專利名稱：用于井下動(dòng)力系統(tǒng)的燃料電池裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所公開的裝置涉及燃料電池，特別地涉及非常適用于在油氣井的井下應(yīng)用以及與海上油井有關(guān)的海底應(yīng)用的燃料電池。更具體地說地，所公開的裝置可以用于鉆井應(yīng)用中的測井。
背景技術(shù)：
在油氣井的井下或者臨近海上油井的水面下使用著幾種不同的設(shè)備。這些設(shè)備是電操作或驅(qū)動(dòng)的。這種設(shè)備的例子包括帶有線纜的工具和遠(yuǎn)程井遙測設(shè)備。所需的電力可以通過電纜將設(shè)備連接到地面或水面電源、或者通過在設(shè)備本身的位置附近放置電源來提供。通常從地面或水面向地下或海底的電動(dòng)設(shè)備位置鋪設(shè)電纜并不實(shí)際，這是因?yàn)榫嚯x很遠(yuǎn)，或者因?yàn)殡娎|會與井中通過的其它設(shè)備形成干擾，并且容易在井的運(yùn)行過程中受到損傷。特別地，在鉆井過程中測井時(shí)鉆桿在旋轉(zhuǎn)，所以通常不能鋪設(shè)用于遙測或動(dòng)力的線纜。
在鉆井中測井或鉆井中測量(統(tǒng)稱為LWD)的應(yīng)用中常常需要電力。通常在LWD應(yīng)用中電力是通過鉆探泥漿在渦輪中循環(huán)流動(dòng)提供的。從渦輪輸出的功率通常約為200W。然而，當(dāng)鉆探泥漿沒有循環(huán)流動(dòng)時(shí)，可能需要輔助電力。舉例來說，輔助電力可以通過高溫鋰亞硫酰氯電池提供。在小型配置中，這些電池可以實(shí)現(xiàn)500Whl-1的能量密度。這些電池具有150℃的額定溫度限制，通過特殊的設(shè)計(jì)可以獲得高至200℃的額定值。然而，使用這些電池會產(chǎn)生許多另外的問題。例如，這些電池比較昂貴，并且由于亞硫酰氯固有的反應(yīng)性質(zhì)，使運(yùn)輸和處理都限制了它的應(yīng)用。因?yàn)槊總€(gè)LWD工作要求使用新的電源組，而井下操作程序要求這些電池即使在部分使用后也要被處理掉，由此提高了成本。另外，提高電池的功率和能量產(chǎn)生的容量一般需要按比例地增大電池的尺寸，這在井中有限的空間制約的情況下會出現(xiàn)困難。這些電池不是可再次充電的，從而要求電池具有足夠的能量以維持測井操作的持續(xù)時(shí)間。
燃料電池可以用來作為井下和海底電子設(shè)備的本地電源。燃料電池利用燃料和氧化劑在由陽極、陰極、催化劑、氣體分配層和電解質(zhì)構(gòu)成的電池單元中進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電力而又不會生成不希望的與燃燒相關(guān)的副產(chǎn)品，同時(shí)提供相對較高的能量效率。在很多應(yīng)用中燃料電池與其它電力發(fā)生和存儲裝置相比都具有大量的潛在的優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)燃料電池中，由元素成分氫和氧電化學(xué)合成水。該反應(yīng)生成的熱ΔHf的有用部分是吉布斯自由能ΔGf。在燃料電池中，吉布斯自由能轉(zhuǎn)換為電功和熱。
許多問題阻礙了燃料電池在井下和海底應(yīng)用中的使用。例如，在連續(xù)操作中，需要穩(wěn)定供應(yīng)反應(yīng)氣體并排除生成的水，這在油田的井下應(yīng)用中是不容易實(shí)現(xiàn)的。容器中攜帶的氣體的量和相關(guān)的重量約束也限制了連續(xù)操作。此外，水處理要求以高壓將水泵送到鉆孔，這造成它自身的困難。燃料電池通常包括一個(gè)或更多的泵以提供燃料和/或氧化劑在單元中的閉環(huán)循環(huán)。如果這樣一個(gè)泵在井下不工作，修理或替換會極其昂貴，這需要將燃料電池回收至地面。此外，這些泵的操作消耗電池產(chǎn)生的部分能量，從而減少了可用來操作外部設(shè)備的有效功率輸出。后者在井下或海底應(yīng)用中是一個(gè)顯著的問題，其中電力供應(yīng)需要一定的時(shí)間周期，并且空間約束限制了單純增大燃料和氧化劑容器的尺寸的能力。另外，反應(yīng)產(chǎn)品如液態(tài)水或水蒸汽需要從燃料電池組中排除以便連續(xù)運(yùn)行燃料電池。水的排除在井下是一個(gè)難題，這是因?yàn)橹車膲毫Ω哂趥鹘y(tǒng)上燃料電池放置在地面環(huán)境并在大氣中操作時(shí)的壓力。使用泵將水排除到高壓的井下或可能需要大量的電力，使得這樣的系統(tǒng)變得不切實(shí)際。
需要一種能夠提供操作各種井下設(shè)備所需的電力的新的電源供應(yīng)裝置。這種電源應(yīng)當(dāng)是緊湊和堅(jiān)固的以適應(yīng)井下環(huán)境。此外這種電源供應(yīng)裝置應(yīng)能夠在LWD環(huán)境中沒有鉆探泥漿循環(huán)流動(dòng)時(shí)供電。

發(fā)明內(nèi)容
所公開的裝置涉及一種可充電動(dòng)力系統(tǒng)，包括配置為在鉆井中操作的鉆桿，鉆桿包括燃料電池系統(tǒng)；與燃料電池系統(tǒng)電連接的發(fā)電機(jī)；渦輪，當(dāng)鉆探泥漿沖擊在一個(gè)或多個(gè)渦輪葉片上時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪可操作地與發(fā)電機(jī)連接；其中燃料電池系統(tǒng)配置為至少當(dāng)鉆探泥漿沒有在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)提供電力，此外還配置為當(dāng)鉆探泥漿在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)通過發(fā)電機(jī)充電。
所公開的裝置還涉及一種配置為在鉆井中操作的可充電燃料電池。燃料電池包括燃料電池組；與燃料電池組電連接的功率調(diào)節(jié)器；與功率調(diào)節(jié)器和燃料電池組電連接的系統(tǒng)控制器；其中燃料電池配置為至少當(dāng)鉆探泥漿沒有鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)提供電力，此外還配置為當(dāng)鉆探泥漿在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)通過發(fā)電機(jī)充電。
