DE102022206878A1

DE102022206878A1 - Betreiben einer eine Mehrzahl von Elektrolysezellen aufweisenden Elektrolysevorrichtung

Info

Publication number: DE102022206878A1
Application number: DE102022206878.5A
Authority: DE
Inventors: Sven Schumann; Marvin Bendig; Markus Engel
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-06
Filing date: 2022-07-06
Publication date: 2024-01-11
Also published as: WO2024008549A3; WO2024008549A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Unterstützungsvorrichtung (90) für eine eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (12) aufweisende Elektrolysevorrichtung (10), mit Anschlusskontakten (72) zum elektrischen Koppeln mit jeweiligen Elektroden der Elektrolysezellen (12).Erfindungsgemäß weist die Unterstützungsvorrichtung (90) wenigstens eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer Zellenspannung einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) sowie eine mit der wenigstens einen Spannungserfassungseinheit signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit (18) zum Ermitteln von zumindest einer Zellencharakteristik oder zumindest einem Alterungszustand für eine jeweilige der Elektrolysezellen (12) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterstützungsvorrichtung für eine eine Mehrzahl von Elektrolysezellen aufweisende Elektrolysevorrichtung, mit Anschlusskontakten zum elektrischen Koppeln mit jeweiligen Elektroden der Elektrolysezellen. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrolysevorrichtung mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von Elektrolysezellen aufweisenden Elektrolysevorrichtung, wobei jeweilige Elektroden der Elektrolysezellen zum elektrischen Koppeln mit einer Unterstützungsvorrichtung für die Elektrolysevorrichtung mit Anschlusskontakten der Unterstützungsvorrichtung elektrisch gekoppelt werden.
Elektrolysevorrichtungen, Unterstützungsvorrichtungen hierfür sowie Verfahren zum Betreiben von Elektrolysevorrichtungen sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach, eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Gattungsgemäße Elektrolysezellen sowie Elektrolysevorrichtungen, insbesondere für die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, so zum Beispiel aus der DE 197 29 429 C1 . Die grundlegende Funktion der Elektrolyse, insbesondere der Wasserelektrolyse, ist dem Fachmann bekannt, weshalb von detaillierten Erläuterungen hierzu vorliegend abgesehen wird.
Elektrolysevorrichtungen, die eine einzelne, insbesondere jedoch eine Vielzahl von Elektrolysezellen, aufweisen, die in der Regel zumindest teilweise elektrisch in Reihe geschaltet sind, dienen unter anderem dazu, vorzugsweise im industriellen Umfang nutzbare Stoffe, beispielsweise Wasserstoff bei einer Wasserelektrolyse, Kohlenmonoxid bei einer Kohlendioxidelektrolyse oder dergleichen herzustellen. Zu diesem Zweck sind im bestimmungsgemäßen Betrieb wenigstens zwei Elektroden einer jeweiligen Elektrolysezelle mit einer geeigneten kleinen elektrischen Gleichspannung beaufschlagt, die im Bereich von einigen wenigen Volt oder eventuell sogar kleiner als 1 V betragen kann. Entsprechend der durch die Elektrolyse bereitzustellenden Stoffmenge wird von einer Elektrolyseenergiequelle ein entsprechender elektrischer Gleichstrom als Elektrolysestrom bereitgestellt. Bei in Reihe geschalteten Elektrolysezellen durchströmt dieser Gleichstrom sämtliche der in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die Reihenschaltung ist elektrisch mit einer Elektrolyseenergiequelle gekoppelt. Dem Grunde nach ist es jedoch auch möglich, Elektrolysezellen nicht nur in Reihe, sondern zumindest teilweise auch parallelzuschalten.
Insbesondere bei wässrigen Elektrolysen, wie zum Beispiel Chlor/Alkali-Elektrolysen, PEM-Elektrolysen oder dergleichen, ist häufig eine Membran vorgesehen, welche jeweilige Reaktionskammern jeweiliger Reaktionsbereiche einer jeweiligen Elektrolysezelle, in denen jeweilige Elektroden angeordnet sind, trennt. Häufig ist auf einer solchen Membran ein Katalysator angeordnet, um den Vorgang der Elektrolyse zu ermöglichen beziehungsweise katalytisch zu beschleunigen. Die Elektrolyse wird in der Regel dadurch bewirkt, dass die Elektroden einer jeweiligen Elektrolysezelle im bestimmungsgemäßen Betrieb mit dem Elektrolysestrom beziehungsweise einer geeigneten elektrischen Gleichspannung, auch Zellenspannung genannt, beaufschlagt sind.
Als zumindest teilweise kritisch für eine jeweilige Elektrolysezelle erweist sich unter anderem ein Übergang von oder zu einem vom bestimmungsgemäßen Betriebszustand verschiedenen Betriebszustand. Dies bezieht sich insbesondere auf ein Anfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung sowie auch ein Herunterfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung. Besonders beim Herunterfahren nach dem bestimmungsgemäßen Betrieb können noch Reststoffe, insbesondere gelöste oder gasförmige Restgase, in der Elektrolysezelle vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen können, dass die Elektrolysezelle eine Brennstoffzellenfunktionalität zeigen kann. Hierdurch kann die Elektrolysezelle jedoch irreversibel beschädigt werden, weshalb die Brennstoffzellenfunktionalität unbedingt vermieden werden soll. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Elektrolysezelle außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs mit einer Schutzspannung, auch Polarisationsspannung genannt, zu beaufschlagen, die so gewählt ist, dass die Brennstoffzellenfunktionalität weitgehend vermieden werden kann. Bei einer Elektrolysezelle zum Elektrolysieren von Wasser kann die Schutzspannung zum Beispiel etwa 1,25 V betragen. Sobald die Elektrolysezelle entsprechend abgekühlt und Restgase entfernt sind, kann das Bereitstellen der Schutzspannung deaktiviert werden.
Gattungsgemäße Unterstützungsvorrichtungen dienen unter anderem dazu, einen sicheren Betrieb der Elektrolysezellen, insbesondere der Elektrolysevorrichtung, zu unterstützen beziehungsweise erreichen zu können. Hierzu sind die Elektrolysezellen an die Unterstützungsvorrichtung elektrisch angeschlossen, sodass die Elektrolysezellen unabhängig voneinander mit einem Polarisationsstrom beaufschlagt werden können. Eine solche Vorrichtung offenbart zum Beispiel die EP 3 982 501 Al.
Ferner hat es sich gezeigt, dass Elektrolysezellen unterschiedlich voneinander altern und/oder voneinander abweichende Charakteristiken aufweisen können. Besonders bei einer Reihenschaltung von Elektrolysezellen kann sich dies als problematisch erweisen, wenn eine Schutzspannung als Polarisationsspannung durch eine an die Reihenschaltung angelegte Spannung bereitgestellt werden soll. Aufgrund der unterschiedlichen Alterung beziehungsweise Charakteristiken kann nämlich der Fall eintreten, dass sich insbesondere bei einer Reihenschaltung der Elektrolysezellen die an die Reihenschaltung angelegte Spannung nicht gleichmäßig auf alle in Reihe geschalteten Elektrolysezellen aufteilt. Daher ist es dann erforderlich, die elektrische Spannung der Reihenschaltung so groß zu wählen, dass für die ungünstigste Elektrolysezelle die Schutzspannung noch zuverlässig erreicht werden kann. Dies führt jedoch dazu, dass die anderen Zellen mit einer entsprechend hohen Spannung beaufschlagt werden, die deutlich größer als die Schutzspannung sein kann, sodass diese weiterhin im Elektrolysebetrieb betrieben werden. Zur Vermeidung eines explosionsfähigen Gemisches in diesen Elektrolysezellen ist es daher üblich, mit Stickstoff zu spülen.
