CN106716698B

CN106716698B - 包括燃料电池和可再充电电池的能量产生系统及实现这种系统的方法

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Publication number: CN106716698B
Application number: CN201580050910.3A
Authority: CN
Inventors: 路易斯·戈兰坦; 朱利安·韦雷; 唐吉·莱韦德尔
Original assignee: Energy Group
Current assignee: Energy Group
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2035-07-23
Also published as: US10230142B2; US20170149108A1; JP2017526149A; EP3172794A1; WO2016012728A1; JP6557337B2; WO2016012728A8; FR3024290A1; FR3024291A1; CN106716698A; FR3024291B1

Abstract

本发明涉及一种用于产生低功率能量的系统(1)，包括：由燃气管网(2)供应的燃料电池(71)和可再充电的能量存储系统(72)。本发明还涉及实现这样的能量产生系统的能量产生方法以及能量管理方法。

Description

包括燃料电池和可再充电电池的能量产生系统及实现这种系统的方法

技术领域

本发明涉及利用电能向电子系统供电的能量收集系统的领域。

更具体地，本发明涉及包括燃料电池的能量产生系统。本发明还涉及实现这样的装置的能量产生方法和能量管理方法。

背景技术

存在于工业环境中的电子系统(具体地，测量系统(或传感器))正逐渐变成较低的能量消耗装置并且越来越多地通过射频系统进行通信。考虑到这些因素，这些电子系统的能量自给是越来越受关注的一个问题。目前，通过输电干线或电化学电池(氧化-还原反应)确保它们的电力供应。这些供电方案具有成本有限的能量水平和技术部署限制。

现在的目的是给予电子系统功能持续几年的能力且不用人工干预。所安装的产品全部倾向于同一基本原理(由表述“即装即弃”表示)，其等同于多媒体外围设备中的“即插即用”。从通信和供电的角度来看，这些系统从她们安装开始就与集成于它们的环境中。

除了它们的主要功能(传感器、致动器)之外，电子系统的问题是如何通过寻找存在于它们的环境中的能量使与它们的供电相关的成本最小化。

现在，电子系统的环境并不总是能量充足并且能量源的这种限制限制了它们的功能。

目前，存在三种为电子系统提供能量的解决方案：

-当在物理上和财政上可以将电缆带到待供电的系统时，由输电干线(mains)供电；

-通过氧化-还原电池供电；

-通过收集存在于环境中的能量的能量收集系统供电。该能源可以是辐射的、热的、机械的、或化学的。为了增大两个维修周期之间的时间间隔，可以考虑由借助于经由换能器从周围环境收集能量再充电的电池进行供电的解决方案。

在由输电干线供电的电子系统的情况下，这种解决方案存在以下缺点：

-物理缺点：被放入难以接近的位置中的系统使得不能安装电缆为其充电。

-财政缺点：当系统远离电力网时，这样供电的成本变得过高。

通过电池为电子系统供电的解决方案还存在一些缺点，具体地：

-在没有保养的情况下系统的寿命取决于与它们的技术相关的电池的寿命，它们的容量与电子系统的消耗、它们的体积、以及它们的重量有关，它们的体积在可用空间减小时防止它们被安装；

-在电子系统的生命周期期间迫使进行反复更换电池的维护成本。

收集辐射能、机械能及热能的这种类型的能量收集方案还存在一些缺点，并且具体地：

-可用能量取决于环境；

-存在于环境中的能量并不总是充足的；

-在最大功率方面，能量的数量会受到限制；

-可用能量的评估和预测有时会是复杂的。

燃气供应网络通过他们运输的燃气表示安装在这些网络上的传感器的无限能源。确实存在通过天然气的燃料电池解决方案。它们不适于为小电子系统供电的解决方案并且时常在高温下操作并具有有限的操作寿命。这里的困难在于三点：

