CN1891971A - 用于井下动力系统的燃料电池装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种可充电动力系统，包括：配置为井下操作的钻杆，钻杆包括：燃料电池系统；与燃料电池系统电连接的发电机；配置为在钻探泥浆冲击一个或多个涡轮叶片的情况下转动的涡轮，涡轮可操作的与发电机连接；并且其中燃料电池系统配置为至少当钻探泥浆未在钻井中循环流动时提供电力，并进一步配置为当钻探泥浆在钻井中循环流动时通过发电机充电。一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：监测流体供应压力；判断流体的供应压力是否低于阈值；如果流体的供应压力低于阈值，则停止燃料电池放电。

Description

用于井下动力系统的燃料电池装置和方法
技术领域
所公开的装置涉及燃料电池，特别地涉及非常适用于在油气井的井下应用以及与海上油井有关的海底应用的燃料电池。更具体地说地，所公开的装置可以用于钻井应用中的测井。
背景技术
在油气井的井下或者临近海上油井的水面下使用着几种不同的设备。这些设备是电操作或驱动的。这种设备的例子包括带有线缆的工具和远程井遥测设备。所需的电力可以通过电缆将设备连接到地面或水面电源、或者通过在设备本身的位置附近放置电源来提供。通常从地面或水面向地下或海底的电动设备位置铺设电缆并不实际，这是因为距离很远，或者因为电缆会与井中通过的其它设备形成干扰，并且容易在井的运行过程中受到损伤。特别地，在钻井过程中测井时钻杆在旋转，所以通常不能铺设用于遥测或动力的线缆。
在钻井中测井或钻井中测量(统称为LWD)的应用中常常需要电力。通常在LWD应用中电力是通过钻探泥浆在涡轮中循环流动提供的。从涡轮输出的功率通常约为200W。然而，当钻探泥浆没有循环流动时，可能需要辅助电力。举例来说，辅助电力可以通过高温锂亚硫酰氯电池提供。在小型配置中，这些电池可以实现500Whl-1的能量密度。这些电池具有150℃的额定温度限制，通过特殊的设计可以获得高至200℃的额定值。然而，使用这些电池会产生许多另外的问题。例如，这些电池比较昂贵，并且由于亚硫酰氯固有的反应性质，使运输和处理都限制了它的应用。因为每个LWD工作要求使用新的电源组，而井下操作程序要求这些电池即使在部分使用后也要被处理掉，由此提高了成本。另外，提高电池的功率和能量产生的容量一般需要按比例地增大电池的尺寸，这在井中有限的空间制约的情况下会出现困难。这些电池不是可再次充电的，从而要求电池具有足够的能量以维持测井操作的持续时间。
燃料电池可以用来作为井下和海底电子设备的本地电源。燃料电池利用燃料和氧化剂在由阳极、阴极、催化剂、气体分配层和电解质构成的电池单元中进行的电化学反应，产生电力而又不会生成不希望的与燃烧相关的副产品，同时提供相对较高的能量效率。在很多应用中燃料电池与其它电力发生和存储装置相比都具有大量的潜在的优点。在一个燃料电池中，由元素成分氢和氧电化学合成水。该反应生成的热ΔHf的有用部分是吉布斯自由能ΔGf。在燃料电池中，吉布斯自由能转换为电功和热。
许多问题阻碍了燃料电池在井下和海底应用中的使用。例如，在连续操作中，需要稳定供应反应气体并排除生成的水，这在油田的井下应用中是不容易实现的。容器中携带的气体的量和相关的重量约束也限制了连续操作。此外，水处理要求以高压将水泵送到钻孔，这造成它自身的困难。燃料电池通常包括一个或更多的泵以提供燃料和/或氧化剂在单元中的闭环循环。如果这样一个泵在井下不工作，修理或替换会极其昂贵，这需要将燃料电池回收至地面。此外，这些泵的操作消耗电池产生的部分能量，从而减少了可用来操作外部设备的有效功率输出。后者在井下或海底应用中是一个显著的问题，其中电力供应需要一定的时间周期，并且空间约束限制了单纯增大燃料和氧化剂容器的尺寸的能力。另外，反应产品如液态水或水蒸汽需要从燃料电池组中排除以便连续运行燃料电池。水的排除在井下是一个难题，这是因为周围的压力高于传统上燃料电池放置在地面环境并在大气中操作时的压力。使用泵将水排除到高压的井下或可能需要大量的电力，使得这样的系统变得不切实际。
需要一种能够提供操作各种井下设备所需的电力的新的电源供应装置。这种电源应当是紧凑和坚固的以适应井下环境。此外这种电源供应装置应能够在LWD环境中没有钻探泥浆循环流动时供电。
发明内容