Aus der EP 3 982 501 A1 ist es ferner bekannt, jede Elektrolysezelle einzeln mit der Schutzspannung zu beaufschlagen. Die Bereitstellung der jeweiligen Schutzspannungen für die Elektrolysezellen erweist sich jedoch als vergleichsweise aufwendig. Darüber hinaus wird hier kein Alterungszustand sowie auch keine Charakteristiken der Elektrolysezellen berücksichtigt, sodass weiterhin unerwünschte Zustände auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Betrieb der Elektrolysezellen sowie der Elektrolysevorrichtung zu ermöglichen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
Mit der Erfindung wird in Bezug auf eine gattungsgemäße Unterstützungsvorrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrichtung wenigstens eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer Zellenspannung einer jeweiligen der Elektrolysezellen, sowie eine mit der wenigstens einen Spannungserfassungseinheit signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit zum Ermitteln von zumindest einer Zellencharakteristik oder zumindest einem Alterungszustand für eine jeweilige der Elektrolysezellen aufweist.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolysevorrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Elektrolysevorrichtung eine Unterstützungsvorrichtung gemäß der Erfindung aufweist.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass Zellenspannungen der Elektrolysezellen mittels wenigstens einer mit den Anschlusskontakten elektrisch gekoppelten Spannungserfassungseinheit der Unterstützungsvorrichtung erfasst werden, wobei die Spannungserfassungseinheit abhängig von der jeweils erfassten elektrischen Spannung ein jeweiliges Spannungssignal bereitstellt, wobei die Spannungssignale mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, um für eine jeweilige Elektrolysezelle zumindest eine Zellencharakteristik oder zumindest einen Alterungszustand zu ermitteln.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, die Zellenspannungen der einzelnen Elektrolysezellen, insbesondere wenn die Elektrolysezellen in Reihe geschaltet sind, zu erfassen und mittels der Auswerteeinheit auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann dann basierend auf diesen Daten zumindest eine Zellencharakteristik oder zumindest einen Alterungszustand ermitteln. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel berücksichtigt werden, mit welchem jeweiligen Zellenstrom die jeweilige der Elektrolysezellen beaufschlagt sind beziehungsweise waren. Natürlich kann auch sowohl die Zellencharakteristik als auch der Alterungszustand der jeweiligen Elektrolysezelle ermittelt werden. Diese Daten können dazu genutzt werden, die Elektrolysezellen individuell, beispielsweise durch individuelle Einstellung eines Zellenstroms, besser zu betreiben, damit die Elektrolysezellen individuell möglichst in ihrem günstigsten Betriebszustand betrieben werden können. Dies kann insbesondere für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb, das Anfahren der Elektrolysevorrichtung und/oder für das Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung vorgesehen sein. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass beispielsweise für eine übergeordnete Elektrolysesteuerung der Elektrolysevorrichtung, Daten bereitgestellt werden, die es erlauben, die Belastbarkeit der jeweiligen Elektrolysezelle erkennen zu können. Diese Belastbarkeit, die auch den Alterungszustand umfassen kann, kann dazu herangezogen werden, innerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereichs eine Leistung der Elektrolysezelle einstellen zu können. Dies kann zum Beispiel dazu genutzt werden, eine Elektrolyseleistung der Elektrolysevorrichtung zu variieren, einzustellen oder dergleichen.
Soll zum Beispiel eine geringe Elektrolyseleistung aktiviert werden, ist es vorteilhaft, möglichst die Elektrolysezellen mit einem ungünstigen Alterungszustand zu betreiben, wohingegen, wenn eine hohe Elektrolyseleistung gewünscht ist, vorzugsweise Elektrolysezellen mit einem geringen Alterungszustand, das heißt, vorzugsweise im Wesentlichen neuwertige Elektrolysezellen, zu aktivieren. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass durch den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolysezellen und jeweilige Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der Elektrolysezellen erreicht werden kann, dass sich unterschiedliche Alterungszustände der Elektrolysezellen angleichen können. Dabei wird unter anderem die Erkenntnis genutzt, dass sich eine Zellenspannung bei einem vorgegebenen Zellenstrom abhängig vom Alterungszustand einstellen kann. Bei einem vorgegebenen Zellenstrom wird die Zellenspannung in der Regel mit zunehmender Alterung größer. Der Alterungszustand der Elektrolysezelle kann daher zum Beispiel anhand von Betriebsparametern der Elektrolysezelle ermittelt werden. Betriebsparameter können zum Beispiel die Zellenspannung, ein Zellenstrom, eine Temperatur der Elektrolysezelle, Werte von Fluidströmungen wie Flüssigkeiten und /oder Gase oder dergleichen sein.
Darüber hinaus kann berücksichtigt werden, dass die Zellenspannung unter anderem auch von einer Aktivierung von in den jeweiligen Elektrolysezellen eingesetzten Katalysatoren und dergleichen abhängig sein kann. Vorzugsweise kann unter Mitwirkung der Unterstützungsvorrichtung somit ein verbesserter Betrieb der Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung und somit auch der Elektrolysevorrichtung insgesamt erreicht werden.
Zugleich ermöglicht es die Unterstützungsvorrichtung der Erfindung, dass auch ein Anfahren beziehungsweise Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung insgesamt sicherer und zuverlässiger realisiert werden kann. Dies kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass während des bestimmungsgemäßen Betriebs und/oder während des Anfahrens beziehungsweise des Herunterfahrens die jeweiligen Zellenspannungen der Elektrolysezellen erfasst und für die Einstellung eines jeweiligen Zellenstroms berücksichtigt werden. Vorzugsweise kann auch der jeweilige Zellenstrom berücksichtigt werden. Dies erfolgt vorzugsweise abhängig von der ermittelten Zellencharakteristik beziehungsweise dem ermittelten Alterungszustand. Die Zellencharakteristik kann zum Beispiel eine individuelle Kennlinie, gegebenenfalls weitere Zellenparameter und/oder dergleichen einer jeweiligen der Elektrolysezellen umfassen.
