本發(fā)明涉及一種用于風力渦輪機的制氫裝置、一種具有這種制氫裝置的風力渦輪機裝置以及一種用于操作用于風力渦輪機的制氫裝置的方法。

背景技術(shù)：

1、利用諸如風力的可再生能量生產(chǎn)的氫氣氣體提供可用于氫燃料電池中并替代化石燃料的綠色氫氣。例如，綠色氫氣氣體可以用于燃料電池車輛中。為用于氫燃料電池中，氫燃料質(zhì)量必須符合關(guān)于氣體雜質(zhì)的國際規(guī)范(例如，iso?14678)。特別地，氫氣氣體的油污染物可能影響燃料電池催化劑、燃料電池電力系統(tǒng)以及燃料電池的其他部件。因此，必需分析所生產(chǎn)氫氣的雜質(zhì)，以符合規(guī)定并避免最終用戶的燃料電池的損壞。此外，近年來，pem(質(zhì)子交換膜)燃料電池技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出顯著的進步，諸如載鉑量減少、電解質(zhì)膜變薄、以高電流密度操作以及在低濕度下操作。這已經(jīng)導致國際標準iso?14678中對氫雜質(zhì)容差的最近改進。

2、kr?20160031485?a公開了一種對加氫站的至少一個緩沖容器進行充氣的方法，其中確定緩沖器皿的氫氣中至少一種雜質(zhì)的當前濃度。

3、wo?2019/210961?al公開了一種制氫系統(tǒng)，其包括至少一個電解設(shè)備以及至少一個壓縮機系統(tǒng)，該壓縮機系統(tǒng)布置在該電解設(shè)備的下游，用于壓縮所生產(chǎn)的氫氣。

4、cn?114405263?a公開了一種用于催化脫脂裝備的保護設(shè)備，其包括催化脫脂裝備、延遲進氣管道和進氣檢測器。延遲進氣管道的進氣端口連接到經(jīng)壓縮的氣體源的外部，延遲空氣進氣管道的空氣出口連接到催化脫脂裝備的空氣入口。此外，進氣空氣檢測器布置在延遲空氣進氣管道的進氣端處，并且使用該進氣空氣檢測器來在經(jīng)壓縮的氣體進入延遲空氣進氣管道之前檢測該經(jīng)壓縮氣體的油含量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個目的是提供一種用于風力渦輪機的經(jīng)改進的制氫裝置。

2、因此，提供一種用于風力渦輪機的制氫裝置。該制氫裝置包括：

3、電解制氫單元，該電解制氫單元用于利用由風力渦輪機生成的電能生產(chǎn)氫氣氣體，

4、壓縮機單元，該壓縮機單元用于壓縮所生產(chǎn)的氫氣氣體，以及

5、傳感器單元，該傳感器單元流體地連接到壓縮機單元，用于檢測經(jīng)壓縮氫氣氣體的油污染。

6、借助該制氫裝置的傳感器單元，可以容易地檢測由該制氫裝置生產(chǎn)的氫氣氣體的油污染。例如，可以持續(xù)監(jiān)測氫氣氣體的油污染。此外，可以例如在氫氣氣體由制氫裝置排放之前檢測氫氣氣體的油污染。

7、特別地，可以檢測由制氫裝置的壓縮機單元引起的油污染。壓縮機單元壓縮氫氣氣體，以實現(xiàn)該氣體的更高效輸運。諸如潤滑劑和液壓流體的油污染物可能由壓縮機單元引入到經(jīng)壓縮的氫氣氣體中。例如，來自活塞式壓縮機的液壓油可能泄漏到氫氣氣體中。借助布置在壓縮機單元下游的傳感器單元，可以顯示由壓縮機單元引起的污染。

8、風力渦輪機是用于將風的動能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。風力渦輪機包括例如轉(zhuǎn)子、機艙和塔架，轉(zhuǎn)子具有一個或多個各自連接到轂部的葉片，機艙包括發(fā)電機，塔架在其頂端處保持機艙。風力渦輪機的塔架可以經(jīng)由過渡件連接到風力渦輪機的基部，諸如混凝土基部或海床中的單樁。

9、風力渦輪機例如是陸上風力渦輪機。然而，風力渦輪機也可以是海上風力渦輪機。海上包括海洋環(huán)境以及湖泊和其他開闊水域。

10、在陸上風力渦輪機的情況下，包括電解制氫單元、壓縮機單元和傳感器單元的制氫裝置例如布置在風力渦輪機旁邊的地面上。該制氫裝置例如布置在距風力渦輪機的基部1000米或以下、500米或以下、200米或以下、100米或以下和/或50米或以下的距離內(nèi)。另外或替代地，出于安全原因，該制氫裝置例如布置在距風力渦輪機的基部至少200米、至少300米和/或至少500米的距離內(nèi)。

