DE102022206878A1 - Operating an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells - Google Patents
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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.The invention relates to a support device (90) for an electrolysis device (10) having a plurality of electrolysis cells (12), with connection contacts (72) for electrical coupling to respective electrodes of the electrolysis cells (12). According to the invention, the support device (90) has at least one voltage detection unit for detecting a cell voltage of a respective electrolytic cell (12) and an evaluation unit (18) which is signal-coupled to the at least one voltage detection unit for determining at least one cell characteristic or at least one aging state for a respective one of the electrolytic cells (12).
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.The invention relates to a support device for an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells, with connection contacts for electrical coupling to respective electrodes of the electrolysis cells. The invention further relates to an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells. Finally, the invention relates to a method for operating an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells, wherein respective electrodes of the electrolysis cells are electrically coupled to connection contacts of the support device for electrical coupling with a support device for the electrolysis device.
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
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.Electrolysis devices, which have a single, but in particular a large number of electrolysis cells, which are usually at least partially electrically connected in series, serve, among other things, substances that can preferably be used on an industrial scale, for example hydrogen in water electrolysis, carbon monoxide in carbon dioxide electrolysis or to produce the like. For this purpose, during normal operation, at least two electrodes of a respective electrolytic cell are supplied with a suitable small electrical direct voltage, which can be in the range of a few volts or possibly even less than 1 V. Depending on the amount of material to be provided by the electrolysis, an electrolysis energy source provides a corresponding electrical direct current as electrolysis current. When electrolysis cells are connected in series, this direct current flows through all of the battery cells connected in series. The series connection is electrically coupled to an electrolysis energy source. Basically, however, it is also possible to connect electrolytic cells not only in series, but also at least partially in parallel.
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.In particular in aqueous electrolysis, such as chlorine/alkali electrolysis, PEM electrolysis or the like, a membrane is often provided which separates respective reaction chambers of respective reaction areas of a respective electrolysis cell, in which respective electrodes are arranged. A catalyst is often arranged on such a membrane to enable or catalytically accelerate the electrolysis process. The electrolysis is usually brought about by the fact that the electrodes of a respective electrolysis cell are subjected to the electrolysis current or a suitable electrical direct voltage, also called cell voltage, during normal operation.
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.What proves to be at least partially critical for a respective electrolysis cell is, among other things, a transition from or to an operating state that is different from the intended operating state. This refers in particular to starting up the electrolysis cell or the electrolysis device as well as shutting down the electrolysis cell or the electrolysis device. Particularly when shutting down after normal operation, residues, in particular dissolved or gaseous residual gases, may still be present in the electrolytic cell, which under certain circumstances can lead to the electrolytic cell being able to display fuel cell functionality. However, this can cause irreversible damage to the electrolytic cell, which is why the fuel cell functionality should be avoided at all costs. For this purpose, it is known to apply a protective voltage, also called polarization voltage, to the electrolytic cell outside of normal operation, which is selected so that the fuel cell functionality can be largely avoided. For example, in an electrolytic cell for electrolyzing water, the protection voltage can be approximately 1.25 V. As soon as the electrolysis cell has cooled down accordingly and residual gases have been removed, the provision of the protective voltage can be deactivated.
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
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.Furthermore, it has been shown that electrolysis cells age differently from one another and/or can have different characteristics. Especially when connected in series of electrolytic cells, this can prove to be problematic if a protective voltage is to be provided as a polarization voltage by a voltage applied to the series connection. Due to the different aging or characteristics, it can happen that, particularly when the electrolytic cells are connected in series, the voltage applied to the series connection is not evenly distributed among all electrolytic cells connected in series. It is therefore necessary to choose the electrical voltage of the series connection so high that the protective voltage can still be reliably achieved for the most unfavorable electrolytic cell. However, this means that the other cells are subjected to a correspondingly high voltage, which can be significantly greater than the protective voltage, so that they continue to be operated in electrolysis mode. To avoid an explosive mixture in these electrolysis cells, it is therefore common practice to flush with nitrogen.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Betrieb der Elektrolysezellen sowie der Elektrolysevorrichtung zu ermöglichen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben.The invention is based on the object of enabling improved operation of the electrolysis cells and the electrolysis device and of specifying a corresponding method.