Die Unterstützungsvorrichtung weist zum Verbinden mit der Elektrolysevorrichtung, insbesondere zum Verbinden mit den Elektrolysezellen in Form eines elektrischen Koppelns, jeweilige Anschlusskontakte auf, sodass die gewünschte elektrische Verbindung mit den Elektroden der Elektrolysezellen hergestellt werden kann. Die Unterstützungsvorrichtung weist ferner die Spannungserfassungseinheit auf, die dem Erfassen der Zellenspannungen der Elektrolysezellen dient. Zu diesem Zweck ist die Spannungserfassungseinheit vorzugsweise mit den Anschlusskontakten der Unterstützungsvorrichtung elektrisch gekoppelt. Die Spannungserfassungseinheit kann beispielsweise die jeweiligen Zellenspannungen einzeln oder auch im Zeitmultiplex erfassen. Die Spannungserfassungseinheit stellt entsprechende Spannungssignale bereit, die an die signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit übermittelt werden. Somit stehen die entsprechenden Spannungssignale in der Auswerteeinheit zur Verfügung, sodass diese zumindest die Zellencharakteristik oder zumindest den Alterungszustand der jeweiligen Elektrolysezelle ermitteln kann. Die Unterstützungsvorrichtung, insbesondere die Spannungserfassungseinheit sowie gegebenenfalls auch die Auswerteeinheit, können als elektronische Hardwareschaltung ausgebildet sein. Sie können aber auch zumindest teilweise durch eine programmgesteuerte Rechnereinheit gebildet sein. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Erfindung dann, wenn die Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Unterstützungsvorrichtung kann also auch dafür vorgesehen sein, bei einer Elektrolysevorrichtung zum Einsatz zu kommen, die zumindest teilweise parallelgeschaltete Elektrolysezellen aufweist. Natürlich können auch Kombinationen von Reihenschaltungen und Parallelschaltungen von Elektrolysezellen vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Spannungserfassungseinheit eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen entsprechende Anzahl an Spannungssensoren aufweist, wobei ein jeweiliger der Spannungssensoren mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Zellenspannung der jeweiligen Elektrolysezelle zu erfassen und abhängig von der erfassten Zellenspannung ein jeweiliges Spannungssignal abzugeben. Die Spannungserfassungseinheit kann daher zeitgleich die Zellenspannungen der Mehrzahl der Elektrolysezellen erfassen und entsprechende Spannungssignale abgeben. Dadurch kann eine sehr schnelle Signalverarbeitung erreicht werden. Insgesamt kann dadurch die Unterstützungsvorrichtung verbessert und gegebenenfalls auch die Funktion verbessert werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrichtung wenigstens einen Stromsensor zum Erfassen eines Zellenstroms von wenigstens einer der Elektrolysezellen und zum Abgeben eines Stromsignals abhängig vom erfassten Zellenstrom aufweist. Sind die Elektrolysezellen in Reihe geschaltet, kann in der Regel ein einziger Stromsensor ausreichen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass vorzugsweise für jede der Elektrolysezellen ein jeweiliger eigener individueller Stromsensor zum Erfassen des Zellenstroms vorgesehen ist.
Mittels des Stromsensors kann der Zellenstrom vorzugsweise zumindest während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs oder außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs erfasst werden, also beispielsweise auch der Polarisationsstrom beim Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung. Der Stromsensor ist vorzugsweise ebenfalls mit der Auswerteeinheit signaltechnisch gekoppelt, sodass die Stromsignale an die Auswerteeinheit übermittelt werden können. Die Auswerteeinheit kann beim Auswerten dann auch das wenigstens eine Stromsignal ergänzend berücksichtigen.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrichtung eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen entsprechende Anzahl von steuerbaren elektronischen Stromquellenschaltungen aufweist, wobei eine jeweilige der Stromquellenschaltungen mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, die jeweilige Elektrolysezelle individuell mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal einstellbar ist. Dadurch kann erreicht werden, dass jede der Mehrzahl der Elektrolysezellen individuell mit einem entsprechenden jeweiligen Gleichstrom beaufschlagt werden kann. Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn die Elektrolysevorrichtung beziehungsweise die Elektrolysezellen außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs betrieben werden, indem die Elektrolysezellen vorzugsweise mit einem Schutzstrom beziehungsweise Polarisationsstrom beaufschlagt sind, um zum Beispiel die unerwünschte Brennstoffzellenfunktionalität zu unterdrücken beziehungsweise zu vermeiden. Dies ist besonders der Fall bei einem Anfahren der Elektrolysevorrichtung beziehungsweise bei einem Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung, bei der besonders in Reihe geschaltete Elektrolysezellen ansonsten ungleichmäßig elektrisch beaufschlagt sein können. Mit den individuell vorgesehenen Stromquellenschaltungen kann eine jeweilige der Elektrolysezellen individuell mit dem elektrischen Zellenstrom beaufschlagt werden. Dieser Zellenstrom kann beispielsweise der Schutzstrom zur Vermeidung der Brennstoffzellenfunktionalität sein. Der Schutzstrom ist vorzugsweise abhängig von der ermittelten Zellencharakteristik und/oder dem ermittelten Alterungszustand.
Jede der Stromquellenschaltungen ist mittels des Stromquellensteuersignals einstellbar. Das Stromquellensteuersignal kann für eine oder mehrere der Stromquellenschaltungen zum Beispiel von der Auswerteeinheit aber auch von der übergeordneten Elektrolysesteuerung der Elektrolysevorrichtung bereitgestellt sein. Dadurch ist es möglich, jede der Elektrolysezellen möglichst in einem optimalen jeweiligen Betriebszustand zu betreiben.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Zellenspannung und den Zellenstrom über einen vorgebbaren Zeitraum zu erfassen und abhängig hiervon die Zellencharakteristik und/oder den Alterungszustand der Elektrolysezelle zu ermitteln. Der Zellenstrom kann vorzugsweise zumindest während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs oder zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs erfasst werden. Besonders vorteilhaft kann der Zellenstrom jedoch im Wesentlichen auch permanent erfasst werden. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit über Daten einer neuwertigen Elektrolysezelle als Referenz- oder Startwerte verfügt, oder diese als Datensatz über eine Kommunikationsverbindung von einem externen Datenspeicher abruft. Mittels der jeweiligen Stromquellenschaltung ist es dadurch sogar möglich, für jede der Elektrolysezellen eine individuelle Kennlinie aktuell zu erfassen und zu speichern. Auf diese Weise kann zum Beispiel auch für eine unbekannte Elektrolysezelle die Zellencharakteristik ermittelt werden. Diese Daten können herangezogen werden, um im weiteren Verlauf eine Änderung der jeweiligen Zellencharakteristik, insbesondere des betrieblich bedingten Alterungszustands, der jeweiligen Elektrolysezelle bestimmen zu können. Unter anderem kann die Zellencharakteristik auch Betriebszustände, Betriebszustandsänderungen, Betriebsparameter und/oder Betriebsparameteränderungen umfassen, die für die Elektrolysezellen ermittelt werden können. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass Daten in Bezug auf einen Zustand in Bezug auf ein Gebrauchsende der Elektrolysezellen abrufbar gespeichert sind, wobei die Auswerteeinheit bestimmen kann, ob eine jeweilige der Elektrolysezellen das Gebrauchsende erreicht hat. Ist das Gebrauchsende erreicht, kann die Auswerteeinheit zum Beispiel ein Signal abgeben, dass die jeweilige Elektrolysezelle gewartet beziehungsweise ausgetauscht werden sollte. Dadurch kann die Funktion der Elektrolysevorrichtung insgesamt weiter verbessert werden. Zugleich können die ermittelten Alterungszustände der Elektrolysezellen dazu herangezogen werden, individuelle Stromquellensteuersignale abhängig hiervon bereitzustellen, sodass die Elektrolysezellen mit dem Zellenstrom vorzugsweise abhängig von ihrem jeweils ermittelten Alterungszustand beaufschlagt werden können. Auch dies ermöglicht eine weitere Verbesserung des Betriebs der Elektrolysevorrichtung insgesamt.