所公開的方法涉及操作一種可充電井下燃料電池。該方法包括監(jiān)測流體供應(yīng)壓力；判斷流體供應(yīng)壓力是否低于閾值；如果流體供應(yīng)壓力低于閾值則停止燃料電池的放電。
該方法的另一實(shí)施例涉及操作一種可充電井下燃料電池。該方法包括監(jiān)測流體供應(yīng)壓力；判斷流體供應(yīng)壓力是否高于閾值；如果流體供應(yīng)壓力高于閾值則停止燃料電池的充電。
該方法的又一實(shí)施例涉及操作一種可充電井下燃料電池。該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電壓；判斷電壓是否低于給定電流的第一電壓閾值；如果電壓低于第一電壓閾值則停止燃料電池的放電。
該方法的再一實(shí)施例涉及操作一種可充電井下燃料電池。該方法包括監(jiān)測燃料電池組的供應(yīng)電壓；判斷電壓是否高于給定充電電流下的第二電壓閾值；如果電壓高于給定充電電流下的第二電壓閾值則停止燃料電池的充電。
在另一實(shí)施例中，該方法涉及操作一種可充電井下燃料電池。該方法包括監(jiān)測燃料電池組的放電電流；判斷放電電流是否低于固定電壓下的放電電流閾值；如果電流低于固定電壓下的電流閾值則停止燃料電池的放電。
另外，另一實(shí)施例涉及一種操作可充電井下燃料電池的方法。該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電流；判斷電流是否低于固定電壓下的電流閾值；如果電流低于固定電壓下的電流閾值則停止燃料電池的充電。
一個(gè)相關(guān)的實(shí)施例涉及一種操作可充電井下燃料電池的方法。該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電流；監(jiān)測燃料電池組的電壓；判斷電流是否高于固定功率輸出下的電流閾值；如果電流高于固定功率輸出下的電流閾值則停止燃料電池的放電；判斷電壓是否低于固定功率輸出下的電壓閾值；如果電壓低于固定功率輸出下的電壓閾值則停止燃料電池的放電。
在另一實(shí)施例中，該方法涉及操作一種可充電井下燃料電池。該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電流；監(jiān)測燃料電池組的電壓；判斷電流是否低于固定充電功率下的電流閾值；如果電流低于固定充電功率下的電流閾值則停止燃料電池的充電；判斷電壓是否高于固定充電功率下的電壓閾值；如果電壓高于固定充電功率下的電壓閾值則停止燃料電池的充電。


結(jié)合附圖本領(lǐng)域技術(shù)人員將更容易理解本申請，在附圖中相同的元件用相同的參考標(biāo)號表示，其中圖1是具有所公開的燃料電池系統(tǒng)的井下鉆桿的大致截面圖；圖2是圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖3是圖2中所示的燃料電池組的截面圖；圖4是所公開的燃料電池組的電流和電壓與時(shí)間的曲線圖；圖5是顯示了一種判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)開始充電過程的方法的流程圖；圖6是顯示了另一種判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)開始充電過程的方法的流程圖；圖7是顯示了一種判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)停止充電的方法的流程圖；圖8是顯示了另一種判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)停止充電的方法的流程圖；圖9是顯示了一種使用電流判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)開始充電過程的方法的流程圖；圖10是顯示了一種使用電流判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)停止充電過程的方法的流程圖；圖11是顯示了判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)停止放電的方法的另一實(shí)施例的流程圖；以及圖12是顯示了判斷所公開的燃料電池系統(tǒng)何時(shí)停止充電的方法的另一實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，在典型的鉆桿14中給出了一種新的改進(jìn)燃料電池系統(tǒng)10。雖然所公開的燃料電池系統(tǒng)10在這里主要描述有關(guān)涉及地下鉆井的應(yīng)用，但是應(yīng)該理解所公開的系統(tǒng)10也可以用于鉆井之外的其它應(yīng)用中。鉆桿14包括一個(gè)用來穿過不同地層以鉆掘鉆孔22的鉆頭18。鉆桿14在地面上的典型鉆機(jī)(未示出)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，一定體積的適當(dāng)?shù)你@探液體或所謂的“鉆探泥漿”連續(xù)不斷地通過管狀鉆桿向下泵送，并從鉆頭18處排出以冷卻鉆頭，同時(shí)隨著鉆探泥漿沿著鉆桿外部的鉆孔22向上返回將鉆頭18鉆掘下來的東西帶回地面。在鉆探過程中，通過軸桿30與不同于常規(guī)的渦輪34連接的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)26可以提供電力。在鉆探過程中，鉆探泥漿沖擊渦輪34的葉片，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)26以產(chǎn)生電力。燃料電池系統(tǒng)10電連接到發(fā)電機(jī)26。燃料電池系統(tǒng)10連接著一個(gè)或多個(gè)條件響應(yīng)傳感器38或井下工具42。當(dāng)然，應(yīng)該理解這些條件響應(yīng)傳感器38滿足測量井下狀況的要求，例如鉆探泥漿或相鄰底層的壓力、溫度、電阻率或電導(dǎo)率、聲和核響應(yīng)，以及目前有線測井工具通?？梢垣@得的各種其它形成條件或特征。還應(yīng)該理解井下工具42包括但不局限于致動(dòng)器、馬達(dá)、泵、壓縮機(jī)和其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
