EP4311868A1 - Efficient operation of an electrolysis system - Google Patents

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EP4311868A1
EP4311868A1 EP22187199.9A EP22187199A EP4311868A1 EP 4311868 A1 EP4311868 A1 EP 4311868A1 EP 22187199 A EP22187199 A EP 22187199A EP 4311868 A1 EP4311868 A1 EP 4311868A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolysis
operating
control device
operating phase
additional
Prior art date
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Pending
Application number
EP22187199.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerd Becker
Guido Bodden
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Germany GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Primetals Technologies Germany GmbH filed Critical Primetals Technologies Germany GmbH
Priority to EP22187199.9A priority Critical patent/EP4311868A1/en
Publication of EP4311868A1 publication Critical patent/EP4311868A1/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Definitions

  • the present invention is further based on a control program that includes machine code that can be processed by a control device of an electrolysis system in which electrolysis gases are generated by electrolysis of an electrolysis liquid by means of an electrolysis device of the electrolysis system, the processing of the machine code by the control device causing the electrolysis system is operated due to a corresponding control of an electrical energy supply device of the electrolysis system.
  • the present invention is further based on a control device for an electrolysis system, the control device being programmed with such a control program, so that the control device controls the electrolysis system according to such an operating method.
  • Electrolysis devices are known in various designs. Generally speaking, an electrolysis device comprises a number of electrolysis units. The number can be 1 or greater than 1.
  • the electrolysis units each include a first and a second end plate.
  • the electrolysis units often also include an intermediate plate arranged between the first and second end plates, sometimes also several intermediate plates. One of the intermediate plates can be arranged in the middle between the two end plates.
  • the electrolysis units each have a stack of electrolysis cells between two plates - alternatively this can be the two end plates, an end plate and an intermediate plate or two intermediate plates - whereby the electrolysis cells of the respective stack are electrically connected in series.
  • the electrolysis cells each have a first electrode and a second electrode, on which an electrolysis liquid is electrolytically split, so that after the electrolytic splitting the electrolysis liquid is supplied with a first electrolysis gas in the area of the respective first electrode and with a second electrolysis gas in the area of the respective second electrode is offset. At least one of the electrolysis gases is collected and stored - separately from the other electrolysis gas. This electrolysis gas can then be moved to another location or, for example, in the case of hydrogen, used as electrolysis gas in a motor vehicle to drive it.
  • the object of the present invention is to create options by means of which improved operation of an electrolysis system can be achieved.
  • a direct voltage is applied so that the electrolysis device produces the electrolysis gases.
  • the gas bubbles produced initially adhere (at least partially) to the electrodes of the electrolysis cells of the electrolysis device.
  • dynamically changing transient states are generated on the electrolysis plates. This causes the gas bubbles to detach from the electrodes and can therefore rise.
  • the manner in which the operating voltage and/or the operating current are varied in the additional operating phase can be determined as required.
  • the electrical force that holds the gas bubbles to the electrodes is briefly reduced.
  • the electrical power can even be switched off completely. Due to the reduction in electrical force, the gas bubbles can more easily detach from the electrodes and rise.
  • the operating voltage and/or the operating current in the main operating phase have a main ripple with a main amplitude
  • the operating voltage and/or the operating current in the additional operating phase have an additional ripple with an additional amplitude and that the additional amplitude is greater than the main amplitude is.
  • the electrodes are, so to speak, “electrically shaken” in the additional operating phase.
  • the operating voltage applied to the electrolysis device is often generated by rectifying an alternating voltage.
  • the operating voltage in the main operating phase usually has a "real" main ripple, i.e. it is actually not completely constant over time. So there is a residual ripple.
  • the main ripple has a true (i.e. non-0) main amplitude.
  • the operating voltage in the main operating phase can also be completely constant over time. In this case the main amplitude has the value 0.
  • the additional operating phase In the additional operating phase, the actual electrolysis process takes place with reduced efficiency.
  • the additional operating phase is therefore preferably shorter, in particular considerably shorter, than the main operating phase.
  • the duty cycle is a maximum of 10%.
  • the criterion for changing from the main operating phase to the additional operating phase and vice versa is a simple time sequence.
  • the operating method according to the invention can be designed in that the time since the last change between the main operating phase and the additional operating phase is recorded by the control device and the process state of the electrolysis device as a function of the time that has elapsed since the last change between the main operating phase and the additional operating phase is determined.
  • the operating method according to the invention can be designed in that the current process state of the electrolysis device is received by the control device from a sensor of the electrolysis system, by means of which the current process state of the electrolysis device is measured.
  • a possible sensor is, for example, an optical sensor for detecting the gas bubbles (in particular a camera or a photo sensor or a photo cell).
  • a current sensor or a voltage sensor can also be used as a sensor.
  • the use of an ultrasonic sensor is also possible.
  • the processing of the machine code by the control device additionally causes the control device to control the energy supply device in such a way that the additional features of at least one of the preferred embodiments of the operating method are also implemented.
  • control device with the features of claim 9.
  • the control device is programmed with a control program according to the invention, so that the control device controls the electrolysis system according to an operating method according to the invention.
  • control device in an electrolysis system of the type mentioned at the outset, is designed as a control device according to the invention.
  • an electrolysis system has an electrolysis device 1.
  • the electrolysis device 1 usually has two end plates 2. There are a large number of electrolytic cells 3 between the two end plates 2. The electrolytic cells 3 are electrically connected in series. One or more intermediate plates 4 can also be arranged between the two end plates 2.