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Auswerteeinheit ausgebildet ist, Zellencharakteristiken und/oder Alterungszustände aller mit der Unterstützungsvorrichtung gekoppelten Elektrolysezellen zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Alterungszuständen Steuerdaten für einen Betriebszustand im Elektrolysebetrieb, ein Anfahren und/oder ein Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung zu ermitteln. Diese Steuerdaten können unter anderem auch Daten in Bezug auf die Stromquellensteuersignale aufweisen, sodass besonders beim Anfahren oder Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung ein möglichst optimaler Betrieb der Elektrolysezellen erreicht werden kann, besonders wenn sie in Reihe geschaltet sind.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrichtung ein separat handhabbares Gehäuse aufweist, welches einen Steckverbinder zum elektrischen Verbinden der Unterstützungsvorrichtung mit den Elektrolysezellen aufweist. Dadurch ist es möglich, die Unterstützungsvorrichtung auf einfache Weise mit den Elektrolysezellen, insbesondere mit der Elektrolysevorrichtung, zu verbinden und einen zuverlässigen elektrischen Kontakt herzustellen. Das separat handhabbare Gehäuse kann ein geschlossenes Gehäuse sein, sodass die Unterstützungsvorrichtung vor äußeren Einwirkungen zuverlässig geschützt ist. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn in der Umgebung der Unterstützungsvorrichtung gefährliche Stoffe auftreten können, beispielsweise ein explosives Gasgemisch, eine aggressive Atmosphäre und/oder dergleichen. Am Gehäuse sind vorzugsweise auch die Anschlusskontakte elektrisch kontaktierbar angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, Betriebszustände aller mit der Auswerteeinheit gekoppelten Elektrolysezellen zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Betriebszuständen ein Zustandssignal für eine übergeordnete Elektrolysesteuerung bereitzustellen, um den Zellenstrom abhängig vom Zustandssignal zu steuern. Das Zustandssignal kann dazu genutzt werden, die individuellen Stromquellensteuersignale einzustellen. Es kann aber auch dazu genutzt werden, im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb den Zellenstrom, der durch die übergeordnete Elektrolysesteuerung bereitgestellt werden soll, zu steuern. Dadurch kann insbesondere eine Überlastung einzelner Elektrolysezellen, besonders stark gealterter Elektrolysezellen, vermieden werden. Somit kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Zellenstrom zumindest während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs oder zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs während des Schutzbetriebs in geeigneter Weise gesteuert werden kann. Ferner kann auch ein Betrieb der Elektrolysezellen abseits eines zulässigen bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs, der beispielsweise durch eine Zellenkonstruktion und/oder Bemessungsparameter bestimmt sein kann, vermieden werden. Insgesamt kann die Zuverlässigkeit des Betriebs der Elektrolysevorrichtung und die betriebliche Lebensdauer weiter verbessert werden bzw. erhöht.
Die Unterstützungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle auf, mit der sie mit der übergeordneten Elektrolysesteuerung der Elektrolysevorrichtung in Kommunikationsverbindung steht. Die Kommunikationsschnittstelle kann für eine drahtlose oder auch für eine leitungsgebundene Kommunikation ausgebildet sein.
Die Unterstützungsvorrichtung kann darüber hinaus dazu ausgebildet sein, weitere Betriebsparameter der Elektrolysezellen, vorzugsweise zellenindividuell, zu erfassen. Zu diesem Zweck kann die Unterstützungsvorrichtung geeignete Parametersensoren aufweisen, die zumindest teilweise in der Unterstützungsvorrichtung oder auch in den jeweiligen Elektrolysezellen integriert angeordnet sein können. Derartige Parametersensoren können beispielsweise dazu dienen, eine Temperatur in den Elektrolysezellen oder deren Zellmembranen oder Prozessfluiden und -Gasen zu erfassen, eine Strömungsgeschwindigkeit von Prozessfluiden in der jeweiligen Elektrolysezelle zu erfassen, insbesondere in Bezug auf Elektrolysezellen für die Elektrolyse von Wasser, eine Wasserdampfmessung, eine Gaszusammensetzung, beispielsweise um zu ermitteln, ob eine Gaszusammensetzung ein zündfähiges Gemisch enthält, eine Druckmessung und/oder dergleichen zu erfassen. Vorzugsweise können diese Parametersensoren ebenfalls mit der Auswerteeinheit signaltechnisch gekoppelt sein, sodass die Auswerteeinheit das Auswerten ergänzend abhängig von diesen Signalen vornehmen kann. Auch hier kann eine weitere Verbesserung des Betriebs der Elektrolysevorrichtung erreicht werden.
Die für die erfindungsgemäße Unterstützungsvorrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Insofern können Vorrichtungsmerkmale auch als Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale, Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung umfasst beziehungsweise als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind. Die anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher sollen die Ausführungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Ausführungsformen umfassen. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Elektrolysevorrichtung mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen, die an eine Elektrolyseenergiequelle und eine dazu parallelgeschaltete Hilfsenergiequelle angeschlossen sind;
2 in einer schematischen Diagrammdarstellung eine Polarisationskennlinie für eine Elektrolysezelle der Elektrolysevorrichtung gemäß 1, bei der eine Zellenspannung der Elektrolysezelle abhängig von einem Elektrolysestrom der Elektrolysezelle dargestellt ist;
3 in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 1 eine Elektrolysevorrichtung, bei der zu jeder einzelnen Elektrolysezelle jeweils eine Schutzeinheit parallelgeschaltet ist;
4 eine schematische Diagrammdarstellung, in der mittels jeweiliger Graphen ein getakteter Strom als Schutzstrom für eine Elektrolysezelle gemäß 1 sowie eine Zellenspannung und ein Steuersignal für den Schutzstrom dargestellt sind,
5 eine schematische Diagrammdarstellung eines Oszillogramms eines weiteren Schutzstroms,
6 eine schematische Diagrammdarstellung einer basierend auf Polarisationskennlinien bestimmten Alterung der mit dem Schutzstrom gemäß 5 beaufschlagten Elektrolysezelle,
7 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer Schutzeinheit gemäß 3,
8 in einem schematischen Blockdiagramm einen Aufbau der Elektrolysevorrichtung mit der Unterstützungsvorrichtung,
9 eine schematisch perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung an einer als Modul ausgebildeten Elektrolysevorrichtung, und
10 in einer schematischen Darstellung wie 9 eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung an einer als Modul ausgebildeten Elektrolysevorrichtung.

1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Elektrolysevorrichtung 52 mit einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12. Die Elektrolysezellen 12 dienen vorliegend der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff in einem nicht weiter dargestellten Reaktionsraum, der zwischen jeweiligen Elektroden der jeweiligen Elektrolysezelle 12 ausgebildet ist. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein anderer Stoff als Edukt der Elektrolyse unterzogen werden, um diesen in entsprechende andere Stoffe als Produkt umzuwandeln.