所公开的装置涉及一种可充电动力系统，包括：配置为在钻井中操作的钻杆，钻杆包括：燃料电池系统；与燃料电池系统电连接的发电机；涡轮，当钻探泥浆冲击在一个或多个涡轮叶片上时转动，涡轮可操作地与发电机连接；其中燃料电池系统配置为至少当钻探泥浆没有在钻井中循环流动时提供电力，此外还配置为当钻探泥浆在钻井中循环流动时通过发电机充电。
所公开的装置还涉及一种配置为在钻井中操作的可充电燃料电池。燃料电池包括：燃料电池组；与燃料电池组电连接的功率调节器；与功率调节器和燃料电池组电连接的系统控制器；其中燃料电池配置为至少当钻探泥浆没有钻井中循环流动时提供电力，此外还配置为当钻探泥浆在钻井中循环流动时通过发电机充电。
所公开的方法涉及操作一种可充电井下燃料电池。该方法包括：监测流体供应压力；判断流体供应压力是否低于阈值；如果流体供应压力低于阈值则停止燃料电池的放电。
该方法的另一实施例涉及操作一种可充电井下燃料电池。该方法包括：监测流体供应压力；判断流体供应压力是否高于阈值；如果流体供应压力高于阈值则停止燃料电池的充电。
该方法的又一实施例涉及操作一种可充电井下燃料电池。该方法包括：监测燃料电池组的电压；判断电压是否低于给定电流的第一电压阈值；如果电压低于第一电压阈值则停止燃料电池的放电。
该方法的再一实施例涉及操作一种可充电井下燃料电池。该方法包括：监测燃料电池组的供应电压；判断电压是否高于给定充电电流下的第二电压阈值；如果电压高于给定充电电流下的第二电压阈值则停止燃料电池的充电。
在另一实施例中，该方法涉及操作一种可充电井下燃料电池。该方法包括：监测燃料电池组的放电电流；判断放电电流是否低于固定电压下的放电电流阈值；如果电流低于固定电压下的电流阈值则停止燃料电池的放电。
另外，另一实施例涉及一种操作可充电井下燃料电池的方法。该方法包括：监测燃料电池组的电流；判断电流是否低于固定电压下的电流阈值；如果电流低于固定电压下的电流阈值则停止燃料电池的充电。
一个相关的实施例涉及一种操作可充电井下燃料电池的方法。该方法包括：监测燃料电池组的电流；监测燃料电池组的电压；判断电流是否高于固定功率输出下的电流阈值；如果电流高于固定功率输出下的电流阈值则停止燃料电池的放电；判断电压是否低于固定功率输出下的电压阈值；如果电压低于固定功率输出下的电压阈值则停止燃料电池的放电。
在另一实施例中，该方法涉及操作一种可充电井下燃料电池。该方法包括：监测燃料电池组的电流；监测燃料电池组的电压；判断电流是否低于固定充电功率下的电流阈值；如果电流低于固定充电功率下的电流阈值则停止燃料电池的充电；判断电压是否高于固定充电功率下的电压阈值；如果电压高于固定充电功率下的电压阈值则停止燃料电池的充电。
附图说明
结合附图本领域技术人员将更容易理解本申请，在附图中相同的元件用相同的参考标号表示，其中：
图1是具有所公开的燃料电池系统的井下钻杆的大致截面图；
图2是图1中所示的燃料电池系统的示意图；
图3是图2中所示的燃料电池组的截面图；
图4是所公开的燃料电池组的电流和电压与时间的曲线图；
图5是显示了一种判断所公开的燃料电池系统何时开始充电过程的方法的流程图；
图6是显示了另一种判断所公开的燃料电池系统何时开始充电过程的方法的流程图；
图7是显示了一种判断所公开的燃料电池系统何时停止充电的方法的流程图；
图8是显示了另一种判断所公开的燃料电池系统何时停止充电的方法的流程图；
图9是显示了一种使用电流判断所公开的燃料电池系统何时开始充电过程的方法的流程图；
图10是显示了一种使用电流判断所公开的燃料电池系统何时停止充电过程的方法的流程图；
图11是显示了判断所公开的燃料电池系统何时停止放电的方法的另一实施例的流程图；以及
图12是显示了判断所公开的燃料电池系统何时停止充电的方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