11、在海上風力渦輪機的情況下，包括電解制氫單元、壓縮機單元和傳感器單元的制氫裝置例如布置在風力渦輪機的塔架的外部平臺上。

12、電解制氫單元通過使用由風力渦輪機的發(fā)電機產(chǎn)生的電流而例如將水轉(zhuǎn)化成氫氣氣體。由此，通過制氫單元中的電解過程，水被分離成氫氣和氧氣。

13、由制氫單元生產(chǎn)的氫氣氣體具有例如為100巴或以下、50巴或以下和/或30巴或以下的壓力。壓縮機單元將所生產(chǎn)的氫氣氣體例如壓縮至100巴或以上、200巴或以上、300巴或以上和/或400巴或以上的壓力。壓縮機單元通過減小氫氣氣體的體積來壓縮氫氣氣體。壓縮所述氣體允許每次輸運更大體積的氣體，并且因此，允許氣體的更高效且更快速的輸運。經(jīng)壓縮的氣體例如借助于道路上的壓力器皿(諸如管拖車)被輸運。經(jīng)壓縮的氣體還可以例如借助于氣體管道被輸運。

14、壓縮機單元例如被配置成與制氫裝置的排放單元流體地連接。排放單元可以例如用于給分配器或輸運管道供料。

15、由制氫裝置生產(chǎn)的氫氣氣體例如用于燃料電池和/或燃料電池系統(tǒng)中，諸如燃料電池車輛或燃料電池電力系統(tǒng)(用于發(fā)電的固定燃料電池)。

16、燃料電池是電化學設(shè)備，其將燃料(例如，氫氣氣體)和氧化劑的化學能轉(zhuǎn)換為電能(直流電)、熱或其他反應產(chǎn)物。

17、油污染物是雜質(zhì)，其可能不利地影響燃料電池系統(tǒng)、燃料電池車輛、燃料電池電力系統(tǒng)和/或儲氫系統(tǒng)的部件。不利影響可能包括可逆影響或不可逆影響。

18、傳感器單元特別是包括用于確定氫氣氣體的質(zhì)量(諸如純度)的質(zhì)量傳感器。傳感器單元例如被配置成用于檢測經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油污染物和/或碳氫化合物。傳感器單元例如被配置成用于在壓縮機單元的下游對氫氣氣體進行取樣，以供分析。

19、制氫裝置例如包括流體地連接制氫單元與壓縮機單元的連接管道，用于將制氫單元中通過電解生產(chǎn)的氣體輸運到壓縮機單元。此外，該制氫裝置例如包括將壓縮機單元流體地連接到傳感器單元和排放單元的另外的連接管道。所述管道特別是氣體管道(例如，氣密管道)。

20、根據(jù)一實施例，該制氫裝置被配置成用于同時通過壓縮機單元壓縮所生產(chǎn)的氫氣氣體和通過傳感器單元檢測經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染。

21、因此，由壓縮機單元引起的經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染可以在其發(fā)生之后被立即檢測到。

22、根據(jù)另外的實施例，該制氫裝置包括排放單元，該排放單元與壓縮機單元流體地連接用于排放經(jīng)壓縮的氫氣氣體，其中傳感器單元的氣體取樣點相對于氫氣氣體的下游方向布置在壓縮機單元與排放單元之間。

23、因此，可以相對于氫氣氣體的下游方向在壓縮機單元與排放單元之間檢測經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染。因此，在發(fā)生經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染的情況下，可以在排放受污染的氫氣氣體之前檢測到所述油污染。排放單元特別是布置在壓縮機單元的下游。

24、根據(jù)另外的實施例，該制氫裝置包括流體地連接壓縮機單元與排放單元的連接管道，該連接管道包括用于提供傳感器單元的取樣點的分支部分。

25、該分支部分例如是t形管道部分。t形管道部分包括具有90°分支、45°分支或具有另一角度的分支的管道部分。該分支部分例如包括與壓縮機單元流體地連接的入口、與排放單元流體地連接的第一出口(主出口)以及與傳感器單元流體地連接的第二出口(分支出口)。