Die in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 sind an einen Hauptgleichrichter 14 als Elektrolyseenergiequelle angeschlossen. Der Hauptgleichrichter 14 stellt eine Betriebsspannung 50 bereit, mit der die Reihenschaltung der Elektrolysezellen 12 beaufschlagt wird, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb, und zwar dem Elektrolysebetrieb, ein Elektrolysestrom 48 die Elektrolysezellen 12 durchströmt.
Parallel zum Hauptgleichrichter 14 ist an die Reihenschaltung der Elektrolysezellen 12 eine Reihenschaltung aus einem Polarisationsgleichrichter 54 und einer Schutzinduktivität 58 als Hilfsenergiequelle geschaltet. Der Polarisationsgleichrichter 54 und die Schutzinduktivität 58 dienen dazu, die Elektrolysezellen 12 außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer Gleichrichterspannung 68 zu beaufschlagen, die so gewählt ist, dass sich ein Schutzstrom 56 einstellt, der seinerseits so gewählt ist, dass sämtliche Elektrolysezellen 12 zumindest mit einer Polarisationsspannung U₀ ( 2) als Schutzspannung beaufschlagt sind. Dadurch sollen unerwünschte Prozesse in den Elektrolysezellen 12 außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs vermieden werden.
2 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Diagramm 60, bei dem eine Ordinate 62 einer Zellenspannung an jeweiligen Zellenanschlüssen 28 einer einzelnen der Elektrolysezellen 12 zugeordnet ist. Eine Abszisse 64 ist dem entsprechenden Zellenstrom dieser Elektrolysezelle 12 zugeordnet. Mit einem Graphen 66 ist als Polarisationskennlinie die Abhängigkeit der Zellenspannung vom Zellenstrom dargestellt. U_N bezeichnet eine Elektrolysespannung, die sich an der Elektrolysezelle 12 im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb einstellt, wenn die Elektrolysezelle 12 mit dem Elektrolysestrom I_n 48 beaufschlagt ist. Ein Schnittpunkt des Graphen 66 mit der Ordinate 62 definiert die Polarisationsspannung U₀, deren Unterschreitung einen Polarisationswechsel des Zellenstroms zur Folge haben kann.
In der vorliegenden Ausgestaltung der Elektrolysezelle 12 für die Elektrolyse von Wasser beträgt die Elektrolysespannung U_N etwa 1,8 bis 1,9 V. Die Polarisationsspannung U₀ kann in der vorliegenden Ausgestaltung etwa 1,48 V betragen. Abhängig von einer Konstruktion der Elektrolysezellen 12 kann die Polarisationsspannung U₀ auch in einem Bereich von etwa 1,25 V bis etwa 1,45 V liegen. Bei einer Zellenspannung, die größer als etwa 1,48 V ist, beginnt bei der Elektrolysezelle 12 die Elektrolysefunktionalität, indem Wasserstoff sowie Sauerstoff erzeugt wird.
Die Elektrolysevorrichtung 52 gemäß 1 erweist sich insofern als nachteilig, als dass es außerhalb des eigentlichen Elektrolyseprozesses beziehungsweise des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs weiterhin zu einer Gasproduktion kommen kann. Dabei kann es zu undefinierten Zuständen in der Elektrolysevorrichtung 52 kommen, die im ungünstigsten Fall sogar ein Entstehen eines zündfähigen Gasgemisches zur Folge haben kann. Um hier die Sicherheit zu gewährleisten, sind ergänzende umfangreiche Schutzmaßnahmen erforderlich.
Darüber hinaus kann insbesondere beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung 52 oder auch beim Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung 52 der Fall auftreten, dass sich aufgrund einer ungleichmäßigen Aufteilung der Schutzspannung über die in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 bei einer oder mehreren der Elektrolysezellen 12 ein Unterschreiten der Polarisationsspannung U₀ auftreten kann. Dies Problem kann unter anderem deshalb auftreten, weil die Elektrolysezellen 12 nicht sämtlich identisch sind und/oder einen unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen, das heißt, eine voneinander unterschiedliche Zellencharakteristik und/oder einen voneinander unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen. Dadurch kann ein unerwünschter Brennstoffzellenbetrieb auftreten, wodurch die jeweiligen Elektrolysezellen 12 beschädigt werden können.
3 zeigt nun eine Elektrolysevorrichtung 10, bei der die vorgenannten Probleme reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden können. Die Elektrolysevorrichtung 10 basiert auf der Elektrolysevorrichtung 52 gemäß 1, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Auch hier ist eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Elektrolysezellen 12 vorgesehen, die parallel an den Hauptgleichrichter 14 angeschlossen ist, um im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Insoweit entspricht die Elektrolysevorrichtung 10 der Elektrolysevorrichtung 52, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen zu den 1 und 2 verwiesen wird.
Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 ist bei der Elektrolysevorrichtung 10 gemäß 3 vorgesehen, dass diese eine Unterstützungsvorrichtung 90 mit einem Schutzgerät 16 und eine Steuereinheit 18 aufweist, das dem Bereitstellen eines individuellen Schutzstroms 74 (4) für jede der in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 dient. Das Schutzgerät 16 ist an die Elektrolysezellen 12, und zwar an deren Zellenanschlüsse 28, angeschlossen. Das Schutzgerät 16 weist eine elektrische Hilfsspannungsquelle 22 als elektrische Energiequelle auf, die dem Bereitstellen einer elektrischen Hilfsgleichspannung 24 dient. Ferner weist das Schutzgerät 16 Kontaktanschlüsse 26 zum elektrischen Verbinden mit den Zellenanschlüssen 28 der Elektrolysezellen 12 der Reihenschaltung auf. In der vorliegenden Ausgestaltung ist also vorgesehen, dass sämtliche Zellenanschlüsse 28 elektrisch mit dem Schutzgerät 16 gekoppelt sind.
Das Schutzgerät 16 weist ferner jeweilige Schutzeinheiten 40 mit Anschlusskontakten 72 auf, die jeweils über die Kontaktanschlüsse 26 und die Zellenanschlüsse 28 mit einer jeweiligen der Elektrolysezellen 12, und zwar deren Elektroden, elektrisch gekoppelt sind. Weiterhin weisen die Schutzeinheiten 40 jeweils zwei Verbindungsanschlüsse 34 auf, mittels denen sie mit der Hilfsspannungsquelle 22 elektrisch gekoppelt werden können. Dadurch ist es möglich, jede der Elektrolysezellen 12 individuell mit einem Schutzstrom 74 zu beaufschlagen, um auch unabhängig vom bestimmungsgemäßen Betrieb eine größere Zellenspannung als die Polarisationsspannung U₀ zuverlässig erreichen zu können.
Die elektrische Hilfsspannungsquelle 22 kann zum Beispiel mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder dergleichen elektrisch gekoppelt sein. Jede Schutzeinheit 40 stellt für die jeweilige der Elektrolysezellen 12 einen individuellen Schutzstrom 74 bereit, sodass eine individuelle Schutzspannung U_S erreicht werden kann.