-困难在于具有利用所有这些部件通过天然气操作的燃料电池，

-燃料电池的寿命，值得注意的是固体氧化物燃料电池(通常被认为是缩略词SOFC)，现如今在技术上并不能足以通过燃气管网连续操作，

-与天然气中存在硫磺元素有关的SOFC型燃料电池的操作问题。

为电子系统提供能量的三个上述解决方案中，第三个能量收集类型解决方案目前在物流和成本两个方面是为电子系统供电最受关注的。辐射能、机械能以及热能的限制仍然是环境中可获得的能量。

在为存在于天然燃气管网上的电子系统供电的背景下，在管道的环境中的大量存在并且数量不受限制的可用能源仍然是天然气。

然而，对其开发还是个问题，因为燃料电池具有有限的使用寿命并且需要高温重整系统，该高温重整系统在没有第三方能量输入(电连接)的情况下在低温下操作常常是复杂的。

为了解决上述缺陷和缺点，申请人已开发了一种将燃料电池与可再充电电池结合的能量产生系统，其中，燃料电池可利用在标准燃气管网上的气体操作并供应有从空气得到氧。这样的装置使得能够连续为能量消耗装置供电，诸如，电子系统，诸如，测量系统(传感器)、无线电通信系统、致动器、机械系统、声音系统或光警报系统。

在本申请的意义内，连续为能量消耗装置供电应当理解为是指在没可能中断供应或中断供应电源的情况下连续为能量消耗装置供电，而不是持续用电流供电。

在本申请的意义内，燃气管网应当理解为是指气体分布网络，而且还指民用或工业生产设备内部的网络、气体运输网络、储气设施、液化天然气(LNG)、供应系统和油气提取平台。

从现有技术中已知燃料电池和电能存储设备的组合。

因此，国际申请WO 2007/142169清楚地描述了一种包括用于存储电能的电容器的燃料电池以及使用所述电池的方法。然而，该专利描述了存储用于电池本身的电能的使用，而不是如在本发明中的情况那样为另一系统供电。此外，WO 2007/142169没有描述电池/蓄电池配对的等级以及其相对于该等级的操作。

发明内容

因此本发明的主题是能量产生系统，能量产生系统旨在连接至燃气管网，所述产生系统包括：

-进气管，从所述管网到所述能量产生系统，

-废气排放管道(CO₂、H₂O、以及O₂，不允许废气危害系统、燃气管网或第三方)，

-能量产生单元，包括燃料电池，该能量产生单元

○通过连接至所述进气管的分支连接供应有燃气，分支连接中的燃气能够使用泵通过压力差或者通过自然存在的压力梯度来移动，并且

○通过空气进气管(air intake duct)供应有氧气，

-管理模块，包括用于所述燃料电池的管理设备，

所述系统的特征在于燃料电池是固体氧化物燃料电池(通常用缩略词SOFC表示)，以及

能量产生单元还包括与所述燃料电池相关联的可再充电的电能存储系统(例如，可再充电电池)，并且管理模块还包括用于电能存储系统的管理设备以控制其充电。

有利地，能量产生系统适合于为平均消耗1至100mW之间的能量的能力消耗装置(energy consumer)连续供电。

根据本发明的能量产生系统是环境能量收集方案，因为其使得能够避免使用能量储备并且因此限制维护操作或再充电操作。因此，根据本发明的能量产生系统中不存在燃气存储。

此外，虽然根据本发明的能量产生系统适合于连续为消耗装置供电，然而这个系统中的燃料电池不会连续操作，而是间歇性地操作，就是说仅为电存储系统(通常，电池)再充电，该再充电的频率能够根据待供电的电子系统的消耗在几小时与一年之间。因此能量储备是定额的使得在此阶段的末期达到其期望的放电水平。实际上，由于两个现象燃料电池在时间上具有有限使用年限：