26、根據(jù)另外的實施例，壓縮機單元包括正排量壓縮機、活塞式壓縮機、旋轉(zhuǎn)式壓縮機和/或螺桿式旋轉(zhuǎn)壓縮機。

27、在正排量壓縮機中，一定入口體積的所生產(chǎn)的氫氣氣體被限制在給定空間中，并且隨后通過減小此有限體積或空間而被壓縮，使得其壓力增加。經(jīng)壓縮的氣體然后從壓縮機單元排放。

28、根據(jù)另外的實施例，傳感器單元包括火焰離子化檢測器、氣相色譜儀和/或質(zhì)譜儀。

29、火焰離子化檢測器測量氣體流中的被分析物。火焰離子化檢測器的操作基于檢測有機化合物在氫火焰中的燃燒期間形成的離子。這些離子的生成與樣品氣體流中有機物質(zhì)的濃度成比例。

30、根據(jù)另外的實施例，傳感器單元被配置成用于通過測量經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量、特別是碳氫化合物的量來檢測經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染。

31、傳感器單元可以被配置成用于測量氫氣氣體中存在的碳氫化合物的總量。碳氫化合物例如包括芳香烴、烷烴等等。雖然甲烷也是碳氫化合物，但是甲烷不是水電解的結(jié)果。因此，不要求傳感器單元能夠?qū)⒓淄榕c其他碳氫化合物區(qū)分開。然而，傳感器單元還可以被配置成用于檢測除甲烷之外的碳氫化合物的總量。

32、油和/或碳氫化合物的量例如以摩爾為單位測量，摩爾是物質(zhì)量的國際單位制基本單位。碳氫化合物的量例如以微摩爾碳氫化合物/摩爾氫氣氣體為單位(即，以百萬分之一碳氫化合物、ppmv為單位)測量。

33、根據(jù)另外的實施例，該制氫裝置包括控制單元，該控制單元被配置成用于通過將由傳感器單元測得的經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量與預先確定的閾值進行比較來檢測經(jīng)壓縮氫氣氣體的油污染。

34、該控制單元例如接收傳感器單元的測量數(shù)據(jù)(測量結(jié)果)并處理該測量數(shù)據(jù)。控制單元例如包括用于存儲預先確定的閾值的存儲裝置。

35、例如，當在氫氣氣體中測得的油的量、特別是碳氫化合物(例如，除甲烷之外的碳氫化合物)的量超過預先確定的閾值時，控制單元確定存在油污染。

36、總碳氫化合物(例如，除甲烷之外)的量的預先確定的閾值例如為10μmol/mol、5μmol/mol、4μmol/mol、3μmol/mol、2μmol/mol、1μmol/mol和/或0.5μmol/mol。由此，1μmol/mol等于1ppmv(百萬分之一)。因此，例如，當總碳氫化合物的量或除甲烷之外的總碳氫化合物的量超過10μmol/mol、5μmol/mol、4μmol/mol、3μmol/mol、2μmol/mol、1μmol/mol和/或0.5μmol/mol時，控制單元確定存在油污染。

37、例如，當氫氣氣體中測得的油的量并不符合氫氣氣體質(zhì)量和/或氫燃料質(zhì)量的當前規(guī)定時，控制單元確定存在油污染。此類規(guī)定的示例是由國際標準iso?14687關(guān)于“氫燃料質(zhì)量(hydrogen?fuel?quality)”設(shè)定的規(guī)范(iso?14687:2019，氫燃料質(zhì)量-產(chǎn)品規(guī)范(hydrogen?fuel?quality-product?specification)，國際標準化組織，https://www.iso.org/standard/69539.html；此后稱為：iso?14687)。

38、例如，根據(jù)所述標準iso?14687，對于d級氫氣氣體(適用于氣態(tài)氫和/或用于道路車輛的pem燃料電池)，除甲烷之外的碳氫化合物的總量的閾值為2μmol/mol。

39、控制單元可以是制氫裝置的主控制設(shè)備的一部分，或者可以是單獨的實體。

40、根據(jù)另外的實施例，該制氫裝置包括控制單元，該控制單元被配置成用于：

41、確定在預先確定的時間跨度內(nèi)測得的經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量的時間發(fā)展的一個或多個特性參數(shù)，其中這些特性參數(shù)包括最小值、最大值、平均值、中值和/或眾數(shù)，以及

42、將一個、一些或所有這些所確定的特性參數(shù)與預先確定的閾值進行比較。

43、分析氫氣氣體中的油的量(例如，碳氫化合物的量)的時間發(fā)展允許更高精度的油污染檢測。原因在于，通過隨時間反復測量，可以減少異常值和測量不確定性(測量噪聲)對最終測量結(jié)果的影響。