Die Schutzspannung U_S (2) ist so gewählt, dass an keiner der Elektrolysezellen 12 eine Brennstoffzellenwirkung entsteht, das heißt, es ist vermieden, dass Gasreste in einer jeweiligen Elektrolysezelle 12 nach dem Brennstoffzellenprinzip zu Wasser reagieren und damit Energie freisetzen. Dies kann zu einer erheblichen Alterung und Schädigung einer jeweiligen Elektrolysezelle 12 führen.
Vorliegend ist ferner eine Schalteinheit 36 vorgesehen, die an die Anschlusskontakte 72 der Schutzeinheiten 40 der Unterstützungsvorrichtung 90 und an die Kontaktanschlüsse 26 der Elektrolysevorrichtung 10 beziehungsweise der Elektrolysezellen 12 angeschlossen ist. Die Schalteinheit 36 ist für die Erfindung nicht zwingend erforderlich und kann - je nach Bedarf - auch entfallen oder modifiziert ausgebildet sein. Die Schalteinheit 36 ist in der vorliegenden Ausgestaltung ausgebildet, die Schutzeinheiten 40 zum Bereitstellen des Schutzstroms 74 an den Anschlusskontakten 72 abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit 36 mit den Kontaktanschlüssen 26 elektrisch zu koppeln. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, dass die Schutzeinheiten 40 nur dann mit den Elektrolysezellen 12 elektrisch verbunden zu sein brauchen, wenn dies aufgrund der Betriebssituation der Elektrolysevorrichtung 10 erforderlich beziehungsweise gewünscht ist. So können die Schutzeinheiten 40 mittels der Schalteinheit 36 gegenüber den Elektrolysezellen 12 deaktiviert werden, wenn die Elektrolysezellen 12 bestimmungsgemäß im Elektrolysebetrieb betrieben werden. Darüber hinaus kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Spannungssensoren 44 (siehe 7) der Schutzeinheiten 40 für eine Erfassung der Zellenspannungen unmittelbar an die Kontaktanschlüsse 26 angeschlossen sind, wenn gewünscht ist, dass die Zellenspannungen unabhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit 36 erfasst werden können sollen.
Die Schalteinheit 36 weist für jeden der Kontaktanschlüsse 26 jeweils ein individuelles Schaltelement 38 auf, welches vorliegend durch ein Reed-Relais beziehungsweise Reed-Kontakt gebildet ist. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein entsprechendes Relais beziehungsweise ein Schütz oder auch ein elektronisches Schaltelement vorgesehen sein.
Die Schaltelemente 38 werden hinsichtlich ihres jeweiligen Schaltzustands von der Steuereinheit 18 der Unterstützungsvorrichtung 90 gemeinsam gesteuert, sodass sämtliche der Schaltelemente 38 im Wesentlichen jeweils den gleichen Schaltzustand einnehmen. Die Steuereinheit 18 kann zu diesem Zweck eine Steuerschaltung umfassen, die unter anderem auch der Steuerung des Schutzgeräts 16 dient. Steuereinheit 18 stellt vorliegend - wie im Folgenden noch weiter erläutert werden wird - eine Auswertefunktionalität zur Verfügung, sodass sie auch eine Funktion einer Auswerteeinheit übernimmt.
Zum Steuern der Schalteinheit 36 ist in der vorliegenden Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Zellenstrom der Reihenschaltung der Elektrolysezellen 12 mittels eines nicht näher dargestellten Stromsensors als Sensoreinheit erfasst wird. Der Stromsensor liefert ein entsprechendes Sensorsignal an die Steuereinheit 18, die dieses Signal auswertet. Sobald das Sensorsignal kleiner als ein vorgegebener Vergleichswert ist, wird die Schalteinheit 36 vom ausgeschalteten Schaltzustand in den eingeschalteten Schaltzustand umgeschaltet. Das bedeutet, dass durch das Schutzgerät 16, das hierdurch nun aktiviert ist, jede Elektrolysezelle 12 mit dem entsprechenden individuellen Schutzstrom 74 beaufschlagt ist.
Die Schutzeinheiten 40 sind vorliegend identisch ausgebildet. Bei Bedarf kann dies jedoch auch anders sein. Eine der Schutzeinheiten 40 ist exemplarisch anhand einer schematischen Blockschaltbilddarstellung gemäß 7 erläutert. Die Schutzeinheit 40 weist zum Bereitstellen des Schutzstroms 74 einen mit der elektrischen Hilfsspannungsquelle 22 gekoppelten elektronischen Wandler 42 auf, der vorliegend als stromsteuerbarer, galvanisch trennender DC/DC-Wandler nach Art einer Stromquellenschaltung ausgebildet ist. Zugleich ist der Wandler 42 ausgebildet, abhängig von einem Stromquellensteuersignal den vorgebbaren Schutzstrom 74 abzugeben. Die Stromquellenschaltung zeichnet sich unter anderem im Allgemeinen insbesondere dadurch aus, dass die Stromquellenschaltung für einen durch Bemessung vorgegeben Betriebsbereich, beispielsweise einen Spannungsbereich oder dergleichen, einen elektrischen Strom abgibt, dessen Wert im Wesentlichen nur vom Stromquellensteuersignal abhängig ist. Zu diesem Zweck ist der Wandler 42 über einen Schnittstellenanschluss 70 an die Steuereinheit 18 der Unterstützungsvorrichtung 90 angeschlossen. Die Steuereinheit 18 stellt unter anderem das entsprechende Stromquellensteuersignal bereit, sodass die mit der Schutzeinheit 40 gekoppelte Elektrolysezelle 12 mit dem individuellen Schutzstrom 74 beaufschlagt werden kann.
Darüber hinaus weist die Schutzeinheit 40 einen an die Anschlusskontakte 72 angeschlossenen Spannungssensor 44 auf, mit dem die Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 erfasst werden kann. Ein entsprechendes Spannungssignal wird von dem Spannungssensor 44 über den Schnittstellenanschluss 70 an die Steuereinheit 18 übermittelt. Die Steuereinheit 18 wertet unter anderem das Spannungssignal aus und ermittelt abhängig hiervon den für die jeweilige Elektrolysezelle 12 einzustellenden Schutzstrom 74. Abhängig vom ermittelten Schutzstrom 74 wird das Stromquellensteuersignal an den Wandler 42 übermittelt. Auch wenn der Schutzstrom ein konstanter Gleichstrom sein kann, braucht der Schutzstrom - wie sich im Folgenden zeigt - kein konstanter Gleichstrom zu sein.
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Schutzeinheiten 40 des Schutzgeräts 16 alle gleich ausgebildet sind und mittels der Steuereinheit 18 gesteuert werden können.
4 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung für eine der Elektrolysezellen 12 gemäß 3 exemplarisch einen Schutzstrom 74 für die mit der jeweiligen Elektrolysezelle 12 gekoppelte Schutzeinheit 40. In dem in 4 dargestellten Diagramm 80 ist eine linke Ordinate der elektrischen Spannung in V und eine rechte Ordinate dem elektrischen Strom in A zugeordnet. Eine Abszisse ist einer Zeitachse in ms zugeordnet. Mit einem Graphen 76 ist ein wandlerinternes Wandlersteuersignal des Wandlers 42 dargestellt, welches die Abgabe des Schutzstroms steuert. Vorliegend handelt es sich bei dem Wandlersteuersignal um ein Rechtecksignal, sodass der Wandler 42 einen getakteten Gleichstrom bereitzustellen vermag. Der getaktete Gleichstrom, der den Schutzstrom darstellt, ist mittels eines Graphen 76 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Schutzstrom 74 synchron zum Wandlersteuersignal gemäß dem Graphen 76 ein- beziehungsweise ausgeschaltet wird.
