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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, aufweisend einen Zellstapel aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
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Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Erzeugung von Wasserstoff.
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Stand der Technik
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Ein Elektrolyseur dient der Stoffumwandlung mit Hilfe eines elektrischen Stroms. Dieser Vorgang wird auch Elektrolyse genannt. Mit Hilfe der Elektrolyse kann beispielsweise Wasserstoff erzeugt werden.
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Die Elektrolyse findet in den Elektrolysezellen eines Elektrolyseurs statt. In der Praxis wird eine Vielzahl von Elektrolysezellen elektrisch in Reihe geschaltet und zu einem Zellstapel zusammengefasst. Der Zellstapel bildet den Elektrolyseur aus. Mehrere Zellstapel bzw. Elektrolyseure können zu einer Elektrolyseanlage kombiniert werden.
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Der Zellstapel bzw. Elektrolyseur besitzt die Eigenschaft, dass mit zunehmendem Alter die Zellspannung in den Elektrolysezellen steigt. Dadurch erhöht sich die Gefahr, dass eine zulässige Maximalspannung einer mit dem Elektrolyseur verbundenen Leistungselektronik überschritten wird. Um dies zu verhindern, wird üblicherweise der über das Lebensalter zu erwartende Spannungsanstieg in der Auslegung der Leistungselektronik vorgehalten. Das heißt, dass die Leistungselektronik, insbesondere im Neuzustand des Elektrolyseurs, lediglich in Teillast betrieben wird.
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Die zu einem Zellstapel in Reihe zusammengeschalteten Elektrolysezellen werden im Betrieb mit dem gleichen Strom beaufschlagt, aber altern dennoch unterschiedlich. Grund hierfür können Fertigungstoleranzen und/oder Schwankungen im Betrieb sein, beispielsweise aufgrund von Temperaturunterschieden und/oder Unterschieden in der Sauerstoff- oder Wasserstoffversorgung der einzelnen Elektrolysezellen.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Alterungsprozess eines Elektrolyseurs zu symmetrisieren, und zwar vorzugsweise unter Berücksichtigung der zulässigen Maximalspannung einer angegliederten Leistungselektronik.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, aufweisend einen Zellstapel aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen, die zu einzeln zu- und abschaltbaren Zellpaketen zusammengefasst sind, wobei im Betrieb des Elektrolyseurs betriebspunktabhängig im Wechsel ein Zellpaket oder mehrere Zellpakete temporär abgeschaltet wird bzw. werden.
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Durch temporäres Zu- und Abschalten wird die Auslastung der einzelnen Zellpakete des Zellstapels variiert. In Bezug auf ein temporär abgeschaltetes Zellpaket wird eine Entlastung erzielt, die den Alterungsprozess des Zellpakets verlangsamt. Auf diese Weise können die Alterungszustände der einzelnen Zellpakete aneinander angeglichen werden.
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Im Neuzustand oder im gealterten Zustand des Elektrolyseurs können in Kombination mit aktuell niedrigem Strom alle Zellpakete in Reihe betrieben werden, da die maximale Spannungsgrenze nicht überschritten wird. Das temporäre Abschalten einzelner Zellpakete wird vorzugsweise erst ab einem gewissen Lebensalter des Elektrolyseurs durchgeführt. Auf diese Weise kann eine Überschreitung der zulässigen Maximalspannung einer an den Elektrolyseur angeschlossenen Leistungselektronik vermieden werden.
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Die Spannung des Elektrolyseurs ist das Produkt aus der Zelleinzelspannung und der Zellanzahl. Durch temporäres Abschalten einzelner Zellpakete bzw. durch Variation der Zellanzahl kann somit die Spannung des Elektrolyseurs beeinflusst werden, um einen alterungsbedingten Spannungsanstieg zu kompensieren. Dieser muss demnach nicht bei der Auslegung der Leistungselektronik vorgehalten werden, so dass ein Teillastbetrieb der Leistungselektronik, insbesondere im Neuzustand des Elektrolyseurs, entfallen kann.
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Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird vorzugsweise die Abschaltreihenfolge in Abhängigkeit vom jeweiligen Alterungszustand der Zellpakete festgelegt. Vorzugsweise wird jeweils das Zellpaket temporär abgeschaltet, dessen Alterungszustand am weitesten fortgeschritten ist. Durch Abschalten wird das Zellpaket entlastet und der Alterungsprozess verlangsamt sich.
