用于风力涡轮机的制氢装置、风力涡轮机装置以及用于操作用于风力涡轮机的制氢装置的方法与流程

本发明涉及一种用于风力涡轮机的制氢装置、一种具有这种制氢装置的风力涡轮机装置以及一种用于操作用于风力涡轮机的制氢装置的方法。

背景技术：

1、利用诸如风力的可再生能量生产的氢气气体提供可用于氢燃料电池中并替代化石燃料的绿色氢气。例如，绿色氢气气体可以用于燃料电池车辆中。为用于氢燃料电池中，氢燃料质量必须符合关于气体杂质的国际规范(例如，iso 14678)。特别地，氢气气体的油污染物可能影响燃料电池催化剂、燃料电池电力系统以及燃料电池的其他部件。因此，必需分析所生产氢气的杂质，以符合规定并避免最终用户的燃料电池的损坏。此外，近年来，pem(质子交换膜)燃料电池技术已经展现出显著的进步，诸如载铂量减少、电解质膜变薄、以高电流密度操作以及在低湿度下操作。这已经导致国际标准iso 14678中对氢杂质容差的最近改进。

2、kr 20160031485 a公开了一种对加氢站的至少一个缓冲容器进行充气的方法，其中确定缓冲器皿的氢气中至少一种杂质的当前浓度。

3、wo 2019/210961 al公开了一种制氢系统，其包括至少一个电解设备以及至少一个压缩机系统，该压缩机系统布置在该电解设备的下游，用于压缩所生产的氢气。

4、cn 114405263 a公开了一种用于催化脱脂装备的保护设备，其包括催化脱脂装备、延迟进气管道和进气检测器。延迟进气管道的进气端口连接到经压缩的气体源的外部，延迟空气进气管道的空气出口连接到催化脱脂装备的空气入口。此外，进气空气检测器布置在延迟空气进气管道的进气端处，并且使用该进气空气检测器来在经压缩的气体进入延迟空气进气管道之前检测该经压缩气体的油含量。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种用于风力涡轮机的经改进的制氢装置。

2、因此，提供一种用于风力涡轮机的制氢装置。该制氢装置包括：

3、电解制氢单元，该电解制氢单元用于利用由风力涡轮机生成的电能生产氢气气体，

4、压缩机单元，该压缩机单元用于压缩所生产的氢气气体，以及

5、传感器单元，该传感器单元流体地连接到压缩机单元，用于检测经压缩氢气气体的油污染。

6、借助该制氢装置的传感器单元，可以容易地检测由该制氢装置生产的氢气气体的油污染。例如，可以持续监测氢气气体的油污染。此外，可以例如在氢气气体由制氢装置排放之前检测氢气气体的油污染。

7、特别地，可以检测由制氢装置的压缩机单元引起的油污染。压缩机单元压缩氢气气体，以实现该气体的更高效输运。诸如润滑剂和液压流体的油污染物可能由压缩机单元引入到经压缩的氢气气体中。例如，来自活塞式压缩机的液压油可能泄漏到氢气气体中。借助布置在压缩机单元下游的传感器单元，可以显示由压缩机单元引起的污染。

8、风力涡轮机是用于将风的动能转换成电能的装置。风力涡轮机包括例如转子、机舱和塔架，转子具有一个或多个各自连接到毂部的叶片，机舱包括发电机，塔架在其顶端处保持机舱。风力涡轮机的塔架可以经由过渡件连接到风力涡轮机的基部，诸如混凝土基部或海床中的单桩。

9、风力涡轮机例如是陆上风力涡轮机。然而，风力涡轮机也可以是海上风力涡轮机。海上包括海洋环境以及湖泊和其他开阔水域。

10、在陆上风力涡轮机的情况下，包括电解制氢单元、压缩机单元和传感器单元的制氢装置例如布置在风力涡轮机旁边的地面上。该制氢装置例如布置在距风力涡轮机的基部1000米或以下、500米或以下、200米或以下、100米或以下和/或50米或以下的距离内。另外或替代地，出于安全原因，该制氢装置例如布置在距风力涡轮机的基部至少200米、至少300米和/或至少500米的距离内。

11、在海上风力涡轮机的情况下，包括电解制氢单元、压缩机单元和传感器单元的制氢装置例如布置在风力涡轮机的塔架的外部平台上。

12、电解制氢单元通过使用由风力涡轮机的发电机产生的电流而例如将水转化成氢气气体。由此，通过制氢单元中的电解过程，水被分离成氢气和氧气。

13、由制氢单元生产的氢气气体具有例如为100巴或以下、50巴或以下和/或30巴或以下的压力。压缩机单元将所生产的氢气气体例如压缩至100巴或以上、200巴或以上、300巴或以上和/或400巴或以上的压力。压缩机单元通过减小氢气气体的体积来压缩氢气气体。压缩所述气体允许每次输运更大体积的气体，并且因此，允许气体的更高效且更快速的输运。经压缩的气体例如借助于道路上的压力器皿(诸如管拖车)被输运。经压缩的气体还可以例如借助于气体管道被输运。

