包括燃料電池和可再充電電池的能量產生系統及實現這種系統的方法與流程
本發明涉及利用電能向電子系統供電的能量收集系統的領域。
更具體地，本發明涉及包括燃料電池的能量產生系統。本發明還涉及實現這樣的裝置的能量產生方法和能量管理方法。
背景技術：
存在于工業環境中的電子系統(具體地，測量系統(或傳感器))正逐漸變成較低的能量消耗裝置并且越來越多地通過射頻系統進行通信。考慮到這些因素，這些電子系統的能量自給是越來越受關注的一個問題。目前，通過輸電干線或電化學電池(氧化-還原反應)確保它們的電力供應。這些供電方案具有成本有限的能量水平和技術部署限制。
現在的目的是給予電子系統功能持續幾年的能力且不用人工干預。所安裝的產品全部傾向于同一基本原理(由表述“即裝即棄”表示)，其等同于多媒體外圍設備中的“即插即用”。從通信和供電的角度來看，這些系統從她們安裝開始就與集成于它們的環境中。
除了它們的主要功能(傳感器、致動器)之外，電子系統的問題是如何通過尋找存在于它們的環境中的能量使與它們的供電相關的成本最小化。
現在，電子系統的環境并不總是能量充足并且能量源的這種限制限制了它們的功能。
目前，存在三種為電子系統提供能量的解決方案：
-當在物理上和財政上可以將電纜帶到待供電的系統時，由輸電干線(mains)供電；
-通過氧化-還原電池供電；
-通過收集存在于環境中的能量的能量收集系統供電。該能源可以是輻射的、熱的、機械的、或化學的。為了增大兩個維修周期之間的時間間隔，可以考慮由借助于經由換能器從周圍環境收集能量再充電的電池進行供電的解決方案。
在由輸電干線供電的電子系統的情況下，這種解決方案存在以下缺點：
-物理缺點：被放入難以接近的位置中的系統使得不能安裝電纜為其充電。
-財政缺點：當系統遠離電力網時，這樣供電的成本變得過高。
通過電池為電子系統供電的解決方案還存在一些缺點，具體地：
-在沒有保養的情況下系統的壽命取決于與它們的技術相關的電池的壽命，它們的容量與電子系統的消耗、它們的體積、以及它們的重量有關，它們的體積在可用空間減小時防止它們被安裝；
-在電子系統的生命周期期間迫使進行反復更換電池的維護成本。
收集輻射能、機械能及熱能的這種類型的能量收集方案還存在一些缺點，并且具體地：
-可用能量取決于環境；
-存在于環境中的能量并不總是充足的；
-在最大功率方面，能量的數量會受到限制；
-可用能量的評估和預測有時會是復雜的。
燃氣供應網絡通過他們運輸的燃氣表示安裝在這些網絡上的傳感器的無限能源。確實存在通過天然氣的燃料電池解決方案。它們不適于為小電子系統供電的解決方案并且時常在高溫下操作并具有有限的操作壽命。這里的困難在于三點：
-困難在于具有利用所有這些部件通過天然氣操作的燃料電池，
-燃料電池的壽命，值得注意的是固體氧化物燃料電池(通常被認為是縮略詞SOFC)，現如今在技術上并不能足以通過燃氣管網連續操作，
-與天然氣中存在硫磺元素有關的SOFC型燃料電池的操作問題。
為電子系統提供能量的三個上述解決方案中，第三個能量收集類型解決方案目前在物流和成本兩個方面是為電子系統供電最受關注的。輻射能、機械能以及熱能的限制仍然是環境中可獲得的能量。
在為存在于天然燃氣管網上的電子系統供電的背景下，在管道的環境中的大量存在并且數量不受限制的可用能源仍然是天然氣。
然而，對其開發還是個問題，因為燃料電池具有有限的使用壽命并且需要高溫重整系統，該高溫重整系統在沒有第三方能量輸入(電連接)的情況下在低溫下操作常常是復雜的。
