CN117899625A - 压缩后的气态氢气的处理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理气态氢气的系统，该系统包括用于供应气态氢气的入口(10a)、具有用于去除所供应的氢气中的水分的活性干燥材料的干燥单元(30)、具有吸附干燥后的氢气中的杂质的活性吸附材料的吸附单元(50)和用于排出经过处理的氢气的出口(10b)。根据本发明，活性干燥材料和活性吸附材料之间的质量比在1.5:1至50:1的范围内。本发明还涉及一种包括这种系统的用于提供压缩后的经过处理的气态氢气的设备和一种用于处理气态氢气的方法。

Description

压缩后的气态氢气的处理

技术领域

本发明涉及一种用于处理气态氢气的系统、一种用于提供压缩后的经过处理的气态氢气的设备和一种用于处理气态氢气的方法，该方法可以例如通过这样的系统和/或这样的设备来进行。

背景技术

气态氢气被认为是许多不同应用的重要且有前途的原材料，不仅用于例如化学工业，而且还越来越多地用作储存能量的介质。例如，在利用可再生能源发电的高峰期，例如在光伏系统的高太阳辐射或风力发电设备的提高的电能产量的时候，多余的电能可以用于水的电解或类似的生产氢气的电化学过程。这样的过程产生气态氢气，该气态氢气然后可以被储存、放置在气体储存设施中或直接使用。

如果是用于能量储存，这种氢气可以稍后用于诸如氢动力车辆的分散式装置，或者它可以转换回电力以补偿使用可再生能源发电量较低的时期。例如，已经安装在一些车型中并由高压氢罐供应的燃料电池可以用于此目的。

然而，由于燃料电池对杂质的灵敏度高，可用于这样的应用的氢气必须尽可能纯净。可用于此目的的氢气的纯度例如在标准DIN EN 17124(氢燃料-道路车辆的燃料电池应用)和ISO 14687(在车辆和固定应用中使用的氢燃料的质量特性)中有规定。

已经表明，可用的或新获得的氢气的各种杂质可能特别相关，这些杂质必须在填充或进一步加工之前被去除。一方面，这涉及氢气中所含的水分，该水分作为上述过程的结果而存在于氢气中，特别是在上面已经提到的将水电解分离成氢气和氧气的情况下。另一方面，特别是当使用油润滑的压缩机来压缩氢气时，诸如碳氢化合物的对应杂质可能在一定程度上被引入氢气中，因此必须在稍后的阶段再去除。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种系统和一种方法，通过该系统和方法可以经济地处理特别是通过电解产生并通过油润滑的压缩机压缩的氢气，从而使得其适用于氢气必须满足最高纯度要求的应用。

为此，根据本发明的第一方面，首先提出了一种用于处理气态氢气的系统，该系统包括用于供应气态氢气的入口、包括用于去除所供应的氢气中的水分的活性干燥材料的干燥单元、包括用于吸附干燥后的氢气中的杂质的活性吸附材料的吸附单元以及用于排出经过处理的氢气的出口。根据本发明，活性干燥材料和活性吸附材料之间的质量比在1.5:1至50:1的范围内。

应当注意，干燥单元的活性干燥材料和吸附单元的活性吸附材料都具有饱和极限，也就是说，根据它们的质量，它们在效率降低并且最终不再足以充分处理氢气之前只能吸收一定量的异物。根据本发明的两种活性材料之间的质量比简单而有效地确保了系统可以连续操作到干燥单元的饱和点，而不会达到吸附单元的饱和极限。

根据本发明的数值范围特别是基于本发明人进行的广泛模拟，所述广泛模拟用于评估气态氢气进入对应系统时的湿度值的通常范围，以便实现干燥单元和吸附单元待处理的气体的最佳体积，从而实现根据本发明的系统的经济和可靠的操作。同时，这避免了根据本发明的系统中吸附单元的活性吸附材料的尺寸过大，因此还允许更有利和经济的系统设计。