参见图1，在典型的钻杆14中给出了一种新的改进燃料电池系统10。虽然所公开的燃料电池系统10在这里主要描述有关涉及地下钻井的应用，但是应该理解所公开的系统10也可以用于钻井之外的其它应用中。钻杆14包括一个用来穿过不同地层以钻掘钻孔22的钻头18。钻杆14在地面上的典型钻机(未示出)的驱动下转动，一定体积的适当的钻探液体或所谓的“钻探泥浆”连续不断地通过管状钻杆向下泵送，并从钻头18处排出以冷却钻头，同时随着钻探泥浆沿着钻杆外部的钻孔22向上返回将钻头18钻掘下来的东西带回地面。在钻探过程中，通过轴杆30与不同于常规的涡轮34连接的旋转驱动发电机26可以提供电力。在钻探过程中，钻探泥浆冲击涡轮34的叶片，进而驱动发电机26以产生电力。燃料电池系统10电连接到发电机26。燃料电池系统10连接着一个或多个条件响应传感器38或井下工具42。当然，应该理解：这些条件响应传感器38满足测量井下状况的要求，例如钻探泥浆或相邻底层的压力、温度、电阻率或电导率、声和核响应，以及目前有线测井工具通常可以获得的各种其它形成条件或特征。还应该理解：井下工具42包括但不局限于：致动器、马达、泵、压缩机和其它驱动系统。
图2显示了燃料电池系统10的详细的示意图。燃料电池组44与氢供应源48和氧供应源52流体连通。氢和氧供应源48和52可以是含有相应流体的压缩容器。第一压力测量装置56与氢供应源48流体连通，第二压力测量装置60与氧供应源52流体连通。电子负载64与燃料电池组44电连接。在图2中虚线表示电连接。电开关66位于负载64和燃料电池组44之间。发电机26与功率调节器72电连接。功率调节器72与燃料电池组44电连接。电开关76位于燃料电池组44和功率调节器72之间。系统控制器68与第一和第二压力测量装置56和60、开关66和76、功率调节器72以及发电机26电连接。电压或电流测量装置80连接到电子负载64、燃料电池组44和系统控制器68。
参见图2，氢供应源48和氧供应源52可以配置为具有几乎相同的压力。本领域普通技术人员应认识到对于相同的压力，所需要的氢的体积大致为氧的两倍。燃料电池系统包括质子交换膜(PEM)。氢作为燃料，氧作为氧化剂。氢和氧合成生成水。在一个优选实施例中，通过氧供应源52提供纯氧以节约空间。在所公开的燃料电池系统中，生成的水保持在燃料电池组44的储水介质中，在图3中将进一步予以描述。对于燃料电池的放电(水合成)，催化剂可以是加载在氢和氧两侧的标准的铂。然而，对于充电过程中水的电解，可以在氧一侧添加IrOx和/或RuO2作为催化剂。因此，在氧一侧的催化剂可以是具有双重作用的Pt、IrOx和/或RuOx的混合物。
A.J.Appleby和F.R.Foulkes在他们的书中，“Fuel Cell Handbook，KriegerPub Co.”，第394页给出了以下论述，这里予以引用：
“除了针对这些材料在碱性溶液中的作用已经完成的工作以外，对它们在酸性系统中的作用也做了一些研究。例如，美国国家标准局对很多有前景的混合氧化物中的一部分进行了大量动电位和静电研究，以确定它们是否可以用来作为磷酸燃料电池中的氧还原电催化剂。结果表明钡钌酸盐与Ti-Ta-O、V-Nb-O和Ce-Ta-O系统在温度达150℃的热磷酸中是稳定的。苏联工作者已经研究了大量钴和/或镍的单一和复合氧化物用于酸介质中的氧还原，以及吸收的氧对还原比率的影响，并报导了含有钴的电极具有最高活性。”
“若干作者已经报导了制备尖晶石和金属的氧化物电催化剂和电极的方法。日本工作者描述了采用CuxFex-xO4或ZnxFe3-xO4(x＝0.005～0.4)制备具有大约0.044Ωcm电阻率的烧结尖晶石型电极。使用由85～95％的金属氧化物和5～15％的导电粉末材料如银、镍、钴或乙炔黑与粘结剂构成的压缩混合物在金属网上制备氧阴极的方法也已经有所报导。Westinghouse电子公司已经获得了除其它材料外还使用CuWO4、NiWO4和/或CoWO4作为氧还原催化剂的专利。已经研究了单一和复合氧化物氧还原电催化剂的催化剂制备参数对性能的影响，并评述了混合氧化物型氧还原催化剂应用于碱性溶液中时的制备。”
“在钙钛矿氧化物的情况下，尖晶石和其它混合氧化物催化剂也已经被用作氧排出催化剂。为此已经用于碱性溶液中的包括NiCo2O4、Co3O4、一般的过渡金属氧化物、以及混合的镍-镧系金属氧化物。用于酸性溶液(通常为硫酸)中的包括过渡金属氧化物，锡、锑和锰的氧化物的混合物，以及钌的混合氧化物(尤其是Ru-Lr-Ta)。”
