Изобретение относится к топливным элементам и в одном исполнении к топливным элементам, которые особенно хорошо подходят для использования в нисходящих нефтяных и газовых скважинах, и для использования под водой в соединении с морскими скважинами. Изобретение также может быть полезным для промышленной выработки энергии, энергоснабжения электромобилей и энергоснабжения другого оборудования, например соединительного и контрольного оборудования, размещенного в местностях, удаленных от доступных промышленных источников энергии.
Ряд типов оборудования, используемого в нисходящих нефтяных и газовых скважинах, или под поверхностью моря вблизи морских скважин, управляется или приводится в действие электричеством. Примеры такого оборудования включают определенные инструменты проводной линии связи и дистанционное телеметрическое оборудование буровой скважины. Требуемая электрическая энергия может быть подана путем соединения устройства с источником энергии на поверхности посредством электрических кабелей или путем размещения источника энергии вблизи местоположения самого устройства. Часто непрактично использовать электрические кабели, проходящие с поверхности к подземному или подводному местоположению устройства, приводимого в действие электричеством, из-за больших расстояний, или потому что кабели могут препятствовать прохождению другого оборудования через буровую скважину, и являются уязвимыми к повреждению во время работы в буровой скважине.
Аккумуляторные батареи могут быть использованы как локальный источник энергии для электрических устройств в нисходящих скважинах и под водой, но они имеют свои собственные проблемы. Например, повышение энергоемкости и вырабатываемой энергии аккумуляторной батареи обычно требует пропорционального увеличения размера аккумуляторной батареи, что может представить трудности в связи с ограниченным пространством, которое имеется в буровых скважинах. Также для аккумуляторных батарей обычно требуется производить перезарядку электричеством в определенном месте, тем самым часто создавая необходимость предусмотреть оборудование для перезарядки определенного типа вблизи аккумуляторной батареи.
В топливных элементах используется электрохимическая реакция между топливом и окислителем в элементе, который содержит анод, катод и электролит, чтобы вырабатывать электричество, не вырабатывая при этом нежелательных побочных продуктов, связанных с горением, в то же время обеспечивая относительно более высокую энергетическую эффективность. Таким образом, топливные элементы потенциально имеют ряд преимуществ по сравнению с другими средствами для выработки или хранения энергии во многих применениях. Топливные элементы по настоящему изобретению могут быть использованы в различных применениях. Хотя изобретение прежде всего описано здесь в связи с применениями, включающими подземные буровые скважины, необходимо понять, что изобретение может быть использовано в других применениях, помимо применений в буровых скважинах.
Ряд затруднений препятствует использованию топливных элементов для применений в нисходящих скважинах и под водой. Например, топливные элементы обычно включают один или более насосов для обеспечения циркуляции топлива и/или окислителя в замкнутом контуре через элемент. Если такой насос отказывает в нисходящей скважине, ремонт или замена могут быть чрезвычайно дорогими в связи с необходимостью извлечения топливного элемента на поверхность. Далее, при работе насосов потребляется часть энергии, произведенной элементом, тем самым уменьшается выход располагаемой полезной мощности для работы внешнего устройства. Это последнее обстоятельство может создать значительную проблему в применениях в нисходящей скважине или под водой, в которых требуется подача энергии в течение продолжительного периода времени, и в то же время ограничение пространства лимитирует возможность простого увеличения размера резервуаров для топлива и окислителя. Кроме того, продукт реакции, водяной пар, необходимо отвести от штабеля топливного элемента для того, чтобы топливный элемент работал непрерывно. Удаление воды в окружающее пространство нисходящей скважины и под воду представляет собой проблему, потому что давление окружающей среды выше, чем давление в обычном топливном элементе, размещенном на поверхности в окружающей среде и работающем на воздухе. Использование насоса для удаления воды в окружающую среду с высоким давлением в нисходящей скважине или под воду может потребовать большого количества энергии, что делает такую систему непрактичной.
Патент США 5202194 на имя VanBerg описывает источник электропитания для обеспечения электричеством электрических цепей, размещенных в нисходящей скважине. Источник электропитания содержит топливный элемент, в который подается водород из резервуара под давлением и кислород из баллонов для сжатого газообразного кислорода. Регуляторы давления размещены в трубопроводе между резервуаром для водорода и топливным элементом и в трубопроводе между баллонами для кислорода и топливным элементом. Насос используется для удаления воды из топливного элемента в буровую скважину. Необходимость иметь проток для выхода воды изнутри этого топливного элемента наружу увеличивает потенциальные проблемы надежности и может быть непрактичной для использования в нисходящей скважине.
Имеется потребность в новой концепции работы топливного элемента и в усовершенствованном устройстве топливного элемента, которое может обеспечить электрическую энергию, требуемую для работы различного оборудования в нисходящей скважине и под водой.
Сущность изобретения
Одно конструктивное исполнение настоящего изобретения относится к топливному элементу, который включает сосуд для топлива, который содержит источник топлива, и сосуд для окислителя, содержащий источник окислителя. Зона реакции содержит по меньшей мере один катод, по меньшей мере один анод и электролит между каждым анодом и катодом. Закрытый сосуд для воды соединен с зоной реакции посредством по меньшей мере одного капиллярного протока. Топливный элемент также содержит трубопровод для топлива, который соединяет сосуд для топлива и зону реакции. Этот трубопровод для топлива содержит устройство для регулирования давления топлива, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление топлива в зоне реакции. Топливный элемент дополнительно включает трубопровод для окислителя, который соединяет сосуд для окислителя и зону реакции, и включает устройство для регулирования давления окислителя, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление окислителя в зоне реакции. Кроме того, топливный элемент содержит электрические провода, соединенные с анодом и катодом и приспособленные для того, чтобы проводить электричество к внешнему устройству.
В определенных конструктивных исполнениях топливного элемента по настоящему изобретению нет необходимости в динамическом потоке топлива, окислителя или воды в замкнутом контуре через зону реакции. Причина этого заключается в том, что сосуды для топлива и окислителя и устройство для регулирования давления обеспечивают повышенное статическое давление в зоне реакции. В закрытом сосуде для воды принимается и хранится вода (жидкость), полученная в результате реакции в топливном элементе, тем самым исключается необходимость откачивать насосом воду из топливного элемента для удаления.
В некоторых конструктивных исполнениях топливный элемент по настоящему изобретению не включает никакого насоса для топлива, насоса для окислителя или насоса для воды. Как упомянуто выше, такие насосы не требуются в некоторых конструктивных исполнениях по настоящему изобретению. Также возможно, что зона реакции содержит только отверстия для потока текучей среды, по меньшей мере одно отверстие, соединенное с трубопроводом для топлива для впуска топлива в зону реакции, по меньшей мере одно отверстие, соединенное с трубопроводом для окислителя для впуска окислителя в зону реакции, и капиллярный проток (или протоки), который соединяет зону реакции с сосудом для воды. Капиллярный проток может содержать трубку, резьбу, трубопровод или другие формы, по которым может подаваться полученная вода из зоны реакции в сосуд для воды, и может быть прикреплен к поверхностям мембраны в зоне реакции, лежать на них или иным способом соприкасаться с ними.
Топливный элемент по некоторым конструктивным исполнениям настоящего изобретения работает под статическим давлением в зоне реакции, которое является достаточно высоким для того, чтобы вызвать конденсацию водяного пара, образованного и выработанного в топливном элементе, когда достигнута точка насыщения. Соответственно топливный элемент должен работать под давлением, которое выше, чем давление насыщенного водяного пара для данного применения. “Статическое давление” в этом контексте представляет собой давление, которое изменяется между камерой анода и катода топливного элемента не более чем примерно на 5% при нормальной работе. Некоторые конструктивные исполнения по изобретению работают при избыточном давлении в зоне реакции между примерно 40-400 psig (фунт на квадратный дюйм), более типично примерно 50-200 ft/in2, в зависимости от рабочей температуры.
В одном конкретном конструктивном исполнении изобретения устройство для регулирования давления топлива и устройство для регулирования давления окислителя представляют собой клапаны для регулирования давления. В другом конструктивном исполнении изобретения сосуд для воды размещен внутри по меньшей мере одного катода. В других конструктивных исполнениях сосуд для воды размещен снаружи зоны реакции.