在根据本发明的系统中，待处理的气态氢气是否已经被压缩(也就是说，在高压力下被供给到系统的入口)，或者为此目的设置的压缩机是否设置在干燥单元的下游从而导致将系统分离成低压段和高压段(其中压缩机设置在它们之间)，都是无关紧要的。在这方面，在这一点上应该参考根据本发明的第二方面的设备，该设备将在下面详细讨论，并且该设备本身包括对应的压缩机。

根据本发明，干燥单元可以包括作为活性干燥材料的本身已知的分子筛，其结合气态氢气中所含的水分。特别地，它可以是吸湿性预干燥的分子筛，但是可以使用替代的干燥剂，例如硅胶。然而，根据它们的类型和质量，这样的干燥单元总是具有一定的干燥能力或饱和极限，该干燥能力或饱和极限不得被超过，以便能够确保所需的经过处理的氢气的纯度。

类似地，根据本发明，吸附单元可以包括作为活性吸附材料的能够吸附气流中存在的杂质的活性炭。吸附单元还具有对这样的杂质的最大吸收容量，该最大吸收容量最终决定了可以处理的最大气体体积。一旦吸附单元的容量耗尽，则必须更换对应的活性吸附材料，例如，通过更换含有该材料的筒，或者在较大的设备中，通过更换散装活性吸附材料本身。这同样适用于当达到饱和极限时也必须更换的活性干燥材料。

为了监测干燥后的氢气的质量和纯度，可以在根据本发明的干燥单元的下游设置至少一个压力露点传感器，该压力露点传感器监测由其分析的氢气的当前压力露点并输出对应的数据。该数据进而可以用于实时确定氢气是否已经进行了充分的干燥，或者例如确定干燥单元是否已经达到其容量极限，并且因此确定氢气中是否保留有不可接受量的残留水分。以这种方式实时监测氢气的纯度避免了使用测试瓶进行耗时的采样以及后续在外部实验室中对经过处理的气态氢气进行质量评估。除了成本高之外，这样的质量评估的缺点还在于，它们在采样时只提供了一张快照，而没有覆盖整个讨论中的设备的连续操作。因此，通过在根据本发明的系统中设置压力露点传感器来实时监测气体质量的可能性代表了在经过处理的氢气的质量保证方面的显著进步。

根据本发明，替代地或附加地，还可以设置另外的压力露点传感器，该压力露点传感器设置在干燥单元的上游。这使得可以收集关于干燥单元效果的进一步数据点，因为它还报告了氢气在进入干燥单元之前的水分含量。因此，一方面，可以监测系统入口处供应的氢气的质量，另一方面，还可以进一步指出干燥单元的效果。

在这种情况下，该系统例如还可以包括控制单元，该控制单元可以与至少一个压力露点传感器耦合以接收所述传感器数据，并且可以适于在超过预定压力露点阈值时触发预定动作。例如，这样的预定动作可以是警报输出或对应设备的立即关闭，并且还可以定义多个预定压力露点阈值，每个预定压力露点值触发这种性质的不同动作。

为了进一步确保所需的气体质量以及根据本发明的系统的安全操作，该系统还可以包括以下部件中的至少一个：

-设置在干燥单元的上游或下游的微分离单元；

-设置在吸附单元的下游的后干燥单元；

-颗粒过滤器，其设置在吸附单元的下游，并且如果适用的话，设置在后干燥单元的下游；

-最小压力阀，其设置在吸附单元的下游，并且如果适用的话，设置在后干燥单元和/或颗粒过滤器的下游；

-设置在出口的上游的减压单元。

可以在根据本发明的系统中另外设置的上述部件对氢气的处理和系统的安全操作做出了进一步的贡献。特别地，微分离单元例如可以被设计为聚结分离器，并且可以分离液滴形状的气溶胶，或者也可以分离气流中存在的水分。在这种情况下，作为定期维护的一部分，出现的水分可以通过自动冷凝水排放口或通过冷凝水排放旋塞手动供给到大容量冷凝水收集罐中，所述水分储存在该收集罐处并由操作员手动地从对环境气密的设备中排出。