图3显示了燃料电池组44的详细的视图。在该图中只显示了一组，然而为了提供更多的电力可以串联两个或更多个燃料电池组44。第一双极板84与第一气体分配和水存储区88相邻。与第一气体分配和水存储区88相邻的是第一碳基体加催化剂区90(碳基体为气体分配层)。与第一碳催化剂区90相邻的是PEM 92。与PEM 92相邻的是第二碳基体加催化剂区94。与第二碳基体加催化剂区94相邻的是第二气体分配和水存储区96。与第二气体分配和水存储区96相邻的是第二双极板100。与氢供应源48连通的氢管路104向燃料电池组44中提供氢。氢通过第一双极板84中的氢流道106分配到第一催化剂区90。与氧供应源52连通的氧管路108向燃料电池组44中提供氧。氧通过第一双极板84中的氧流道110分配到第二催化剂区94。密封装置112配置在燃料电池组44的周围以防止氢和/或氧从燃料电池组44中泄漏。
在LWD应用中是可以获得电力的，除非钻探泥浆停止循环流动，这恰好也是需要进行某些静态测量如压力和温度的时候。所公开的燃料电池系统10是一个具有双重功能的紧凑的单元，可配置为(1)在钻探泥浆停止循环流动的期间作为用来发电的燃料电池、以及(2)在钻探泥浆循环流动的期间作为电解器。在充电阶段，燃料电池系统作为电解器将水分解为氢和氧。因此，燃料电池系统10只需要少量的氢和氧，就足够满足充电之间的能量需求。充电应该能够补偿能量消耗、固有的损失效率和可能发生的自放电。
PEM燃料电池是所公开的燃料电池系统的优选实施例。然而，所公开的燃料电池系统可以包括其它类型的燃料电池，如包括但不限于：固态氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)。氢和氧之间合成的结果是在燃料电池组中生成水。在优选实施例中，采用纯氧作为氧化剂以节约空间。但这决不是必须的，只要关注到安全或氧化，那么氧可以与任何稀释剂混合。然而，在封闭的燃料电池中使用稀释剂会导致产生的电力不断减少，这是因为氧被消耗并且稀释剂在气体分配层聚集。因此在所公开的实施例中使用纯氧。
在燃料电池的运行中产生的水通过第一和第二气体分配和水存储区88和96保持在燃料电池组44中。在一个实施例中，区域88和96由可湿性多孔碳纸构成，或者在另一实施例中，区域88和96由紧密编织的多孔碳布构成。多孔碳是一个较好的选择，这是因为它导电、在工作条件下呈惰性并且能够存储水。氢供应源48和氧供应源52只需要向燃料电池组44提供相对少量的氢和氧。燃料电池系统只有在钻探泥浆循环流动停止期间才需要足够的氢和氧来运行燃料电池系统。因此，在氢供应源48和氧供应源52中存储的能量是有限的，但是由于所公开的燃料电池系统能够在钻探泥浆循环流动时充电，所以功率容量是充足的。
所需要的充电电力来自发电机26。燃料电池组44能够电解水，从而生成氢和氧。这是通过在将发生电解的第一碳基体加催化剂区90和第二碳基体加催化剂区94中浸渍双重催化剂来实现的。因此，燃料电池组44同时作为燃料电池和电解器。在燃料电池组44的燃料电池周期中生成的少量的水在电解阶段被转换成原始成分，从根本上不再需要将水泵出系统。水的量足够的少从而能够保持在位于第一气体分配和水存储区88和第二气体分配和水存储区96中的碳纸或布的孔隙中。碳纸或布系统的额外好处是对于工具定位有利。换句话说，在薄的导电亲水性纸或布中的毛细保持作用明显地强于任何重力诱导流。系统中水的保持和电解的能力也要考虑到系统中从氢一侧向第二双极板100(氧电极)可预料到的泄漏。水的合成发生；但是当能量损失时，氢和氧将随后再次生成。然而，如果氢从燃料电池的腔室中泄漏而出，会发生能量容量损失。由密封装置112构成的一个适当的密封系统对防止这种泄漏来说是很重要的。
随着燃料电池组44中水的合成，氢供应源48和氧供应源52的容器都会有所消耗。系统控制器68通过第一压力测量装置56和第二压力测量装置60检测到生成的压力降低。对于一定程度的压力损失，系统控制器68将开始燃料电池的充电过程。如图4所示，充电过程也可以根据燃料电池10的电压和电流与时间的特性来启动。在固定电流放电时，电压的急剧下降发出需要充电的信号。
通过燃料电池反应生成的水主要聚集在位于第二气体分配和水存储区96的亲水性碳纸或碳布中，与阴极(第二双极板100)相邻，在阴极处纯氧与从PEM扩散过来的质子相遇，电子流过外部电路。阳极(第一双极板84)反应为：
                                   方程1阴极反应为：
                            方程2