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.With regard to a generic support device, the invention in particular proposes that the support device has at least one voltage detection unit for detecting a cell voltage of a respective electrolytic cell, as well as an evaluation unit, which is coupled in terms of signals to the at least one voltage detection unit, for determining at least one cell characteristic or at least one aging state for one each of the electrolysis cells has.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolysevorrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Elektrolysevorrichtung eine Unterstützungsvorrichtung gemäß der Erfindung aufweist.With regard to a generic electrolysis device, the invention particularly proposes that the electrolysis device has a support device according to the invention.
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.With regard to a generic method, the invention in particular proposes that cell voltages of the electrolytic cells be detected by means of at least one voltage detection unit of the support device which is electrically coupled to the connection contacts, the voltage detection unit providing a respective voltage signal depending on the electrical voltage detected in each case, the voltage signals being transmitted by means of be evaluated by an evaluation unit in order to determine at least one cell characteristic or at least one aging state for a respective electrolytic cell.
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.The invention is based, among other things, on the idea of detecting the cell voltages of the individual electrolytic cells, especially when the electrolytic cells are connected in series, and evaluating them using the evaluation unit. The evaluation unit can then determine at least one cell characteristic or at least one aging state based on this data. For this purpose, it can be taken into account, for example, which cell current is or was applied to each of the electrolysis cells. Of course, both the cell characteristics and the aging condition of the respective electrolytic cell can also be determined. This data can be used to operate the electrolytic cells better individually, for example by individually setting a cell current, so that the electrolytic cells can be operated individually as best as possible in their most favorable operating state. This can be provided in particular for the intended electrolysis operation, the startup of the electrolysis device and/or for the shutdown of the electrolysis device. In addition, it can be achieved that, for example, for a higher-level electrolysis control of the electrolysis device, data is provided that allows the load capacity of the respective electrolysis cell to be recognized. This resilience, which can also include the aging condition, can be used to be able to adjust the performance of the electrolytic cell within a predetermined operating range. This can be used, for example, to vary or adjust an electrolysis output of the electrolysis device or the like.
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.For example, if a low electrolysis output is to be activated, it is advantageous to operate the electrolysis cells with an unfavorable aging condition, if possible, whereas if a high electrolysis output is desired, it is preferable to activate electrolysis cells with a low aging condition, that is, preferably essentially new electrolysis cells . Of course, it can also be provided that through the intended operation of the electrolytic cells and respective activation or deactivation of the electrolytic cells it can be achieved that different aging states of the electrolytic cells can equalize. This will Among other things, the knowledge used is that a cell voltage can arise at a given cell current depending on the aging condition. For a given cell current, the cell voltage generally increases as the cell ages. The aging state of the electrolytic cell can therefore be determined, for example, based on the operating parameters of the electrolytic cell. Operating parameters can be, for example, the cell voltage, a cell current, a temperature of the electrolytic cell, values of fluid flows such as liquids and/or gases or the like.
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.In addition, it can be taken into account that the cell voltage can also depend, among other things, on the activation of catalysts and the like used in the respective electrolysis cells. Preferably, with the cooperation of the support device, improved operation of the electrolysis cells of the electrolysis device and thus also of the electrolysis device as a whole can be achieved.
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.At the same time, the support device of the invention makes it possible to start up or shut down the electrolysis device in a safer and more reliable manner overall. This can be achieved, among other things, by detecting the respective cell voltages of the electrolytic cells during normal operation and/or during startup or shutdown and taking them into account for setting a respective cell current. The respective cell current can preferably also be taken into account. This is preferably done depending on the determined cell characteristics or the determined aging state. The cell characteristics can include, for example, an individual characteristic curve, possibly further cell parameters and/or the like of a respective electrolysis cell.