可以在吸附单元的下游设置后干燥单元，因为特别是诸如活性炭的活性吸附材料由于制造过程而总是具有残余水分，在干燥后的氢气通过吸附单元的过程中，残余水分可能部分地被干燥后的氢气吸收。因此，通过后干燥过程，由此从吸附单元释放的残余水分本身可以被吸附，从而特别是在活性吸附材料改变之后(其在其生命周期开始时仍然具有增加的残余水分)确保没有来自活性吸附材料的水分被引入到系统出口处提供的气流中，否则可能导致下游部件或应用的工艺损伤。

根据类似的原理，设置在吸附单元的下游的颗粒过滤器可以安全地在该位置处去除氢气中可能已经从上游部件中的活性干燥材料和/或活性吸附材料进入气流的固体颗粒或灰尘。

此外，设置最小压力阀可以用于确保待处理的气态氢气在上游部件(例如干燥单元和吸附单元)中的必要停留时间，从而以操作可靠的方式根据需要进行对应的处理。此外，在上游部件中设置最小压力可以防止活性材料的爆裂或雾化，从而防止对应部件的堵塞，特别是在下游应用中压力快速下降的情况下。

可以设置所述减压单元，以便能够在根据本发明的系统的维护期间，例如当活性材料中的一种已经达到饱和点并需要更换时，对处理段进行安全和无危险的减压。通常用于这种目的的已知部件(例如压力计、减压阀或安全阀)可以用于这种目的。

根据第二方面，本发明涉及一种用于提供压缩后的经过处理的氢气的设备，该设备包括用于压缩所供应的气态氢气的压缩机和根据本发明的刚刚描述的类型的用于处理压缩后的气态氢气的系统。这里，压缩机可以设置在干燥单元的上游或下游，使得以原料状态供应的氢气或预先干燥后的氢气可以在对应的点处由压缩机压缩。

为了能够实现所需的氢气压力(例如，当用氢气填充压力容器时可能需要的)，压缩机可以是多级设计，例如，它可以包括操作压力高达350巴或更高的容积式压缩机，和/或可以为压缩机分配至少一个热交换器，热交换器可能设置在每个压缩机级的下游，并且分离器单元也设置在每个压缩机级之后的热交换器的下游，这简化了在随后的压缩机级中的进一步压缩，并且可能已经导致氢气中所含水分的冷凝，然后可以将其相应地去除。

此外，根据本发明的设备可以包括设备控制单元，该设备控制单元适于在检测到已经超过至少一个预定压力露点阈值时关闭压缩机。在这种情况下，可以理解的是，设备控制单元可以与根据本发明的用于处理氢气的系统的上述控制单元操作耦合，或者如果需要，两个控制单元可以集成到单个控制单元中。此外，不应排除，如果超过预定压力露点阈值，可以采取其他措施，例如打开吹扫阀，以可靠地确保在任何情况下都不会用未经充分处理的氢气进行填充。

根据第三方面，本发明还涉及一种通过合适的系统、特别是根据本发明的系统来处理气态氢气的方法，该系统可能集成到如上所述的每种类型的根据本发明的设备中，所述方法包括以下步骤：在系统的入口处供给气态氢气；在干燥单元中去除所供给的氢气中的水分；在吸附单元中吸附干燥后的氢气中的杂质；以及在出口处排出经过处理的氢气。在这种情况下，经过处理的氢气可以用于填充合适的压力容器，或者例如被供给到进一步使用它的下游工艺中。