14、压缩机单元例如被配置成与制氢装置的排放单元流体地连接。排放单元可以例如用于给分配器或输运管道供料。

15、由制氢装置生产的氢气气体例如用于燃料电池和/或燃料电池系统中，诸如燃料电池车辆或燃料电池电力系统(用于发电的固定燃料电池)。

16、燃料电池是电化学设备，其将燃料(例如，氢气气体)和氧化剂的化学能转换为电能(直流电)、热或其他反应产物。

17、油污染物是杂质，其可能不利地影响燃料电池系统、燃料电池车辆、燃料电池电力系统和/或储氢系统的部件。不利影响可能包括可逆影响或不可逆影响。

18、传感器单元特别是包括用于确定氢气气体的质量(诸如纯度)的质量传感器。传感器单元例如被配置成用于检测经压缩的氢气气体中的油污染物和/或碳氢化合物。传感器单元例如被配置成用于在压缩机单元的下游对氢气气体进行取样，以供分析。

19、制氢装置例如包括流体地连接制氢单元与压缩机单元的连接管道，用于将制氢单元中通过电解生产的气体输运到压缩机单元。此外，该制氢装置例如包括将压缩机单元流体地连接到传感器单元和排放单元的另外的连接管道。所述管道特别是气体管道(例如，气密管道)。

20、根据一实施例，该制氢装置被配置成用于同时通过压缩机单元压缩所生产的氢气气体和通过传感器单元检测经压缩的氢气气体的油污染。

21、因此，由压缩机单元引起的经压缩的氢气气体的油污染可以在其发生之后被立即检测到。

22、根据另外的实施例，该制氢装置包括排放单元，该排放单元与压缩机单元流体地连接用于排放经压缩的氢气气体，其中传感器单元的气体取样点相对于氢气气体的下游方向布置在压缩机单元与排放单元之间。

23、因此，可以相对于氢气气体的下游方向在压缩机单元与排放单元之间检测经压缩的氢气气体的油污染。因此，在发生经压缩的氢气气体的油污染的情况下，可以在排放受污染的氢气气体之前检测到所述油污染。排放单元特别是布置在压缩机单元的下游。

24、根据另外的实施例，该制氢装置包括流体地连接压缩机单元与排放单元的连接管道，该连接管道包括用于提供传感器单元的取样点的分支部分。

25、该分支部分例如是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。该分支部分例如包括与压缩机单元流体地连接的入口、与排放单元流体地连接的第一出口(主出口)以及与传感器单元流体地连接的第二出口(分支出口)。

26、根据另外的实施例，压缩机单元包括正排量压缩机、活塞式压缩机、旋转式压缩机和/或螺杆式旋转压缩机。

27、在正排量压缩机中，一定入口体积的所生产的氢气气体被限制在给定空间中，并且随后通过减小此有限体积或空间而被压缩，使得其压力增加。经压缩的气体然后从压缩机单元排放。

28、根据另外的实施例，传感器单元包括火焰离子化检测器、气相色谱仪和/或质谱仪。

29、火焰离子化检测器测量气体流中的被分析物。火焰离子化检测器的操作基于检测有机化合物在氢火焰中的燃烧期间形成的离子。这些离子的生成与样品气体流中有机物质的浓度成比例。

30、根据另外的实施例，传感器单元被配置成用于通过测量经压缩的氢气气体中的油的量、特别是碳氢化合物的量来检测经压缩的氢气气体的油污染。

31、传感器单元可以被配置成用于测量氢气气体中存在的碳氢化合物的总量。碳氢化合物例如包括芳香烃、烷烃等等。虽然甲烷也是碳氢化合物，但是甲烷不是水电解的结果。因此，不要求传感器单元能够将甲烷与其他碳氢化合物区分开。然而，传感器单元还可以被配置成用于检测除甲烷之外的碳氢化合物的总量。

32、油和/或碳氢化合物的量例如以摩尔为单位测量，摩尔是物质量的国际单位制基本单位。碳氢化合物的量例如以微摩尔碳氢化合物/摩尔氢气气体为单位(即，以百万分之一碳氢化合物、ppmv为单位)测量。

33、根据另外的实施例，该制氢装置包括控制单元，该控制单元被配置成用于通过将由传感器单元测得的经压缩的氢气气体中的油的量与预先确定的阈值进行比较来检测经压缩氢气气体的油污染。

34、该控制单元例如接收传感器单元的测量数据(测量结果)并处理该测量数据。控制单元例如包括用于存储预先确定的阈值的存储装置。

35、例如，当在氢气气体中测得的油的量、特别是碳氢化合物(例如，除甲烷之外的碳氢化合物)的量超过预先确定的阈值时，控制单元确定存在油污染。

36、总碳氢化合物(例如，除甲烷之外)的量的预先确定的阈值例如为10μmol/mol、5μmol/mol、4μmol/mol、3μmol/mol、2μmol/mol、1μmol/mol和/或0.5μmol/mol。由此，1μmol/mol等于1ppmv(百万分之一)。因此，例如，当总碳氢化合物的量或除甲烷之外的总碳氢化合物的量超过10μmol/mol、5μmol/mol、4μmol/mol、3μmol/mol、2μmol/mol、1μmol/mol和/或0.5μmol/mol时，控制单元确定存在油污染。

