элементов в носителе для хранения воды, который будет описан далее на фиг.3. Катализатором могут быть обычные платиновые заполнители на стороне и водорода и кислорода для разряда топливного элемента (синтеза воды). Однако IrO и/или RuO может быть добавлен со стороны кислорода в качестве катализатора электролиза воды во время этапов заряда. Таким образом, катализатор на стороне кислорода может быть смесью Pt, IrO и/или RuO с двойными функциями.
A.J.Appleby и F.R.Foulkes обсуждают в своей книге «Fuel Cell Handbook», Krieger Pub Co., на стр.394 следующее, включенное в данное описание:
«В дополнение к работе, проведенной с этими материалами в щелочном растворе, некоторые исследования также были проведены относительно их использования в кислотных системах. Например, Национальное Бюро Стандартов США провело ряд потенциодинамических и гальваностатических исследований некоторых наиболее обещающих смешанных оксидов для определения возможности их использования в качестве восстанавливающих кислород электрокатализаторов в топливных элементах на основе фосфорной кислоты. Результаты показали, что рутенат бария и системы Ti-Ta-O, V-Nb-O и Се-Та-O были стабильными в горячей фосфорной кислоте при температуре вплоть до 150°С. Советские исследователи изучили ряд простых и комплексных оксидов кобальта и/или никеля для восстановления кислорода в кислотных средах как влияние адсорбированного кислорода на скорость восстановления и показали, что электроды, содержащие кобальт, обладали наивысшей активностью».
x
x-x
4
x
3-х
4
4
4
4
«Некоторые авторы сообщили способы изготовления шпинелевых и металлоксидных катализаторов и электродов. Японские исследователи описали изготовление порошковых шпинелевых электродов с использованием CuFeO или ZnFeO (x=0,005~0,4) с удельным сопротивлением 0,044 Ω см. Были также сообщены для изготовления кислородных катодов на металлических экранах с прессованной смесью 85~95% оксида металла и 5-15% проводящего порошкового материала, такого как серебро, никель, кобальт или ацетиленовая сажа, плюс связующее вещество. Westihghouse Electric Corporation запатентовала воздушное формование электрода с использованием CUWO, NiWO и/или COWO, в дополнение к другим материалам, в качестве катализаторов восстановления кислорода. Также было исследовано влияние параметров изготовления катализатора на производительность простых и комплексных электрокатализаторов восстановления кислорода, и было рассмотрено изготовление оксидных катализаторов смешанного типа восстановления кислорода для использования в щелочных растворах».
2
4
3
4
«Как в случае оксидов перовскита, шпинели и другие оксидные катализаторы смешанного типа также были использованы в качестве катализаторов выделения кислорода. Те, что были использованы в щелочных растворах для этих целей, включают в себя NiCoO, СоO, оксиды переходных металлов в общем и смешанные оксиды никеля и металлов лантаноидной группы. Те, что были использованы в кислотных растворах (обычно в серной кислоте), включали в себя оксиды переходных металлов, смеси оксидов олова, сурьмы и марганца и смешанные оксиды рутения (особенно Ru-Lr-Ta)».
Фиг.3 показывает детальный вид батареи 44 топливных элементов. На этом виде показана только одна батарея, однако две или более батареи 44 топливных элементов могут быть соединены последовательно для обеспечения большей мощности. Первая биполярная пластина 84 расположена вплотную к первой зоне 88 газораспределения и хранения воды. Вплотную к зоне 88 газораспределения и хранения воды расположена зона 90 первого дополнительного катализатора с углеродной матрицей (углеродная матрица является газораспределительным слоем). Вплотную к зоне 90 первого углеродного катализатора располагается протонообменная мембрана 92. Вплотную к протонообменной мембране 92 располагается зона 94 второго дополнительного катализатора с углеродной матрицей. Вплотную к зоне 94 второго дополнительного катализатора с углеродной матрицей располагается вторая зона 96 газораспределения и хранения воды. Вплотную ко второй зоне 96 газораспределения и хранения воды располагается вторая биполярная пластина 100. Водородная линия 104 в соединении с источником 48 водорода снабжает водородом батарею 44 топливных элементов. Водород подается в зону 90 первого катализатора через водородные каналы 106 в первой биполярной пластине 84. Кислородная линия 108 в соединении с источником 52 кислорода снабжает кислородом батарею 44 топливных элементов. Кислород подается в зону 94 второго катализатора через кислородные каналы 110 в первой биполярной пластине 84. Уплотнения 112 расположены вокруг батареи 44 топливных элементов для предотвращения утечки водорода и/или кислорода из батареи топливных элементов.