圖2顯示了燃料電池系統(tǒng)10的詳細(xì)的示意圖。燃料電池組44與氫供應(yīng)源48和氧供應(yīng)源52流體連通。氫和氧供應(yīng)源48和52可以是含有相應(yīng)流體的壓縮容器。第一壓力測量裝置56與氫供應(yīng)源48流體連通，第二壓力測量裝置60與氧供應(yīng)源52流體連通。電子負(fù)載64與燃料電池組44電連接。在圖2中虛線表示電連接。電開關(guān)66位于負(fù)載64和燃料電池組44之間。發(fā)電機(jī)26與功率調(diào)節(jié)器72電連接。功率調(diào)節(jié)器72與燃料電池組44電連接。電開關(guān)76位于燃料電池組44和功率調(diào)節(jié)器72之間。系統(tǒng)控制器68與第一和第二壓力測量裝置56和60、開關(guān)66和76、功率調(diào)節(jié)器72以及發(fā)電機(jī)26電連接。電壓或電流測量裝置80連接到電子負(fù)載64、燃料電池組44和系統(tǒng)控制器68。
參見圖2，氫供應(yīng)源48和氧供應(yīng)源52可以配置為具有幾乎相同的壓力。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到對于相同的壓力，所需要的氫的體積大致為氧的兩倍。燃料電池系統(tǒng)包括質(zhì)子交換膜(PEM)。氫作為燃料，氧作為氧化劑。氫和氧合成生成水。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過氧供應(yīng)源52提供純氧以節(jié)約空間。在所公開的燃料電池系統(tǒng)中，生成的水保持在燃料電池組44的儲水介質(zhì)中，在圖3中將進(jìn)一步予以描述。對于燃料電池的放電(水合成)，催化劑可以是加載在氫和氧兩側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)的鉑。然而，對于充電過程中水的電解，可以在氧一側(cè)添加IrOx和/或RuO2作為催化劑。因此，在氧一側(cè)的催化劑可以是具有雙重作用的Pt、IrOx和/或RuOx的混合物。
A.J.Appleby和F.R.Foulkes在他們的書中，“Fuel Cell Handbook，KriegerPub Co.”，第394頁給出了以下論述，這里予以引用“除了針對這些材料在堿性溶液中的作用已經(jīng)完成的工作以外，對它們在酸性系統(tǒng)中的作用也做了一些研究。例如，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局對很多有前景的混合氧化物中的一部分進(jìn)行了大量動(dòng)電位和靜電研究，以確定它們是否可以用來作為磷酸燃料電池中的氧還原電催化劑。結(jié)果表明鋇釕酸鹽與Ti-Ta-O、V-Nb-O和Ce-Ta-O系統(tǒng)在溫度達(dá)150℃的熱磷酸中是穩(wěn)定的。蘇聯(lián)工作者已經(jīng)研究了大量鈷和/或鎳的單一和復(fù)合氧化物用于酸介質(zhì)中的氧還原，以及吸收的氧對還原比率的影響，并報(bào)導(dǎo)了含有鈷的電極具有最高活性?！薄叭舾勺髡咭呀?jīng)報(bào)導(dǎo)了制備尖晶石和金屬的氧化物電催化劑和電極的方法。日本工作者描述了采用CuxFex-xO4或ZnxFe3-xO4(x＝0.005～0.4)制備具有大約0.044Ωcm電阻率的燒結(jié)尖晶石型電極。使用由85～95％的金屬氧化物和5～15％的導(dǎo)電粉末材料如銀、鎳、鈷或乙炔黑與粘結(jié)劑構(gòu)成的壓縮混合物在金屬網(wǎng)上制備氧陰極的方法也已經(jīng)有所報(bào)導(dǎo)。Westinghouse電子公司已經(jīng)獲得了除其它材料外還使用CuWO4、NiWO4和/或CoWO4作為氧還原催化劑的專利。已經(jīng)研究了單一和復(fù)合氧化物氧還原電催化劑的催化劑制備參數(shù)對性能的影響，并評述了混合氧化物型氧還原催化劑應(yīng)用于堿性溶液中時(shí)的制備。”“在鈣鈦礦氧化物的情況下，尖晶石和其它混合氧化物催化劑也已經(jīng)被用作氧排出催化劑。為此已經(jīng)用于堿性溶液中的包括NiCo2O4、Co3O4、一般的過渡金屬氧化物、以及混合的鎳-鑭系金屬氧化物。用于酸性溶液(通常為硫酸)中的包括過渡金屬氧化物，錫、銻和錳的氧化物的混合物，以及釕的混合氧化物(尤其是Ru-Lr-Ta)?！眻D3顯示了燃料電池組44的詳細(xì)的視圖。在該圖中只顯示了一組，然而為了提供更多的電力可以串聯(lián)兩個(gè)或更多個(gè)燃料電池組44。第一雙極板84與第一氣體分配和水存儲區(qū)88相鄰。與第一氣體分配和水存儲區(qū)88相鄰的是第一碳基體加催化劑區(qū)90(碳基體為氣體分配層)。與第一碳催化劑區(qū)90相鄰的是PEM 92。與PEM 92相鄰的是第二碳基體加催化劑區(qū)94。與第二碳基體加催化劑區(qū)94相鄰的是第二氣體分配和水存儲區(qū)96。與第二氣體分配和水存儲區(qū)96相鄰的是第二雙極板100。與氫供應(yīng)源48連通的氫管路104向燃料電池組44中提供氫。氫通過第一雙極板84中的氫流道106分配到第一催化劑區(qū)90。與氧供應(yīng)源52連通的氧管路108向燃料電池組44中提供氧。氧通過第一雙極板84中的氧流道110分配到第二催化劑區(qū)94。密封裝置112配置在燃料電池組44的周圍以防止氫和/或氧從燃料電池組44中泄漏。
