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

背景技術(shù)：

1、利用諸如風(fēng)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(guó)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(lái)，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(jìn)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(dǎo)致國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iso?14678中對(duì)氫雜質(zhì)容差的最近改進(jìn)。

2、kr?20160031485?a公開了一種對(duì)加氫站的至少一個(gè)緩沖容器進(jìn)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(dāng)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(gè)電解設(shè)備以及至少一個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)，該壓縮機(jī)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(hù)設(shè)備，其包括催化脫脂裝備、延遲進(jìn)氣管道和進(jìn)氣檢測(cè)器。延遲進(jìn)氣管道的進(jìn)氣端口連接到經(jīng)壓縮的氣體源的外部，延遲空氣進(jìn)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(jìn)氣空氣檢測(cè)器布置在延遲空氣進(jìn)氣管道的進(jìn)氣端處，并且使用該進(jìn)氣空氣檢測(cè)器來(lái)在經(jīng)壓縮的氣體進(jìn)入延遲空氣進(jìn)氣管道之前檢測(cè)該經(jīng)壓縮氣體的油含量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的經(jīng)改進(jìn)的制氫裝置。

2、因此，提供一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)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(fēng)力渦輪機(jī)生成的電能生產(chǎn)氫氣氣體，

4、壓縮機(jī)單元，該壓縮機(jī)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(jī)單元，用于檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)氫氣氣體的油污染。

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

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

9、風(fēng)力渦輪機(jī)例如是陸上風(fēng)力渦輪機(jī)。然而，風(fēng)力渦輪機(jī)也可以是海上風(fēng)力渦輪機(jī)。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(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，包括電解制氫單元、壓縮機(jī)單元和傳感器單元的制氫裝置例如布置在風(fēng)力渦輪機(jī)旁邊的地面上。該制氫裝置例如布置在距風(fēng)力渦輪機(jī)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(fēng)力渦輪機(jī)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(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，包括電解制氫單元、壓縮機(jī)單元和傳感器單元的制氫裝置例如布置在風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架的外部平臺(tái)上。

12、電解制氫單元通過(guò)使用由風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流而例如將水轉(zhuǎn)化成氫氣氣體。由此，通過(guò)制氫單元中的電解過(guò)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(jī)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(jī)單元通過(guò)減小氫氣氣體的體積來(lái)壓縮氫氣氣體。壓縮所述氣體允許每次輸運(yùn)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(yùn)。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(yùn)。經(jīng)壓縮的氣體還可以例如借助于氣體管道被輸運(yùn)。

14、壓縮機(jī)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(yùn)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(xué)設(shè)備，其將燃料(例如，氫氣氣體)和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能(直流電)、熱或其他反應(yīng)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(chǔ)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(cè)經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油污染物和/或碳?xì)浠衔铩鞲衅鲉卧绫慌渲贸捎糜谠趬嚎s機(jī)單元的下游對(duì)氫氣氣體進(jìn)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(jī)單元的連接管道，用于將制氫單元中通過(guò)電解生產(chǎn)的氣體輸運(yùn)到壓縮機(jī)單元。此外，該制氫裝置例如包括將壓縮機(jī)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(shí)施例，該制氫裝置被配置成用于同時(shí)通過(guò)壓縮機(jī)單元壓縮所生產(chǎn)的氫氣氣體和通過(guò)傳感器單元檢測(cè)經(jīng)壓縮的氫氣氣體的油污染。

21、因此，由壓縮機(jī)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(cè)到。

22、根據(jù)另外的實(shí)施例，該制氫裝置包括排放單元，該排放單元與壓縮機(jī)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(diǎn)相對(duì)于氫氣氣體的下游方向布置在壓縮機(jī)單元與排放單元之間。

23、因此，可以相對(duì)于氫氣氣體的下游方向在壓縮機(jī)單元與排放單元之間檢測(cè)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(cè)到所述油污染。排放單元特別是布置在壓縮機(jī)單元的下游。

24、根據(jù)另外的實(shí)施例，該制氫裝置包括流體地連接壓縮機(jī)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(diǎn)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(jī)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(shí)施例，壓縮機(jī)單元包括正排量壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)和/或螺桿式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。

27、在正排量壓縮機(jī)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(guò)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(jī)單元排放。

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

29、火焰離子化檢測(cè)器測(cè)量氣體流中的被分析物?；鹧骐x子化檢測(cè)器的操作基于檢測(cè)有機(jī)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(jī)物質(zhì)的濃度成比例。

30、根據(jù)另外的實(shí)施例，傳感器單元被配置成用于通過(guò)測(cè)量經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量、特別是碳?xì)浠衔锏牧縼?lái)檢測(cè)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(cè)量氫氣氣體中存在的碳?xì)浠衔锏目偭?。碳?xì)浠衔锢绨ǚ枷銦N、烷烴等等。雖然甲烷也是碳?xì)浠衔?，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?xì)浠衔飬^(qū)分開。然而，傳感器單元還可以被配置成用于檢測(cè)除甲烷之外的碳?xì)浠衔锏目偭俊?/p>