При применении системы в процессе каротажа энергия является доступной все время, за исключением того времени, когда циркуляция бурового раствора остановлена, а точнее, когда требуются некоторые стационарные измерения, такие как измерения давления или температуры. Раскрытая система 10 топливных элементов является компактным узлом с двойной функциональностью и приспособлена для работы в качестве топливного элемента, который генерирует электричество во время, когда циркуляция бурового раствора остановлена, и в качестве электролизера в периоды циркуляции бурового раствора. Во время стадии заряда система топливных элементов работает как электролизер и диссоциирует воду обратно на водород и кислород. Таким образом, система 10 топливных элементов требует малого количества водорода и кислорода, достаточных для удовлетворения потребностей в энергии между зарядами. Предполагается, что заряд одновременно компенсирует потребленную энергию, присущие недостатки и саморазряд, которые могут иметь место.
Топливный элемент с протонообменной мембраной является предпочтительным вариантом осуществления системы топливных элементов. Однако система топливных элементов может содержать другие типы топливных элементов, включающие в себя, но не ограниченные ими: твердые оксидные топливные элементы, топливные элементы на фосфорной кислоте и щелочные топливные элементы. Вода образуется в батарее топливных элементов как результат синтеза между водородом и кислородом. В предпочтительном варианте осуществления чистый кислород используется в качестве окислителя для сохранения пространства. Это не является обязательным, и кислород может быть смешан с любым растворителем, если безопасность или окисление становятся проблемой. Использование растворителя в неподвижном топливном элементе ведет к прогрессирующему уменьшению генерируемой энергии по мере потребления кислорода и аккумуляции растворителя в газораспределительном слое. Из-за этого в раскрытом варианте осуществления используется чистый кислород.
Вода, получаемая во время работы топливного элемента, содержится в батарее 44 топливных элементов в первой и второй зонах 88, 96 газораспределения и хранения воды. В одном варианте осуществления зоны 88, 96 содержат смачиваемую пористую углеродную бумагу, или в другом варианте осуществления зоны 88, 96 содержат плотно тканную пористую углеродную ткань. Пористый углерод является хорошим выбором, поскольку он одновременно является проводящим, инертным в рабочих условиях и способен сохранять воду. Источник 48 водорода и источник 52 кислорода должны только обеспечить сравнительно малое количество водорода и кислорода для батареи 44 топливных элементов. Система топливных элементов требует только достаточно водорода и кислорода для работы системы топливных элементов во время остановки циркуляции бурового раствора. Таким образом, хранимая энергия в источнике 48 водорода и источнике 52 кислорода является ограниченной, но энергоемкость является достаточной благодаря способности раскрытой системы топливных элементов перезаряжаться во время циркуляции бурового раствора.
Энергия, требующаяся для заряда, поступает от генератора 26. Батарея 44 топливных элементов выполнена с возможностью электролиза воды, генерируя, таким образом, водород и кислород. Это является возможным благодаря наличию двойных катализаторов, помещенных в зону 90 первого катализатора с углеродной матрицей и в зону 94 второго катализатора с углеродной матрицей, где будет происходить электролиз. Таким образом, батарея 44 топливных элементов выступает в роли как катализатора, так и электролизера. Небольшое количество воды, генерируемое во время цикла топливного элемента батареи 44 топливных элементов, преобразуется обратно в первичные составные части во время стадии электролиза, по существу устраняя необходимость в выкачивании воды из системы. Количество воды является достаточно малым, чтобы оно содержалось в поровом пространстве углеродной бумаги или ткани, расположенной в первой зоне 88 газораспределения и хранения воды, и второй зоне 96 газораспределения и хранения воды. Дополнительное преимущество углеродной бумаги или ткани заключается в том, что она является нечувствительной к ориентации инструмента. Другими словами, капиллярное удерживание в тонкой проводимой гидрофильной бумаге или ткани является значительно большим, чем любое течение, вызванное гравитацией. Удерживание воды в системе и способность к электролизу также устраняет некоторую часть ожидаемой утечки в системе со стороны водорода во вторую биполярную пластину 100 (электрод кислорода). Происходит синтез воды, но когда энергия закончится, водород и кислород будут позднее регенерированы. Однако, если происходит утечка водорода из камеры топливного элемента, то возникает потеря энергоемкости. Надлежащая изолирующая система, содержащая уплотнения 112, является важной для предотвращения подобной утечки.