  • the electrolysis system also has an electrical energy supply device 5. From the electrical energy supply device 5, an operating voltage U is applied to the electrolysis device 1, so that an operating current I flows through the electrolysis device 1. Due to the operating voltage U, the operating current I flows.
  • An electrolysis liquid 6 continues to be supplied to the electrolysis device 1.
  • the electrolysis liquid 6 is split by electrolysis using the electrolysis device 1. This produces electrolysis gases 7. Hydrogen and oxygen are often produced as electrolysis gases. However, other electrolysis gases 7 can also be generated.
  • the electrolysis system also has a control device 8. At least the energy supply device 5 is controlled by the control device 8. If necessary, other components can also be controlled by the control device 8, for example circulation pumps for the electrolysis liquid 6 - not shown. However, this is not absolutely necessary.
  • the control device 8 is programmed with a control program 9.
  • the control program 9 includes machine code 10, which can be processed by the control device 8.
  • the processing of the machine code 10 causes the control device 8 to control the electrolysis system according to an operating method, which is explained in more detail below.
  • the electrolysis system is constructed in accordance with FIG 2 and 3 initially operated during a period of time T1 in a main operating phase.
  • the control device 8 controls the energy supply device 5 in such a way that the operating voltage U (as a function of Time t) is as constant as possible equal to a base voltage U0. This is in FIG 2 shown.
  • the control device 8 it is possible for the control device 8 to control the energy supply device 5 in the main operating phase in such a way that the operating current I is as constant as possible and equal to a base current I0. This is in FIG 3 shown.
  • time period T1 expires, another time period T2 begins.
  • the electrolysis system is operated in an additional operating phase.
  • the time period T2 is usually shorter than the time period T1.
  • the time period T2 is often significantly shorter than the time period T1.
  • the energy supply device 5 is controlled by the control device 8 in such a way that the operating voltage U is varied relative to the base voltage U0. This is in FIG 2 shown.
  • the control device 8 it is possible for the control device 8 to control the energy supply device 5 in the additional operating phase in such a way that the operating current I is varied relative to the base current I0. This is in FIG 3 shown.
  • the electrolysis system is operated again in the main operating phase. Then there is a change again to the additional operating phase etc. etc.
  • the electrolysis system is therefore operated alternately during the period T1 in the main operating phase and during the period T2 in the additional operating phase due to a corresponding control of the energy supply device 5.
  • the control device carries out the change between the main operating phase and the additional operating phase depending on a process state Z of the electrolysis device 1.
  • the process state Z is - at least in terms of results - characteristic of the progress of the electrolysis process.
  • the operating voltage U is briefly reduced in the additional operating phase compared to the base voltage U0.
  • the operating voltage U is kept as constant as possible in the main operating phase. It is as shown in FIG 5 possible that the operating voltage U in the main operating phase is an exact DC voltage. In this case one points Main amplitude A1 of a main ripple - ie an amplitude with which the operating voltage U varies in the main operating phase - has the value 0. However, the operating voltage U in the main operating phase is often not an exact DC voltage, but rather points as shown in FIG 6 a main ripple with an - albeit small - main amplitude A1.
  • the operating voltage U is often generated by rectifying a single- or multi-phase alternating voltage using a rectifier unit, then smoothing the rectified voltage using a backup capacitor, and finally applying the smoothed voltage to the electrolysis device 1 via a step-down converter.
  • the rectifier unit can be designed as a controlled rectifier (i.e. with switchable elements) or as an uncontrolled rectifier (i.e. with diodes).
  • the step-down converter can have several step-down converters connected in parallel.
  • the step-down converters can each have a semiconductor switch with a downstream inductance.
  • Corresponding circuits are known - also for supplying an electrolysis device 1.
  • the operating voltage U is an exact DC voltage or has a main ripple with a small main amplitude A1
  • the operating voltage U is periodically varied to a greater extent in the additional operating phase, i.e. as a result it has an additional ripple with an additional amplitude A2, where the additional amplitude A2 is greater than the main amplitude A1.
  • the frequency of the additional ripple can also be specifically adjusted, in particular it can be different from the frequency of the main ripple.
  • the waveform of the additional ripple can also be specifically adjusted, in particular different from the waveform of the main ripple.
  • the time periods T1, T2 of the control device 8 are predetermined.
  • the control device 8 comprises according to FIG 1 internally a timer 11, which the control device 8 queries again and again.
  • the time since the last change between the main operating phase and the additional operating phase is recorded by the control device 8.
  • the control device 8 determines the process state Z of the electrolysis device 1.
  • the electrolysis system it is possible for the electrolysis system to have (at least) one sensor 12, by means of which the current process state Z of the electrolysis device 1 is measured.
  • the sensor 12 transmits a sensor signal S to the control device 8, which is characteristic of the current process state Z.
  • the sensor signal S is received by the control device 8. If necessary, the sensor signal S must also be evaluated within the control device 8.
  • the sensor 12 can be a current sensor that detects the current I. Conversely, if the operating current I is kept as constant as possible equal to the base current I0 in the main operating phase, the sensor 12 can be a voltage sensor that detects the base voltage U. However, the sensor 12 is preferably neither a current sensor nor a voltage sensor. Rather, the sensor 12 is preferably either an optical sensor, for example a camera or a photocell, or an ultrasonic sensor. The gas bubbles on the electrodes of the electrolysis cells 3 can be detected using such sensors.
  • the present invention has many advantages. In this way, a very uniform and energy-efficient operation of the electrolysis device 1 can take place in the main operating phase. Nevertheless, reliable detachment of the gas bubbles from the electrodes of the electrolysis cells 3 can be achieved in the additional operating phase. As a result, the efficiency of the electrolysis device 1 can be improved.
  • the service life of the electrolysis device 1 is not reduced compared to an operating mode known in the prior art. It may even be possible to enlarge it. The costs of the entire system can be reduced.