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.The support device has respective connection contacts for connecting to the electrolysis device, in particular for connecting to the electrolysis cells in the form of electrical coupling, so that the desired electrical connection can be established with the electrodes of the electrolysis cells. The support device also has the voltage detection unit, which is used to detect the cell voltages of the electrolytic cells. For this purpose, the voltage detection unit is preferably electrically coupled to the connection contacts of the support device. The voltage detection unit can, for example, detect the respective cell voltages individually or in time division multiplex. The voltage detection unit provides corresponding voltage signals that are transmitted to the signal-coupled evaluation unit. The corresponding voltage signals are therefore available in the evaluation unit, so that it can determine at least the cell characteristics or at least the aging state of the respective electrolytic cell. The support device, in particular the voltage detection unit and possibly also the evaluation unit, can be designed as an electronic hardware circuit. However, they can also be formed at least partially by a program-controlled computer unit. Of course, combinations of these can also be provided.
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.The invention proves to be particularly advantageous when the electrolysis cells of the electrolysis device are at least partially connected in series. However, the invention is not limited to this. The support device can therefore also be intended to be used in an electrolysis device which has electrolysis cells at least partially connected in parallel. Of course, combinations of series connections and parallel connections of electrolytic cells can also be provided.
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.According to a further development, it is proposed that the voltage detection unit has a number of voltage sensors corresponding to the plurality of electrolytic cells, each of the voltage sensors being electrically coupled to electrodes of a respective electrolytic cell and being designed to detect a cell voltage of the respective electrolytic cell and depending on the detected Cell voltage to emit a respective voltage signal. The voltage detection unit can therefore simultaneously detect the cell voltages of the majority of electrolysis cells and emit corresponding voltage signals. This allows very fast signal processing to be achieved. Overall, the support device can be improved and, if necessary, the function can also be improved.
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. In addition, it is proposed that the support device has at least one current sensor for detecting a cell current of at least one of the electrolysis cells and for emitting a current signal depending on the detected cell current. If the electrolysis cells are connected in series, a single current sensor can usually be sufficient. However, it can also be provided that a respective individual current sensor for detecting the cell current is preferably provided for each of the electrolysis cells.
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.By means of the current sensor, the cell current can preferably be measured at least during the determined proper electrolysis operation or outside of the intended electrolysis operation, for example also the polarization current when shutting down the electrolysis device. The current sensor is preferably also signal-coupled to the evaluation unit, so that the current signals can be transmitted to the evaluation unit. The evaluation unit can then also take the at least one current signal into account when evaluating.
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.It is further proposed that the support device has a number of controllable electronic power source circuits corresponding to the plurality of electrolytic cells, wherein each of the current source circuits is electrically coupled to electrodes of a respective electrolytic cell and is designed to individually apply a direct current to the respective electrolytic cell can be adjusted depending on a power source control signal. This makes it possible for each of the majority of electrolysis cells to be individually supplied with a corresponding direct current. This proves to be particularly advantageous if the electrolysis device or the electrolysis cells are operated outside of the intended electrolysis operation, in that the electrolysis cells are preferably supplied with a protective current or polarization current, for example to suppress or avoid the undesirable fuel cell functionality. This is particularly the case when starting up the electrolysis device or when shutting down the electrolysis device, in which electrolysis cells particularly connected in series can otherwise be electrically applied unevenly. With the individually provided power source circuits, each of the electrolysis cells can be individually supplied with the electrical cell current. This cell current can, for example, be the protective current to prevent fuel cell functionality. The protective current is preferably dependent on the determined cell characteristics and/or the determined aging condition.
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.Each of the power source circuits is adjustable using the power source control signal. The power source control signal can be provided for one or more of the power source circuits, for example by the evaluation unit but also by the higher-level electrolysis control of the electrolysis device. This makes it possible to operate each of the electrolysis cells in an optimal operating state.