Несмотря на то, что топливный элемент по настоящему изобретению может работать с одним анодом, катодом и электролитом, во многих применениях желательно иметь множество элементов в одном устройстве. Следовательно, альтернативное конструктивное исполнение содержит по меньшей мере один дополнительный топливный элемент, который включает анод, катод и электролит, причем топливные элементы расположены в конфигурации в виде штабеля. В это конструктивное исполнение по изобретению может быть включена по меньшей мере одна биполярная пластина, которая содержит анод одного топливного элемента в штабеле и катод ближайшего топливного элемента в штабеле. Например, биполярная пластина может содержать две по существу плоские поверхности, причем анод размещен на одной из поверхностей и катод размещен на другой поверхности. "По существу плоские" в этом контексте обозначает, что вся поверхность пластины является в основном плоской, хотя на поверхности могут быть выполнены канавки для облегчения распределения топлива или окислителя.
Настоящее изобретение может быть использовано со множеством типов топливных элементов, включая топливные элементы с фосфорной кислотой и щелочные топливные элементы.
Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для использования с топливными элементами с протонообменной мембраной. Конструктивные исполнения по изобретению могут работать при повышенных температуре и давлении. Температура может находиться, например, в диапазоне от 80°С до 130°С. Более высокое рабочее давление (вплоть до 400 psi (фунтов на квадратный дюйм) предотвращает обезвоживание мембраны при повышенной рабочей температуре (более чем примерно 80°С). Регуляторы давления на подаче топлива и окислителя регулируют рабочее давление. Регуляторы температуры и давления дают возможность достижения баланса, что позволяет мембране оставаться влажной, в то же время обеспечивая конденсацию водяного пара и удаление жидкой воды из зоны реакции. Свойства топливного элемента с закрытым концом, в котором для подачи как топлива, так и окислителя имеется вход в зону реакции, но нет выхода для газа из зоны реакции, дают возможность работы при повышенном давлении. Единственным выходом из зоны реакции является выход для удаления полученной воды. Если полученная вода не будет удаляться из зоны реакции, вода будет накапливаться, и реакция в топливном элементе не сможет продолжаться. Если мембрана становится обезвоженной, произойдет отказ топливного элемента, потому что для работы мембрана должна быть влажной. В конкретном конструктивном исполнении топливного элемента с протонообменной мембраной, электролит между анодом и катодом содержит полимерный материал.
Настоящее изобретение также хорошо подходит для использования с топливными элементами с твердым оксидом. При более высоких рабочих температурах, например 700°С, топливный элемент с твердым оксидом дает возможность использовать элемент этого типа даже в применениях в буровых скважинах с самыми экстремально высокими температурами. В топливном элементе с твердым оксидом вода получается на стороне анода, поэтому сосуд для воды находится в соединении с анодом. Сосуд для воды может содержать материал, представляющий собой гидрид металла, который способен реагировать с водой, как побочным продуктом топливного элемента, и выделять газообразный водород. Этот полученный газообразный водород может быть использован как топливо и может подаваться из сосуда для воды в трубопровод для топлива посредством трубопровода для рециркуляции топлива. Желательно, чтобы сосуд для регенерации топлива содержал насос, выполненный с возможностью подачи газообразного водорода из сосуда для регенерации в трубопровод для топлива. Желательно, чтобы сосуд для регенерации топлива и сосуд для воды представляли собой один и тот же сосуд. Желательно, чтобы сосуд для регенерации топлива размещали внутри сосуда для воды. Сосуд для регенерации топлива может быть соединен с частью анода зоны реакции посредством по меньшей мере одного или более протоков, которые дают ему возможность принимать полученную воду.
Материал, представляющий собой гидрид металла, который содержится в сосуде для регенерации топлива, может реагировать с водой и образовать газообразный водород. Трубопровод для регенерированного топлива, соединяющий сосуд для регенерации топлива с трубопроводом для топлива, подает газообразный водород. Внутренний насос может быть включен в сосуд для регенерации топлива или в трубопровод для регенерированного топлива, что дает возможность комбинировать газ со свежим топливом. В топливном элементе с твердым оксидом электролит обычно содержит твердый керамический материал.
Дальнейшее конструктивное исполнение настоящего изобретения содержит корпус и по меньшей мере одну мембрану внутри корпуса, причем мембрана имеет противоположные поверхности. Подача кислорода находится в соединении с одной поверхностью мембраны, в то время как подача водорода находится в соединении с другой поверхностью мембраны. Мембрана содержит по меньшей мере одну скошенную поверхность. Мембрана может иметь форму, например, усеченного конуса, коническую, полусферическую, в форме чаши или изогнутую. Как и в некоторых других конструктивных исполнениях, возможно, чтобы этот топливный элемент не содержал внутренних движущихся частей и мог быть соединен с аккумуляторной батареей для образования смешанного источника электропитания.
Еще одно конструктивное исполнение представляет собой описанный выше топливный элемент, который также содержит по меньшей мере одну пластину разделитель/электрод, ближайшую к мембране. Пластина разделитель/электрод сконструирована таким образом, что в ней образована по меньшей мере одна канавка, причем канавка имеет покрытие из гидрофобного материала, такого как парафин или пластичный смазочный материал. Гидрофобный материал облегчает удаление полученной воды из зоны реакции.
Другое конструктивное исполнение содержит по меньшей мере один резервуар, который находится в соединении по потоку текучей среды с площадью вблизи по меньшей мере одной из поверхностей мембраны. Резервуар может быть размещен под мембраной так, что гравитационные силы могут содействовать в удалении воды. Резервуар может быть размещен для приема полученной воды в форме пара или жидкости и может дополнительно содержать сито между входом и выходом, осушитель внутри резервуара и камеру для воды. Топливный элемент может также содержать насос, соединенный с выходом из резервуара, и может содержать внутренний циркуляционный насос, соединенный со входом свежего окислителя.
Сосуд для топлива и сосуд для окислителя могут иметь различные формы по настоящему изобретению. Например, сосуд для топлива может содержать сосуд под давлением, который содержит сжатый газообразный водород или реформированный газообразный углеводород. Однако альтернативные конструктивные исполнения по изобретению могут включать сосуд для топлива, содержащий по меньшей мере один гидрид металла, который может выделять газообразный водород. Использование гидрида металла, как средства для хранения водорода, обеспечивает очень эффективное использование пространства, что может быть важным соображением в применениях в нисходящих скважинах и под водой. Также хранение водорода в гидриде металла повышает безопасность топливного элемента, так как дает возможность работы при более низких давлениях по отношению к давлениям, требуемым, когда используется чистый водород. Необходимо отметить, что в то время, как настоящее изобретение описано в рабочих интервалах, доступны различные типы гидридов металлов, которые работают при более высоких давлениях, как например, между 500 и 800 psi 3444 и 5513 кРа. Использование этих гидридов металлов для более высоких давлений может повысить рабочую температуру топливного элемента до 100°С, до 200°С или выше. Сосуд для окислителя может содержать, например, сосуд под давлением, который содержит газообразный кислород под избыточным давлением по меньшей мере примерно 1000 psig (6889 кРА), или альтернативно по меньшей мере примерно 5000 psig (34445 кРа), до примерно 15000 psig.
Топливные элементы по настоящему изобретению очень хорошо подходят для применений, в которых требуется низкая мощность на выходе в течение длительного времени. Например, в одном конструктивном исполнении по изобретению топливный элемент имеет мощность на выходе по меньшей мере примерно 1 Вт (например, 1-30 Вт, часто примерно 10-20 Вт) в течение периода в несколько недель. Большее устройство топливного элемента по настоящему изобретению может также быть использовано в применениях, требующих более высокой мощности на выходе. В некоторых альтернативных конструктивных исполнениях в применениях для более высокой мощности кислород может циркулировать, что может облегчить получение более высокой мощности на выходе.