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Abstract

Mittels einer Elektrolysevorrichtung (1) werden durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit (6) Elektrolysegase (7) erzeugt. Von einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung (5) wird eine Betriebsspannung (U) an die Elektrolysevorrichtung (1) angelegt, so dass ein Betriebsstrom (I) durch die Elektrolysevorrichtung (1) fließt. Die Elektrolyseanlage wird alternierend in einer Hauptbetriebsphase und in einer Zusatzbetriebsphase betrieben. In der Hauptbetriebsphase wird die Energieversorgungseinrichtung (5) von einer Steuereinrichtung (8) derart angesteuert, dass die Betriebsspannung (U) möglichst konstant gleich einer Basisspannung (U0) ist und/oder der Betriebsstrom (I) möglichst konstant gleich einem Basisstrom (I0) ist. In der Zusatzbetriebsphase wird die Energieversorgungseinrichtung (5) von der Steuereinrichtung (8) derart angesteuert, dass die Betriebsspannung (U) und/oder der Betriebsstrom (I) gegenüber der Basisspannung (U0) und/oder dem Basisstrom (I0) variiert werden. Die Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase werden von der Steuereinrichtung (8) in Abhängigkeit vom Prozesszustand (Z) der Elektrolysevorrichtung (1) vorgenommen.

Figure imgaf001
Using an electrolysis device (1), electrolysis gases (7) are generated by electrolysis of an electrolysis liquid (6). An operating voltage (U) is applied to the electrolysis device (1) by an electrical energy supply device (5), so that an operating current (I) flows through the electrolysis device (1). The electrolysis system is operated alternately in a main operating phase and in an additional operating phase. In the main operating phase, the energy supply device (5) is controlled by a control device (8) in such a way that the operating voltage (U) is as constant as possible equal to a base voltage (U0) and/or the operating current (I) is as constant as possible and equal to a base current (I0). . In the additional operating phase, the energy supply device (5) is controlled by the control device (8) in such a way that the operating voltage (U) and/or the operating current (I) are varied relative to the base voltage (U0) and/or the base current (I0). The changes between the main operating phase and the additional operating phase are carried out by the control device (8) depending on the process state (Z) of the electrolysis device (1).
Figure imgaf001

Description

Gebiet der Technikfield of technology

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Betriebsverfahren für eine Elektrolyseanlage,

  • wobei mittels einer Elektrolysevorrichtung der Elektrolyseanlage durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit Elektrolysegase erzeugt werden,
  • wobei von einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung der Elektrolyseanlage eine Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung angelegt wird, so dass ein Betriebsstrom durch die Elektrolysevorrichtung fließt.
The present invention is based on an operating method for an electrolysis system,
  • wherein electrolysis gases are generated by electrolysis of an electrolysis liquid by means of an electrolysis device of the electrolysis system,
  • wherein an operating voltage is applied to the electrolysis device from an electrical energy supply device of the electrolysis system, so that an operating current flows through the electrolysis device.

Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einem Steuerprogramm, das Maschinencode umfasst, der von einer Steuereinrichtung einer Elektrolyseanlage, in der mittels einer Elektrolysevorrichtung der Elektrolyseanlage durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit Elektrolysegase erzeugt werden, abarbeitbar ist, wobei die Abarbeitung des Maschinencodes durch die Steuereinrichtung bewirkt, dass die Elektrolyseanlage aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung der Elektrolyseanlage betrieben wird.The present invention is further based on a control program that includes machine code that can be processed by a control device of an electrolysis system in which electrolysis gases are generated by electrolysis of an electrolysis liquid by means of an electrolysis device of the electrolysis system, the processing of the machine code by the control device causing the electrolysis system is operated due to a corresponding control of an electrical energy supply device of the electrolysis system.

Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einer Steuereinrichtung für eine Elektrolyseanlage, wobei die Steuereinrichtung mit einem derartigen Steuerprogramm programmiert ist, so dass die Steuereinrichtung die Elektrolyseanlage gemäß einem derartigen Betriebsverfahren steuert.The present invention is further based on a control device for an electrolysis system, the control device being programmed with such a control program, so that the control device controls the electrolysis system according to such an operating method.

Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einer Elektrolyseanlage,

  • wobei die Elektrolyseanlage eine Elektrolysevorrichtung aufweist, mittels derer durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit Elektrolysegase erzeugt werden,
  • wobei die Elektrolyseanlage eine elektrische Energieversorgungseinrichtung aufweist, von der eine Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung angelegt wird, so dass ein Betriebsstrom durch die Elektrolysevorrichtung fließt,
  • wobei die Elektrolyseanlage eine Steuereinrichtung aufweist, von der zumindest die Energieversorgungseinrichtung gesteuert wird.
The present invention is further based on an electrolysis system,
  • wherein the electrolysis system has an electrolysis device by means of which electrolysis gases are generated by electrolysis of an electrolysis liquid,
  • wherein the electrolysis system has an electrical energy supply device, from which an operating voltage is applied to the electrolysis device, so that an operating current flows through the electrolysis device,
  • wherein the electrolysis system has a control device by which at least the energy supply device is controlled.

Stand der TechnikState of the art

Die genannten Gegenstände sind allgemein bekannt. Rein beispielhaft kann auf die WO 2010/048 706 A1 verwiesen werden.The items mentioned are generally known. As an example, you can refer to: WO 2010/048 706 A1 to get expelled.

