-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen in gestapelter Anordnung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
-
Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Erzeugung von Wasserstoff.
-
Stand der Technik
-
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.
-
Die Elektrolyse findet in den Elektrolysezellen eines Elektrolyseurs statt. In der Praxis wird eine Vielzahl von Elektrolysezellen zu einem Zellstapel zusammengefasst. Der Zellstapel bildet den Elektrolyseur aus. Mehrere Zellstapel bzw. Elektrolyseure können zu einer Elektrolyseanlage kombiniert werden.
-
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.
-
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Abstimmung zwischen einem Elektrolyseur und einer angeschlossenen Leistungselektronik zu optimieren. Insbesondere soll eine kontinuierliche Auslastung der angeschlossenen Leistungselektronik über die gesamte Lebensdauer des Elektrolyseurs unter Berücksichtigung der zulässigen Maximalspannung der Leistungselektronik erreicht werden.
-
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.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, umfassend eine Vielzahl von Elektrolysezellen in gestapelter Anordnung. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zum Ausgleich eines alterungsbedingten Spannungsanstiegs und/oder von Leistungsschwankungen mindestens eine Elektrolysezelle oder eine Gruppe von Elektrolysezellen zumindest zeitweise ab- oder zugeschaltet, so dass der Elektrolyseur mit variierender Zellanzahl betrieben wird.
-
Neben dem eingangs erwähnten alterungsbedingten Spannungsanstieg ist die Spannung zudem von der aktuellen Temperatur und dem an den Zellstapel angelegten Strom abhängig. Im Betrieb des Elektrolyseurs durchläuft damit der Zellstapel abhängig von der aktuellen Temperatur, dem angelegten Strom und dem jeweiligen Alterungszustand unterschiedliche Spannungszustände.
-
Die Spannung des Elektrolyseurs ist das Produkt aus der Zelleinzelspannung und der Zellanzahl. Durch Variation der Zellanzahl kann demnach die Spannung des Elektrolyseurs beeinflusst werden. Beispielsweise kann durch Abschalten mindestens einer Elektrolysezelle oder einer Gruppe von Elektrolysezellen ein alterungsbedingter Spannungsanstieg kompensiert werden, so dass sichergestellt ist, dass eine zulässige Maximalspannung einer mit dem Elektrolyseur verbundenen Leistungselektronik nicht überschritten wird. Der zu erwartende alterungsbedingte Spannungsanstieg muss demzufolge nicht bei der Auslegung der Leistungselektronik vorgehalten werden, so dass ein Teillastbetrieb der Leistungselektronik, insbesondere im Neuzustand des Elektrolyseurs, entfällt. Entsprechend steigt der Auslastungsgrad der Leistungselektronik. Dient der Elektrolyseur der Erzeugung von Wasserstoff, kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens die Wasserstoffproduktion über die Lebensdauer des Elektrolyseurs maximiert werden.
-
Analog können Leistungsschwankungen durch Variation der Zellanzahl kompensiert werden. Beispielsweise können abgeschaltete Elektrolysezellen zeitweise wieder zugeschaltet werden, um auf Leistungsschwankungen zu reagieren. Auf gleiche Art und Weise kann ein Ausgleich bei heißem oder kaltem Elektrolyseur geschaffen werden.
-
Um insbesondere das Überschreiten einer zulässigen Maximalspannung einer mit dem Elektrolyseur verbundenen Leistungselektronik zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass über das Lebensalter des Elektrolyseurs die Zellanzahl reduziert wird. Das heißt, dass mindestens eine Elektrolysezelle oder eine Gruppe von Elektrolysezellen gezielt abgeschaltet wird. Da die Alterung des Elektrolyseurs ein fortlaufender Prozess ist, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Zellanzahl schrittweise reduziert wird. Auf diese Weise kann die Zellanzahl bzw. die Spannung des Elektrolyseurs an den Fortschritt der Alterung angepasst werden. Somit können auch Alterungs-Zwischenstufen abgebildet werden.
-
Durch Reduzierung der Zellanzahl des Elektrolyseurs wird demnach eine Maximalspannungsgrenze einer mit dem Elektrolyseur verbundenen Leistungselektronik eingehalten.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Zellanzahl des Elektrolyseurs mitsteigender Stromdichte des Elektrolyseurs und/oder mit sinkender Temperatur des Elektrolyseurs reduziert wird.
-
Bevorzugt wird zum Ab- oder Zuschalten mindestens einer Elektrolysezelle oder einer Gruppe von Elektrolysezellen von einem ersten elektrischen Anschluss auf einen weiteren elektrischen Anschluss des Elektrolyseurs umgeschaltet. Der erste elektrische Anschluss beinhaltet vorzugsweise eine hohe Anzahl von Elektrolysezellen, insbesondere die Maximalzahl, so dass im Neuzustand des Elektrolyseurs alle Elektrolysezellen einsetzbar sind. Der weitere Anschluss kann dann eine reduzierte Anzahl von Elektrolysezellen für den gealterten Zustand des Elektrolyseurs beinhalten, so dass durch Umschalten vom ersten Anschluss auf den weiteren Anschluss die Zellanzahl reduziert wird. Dies ermöglicht im gealterten Zustand die Einhaltung der erlaubten Spannungsgrenzen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Durchführung des Verfahrens ein Elektrolyseur eingesetzt, der einen ersten B+-Anschluss sowie mindestens einen weiteren B+-Anschluss umfasst. Die Zellanzahl variiert in Abhängigkeit welcher Anschluss genutzt wird. Auf diese Weise kann mit fortschreitender Alterung des Elektrolyseurs und dem damit einhergehenden Spannungsanstieg mit einer Reduzierung der Zellanzahl reagiert werden. Der Spannungsanstieg wird auf diese Weise kompensiert.