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.Furthermore, it is proposed that the evaluation unit is designed to record the cell voltage and the cell current over a predeterminable period of time and, depending on this, to determine the cell characteristics and/or the aging state of the electrolytic cell. The cell current can preferably be recorded at least during the intended electrolysis operation or at least outside of the intended electrolysis operation. However, the cell current can also be recorded essentially permanently, particularly advantageously. For this purpose, it can be provided that the evaluation unit has data from a new electrolytic cell as reference or starting values, or retrieves these as a data record from an external data memory via a communication connection. Using the respective power source circuit, it is even possible to currently record and save an individual characteristic curve for each of the electrolysis cells. In this way, for example, the cell characteristics can also be determined for an unknown electrolysis cell. This data can be used in order to be able to determine a change in the respective cell characteristics, in particular the operational aging state, of the respective electrolytic cell in the further course. Among other things, the cell characteristics can also include operating states, operating state changes, operating parameters and/or operating parameter changes that can be determined for the electrolysis cells. Of course, it can also be provided that data relating to a state in relation to an end of use of the electrolytic cells is stored in a retrievable manner, with the evaluation unit being able to determine whether a respective one of the electrolytic cells has reached the end of use. Once the end of use has been reached, the evaluation unit can, for example, emit a signal that the respective electrolytic cell should be serviced or replaced. As a result, the function of the electrolysis device as a whole can be further improved. At the same time, the determined aging states of the electrolytic cells can be used to provide individual power source control signals depending thereon, so that the electrolytic cells can be supplied with the cell current, preferably depending on their respective determined aging state. This also enables a further improvement in the operation of the electrolysis device overall.
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.It proves to be particularly advantageous if the evaluation unit is designed to determine cell characteristics and/or aging states of all electrolysis cells coupled to the support device and, depending on the determined aging states, to determine control data for an operating state in electrolysis operation, starting up and/or shutting down the electrolysis device. This control data can, among other things, also include data relating to the power source have expensive signals, so that the optimal possible operation of the electrolysis cells can be achieved, especially when starting up or shutting down the electrolysis device, especially if they are connected in series.
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.It is further proposed that the support device has a separately manageable housing which has a plug connector for electrically connecting the support device to the electrolytic cells. This makes it possible to easily connect the support device to the electrolysis cells, in particular to the electrolysis device, and to establish reliable electrical contact. The separately handleable housing can be a closed housing, so that the support device is reliably protected from external influences. This is particularly advantageous if dangerous substances can occur in the environment of the support device, for example an explosive gas mixture, an aggressive atmosphere and/or the like. The connection contacts are preferably also arranged on the housing so that they can be contacted electrically.
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.According to a further embodiment, it is proposed that the evaluation unit is designed to determine operating states of all electrolysis cells coupled to the evaluation unit and, depending on the determined operating states, to provide a status signal for a higher-level electrolysis control in order to control the cell current depending on the status signal. The status signal can be used to adjust the individual power source control signals. However, it can also be used to control the cell current that is to be provided by the higher-level electrolysis control during normal electrolysis operation. In this way, overloading of individual electrolytic cells, particularly severely aged electrolytic cells, can be avoided. It can thus be achieved, for example, that the cell current can be controlled in a suitable manner at least during the intended electrolysis operation or at least outside the intended electrolysis operation during the protective operation. Furthermore, operation of the electrolysis cells outside of a permissible intended electrolysis operation, which can be determined, for example, by a cell construction and/or design parameters, can also be avoided. Overall, the reliability of the operation of the electrolysis device and the operational lifespan can be further improved or increased.
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.The support device preferably has a communication interface with which it is in communication connection with the higher-level electrolysis control of the electrolysis device. The communication interface can be designed for wireless or wired communication.
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.The support device can also be designed to record further operating parameters of the electrolysis cells, preferably on a cell-specific basis. For this purpose, the support device can have suitable parameter sensors, which can be arranged at least partially integrated in the support device or also in the respective electrolysis cells. Such parameter sensors can be used, for example, to detect a temperature in the electrolysis cells or their cell membranes or process fluids and gases, to detect a flow rate of process fluids in the respective electrolysis cell, in particular with regard to electrolysis cells for the electrolysis of water, a water vapor measurement, a gas composition , for example to determine whether a gas composition contains an ignitable mixture, to record a pressure measurement and / or the like. Preferably, these parameter sensors can also be coupled to the evaluation unit in terms of signals, so that the evaluation unit can carry out the evaluation additionally depending on these signals. Here too, a further improvement in the operation of the electrolysis device can be achieved.
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.The advantages and effects specified for the support device according to the invention naturally also apply equally to the electrolysis device according to the invention and the method according to the invention and vice versa. In this respect, device features can also be formulated as process features and vice versa.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention.