如前所述，在根据本发明的方法中，当超过至少一个预定压力露点阈值时，可以触发预定措施。特别地，可以当超过第一预定压力露点阈值时，例如通过视觉显示器或声学信号发出警告，并且当超过第二预定压力露点阀值时，可以启动系统和/或设备的关闭。

同样如前所述，在实施根据本发明的方法之后，经过处理的氢气可以满足DIN EN17124或ISO 14687的要求，和/或根据本发明的方法可以包括将氢气压缩至高达350巴或更高的压力。

附图说明

通过与附图一起考虑时的本发明的实施方式的以下描述，本发明的其他特征和优点变得更加清楚。这些附图示出以下内容：

图1A示出了根据本发明的设备的第一实施方式的工艺流程图，

图1B示出了根据本发明的设备的第二实施方式的工艺流程图，以及

图2示出了图1A和图1B所示的根据本发明的设备的各种部件的示意图。

具体实施方式

图1A通过工艺流程图示出了根据本发明的设备的第一实施方式，该设备总体上由附图标记100表示。在入口10a处，例如通过电解水产生的气态氢气被供给到设备100。在将氢气供应到干燥单元30之前，首先通过第一压力露点传感器20a确定输送的氢气的压力露点。在该干燥单元30中，设置有活性干燥材料以去除所供应的氢气中的水分，并且在干燥步骤之后，可以使用第二压力露点传感器20b来跟踪干燥步骤的结果。

为此目的，两个露点传感器20a和20b与设备100的控制单元110耦合，控制单元110适于检查由两个露点传感器20a和20b提供的数据，以便确定干燥步骤是否已经按所需的方式进行以及例如干燥单元30是否已经饱和。这也使得已经可以监测输送的氢气的水分含量，如果超过预定可接受值范围，则可以采取适当的措施。此外，控制单元110与下文所述的压缩机120耦合，并且可以适于在超过至少一个预定压力露点阈值时(在特别是在露点传感器20b处)，关闭压缩机120，以防止未充分纯化的氢气的压缩。

第二露点传感器20b现在之后是刚刚提到的压缩机120，该压缩机120可以被构造为例如多级压缩机，用于冷却压缩后的氢气的热交换器以及用于分离气流中的液体气溶胶成分的分离器单元设置在各个压缩机级之间。以这种方式压缩的氢气现在被供给到最终的微分离单元40，在该微分离单元中沉积液滴形状的气溶胶和水分，这些气溶胶和水分可以在箭头40a处被临时储存并且随后从设备100中去除。

在微分离单元40的下游，随后设置吸附单元50，在该吸附单元50中容纳有用于吸附干燥后的氢气中的杂质的活性吸附材料，例如可更换的筒内的活性炭或作为用户可更换的散装材料的活性炭。该吸附单元50之后是后干燥单元60，后干燥单元60特别是在吸附单元50中的活性吸附材料被更换之后可以首先吸收其中所包含的已经进入纯化的氢气中的残留水分。

类似地，在后干燥单元60的下游设置颗粒过滤器70，其可能可以过滤掉此时残留在氢气中的任何固体颗粒，例如可能从吸附单元夹带的固体颗粒。在颗粒过滤器70的下游是最小压力阀80，其用于确保氢气在上游部件、特别是干燥单元30和吸附单元50中的必要停留时间。

最后，在其出口10b的上游(经过处理的压缩氢气可以在出口10b处排出)，设备100还包括减压单元90，该减压单元允许以本身已知的方式在设备100中安全且无危险地减压。在设备100内，部件入口10a、压力露点传感器20a和20b、干燥单元30、微分离单元40、吸附单元50、后干燥单元60、颗粒过滤器70、最小压力阀80、减压单元90和出口10b形成根据本发明的用于处理氢气的系统，其中控制单元110就其功能而言也形成该系统的至少一部分。

根据本发明的系统的替代的第二实施方式进一步在图1B中示出，并由附图标记200表示。关于其各个部件的描述，应参考刚才描述的第一实施方式。特别是，设备200包括与图1A的实施方式完全相同的部件，但以修改的顺序进行设置。