В одном конструктивном исполнении изобретения топливный элемент дополнительно содержит корпус, который ограждает по меньшей мере часть зоны реакции, и содержит цилиндрическую наружную стенку. Другими словами, корпус ограждает часть зоны реакции или всю зону, и по выбору может также ограждать сосуды для топлива и окислителя. Корпус может также содержать цилиндрическую внутреннюю стенку, которая образует открытое продольное отверстие в топливном элементе. В этом конструктивном исполнении по изобретению кольцевая конфигурация топливного элемента делает его удобным для использования в нисходящих нефтяных и газовых скважинах путем образования по меньшей мере одного прохода через топливный элемент. Проходы внутри топливного элемента могут быть полезными, чтобы получать через них текучие среды из пласта или пропускать кабели, трубопроводы или другие устройства. Корпус может альтернативно содержать часть кольца или иметь некоторую другую форму, которая облегчает размещение в кольцевом пространстве. Круглые или цилиндрические устройства также являются особенно полезными для применения в нисходящей скважине. Корпус может ограждать сосуд для полученной воды в дополнение к сосудам для топлива и для окислителя и зоне реакции. В одном конструктивном исполнении по изобретению корпус ограждает весь топливный элемент за исключением электрических проводов, которые приспособлены, чтобы проводить электричество к внешнему устройству.
Целью размещения топливного элемента в нисходящей скважине, или на участке под водой в морской буровой скважине или вблизи нее, является подача энергии к электрическому устройству. Поэтому в таких применениях устройство может также содержать электрическое устройство нисходящей скважины или подводное электрическое устройство, которое находится в электрическом соединении с топливным элементом (например, посредством проводов или электрических кабелей). В некоторых конструктивных исполнениях по изобретению топливный элемент соединен с аккумуляторной батареей для образования смешанного источника энергии. Аккумуляторная батарея может быть перезаряжаемого типа, который может заряжаться от топливного элемента в то время, когда требуется мощность меньше пиковой мощности, и может разряжаться для того, чтобы помочь топливному элементу в то время, когда требуется пиковая мощность. Смешанный источник энергии аккумуляторная батарея - топливный элемент может, таким образом, подать силовые нагрузки в более широком диапазоне, чем может подать действующий отдельно топливный элемент.
Одним конкретным конструктивным исполнением по настоящему изобретению является система электропитания, которая содержит топливный элемент и перезаряжаемую аккумуляторную батарею, которая находится в электрическом соединении с топливным элементом так, что топливный элемент перезаряжает перезаряжаемую аккумуляторную батарею во время периодов простоя. Топливный элемент огражден корпусом для хранения полученной воды, выработанной внутри топливного элемента.
Другим аспектом настоящего изобретения является комплект оборудования нисходящей скважины, который содержит конструкцию нисходящей скважины (например, буровую обсадную колонну, обсадную трубу скважины или систему труб скважины), размещенную в подземной буровой скважине. Топливный элемент, как описано выше, прикреплен к конструкции нисходящей скважины, и электрическое устройство нисходящей скважины находится в электрическом соединении с топливным элементом. Еще одним аспектом настоящего изобретения является комплект подводного оборудования, который содержит подводную конструкцию (например, вертикальную трубу) для морской скважины и топливный элемент (как описано выше), прикрепленный к подводной конструкции. Подводное электрическое устройство (например, бескабельная контрольная система) находится в электрическом соединении с топливным элементом.
Настоящим изобретением предусмотрен топливный элемент, содержащий корпус, по меньшей мере одну мембрану внутри корпуса, причем мембрана имеет противоположные поверхности, подачу кислорода, соединенную с одной мембраной, подачу водорода, соединенную с другой поверхностью по меньшей мере одной мембраны, и по меньшей мере один капиллярный элемент, проходящий из положения вблизи по меньшей мере к одной из поверхностей мембраны в положение, удаленное от поверхности мембраны, выполненный с возможностью вывода воды из зоны реакции.
Настоящим изобретением предусмотрено простое, надежное и эффективное средство выработки электрической энергии в окружающей среде нисходящей скважины или под водой. Устройство топливного элемента по настоящему изобретению может обеспечивать энергию без необходимости в движущихся частях, тем самым уменьшая шанс механической аварии.
Устройство топливного элемента по настоящему изобретению также полезно для дистанционных применений энергии, например, для снабжения энергией геосенсорных датчиков, размещенных на поверхности земли в местах, которые удалены достаточно далеко, так что установка и замена обычных аккумуляторных батарей будут обременительными и дорогими.
Настоящее изобретение также имеет преимущества по безопасности. Конструктивные исполнения по настоящему изобретению, в которых используется гидрид металла как средство для хранения водорода, в значительной степени исключают риски безопасности, связанные с хранением газообразного водорода под высоким давлением.
Свойства закрытого устройства топливного элемента по определенным конструктивным исполнениям настоящего изобретения обеспечивают повышенную надежность по сравнению с известными топливными элементами. Поскольку текучие среды любого типа не должны откачиваться изнутри устройства топливного элемента к наружному участку, в нем нет отверстий, открытых наружу, которые могут стать источником протечек, и не требуется насос, который потребляет часть энергии, выработанной топливным элементом и может потенциально выйти из строя.
При работе при повышенном статическом давлении по настоящему изобретению мембрана в топливном элементе с протонообменной мембраной поддерживается влажной, и таким образом имеет возможность работать в широком диапазоне температур (например, 0-150°С).
Величина вырабатываемой энергии топливных элементов может быть повышена просто путем использования сосуда для топлива большей емкости и/или сосуда для окислителя большей емкости.
Таким образом, в отличие от аккумуляторных батарей, увеличение энергоемкости и вырабатываемой энергии топливного элемента не требует пропорционального увеличения размера.
Одним воплощением по настоящему изобретению является способ подачи энергии в буровую скважину, содержащий стадию, на которой предусматривают топливный элемент внутри буровой скважины или вблизи нее. Способ может содержать стадии, на которых производят электрическое соединение топливного элемента с электрическим устройством нисходящей скважины и соединяют аккумуляторную батарею с топливным элементом для образования смешанного источника энергии. Способ может также содержать стадии, на которых соединяют топливный элемент с обсадной колонной труб и вставляют топливный элемент и обсадную колонну труб внутрь буровой скважины.
Другим воплощением является способ завершения буровой скважины, содержащий стадии, на которых предусматривают топливный элемент, содержащий сосуд для топлива как источник топлива и сосуд для окислителя как источник окислителя. Топливный элемент имеет зону реакции, имеющую по меньшей мере один катод, по меньшей мере один анод и электролит между каждым анодом и катодом. Закрытый сосуд для воды соединен с зоной реакции посредством по меньшей мере одного капиллярного протока. Трубопровод для топлива соединяет сосуд для топлива и зону реакции и содержит устройство для регулирования давления топлива, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление топлива в зоне реакции. Трубопровод для окислителя соединяет сосуд для окислителя и зону реакции и содержит устройство для регулирования давления окислителя, приспособленное для того, чтобы поддерживать статическое давление окислителя в зоне реакции. Электрические провода соединены с анодом и катодом и приспособлены для того, чтобы проводить электричество к внешнему устройству. Топливный элемент соединен с электрическим устройством, и топливный элемент и электрическое устройство вставлены в буровую скважину. Топливный элемент может быть соединен с аккумуляторной батареей для образования смешанного источника энергии. Топливный элемент может иметь такую конструкцию, чтобы в нем был образован по меньшей мере один проход через топливный элемент. Желательно, чтобы топливный элемент имел аркообразную форму поперечного сечения. Текучие среды из пласта могут затем быть получены из буровой скважины, причем текучие среды из пласта проходят через проход, образованный топливным элементом.