-开/关周期的数目

-运行时间。

另一方面，燃料电池不具有日历寿命。这意味着燃料电池在理论上从来不会运行十年并且好像该燃料电池是新的一样具有相同数目的开/关周期和相同数量的运行时间。

燃料电池的寿命可在1000小时与100 000小时之间最有效，但是通常，燃料电池的寿命是5000小时的数量级。假定一年有8760小时，具有5000小时的工作寿命的燃料电池不能连续工作超过一年。

利用根据本发明的将SOFC燃料电池与电能存储系统(诸如，电池)结合的能量产生系统，可以存储产生的能量，且不用必须永久供应能量。

此外，相对于为传感器供电所需的电流峰值，单独使用的燃料电池具有太长的反应时间(通常几秒)。在根据本发明的能量产生系统中燃料电池与电能存储系统(诸如电池)的结合使得能够提供在传感器所需的能量的数量与燃料电池能够传送的能量之间提供缓冲。

在根据本发明的能量产生系统中，燃料电池是固体氧化物燃料电池SOFC，其使得能够利用不同类型的碳化氢以及氢工作。其包括用于将碳化氢转换成氢的重整系统(reforming system)。

为能量产生单元供应的气体可以是天然气、液化天然气、从LNG得到的蒸发气体、城市煤气、沼气气、生物甲烷、替代天然气或氢气。

在本申请的意义内，沼气应当理解为是指从甲烷化的生物量或二次产生沼气得到的燃气。

可通过致动器或者通过渗入控制将燃料电池连接至进气管的分支连接。该分支连接系统使得能够恢复管道中的氧化剂。

有利地，根据本发明的能量产生系统的固体氧化物燃料电池SOFC可通过绝热系统绝热并且可以包括用于对所述燃料电池加热的加热系统(温度升高并通过电子热或化学热燃烧保持)。

出于这个原因，固体氧化物燃料电池优选地包括管状或微管结构，其由管子形式的系统构成。这种形式更能抵抗材料的热膨胀以及相关联的机械应力，并且因此使得能够避免与这些热膨胀现象相关联的加速老化。然而，其他架构排除在本发明之外。

有利地，电能存储系统的管理设备可以是用于管理燃料电池的能量供应的电子设备。

有利地，根据本发明的能量产生系统在进气管的输入和燃料电池的上游可以包括使得能够去除气体中存在的硫磺分子的无源脱硫过滤器，其中硫磺分子对燃料电池的运行有损坏。

有利地，根据本发明的能量产生系统还可以包括用于燃料电池生产的废气(CO₂、H₂O以及O₂)的排放系统或处理系统。废气排放系统使得能够避免废弃物，该废弃物将会对第三人或燃气管网有害。

本发明的另一目的还是一种实现旨在连接至燃气管网的能量产生系统的能量管理方法，能量产生系统包括

-进气管，从所述管网到所述能量产生系统，

-废气排放管道，

-能量产生单元，包括固体氧化物燃料电池SOFC，该能量产生单元

○通过连接至所述进气管的分支连接供应有燃气，并且

○通过空气进气管供应有氧气，

-与所述燃料电池相关联的可再充电的电能存储系统，

-管理模块，包括用于所述燃料电池的管理设备和用于所述电存储系统的管理设备以控制其充电，

所述方法的特征在于当具有0.1Wh与100Wh之间的能量的电能存储系统放电至根据能量产生单元的期望寿命预定的阈值时管理模块启动燃料电池。

有利地，在能量管理方法中，对于5年到20年之间的供电持续时间，当电能存储系统放电到存储容量的60％到99％之间并且优选地在存储容量的70％到90％之间的阈值时，管理模块可以启动燃料电池。