Aus der Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums "Grüner Wasserstoff: Forschung für mehr Effizienz", unter dem Link https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=59948&pNid=99&pLang=de am 11.07.2022 aus dem Internet abgerufen, ist bekannt, dass die bei der Elektrolyse entstehenden Gasbläschen sich pro Sekunde viele Male von der Elektrode, an der sie generiert werden, lösen können, sich aber sofort danach wieder an der Elektrode absetzen. Auch ist aus der genannten Pressemitteilung bekannt, dass sich zwischen den Gasblasen und den Elektroden permanent eine Art Teppich aus Mikroblasen bildet.Retrieved from the Helmholtz Center's press release "Green Hydrogen: Research for More Efficiency" under the link https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=59948&pNid=99&pLang=de from the Internet on July 11, 2022, It is known that the gas bubbles formed during electrolysis can detach themselves from the electrode on which they are generated many times per second, but then immediately settle back on the electrode. It is also known from the press release mentioned that a kind of carpet of microbubbles constantly forms between the gas bubbles and the electrodes.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Elektrolysevorrichtungen sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Allgemein gesprochen umfasst eine Elektrolysevorrichtung eine Anzahl von Elektrolyseeinheiten. Die Anzahl kann bei 1 liegen oder größer als 1 sein. Die Elektrolyseeinheiten umfassen jeweils eine erste und eine zweite Endplatte. Oftmals umfassen die Elektrolyseeinheiten weiterhin eine zwischen der ersten und der zweiten Endplatte angeordnete Zwischenplatte, manchmal auch mehrere Zwischenplatten. Eine der Zwischenplatten kann in der Mitte zwischen den beiden Endplatten angeordnet sein.Electrolysis devices are known in various designs. Generally speaking, an electrolysis device comprises a number of electrolysis units. The number can be 1 or greater than 1. The electrolysis units each include a first and a second end plate. The electrolysis units often also include an intermediate plate arranged between the first and second end plates, sometimes also several intermediate plates. One of the intermediate plates can be arranged in the middle between the two end plates.

Die Elektrolyseeinheiten weisen zwischen je zwei Platten - es kann sich hierbei alternativ um die beiden Endplatten, um eine Endplatte und eine Zwischenplatte oder um zwei Zwischenplatten handeln -jeweils einen Stapel von Elektrolysezellen auf, wobei die Elektrolysezellen des jeweiligen Stapels elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Elektrolysezellen weisen jeweils eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, an denen eine Elektrolyseflüssigkeit elektrolytisch aufgespalten wird, so dass die Elektrolyseflüssigkeit nach dem elektrolytischen Aufspalten im Bereich der jeweiligen ersten Elektrode mit einem ersten Elektrolysegas und im Bereich der jeweiligen zweiten Elektrode mit einem zweiten Elektrolysegas versetzt ist. Mindestens eines der Elektrolysegase wird - getrennt von dem anderen Elektrolysegas - aufgefangen und gespeichert. Dieses Elektrolysegas kann dann an einen anderen Ort verbracht werden oder beispielsweise im Fall von Wasserstoff als Elektrolysegas in einem Kraftfahrzeug zu dessen Antrieb genutzt werden.The electrolysis units each have a stack of electrolysis cells between two plates - alternatively this can be the two end plates, an end plate and an intermediate plate or two intermediate plates - whereby the electrolysis cells of the respective stack are electrically connected in series. The electrolysis cells each have a first electrode and a second electrode, on which an electrolysis liquid is electrolytically split, so that after the electrolytic splitting the electrolysis liquid is supplied with a first electrolysis gas in the area of the respective first electrode and with a second electrolysis gas in the area of the respective second electrode is offset. At least one of the electrolysis gases is collected and stored - separately from the other electrolysis gas. This electrolysis gas can then be moved to another location or, for example, in the case of hydrogen, used as electrolysis gas in a motor vehicle to drive it.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer ein verbesserter Betrieb einer Elektrolyseanlage erreicht werden kann.The object of the present invention is to create options by means of which improved operation of an electrolysis system can be achieved.

Die Aufgabe wird durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Betriebsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.The task is solved by an operating method with the features of claim 1. Advantageous refinements of the operating method are the subject of dependent claims 2 to 6.

Erfindungsgemäß wird ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,

  • dass die Elektrolyseanlage alternierend in einer Hauptbetriebsphase und in einer Zusatzbetriebsphase betrieben wird,
  • dass die Energieversorgungseinrichtung von einer Steuereinrichtung der Elektrolyseanlage in der Hauptbetriebsphase derart angesteuert wird, dass die Betriebsspannung möglichst konstant gleich einer Basisspannung ist und/oder der Betriebsstrom möglichst konstant gleich einem Basisstrom ist,
  • dass die Energieversorgungseinrichtung von der Steuereinrichtung in der Zusatzbetriebsphase derart angesteuert wird, dass die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom gegenüber der Basisspannung und/oder dem Basisstrom variiert werden, und
  • dass die Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit vom Prozesszustand der Elektrolysevorrichtung vorgenommen werden.
According to the invention, an operating method of the type mentioned at the beginning is designed in that
  • that the electrolysis system is operated alternately in a main operating phase and in an additional operating phase,
  • that the energy supply device is controlled by a control device of the electrolysis system in the main operating phase in such a way that the operating voltage is as constant as possible equal to a base voltage and / or the operating current is as constant as possible equal to a base current,
  • that the energy supply device is controlled by the control device in the additional operating phase in such a way that the operating voltage and/or the operating current are varied relative to the base voltage and/or the base current, and
  • that the changes between the main operating phase and the additional operating phase are carried out by the control device depending on the process state of the electrolysis device.

In der Hauptbetriebsphase wird somit eine Gleichspannung angelegt, so dass die Elektrolysevorrichtung die Elektrolysegase produziert. Die produzierten Gasbläschen haften jedoch zunächst (zumindest teilweise) an den Elektroden der Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung. Durch das Variieren der Betriebsspannung und/oder des Betriebsstroms in der Zusatzbetriebsphase werden an den Elektrolyseplatten jedoch sich dynamisch ändernde transiente Zustände generiert. Dadurch lösen sich die Gasbläschen von den Elektroden und können daher aufsteigen.In the main operating phase, a direct voltage is applied so that the electrolysis device produces the electrolysis gases. However, the gas bubbles produced initially adhere (at least partially) to the electrodes of the electrolysis cells of the electrolysis device. However, by varying the operating voltage and/or the operating current in the additional operating phase, dynamically changing transient states are generated on the electrolysis plates. This causes the gas bubbles to detach from the electrodes and can therefore rise.