Еще одним воплощением является способ подачи электропитания в электрическую цепь инструмента нисходящей скважины, содержащий стадии, на которых предусматривают топливный элемент, содержащий корпус, сосуд для топлива, сосуд для окислителя и электрические провода, в котором топливный элемент огражден корпусом, за исключением электрических проводов. Производят электрическое соединение топливного элемента с электрической цепью инструмента нисходящей скважины, и инструмент нисходящей скважины и топливный элемент вставляют в буровую скважину. Электричество вырабатывают внутри буровой скважины посредством топливного элемента и подают по меньшей мере часть электричества, которое нужно для снабжения энергией электрической цепи инструмента нисходящей скважины. Аккумуляторная батарея может находиться в электрическом соединении с топливным элементом для образования, таким образом, смешанного источника электропитания, в котором можно сохранять часть электричества, выработанного топливным элементом. Топливный элемент может дополнительно содержать насос и выход, причем насос может удалять полученную воду из выхода топливного элемента. В альтернативном воплощении этого способа используется топливный элемент, в котором не содержится внутренних движущихся частей. Вода, полученная в топливном элементе, может быть приведена в контакт с материалом, представляющим собой гидрид металла, для получения газообразного водорода. Топливный элемент, в котором по меньшей мере один резервуар соединен с трубопроводом для топлива посредством трубопровода для регенерации топлива. Топливный элемент, в котором по меньшей мере один резервуар содержит насос для подачи газообразного водорода по меньшей мере из одного резервуара через трубопровод для регенерации топлива в трубопровод для топлива.
Другое альтернативное конструктивное исполнение представляет собой топливный элемент, содержащий протонообменную мембрану, камеру с закрытым концом на стороне кислорода мембраны и камеру с закрытым концом на стороне водорода мембраны. Сосуд для воды может быть соединен по меньшей мере с одной из камер с закрытым концом посредством по меньшей мере одного капиллярного протока, причем в сосуде хранится вода, полученная как побочный продукт. Топливный элемент может дополнительно содержать протонообменную мембрану, подачу кислорода под давлением, соединенную с первой стороной мембраны, и подачу водорода под давлением, соединенную со второй стороной мембраны. Подача кислорода и водорода под давлением может поддержать первую и вторую мембраны под давлением от 30 до 300 ft/in2(276-2756 кРа).
Способ использования топливного элемента содержит стадии, на которых предусматривают топливный элемент с протонообменной мембраной, и эксплуатируют топливный элемент при температуре, равной или большей, чем 90°С. В некоторых воплощениях рабочая температура может быть равна или больше, чем 100°С, или, альтернативно, равна или больше, чем 120°С.
Другим воплощением изобретения является способ использования топливного элемента, содержащий стадии, на которых предусматривают топливный элемент с протонообменной мембраной, который вырабатывает водяной пар во время работы, и конденсируют часть водяного пара внутри топливного элемента. Конденсация воды может производиться внутри зоны реакции, и часть жидкой воды может быть удалена из зоны реакции по капиллярному протоку в сосуд для воды.
Некоторые конструктивные исполнения по настоящему изобретению могут быть применены как источник энергии для использования в буровой скважине, содержащий топливный элемент с мембраной протонобменного типа, и как способ энергоснабжения инструмента в буровой скважине, содержащий стадию, на которой оперативно соединяют топливный элемент с мембраной протонобменного типа с инструментом.
Некоторые конструктивные исполнения по настоящему изобретению могут также быть применены как источник энергии для использования в буровой скважине, содержащий топливный элемент с твердым оксидом, и способ энергоснабжения инструмента в буровой скважине, содержащий стадию, на которой оперативно соединяют топливный элемент с твердым оксидом с инструментом.
Альтернативным воплощением настоящего изобретения является способ энергоснабжения буровой скважины с высокой температурой, содержащий стадию, на которой предусматривают топливный элемент, который может выдерживать рабочие температуры до 600°С или выше. Этот топливный элемент может работать в окружающей среде с температурами от 0°С до 1000°С.
Еще одним конструктивным исполнением является топливный элемент, содержащий по меньшей мере один капиллярный элемент, который может иметь по меньшей мере один капиллярный узел мембрана/электрод и по меньшей мере один сосуд для воды. По меньшей мере один капиллярный элемент может подавать воду из узла мембрана/электрод в сосуд для воды. Один конец по меньшей мере одного капиллярного элемента размещен на поверхности узла мембрана/электрод и проходит наружу от поверхности узла мембрана/электрод, в то время как другой конец капиллярного элемента находится в контакте с сосудом для воды. По меньшей мере один капиллярный элемент может соединять воду с поверхности узла мембрана/электрод с сосудом для воды. Более чем один капиллярный элемент может соединять воду с поверхности узла мембрана/электрод с общим сосудом для воды.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение устройства конструктивного исполнения топливного элемента по настоящему изобретению, содержащего два топливных элемента в конфигурации типа штабеля.
Фиг.2 представляет собой схематический чертеж, на котором показан топливный элемент в буровой скважине.
Фиг.3 представляет собой схематический чертеж, на котором показан топливный элемент, размещенный вблизи устья буровой скважины на дне моря.
Фиг.4 представляет собой схематический чертеж, на котором показан топливный элемент, размещенный в вертикальном трубопроводе.
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение в разобранном виде альтернативного топливного элемента.
Фиг.6 представляет собой вид сверху пластины топливного элемента.
Фиг.7 представляет собой вид сбоку пластины топливного элемента.
Фиг.8 представляет собой схематический вид второго резервуара.
Фиг.9 представляет собой вид сбоку пластины топливного элемента.
Фиг.10 представляет собой топливный элемент альтернативной формы.
Фиг.11 представляет собой вид сверху альтернативной мембраны с капиллярами на ней.
Фиг.12 представляет собой вид сбоку поперечного сечения, на котором показаны капиллярные элементы, входящие в резервуар.
Фиг.13 представляет собой иллюстрацию альтернативного конструктивного исполнения по изобретению, содержащего топливный элемент с тремя элементами.
Фиг.14 представляет собой упрощенную электрическую схему, иллюстрирующую смешанный источник электропитания аккумуляторная батарея/топливный элемент.
Фиг.15 представляет собой иллюстрацию конструктивного исполнения топливного элемента с протонообменной мембраной.
Конструктивные исполнения по настоящему изобретению предусматривают практические средства для использования топливных элементов на участках в нисходящих скважинах или под водой, для того, чтобы снабжать энергией электрические устройства, которые используются глубоко под поверхностью буровой скважины или под поверхностью воды. Однако необходимо понять, что топливные элементы по настоящему изобретению могут быть использованы также в других контекстах, и изобретение не ограничено использованием под водой и в нисходящих нефтяных или газовых скважинах, или вблизи них. В некоторых применениях топливный элемент может подавать мощность более надежно и в большем суммарном количестве, чем альтернативные формы энергии, такие, как аккумуляторные батареи. Большая плотность энергии и мощности топливного элемента по сравнению с другими альтернативами может часто понизить вес и размер всей энергетической установки. Уменьшение размера энергетического блока топливного элемента может дать возможность использовать инструменты и оборудование, требующие электрическую энергию, в применениях, в которых они не могли быть использованы ранее. Топливные элементы считаются экологически чистым источником энергии, так как главным отходом, который получается при использовании топливного элемента, является вода (предполагая, что источником топлива является водород).
На фиг.1 показано одно конструктивное исполнение по настоящему изобретению в поперечном сечении. Топливный элемент 10 содержит сосуд 12 для топлива, сосуд 14 для окислителя и зону 16 реакции. Нужно отметить, что, хотя в этом применении упомянуты только один сосуд для топлива и сосуд для окислителя, множество сосудов для топлива и окислителя могут быть приспособлены для использования специалистом в этой области техники.
Сосуд 12 для топлива содержит источник топлива, подходящего для использования в топливном элементе, такого как газообразный водород или реформированный углеводород. В одном конструктивном исполнении сосуд для топлива содержит гидрид металла. Это обеспечивает средство высокой плотности для хранения водорода. Газообразный водород выделяется из твердого гидрида и проходит через трубопровод 18 для топлива к зоне 16 реакции. Альтернативно, сосуд может содержать газообразный водород под высоким избыточным давлением (например, от 500 до 5000 ft/in2). Использование гидрида металла для хранения водорода имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными установками для хранения газа под высоким давлением. Гидрид металла может обеспечить большую емкость хранения в расчете на единицу объема, и более низкое давление гидрида металла может обеспечить более безопасный режим работы, особенно в условиях окружающей среды с высокой температурой. Подача топлива в зону 16 реакции регулируется клапаном 64, который обычно представляет собой клапан для регулирования давления.