При синтезе воды в батарее 44 топливных элементов камеры и источника 48 водорода, и источника 52 кислорода будут опустошены. Результирующее уменьшение давления может контролироваться системным контроллером 68 через первое устройство 56 измерения давления и через устройство 60 измерения давления. При некоторой величине потери давления системный контроллер 68 может начать процедуру заряда топливной ячейки. Процедура заряда может быть также начата в соответствии с параметрами напряжения и тока относительно времени топливного элемента 10, как показано на Фиг.4. При фиксированном токе разряда резкое падение напряжения сигнализирует о необходимости заряда.
Вода, получаемая в реакции топливного элемента, аккумулируется, в основном, в гидрофильной углеродной бумаге или углеродной ткани, размещенной между второй зоной 96 газораспределения и хранения воды, вплотную к катоду (вторая биполярная пластина 100), где кислород встречает протоны, диффундировавшие через протонообменную мембрану, и электроны, поступающие из внешнего источника. Реакция на аноде (первой биполярной пластине 84) выглядит следующим образом:
Реакция на катоде выглядит следующим образом:
Далее, направление реакции определяется наличием (обратная реакция) или отсутствием (синтез воды) необходимого приложенного напряжения. Когда происходит прямая реакция (идущая в правую сторону), топливным элементом вырабатывается напряжение, величина которого зависит от потребляемого тока. Напряжение при нулевом токе также называется напряжением разомкнутой цепи и зависит от конкретных условий рабочей среды, таких как летучесть реагентов и температура. Множество этих условий зафиксированы конструкцией системы газоснабжения, которая содержит топливный элемент 10. Полученная вода содержится в батарее 44 топливных элементов, так что она является доступной при обратном процессе электролиза. Для обратной реакции (идущей в левую сторону) вода электролизируется обратно на водород и кислород, когда напряжение подается на анод обратной реакции (вторая биполярная пластина 100) и на катод обратной реакции (первая биполярная пластина 84). Следует заметить, что во время прямой реакции, когда система топливных элементов вырабатывает электричество, первая биполярная пластина 84 является анодом и вторая биполярная пластина 100 является катодом, и наоборот, во время обратной реакции, где вода электролизируется обратно на водород и кислород, первая биполярная пластина 84 является теперь катодом, и вторая биполярная пластина 100 является теперь анодом. Из-за различных потерь, когда окончательный ток течет из цепи топливного элемента, генерируемое напряжение будет находиться в пределах между примерно половинным и полным значением напряжения разомкнутой цепи. Наоборот, во время цикла электролиза прикладываемое напряжение будет приблизительно между примерно однократным и примерно двукратным напряжением разомкнутой цепи. Первая зона 88 газораспределения и хранения воды и вторая зона 96 газораспределения и хранения воды должны позволять всасывание воды в протонообменной мембране 92. Во время цикла заряда аккумулированная вода электролизируется на водород и кислород. И кислород, и водород синтезируются под давлением. Давления газов могут непрерывно контролироваться устройствами 56, 60 измерения давления.
В мембране 92 размер пор электролита является достаточно малым по отношению к размеру пор первой зоны 88 газораспределения и хранения воды и второй зоны 96 газораспределения и хранения воды, так что любой электролиз воды из электролита компенсируется свежим поступлением воды из первой зоны 88 газораспределения и хранения воды и второй зоны 96 газораспределения и хранения воды в электролит в мембране 92 путем впитывания. Ожидается, что вода будет преимущественно на стороне кислорода. Хранилище воды на стороне водорода используется только для предотвращения миграции воды.