Der guten Ordnung halber wird darauf hingewiesen, dass die Zusätze "Haupt-" und "Zusatz-" hier und auch im weiteren lediglich der sprachlichen Unterscheidung dienen. Ein weitergehender Bedeutungsinhalt kommt den beiden Zusätzen nicht zu.For the sake of order, it should be noted that the additions “main” and “additional” here and in the following only serve to differentiate linguistically. The two additions do not have any further meaning.

Die Art und Weise, auf welche die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom in der Zusatzbetriebsphase variiert werden, kann nach Bedarf bestimmt sein.The manner in which the operating voltage and/or the operating current are varied in the additional operating phase can be determined as required.

So ist es beispielsweise möglich, dass die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom in der Zusatzbetriebsphase gegenüber der Basisspannung und/oder dem Basisstrom kurzzeitig abgesenkt werden. Es ist also sozusagen möglich, ausgehend vom "Berg" (= Betriebsspannung und/oder Betriebsstrom weisen ihre Basiswerte auf) kurzzeitig ein "Tal" (= Betriebsspannung und/oder Betriebsstrom werden abgesenkt) zu durchschreiten und danach wieder zum "Berg" aufzusteigen. Bei dieser Ausgestaltung wird kurzzeitig die elektrische Kraft, welche die Gasbläschen an den Elektroden hält, reduziert. Im Extremfall - Stichwort "Absenken der Betriebsspannung auf 0" - kann die elektrische Kraft sogar vollständig abgeschaltet werden. Aufgrund der Reduzierung der elektrischen Kraft können sich die Gasbläschen leichter von den Elektroden lösen und aufsteigen.For example, it is possible for the operating voltage and/or the operating current to be briefly reduced in the additional operating phase compared to the base voltage and/or the base current. So, so to speak, it is possible, starting from the "mountain" (= operating voltage and/or operating current have their base values), to briefly go through a "valley" (= operating voltage and/or operating current are reduced) and then climb back up to the "mountain". In this embodiment, the electrical force that holds the gas bubbles to the electrodes is briefly reduced. In extreme cases - keyword "reducing the operating voltage to 0" - the electrical power can even be switched off completely. Due to the reduction in electrical force, the gas bubbles can more easily detach from the electrodes and rise.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom in der Hauptbetriebsphase eine Hauptwelligkeit mit einer Hauptamplitude aufweisen, dass die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom in der Zusatzbetriebsphase eine Zusatzwelligkeit mit einer Zusatzamplitude aufweisen und dass die Zusatzamplitude größer als die Hauptamplitude ist. In diesem Fall wird in der Zusatzbetriebsphase sozusagen "elektrisch an den Elektroden gerüttelt".Alternatively or additionally, it is possible that the operating voltage and/or the operating current in the main operating phase have a main ripple with a main amplitude, that the operating voltage and/or the operating current in the additional operating phase have an additional ripple with an additional amplitude and that the additional amplitude is greater than the main amplitude is. In this case, the electrodes are, so to speak, “electrically shaken” in the additional operating phase.

Oftmals wird die an die Elektrolysevorrichtung angelegte Betriebsspannung durch Gleichrichten einer Wechselspannung erzeugt. In diesem Fall weist die Betriebsspannung in der Hauptbetriebsphase meist eine "echte" Hauptwelligkeit auf, ist also tatsächlich zeitlich nicht vollständig konstant. Es ist also eine Restwelligkeit vorhanden. In diesem Fall weist die Hauptwelligkeit eine echte (d.h. von 0 verschiedene) Hauptamplitude auf. Je nach Art der Generierung der Betriebsspannung kann die Betriebsspannung in der Hauptbetriebsphase jedoch auch zeitlich vollständig konstant sein. In diesem Fall weist die Hauptamplitude den Wert 0 auf. In der Zusatzbetriebsphase ist jedoch stets eine gewisse Welligkeit mit einer entsprechenden Amplitude vorhanden.The operating voltage applied to the electrolysis device is often generated by rectifying an alternating voltage. In this case, the operating voltage in the main operating phase usually has a "real" main ripple, i.e. it is actually not completely constant over time. So there is a residual ripple. In this case, the main ripple has a true (i.e. non-0) main amplitude. Depending on the type of generation of the operating voltage, the operating voltage in the main operating phase can also be completely constant over time. In this case the main amplitude has the value 0. However, in the additional operating phase there is always a certain ripple with a corresponding amplitude.

In der Zusatzbetriebsphase erfolgt der eigentliche Elektrolyseprozess mit reduzierter Effizienz. Vorzugsweise ist daher die Zusatzbetriebsphase kürzer, insbesondere erheblich kürzer, als die Hauptbetriebsphase. Der sogenannte duty cycle, d.h. der Anteil der Zusatzbetriebsphase an der Gesamtperiode (= Hauptbetriebsphase + Zusatzbetriebsphase) liegt somit unter 50 %. In der Regel liegt der duty cycle sogar bei maximal 10 %.In the additional operating phase, the actual electrolysis process takes place with reduced efficiency. The additional operating phase is therefore preferably shorter, in particular considerably shorter, than the main operating phase. The so-called duty cycle, i.e. the proportion of the additional operating phase in the total period (= main operating phase + additional operating phase) is therefore less than 50%. As a rule, the duty cycle is a maximum of 10%.