Аналогично, сосуд 14 для окислителя содержит окислитель, такой как воздух или газообразный кислород под высоким избыточным давлением (например, от 5000 до 15000 ft/in2), который проходит через трубопровод 20 окислителя в зону реакции. Подача окислителя в зону 16 реакции регулируется клапаном 66, который обычно представляет собой клапан для регулирования давления. Клапаны 64, 66 регулируют давление в зоне 16 реакции. Поскольку имеются входы для топлива и окислителя, но нет выходов для газа из зоны 16 реакции, конструктивные исполнения, такие как это, могут быть упомянуты как зона реакции с закрытым концом, или как топливный элемент, имеющий камеру с закрытым концом со стороны топлива и со стороны окислителя. Под термином камера с закрытым концом подразумевается камера, имеющая вход для газа, не имеющая выхода для газа, и по выбору имеющая выход для воды.
Топливный элемент по этому конструктивному исполнению содержит наружную стенку 22, которая имеет круглое поперечное сечение в горизонтальной плоскости. Внутри этой стенки имеются проходы 24 и 26 для топлива и окислителя соответственно. Эти проходы функционируют как продолжения трубопровода 18 для топлива и трубопровода 20 для окислителя и служат для подвода топлива и окислителя к требуемым участкам в электродах топливного элемента или вблизи от них.
Топливный элемент также содержит внутреннюю стенку 28, которая также имеет круглое поперечное сечение в горизонтальной плоскости. Эта внутренняя стенка 28 образует открытое продольное отверстие 30, проходящее через центр зоны реакции. Сосуд 12 для топлива и сосуд 14 для окислителя могут также содержать такое открытое продольное отверстие 30 вдоль их продольной оси. Отметим, однако, что топливный элемент может быть круглым или иметь любую другую желаемую форму. На фиг.10 показана альтернативная форма корпуса, которая является частью кольца или аркообразной. Корпус может иметь несколько другую форму, которая облегчает расположение топливного элемента в кольце.
Внутри кольцевого пространства, образованного наружной стенкой 22 и внутренней стенкой 28, лежит зона 16 реакции топливного элемента. Эта зона реакции в конструктивном исполнении по фиг.1 содержит пластину 32 анода, биполярную пластину 34, которая содержит часть 36 пластины катода на одной из ее сторон и часть 38 пластины анода на другой стороне, и пластину 40 катода. Между каждым анодом и катодом находится электролит. В конструктивном исполнении по фиг.1 используются протонообменные мембраны 42 и 44 как электролит. Эти компоненты могут быть уложены в штабель в различных сочетаниях, чтобы создать топливные элементы с большим или меньшим количеством зон реакции и мембран.
Трубопровод 18 для топлива может проходить через наружную стенку 22 и в каждую пластину 32 и 38 анода, где он может опорожняться в канавки 46 в анодах. Это дает возможность подавать топливо к поверхности пластин анода. Аналогично, трубопровод 20 для окислителя может проходить через наружную стенку 22 и в каждую пластину 36 и 40 катода, где он может опорожняться в канавки 48 в катодах.
Зона реакции топливного элемента может также содержать множество уплотнительных элементов 50, таких как кольцевые прокладки, чтобы уплотнить электроды к наружной стенке 22 и внутренней стенке 28. В альтернативном конструктивном исполнении зона реакции может содержать уплотнения, такие как уплотнительные элементы 52 (например, прокладки) из фторуглеродного полимера (например, тефлона) между электродами и протонообменной мембраной.
Топливный элемент также содержит приемник для воды, по выбору размещенный внутри топливного элемента, так что воду не нужно откачивать, или другим способом вытеснять из корпуса топливного элемента. В частности, сосуды 54 для воды размещены внутри пластин 36 и 40 катода и соединены с поверхностью каждого катода капиллярными трубками 56. Эти трубки 56 дают возможность сливать в сосуды 54 воду, образованную посредством реакции в топливном элементе, тем самым исключается необходимость откачивать воду на внешний удаленный участок. Исключение необходимости откачивать полученную воду на внешний участок дает возможность получить более высокий выход полезной энергии, поскольку не требуется насоса, который потребляет часть выработанной энергии. Полученная в результате установка является также более простой установкой, поскольку в ней не требуется движущихся частей для удаления воды. Вода, образованная посредством реакции в топливном элементе, может сливаться в сосуды посредством капиллярного эффекта, гравитации или сочетания обоих факторов. Капиллярный эффект удаляет воду из зоны реакции безотносительно к ориентации штабеля топливного элемента. Этот факт может быть особенно полезен для применений в буровых скважинах, которые отклоняются от вертикали, например, в горизонтальных отводах.
Полностью огражденная конструкция приводит в результате к высокоэффективному использованию топлива и окислителя, так как реагенты, обычно H2 и O2, остаются внутри штабеля топливного элемента, пока они не будут израсходованы в реакции, и только продукт реакции (H2O) удаляется из зоны реакции.
На фиг.12 схематически показано, как капиллярный элемент 540, который может представлять собой трубку или резьбу, или другое подобное устройство, проходит из положения вблизи поверхности мембраны или соприкосновения с мембраной в резервуар. Хотя показано, что сосуды 54 для приема воды размещены в пластине катода по фиг.1, необходимо понять, что они могут быть размещены также где угодно в устройстве. Сосуды 54 для воды могут содержать материал, который абсорбирует воду. Материал, абсорбирующий воду, может действовать так, чтобы извлекать воду из капиллярного элемента, и таким образом увеличивать удаление полученной воды из зоны реакции. Материал, абсорбирующий воду, может действовать так, что он связывает воду и каким-либо образом ограничивает возможное перемещение воды из сосуда 54 для приема воды.
В конструктивном исполнении, показанном на фиг.1, наружная стенка 22 топливного элемента ограждает электроды и электролит, а не сосуды 12 и 14 для хранения топлива и окислителя. Также возможно иметь наружную стенку, ограждающую сосуды 12 и 14 для хранения топлива и окислителя. В этой конструкции все устройство полностью ограждено внутри одного корпуса и имеет только электрические провода 60 и 62, выступающие за пределы корпуса, причем они используются для того, чтобы проводить электрическую энергию, выработанную топливным элементом, к внешнему устройству. Примеры внешних устройств, которые могут снабжаться энергией от топливных элементов, включают инструменты проводных линий связи, инструменты для измерений во время бурения - МWD(ИВБ), дистанционное телеметрическое оборудование нисходящей скважины, датчики нисходящей скважины, интеллектуальные блоки регулирования и мониторинга и тому подобные.
При работе клапан 64 для регулирования давления топлива, размещенный в трубопроводе 18 для топлива, и клапан 66 для регулирования давления окислителя, размещенный в трубопроводе 20 для окислителя, регулируют давление топлива и окислителя в зоне реакции 16. Эти клапаны 64 и 66 отрегулированы так, что относительно высокое избыточное давление, в диапазоне от примерно 40-400 ft/in2, более типично примерно 50-200 ft/in2, поддерживается в зоне реакции. Давление в зоне реакции является статическим в продолжение работы (например, давление изменяется не более, чем примерно на 5%, и может остаться неизменным). Температура может быть в диапазоне от примерно 0-150°С, более типично от примерно 0-120°С. Работа топливного элемента при относительно высоком давлении помогает в конденсации воды как побочного продукта, обычно получаемой в форме пара, в жидкую фазу, которая может быть удалена из зоны реакции, как описано выше. Конденсация и удаление полученной воды поддерживают статическое парциальное давление топлива и окислителя, которое дает возможность продолжения реакции.
Хотя в настоящем изобретении могут использоваться различные типы топливных элементов, такие как топливные элементы с фосфорной кислотой и щелочные топливные элементы, также возможно использовать топливные элементы с протонообменной мембраной. Аноды и катоды в таком топливном элементе с протонообменной мембраной могут быть изготовлены путем нанесения небольшого количества губчатой платины на одну поверхность тонкого листа пористой графитизированной бумаги. Мембрана часто заключена в виде сэндвича между анодом и катодом, и три компонента уплотняют вместе при нагреве и под давлением для получения единого “узла мембрана/электрод”. Протонообменная мембрана может быть изготовлена из полимера, как например, NAFION (поставляемого фирмой Dupont). Анод и катод обычно контактируют на задней стороне посредством пластин поля потока, изготовленных из графита, в которых образованы каналы. По каналам подается топливо к аноду и окислитель к катоду. Водород из потока газообразного топлива расходуется на аноде, отдавая электроны на анод и образуя ионы водорода, которые входят в мембрану. На катоде кислород соединяется с электронами из катода и ионами водорода из мембраны для получения воды.
Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для использования с топливными элементами с протонообменной мембраной. Конструктивные исполнения по изобретению могут работать в окружающей среде с повышенной температурой и давлением в зоне реакции. Температура может быть, например, в диапазоне от 80°С до 130°С. Давление может находиться в диапазоне от атмосферного давления до более чем 400 ft/in2, но обычным диапазоном является примерно 50-100 ft/in2. Более высокое рабочее давление удерживает мембрану от обезвоживания при более высокой рабочей температуре путем поддержания давления выше кривой фазового равновесия. Таким образом, давление будет немного выше, чем требуется для фазы насыщенного водяного пара, таким образом поддерживается фаза водяного пара, при которой мембрана остается увлажненной, в то время, когда избыточное давление, обеспечиваемое свежим окислителем, помогает конденсации жидкой воды, которая может быть удалена из зоны реакции, в то же время также обеспечивается кислород для осуществления реакции. Например, при температуре 100°С и атмосферном давлении (примерно 15 ft/in2), в точке кипения воды, будет иметь место насыщенный пар, и не будет движущей силы реакции в топливном элементе, таким образом, в этих условиях наступит отказ топливного элемента вырабатывать энергию в замкнутой системе топливного элемента. Однако при 100°С и повышенном давлении, например 25 ft/in2, в замкнутой системе, имеющей сосуд для содержания жидкой воды, будет достаточно водяного пара для поддержания мембраны увлажненной, и избыточное давление 10 ft/in2, создаваемое подаваемым кислородом, поможет сконденсировать часть полученного водяного пара, которая может быть удалена из зоны реакции, и, кроме того, обеспечить движущую силу реакции и источник окислителя для реакции, которая имеет место в топливном элементе.
Регуляторы давления на подаче топлива и окислителя регулируют рабочее давление с соответствующих сторон мембраны. Регулирование температуры и давления дает возможность достижения баланса, который позволяет мембране оставаться увлажненной, и в то же время дает возможность конденсации водяного пара и удаления жидкой воды из зоны реакции. Свойства топливного элемента с закрытым концом, где каждая подача топлива и окислителя имеет вход в зону реакции, но нет выхода для газа из зоны реакции, дают возможность работы при повышенном давлении. Единственным выходом из зоны реакции является выход для удаления полученной воды в сосуд для содержания воды. Если полученная вода не будет удалена из зоны реакции, вода будет накапливаться, и топливный элемент не сможет работать. Если мембрана будет обезвожена, наступит отказ в работе топливного элемента, потому что для работы мембрана должна быть влажной. В конкретном конструктивном исполнении топливного элемента с протонообменной мембраной электролит между анодом и катодом содержит полимерный материал.
Фиг.15 представляет собой иллюстрацию конструктивного исполнения топливного элемента с протонообменной мембраной. В топливном элементе с протонообменной мембраной, обозначенном в целом как 900, сосуд 902 для топлива и сосуд 904 для окислителя находятся в соединении с зоной 906 реакции. Зона 906 реакции, как показано, содержит три анода 908 и три катода 910, разделенные протонообменной мембраной 912. Вода получается на стороне катода 910, поэтому сосуд 914 для воды может быть в соединении с секцией 910 катод/кислород элемента. Показан общий сосуд 914 для воды, который может принимать полученную воду из всех трех катодов 910 со стороны мембраны 912. Материалы водяного скруббера 916 могут быть использованы внутри сосуда 914 для воды для облегчения отделения кислорода от полученной воды в топливном элементе 900 с протонообменной мембраной. Газообразный кислород, который отделяется от полученной воды, может затем быть добавлен к потоку 918 окислителя, подаваемому в зону 906 реакции топливного элемента. Рециркулирующий газообразный кислород, как показано, добавляется к потоку 918 окислителя выше по потоку, чем обратный клапан/регулятор 920, который предотвращает обратный поток из зоны 906 реакции. Насос 922 может потребоваться для того, чтобы поток рециркулирующего газообразного кислорода поступал в поток 918 окислителя. Рециркулирующий кислород может также быть добавлен к потоку 918 окислителя ниже по потоку, чем обратный клапан/регулятор 920, так что он работает, чтобы привести в действие средство для внутренней циркуляции на стороне кислорода мембраны 912. В некоторых конструктивных исполнениях топливного элемента с протонообменной мембраной большая мощность на выходе может быть получена при наличии средства для внутренней циркуляции кислорода.
В топливных элементах с протонообменной мембраной, которые работают на топливе, отличном от чистого газообразного водорода, существует проблема с окисью углерода, СО, которая накапливается внутри стороны топлива мембраны. СО может быть абсорбирован на порошке платины, который находится внутри электрода, и может вызвать в результате эффективное блокирование реакции. Эта проблема обнаруживается в применениях топливного элемента, таких как, например, автомобили или при выработке промышленной энергии, топливо для оторых получают из источников углеводорода. Проблема с СО особенно заметна в топливных элементах, работающих при давлениях, равных атмосферному, или близких к атмосферному (давления внутри примерно 10 ft/in2 атмосферного) и при низких рабочих температурах (менее, чем 100°С). При повышенных температурах, таких как, например, выше 100°С, наблюдалось понижение скорости абсорбции СО платиной. Настоящее изобретение, в связи с тем, что работа производится с закрытым концом, может работать при температурах и давлениях, которые выше, чем уже отмеченные. Следовательно, конструктивные исполнения по настоящему изобретению могут работать с уменьшенной тенденцией повреждения от примесей СО в потоке топлива.
Некоторые конструктивные исполнения по изобретению могут быть использованы, например, для снабжения энергией электромобиля, имеющего источник углеводородного топлива. При работе при повышенной температуре и давлении, как упомянуто выше, тепловой элемент будет иметь уменьшенную тенденцию загрязнения СО. Так как установка имеет закрытый конец (при наличии входа для топлива и окислителя, но выхода из зоны реакции только для воды), СО, который имеется в топливе, будет собираться в зоне реакции. СО, который накапливается в зоне реакции, может вентилироваться с периодическими интервалами контролируемым способом, чтобы поддерживать желаемое давление в зоне реакции. Полученная вода может собираться в сосуде для содержания воды, как описано в других местах этого описания, и вода может также сливаться контролируемым способом для того, чтобы емкость хранилища для воды не стала ограничением продолжительности срока службы топливного элемента.
Еще одним типом топливного элемента, который может быть использован по настоящему изобретению, является топливный элемент с твердым оксидом. В топливном элементе с твердым оксидом используется керамический электролит в твердой фазе, который уменьшает предполагаемую коррозию и исключает проблемы использования электролита, связанные с топливными элементами с жидким электролитом. Керамический материал, который может быть использован для этого применения, является плотной окисью иттрия - стабилизированной двуокисью циркония, которая представляет собой превосходный проводник отрицательно заряженных ионов кислорода (оксида) при высоких температурах. Для того, чтобы достичь адекватной ионной проводимости в такой керамике, система должна работать при повышенных температурах, таких как примерно 650 градусов С или выше. Анод может быть, например, пористой металлокерамикой никель/двуокись циркония, в то время как катод может быть, например, манганатом лантана, легированным магнием. Ряд отдельных элементов может быть соединен друг с другом высокотемпературными полупроводниковыми контактами для повышения мощности на выходе. Топливный элемент с твердым оксидом не ограничен рабочим давлением в топливном элементе и может работать, например, в диапазоне рабочих давлений от атмосферного до превышающего 400 ft/in2. Возможность работы при высоком рабочем давлении может быть перспективной при проектировании топливного элемента для применений при высокой температуре/высоком давлении.
При работе водород в потоке топлива реагирует с ионами оксида из электролита, чтобы получить воду и наносить электроны на анод. Электроны проходят снаружи топливного элемента через нагрузку и обратно в катод, где кислород из источника окислителя получает электроны и превращается в ионы оксида, которые входят в электролит. Более высокие рабочие температуры топливного элемента с твердым оксидом, например 650°С-1000°С, дают возможность использовать этот тип элемента даже в применениях в буровой скважине с самой высокой температурой. Конечно, для топливного элемента с твердым оксидом будет необходима теплоизоляция для защиты оборудования и окружающей среды и для поддержания высокой температуры внутри топливного элемента, требуемой для его использования.