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Der Alterungszustand eines Zellpakets wird vorzugsweise durch Spannungsmessung bestimmt und in einem Speicher hinterlegt, vorzugsweise in einem Speicher eines Steuergeräts. In Kenntnis der Alterungszustände der einzelnen Zellpakete kann dann die Abschaltreihenfolge festgelegt werden.
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Die Spannung einer Elektrolysezelle wird grundsätzlich von drei Parametern beeinflusst, a) dem anliegenden Strom, der bei gegebener Zellfläche der anliegenden Stromdichte entspricht, b) der Temperatur sowie c) dem Alterungszustand der Zelle. Da ein Zellstapel in der Regel aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen besteht, ist der Strom in jeder Zelle gleich, so dass kein Spannungsunterschied messbar ist. Die Temperatur der Zellen wird von dem Wasser dominiert, das die Zellen durchströmt. Da alle Zellen aus einer Wasserquelle versorgt werden, kann in einer ersten Näherung von einer symmetrischen Temperaturverteilung ausgegangen werden. Ist die Temperatur aller Zellen gleich, ergibt sich auch hieraus kein Spannungsunterschied. Unter diesen Annahmen kann ein Spannungsunterschied allein auf einen unterschiedlichen Alterungszustand der Elektrolysezellen zurückgeführt werden. Demzufolge kann aus der Spannungsmessung der Alterungszustand eines Zellpakets abgeleitet werden.
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Zur Spannungsmessung sind vorzugsweise zwischen den einzelnen Zellpaketen Sensorleitungen angebracht. Über diese können dann die Spannungsmesssignale an ein Steuergerät übertragen werden, das aus den Spannungsmesssignalen den jeweiligen Alterungszustand bestimmt. Der Alterungszustand kann dann in dem Speicher des Steuergeräts abgelegt werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Alterungszustand eines Zellpakets durch Temperaturmessung bestimmt wird. Die Temperaturmessung erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn von einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung auszugehen ist, da beispielsweise der Zellstapel nicht gleichmäßig von Wasser durchströmt wird. Hieraus ergeben sich dann wiederum Spannungsunterschiede, die dann im Wege der Temperaturermittlung berücksichtigt werden können. Zur Messung der Temperatur sind vorzugsweise am Zellstapel mehrere Temperatursensoren verbaut. Die Zelltemperatur lässt sich besonders einfach erfassen, indem die Temperatur des aus der Zelle abfließenden Wassers gemessen wird.
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Bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird vorzugsweise mindestens ein Zellpaket abgeschaltet, bevor eine zulässige Maximalspannung einer an den Elektrolyseur angeschlossenen Leistungselektronik überschritten wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die Leistungselektronik keinen Schaden nimmt. Die Bestimmung des Abschaltzeitpunkts erfordert demnach die Messung der Spannung sowie die Kenntnis der zulässigen Maximalspannung der angeschlossenen Leistungselektronik.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass jedes Zellpaket, insbesondere bei hohem Alterungszustand und/oder Auslastung, mindestens einmal temporär abgeschaltet wird. Das heißt, dass jedes Zellpaket mindestens einmal entlastet wird, so dass der Alterungsprozess verlangsamt wird. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Zellstapels erhöht werden.
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Ist die Abschaltreihenfolge nicht durch unterschiedliche Alterungszustände der einzelnen Zellpakete vorgegeben, kann auch ein rotierendes Verfahren angewendet werden, bei dem zyklisch jedes einzelne Zellpaket für eine gewisse Dauer abgeschaltet und entlastet wird. Bei symmetrisch ablaufenden Alterungsprozessen kann zudem die Abschaltdauer für jedes Zellpaket gleich lang gewählt werden.
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Vorteilhafterweise wird zum Abschalten eines Zellpakets ein Zeitpunkt im Betrieb des Elektrolyseurs gewählt, in der kein Strom fließt oder der Stromfluss auf ein Minimum reduziert ist.