В вышеописанной системе и топливо (водород), и окислитель (водород) должны храниться в скважине. Если реагенты являются чистыми водородом и кислородом (в противоположность воздуху), то все члены уравнения Нернста являются известными. Таким образом, потенциал разомкнутой цепи задается следующим образом:
0
2
где а является активностями, R является газовой постоянной, Т является температурой, V является потенциалом, V является потенциалом при обычных условиях (1 атм, Т), F является постоянной Фарадея. Как было упомянуто выше, при потреблении тока напряжение питания может уменьшиться близко к воспроизводимой кривой производительности для каждого топливного элемента. Разница между фактическим напряжением и теоретическим значением, как показано уравнением 3, возникает из-за ряда необратимостей: активационных потерь, внутренних токов, омических потерь и массообменных ограничений. При условиях поведения идеального газа напряжение разомкнутой цепи при предлагаемом рабочем давлении в 400 фунт/кв. дюйм или 2,7 МПа при 80°С согласно уравнению 3 составляет 1,255 вольт. При разряде давление кислорода и водорода должны уменьшится, и при атмосферном давлении потенциал упадет до 1,18 вольт (при температуре 80°С; при 25°С он повысится до 1,23 вольт). Рекомендуется, чтобы давление поддерживалось значительно высоким, чтобы вода не кипела. В то время как небольшое уменьшение напряжения может быть использовано для контроля приращения разряда, непосредственное измерение давления является более надежным и достоверным. Необязательной возможностью контроля грозящих сбоев является наблюдение за выполнением разряда. Падение напряжения ниже приемлемого значения при фиксированном потреблении тока сигнализирует о необходимости заряда. Это будет работать как избыточный контроль до выхода топливного элемента из строя. В нашей реализации предпочтительный режим основывается на контроле параметров напряжения в соединении с давлением. Это будет дополнительно обсуждаться ниже. Как только обнаружилась потребность в заряде, токовая цепь разряда размыкается открытием переключателя 66. Токовая цепь заряда включается закрытием переключателя 76, и энергия заряда топливного элемента получается из стабилизатора напряжения для гарантии того, что ток подается в фиксированном количестве (и наоборот, стабилизатор может фиксировать напряжение и контролировать ток). Следует понимать, что даже если сигнал к заряду и не поступил, кто-либо может решить начать заряд, чтобы держать систему полностью заряженной. Для фиксированной подачи тока будет контролироваться напряжение. В предпочтительном варианте осуществления режим фиксированного тока используется из-за возможности управления скоростью производства топлива. Как только напряжение превысило заранее заданный порог, цикл заряда может считаться выполненным. Это может быть независимо подтверждено, когда давление достигает своего изначального значения, с которого мы начинали, обеспечивая отсутствие потерь топлива или воды из батареи. В нашем предпочтительном варианте осуществления мы контролируем напряжение при фиксированном токе заряда. Напряжение, превышающее заранее установленный порог, определяемое выработкой набором элементов и максимальным напряжением на элемент, выше которого мембрана может быть повреждена, приводит к прекращению процесса заряда. Дополнительно контролируется давление, и, несмотря на малую вероятность, если оно превысит заранее установленное значение, основанное на ожидаемом полном заряде, процесс заряда будет остановлен. Недостижение начального давления водорода может означать утечку H в окружающую среду, и соответственно на стороне кислорода может означать как утечку, так и непредусмотренное окисление материалов. В нашей конструкции избыточное количество воды может изначально служить компенсацией некоторых потерь. Поэтому, если кто-либо будет просто контролировать только напряжение заряда, давление в превышение требуемых величин может быть достигнуто. Поэтому предпочтительно контролировать возрастание напряжения и прекращать процесс заряда, когда или напряжение, или давление становятся неприемлемо высокими. Подобно циклу заряда, во время разряда мы контролируем падение и давления и напряжения. Если давление упадет ниже определенной точки, как из-за утечки, так и из-за процесса разряда, то должен быть осуществлен заряд. Если, однако, напряжение упадет ниже порога до того, как произойдет значительное падение давления, мембранная сборка может быть переполнена, не оставив воде шанса распределиться в слоях хранения. Это может ожидаться, если разряд происходит слишком быстро. Для исправления этой проблемы могут понадобиться снижение скорости разряда или заряд. На практике мы предполагаем заряжать систему до того, как производительность разряда ухудшится до точки истощения топлива.