在LWD應(yīng)用中是可以獲得電力的，除非鉆探泥漿停止循環(huán)流動(dòng)，這恰好也是需要進(jìn)行某些靜態(tài)測量如壓力和溫度的時(shí)候。所公開的燃料電池系統(tǒng)10是一個(gè)具有雙重功能的緊湊的單元，可配置為(1)在鉆探泥漿停止循環(huán)流動(dòng)的期間作為用來發(fā)電的燃料電池、以及(2)在鉆探泥漿循環(huán)流動(dòng)的期間作為電解器。在充電階段，燃料電池系統(tǒng)作為電解器將水分解為氫和氧。因此，燃料電池系統(tǒng)10只需要少量的氫和氧，就足夠滿足充電之間的能量需求。充電應(yīng)該能夠補(bǔ)償能量消耗、固有的損失效率和可能發(fā)生的自放電。
PEM燃料電池是所公開的燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。然而，所公開的燃料電池系統(tǒng)可以包括其它類型的燃料電池，如包括但不限于固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)、磷酸燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)。氫和氧之間合成的結(jié)果是在燃料電池組中生成水。在優(yōu)選實(shí)施例中，采用純氧作為氧化劑以節(jié)約空間。但這決不是必須的，只要關(guān)注到安全或氧化，那么氧可以與任何稀釋劑混合。然而，在封閉的燃料電池中使用稀釋劑會導(dǎo)致產(chǎn)生的電力不斷減少，這是因?yàn)檠醣幌牟⑶蚁♂寗┰跉怏w分配層聚集。因此在所公開的實(shí)施例中使用純氧。
在燃料電池的運(yùn)行中產(chǎn)生的水通過第一和第二氣體分配和水存儲區(qū)88和96保持在燃料電池組44中。在一個(gè)實(shí)施例中，區(qū)域88和96由可濕性多孔碳紙構(gòu)成，或者在另一實(shí)施例中，區(qū)域88和96由緊密編織的多孔碳布構(gòu)成。多孔碳是一個(gè)較好的選擇，這是因?yàn)樗鼘?dǎo)電、在工作條件下呈惰性并且能夠存儲水。氫供應(yīng)源48和氧供應(yīng)源52只需要向燃料電池組44提供相對少量的氫和氧。燃料電池系統(tǒng)只有在鉆探泥漿循環(huán)流動(dòng)停止期間才需要足夠的氫和氧來運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)。因此，在氫供應(yīng)源48和氧供應(yīng)源52中存儲的能量是有限的，但是由于所公開的燃料電池系統(tǒng)能夠在鉆探泥漿循環(huán)流動(dòng)時(shí)充電，所以功率容量是充足的。
所需要的充電電力來自發(fā)電機(jī)26。燃料電池組44能夠電解水，從而生成氫和氧。這是通過在將發(fā)生電解的第一碳基體加催化劑區(qū)90和第二碳基體加催化劑區(qū)94中浸漬雙重催化劑來實(shí)現(xiàn)的。因此，燃料電池組44同時(shí)作為燃料電池和電解器。在燃料電池組44的燃料電池周期中生成的少量的水在電解階段被轉(zhuǎn)換成原始成分，從根本上不再需要將水泵出系統(tǒng)。水的量足夠的少從而能夠保持在位于第一氣體分配和水存儲區(qū)88和第二氣體分配和水存儲區(qū)96中的碳紙或布的孔隙中。碳紙或布系統(tǒng)的額外好處是對于工具定位有利。換句話說，在薄的導(dǎo)電親水性紙或布中的毛細(xì)保持作用明顯地強(qiáng)于任何重力誘導(dǎo)流。系統(tǒng)中水的保持和電解的能力也要考慮到系統(tǒng)中從氫一側(cè)向第二雙極板100(氧電極)可預(yù)料到的泄漏。水的合成發(fā)生；但是當(dāng)能量損失時(shí)，氫和氧將隨后再次生成。然而，如果氫從燃料電池的腔室中泄漏而出，會發(fā)生能量容量損失。由密封裝置112構(gòu)成的一個(gè)適當(dāng)?shù)拿芊庀到y(tǒng)對防止這種泄漏來說是很重要的。
隨著燃料電池組44中水的合成，氫供應(yīng)源48和氧供應(yīng)源52的容器都會有所消耗。系統(tǒng)控制器68通過第一壓力測量裝置56和第二壓力測量裝置60檢測到生成的壓力降低。對于一定程度的壓力損失，系統(tǒng)控制器68將開始燃料電池的充電過程。如圖4所示，充電過程也可以根據(jù)燃料電池10的電壓和電流與時(shí)間的特性來啟動(dòng)。在固定電流放電時(shí)，電壓的急劇下降發(fā)出需要充電的信號。
通過燃料電池反應(yīng)生成的水主要聚集在位于第二氣體分配和水存儲區(qū)96的親水性碳紙或碳布中，與陰極(第二雙極板100)相鄰，在陰極處純氧與從PEM擴(kuò)散過來的質(zhì)子相遇，電子流過外部電路。陽極(第一雙極板84)反應(yīng)為方程1陰極反應(yīng)為方程2對于后者，根據(jù)是否有一個(gè)足夠的電壓施加(反向反應(yīng))或未施加(水合成)來確定反應(yīng)方向。當(dāng)正向(向右進(jìn)行)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，由燃料電池產(chǎn)生一個(gè)電壓，其幅度取決于輸出電流。零電流電壓也被稱為開路電壓(OCV)，并依賴于嚴(yán)格的運(yùn)行環(huán)境的條件如反應(yīng)物的易逸度和溫度。這些條件中很多是通過構(gòu)成燃料電池10的氣體供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來確定的。生成的水保持在燃料電池組44中以便在反向的電解過程中利用。對于反向反應(yīng)(向左進(jìn)行)，當(dāng)電壓施加在反向反應(yīng)陽極(第二雙極板100)和反向反應(yīng)陰極(第一雙極板84)之間時(shí)，水被電解成氫和氧。注意在正向反應(yīng)期間，即當(dāng)燃料電池產(chǎn)生電力時(shí)，第一雙極板84是陽極而第二雙極板100是陰極，相反地，在反向反應(yīng)期間，即當(dāng)水被電解成氫和氧時(shí)，第一雙極板84此時(shí)是陰極而第二雙極板100此時(shí)是陽極。由于當(dāng)有限的電流從燃料電池周期中輸出時(shí)的各種損失，產(chǎn)生的電壓將在開路電壓的大約一半和滿值之間。相反地，在電解周期中，所施加的電壓大致在開路電壓的約一倍到約兩倍之間。第一氣體分配和水存儲區(qū)88和第二氣體分配和水存儲區(qū)96必須允許水再次滲入PEM 92。在充電周期中，聚集的水被電解以生成氫和氧。氫和氧都在壓力下合成。通過壓力測量裝置56和60可以連續(xù)監(jiān)測氣體壓力。