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Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Das Steuergerät ist vorzugsweise über Sensorleitungen mit den einzelnen Zellpaketen eines Zellstapels verbunden, so dass an das Steuergerät Spannungsmesssignale übertragen werden, aus denen das Steuergerät den jeweiligen Alterungszustand eines Zellpakets ableiten kann. Dieser kann dann in einem Speicher des Steuergeräts abgelegt werden. Abhängig vom jeweiligen Alterungszustand kann dann das Steuergerät einzelne Zellpakete temporär abschalten, um diese zu entlasten, so dass der Alterungsprozess vergleichmäßigt wird. Ferner kann im Steuergerät eine zulässige Maximalspannung einer mit dem Zellstapel verbundenen Leistungselektronik hinterlegt sein. In Kenntnis der Spannung kann dann durch rechtzeitiges Abschalten mindestens eines Zellpakets ein Überschreiten der zulässigen Maximalspannung verhindert werden.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 die Kennlinie einer Elektrolysezelle im Neuzustand und nach Alterung,
- 2 ein Diagramm zur Darstellung der Spannungsverläufe in einem Zellstapel aus einzelnen Elektrolysezellen in Abhängigkeit von der Stromdichte und der Wasserstoffproduktion gemäß einer ersten Auslegung eines Zellstapels von Elektrolysezellen,
- 3 ein Diagramm zur Darstellung der Spannungsverläufe in einem Zellstapel von Elektrolysezellen in Abhängigkeit von der Stromdichte und der Wasserstoffproduktion gemäß einer zweiten Auslegung eines Zellstapels von Elektrolysezellen,
- 4 eine schematische Darstellung der Verschaltung von Leistungselektronik und Zellstapel eines Elektrolyseurs mit mehreren Zellpaketen und Abschalteinrichtungen für einzelne Zellpakete,
- 5 ein Flussdiagramm zur schematischen Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 6 eine schematische Darstellung eines rotierenden Abschaltverfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist beispielhaft die Kennlinie einer Elektrolysezelle im Neuzustand (untere Kurve) sowie nach Alterung (obere Kurve) zu entnehmen. Auf der x-Achse ist die Stromdichte und auf der y-Achse ist die Zellspannung aufgetragen. Mit der Alterung geht ein Spannungsanstieg einher. Ferner steigt die Spannung mit einem Anstieg der eingeprägten Stromdichte. Der Spannungsanstieg über das Lebensalter der Elektrolysezelle kann zu einem Überschreiten einer zulässigen Maximalspannung einer mit der Elektrolysezelle verbundenen Leistungselektronik führen. Dies gilt es zu verhindern.
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Bei der Auslegung eines Elektrolyseurs bestehen zwei Design-Freiheitsgrade, und zwar die Zellfläche und die Zellanzahl. Das Produkt aus Zelleinzelspannung und Zellanzahl ergibt die Spannung des Elektrolyseurs, das Produkt aus Zellfläche und Zellstromdichte ergibt den Strom des Elektrolyseurs. Unter Berücksichtigung dieser Abhängigkeiten ergeben sich die in den 2 und 3 dargestellten Zusammenhänge.
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2 zeigt verschiedene Spannungsverläufe in einem Elektrolyseur, wobei der Graph A den Spannungsverlauf im Neuzustand des Elektrolyseurs und der Graph B den Spannungsverlauf nach Alterung des Elektrolyseurs zeigt. Der Elektrolyseur ist derart ausgelegt, dass eine maximal zulässige Spannung (Graph C) einer mit dem Elektrolyseur verbundenen Leistungselektronik nicht überschritten wird. Die Spannungsgrenze wurde vorliegend beispielhaft auf 800 V festgelegt. Der Graph D gibt die Wasserstoffproduktion bei entsprechender Auslegung des Elektrolyseurs an. Die Wasserstoffproduktion ist proportional zum Produkt aus eingeprägter Stromdichte und Zellanzahl.
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3 zeigt eine andere Auslegung eines Elektrolyseurs. Bei dieser Auslegung bleibt eine Überschreitung der maximal zulässigen Spannung (Graph C) nach Alterung (Graph B) unberücksichtigt. Entsprechend steigt die Wasserstoffproduktion. Bevor es jedoch aufgrund Alterung zu einer Überschreitung der maximal zulässigen Spannung kommt, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zellanzahl reduziert. Durch Reduzierung der Zellanzahl wird sichergestellt, dass die Spannungsgrenze eingehalten wird.
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Bei einer entsprechenden Auslegung des Elektrolyseurs können somit mehr Zellen verbaut werden und damit im Neuzustand eine größere Menge an Wasserstoff produziert werden.