Фиг.13 представляет собой иллюстрацию конструктивного исполнения топливного элемента с твердым оксидом. В топливном элементе с твердым оксидом, показанном в целом как 600, сосуд 602 для топлива и сосуд 604 для окислителя находятся в соединении с зоной 606 реакции. Показано, что зона 606 реакции содержит три анода 608 и три катода 610, разделенные керамическим электролитом 612 в твердой фазе. Вода получается на стороне анода 608, так что сосуд 614 для воды может быть в соединении с секцией 608 анод/водород в элементе. Гидрид металла 616 может также быть использован как средство для регенерации водорода из воды, полученной в топливном элементе 600 с твердым оксидом. Материал 616, представляющий собой гидрид металла, содержащийся внутри приемника 614 полученной воды, может реагировать с водой с получением газообразного водорода, как показано в упрощенном уравнении МН+Н2O⇒H2+МОН, где МН обозначает гидрид металла, МОH обозначает гидроксид металла. Газообразный водород, который выделяется, может затем быть добавлен к потоку 618 топлива, подаваемого в зону 606 реакции. Регенерированный газообразный водород добавляется к потоку 618 топлива выше по потоку, чем обратный клапан 620, который предотвращает возвратный поток из зоны 606 реакции. Насос 622 может потребоваться для подачи потока регенерированного газообразного водорода в поток 618 топлива.
Возможность регенерировать часть топлива из полученной воды дает перспективные результаты. Количество полученной воды, которое нужно сохранить, может быть меньше, и количество исходного топлива, которое требуется, может быть уменьшено. Эти результаты дают возможность использования меньшего устройства топливного элемента для заданного количества вырабатываемой энергии или установленной продолжительности срока службы топливного элемента при заданной нагрузке. Топливный элемент с твердым оксидом может работать с внутренними температурами в диапазоне от примерно 650°С до более 1000°С, и с надлежащей изоляцией может работать в условиях, которые включают диапазон температур от 0°С до 1000°С что может охватывать почти всю окружающую среду буровой скважины. Возможность использования этого конструктивного исполнения в таком широком диапазоне температур окружающей среды может быть полезной, поскольку при температуре конкретного применения не будет причинен вред, если используется топливный элемент с твердым оксидом.
Различные конструктивные исполнения по настоящему изобретению дают возможность работать в диапазоне температур от 80 градусов С (топливный элемент с протонообменной мембраной) до превышающей 1000 градусов С (топливный элемент с твердым оксидом). Эта возможность модификации изобретения, которая охватывает фактически весь диапазон температур, полезна при конструировании конкретного применения и при учитываемых факторах, как например, температура применения и возможность отвода тепла, которое вырабатывается во время работы топливного элемента.
Хотя устройство по настоящему изобретению может содержать один топливный элемент, в альтернативных конструктивных исполнениях может использоваться множество топливных элементов в конфигурации в виде штабеля, показанной на фиг.1. Также возможно включить биполярные пластины в такой штабель, причем одна сторона биполярной пластины служит катодом для первого топливного элемента, и другая сторона биполярной пластины действует как анод для второго, ближайшего топливного элемента.
Цилиндрический корпус и открытое продольное отверстие, изображенные на фиг.1, особенно полезны, когда устройство топливного элемента должно быть использовано в нисходящей нефтяной или газовой скважине, или на участке под водой вблизи морской скважины. Цилиндрическая форма дает возможность соответствия устройства располагаемому пространству внутри обсадной трубы или системы труб скважины, или внутри вертикальной трубы морской платформы. Открытое продольное отверстие создает пространство для прохождения кабеля или инструмента нисходящей скважины вверх или вниз через нее, не мешая работе топливного элемента. Кольцевая конструкция топливного элемента может также дать возможность полученным текучим средам проходить через продольное отверстие. Поток текучей среды может быть полезен для того, чтобы помогать в удалении тепла, выработанного внутри топливного элемента. Топливный элемент может включать другие пути прохода через него, такие, как проходы для контрольного трубопровода, которые облегчают прохождение трубопроводов через топливный элемент к оборудованию, смонтированному под топливным элементом.
Фиг.2 представляет собой технологическую схему, на которой показан топливный элемент 10 в буровой скважине 200. Обсадная колонна 202 труб проходит внутрь скважины 200. Топливный элемент размещен в буровой скважине, обычно прикреплен к обсадной колонне труб, и в главным образом находится в кольцевом пространстве 204 между эксплуатационной системой труб и буровой скважиной (которая может включать обсадную трубу, облицовку или представлять собой открытое отверстие). Отметим, что топливный элемент может также быть использован в буровых скважинах, которые не содержат обсадной колонны труб. Топливный элемент находится в электрическом соединении с инструментом 206 нисходящей скважины, например, посредством соединительного трубопровода 208. Как описано, инструмент нисходящей скважины может содержать любое оборудование, размещенное в нисходящей скважине, которое может использовать электричество, или для которого электричество требуется. Тепло, выработанное посредством топливного элемента, может также быть использовано в некоторых окружающих средах нисходящей скважины (например, в высоковязких холодных окружающих средах), и оборудование нисходящей скважины включает устройства, которые могут использовать выработанное тепло.
На фиг.3 показано альтернативное конструктивное исполнение, в котором топливный элемент размещен вблизи дна 302 моря и соединен с оборудованием подводной скважины 300 для снабжения оборудования энергией. В этом конструктивном исполнении топливный элемент размещен снаружи буровой скважины. Размещение топливного элемента снаружи устья скважины дает возможность использовать в топливном элементе морскую воду для рассеивания тепла, выработанного топливным элементом. Размещение топливного элемента снаружи буровой скважины и использование морской воды для рассеивания тепла топливного элемента дает возможность достижения большей мощности на выходе топливного элемента, потому что выработка тепла и рабочие температуры регулируются лучше, чем в оборудовании нисходящей скважины.
Для облегчения рассеивания тепла от топливного элемента, топливный элемент может включать различные детали, такие как ребра 304, циркуляционные насосы (не показаны) и проходы 306 для потоков через топливный элемент. В одном конструктивном исполнении топливный элемент образует проходящие в основном в вертикальном направлении проходы 306, которые открыты в море у верха и дна, или вблизи них. Холодная морская вода входит в проход через нижний конец и поднимается вверх, так как топливный элемент нагревает морскую воду. Нагретая морская вода выходит из верхнего конца и выносит тепло из топливного элемента, охлаждая топливный элемент. Вертикальный проход может быть осевым проходом 500, например, таким, как показан на фиг.5.
Как показано на фиг.3, топливный элемент 10 находится в электрическом соединении с оборудованием внутри буровой скважины или вертикальным трубопроводом посредством электрического провода 308, проходящего из топливного элемента через вертикальный трубопровод 310 или устье 312 скважины, и к оборудованию. Оборудование, к которому подводится энергия, может быть любым типом требуемого оборудования, как описано выше. Альтернативные каналы для прохождения электрического провода 308, показанные как штрихпунктирные линии, также обозначены 308.
На фиг.4 показано другое альтернативное конструктивное исполнение, в котором топливный элемент 10 размещен в подводном вертикальном трубопроводе 310. Это конструктивное исполнение аналогично конструктивному исполнению топливного элемента нисходящей скважины, в котором внешняя форма топливного элемента представляет собой кольцо (или форму, которая должна быть пригнана к кольцу) и образует проход, через который, или посредством которого, создается возможность прохода инструмента через вертикальный трубопровод после топливного элемента и внутрь буровой скважины.
Соответственно форма поперечного сечения топливного элемента может быть кольцевой, аркообразной или частью аркообразной формы (например, в форме типа арки), так чтобы топливный элемент мог быть пригнан внутрь кольца, или иным способом находиться снаружи прохода для инструмента в скважине (см. фиг.10). Отметим, что цилиндрические топливные элементы могут быть полезными в определенных обстоятельствах в вертикальном трубопроводе или нисходящей скважине.