对于后者，根据是否有一个足够的电压施加(反向反应)或未施加(水合成)来确定反应方向。当正向(向右进行)反应发生时，由燃料电池产生一个电压，其幅度取决于输出电流。零电流电压也被称为开路电压(OCV)，并依赖于严格的运行环境的条件如反应物的易逸度和温度。这些条件中很多是通过构成燃料电池10的气体供应系统的设计来确定的。生成的水保持在燃料电池组44中以便在反向的电解过程中利用。对于反向反应(向左进行)，当电压施加在反向反应阳极(第二双极板100)和反向反应阴极(第一双极板84)之间时，水被电解成氢和氧。注意在正向反应期间，即当燃料电池产生电力时，第一双极板84是阳极而第二双极板100是阴极，相反地，在反向反应期间，即当水被电解成氢和氧时，第一双极板84此时是阴极而第二双极板100此时是阳极。由于当有限的电流从燃料电池周期中输出时的各种损失，产生的电压将在开路电压的大约一半和满值之间。相反地，在电解周期中，所施加的电压大致在开路电压的约一倍到约两倍之间。第一气体分配和水存储区88和第二气体分配和水存储区96必须允许水再次渗入PEM 92。在充电周期中，聚集的水被电解以生成氢和氧。氢和氧都在压力下合成。通过压力测量装置56和60可以连续监测气体压力。
在PEM 92中，电解质的孔径充分地小于第一气体分配和水存储区88和第二气体分配和水存储区96中的孔径，以便任何电解质的水的电解都可以通过从第一气体分配和水存储区88和第二气体分配和水存储区96向PEM 92中的电解质渗透的水得到补充。可以预见水主要在氧的一侧。氢的一侧的水存储只用来预防水的迁移。
在我们的系统中，燃料(氢)和氧化剂(氧)都需要被送到井下。如果反应物为纯氢和氧(相对于空气)，那么能斯特(Nernst)方程中的所有项都是已知的。因此，开路电势通过下式给出：
V = V 0 + RT 2 F ln ( a H 2 a O 2 1 / 2 a H 2 O ) 方程3
其中a为活动率，R为气体常数，T是温度，V是电势，V0是标准状态(1atm，T)下的电势，F是法拉第常数。如前面所提到的，随着电流的输出，供应电压将下降，对每个燃料电池几乎是可再生的性能曲线。实际电压和方程3所给的理论值之间的差是由于各种不可逆性：活性损失、内部电流、欧姆损失和质量传递限制。在理想气体条件下，在建议的80℃下工作压力为400psi或2.7MPa时，按照方程3开路电压为1.255V。放电发生时，氧和氢的压力将下降，在大气压力下，电势将降至1.18V(在80℃条件下；在25℃条件下达到1.23V)。建议保持足够高的压力从而使水不会沸腾。电压的小幅下降可以被用来检测放电程度，压力的直接测量更为耐用和可靠。检测可能发生的失效的一个可选方法是观察放电性能。在一固定电流输出下，电压降到可接受值以下说明需要充电。在燃料电池失效前这可作为一个冗余检测。在我们的工作中，优选模式依靠与压力一起检测电压特征。这些在下面进一步讨论。一旦识别出需要充电，则通过打开开关66断开放电电流电路。通过闭合开关76接通充电电流电路，通过功率调节器获得对燃料电池充电的电力，以便保证电流以固定量注入(相反也可以固定电压检测电流)。应当认识到即使没有充电的信号，也可以选择开始充电以保持系统处于满充状态。对于固定的电流注入，电压将被检测。在优选实施例中，由于能够控制燃料生成率，所以使用固定电流模式。当电压上升超过预定阈值时，认为充电周期完成。假定电池组中没有发生燃料或水的损失，那么当压力接近开始时的原始值时，这一点也将被独立的加以确认。在我们的优选实施例中，对于固定电流充电，我们监测电压。隔膜在电池单元超过最大电压时将受到损坏，通过电池单元的数量和每个电池单元的最大电压确定一个预定阈值，当电压超过该预定阈值时关闭充电过程。另外，监测压力，尽管未必这样，如果压力超过基于所期望的满充状态的预定值时，中断充电过程。不能达到原始的氢的压力可能意味着H2泄漏到环境中，相应在氧一侧，则可能意味着发生了泄漏或者是预料不到的材料氧化。在我们的设计中，最初可以携带过量的水以补偿部分损失。也正是因为这个原因，如果只是监测充电电压，压力可能会超过期望值。因此我们优选监测电压上升，当电压或压力变得大得不可接受时，中止充电过程。类似于充电周期，在放电过程中，我们同时监测压力和电压的下降。如果压力降到低于一定值，这或者是由于泄漏或者是由于放电过程，则需要进行充电。然而，如果在压力发生显著下降之前电压低于阈值，隔膜组件会被注满，从而使水不能进入储水层。这在放电太快时可能会发生。为了纠正这个问题，需要降低放电率或者进行充电。在实践中，我们希望在放电性能降低到燃料耗尽点之前对系统进行充电。