本发明的另一主题还是一种实现旨在连接至燃气管网的能量产生系统的能量产生方法，所述能量产生系统包括：

-进气管，从所述管网到所述能量产生系统，

-废气排放管道，

○通过连接至所述进气管的分支连接供应有燃气，并且

○通过空气进气管供应有氧气，

-与所述燃料电池相关联的可再充电的电能存储系统，

所述方法的特征在于燃料电池为平均消耗1mW与1W之间的能量的能量消耗装置连续供电。

在根据本发明的能量产生方法中，能量存储系统也可以用于根据需要打开和关闭燃料电池。

优选地，在根据本发明的能量产生方法中，燃料电池可以为平均消耗1mW到100mW之间的能量的能量消耗装置连续供电。低于1mW，根据本发明的能量产生系统供应电力的方案在经济上不再有竞争性，高于100mW，技术限制变得过于明显。

是否对于根据本发明的能量管理方法或者根据本发明的能量产生方法，燃料电池可以有利地包括绝热系统和用于对所述燃料电池加热的加热系统。

出于这个原因，固体氧化物燃料电池将会优选地能够包括管状或微管结构，其由管子形式的系统构成。这种形式更能抵抗材料的热膨胀以及相关联的机械应力，并且因此使得能够避免与这些热膨胀现象相关联的加速老化。有利地，对于5年到20年之间的供电持续时间，当电能存储系统的容量放电到存储容量的60％到99％之间并且优选地在存储容量的70％到90％之间的阈值时，能量管理设备触发燃料电池的启动。

有利地，存储设备将是额定的以便根据燃料电池技术和所述电存储系统的性能标准优化供电持续时间，最小额定值遵循以下等式：

假定

D具有工作电力P_fct的电池的日历寿命

d消费者期望的供电持续时间

C_min电池的最小容量

P需要的持续电力

N_PaC燃料电池的周期的数目

N_stock存储系统的周期的数目

N_min＝min(N_PaC,N_stock)

如果燃料电池的循环性以另外的方式大于存储器的循环性

α(作为％)根据电池技术触发阈值

E_pile电池能够产生的总能量：

(1)E_pile＝D*P_fct

(2)E_pile>d*P

(3)C_min＝α*E_pile/N_min

因数α与所使用的电存储技术有关并且必须考虑：

-电存储器的自放电；

-取决于工作温度的电存储容量；

-电存储器的日历寿命；

-随时间变化电存储器的容量的减少；

-电存储器供应用于电力需求电流峰值的容量。

根据存储器类型，α可具有1.5到3之间的值。

是否对于根据本发明的能量管理方法或根据本发明的能量产生方法，用于电能存储系统的电子管理设备也可以管理燃料电池的流体的供应和耗电装置的电能的供应(例如，传感器)，如下：