Im einfachsten Fall ist das Kriterium zum Wechsel von der Hauptbetriebsphase zur Zusatzbetriebsphase und umgekehrt ein einfacher Zeitablauf. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren dadurch ausgestaltet sein, dass von der Steuereinrichtung die Zeit seit dem letzten Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase erfasst wird und der Prozesszustand der Elektrolysevorrichtung in Abhängigkeit von der seit dem letzten Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase verstrichenen Zeit ermittelt wird.In the simplest case, the criterion for changing from the main operating phase to the additional operating phase and vice versa is a simple time sequence. In this case, the operating method according to the invention can be designed in that the time since the last change between the main operating phase and the additional operating phase is recorded by the control device and the process state of the electrolysis device as a function of the time that has elapsed since the last change between the main operating phase and the additional operating phase is determined.

Alternativ ist es möglich, den tatsächlichen Prozesszustand messtechnisch zu erfassen und in Abhängigkeit von dem aktuellen Prozesszustand insbesondere zu entscheiden, ob und wann von der Hauptbetriebsphase in die Zusatzbetriebsphase übergegangen wird. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Betriebsverfahren dadurch ausgestaltet sein, dass der aktuelle Prozesszustand der Elektrolysevorrichtung von der Steuereinrichtung von einem Sensor der Elektrolyseanlage, mittels dessen der aktuelle Prozesszustand der Elektrolysevorrichtung messtechnisch erfasst wird, entgegengenommen wird.Alternatively, it is possible to measure the actual process state and, depending on the current process state, decide in particular whether and when to move from the main operating phase to the additional operating phase. In this case, the operating method according to the invention can be designed in that the current process state of the electrolysis device is received by the control device from a sensor of the electrolysis system, by means of which the current process state of the electrolysis device is measured.

Als Sensor kommt beispielsweise ein optischer Sensor zur Erfassung der Gasbläschen (insbesondere eine Kamera oder ein Fotosensor bzw. eine Fotozelle) in Frage. Ebenso kommen als Sensor ein Stromsensor oder ein Spannungssensor in Frage. Auch die Verwendung eines Ultraschallsensors ist möglich.A possible sensor is, for example, an optical sensor for detecting the gas bubbles (in particular a camera or a photo sensor or a photo cell). A current sensor or a voltage sensor can also be used as a sensor. The use of an ultrasonic sensor is also possible.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Steuerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Erfindungsgemäß bewirkt die Abarbeitung des Maschinencodes des Steuerprogramms, dass die Elektrolyseanlage aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung der Elektrolyseanlage alternierend in einer Hauptbetriebsphase und in einer Zusatzbetriebsphase betrieben wird,

  • wobei die Ansteuerung der Energieversorgungseinrichtung durch die Steuereinrichtung in der Hauptbetriebsphase derart ist, dass eine mittels der Energieversorgungseinrichtung an die Elektrolysevorrichtung angelegte Betriebsspannung möglichst konstant gleich einer Basisspannung ist und/oder ein aufgrund der angelegten Betriebsspannung durch die Elektrolysevorrichtung fließender Betriebsstrom möglichst konstant gleich einem Basisstrom ist,
  • wobei die Ansteuerung der Energieversorgungseinrichtung durch die Steuereinrichtung in der Zusatzbetriebsphase derart ist, dass die Betriebsspannung und/oder der Betriebsstrom gegenüber der Basisspannung und dem Basisstrom variiert werden,
  • wobei die Steuereinrichtung die Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase in Abhängigkeit vom Prozesszustand der Elektrolysevorrichtung vornimmt.
The task is further solved by a control program with the features of claim 7. According to the invention, the processing of the machine code of the control program causes the electrolysis system to be operated alternately in a main operating phase and in an additional operating phase due to a corresponding control of an electrical energy supply device of the electrolysis system,
  • wherein the control of the energy supply device by the control device in the main operating phase is such that an operating voltage applied to the electrolysis device by means of the energy supply device is as constant as possible equal to a base voltage and / or an operating current flowing through the electrolysis device due to the applied operating voltage is as constant as possible equal to a base current,
  • wherein the control of the energy supply device by the control device in the additional operating phase is such that the operating voltage and / or the operating current are varied relative to the base voltage and the base current,
  • wherein the control device carries out the changes between the main operating phase and the additional operating phase depending on the process state of the electrolysis device.

Vorzugsweise bewirkt die Abarbeitung des Maschinencodes durch die Steuereinrichtung zusätzlich, dass die Steuereinrichtung die Energieversorgungseinrichtung derart ansteuert, dass auch die zusätzlichen Merkmale mindestens einer der bevorzugten Ausgestaltungen des Betriebsverfahrens implementiert werden.Preferably, the processing of the machine code by the control device additionally causes the control device to control the energy supply device in such a way that the additional features of at least one of the preferred embodiments of the operating method are also implemented.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Steuerprogramm programmiert, so dass die Steuereinrichtung die Elektrolyseanlage gemäß einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren steuert.The task is further solved by a control device with the features of claim 9. According to the invention, the control device is programmed with a control program according to the invention, so that the control device controls the electrolysis system according to an operating method according to the invention.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Elektrolyseanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Erfindungsgemäß ist bei einer Elektrolyseanlage der eingangs genannten Art die Steuereinrichtung als erfindungsgemäße Steuereinrichtung ausgebildet.The task is further solved by an electrolysis system with the features of claim 10. According to the invention, in an electrolysis system of the type mentioned at the outset, the control device is designed as a control device according to the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen:

FIG 1
eine Elektrolyseanlage und
FIG 2 bis 6
je ein Zeitdiagramm.
The characteristics, features and advantages of this invention described above and the manner in which these are achieved will be more clearly and clearly understood in connection with the following description of an exemplary embodiment which will be explained in more detail in connection with the drawings. Show:
FIG 1
an electrolysis plant and
FIGS. 2 to 6
one time diagram each.

Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments

Gemäß FIG 1 weist eine Elektrolyseanlage eine Elektrolysevorrichtung 1 auf. Die Elektrolysevorrichtung 1 weist üblicherweise zwei Endplatten 2 auf. Zwischen den beiden Endplatten 2 befindet sich eine Vielzahl von Elektrolysezellen 3. Die Elektrolysezellen 3 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Zwischen den beiden Endplatten 2 können weiterhin eine oder mehrere Zwischenplatten 4 angeordnet sein.According to FIG 1 an electrolysis system has an electrolysis device 1. The electrolysis device 1 usually has two end plates 2. There are a large number of electrolytic cells 3 between the two end plates 2. The electrolytic cells 3 are electrically connected in series. One or more intermediate plates 4 can also be arranged between the two end plates 2.

Die Elektrolyseanlage weist weiterhin eine elektrische Energieversorgungseinrichtung 5 auf. Von der elektrischen Energieversorgungseinrichtung 5 wird eine Betriebsspannung U an die Elektrolysevorrichtung 1 angelegt, so dass ein Betriebsstrom I durch die Elektrolysevorrichtung 1 fließt. Aufgrund der Betriebsspannung U fließt also der Betriebsstrom I.The electrolysis system also has an electrical energy supply device 5. From the electrical energy supply device 5, an operating voltage U is applied to the electrolysis device 1, so that an operating current I flows through the electrolysis device 1. Due to the operating voltage U, the operating current I flows.

Der Elektrolysevorrichtung 1 wird weiterhin eine Elektrolyseflüssigkeit 6 zugeführt. Die Elektrolyseflüssigkeit 6 wird mittels der Elektrolysevorrichtung 1 durch Elektrolyse gespalten. Dadurch werden Elektrolysegase 7 erzeugt. Oftmals werden als Elektrolysegase 7 Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Es können jedoch auch andere Elektrolysegase 7 erzeugt werden.An electrolysis liquid 6 continues to be supplied to the electrolysis device 1. The electrolysis liquid 6 is split by electrolysis using the electrolysis device 1. This produces electrolysis gases 7. Hydrogen and oxygen are often produced as electrolysis gases. However, other electrolysis gases 7 can also be generated.

Die Elektrolyseanlage weist weiterhin eine Steuereinrichtung 8 auf. Von der Steuereinrichtung 8 wird zumindest die Energieversorgungseinrichtung 5 gesteuert. Gegebenenfalls können von der Steuereinrichtung 8 auch weitere Komponenten gesteuert werden, beispielsweise Umwälzpumpen für die Elektrolyseflüssigkeit 6 - nicht dargestellt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.The electrolysis system also has a control device 8. At least the energy supply device 5 is controlled by the control device 8. If necessary, other components can also be controlled by the control device 8, for example circulation pumps for the electrolysis liquid 6 - not shown. However, this is not absolutely necessary.

Die Steuereinrichtung 8 ist mit einem Steuerprogramm 9 programmiert. Das Steuerprogramm 9 umfasst Maschinencode 10, der von der Steuereinrichtung 8 abarbeitbar ist. Die Abarbeitung des Maschinencodes 10 bewirkt, dass die Steuereinrichtung 8 die Elektrolyseanlage gemäß einem Betriebsverfahren steuert, das nachstehend näher erläutert wird.The control device 8 is programmed with a control program 9. The control program 9 includes machine code 10, which can be processed by the control device 8. The processing of the machine code 10 causes the control device 8 to control the electrolysis system according to an operating method, which is explained in more detail below.

Die Elektrolyseanlage wird gemäß den FIG 2 und 3 zunächst während einer Zeitspanne T1 in einer Hauptbetriebsphase betrieben. In der Hauptbetriebsphase steuert die Steuereinrichtung 8 die Energieversorgungseinrichtung 5 derart an, dass die Betriebsspannung U (als Funktion der Zeit t) möglichst konstant gleich einer Basisspannung U0 ist. Dies ist in FIG 2 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich zu einer zeitlichen Konstanz der Betriebsspannung U ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 8 die Energieversorgungseinrichtung 5 in der Hauptbetriebsphase derart ansteuert, dass der Betriebsstrom I möglichst konstant gleich einem Basisstrom I0 ist. Dies ist in FIG 3 dargestellt.The electrolysis system is constructed in accordance with FIG 2 and 3 initially operated during a period of time T1 in a main operating phase. In the main operating phase, the control device 8 controls the energy supply device 5 in such a way that the operating voltage U (as a function of Time t) is as constant as possible equal to a base voltage U0. This is in FIG 2 shown. Alternatively or in addition to a temporal constancy of the operating voltage U, it is possible for the control device 8 to control the energy supply device 5 in the main operating phase in such a way that the operating current I is as constant as possible and equal to a base current I0. This is in FIG 3 shown.

Mit dem Ablauf der Zeitspanne T1 beginnt eine weitere Zeitspanne T2. Während der weiteren Zeitspanne T2 wird die Elektrolyseanlage in einer Zusatzbetriebsphase betrieben. Die Zeitspanne T2 ist in aller Regel kürzer als die Zeitspanne T1. Oftmals ist die Zeitspanne T2 sogar erheblich kürzer als die Zeitspanne T1.When the time period T1 expires, another time period T2 begins. During the further period T2, the electrolysis system is operated in an additional operating phase. The time period T2 is usually shorter than the time period T1. The time period T2 is often significantly shorter than the time period T1.