為了解決上述缺陷和缺點，申請人已開發了一種將燃料電池與可再充電電池結合的能量產生系統，其中，燃料電池可利用在標準燃氣管網上的氣體操作并供應有從空氣得到氧。這樣的裝置使得能夠連續為能量消耗裝置供電，諸如，電子系統，諸如，測量系統(傳感器)、無線電通信系統、致動器、機械系統、聲音系統或光警報系統。
在本申請的意義內，連續為能量消耗裝置供電應當理解為是指在沒可能中斷供應或中斷供應電源的情況下連續為能量消耗裝置供電，而不是持續用電流供電。
在本申請的意義內，燃氣管網應當理解為是指氣體分布網絡，而且還指民用或工業生產設備內部的網絡、氣體運輸網絡、儲氣設施、液化天然氣(LNG)、供應系統和油氣提取平臺。
從現有技術中已知燃料電池和電能存儲設備的組合。
因此，國際申請WO 2007/142169清楚地描述了一種包括用于存儲電能的電容器的燃料電池以及使用所述電池的方法。然而，該專利描述了存儲用于電池本身的電能的使用，而不是如在本發明中的情況那樣為另一系統供電。此外，WO 2007/142169沒有描述電池/蓄電池配對的等級以及其相對于該等級的操作。
技術實現要素：
因此本發明的主題是能量產生系統，能量產生系統旨在連接至燃氣管網，所述產生系統包括：
-進氣管，從所述管網到所述能量產生系統，
-廢氣排放管道(CO2、H2O、以及O2，不允許廢氣危害系統、燃氣管網或第三方)，
-能量產生單元，包括燃料電池，該能量產生單元
○通過連接至所述進氣管的分支連接供應有燃氣，分支連接中的燃氣能夠使用泵通過壓力差或者通過自然存在的壓力梯度來移動，并且
○通過空氣進氣管(air intake duct)供應有氧氣，
-管理模塊，包括用于所述燃料電池的管理設備，
所述系統的特征在于燃料電池是固體氧化物燃料電池(通常用縮略詞SOFC表示)，以及
能量產生單元還包括與所述燃料電池相關聯的可再充電的電能存儲系統(例如，可再充電電池)，并且管理模塊還包括用于電能存儲系統的管理設備以控制其充電。
有利地，能量產生系統適合于為平均消耗1至100mW之間的能量的能力消耗裝置(energy consumer)連續供電。
根據本發明的能量產生系統是環境能量收集方案，因為其使得能夠避免使用能量儲備并且因此限制維護操作或再充電操作。因此，根據本發明的能量產生系統中不存在燃氣存儲。
此外，雖然根據本發明的能量產生系統適合于連續為消耗裝置供電，然而這個系統中的燃料電池不會連續操作，而是間歇性地操作，就是說僅為電存儲系統(通常，電池)再充電，該再充電的頻率能夠根據待供電的電子系統的消耗在幾小時與一年之間。因此能量儲備是定額的使得在此階段的末期達到其期望的放電水平。實際上，由于兩個現象燃料電池在時間上具有有限使用年限：
-開/關周期的數目
-運行時間。
另一方面，燃料電池不具有日歷壽命。這意味著燃料電池在理論上從來不會運行十年并且好像該燃料電池是新的一樣具有相同數目的開/關周期和相同數量的運行時間。
燃料電池的壽命可在1000小時與100 000小時之間最有效，但是通常，燃料電池的壽命是5000小時的數量級。假定一年有8760小時，具有5000小時的工作壽命的燃料電池不能連續工作超過一年。
利用根據本發明的將SOFC燃料電池與電能存儲系統(諸如，電池)結合的能量產生系統，可以存儲產生的能量，且不用必須永久供應能量。