Während dieses Betriebs wird die Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 mittels des Spannungssensors 44 (siehe 7) erfasst. Hierfür brauchen vorliegend keine separaten Leitungen vorgesehen zu werden, wie dies anhand von 7 bereits erläutert worden ist. Zu erkennen ist, dass die Elektrolysezelle 12 aufgrund des getakteten Gleichstroms als Schutzstrom 76 eine um einen geringfügigen Betrag schwankende Gleichspannung 78 als Zellenspannung zeigt. Die Spannungsschwankung liegt vorliegend in einem Bereich von etwa 1,25 V bis etwa 1,35 V. Der Spannungsverlauf gemäß dem Graphen 78 ergibt sich aufgrund der kapazitiven Wirkung der Elektrolysezelle 12. Dies erklärt im Übrigen auch, weshalb gemäß dem Graphen 76 während einer jeweiligen Dauer eines jeweiligen Gleichstromimpulses die Amplitude nicht konstant ist, sondern geringfügig abfällt. Dies ist ebenfalls eine Reaktion aufgrund der kapazitiven Eigenschaft der Elektrolysezelle 12.
Mit dem Steuersignal der Steuereinheit 18 kann je nach Bedarf eine Amplitude des getakteten Gleichstroms sowie auch ein Tastverhältnis des getakteten Gleichstroms eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 18 eine entsprechende Auswertung des Sensorsignals des Spannungssensors 44 vornehmen. Auf jeden Fall werden die Amplitude und das Tastverhältnis des getakteten Gleichstroms derart bestimmt, dass die erfasste elektrische Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 größer als die entsprechend zugehörige Schutzspannung ist. Darüber hinaus kann unter Berücksichtigung der Zellenspannung sowie des durch den getakteten Gleichstrom als Schutzstrom 74 bewirkten Zellenstrom der Elektrolysezelle 12 abhängig von einem Auswerten durch die Steuereinheit 18 ein Alterungszustand der Elektrolysezelle 12 ermittelt werden. Das Tastverhältnis und/oder die Amplitude des getakteten Gleichstroms können dann ergänzend abhängig vom ermittelten Alterungszustand der Elektrolysezelle 12 eingestellt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass unter Nutzung des Sensorsignals des Spannungssensors 44 eine Regelung realisiert werden kann. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass zum Einstellen des Tastverhältnisses des getakteten Gleichstroms die Zellenspannung mit einer individuellen Schutzspannung der Elektrolysezelle 12 verglichen wird, und ein jeweiliger Stromimpuls des getakteten Gleichstroms abhängig von diesem Vergleich ausgelöst wird. Sodann kann die Zellenspannung mit einem vorgegebenen Spannungsvergleichswert verglichen werden, der größer als die individuelle Schutzspannung ist, und der Stromimpuls des getakteten Gleichstroms kann abhängig von diesem Vergleich beendet werden. Durch Wahl des vorgegebenen Spannungsvergleichswerts kann somit ein Tastverhältnis und/oder auch eine Frequenz des getakteten Gleichstroms eingestellt werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass dem getakteten Gleichstrom in einer alternativen Ausgestaltung zusätzlich noch ein konstanter Gleichstrom überlagert wird. Dadurch kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Schutzstrom 74 den Wert null nicht erreicht. Dies kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit verbessern.
5 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammdarstellung ein Oszillogramm 88 eines weiteren Schutzstroms. Der Schutzstrom ist wieder mit einem Graphen 76 dargestellt. Eine Abszisse ist der Zeit in ms zugeordnet, wohingegen eine Ordinate einem Strom in A zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass der getaktete Gleichstrom bei dieser Ausgestaltung Stromimpulse in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,5 A aufweist. Die Stromimpulse sind vorliegend über einen jeweiligen Zeitraum beabstandet, der etwa 145 ms beträgt.
6 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammdarstellung ein Diagramm 86, anhand dessen erkannt werden kann, wie sich der getaktete Schutzstrom auf eine Alterung der Elektrolysezelle 12 auswirkt. Eine Abszisse ist dem elektrischen Strom in A zugeordnet, wohingegen eine Ordinate der elektrischen Spannung in V zugeordnet ist. Mit einem Graphen 84 ist eine Polarisationskurve einer Elektrolysezelle zu Beginn der Beaufschlagung mit einem Schutzstrom gemäß 5 dargestellt. Mit einem Graphen 82 ist eine weitere Polarisationskurve am Ende eines Untersuchungszeitraums dargestellt. Die Untersuchung wurde an einer Elektrolysezelle 12 mit einer Elektrodenfläche von etwa 10 cm² mit einer Bestromung über einen Zeitraum von 166 Stunden als Untersuchungszeitraum mit einem Schutzstrom von maximal etwa 1,3 A durchgeführt. Anhand der Graphen 84 und 82 ist ersichtlich, dass es keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Polarisationskurve gegeben hat. Daraus leitet sich ab, dass keine messbare Alterung der Elektrolysezelle 12 erfolgt ist.
Die Frequenz des getakteten Gleichstroms kann in einem Bereich von etwa 10 Hz bis etwa 100 Hz gewählt sein. Vorzugsweise liegt sie in einem Bereich von etwa 30 Hz.
8 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm einen Aufbau der Elektrolysevorrichtung 10 mit der Unterstützungsvorrichtung 90. Aus 8 ist ersichtlich, dass vorliegend die Elektrolysezellen 12 als Modul zusammengefasst sind, um einen modulartigen bzw. modularen Aufbau der Elektrolysevorrichtung 10 zu realisieren. An das Modul sind nicht näher dargestellte Fluidanschlüsse 98 angeschlossen, über die elektrolytisch zu zerlegendes Eduktwasser zugeführt sowie Wasserstoff und Sauerstoff, die bei der bestimmungsgemäßen Elektrolyse anfallen, als Produkte abgeführt werden können. Jede der Elektrolysezellen 12 ist mit einer jeweiligen Stromquellenschaltung 42 elektrisch verbunden, um individuell mit einem Zellenstrom beaufschlagt werden zu können. Ferner ist jede der Elektrolysezellen 12 mit einem jeweiligen Spannungssensor 44 elektrisch verbunden. Sowohl die Spannungssensoren 44 als auch die Stromquellenschaltungen 42 sind vorliegend signaltechnisch an die Steuereinheit 18 angeschlossen. Die als Auswerteeinheit dienende Steuereinheit 18 ist ausgebildet, Alterungszustände aller mit der Unterstützungsvorrichtung 90 gekoppelten Elektrolysezellen 12 zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Alterungszuständen Steuerdaten für ein Anfahren oder ein Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung 10 zu ermitteln. Diese Steuerdaten werden von der Steuereinheit 18 über eine nicht dargestellte Kommunikationsverbindung an die übergeordnete Elektrolysesteuerung 32 übermittelt. Die Elektrolysesteuerung 32 dient der übergeordneten Steuerung der Elektrolysevorrichtung 10. Die Elektrolysesteuerung 32 kann an mehr als eine einzige Elektrolysevorrichtung 10 angeschlossen sein und beispielsweise alle mit ihr in Kommunikationsverbindung stehenden Elektrolysevorrichtungen 10 gemeinsam steuern. Darüber hinaus ist vorliegend vorgesehen, dass die Steuereinheit 18 mit weiteren Steuereinheiten 18 von weiteren Unterstützungsvorrichtungen 90 kommunikationstechnisch gekoppelt ist, die dem Betrieb von weiteren Elektrolysevorrichtungen 10 dienen.