32、油和/或碳?xì)浠衔锏牧坷缫阅枮閱挝粶y(cè)量，摩爾是物質(zhì)量的國(guó)際單位制基本單位。碳?xì)浠衔锏牧坷缫晕⒛柼細(xì)浠衔?摩爾氫氣氣體為單位(即，以百萬(wàn)分之一碳?xì)浠衔?、ppmv為單位)測(cè)量。

33、根據(jù)另外的實(shí)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(guò)將由傳感器單元測(cè)得的經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量與預(yù)先確定的閾值進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)(測(cè)量結(jié)果)并處理該測(cè)量數(shù)據(jù)?？刂茊卧绨ㄓ糜诖鎯?chǔ)預(yù)先確定的閾值的存儲(chǔ)裝置。

35、例如，當(dāng)在氫氣氣體中測(cè)得的油的量、特別是碳?xì)浠衔?例如，除甲烷之外的碳?xì)浠衔?的量超過(guò)預(yù)先確定的閾值時(shí)，控制單元確定存在油污染。

36、總碳?xì)浠衔?例如，除甲烷之外)的量的預(yù)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(wàn)分之一)。因此，例如，當(dāng)總碳?xì)浠衔锏牧炕虺淄橹獾目偺細(xì)浠衔锏牧砍^(guò)10μmol/mol、5μmol/mol、4μmol/mol、3μmol/mol、2μmol/mol、1μmol/mol和/或0.5μmol/mol時(shí)，控制單元確定存在油污染。

37、例如，當(dāng)氫氣氣體中測(cè)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(dāng)前規(guī)定時(shí)，控制單元確定存在油污染。此類規(guī)定的示例是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)iso?14687，對(duì)于d級(jí)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?xì)浠衔锏目偭康拈撝禐?μmol/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(dú)的實(shí)體。

40、根據(jù)另外的實(shí)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(yù)先確定的時(shí)間跨度內(nèi)測(cè)得的經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量的時(shí)間發(fā)展的一個(gè)或多個(gè)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(gè)、一些或所有這些所確定的特性參數(shù)與預(yù)先確定的閾值進(jìn)行比較。

43、分析氫氣氣體中的油的量(例如，碳?xì)浠衔锏牧?的時(shí)間發(fā)展允許更高精度的油污染檢測(cè)。原因在于，通過(guò)隨時(shí)間反復(fù)測(cè)量，可以減少異常值和測(cè)量不確定性(測(cè)量噪聲)對(duì)最終測(cè)量結(jié)果的影響。

44、將一個(gè)、一些或所有所確定的特性參數(shù)與預(yù)先確定的閾值進(jìn)行比較特別是意指，將碳?xì)浠衔锏牧康乃_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(yù)先確定的閾值進(jìn)行比較。

45、在若干實(shí)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(shí)間發(fā)展的其他參數(shù)，諸如自上次雜質(zhì)警告以來(lái)經(jīng)過(guò)的時(shí)間、自上次實(shí)驗(yàn)室分析取樣以來(lái)經(jīng)過(guò)的時(shí)間和/或傳感器單元的狀態(tài)。

46、根據(jù)另外的實(shí)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(cè)到的油污染和/或經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的所測(cè)得量來(lái)控制經(jīng)壓縮的氫氣氣體從制氫裝置的排放。

47、因此，當(dāng)檢測(cè)到油污染時(shí)，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(shí)施例，該控制單元被配置成用于控制制氫單元、壓縮機(jī)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(jī)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(gè)或多個(gè)閥，這一個(gè)或多個(gè)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(gè)或多個(gè)閥，使得這些閥中的一個(gè)或多個(gè)閥關(guān)閉。

51、根據(jù)另外的實(shí)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(dāng)由傳感器單元測(cè)得的經(jīng)壓縮的氫氣氣體中的油的量大于預(yù)先確定的閾值時(shí)，和/或當(dāng)一個(gè)、一些或所有所確定的特性參數(shù)大于預(yù)先確定的閾值時(shí)，停止該排放。

52、因此，在所記錄的雜質(zhì)超過(guò)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(shí)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(cè)得的量，

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

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

57、hmi單元是諸如顯示單元或揚(yáng)聲器的人機(jī)接口。

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

59、在該風(fēng)力渦輪機(jī)裝置的實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪機(jī)包括制氫裝置。

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

61、a)利用由風(fēng)力渦輪機(jī)生成的電能通過(guò)電解生產(chǎn)氫氣氣體，

62、b)通過(guò)壓縮機(jī)單元壓縮所生產(chǎn)的氫氣氣體，以及

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

64、在該方法的實(shí)施例中，同時(shí)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(shí)現(xiàn)。如果相應(yīng)單元以硬件實(shí)現(xiàn)，則其可以被實(shí)施為設(shè)備，例如實(shí)施為計(jì)算機(jī)或處理器或例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)的一部分。如果相應(yīng)單元以軟件實(shí)現(xiàn)，則其可以被實(shí)施為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品、函數(shù)、例程、程序代碼或可執(zhí)行對(duì)象。

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

67、本發(fā)明的其他可能實(shí)施方案或替代解決方案還包括上文或下文關(guān)于實(shí)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(gè)別或孤立的方面和特征。