此外，相對于為傳感器供電所需的電流峰值，單獨使用的燃料電池具有太長的反應時間(通常幾秒)。在根據本發明的能量產生系統中燃料電池與電能存儲系統(諸如電池)的結合使得能夠提供在傳感器所需的能量的數量與燃料電池能夠傳送的能量之間提供緩沖。
在根據本發明的能量產生系統中，燃料電池是固體氧化物燃料電池SOFC，其使得能夠利用不同類型的碳化氫以及氫工作。其包括用于將碳化氫轉換成氫的重整系統(reforming system)。
為能量產生單元供應的氣體可以是天然氣、液化天然氣、從LNG得到的蒸發氣體、城市煤氣、沼氣氣、生物甲烷、替代天然氣或氫氣。
在本申請的意義內，沼氣應當理解為是指從甲烷化的生物量或二次產生沼氣得到的燃氣。
可通過致動器或者通過滲入控制將燃料電池連接至進氣管的分支連接。該分支連接系統使得能夠恢復管道中的氧化劑。
有利地，根據本發明的能量產生系統的固體氧化物燃料電池SOFC可通過絕熱系統絕熱并且可以包括用于對所述燃料電池加熱的加熱系統(溫度升高并通過電子熱或化學熱燃燒保持)。
出于這個原因，固體氧化物燃料電池優選地包括管狀或微管結構，其由管子形式的系統構成。這種形式更能抵抗材料的熱膨脹以及相關聯的機械應力，并且因此使得能夠避免與這些熱膨脹現象相關聯的加速老化。然而，其他架構排除在本發明之外。
有利地，電能存儲系統的管理設備可以是用于管理燃料電池的能量供應的電子設備。
有利地，根據本發明的能量產生系統在進氣管的輸入和燃料電池的上游可以包括使得能夠去除氣體中存在的硫磺分子的無源脫硫過濾器，其中硫磺分子對燃料電池的運行有損壞。
有利地，根據本發明的能量產生系統還可以包括用于燃料電池生產的廢氣(CO2、H2O以及O2)的排放系統或處理系統。廢氣排放系統使得能夠避免廢棄物，該廢棄物將會對第三人或燃氣管網有害。
本發明的另一目的還是一種實現旨在連接至燃氣管網的能量產生系統的能量管理方法，能量產生系統包括
-進氣管，從所述管網到所述能量產生系統，
-廢氣排放管道，
-能量產生單元，包括固體氧化物燃料電池SOFC，該能量產生單元
○通過連接至所述進氣管的分支連接供應有燃氣，并且
○通過空氣進氣管供應有氧氣，
-與所述燃料電池相關聯的可再充電的電能存儲系統，
-管理模塊，包括用于所述燃料電池的管理設備和用于所述電存儲系統的管理設備以控制其充電，
所述方法的特征在于當具有0.1Wh與100Wh之間的能量的電能存儲系統放電至根據能量產生單元的期望壽命預定的閾值時管理模塊啟動燃料電池。
有利地，在能量管理方法中，對于5年到20年之間的供電持續時間，當電能存儲系統放電到存儲容量的60％到99％之間并且優選地在存儲容量的70％到90％之間的閾值時，管理模塊可以啟動燃料電池。
本發明的另一主題還是一種實現旨在連接至燃氣管網的能量產生系統的能量產生方法，所述能量產生系統包括：
-進氣管，從所述管網到所述能量產生系統，
-廢氣排放管道，
-能量產生單元，包括固體氧化物燃料電池SOFC，該能量產生單元
○通過連接至所述進氣管的分支連接供應有燃氣，并且
○通過空氣進氣管供應有氧氣，
-與所述燃料電池相關聯的可再充電的電能存儲系統，
-管理模塊，包括用于所述燃料電池的管理設備和用于所述電存儲系統的管理設備以控制其充電，
所述方法的特征在于燃料電池為平均消耗1mW與1W之間的能量的能量消耗裝置連續供電。
在根據本發明的能量產生方法中，能量存儲系統也可以用于根據需要打開和關閉燃料電池。