Конструктивное исполнение по фиг.4 может включать охлаждающие проходы через него (не показаны) для облегчения отвода тепла. Проходы могут быть перпендикулярными к отверстиям в вертикальном трубопроводе, чтобы дать возможность прохода морской воды в вертикальный трубопровод через охлаждающие проходы топливного элемента, и обратно из вертикального трубопровода в море. Этот поток может быть осуществлен с использованием насосов, или природного свойства нагретой морской воды подниматься вверх, или других механизмов.
На фиг.4 также показан топливный элемент 10, соединенный с наружной частью подводного вертикального трубопровода 310. В показанном конструктивном исполнении топливный элемент 10 снабжает энергией оборудование 300, размещенное снаружи вертикального трубопровода 310. Топливный элемент и оборудование могут быть кольцевыми или иметь какую-либо другую форму, которая облегчает их прикрепление к наружной стороне вертикального трубопровода 310. Топливный элемент, смонтированный на наружной стороне вертикального трубопровода, может также быть использован для снабжения энергией оборудования внутри вертикального трубопровода с соответствующими электрическими соединениями, и может включать охлаждающие детали, упомянутые ранее в связи с конструктивным исполнением по фиг.3.
На фиг. от 5 до 8 описано одно возможное конструктивное исполнение топливного элемента 10 для использования под водой или в нисходящей скважине. Топливный элемент содержит штабель 504 топливных элементов, как описано выше, подачу 506 кислорода, подачу 508 водорода и два резервуара (510, 512) для воды. Как описано выше, подачи кислорода и водорода соединены с противоположными сторонами мембран топливных элементов.
Один из резервуаров, первый резервуар 510, размещен под штабелем топливных элементов. По меньшей мере часть воды, полученной при реакции, сливается в нижний резервуар под действием гравитации и под действием капиллярности.
Второй резервуар 512 соединен по потоку текучей среды со сторонами кислорода мембран с обратным клапаном в соединительном трубопроводе, чтобы предотвратить поток из резервуара в штабель топливных элементов. Фиг.8 представляет собой схематическую диаграмму второго резервуара. Пар или влажный кислород из штабеля топливных элементов входит во второй резервуар через вход 514 в положении между внутренним резервуаром 516 для воды и фильтрующим ситом 518, например ситом из нержавеющей стали. На сито опирается осушитель 520, приспособленный для абсорбции воды и других материалов из влажного кислорода. Выход 522 второго резервуара, размещенный на противоположной от входа стороне осушителя, соединяется с трубопроводом 524 для подачи кислорода в штабель топливных элементов. Насос 526 в трубопроводе между выходом и подачей кислорода облегчает перемещение кислорода из второго резервуара в штабель топливных элементов. Таким образом, вода, полученная в результате реакции, удаляется из штабеля топливных элементов. Первый резервуар 510 и второй резервуар 512 могут быть приспособлены для того, чтобы служить общими резервуарами, которые объединяют ряд штабелей топливных элементов, причем штабели топливных элементов объединяются, чтобы образовать единый источник электропитания.
Чтобы дополнительно облегчить удаление воды из штабеля топливных элементов, пластины 32 анода, биполярные пластины 34 и пластины 40 катода (обозначенные в целом как пластины 530), включают отверстия 532 для слива, соединенные по меньшей мере с одним из резервуаров. На фиг.6 и 7 показан вид сверху (со стороны кислорода) и вид сбоку, соответственно, представленной пластины. Пластина имеет множество проходов, разделенных промежутками, для входов (534, 536) кислорода и водорода. Ряд выходов 532 для кислорода и слива воды также проходит через пластину и соединяется с резервуарами, описанными выше. Выходы могут быть размещены вблизи центра пластины, как показано на чертеже. Радиальные каналы 538, образованные в пластине, облегчают движение воды на поверхности пластины по направлению к выходам. Чтобы дополнительно облегчить движение воды, каналы или другие части пластины могут быть покрыты гидрофобным материалом, таким как парафин или пластичный смазочный материал. Капиллярные элементы 540, такие как резьбы, могут быть размещены в радиальных каналах и внутри выхода, чтобы дополнительно облегчить движение воды из канала к выходу.
Пластина, показанная на фиг.9, включает дополнительную модификацию, чтобы облегчить движение воды к выходам, а именно наклонную, скошенную или расположенную под углом поверхность. Путем использования поверхности в форме усеченного конуса, конической, полусферической, в форме изогнутой чаши или поверхности, которая иным способом понижается по направлению к выходам, гравитация помогает движению воды (жидкости) на поверхности пластины по направлению к выходам. На фиг.7 показана пластина, в которой наклонена только поверхность, имеющая радиальные каналы.
На фиг.11 изображено альтернативное конструктивное исполнение, в котором капиллярные элементы образованы на поверхности мембраны. Капилляры, расходящиеся из одной или более точек, имеют капиллярный элемент 540, который отходит от поверхности, чтобы направить воду от поверхности мембраны в резервуар для воды.
На фиг.14 показано одно конструктивное исполнение по настоящему изобретению, как смешанная энергетическая установка, обозначенная в целом как 800, содержащая топливный элемент 802 и перезаряжаемую аккумуляторную батарею 804, которые находятся в электрическом соединении, чтобы передать энергию через нагрузку 806. Это сочетание может быть приспособлено, чтобы использовать его для применения в нисходящей скважине. При соединении с аккумуляторной батареей 804, топливный элемент 802 не должен вырабатывать максимальную мощность на выходе, требуемую для краткой по продолжительности пиковой нагрузки. Эта смешанная установка 800 особенно подходит для требований многоуровневых расходов мощности, где большую часть времени требуется средний базовый уровень мощности, и относительно небольшое время имеет место кратковременная нагрузка пиковой мощности. Перезаряжаемые аккумуляторные батареи 804 могут быть заряжены посредством топливного элемента 802 во время периодов среднего расхода мощности и могут быть использованы для увеличения мощности на выходе во время периодов высокого расхода мощности.
Смешанная установка 800 может производить уменьшение размера, веса и стоимости всей энергетической установки путем включения меньшего топливного элемента 802 в соединении с аккумуляторной батареей 804, чтобы обеспечить требуемый расход мощности в нагрузке 806.
Предшествующее описание конкретных конструктивных исполнений по настоящему изобретению не претендует на то, чтобы быть полным перечнем любых возможных конструктивных исполнений по изобретению. Специалисты в этой области техники обнаружат, что могут быть выполнены модификации конкретных конструктивных исполнений, описанных выше, которые будут находиться в пределах объема настоящего изобретения.
Топливный элемент предназначен для использования в нисходящих нефтяных и газовых скважинах. Топливный элемент содержит сосуд для топлива, сосуд для окислителя, зону реакции, которая содержит по меньшей мере один катод, по меньшей мере один анод и электролит между каждым анодом и катодом, закрытый сосуд для воды, который соединен с зоной реакции посредством по меньшей мере одного капиллярного протока, трубопровод для топлива, который содержит устройство для регулирования давления топлива, приспособленное для поддержания статического давления топлива в зоне реакции, трубопровод для окислителя, который содержит устройство для регулирования давления окислителя, приспособленное для поддержания статического давления окислителя в зоне реакции, и электрические провода, соединенные с анодом и катодом, и приспособленные для проведения электричества к внешнему устройству. Также раскрываются способы использования данного топливного элемента в системе электропитания, в качестве источника энергии в скважине, для энергоснабжения инструмента в скважине. Данное устройство отличается усовершенствованной конструкцией. 21 н.и 88 з.п. ф-лы, 15 ил.
| US 4128701 А, 05.12.1978 | |||
| US 5202194 А, 13.04.1993 | |||
| ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С МЕМБРАНОЙ, АРМИРОВАННОЙ ВОЛОКНОМ | 1996 |
|
RU2146406C1 |
| US 5059494 A, 22.10.1991 | |||
| ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА | 1994 |
|
RU2126569C1 |
| US 5780980 A, 14.07.1998 | |||
| US 5853909 A, 29.12.1998 | |||
| 5525436 А, 11.06.1996 | |||
| ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 1997 |
|
RU2128384C1 |
| US 4817711 А, 04.04.1989. | |||