Фиг.5 показывает блок-схему, описывающую один вариант осуществления способа определения момента для остановки разряда топливного элемента. На этапе 150 давление водорода контролируется системным контроллером 68 через первое устройство 56 измерения давления. На этапе 154 давление кислорода контролируется системным контроллером 68 через второе устройство 60 измерения давления. На этапе 155 системный контроллер 68 определяет, изменяются ли давление водорода и давление кислорода в надлежащей пропорции относительно друг друга. Если изменение давления водорода и изменение давления кислорода находятся в ненадлежащей пропорции относительно друг друга, то системный контроллер выдаст на этапе 156 предупреждение о ненадлежащем изменении водород-кислородного давления. В вариантах осуществления, где контролируется давление и водорода и кислорода, предупреждающая диагностика может быть выдана, если падение давлений находится в ненадлежащей пропорции относительно друг друга. На этапе 158 системный контроллер 68 определяет, находится ли давление водорода на или ниже первого порогового значения. Если величина давление водорода равна или ниже первого порогового значения, то системный контроллер 68 останавливает разряд топливного элемента, и топливный элемент переводится в состояние готовности к заряду на этапе 166. На этапе 162 системный контроллер 68 определяет, находится ли величина давления водорода на или ниже второго порогового значения. Если давление кислорода равно или ниже второго порогового значения, то системный контроллер 68 переходит к этапу 166. В одном варианте осуществления первое пороговое значение для давления водорода может находиться между примерно 300 фунт/кв. дюйм и примерно 400 фунт/кв. дюйм. В другом варианте осуществления второе пороговое значение для давления кислорода может быть между примерно 300 фунт/кв. дюйм и примерно 400 фунт/кв. дюйм. В другом варианте осуществления или давление водорода, или давление кислорода могут контролироваться раздельно.
Фиг.6 показывает блок-схему альтернативного варианта осуществления способа определения момента для остановки разряда топливного элемента. Этот вариант осуществления может быть использован как резервный по отношению к способу, описанному на фиг.5, или в соединении со способом на фиг.5, или отдельно. На этапе 174 системный контроллер 68 контролирует напряжение на батарее топливных элементов через устройство 80 измерения напряжения. Системный контроллер 68 определяет, находится ли величина измеренного напряжения на или ниже первого порогового значения напряжения на этапе 178 для заданного тока. Если величина напряжения находится на или ниже первого порогового значения напряжения, то системный контролер останавливает разряд и подготавливает батарею топливных элементов к заряду на этапе 182. В одном варианте осуществления пороговое падение напряжения может быть примерно 0,5 вольт/элемент. Или первый и второй пороги (пороги давления водорода и кислорода соответственно), обсуждавшиеся со ссылкой на фиг.5, или первое пороговое напряжение, обсуждавшееся со ссылкой на фиг.6, могут быть достаточными, чтобы вызвать этапы 166, 182 остановки разряда.
Фиг.7 показывает блок-схему варианта способа определения момента для остановки заряда топливного элемента. На этапе 186 давление водорода контролируется системным контроллером 68 через первое устройство 56 измерения давления. На этапе 190 давление кислорода контролируется системным контроллером 68 через первое устройство 60 измерения давления. В запросе 191 системный контроллер 68 определяет, находятся ли увеличение давления кислорода и увеличение давления водорода в надлежащей пропорции по отношению друг к другу. Если увеличения давлений находятся в ненадлежащей пропорции, то на этапе 192 будет выдано предупреждение об изменении водород-кислородного давления. На этапе 194 системный контроллер 68 определяет, находится ли величина давления водорода на или выше третьего порогового значения. Если величина давления водорода равна или выше третьего порогового значения, то системный контроллер 68 останавливает заряд топливного элемента на этапе 202. На этапе 198 системный контроллер 68 определяет, находится ли давление кислорода на или выше четвертого порогового значения. Если давление кислорода равно или выше четвертого порогового значения, то системный контроллер 68 останавливает заряд топливного элемента на этапе 202. Третий и четвертый пороги давления могут быть порогом повышения давления в примерно 400 фунт/кв. дюйм.
Фиг.8 показывает блок-схему альтернативного способа определения момента для остановки заряда топливного элемента. Этот вариант осуществления может быть использован как резервный по отношению к способу, описанному на фиг.7, или в соединении со способом на фиг.7, или отдельно. На этапе 206 системный контроллер 68 контролирует напряжение на батарее топливных элементов через устройство 80 измерения напряжения. Системный контроллер 68 определяет, находится ли величина измеренного повышения напряжения на или выше второго порогового значения повышения напряжения на этапе 210 для заданного тока. Если величина напряжения находится на или выше второго порогового значения напряжения, то системный контролер останавливает заряд топливного элемента на этапе 214. Второе пороговое значение напряжения может быть повышением напряжения в примерно 1,8 вольт/элемент.