優選地，在根據本發明的能量產生方法中，燃料電池可以為平均消耗1mW到100mW之間的能量的能量消耗裝置連續供電。低于1mW，根據本發明的能量產生系統供應電力的方案在經濟上不再有競爭性，高于100mW，技術限制變得過于明顯。
是否對于根據本發明的能量管理方法或者根據本發明的能量產生方法，燃料電池可以有利地包括絕熱系統和用于對所述燃料電池加熱的加熱系統。
出于這個原因，固體氧化物燃料電池將會優選地能夠包括管狀或微管結構，其由管子形式的系統構成。這種形式更能抵抗材料的熱膨脹以及相關聯的機械應力，并且因此使得能夠避免與這些熱膨脹現象相關聯的加速老化。有利地，對于5年到20年之間的供電持續時間，當電能存儲系統的容量放電到存儲容量的60％到99％之間并且優選地在存儲容量的70％到90％之間的閾值時，能量管理設備觸發燃料電池的啟動。
有利地，存儲設備將是額定的以便根據燃料電池技術和所述電存儲系統的性能標準優化供電持續時間，最小額定值遵循以下等式：
假定
D具有工作電力Pfct的電池的日歷壽命
d消費者期望的供電持續時間
Cmin電池的最小容量
P需要的持續電力
NPaC燃料電池的周期的數目
Nstock存儲系統的周期的數目
Nmin＝min(NPaC,Nstock)
如果燃料電池的循環性以另外的方式大于存儲器的循環性
α(作為％)根據電池技術觸發閾值
Epile電池能夠產生的總能量：
(1)Epile＝D*Pfct
(2)Epile>d*P
(3)Cmin＝α*Epile/Nmin
因數α與所使用的電存儲技術有關并且必須考慮：
是否對于根據本發明的能量管理方法或根據本發明的能量產生方法，用于電能存儲系統的電子管理設備也可以管理燃料電池的流體的供應和耗電裝置的電能的供應(例如，傳感器)，如下：
對于5到20年之間的供電持續時間，當電能存儲系統的容量放電至預定閥值時，電子管理設備觸發燃料電池的啟動。
有利地，電子管理設備可觸發電池的啟動
電存儲器的自放電；
-取決于工作溫度的電存儲容量；
-電存儲器的日歷壽命；
-隨時間變化電存儲器的容量的減少；
-電存儲器供應用于電力需求電流峰值的容量。
根據存儲器類型，α可具有1.5到3之間的值。
是否對于根據本發明的能量管理方法或根據本發明的能量產生方法，能量產生系統還在燃料電池的上游可以包括能夠去除氣體中存在的硫磺分子的無源脫硫過濾器。
是否對于根據本發明的能量管理方法或根據本發明的能量產生方法，能量產生系統還可以包括用于燃料電池產生的廢氣的排放系統或處理系統。
是否對于根據本發明的能量管理方法或根據本發明的能量產生方法，氣體可以是天然氣、液化天然氣、從LNG得到的蒸發氣體、城市煤氣、沼氣、生物甲烷、替代天然氣或氫氣。
附圖說明
本發明的其他優點和特定特征將從以下描述中產生，作為非限制性實例給出并參照附圖：
○圖1表示根據本發明的能量產生系統的總理論圖；
○圖2a和圖2b分別表示具有管狀結構的燃料電池的第一示例性實施方式的截面圖(圖2a)和側視圖(圖2b)；
○圖2c和圖2d分別表示具有管狀結構的燃料電池的第二示例性實施方式的側視圖(圖2c)和截面圖(圖2d)；
○圖3表示根據本發明的第二變形實施方式的能量產生系統的截面示意圖，其中，固體燃料電池具有微管結構；
○圖4表示圖4的燃料電池的一組微管的示意立體圖。
在圖1到圖4中表示的相同的元件由相同的數字標號來表示。
具體實施方式