图5显示了判断何时停止燃料电池放电的方法的实施例的流程图。在处理框150中，系统控制器68通过第一压力测量装置56监测氢的压力。在处理框154，系统控制器68通过第二压力测量装置60监测氧的压力。在判断框155，系统控制器68判断氢的压力变化和氧的压力变化是否彼此成适当的比例。如果氢的压力变化和氧的压力变化彼此未成适当的比例，那么系统控制器将在处理框156发出一个不适当氢氧压力变化警告。在氢和氧的压力都被监测的实施例中，如果压力的下降彼此不成适当比例，则输出警告诊断。在判断框158，系统控制器68判断氢的压力是否小于或等于第一阈值。如果氢的压力小于或等于第一阈值，那么系统控制器68停止燃料电池放电，燃料电池在处理框166进入接受充电的准备状态。在判断框162，系统控制器68判断氧的压力是否小于或等于第二阈值。如果氧的压力小于或等于第二阈值，那么系统控制器68执行处理框166。在一个实施例中，氢的压力的第一阈值在大约300psi到大约400psi之间。在另一实施例中，氧的压力的第二阈值在大约300psi到大约400psi之间。在另一实施例中，可以单独监测氢的压力或氧的压力。
图6显示了判断何时停止燃料电池放电的方法的可选实施例的流程图。该实施例可以用作图5所述方法的“备份”，或者与图5方法结合使用，或者单独使用。在处理框174，系统控制器68通过电压测量装置80监测燃料电池组的电压。在判断框178处，系统控制器68判断测得的电压对于一个给定的电流是否小于或等于第一电压阈值。如果电压小于或等于第一电压阈值，那么在处理框182系统控制器停止放电，并使燃料电池组准备充电。在一个实施例中，电压降阈值约为0.5V/单元电池。图5所提到的第一和第二阈值(分别为氢和氧的压力阈值)或图6所提到的第一电压阈值都足以用来触发停止放电处理框166和182。
图7显示了判断何时停止燃料电池充电的方法的一个实施例的流程图。在处理框186，系统控制器68通过第一压力测量装置56监测氢的压力。在处理框190，系统控制器68通过第二压力测量装置60监测氧的压力。在判断框191，系统控制器68判断氧的压力增加和氢的压力增加是否彼此成一定的比例。如果压力增加未成适当比例，那么在处理框192将发出一个氢氧压力变化异常警告。在判断框194，系统控制器68判断氢的压力是否等于或大于第三阈值。如果氢的压力等于或大于第三阈值，那么系统控制器68在处理框202停止燃料电池充电。在判断框198，系统控制器68判断氧的压力是否等于或大于第四阈值。如果氧的压力等于或大于第四阈值，那么系统控制器68在处理框202停止燃料电池充电。第三和第四压力阈值可以是大约400psi的压力上升阈值。
图8显示了判断何时停止燃料电池充电的方法的可选实施例的流程图。该实施例可以用作图7所述方法的“备份”，或者与图7方法结合使用，或者单独使用。在处理框206，系统控制器68通过电压测量装置80监测燃料电池组的电压。在判断框210处，系统控制器68判断测得的电压上升对于一个固定电流是否等于或大于第二电压阈值。如果电压等于或大于第二电压阈值，那么在处理框214系统控制器68停止燃料电池充电。第二电压阈值可以是大约为1.8V/单元电池的电压上升。
图9显示了判断何时停止燃料电池放电的方法的可选实施例的流程图。该实施例可以用作图7和/或图8所述方法的“备份”，或者与图7和/或图8方法结合使用，或者单独使用。在处理框218，系统控制器68通过电流测量装置80监测燃料电池组的电流。在判断框222，系统控制器68判断测得的电流对于一个固定电压是否小于或等于一个电流阈值。如果电流小于或等于电流阈值，那么在处理框226系统控制器停止燃料电池放电，并使燃料电池准备充电。
图10显示了判断何时停止燃料电池充电过程的方法的可选实施例的流程图。该实施例可以用作图5和/或图6所述方法的“备份”，或者与图5和/或图6方法结合使用，或者单独使用。在处理框230，系统控制器68通过电流测量装置80监测燃料电池组的电流。在判断框234，系统控制器68判断测得的电流对于一个固定电压是否小于或等于一个电流阈值。如果电流小于或等于电流阈值，那么在处理框238系统控制器停止燃料电池充电。例如，在大约1.6V/单元电池的固定电压下，电流阈值可以是大约0.003A/cm2。如果电流小于或等于大约0.003A/cm2，那么系统控制器则停止充电步骤。