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.The features, combinations of features specified previously in the description as well as the features and combinations of features mentioned in the following description of exemplary embodiments and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations. The invention therefore also includes or is to be regarded as disclosed embodiments which are not explicitly shown and explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments through separate combinations of features. The features, functions and/or effects shown using the exemplary embodiments can each be taken individually, independently represent features, functions and/or effects of the invention that are to be considered from one another, each of which further develops the invention independently of one another. Therefore, the exemplary embodiments should also include combinations other than those in the explained embodiments. In addition, the described embodiments can also be supplemented by further features, functions and/or effects of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.In the figures, the same reference numbers designate the same features and functions.
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 gemäß1 , bei der eine Zellenspannung der Elektrolysezelle abhängig von einem Elektrolysestrom der Elektrolysezelle dargestellt ist; -
3 in einerschematischen 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 gemäß1 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 gemäß5 beaufschlagten Elektrolysezelle, -
7 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer Schutzeinheit gemäß3 , -
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 wie9 eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung an einer als Modul ausgebildeten Elektrolysevorrichtung.
-
1 in a schematic circuit diagram an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells connected in series, which are connected to an electrolysis energy source and an auxiliary energy source connected in parallel thereto; -
2 in a schematic diagram representation a polarization characteristic for an electrolysis cell of the electrolysis device according to1 , in which a cell voltage of the electrolysis cell is shown as a function of an electrolysis current of the electrolysis cell; -
3 in a schematic diagram representation like1 an electrolysis device in which a protective unit is connected in parallel to each individual electrolysis cell; -
4 a schematic diagram representation in which, using respective graphs, a clocked current as a protective current for an electrolytic cell according to1 as well as a cell voltage and a control signal for the protective current are shown, -
5 a schematic diagram representation of an oscillogram of a further protective current, -
6 a schematic diagram representation of aging determined based on polarization characteristics with the protective current5 charged electrolytic cell, -
7 a schematic block diagram representation of a protection unit according to3 , -
8th in a schematic block diagram a structure of the electrolysis device with the support device, -
9 a schematic perspective view of a first embodiment of an arrangement of the support device on an electrolysis device designed as a module, and -
10 in a schematic representation like9 a second embodiment of an arrangement of the support device on an electrolysis device designed as a module.
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.The series-connected
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 (
In der vorliegenden Ausgestaltung der Elektrolysezelle 12 für die Elektrolyse von Wasser beträgt die Elektrolysespannung UN 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.In the present embodiment of the
Die Elektrolysevorrichtung 52 gemäß
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.In addition, particularly when starting up the
Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß
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.The
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 US erreicht werden kann.The auxiliary
Die Schutzspannung US (
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
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.The switching unit 36 has an
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. The switching
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.To control the switching unit 36, it is provided in the present embodiment that a cell current of the series connection of the
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
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.In addition, the
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Schutzeinheiten 40 des Schutzgeräts 16 alle gleich ausgebildet sind und mittels der Steuereinheit 18 gesteuert werden können.In the present case it is provided that the
Während dieses Betriebs wird die Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 mittels des Spannungssensors 44 (siehe
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.With the control signal from the
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.In an alternative embodiment, it can be provided that regulation can be implemented using the sensor signal from the
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.In addition, it can be provided that in an alternative embodiment a constant direct current is also superimposed on the clocked direct current. This can ensure, for example, that the protective current 74 does not reach the value zero. This can improve reliability and security.
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.The frequency of the clocked direct current can be selected in a range from approximately 10 Hz to approximately 100 Hz. Preferably it is in a range of approximately 30 Hz.
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.Even if the principle of the invention has been explained above with reference to the application to individual electrolysis cells of the electrolysis device, the principle of the invention is nevertheless equally applicable to an electrolysis device which has one or more cell blocks, whereby a respective cell block can comprise two or more electrolysis cells. The cell-specific aspects can therefore - easily apparent to the person skilled in the art - also be applied to a respective cell block in an essentially appropriate manner. The treatment of cell blocks can also be achieved through a simple, slight adjustment. Of course, combinations of cell blocks and individual electrolysis cells can also be provided.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.The exemplary embodiments serve exclusively to explain the invention and are not intended to limit it.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- EP 3982501 A1 [0008]EP 3982501 A1 [0008]
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