对于5到20年之间的供电持续时间，当电能存储系统的容量放电至预定阀值时，电子管理设备触发燃料电池的启动。

是否对于根据本发明的能量管理方法或根据本发明的能量产生方法，能量产生系统还在燃料电池的上游可以包括能够去除气体中存在的硫磺分子的无源脱硫过滤器。

是否对于根据本发明的能量管理方法或根据本发明的能量产生方法，能量产生系统还可以包括用于燃料电池产生的废气的排放系统或处理系统。

是否对于根据本发明的能量管理方法或根据本发明的能量产生方法，气体可以是天然气、液化天然气、从LNG得到的蒸发气体、城市煤气、沼气、生物甲烷、替代天然气或氢气。

附图说明

本发明的其他优点和特定特征将从以下描述中产生，作为非限制性实例给出并参照附图：

○图1表示根据本发明的能量产生系统的总理论图；

○图2a和图2b分别表示具有管状结构的燃料电池的第一示例性实施方式的截面图(图2a)和侧视图(图2b)；

○图2c和图2d分别表示具有管状结构的燃料电池的第二示例性实施方式的侧视图(图2c)和截面图(图2d)；

○图3表示根据本发明的第二变形实施方式的能量产生系统的截面示意图，其中，固体燃料电池具有微管结构；

○图4表示图3的燃料电池的一组微管的示意立体图。

在图1到图4中表示的相同的元件由相同的数字标号来表示。

具体实施方式

在图1中，描绘了连接至标准燃气管网2的根据本发明的能量产生系统1的总理论图。图1示出了经由连接至燃气管网2的进气管4将来自网管2的燃气引入到能量产生系统1中。在能量产生系统1中，进气管4连接至将气体供应至固体氧化物燃料电池71(SOFC)的分支连接41。后者还通过空气进气管供应有氧气。经由废气排放管道5从能量产生系统中消除由燃料电池产生的废气(CO₂、H₂O以及O₂)。由管理模块9的管理设备91管理燃料电池71的操作。在能量产生系统1中，燃料电池71在能量产生单元7中与由特定管理设备92(从而还构成了管理模块9的一部分)管理的可再充电的电能存储系统72结合。该管理设备92使得能够控制电存储系统72的充电。图1还示出了绝热系统14置于燃料电池71周围，在该绝热系统14上布置有电阻器11。

在图2a至图2d中更详细地示出了燃料电池的管状结构。

图2a和图2b分别表示该管状结构的第一示例性实施方式的截面图(图2a)和侧视图(图2b)，该管状结构由厚电解质支撑管7111(尤其由陶瓷制成)构成，外面涂覆有外阴极层7110并且里面涂覆有薄阳极层7112。

图2c和图2d分别表示该管状结构的第二示例性实施方式的侧视图(图2c)和截面图(图2d)，该管状结构由厚电解质支撑管7111构成，从管子开始连续涂覆有一层电解质7111，然后涂覆外阴极层7110。

图3表示根据本发明的第二变形实施方式的能量产生系统1的截面示意图，其中，如在图4中示出的，固体燃料电池71包括微管结构，该微管结构由被隔膜713彼此分离的一排微管712构成。图3还示出了绝热系统14置于燃料电池71周围，在该绝热系统14上布置有电阻器11。

以下实例示出本发明然而并不限制其范围。

实施例

实施例1：用于能量独立的燃气监测系统(压力、流速、温度)的供电。

根据本发明的系统用于将能量供应至用于跟踪气体的工业可编程逻辑控制系统，该系统通常由缩略词RTU(远程终端装置)表示，RTU通过有线或无线电波发送与测量有关的信息以进行测量。经由220V的网管生产的用于系统的供电，并且当不可能时，使用电池。

当选择通过电池供电，通过射频波产生的数据的发送和能量自给取决于RTU的使用和电池的容量。

在安装在扩充站上的RTU的背景下，目标自给是2年并且平均消耗量是20mW。根据本发明，通过燃料电池的供电方案提出购置成本是RTU的两倍，但运行成本低大约四倍。在这些假定下投资回收率估计为4年，这些假定是不利的假定。例如，如果每两星期再充电并具有10年的寿命，平均消耗20mW、250的N_min和1.5的α因子的耗电装置需要18Wh的电池。

该实例示出了使用根据本发明的系统从经济角度上看实现节约。

实施例2：根据本发明的能量产生系统的额定值的实施例。

对于根据本发明的能量产生系统的额定值，使用所选择的情况试图尽可能表示在传感器的消耗和寿命方面能够遇到的要求：

-燃料电池的运行寿命是5000小时，

-经由电池供电的传感器在3.3V下平均消耗10mA，或33mW的电力。

两个维护阶段之间的周期是10、15或20年。

表1在下面呈现了所遵循的方法以为满足在本实施例中描述的使用情况的能量需求的燃料电池进行定额。左侧列按顺序给出必须解决的问题，而右侧列示出了在不用维护的情况下对于三个不同的周期(10、15、及20年)三种解决这些问题的三种不同的方式。

根据这个表，具有5000小时的运行寿命和2W的电力的燃料电池能够为在3.3V下平均消耗10mA的系统供电(＝给为传感器供电的电池再充电)超过20年(运行250小时/年)。