图11显示了判断何时停止燃料电池放电的方法的可选实施例的流程图。在处理框250，系统控制器68通过电压和/或电流测量装置80监测燃料电池组的电流和电压。在判断框254，系统控制器68判断测得的电流对于一个固定功率输出是否等于或大于一个电流阈值。如果电流等于或大于电流阈值，那么在处理框262系统控制器停止燃料电池放电，并使燃料电池准备充电。在判断框258，系统控制器68判断测得的电压对于一个固定功率输出是否小于或等于一个电压阈值。如果电压小于或等于电压阈值，那么在处理框262系统控制器停止燃料电池放电，并使燃料电池准备充电。
图12显示了判断何时停止燃料电池充电的方法的可选实施例的流程图。在处理框266，系统控制器68通过电压和/或电流测量装置80监测燃料电池组的电流和电压。在判断框272，系统控制器68判断测得的电流对于一个固定充电功率是否小于或等于一个电流阈值。如果电流小于或等于电流阈值，那么在处理框280系统控制器停止燃料电池充电。在判断框276，系统控制器68判断测得的电压对于一个固定充电功率是否等于或大于一个电压阈值。如果电压等于或大于电压阈值，那么在处理框280系统控制器停止燃料电池充电。
所公开的燃料电池系统10具有很多优点。所公开的燃料电池系统是环境友好的以及便于运输的。系统10是可以重复使用的以及可充电的。燃料电池系统具有低运行成本和高功率密度的优点。所公开的燃料电池系统10可以代替那些面临着非常严格的处理和运输要求的、昂贵且一次性使用的高温锂亚硫酰氯电池。
应当注意术语“第一”、“第二”和“第三”等在这里用来修饰执行相同和/或相似功能的部件。除非特别指出，这些修饰词并未暗示所修饰的部件具有空间的、顺序的、或等级的次序。
已经结合几个实施例对技术方案进行了描述，本领域技术人员来可以理解，在不脱离本技术方案保护范围的前提下，可以做出各种改变，并且其部件也可以由等同物替换。另外，在不脱离本技术方案的根本范围的前提下，根据本技术方案的教导，可以做出很多修改以适应特殊的条件或材料。因此，本技术方案并不局限于作为实现本公开的最佳模式的特定实施例，而是包括所有落在所附权利要求范围内的实施例。

Claims (33)

1.一种可充电动力系统，包括：
配置为井下操作的钻杆，钻杆包括：
燃料电池系统；
与燃料电池系统电连接的发电机；
配置为在钻探泥浆冲击一个或多个涡轮叶片的情况下转动的涡轮，涡轮可操作的与发电机连接；并且
其中燃料电池系统配置为至少当钻探泥浆未在钻井中循环流动时提供电力，并进一步配置为当钻探泥浆在钻井中循环流动时通过发电机充电。
2.如权利要求1所述的可充电动力系统，其中燃料电池系统与至少一个传感器电连接。
3.如权利要求1所述的可充电动力系统，其中燃料电池系统与井下LWD工具电连接。
4.如权利要求1所述的可充电动力系统，其中燃料电池系统包括：
燃料电池组；
与燃料电池组电连接的功率调节器；
与燃料功率调节器电连接的发电机；
与功率调节器、发电机和燃料电池组电连接的系统控制器。
5.如权利要求4所述的可充电动力系统，其中燃料电池组包括：
第一双极板；
与第一双极板相邻的第一气体分配和水存储区；
与第一气体分配和水存储区相邻的第一碳基体加催化剂区；
与第一碳基体加催化剂区相邻的质子交换膜；
与质子交换膜相邻的第二碳基体加催化剂区；
与第二碳基体加催化剂区相邻的第二气体分配和水存储区；以及
与第二气体分配和水存储区相邻的第二双极板。
6.如权利要求5所述的可充电动力系统，其中第一气体分配和水存储区和第二气体分配和水存储区配置为存储燃料电池反应所生成的水。
7.如权利要求5所述的可充电动力系统，其中第一气体分配和水存储区和第二气体分配和水存储区都包含编织的多孔碳布。
8.如权利要求5所述的可充电动力系统，其中第一气体分配和水存储区和第二气体分配和水存储区都包含亲水性碳纸。
9.一种配置为井下操作的可充电燃料电池，燃料电池包括：
燃料电池组；
与燃料电池组电连接的功率调节器；
与功率调节器和燃料电池组电连接的系统控制器；并且
其中燃料电池配置为至少当钻探泥浆未在钻井中循环流动时提供电力，并进一步配置为当钻探泥浆在钻井中循环流动时通过一个发电机充电。
10.如权利要求9所述的可充电燃料电池，其中燃料电池与传感器电连接。
11.如权利要求9所述的可充电燃料电池，其中燃料电池与井下LWD工具电连接。
12.如权利要求9所述的可充电燃料电池，其中燃料电池还包括：
第一双极板；
与第一双极板相邻的第一气体分配和水存储区；
与第一气体分配和水存储区相邻的第一碳基体加催化剂区；