在PEM 92中，電解質(zhì)的孔徑充分地小于第一氣體分配和水存儲區(qū)88和第二氣體分配和水存儲區(qū)96中的孔徑，以便任何電解質(zhì)的水的電解都可以通過從第一氣體分配和水存儲區(qū)88和第二氣體分配和水存儲區(qū)96向PEM 92中的電解質(zhì)滲透的水得到補(bǔ)充?？梢灶A(yù)見水主要在氧的一側(cè)。氫的一側(cè)的水存儲只用來預(yù)防水的遷移。
在我們的系統(tǒng)中，燃料(氫)和氧化劑(氧)都需要被送到井下。如果反應(yīng)物為純氫和氧(相對于空氣)，那么能斯特(Nernst)方程中的所有項(xiàng)都是已知的。因此，開路電勢通過下式給出V=V0+RT2Fln(aH2aO21/2aH2O)]]>方程3其中a為活動(dòng)率，R為氣體常數(shù)，T是溫度，V是電勢，V0是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(1atm，T)下的電勢，F(xiàn)是法拉第常數(shù)。如前面所提到的，隨著電流的輸出，供應(yīng)電壓將下降，對每個(gè)燃料電池幾乎是可再生的性能曲線。實(shí)際電壓和方程3所給的理論值之間的差是由于各種不可逆性活性損失、內(nèi)部電流、歐姆損失和質(zhì)量傳遞限制。在理想氣體條件下，在建議的80℃下工作壓力為400psi或2.7MPa時(shí)，按照方程3開路電壓為1.255V。放電發(fā)生時(shí)，氧和氫的壓力將下降，在大氣壓力下，電勢將降至1.18V(在80℃條件下；在25℃條件下達(dá)到1.23V)。建議保持足夠高的壓力從而使水不會沸騰。電壓的小幅下降可以被用來檢測放電程度，壓力的直接測量更為耐用和可靠。檢測可能發(fā)生的失效的一個(gè)可選方法是觀察放電性能。在一固定電流輸出下，電壓降到可接受值以下說明需要充電。在燃料電池失效前這可作為一個(gè)冗余檢測。在我們的工作中，優(yōu)選模式依靠與壓力一起檢測電壓特征。這些在下面進(jìn)一步討論。一旦識別出需要充電，則通過打開開關(guān)66斷開放電電流電路。通過閉合開關(guān)76接通充電電流電路，通過功率調(diào)節(jié)器獲得對燃料電池充電的電力，以便保證電流以固定量注入(相反也可以固定電壓檢測電流)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到即使沒有充電的信號，也可以選擇開始充電以保持系統(tǒng)處于滿充狀態(tài)。對于固定的電流注入，電壓將被檢測。在優(yōu)選實(shí)施例中，由于能夠控制燃料生成率，所以使用固定電流模式。當(dāng)電壓上升超過預(yù)定閾值時(shí)，認(rèn)為充電周期完成。假定電池組中沒有發(fā)生燃料或水的損失，那么當(dāng)壓力接近開始時(shí)的原始值時(shí)，這一點(diǎn)也將被獨(dú)立的加以確認(rèn)。在我們的優(yōu)選實(shí)施例中，對于固定電流充電，我們監(jiān)測電壓。隔膜在電池單元超過最大電壓時(shí)將受到損壞，通過電池單元的數(shù)量和每個(gè)電池單元的最大電壓確定一個(gè)預(yù)定閾值，當(dāng)電壓超過該預(yù)定閾值時(shí)關(guān)閉充電過程。另外，監(jiān)測壓力，盡管未必這樣，如果壓力超過基于所期望的滿充狀態(tài)的預(yù)定值時(shí)，中斷充電過程。不能達(dá)到原始的氫的壓力可能意味著H2泄漏到環(huán)境中，相應(yīng)在氧一側(cè)，則可能意味著發(fā)生了泄漏或者是預(yù)料不到的材料氧化。在我們的設(shè)計(jì)中，最初可以攜帶過量的水以補(bǔ)償部分損失。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，如果只是監(jiān)測充電電壓，壓力可能會超過期望值。因此我們優(yōu)選監(jiān)測電壓上升，當(dāng)電壓或壓力變得大得不可接受時(shí)，中止充電過程。類似于充電周期，在放電過程中，我們同時(shí)監(jiān)測壓力和電壓的下降。如果壓力降到低于一定值，這或者是由于泄漏或者是由于放電過程，則需要進(jìn)行充電。然而，如果在壓力發(fā)生顯著下降之前電壓低于閾值，隔膜組件會被注滿，從而使水不能進(jìn)入儲水層。這在放電太快時(shí)可能會發(fā)生。為了糾正這個(gè)問題，需要降低放電率或者進(jìn)行充電。在實(shí)踐中，我們希望在放電性能降低到燃料耗盡點(diǎn)之前對系統(tǒng)進(jìn)行充電。
圖5顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池放電的方法的實(shí)施例的流程圖。在處理框150中，系統(tǒng)控制器68通過第一壓力測量裝置56監(jiān)測氫的壓力。在處理框154，系統(tǒng)控制器68通過第二壓力測量裝置60監(jiān)測氧的壓力。在判斷框155，系統(tǒng)控制器68判斷氫的壓力變化和氧的壓力變化是否彼此成適當(dāng)?shù)谋壤?。如果氫的壓力變化和氧的壓力變化彼此未成適當(dāng)?shù)谋壤敲聪到y(tǒng)控制器將在處理框156發(fā)出一個(gè)不適當(dāng)氫氧壓力變化警告。在氫和氧的壓力都被監(jiān)測的實(shí)施例中，如果壓力的下降彼此不成適當(dāng)比例，則輸出警告診斷。在判斷框158，系統(tǒng)控制器68判斷氫的壓力是否小于或等于第一閾值。如果氫的壓力小于或等于第一閾值，那么系統(tǒng)控制器68停止燃料電池放電，燃料電池在處理框166進(jìn)入接受充電的準(zhǔn)備狀態(tài)。在判斷框162，系統(tǒng)控制器68判斷氧的壓力是否小于或等于第二閾值。如果氧的壓力小于或等于第二閾值，那么系統(tǒng)控制器68執(zhí)行處理框166。在一個(gè)實(shí)施例中，氫的壓力的第一閾值在大約300psi到大約400psi之間。在另一實(shí)施例中，氧的壓力的第二閾值在大約300psi到大約400psi之間。在另一實(shí)施例中，可以單獨(dú)監(jiān)測氫的壓力或氧的壓力。