表1

Claims

1.一种能量管理方法，实现旨在连接到燃气管网(2)的能量转换系统(1)，所述能量转换系统(1)包括

-进气管(4)，从所述管网(2)到所述能量转换系统(1)，

-废气排放管道(5)，

-能量转换单元(7)，包括固体氧化物燃料电池SOFC(71)，所述能量转换单元

ο通过连接至所述进气管(4)的分支连接(41)供应有燃气，并且

ο通过空气进气管(8)供应有氧气，

-可再充电的电能存储系统(72)，与所述燃料电池(71)相关联，所述可再充电的电能存储系统(72)持续地为能量消耗装置供电；

-管理模块(9)，包括用于所述燃料电池(71)的第一电子管理设备(91)以及用于所述电能存储系统(72)的第二电子管理设备(92)以控制所述电能存储系统的充电，

所述方法的特征在于：当具有0.1Wh到100Wh之间的能量的所述电能存储系统(72)放电至根据所述能量转换单元(7)的期望寿命预定的阈值时，所述管理模块(9)启动所述燃料电池(71)；以及

由于所述燃料电池(71)间歇地向所述可再充电的电能存储系统(72)供电，以便仅当所述可再充电的电能存储系统(72)放电低于所述预定的阈值时对所述可再充电的电能存储系统(72)进行再充电。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于在5到20年的供电持续时间，当所述电能存储系统(72)放电至存储容量的60％到99％之间的阈值时，所述管理模块(9)启动所述燃料电池(71)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，对于在5到20年的供电持续时间，当所述电能存储系统(72)放电至存储容量的70％到90％之间的阈值时，所述管理模块(9)启动所述燃料电池(71)。

4.一种能量管理方法，实现旨在连接到燃气管网(2)的能量转换系统(1)，所述能量转换系统(1)包括：

-进气管(4)，从所述管网(2)到所述能量转换系统(1)，

-废气排放管道(5)，

ο通过连接至所述进气管(4)的分支连接(41)供应有燃气，并且

ο通过空气进气管(8)供应有氧气，

-可再充电的电能存储系统(72)，与所述燃料电池(71)相关联，所述可再充电的电能存储系统(72)持续地为平均消耗1mW到1W之间的能量的能量消耗装置供电，

所述方法的特征在于：所述燃料电池(71)间歇地向所述可再充电的电能存储系统(72)供电，以便仅在所述可再充电的电能存储系统(72)被放电时对所述可再充电的电能存储系统(72)进行再充电。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料电池(71)为平均消耗1mW到100mW之间的能量的能量消耗装置连续供电。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述燃料电池(71)包括绝热系统(14)和用于加热所述燃料电池(71)的加热系统(11)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述燃料电池(71)包括管状(711)结构或微管(712)结构。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料电池(71)包括绝热系统(14)和用于加热所述燃料电池(71)的加热系统(11)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述燃料电池(71)包括管状(711)结构或微管(712)结构。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，用于所述电能存储系统(72)的第二电子管理设备(92)还如下管理用于所述燃料电池(71)的流体的供应以及用于耗电装置的电能的供应：

对于5到20年之间的供电持续时间，当所述电能存储系统的容量放电至预定阀值时，所述第二电子管理设备(92)触发所述燃料电池(71)的启动。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，对于在5到20年的供电持续时间，当所述电能存储系统放电至存储容量的60％到99％之间的阈值时，所述电子管理设备(92)触发所述燃料电池(71)的启动。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，对于在5到20年的供电持续时间，当所述电能存储系统放电至存储容量的70％到90％之间的阈值时，所述电子管理设备(92)触发所述燃料电池(71)的启动。

13.根据权利要求1至9,11至12中的任一项所述的方法，其中，所述能量转换系统(1)在所述燃料电池(71)的上游还包括能够消除存在于燃气中的硫磺分子的无源脱硫过滤器(10)。

14.根据权利要求1至9，11至12中的任一项所述的方法，其中，所述能量转换系统(1)还包括用于由所述燃料电池产生的废气的排放系统或处理系统。