特别是应当注意，在图1B的实施方式200中，压缩机120设置成紧接在第一压力露点传感器20a的下游，使得压缩后的气态氢气已经被供给到干燥单元30。相应地，尽管在图1的实施方式中，干燥单元30和吸附单元50分别设置在压缩机120的上游和下游，也就是说，分别设置在设备100的低压区域和高压区域中，但在图1B的实施方式中，干燥单元30和吸附单元50都位于压缩机120的下游，也就是说都在高压区域中。

然而，这里应当注意，在图1A和图1B的两个所示的实施方式中，根据本发明的干燥单元30的活性干燥材料和吸附单元50的活性吸附材料之间的质量比在1.5:1和50:1之间的相同范围内，同时压力露点传感器20a和20b的设置同样使得能够以所描述的方式监测氢气的气体质量。

应当进一步注意，并非刚刚描述的所有部件都必须存在于所有可能的实施方式中。例如，如果使用的活性吸附材料不倾向于将残余水分释放到气流中，则可以省略后干燥单元的下游设置。此外，应当注意，在根据本发明的系统的其他可能的变型中，对应的部件也可以以不同的顺序设置。例如，干燥单元30和吸附单元50可以一个接一个地直接设置，在这种情况下，如果对应的活性材料在氢气的流动方向上以合适的方式一个接一个地设置，则甚至可以设想将这两个单元集成在例如单个壳体或甚至单个筒中。

为了进一步说明设备100和200中使用的部件，请进一步参考图2，其中以横截面图示意性示出了各种部件，特别是干燥单元30和吸附单元50、微分离器40和颗粒过滤器70。

这里应当注意，干燥单元30和吸附单元50可以均以类似的方式由压力过滤容器形成，如上图2所示。其包括具有入口34和出口36的压力密封壳体32，对应的筒可插入壳体32中。因此，干燥单元30或吸附单元50可以通过这种方式通过将填充有分子筛或其他合适的干燥剂(例如硅胶)的干燥筒38或填充有例如活性炭的吸附筒58插入到壳体32中而实现。因此，在设备100和200中可以分别使用两个类似构造的压力过滤容器，这两个压力过滤容器根据它们所配备的筒而用作干燥单元30和吸附单元50。

在这两种情况下，对应的部件起作用使得通过入口34进入的气流自由地向上流动，然后向下穿过分别设置在对应的筒38和58中的分子筛层或活性炭层。以这种方式处理的氢气然后在出口36处离开壳体32，并且可以在系统的下一个部件中被进一步处理。在这一点上还应当提到的是，在根据本发明的系统的某些变型中，也可以集成干燥单元30和吸附单元50，使得氢气首先流过的图2所示的对应筒的上层包含活性干燥材料并且下层包含活性吸附材料。通过这种方式，两个部件都可以容纳在单个壳体32中，这一方面节省了空间和费用，但另一方面只允许两种活性材料一起更换，因此灵活性较小。为了完整性，在这一点上还应当提到，在替代实施方式中，特别是在较大的设备中，也可以使用适当容器中的散装材料形式的活性干燥和吸附材料来代替这里所示的筒。

图2(左下)以类似方式示出了微分离器40。该微分离器40也包括具有入口44和出口46的壳体42，以及设置在壳体42中的聚结过滤器48。其将包含在气流中的气溶胶与气相分离，使得纯化气流可以在出口46处被去除，并被供给到设备100或200的下一个部件，同时气溶胶积聚在容器的底部并且可以在合适的时间在点40a处被去除，如上所述。

最后，图2(右下)示出了颗粒过滤器70，它也包括壳体72、入口74和出口76。类似于干燥单元30和吸附单元50，这里待纯化的氢气从下面进入壳体72，自由向上流动，通过配备有合适过滤介质的滤筒，然后经由出口76离开颗粒过滤器70，以便随后被供给到设备100或200的下一个部件。