37、例如，当氢气气体中测得的油的量并不符合氢气气体质量和/或氢燃料质量的当前规定时，控制单元确定存在油污染。此类规定的示例是由国际标准iso 14687关于“氢燃料质量(hydrogen fuel quality)”设定的规范(iso 14687:2019，氢燃料质量-产品规范(hydrogen fuel quality-product specification)，国际标准化组织，https://www.iso.org/standard/69539.html；此后称为：iso 14687)。

38、例如，根据所述标准iso 14687，对于d级氢气气体(适用于气态氢和/或用于道路车辆的pem燃料电池)，除甲烷之外的碳氢化合物的总量的阈值为2μmol/mol。

39、控制单元可以是制氢装置的主控制设备的一部分，或者可以是单独的实体。

40、根据另外的实施例，该制氢装置包括控制单元，该控制单元被配置成用于：

41、确定在预先确定的时间跨度内测得的经压缩的氢气气体中的油的量的时间发展的一个或多个特性参数，其中这些特性参数包括最小值、最大值、平均值、中值和/或众数，以及

42、将一个、一些或所有这些所确定的特性参数与预先确定的阈值进行比较。

43、分析氢气气体中的油的量(例如，碳氢化合物的量)的时间发展允许更高精度的油污染检测。原因在于，通过随时间反复测量，可以减少异常值和测量不确定性(测量噪声)对最终测量结果的影响。

44、将一个、一些或所有所确定的特性参数与预先确定的阈值进行比较特别是意指，将碳氢化合物的量的所确定的最小值、所确定的最大值、所确定的平均值、所确定的中值和/或所确定的众数与预先确定的阈值进行比较。

45、在若干实施例中，还可以确定关于经压缩的氢气中的油的量的时间发展的其他参数，诸如自上次杂质警告以来经过的时间、自上次实验室分析取样以来经过的时间和/或传感器单元的状态。

46、根据另外的实施例，该制氢装置包括控制单元，用于根据经压缩的氢气气体的检测到的油污染和/或经压缩的氢气气体中的油的所测得量来控制经压缩的氢气气体从制氢装置的排放。

47、因此，当检测到油污染时，可以控制(例如，停止)氢气气体从制氢装置的排放。

48、根据另外的实施例，该控制单元被配置成用于控制制氢单元、压缩机单元和/或排放单元。

49、例如，该控制单元可以控制制氢单元，使得其停止生产氢气气体。此外，该控制单元可以控制压缩机单元，使得其停止压缩所生产的氢气气体。此外，该控制单元可以控制排放单元，使得其停止排放经压缩的氢气气体。

50、此外，该制氢装置可以包括一个或多个阀，这一个或多个阀布置在制氢装置的管道处，以调节氢气气体的流量。在此情况下，控制单元可以被配置成控制这一个或多个阀，使得这些阀中的一个或多个阀关闭。

51、根据另外的实施例，该控制单元被配置成用于控制经压缩的氢气气体从制氢装置的排放，使得当由传感器单元测得的经压缩的氢气气体中的油的量大于预先确定的阈值时，和/或当一个、一些或所有所确定的特性参数大于预先确定的阈值时，停止该排放。

52、因此，在所记录的杂质超过阈值的情况下，停止氢气气体由制氢装置的排放。

53、根据另外的实施例，该制氢装置包括hmi单元。此外，控制单元被配置成控制该hmi单元输出：

54、经压缩的氢气气体中的油的所测得的量，

55、所确定的特性参数中的一个、一些或所有特性参数，和/或

56、当由传感器单元检测到的经压缩氢气气体中的油的量大于预先确定的阈值时，和/或当一个、一些或所有所确定的特性参数大于预先确定的阈值时，输出警告消息。

57、hmi单元是诸如显示单元或扬声器的人机接口。

58、根据另外的方面，提供一种风力涡轮机装置。该风力涡轮机装置包括风力涡轮机以及上述制氢装置。

59、在该风力涡轮机装置的实施例中，风力涡轮机包括制氢装置。

60、根据另外的实施例，提供一种用于操作用于风力涡轮机的制氢装置的方法。该方法包括如下步骤：

61、a)利用由风力涡轮机生成的电能通过电解生产氢气气体，

62、b)通过压缩机单元压缩所生产的氢气气体，以及

63、c)通过流体地连接到压缩机单元的传感器单元检测经压缩的氢气气体的油污染。

64、在该方法的实施例中，同时执行步骤b)和c)。

65、上文和/或下文描述的控制单元和主控制单元可以以硬件和/或软件实现。如果相应单元以硬件实现，则其可以被实施为设备，例如实施为计算机或处理器或例如计算机系统的系统的一部分。如果相应单元以软件实现，则其可以被实施为计算机程序产品、函数、例程、程序代码或可执行对象。

66、参考本发明的制氢装置描述的实施例和特征在细节上作必要修改适用于本发明的风力涡轮机装置和方法。

67、本发明的其他可能实施方案或替代解决方案还包括上文或下文关于实施例描述的特征的本文中未明确提及的组合。本领域技术人员还可以向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。