在圖1中，描繪了連接至標準燃氣管網2的根據本發明的能量產生系統1的總理論圖。圖1示出了經由連接至燃氣管網2的進氣管4將來自網管2的燃氣引入到能量產生系統1中。在能量產生系統1中，進氣管4連接至將氣體供應至固體氧化物燃料電池71(SOFC)的分支連接41。后者還通過空氣進氣管供應有氧氣。經由廢氣排放管道5從能量產生系統中消除由燃料電池產生的廢氣(CO2、H2O以及O2)。由管理模塊9的管理設備91管理燃料電池71的操作。在能量產生系統1中，燃料電池71在能量產生單元7中與由特定管理設備92(從而還構成了管理模塊9的一部分)管理的可再充電的電能存儲系統72結合。該管理設備92使得能夠控制電存儲系統72的充電。圖1還示出了絕熱系統14置于燃料電池71周圍，在該絕熱系統14上布置有電阻器11。
在圖2a至圖2d中更詳細地示出了燃料電池的管狀結構。
圖2a和圖2b分別表示該管狀結構的第一示例性實施方式的截面圖(圖2a)和側視圖(圖2b)，該管狀結構由厚電解質支撐管7111(尤其由陶瓷制成)構成，外面涂覆有外陰極層7110并且里面涂覆有薄陽極層7112。
圖2c和圖2d分別表示該管狀結構的第二示例性實施方式的側視圖(圖2c)和截面圖(圖2d)，該管狀結構由厚電解質支撐管7111構成，從管子開始連續涂覆有一層電解質7111，然后涂覆外陰極層7110。
圖3表示根據本發明的第二變形實施方式的能量產生系統1的截面示意圖，其中，如在圖4中示出的，固體燃料電池71包括微管結構，該微管結構由被隔膜713彼此分離的一排微管712構成。圖3還示出了絕熱系統14置于燃料電池71周圍，在該絕熱系統14上布置有電阻器11。
以下實例示出本發明然而并不限制其范圍。
實施例
實施例1：用于能量獨立的燃氣監測系統(壓力、流速、溫度)的供電。
根據本發明的系統用于將能量供應至用于跟蹤氣體的工業可編程邏輯控制系統，該系統通常由縮略詞RTU(遠程終端裝置)表示，RTU通過有線或無線電波發送與測量有關的信息以進行測量。經由220V的網管生產的用于系統的供電，并且當不可能時，使用電池。
當選擇通過電池供電，通過射頻波產生的數據的發送和能量自給取決于RTU的使用和電池的容量。
在安裝在擴充站上的RTU的背景下，目標自給是2年并且平均消耗量是20mW。根據本發明，通過燃料電池的供電方案提出購置成本是RTU的兩倍，但運行成本低大約四倍。在這些假定下投資回收率估計為4年，這些假定是不利的假定。例如，如果每兩星期再充電并具有10年的壽命，平均消耗20mW、250的Nmin和1.5的α因子的耗電裝置需要18Wh的電池。
該實例示出了使用根據本發明的系統從經濟角度上看實現節約。
實施例2：根據本發明的能量產生系統的額定值的實施例。
對于根據本發明的能量產生系統的額定值，使用所選擇的情況試圖盡可能表示在傳感器的消耗和壽命方面能夠遇到的要求：
-燃料電池的運行壽命是5000小時，
-經由電池供電的傳感器在3.3V下平均消耗10mA，或33mW的電力。
兩個維護階段之間的周期是10、15或20年。
表1在下面呈現了所遵循的方法以為滿足在本實施例中描述的使用情況的能量需求的燃料電池進行定額。左側列按順序給出必須解決的問題，而右側列示出了在不用維護的情況下對于三個不同的周期(10、15、及20年)三種解決這些問題的三種不同的方式。
根據這個表，具有5000小時的運行壽命和2W的電力的燃料電池能夠為在3.3V下平均消耗10mA的系統供電(＝給為傳感器供電的電池再充電)超過20年(運行250小時/年)。
表1
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