Claims (15)

1.一种用于处理气态氢气的系统，其包括：

用于供应气态氢气的入口(10a)；

干燥单元(30)，其具有用于去除所供应的氢气中的水分的活性干燥材料；

吸附单元(50)，其具有用于吸附干燥后的氢气中的杂质的活性吸附材料；以及

用于排出经过处理的氢气的出口(10b)，

其中所述活性干燥材料和所述活性吸附材料之间的质量比在1.5:1至50:1的范围内。

2.根据权利要求1所述的系统，

其中所述干燥单元(30)包括作为所述活性干燥材料的分子筛或替代的干燥材料，例如硅胶。

3.根据权利要求1或2所述的系统，

其中所述吸附单元(50)包括作为所述活性吸附材料的活性炭。

4.根据前述任一项权利要求所述的系统，

还包括设置在所述干燥单元(30)的下游的至少一个压力露点传感器(20b)。

5.根据前述任一项权利要求所述的系统，

还包括设置在所述干燥单元(30)的上游的另外的至少一个压力露点传感器(20a)。

6.根据权利要求4或5所述的系统，

还包括控制单元(110)，所述控制单元与所述至少一个压力露点传感器(20a、20b)耦合以接收所述传感器数据，并且适于在超过预定压力露点阈值时触发预定动作。

7.根据前述任一项权利要求所述的系统，

还包括：

微分离单元(40)，其设置在所述干燥单元(30)的上游或下游；和/或

后干燥单元(60)，其设置在所述吸附单元(50)的下游；和/或

颗粒过滤器(70)，其设置在所述吸附单元(50)的下游，并且如果适用的话，设置在所述后干燥单元(60)的下游；和/或

最小压力阀(80)，其设置在所述吸附单元(50)的下游，并且如果适用的话，设置在所述后干燥单元(60)和/或所述颗粒过滤器(70)的下游；和/或

减压单元(90)，其设置在所述出口的上游。

8.一种用于提供压缩后的经过处理的气态氢气的设备(100、200)，其包括：

用于压缩所供应的气态氢气的压缩机(120)；以及

根据前述任一项权利要求所述的用于处理压缩后的气态氢气的系统，

其中所述压缩机(120)设置在所述干燥单元(30)的上游或下游。

9.根据前述权利要求所述的设备(100；200)，

其中所述压缩机(120)是多级设计；和/或

其中至少一个热交换器被分配给所述压缩机(120)，热交换器可能被放置在每个压缩机级的下游；和/或设置有分离器单元，用于分离所述热交换器之后的气流中的液体气溶胶成分。

10.根据权利要求7和8中任一项所述的设备(100；200)，

还包括系统控制单元(110)，其适于在检测到已经超过所述预定压力露点阈值时关闭所述压缩机(120)。

11.一种通过用于处理压缩后的气态氢气的系统来处理气态氢气的方法，所述系统优选是根据权利要求1至7中任一项所述的系统，所述方法可能在根据权利要求8至10中任一项所述的设备(100；200)中进行，

所述方法包括以下步骤：

在所述系统(10a)的入口处供给所述气态氢气；

在所述系统的干燥单元(30)中去除所供应的氢气中的水分；

在所述系统的吸附单元(50)中吸附干燥后的氢气中的杂质；以及

在所述系统的出口(10b)处排出经过处理的氢气。

12.根据前述权利要求所述的方法，

还包括：当超过至少一个预定压力露点阈值时触发预定动作。

13.根据前述权利要求所述的方法，

其中当超过第一预定压力露点阈值时发出警告，并且当超过第二预定压力露点阀值时启动所述系统和/或所述设备(100；200)的关闭。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，

其中所述经过处理的氢气满足DIN EN 17124或ISO 14687的要求。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，

包括将氢气压缩至高达350巴或更高的压力。