9 zeigt eine schematisch perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung 90 an einer als Modul mit einem Modulgehäuse 96 ausgebildeten Elektrolysevorrichtung 10. Zu erkennen ist, dass die Unterstützungsvorrichtung 90 ein separat handhabbares Gehäuse 94 aufweist, welches einem im Wesentlichen etwa flache quaderförmigen Aufbau aufweist. Die Unterstützungsvorrichtung 90 weist ferner einen Steckverbinder 92 zum elektrischen Verbinden der Unterstützungsvorrichtung 90 mit den Elektrolysezellen 12 auf, der vorliegend über eine elektrische Verbindungsleitung 100 mit dem Gehäuse 94 verbunden ist. Auf diese Weise kann ein einfacher Anschluss der Unterstützungsvorrichtung 90 an die Elektrolysevorrichtung 10 erreicht werden. Der Steckverbinder 92 ist mit dem Modul an einer Stirnseite verbunden und auf diese Weise am Modulgehäuse 96 angebracht.
10 zeigt in einer schematischen Darstellung wie 9 eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung 90 an einer als Modul mit einem Modulgehäuse 96 ausgebildeten Elektrolysevorrichtung 10. Diese Ausgestaltung basiert auf der Ausgestaltung gemäß 9, weshalb ergänzend auf die Ausführungen zur 9 verwiesen wird. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung dadurch, dass der Steckverbinder 92 einstückig mit dem Gehäuse 94 ausgebildet ist. Die Verbindungsleitung 100 kann dadurch eingespart werden. Der Steckverbinder 92 ist an einem Ende des Gehäuses 94 ausgebildet und ragt aus einer durch das Gehäuse 94 aufgespannten Ebene hervor. Dadurch kann der Steckverbinder 92 mit dem Modul im Wesentlichen etwa wie bei der ersten Ausgestaltung gemäß 9 verbunden werden, insbesondere auf das Modulgehäuse 96 aufgesteckt werden.
Auch wenn vorangehend das Prinzip der Erfindung anhand der Anwendung auf einzelne Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung erläutert worden ist, ist das Prinzip der Erfindung dennoch gleichermaßen auch bei einer Elektrolysevorrichtung anwendbar, die einen oder mehrere Zellenblöcke aufweist, wobei ein jeweiliger Zellenblock zwei oder mehrere Elektrolysezellen umfassen kann. Die zellenspezifischen Aspekte können folglich - für den Fachmann leicht ersichtlich - im Wesentlichen entsprechend angepasst auch auf einen jeweiligen Zellenblock angewendet werden. Durch eine einfache leichte Anpassung kann somit auch die Behandlung von Zellenblöcken erreicht werden. Natürlich können auch Kombinationen von Zellenblöcken und einzelnen Elektrolysezellen vorgesehen sein.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19729429 C1 [0002]
EP 3982501 [0006]
EP 3982501 A1 [0008]

Claims

Unterstützungsvorrichtung (90) für eine eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (12) aufweisende Elektrolysevorrichtung (10), mit: - Anschlusskontakten (72) zum elektrischen Koppeln mit jeweiligen Elektroden der Elektrolysezellen (12), gekennzeichnet durch - wenigstens eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer Zellenspannung einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12), sowie - eine mit der wenigstens einen Spannungserfassungseinheit signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit (18) zum Ermitteln von zumindest einer Zellencharakteristik oder zumindest einem Alterungszustand für eine jeweilige der Elektrolysezellen (12) .
Unterstützungsvorrichtung (90) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinheit eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen (12) entsprechende Anzahl an Spannungssensoren (44) aufweist, wobei ein jeweiliger der Spannungssensoren (44) mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Zellenspannung der jeweiligen Elektrolysezelle (12) zu erfassen und abhängig von der erfassten Zellenspannung ein jeweiliges Spannungssignal abzugeben.
Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Stromsensor zum Erfassen eines Zellenstroms von wenigstens einer der Elektrolysezellen (12) und zum Abgeben eines Stromsignals abhängig vom erfassten Zellenstrom.
Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen (12) entsprechenden Anzahl von steuerbaren elektronischen Stromquellenschaltungen (42), wobei eine jeweilige der Stromquellenschaltungen (42) mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, die jeweilige Elektrolysezelle (12) individuell mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal einstellbar ist.
Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ausgebildet ist, die Zellenspannung und den Zellenstrom über einen vorgebbaren Zeitraum zu erfassen und abhängig hiervon die Zellencharakteristik und/oder den Alterungszustand der Elektrolysezelle (12) zu ermitteln.
Unterstützungsvorrichtung (90) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ausgebildet ist, Zellencharakteristiken und/oder Alterungszustände aller mit der Unterstützungsvorrichtung (90) gekoppelten Elektrolysezellen (12) zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Alterungszuständen Steuerdaten für einen Betriebszustand im Elektrolysebetrieb, ein Anfahren und/oder ein Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung (10) zu ermitteln.
Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein separat handhabbares Gehäuse (94), welches einen Steckverbinder (92) zum elektrischen Verbinden der Unterstützungsvorrichtung (90) mit den Elektrolysezellen (12) aufweist.
Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ausgebildet ist, Betriebszustände aller mit der Auswerteeinheit (18) gekoppelten Elektrolysezellen (12) zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Betriebszuständen ein Zustandssignal für eine übergeordnete Elektrolysesteuerung (32) bereitzustellen, um den Zellenstrom abhängig vom Zustandssignal zu steuern.
Elektrolysevorrichtung (10) mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen (12), gekennzeichnet durch eine Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (12) aufweisenden Elektrolysevorrichtung (10), wobei jeweilige Elektroden der Elektrolysezellen (12) zum elektrischen Koppeln mit einer Unterstützungsvorrichtung (90) für die Elektrolysevorrichtung (10) mit Anschlusskontakten (72) der Unterstützungsvorrichtung (90) elektrisch gekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Zellenspannungen der Elektrolysezellen (12) mittels wenigstens einer mit den Anschlusskontakten (72) elektrisch gekoppelten Spannungserfassungseinheit der Unterstützungsvorrichtung (90) erfasst werden, wobei die Spannungserfassungseinheit abhängig von der jeweils erfassten elektrischen Spannung ein jeweiliges Spannungssignal bereitstellt, wobei die Spannungssignale mittels einer Auswerteeinheit (18) ausgewertet werden, um für eine jeweilige Elektrolysezelle (12) zumindest eine Zellencharakteristik oder zumindest einen Alterungszustand zu ermitteln.