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Der 4 ist beispielhaft ein Elektrolyseur 1, aufweisend einen Zellstapel aus einer Vielzahl von Elektrolysezellen, die zu Zellpaketen 2 zusammengefasst sind. Zwischen den einzelnen Zellpaketen 2 sind Sensorleitungen zur Messung der jeweiligen Spannung U1-U7 angebracht. Die Spannungsmesssignale werden an ein Steuergerät 3 übertragen. Des Weiteren sind Hochstromanschlüsse vorgesehen, die paarweise mit steuerbaren Schaltern S1-S7 verbunden sind, so dass die Zellpakete 2 einzeln zu- und abschaltbar sind. In der 4 sind darüber hinaus Sensoren zur Erfassung der Temperatur T1-T7 der Zellpakete 2 verbaut. Diese sind jedoch nicht zwingend erforderlich, sondern lediglich optional.
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Im Neuzustand des in der 4 dargestellten Elektrolyseurs 1 werden alle Zellpakete 2 in Reihe betrieben. Ab einem Alterungszustand, bei dem die Spannung die Maximalgrenze einer angeschlossenen Leistungselektronik (nicht dargestellt) übersteigt, wird das Zellpaket 2, dessen Alterungszustand am weitesten fortgeschritten ist, durch Aktivierung des entsprechenden Schalters überbrückt, so dass kein Strom mehr durch das Zellpaket 2 fließt. Die Identifizierung dieses Zellpakets 2 erfolgt mit Hilfe der Spannungsmessung, da hieraus der jeweilige Alterungszustand eines Zellpakets 2 abgeleitet werden kann. Dieser wird dann vorteilhafterweise in einem Speicher des Steuergeräts 3 hinterlegt, so dass hiernach die Abschaltreihenfolge der Zellpakete 2 festgelegt werden kann.
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Wie aus der 3 ersichtlich können auch im gealterten Zustand bei niedriger Auslastung alle Zellen in Reihe betrieben werden, ohne die erlaubte Maximalspannung zu überschreiten. Bei niedriger Auslastung ist dies auch im gealterten Zustand vorteilhaft, da die Nutzung aller vorhandenen Zellen den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs steigert.
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Bei höherer Stromdichte wird durch Festlegen einer entsprechenden Abschaltreihenfolge nicht nur sichergestellt, dass die zulässige Maximalgrenze der Spannung der Leistungselektronik nicht überschritten wird, sondern ferner, dass die Zellpakete 2 gleich oder zumindest annähernd gleich altern. Nach einer gewissen Abschaltdauer wird das abgeschaltete Zellpaket 2 wieder zugeschaltet und ein anderes Zellpaket 2 zur Entlastung abgeschaltet. Der Alterungsprozess des Elektrolyseurs 1 wird auf diese Weise vergleichmäßigt bzw. symmetrisiert.
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Ein entsprechendes Ablaufdiagramm ist in der 5 dargestellt. In einem ersten Schritt 10 wird die Spannung an den einzelnen Zellpaketen 2 gemessen. In Schritt 11 wird aus den Spannungsmesssignalen der Alterungszustand des jeweiligen Zellpakets 2 abgeleitet. In Schritt 12 wird dann geprüft, ob die gemessene Spannung U_ELY eine vorgegebene Spannungsgrenze U_max überschreitet, wobei es sich insbesondere um die zulässige Maximalspannung einer angegliederten Leistungselektronik handeln kann. Ergibt die Prüfung, dass die vorgegebene Spannungsgrenze U_max nicht überschritten wird („-“), wird erneut mit Schritt 10 begonnen. Ergibt dagegen die Prüfung, dass die vorgegebene Spannungsgrenze U_max überschritten wird („+“), wird in Schritt 13 ein Schalter zur Überbrückung des Zellpakets 2 betätigt, das anhand der Spannungsmessung den am weitesten fortgeschrittenen Alterungszustand zeigt.
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Für den Fall, dass die Zellpakete 2 gleichmäßig altern, kann auch ein rotierendes Verfahren zum Abschalten einzelner Zellpakete 2 gewählt werden. Ein solches ist schematisch in der 6 dargestellt. Bei einem rotierenden Verfahren wird zyklisch jedes einzelne Zellpaket 2 für jeweils die gleiche Zeit durch Schließen des entsprechenden Schalters überbrückt. Die Überbrückungszeit ist in der 6 durch ein ausgekreuztes Feld dargestellt. In mehreren Arbeitsschritten a-g wird der Reihe nach jeder Schalter S1-S7 einmal betätigt.