圖6顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池放電的方法的可選實(shí)施例的流程圖。該實(shí)施例可以用作圖5所述方法的“備份”，或者與圖5方法結(jié)合使用，或者單獨(dú)使用。在處理框174，系統(tǒng)控制器68通過電壓測量裝置80監(jiān)測燃料電池組的電壓。在判斷框178處，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電壓對于一個(gè)給定的電流是否小于或等于第一電壓閾值。如果電壓小于或等于第一電壓閾值，那么在處理框182系統(tǒng)控制器停止放電，并使燃料電池組準(zhǔn)備充電。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓降閾值約為0.5V/單元電池。圖5所提到的第一和第二閾值(分別為氫和氧的壓力閾值)或圖6所提到的第一電壓閾值都足以用來觸發(fā)停止放電處理框166和182。
圖7顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池充電的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。在處理框186，系統(tǒng)控制器68通過第一壓力測量裝置56監(jiān)測氫的壓力。在處理框190，系統(tǒng)控制器68通過第二壓力測量裝置60監(jiān)測氧的壓力。在判斷框191，系統(tǒng)控制器68判斷氧的壓力增加和氫的壓力增加是否彼此成一定的比例。如果壓力增加未成適當(dāng)比例，那么在處理框192將發(fā)出一個(gè)氫氧壓力變化異常警告。在判斷框194，系統(tǒng)控制器68判斷氫的壓力是否等于或大于第三閾值。如果氫的壓力等于或大于第三閾值，那么系統(tǒng)控制器68在處理框202停止燃料電池充電。在判斷框198，系統(tǒng)控制器68判斷氧的壓力是否等于或大于第四閾值。如果氧的壓力等于或大于第四閾值，那么系統(tǒng)控制器68在處理框202停止燃料電池充電。第三和第四壓力閾值可以是大約400psi的壓力上升閾值。
圖8顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池充電的方法的可選實(shí)施例的流程圖。該實(shí)施例可以用作圖7所述方法的“備份”，或者與圖7方法結(jié)合使用，或者單獨(dú)使用。在處理框206，系統(tǒng)控制器68通過電壓測量裝置80監(jiān)測燃料電池組的電壓。在判斷框210處，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電壓上升對于一個(gè)固定電流是否等于或大于第二電壓閾值。如果電壓等于或大于第二電壓閾值，那么在處理框214系統(tǒng)控制器68停止燃料電池充電。第二電壓閾值可以是大約為1.8V/單元電池的電壓上升。
圖9顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池放電的方法的可選實(shí)施例的流程圖。該實(shí)施例可以用作圖7和/或圖8所述方法的“備份”，或者與圖7和/或圖8方法結(jié)合使用，或者單獨(dú)使用。在處理框218，系統(tǒng)控制器68通過電流測量裝置80監(jiān)測燃料電池組的電流。在判斷框222，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電流對于一個(gè)固定電壓是否小于或等于一個(gè)電流閾值。如果電流小于或等于電流閾值，那么在處理框226系統(tǒng)控制器停止燃料電池放電，并使燃料電池準(zhǔn)備充電。
圖10顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池充電過程的方法的可選實(shí)施例的流程圖。該實(shí)施例可以用作圖5和/或圖6所述方法的“備份”，或者與圖5和/或圖6方法結(jié)合使用，或者單獨(dú)使用。在處理框230，系統(tǒng)控制器68通過電流測量裝置80監(jiān)測燃料電池組的電流。在判斷框234，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電流對于一個(gè)固定電壓是否小于或等于一個(gè)電流閾值。如果電流小于或等于電流閾值，那么在處理框238系統(tǒng)控制器停止燃料電池充電。例如，在大約1.6V/單元電池的固定電壓下，電流閾值可以是大約0.003A/cm2。如果電流小于或等于大約0.003A/cm2，那么系統(tǒng)控制器則停止充電步驟。
圖11顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池放電的方法的可選實(shí)施例的流程圖。在處理框250，系統(tǒng)控制器68通過電壓和/或電流測量裝置80監(jiān)測燃料電池組的電流和電壓。在判斷框254，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電流對于一個(gè)固定功率輸出是否等于或大于一個(gè)電流閾值。如果電流等于或大于電流閾值，那么在處理框262系統(tǒng)控制器停止燃料電池放電，并使燃料電池準(zhǔn)備充電。在判斷框258，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電壓對于一個(gè)固定功率輸出是否小于或等于一個(gè)電壓閾值。如果電壓小于或等于電壓閾值，那么在處理框262系統(tǒng)控制器停止燃料電池放電，并使燃料電池準(zhǔn)備充電。
圖12顯示了判斷何時(shí)停止燃料電池充電的方法的可選實(shí)施例的流程圖。在處理框266，系統(tǒng)控制器68通過電壓和/或電流測量裝置80監(jiān)測燃料電池組的電流和電壓。在判斷框272，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電流對于一個(gè)固定充電功率是否小于或等于一個(gè)電流閾值。如果電流小于或等于電流閾值，那么在處理框280系統(tǒng)控制器停止燃料電池充電。在判斷框276，系統(tǒng)控制器68判斷測得的電壓對于一個(gè)固定充電功率是否等于或大于一個(gè)電壓閾值。如果電壓等于或大于電壓閾值，那么在處理框280系統(tǒng)控制器停止燃料電池充電。