Фиг.9 показывает блок-схему альтернативного варианта осуществления способа определения момента для остановки разряда топливного элемента. Этот вариант осуществления может быть использован в качестве резервного для способа, описанного на фиг.7 и/или фиг.8, или в соединении со способом на фиг.7 и/или фиг.8, или отдельно. На этапе 218 системный контроллер 68 контролирует ток в батарее топливных элементов через устройство 80 измерения тока. Системный контроллер 68 определяет, находится ли измеренный ток на или ниже порогового тока на этапе 222 для фиксированного напряжения. Если величина тока находится на или ниже порогового значения тока, то системный контроллер останавливает разряд топливного элемента, и подготавливает топливный элемент к заряду на этапе 226.
2
2
Фиг.10 показывает блок-схему альтернативного варианта осуществления способа определения момента для остановки процедуры заряда топливного элемента. Этот вариант осуществления может быть использован как резервный по отношению к способу, описанному на фиг.5 и/или фиг.6, или в соединении со способом на фиг.5 и/или фиг.6, или отдельно. На этапе 230 системный контроллер 68 контролирует ток в батарее топливных элементов через устройство 80 измерения тока. Системный контроллер 68 определяет, находится ли величина измеренного тока на или ниже порогового значения тока на этапе 234 для фиксированного напряжения. Если величина тока находится на или ниже порогового значения тока, то системный контроллер останавливает заряд батареи топливных элементов на этапе 238. Например, при фиксированном напряжении в примерно 1,6 вольт/элемент пороговый ток может быть примерно 0,003 А/см. Если ток находится на или ниже примерно 0,003 А/см, то системный контроллер останавливает этап заряда.
Фиг.11 показывает блок-схему альтернативного варианта осуществления способа для определения момента для остановки разряда топливного элемента. На этапе 250 системный контроллер 68 контролирует ток и напряжение батареи топливных элементов через устройство 80 измерения напряжения и/или тока. В запросе 254 системный контроллер 68 определяет, находится ли величина измеренного тока на или выше порогового значения тока для фиксированной выходной мощности. Если величина тока находится на или выше порогового значения тока, то системный контроллер останавливает разряд топливного элемента и подготавливает топливный элемент для заряда на этапе 262. На этапе 258 системный контроллер 68 определяет, находится ли величина измеренного напряжения на или ниже порогового значения напряжения для фиксированной выходной мощности. Если величина напряжения находится на или выше порогового значения напряжения, то системный контроллер останавливает разряд топливного элемента и подготавливает топливный элемент для заряда на этапе 262.
Фиг.12 показывает блок-схему альтернативного варианта осуществления способа определения момента для остановки заряда топливного элемента. На этапе 266 системный контроллер 68 контролирует ток и напряжение батареи топливных элементов через устройство 80 измерения напряжения и/или тока. На этапе 272 системный контроллер 68 определяет, находится ли величина измеренного тока на или ниже порогового значения тока для фиксированной мощности заряда. Если величина тока находится на или ниже порогового значения тока, то системный контроллер останавливает заряд топливного элемента на этапе 280. В запросе 276 системный контроллер 68 определяет, находится ли измеренная величина напряжения на или выше порогового значения напряжения для фиксированной мощности заряда. Если величина напряжения находится на или выше порогового значения напряжения, то системный контроллер останавливает заряд топливного элемента на этапе 280.
Вышеописанная система 10 топливных элементов имеет много преимуществ. Раскрытая система топливных элементов является дружественной по отношению к окружающей среде и удобной для транспортировки. Система 10 является повторно используемой и перезаряжаемой. Система топливных элементов имеет низкую эксплуатационную стоимость и высокую плотность энергии. Система 10 топливных элементов может заменить дорогие одноразовые высокотемпературные батареи на основе тионилхлорида лития, которые показали очень ограничивающие требования к размещению и транспортировке.
Следует отметить, что термины «первый», «второй» и «третий» и им подобные могут быть использованы здесь для модификации элементов, выполняющих подобные и/или аналогичные функции. Эти модификаторы не подразумевают пространственный, последовательный или иерархический порядок модифицируемых элементов, пока это не указанно специально.
В то время как раскрытие было описано со ссылкой на несколько вариантов осуществления, специалисты в данной области техники должны понимать, могут быть сделаны различные изменения, и эквиваленты могут замещать их элементы без выхода из объема раскрытия. В дополнение, много модификаций может быть сделано для приспособления конкретной ситуации или материала к описанному в раскрытии без выхода за его основной объем.
Следовательно, предполагается, что раскрытие не ограничено конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в качестве наилучшего способа для выполнения этого раскрытия, но что раскрытие может включать все варианты осуществления, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.