-
Ferner bevorzugt wird mit Hilfe einer steuerbaren Schaltungsanordnung zwischen den elektrischen Anschlüssen, insbesondere B+-Anschlüssen, des Elektrolyseurs umgeschaltet. Die Verwendung einer steuerbaren Schaltungsanordnung ermöglicht eine Automatisierung des Verfahrens. Insbesondere kann ein aufwendiges Umverdrahten des Elektrolyseurs zur Reduzierung der Zellanzahl entfallen.
-
Mit Hilfe der steuerbaren Schaltungsanordnung kann vorzugsweise zwischen den Anschlüssen hin und her geschaltet werden, so dass die Zellanzahl bei Bedarf reduziert oder erhöht werden kann, beispielsweise zum Ausgleich kurzzeitiger Leistungsschwankungen. Das heißt, dass mit Hilfe der steuerbaren Schaltungsanordnung betriebspunktabhängig mindestens eine Elektrolysezelle oder eine Gruppe von Elektrolysezellen nicht nur abgeschaltet, sondern auch wieder zugeschaltet werden kann. Im Fall eines gealterten Zellstapels kann beispielsweise im Teillastbetrieb der gesamte Zellstapel genutzt werden, ohne eine zulässige Maximalspannung der Leistungselektronik zu übersteigen, während bei gealtertem Zustand und voller Auslastung die Maximalspannungsgrenze mit voller Zellanzahl überschritten wird.
-
Darüber hinaus wird ein Steuergerät für einen Elektrolyseur vorgeschlagen. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Beispielsweise kann mit Hilfe des Steuergeräts eine steuerbare Schaltungsanordnung zum Umschalten zwischen zwei elektrischen Anschlüssen, vorzugsweise B+-Anschlüssen, des Elektrolyseurs angesteuert werden. Auf diese Weise kann mindestens eine Elektrolysezelle oder eine Gruppe von Elektrolysezellen bei Bedarf ab- oder zugeschaltet werden. Das Steuergerät ermöglicht eine Automatisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens, so dass die durch die Leistungselektronik vorgegebenen Spannungsgrenzen sicher eingehalten werden.
-
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 einer Elektrolysezelle in Abhängigkeit von der Stromdichte und der Wasserstoffproduktion gemäß einer ersten Auslegung der Elektrolysezelle,
- 3 ein Diagramm zur Darstellung der Spannungsverläufe in einer Elektrolysezelle in Abhängigkeit von der Stromdichte und der Wasserstoffproduktion gemäß einer zweiten Auslegung der Elektrolysezelle, und
- 4 einen schematischen Querschnitt durch einen Elektrolyseur mit mehreren Elektrolysezellen.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Der 1 ist beispielhaft die Kennlinie einer Elektrolysezelle im Neuzustand (untere Kurve) sowie nach Alterung (obere Kurve) zu entnehmen. 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Bei einer entsprechenden Auslegung des Elektrolyseurs können somit mehr Zellen verbaut werden und damit eine größere Menge an Wasserstoff produziert werden. Das vorgeschlagene Verfahren löst somit den klassischen Zielkonflikt, der darin besteht, dass eine hohe Zellanzahl die Wasserstoffproduktion maximiert, zugleich jedoch die Gefahr einer Überschreitung der Maximalspannung aufgrund von Alterung erhöht. Um dies bei Ausnutzung der Vorteile einer hohen Zellanzahl zu verhindern, wird über das Lebensalter des Elektrolyseurs mindestens eine Elektrolysezelle oder eine Gruppe von Elektrolysezellen gezielt abgeschaltet. Bei Bedarf kann die mindestens eine Elektrolysezelle bzw. die Gruppe von Elektrolysezellen auch wieder zugeschaltet werden.
-
Der 4 ist beispielhaft ein Elektrolyseur 1 mit einer Vielzahl an Elektrolysezellen 2 in gestapelter Anordnung zu entnehmen. Der dargestellte Elektrolyseur 1 weist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens drei elektrische Anschlüsse 3, 3` und 4 auf. Bei den Anschlüssen 3 und 3` handelt es sich jeweils um einen „B+“-Anschluss. Der Anschluss 4 ist ein „B-“-Anschluss. Sofern die Anschlüsse 3 und 4 genutzt werden, ist die Zellanzahl maximal. Durch Umschalten von Anschluss 3 auf den Anschluss 3` kann die Zellanzahl reduziert werden. Das Umschalten kann mit Hilfe einer steuerbaren Schaltanordnung (nicht dargestellt) realisiert werden.