44、將一個、一些或所有所確定的特性參數(shù)與預先確定的閾值進行比較特別是意指，將碳氫化合物的量的所確定的最小值、所確定的最大值、所確定的平均值、所確定的中值和/或所確定的眾數(shù)與預先確定的閾值進行比較。

45、在若干實施例中，還可以確定關(guān)于經(jīng)壓縮的氫氣中的油的量的時間發(fā)展的其他參數(shù)，諸如自上次雜質(zhì)警告以來經(jīng)過的時間、自上次實驗室分析取樣以來經(jīng)過的時間和/或傳感器單元的狀態(tài)。

46、根據(jù)另外的實施例，該制氫裝置包括控制單元，用于根據(jù)經(jīng)壓縮的氫氣氣體的檢測到的油污染和/或經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的所測得量來控制經(jīng)壓縮的氫氣氣體從制氫裝置的排放。

47、因此，當檢測到油污染時，可以控制(例如，停止)氫氣氣體從制氫裝置的排放。

48、根據(jù)另外的實施例，該控制單元被配置成用于控制制氫單元、壓縮機單元和/或排放單元。

49、例如，該控制單元可以控制制氫單元，使得其停止生產(chǎn)氫氣氣體。此外，該控制單元可以控制壓縮機單元，使得其停止壓縮所生產(chǎn)的氫氣氣體。此外，該控制單元可以控制排放單元，使得其停止排放經(jīng)壓縮的氫氣氣體。

50、此外，該制氫裝置可以包括一個或多個閥，這一個或多個閥布置在制氫裝置的管道處，以調(diào)節(jié)氫氣氣體的流量。在此情況下，控制單元可以被配置成控制這一個或多個閥，使得這些閥中的一個或多個閥關(guān)閉。

51、根據(jù)另外的實施例，該控制單元被配置成用于控制經(jīng)壓縮的氫氣氣體從制氫裝置的排放，使得當由傳感器單元測得的經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量大于預先確定的閾值時，和/或當一個、一些或所有所確定的特性參數(shù)大于預先確定的閾值時，停止該排放。

52、因此，在所記錄的雜質(zhì)超過閾值的情況下，停止氫氣氣體由制氫裝置的排放。

53、根據(jù)另外的實施例，該制氫裝置包括hmi單元。此外，控制單元被配置成控制該hmi單元輸出：

54、經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的所測得的量，

55、所確定的特性參數(shù)中的一個、一些或所有特性參數(shù)，和/或

56、當由傳感器單元檢測到的經(jīng)壓縮氫氣氣體中的油的量大于預先確定的閾值時，和/或當一個、一些或所有所確定的特性參數(shù)大于預先確定的閾值時，輸出警告消息。

57、hmi單元是諸如顯示單元或揚聲器的人機接口。

58、根據(jù)另外的方面，提供一種風力渦輪機裝置。該風力渦輪機裝置包括風力渦輪機以及上述制氫裝置。

59、在該風力渦輪機裝置的實施例中，風力渦輪機包括制氫裝置。

60、根據(jù)另外的實施例，提供一種用于操作用于風力渦輪機的制氫裝置的方法。該方法包括如下步驟：

61、a)利用由風力渦輪機生成的電能通過電解生產(chǎn)氫氣氣體，

62、b)通過壓縮機單元壓縮所生產(chǎn)的氫氣氣體，以及

63、c)通過流體地連接到壓縮機單元的傳感器單元檢測經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染。

64、在該方法的實施例中，同時執(zhí)行步驟b)和c)。

65、上文和/或下文描述的控制單元和主控制單元可以以硬件和/或軟件實現(xiàn)。如果相應單元以硬件實現(xiàn)，則其可以被實施為設(shè)備，例如實施為計算機或處理器或例如計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)的一部分。如果相應單元以軟件實現(xiàn)，則其可以被實施為計算機程序產(chǎn)品、函數(shù)、例程、程序代碼或可執(zhí)行對象。

66、參考本發(fā)明的制氫裝置描述的實施例和特征在細節(jié)上作必要修改適用于本發(fā)明的風力渦輪機裝置和方法。

67、本發(fā)明的其他可能實施方案或替代解決方案還包括上文或下文關(guān)于實施例描述的特征的本文中未明確提及的組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以向本發(fā)明的最基本形式添加個別或孤立的方面和特征。