所公開的燃料電池系統(tǒng)10具有很多優(yōu)點(diǎn)。所公開的燃料電池系統(tǒng)是環(huán)境友好的以及便于運(yùn)輸?shù)?。系統(tǒng)10是可以重復(fù)使用的以及可充電的。燃料電池系統(tǒng)具有低運(yùn)行成本和高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。所公開的燃料電池系統(tǒng)10可以代替那些面臨著非常嚴(yán)格的處理和運(yùn)輸要求的、昂貴且一次性使用的高溫鋰亞硫酰氯電池。
應(yīng)當(dāng)注意術(shù)語“第一”、“第二”和“第三”等在這里用來修飾執(zhí)行相同和/或相似功能的部件。除非特別指出，這些修飾詞并未暗示所修飾的部件具有空間的、順序的、或等級的次序。
已經(jīng)結(jié)合幾個(gè)實(shí)施例對技術(shù)方案進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員來可以理解，在不脫離本技術(shù)方案保護(hù)范圍的前提下，可以做出各種改變，并且其部件也可以由等同物替換。另外，在不脫離本技術(shù)方案的根本范圍的前提下，根據(jù)本技術(shù)方案的教導(dǎo)，可以做出很多修改以適應(yīng)特殊的條件或材料。因此，本技術(shù)方案并不局限于作為實(shí)現(xiàn)本公開的最佳模式的特定實(shí)施例，而是包括所有落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種可充電動(dòng)力系統(tǒng)，包括配置為井下操作的鉆桿，鉆桿包括燃料電池系統(tǒng)；與燃料電池系統(tǒng)電連接的發(fā)電機(jī)；配置為在鉆探泥漿沖擊一個(gè)或多個(gè)渦輪葉片的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪，渦輪可操作的與發(fā)電機(jī)連接；并且其中燃料電池系統(tǒng)配置為至少當(dāng)鉆探泥漿未在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)提供電力，并進(jìn)一步配置為當(dāng)鉆探泥漿在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)通過發(fā)電機(jī)充電。
2.如權(quán)利要求1所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池系統(tǒng)與至少一個(gè)傳感器電連接。
3.如權(quán)利要求1所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池系統(tǒng)與井下LWD工具電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組；與燃料電池組電連接的功率調(diào)節(jié)器；與燃料功率調(diào)節(jié)器電連接的發(fā)電機(jī)；與功率調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)和燃料電池組電連接的系統(tǒng)控制器。
5.如權(quán)利要求4所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池組包括第一雙極板；與第一雙極板相鄰的第一氣體分配和水存儲區(qū)；與第一氣體分配和水存儲區(qū)相鄰的第一碳基體加催化劑區(qū)；與第一碳基體加催化劑區(qū)相鄰的質(zhì)子交換膜；與質(zhì)子交換膜相鄰的第二碳基體加催化劑區(qū)；與第二碳基體加催化劑區(qū)相鄰的第二氣體分配和水存儲區(qū)；以及與第二氣體分配和水存儲區(qū)相鄰的第二雙極板。
6.如權(quán)利要求5所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中第一氣體分配和水存儲區(qū)和第二氣體分配和水存儲區(qū)配置為存儲燃料電池反應(yīng)所生成的水。
7.如權(quán)利要求5所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中第一氣體分配和水存儲區(qū)和第二氣體分配和水存儲區(qū)都包含編織的多孔碳布。
8.如權(quán)利要求5所述的可充電動(dòng)力系統(tǒng)，其中第一氣體分配和水存儲區(qū)和第二氣體分配和水存儲區(qū)都包含親水性碳紙。
9.一種配置為井下操作的可充電燃料電池，燃料電池包括燃料電池組；與燃料電池組電連接的功率調(diào)節(jié)器；與功率調(diào)節(jié)器和燃料電池組電連接的系統(tǒng)控制器；并且其中燃料電池配置為至少當(dāng)鉆探泥漿未在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)提供電力，并進(jìn)一步配置為當(dāng)鉆探泥漿在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)通過一個(gè)發(fā)電機(jī)充電。
10.如權(quán)利要求9所述的可充電燃料電池，其中燃料電池與傳感器電連接。
11.如權(quán)利要求9所述的可充電燃料電池，其中燃料電池與井下LWD工具電連接。
12.如權(quán)利要求9所述的可充電燃料電池，其中燃料電池還包括第一雙極板；與第一雙極板相鄰的第一氣體分配和水存儲區(qū)；與第一氣體分配和水存儲區(qū)相鄰的第一碳基體加催化劑區(qū)；與第一碳基體加催化劑區(qū)相鄰的質(zhì)子交換膜；與質(zhì)子交換膜相鄰的第二碳基體加催化劑區(qū)；與第二碳基體加催化劑區(qū)相鄰的第二氣體分配和水存儲區(qū)；以及與第二氣體分配和水存儲區(qū)相鄰的第二雙極板。
13.如權(quán)利要求12所述的可充電燃料電池，其中第一氣體分配和水存儲區(qū)和第二氣體分配和水存儲區(qū)配置為存儲燃料電池反應(yīng)所生成的水。