与第一碳基体加催化剂区相邻的质子交换膜；
与质子交换膜相邻的第二碳基体加催化剂区；
与第二碳基体加催化剂区相邻的第二气体分配和水存储区；以及
与第二气体分配和水存储区相邻的第二双极板。
13.如权利要求12所述的可充电燃料电池，其中第一气体分配和水存储区和第二气体分配和水存储区配置为存储燃料电池反应所生成的水。
14.如权利要求12所述的可充电燃料电池，其中第一气体分配和水存储区和第二气体分配和水存储区都包含编织的多孔碳布。
15.如权利要求12所述的可充电燃料电池，其中第一气体分配和水存储区和第二气体分配和水存储区都包含亲水性碳纸。
16.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测一个流体供应压力；
判断流体的供应压力是否低于阈值；
如果流体的供应压力低于阈值，则停止燃料电池放电。
17.如权利要求16所述的方法，其中流体为氢，阈值为第一阈值。
18.如权利要求16所述的方法，其中流体为氧，阈值为第二阈值。
19.如权利要求16所述的方法，还包括：
监测第二流体供应压力；
判断第一流体供应压力和第二流体供应压力是否彼此成适当比例；
如果第一流体供应压力和第二流体供应压力彼此未成适当比例，则发出压力比例不适当警告。
20.如权利要求19所述的方法，其中第一流体为氢，第二流体为氧。
21.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测一个流体供应压力；
判断流体的供应压力是否高于阈值；
如果流体的供应压力高于阈值，则停止燃料电池充电。
22.如权利要求21所述的方法，其中流体为氢，阈值为第三阈值。
23.如权利要求21所述的方法，其中流体为氧，阈值为第四阈值。
24.如权利要求22所述的方法，还包括：
监测第二流体供应压力；
判断第一流体供应压力和第二流体供应压力是否彼此成适当比例；
如果第一流体供应压力和第二流体供应压力彼此未成适当比例，则发出压力比例不适当警告。
25.如权利要求24所述的方法，其中第一流体为氢，第二流体为氧。
26.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测燃料电池组的电压；
判断电压是否低于针对一给定电流的第一电压阈值；以及
如果电压低于第一电压阈值，则停止燃料电池放电。
27.如权利要求26所述的方法，其中第一电压阈值是针对给定放电电流的第一电压阈值。
28.如权利要求26所述的方法，其中第一电压阈值是针对给定功率输出的第一电压阈值。
29.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测燃料电池组的供应电压；
判断电压是否高于针对给定充电电流的第二电压阈值；以及
如果电压高于针对给定充电电流的第二电压阈值，则停止燃料电池充电。
30.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测燃料电池组的放电电流；
判断放电电流是否低于固定电压下的放电电流阈值；以及
如果电流低于固定电压下的电流阈值，则停止燃料电池放电。
31.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测燃料电池组的电流；
判断电流是否低于固定电压下的电流阈值；以及
如果电流低于固定电压下的电流阈值，则停止燃料电池充电。
32.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测燃料电池组的电流；
监测燃料电池组的电压；
判断电流是否高于固定功率输出下的电流阈值；
如果电流高于固定功率输出下的电流阈值，则停止燃料电池放电；
判断电压是否低于固定功率输出下的电压阈值；以及
如果电压低于固定功率输出下的电压阈值，则停止燃料电池放电。
33.一种操作可充电井下燃料电池的方法，该方法包括：
监测燃料电池组的电流；
监测燃料电池组的电压；
判断电流是否低于固定充电功率下的电流阈值；
如果电流低于固定充电功率下的电流阈值，则停止燃料电池充电；
判断电压是否高于固定充电功率下的电压阈值；以及
如果电压高于固定充电功率下的电压阈值，则停止燃料电池充电。
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