14.如權(quán)利要求12所述的可充電燃料電池，其中第一氣體分配和水存儲區(qū)和第二氣體分配和水存儲區(qū)都包含編織的多孔碳布。
15.如權(quán)利要求12所述的可充電燃料電池，其中第一氣體分配和水存儲區(qū)和第二氣體分配和水存儲區(qū)都包含親水性碳紙。
16.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測一個(gè)流體供應(yīng)壓力；判斷流體的供應(yīng)壓力是否低于閾值；如果流體的供應(yīng)壓力低于閾值，則停止燃料電池放電。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中流體為氫，閾值為第一閾值。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中流體為氧，閾值為第二閾值。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括監(jiān)測第二流體供應(yīng)壓力；判斷第一流體供應(yīng)壓力和第二流體供應(yīng)壓力是否彼此成適當(dāng)比例；如果第一流體供應(yīng)壓力和第二流體供應(yīng)壓力彼此未成適當(dāng)比例，則發(fā)出壓力比例不適當(dāng)警告。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中第一流體為氫，第二流體為氧。
21.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測一個(gè)流體供應(yīng)壓力；判斷流體的供應(yīng)壓力是否高于閾值；如果流體的供應(yīng)壓力高于閾值，則停止燃料電池充電。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中流體為氫，閾值為第三閾值。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中流體為氧，閾值為第四閾值。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括監(jiān)測第二流體供應(yīng)壓力；判斷第一流體供應(yīng)壓力和第二流體供應(yīng)壓力是否彼此成適當(dāng)比例；如果第一流體供應(yīng)壓力和第二流體供應(yīng)壓力彼此未成適當(dāng)比例，則發(fā)出壓力比例不適當(dāng)警告。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中第一流體為氫，第二流體為氧。
26.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電壓；判斷電壓是否低于針對一給定電流的第一電壓閾值；以及如果電壓低于第一電壓閾值，則停止燃料電池放電。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中第一電壓閾值是針對給定放電電流的第一電壓閾值。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中第一電壓閾值是針對給定功率輸出的第一電壓閾值。
29.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測燃料電池組的供應(yīng)電壓；判斷電壓是否高于針對給定充電電流的第二電壓閾值；以及如果電壓高于針對給定充電電流的第二電壓閾值，則停止燃料電池充電。
30.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測燃料電池組的放電電流；判斷放電電流是否低于固定電壓下的放電電流閾值；以及如果電流低于固定電壓下的電流閾值，則停止燃料電池放電。
31.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電流；判斷電流是否低于固定電壓下的電流閾值；以及如果電流低于固定電壓下的電流閾值，則停止燃料電池充電。
32.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電流；監(jiān)測燃料電池組的電壓；判斷電流是否高于固定功率輸出下的電流閾值；如果電流高于固定功率輸出下的電流閾值，則停止燃料電池放電；判斷電壓是否低于固定功率輸出下的電壓閾值；以及如果電壓低于固定功率輸出下的電壓閾值，則停止燃料電池放電。
33.一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測燃料電池組的電流；監(jiān)測燃料電池組的電壓；判斷電流是否低于固定充電功率下的電流閾值；如果電流低于固定充電功率下的電流閾值，則停止燃料電池充電；判斷電壓是否高于固定充電功率下的電壓閾值；以及如果電壓高于固定充電功率下的電壓閾值，則停止燃料電池充電。
全文摘要
一種可充電動(dòng)力系統(tǒng)，包括配置為井下操作的鉆桿，鉆桿包括燃料電池系統(tǒng)；與燃料電池系統(tǒng)電連接的發(fā)電機(jī)；配置為在鉆探泥漿沖擊一個(gè)或多個(gè)渦輪葉片的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪，渦輪可操作的與發(fā)電機(jī)連接；并且其中燃料電池系統(tǒng)配置為至少當(dāng)鉆探泥漿未在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)提供電力，并進(jìn)一步配置為當(dāng)鉆探泥漿在鉆井中循環(huán)流動(dòng)時(shí)通過發(fā)電機(jī)充電。一種操作可充電井下燃料電池的方法，該方法包括監(jiān)測流體供應(yīng)壓力；判斷流體的供應(yīng)壓力是否低于閾值；如果流體的供應(yīng)壓力低于閾值，則停止燃料電池放電。
文檔編號H01M8/00GK1891971SQ20061009166
公開日2007年1月10日 申請日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月11日
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