In der Zusatzbetriebsphase wird die Energieversorgungseinrichtung 5 von der Steuereinrichtung 8 derart angesteuert, dass die Betriebsspannung U gegenüber der Basisspannung U0 variiert wird. Dies ist in FIG 2 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich zum Variieren der Betriebsspannung U ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 8 die Energieversorgungseinrichtung 5 in der Zusatzbetriebsphase derart ansteuert, dass der Betriebsstrom I gegenüber dem Basisstrom I0 variiert wird. Dies ist in FIG 3 dargestellt.In the additional operating phase, the energy supply device 5 is controlled by the control device 8 in such a way that the operating voltage U is varied relative to the base voltage U0. This is in FIG 2 shown. Alternatively or in addition to varying the operating voltage U, it is possible for the control device 8 to control the energy supply device 5 in the additional operating phase in such a way that the operating current I is varied relative to the base current I0. This is in FIG 3 shown.

Nach Ablauf der Zeitspanne T2 wird die Elektrolyseanlage wieder in der Hauptbetriebsphase betrieben. Dann erfolgt wieder ein Wechsel in die Zusatzbetriebsphase usw. usw. Die Elektrolyseanlage wird somit aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung der Energieversorgungseinrichtung 5 alternierend während der Zeitspanne T1 in der Hauptbetriebsphase und während der Zeitspanne T2 in der Zusatzbetriebsphase betrieben. Den Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase nimmt die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einem Prozesszustand Z der Elektrolysevorrichtung 1 vor. Der Prozesszustand Z ist - zumindest im Ergebnis - für den Fortschritt des Elektrolyseprozesses charakteristisch.After the time period T2 has expired, the electrolysis system is operated again in the main operating phase. Then there is a change again to the additional operating phase etc. etc. The electrolysis system is therefore operated alternately during the period T1 in the main operating phase and during the period T2 in the additional operating phase due to a corresponding control of the energy supply device 5. The control device carries out the change between the main operating phase and the additional operating phase depending on a process state Z of the electrolysis device 1. The process state Z is - at least in terms of results - characteristic of the progress of the electrolysis process.

Nachstehend werden einige Ausgestaltungen erläutert, auf welche in der Zusatzbetriebsphase die Betriebsspannung U variiert werden kann. Für das Variieren des Betriebsstroms I gelten analoge Ausführungen.Some configurations are explained below in which the operating voltage U can be varied in the additional operating phase. Analogous explanations apply to varying the operating current I.

So ist es beispielsweise gemäß FIG 4 möglich, dass die Betriebsspannung U in der Zusatzbetriebsphase gegenüber der Basisspannung U0 kurzzeitig abgesenkt wird. Die Absenkung der Betriebsspannung U beträgt - bezogen auf die Basisspannung U0 in der Hauptbetriebsphase - vorzugsweise mindestens 30 %. Sie kann bei bis zu 100 % (= völliges Abschalten der Betriebsspannung U) liegen.For example, this is according to FIG 4 It is possible that the operating voltage U is briefly reduced in the additional operating phase compared to the base voltage U0. The reduction in the operating voltage U - based on the base voltage U0 in the main operating phase - is preferably at least 30%. It can be up to 100% (= completely switching off the operating voltage U).

Wie bereits erwähnt, wird die Betriebsspannung U in der Hauptbetriebsphase so konstant wie möglich gehalten. Es ist entsprechend der Darstellung in FIG 5 möglich, dass die Betriebsspannung U in der Hauptbetriebsphase eine exakte Gleichspannung ist. In diesem Fall weist eine Hauptamplitude A1 einer Hauptwelligkeit - d.h. eine Amplitude, mit der die Betriebsspannung U in der Hauptbetriebsphase variiert - den Wert 0 auf. Oftmals ist die Betriebsspannung U in der Hauptbetriebsphase jedoch keine exakte Gleichspannung, sondern weist entsprechend der Darstellung in FIG 6 eine Hauptwelligkeit mit einer - wenn auch kleinen - Hauptamplitude A1 auf. Insbesondere wird die Betriebsspannung U oftmals dadurch erzeugt, dass eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung mittels einer Gleichrichtereinheit gleichgerichtet wird, die gleichgerichtete Spannung sodann mittels eines Stützkondensators geglättet wird und die geglättete Spannung schließlich über eine Tiefsetzstelleinrichtung an die Elektrolysevorrichtung 1 angelegt wird. Die Gleichrichtereinheit kann als gesteuerter Gleichrichter (also mit schaltbaren Elementen) oder als ungesteuerter Gleichrichter (also mit Dioden) ausgebildet sein. Die Tiefsetzstelleinrichtung kann mehrere parallel geschaltete Tiefsetzsteller aufweisen. Die Tiefsetzsteller können jeweils einen Halbleiterschalter mit nachgeordneter Induktivität aufweisen. Entsprechende Schaltungen sind - auch zur Speisung einer Elektrolysevorrichtung 1 - bekannt.As already mentioned, the operating voltage U is kept as constant as possible in the main operating phase. It is as shown in FIG 5 possible that the operating voltage U in the main operating phase is an exact DC voltage. In this case one points Main amplitude A1 of a main ripple - ie an amplitude with which the operating voltage U varies in the main operating phase - has the value 0. However, the operating voltage U in the main operating phase is often not an exact DC voltage, but rather points as shown in FIG 6 a main ripple with an - albeit small - main amplitude A1. In particular, the operating voltage U is often generated by rectifying a single- or multi-phase alternating voltage using a rectifier unit, then smoothing the rectified voltage using a backup capacitor, and finally applying the smoothed voltage to the electrolysis device 1 via a step-down converter. The rectifier unit can be designed as a controlled rectifier (i.e. with switchable elements) or as an uncontrolled rectifier (i.e. with diodes). The step-down converter can have several step-down converters connected in parallel. The step-down converters can each have a semiconductor switch with a downstream inductance. Corresponding circuits are known - also for supplying an electrolysis device 1.

Unabhängig davon, ob die Betriebsspannung U eine exakte Gleichspannung ist oder eine Hauptwelligkeit mit einer kleinen Hauptamplitude A1 aufweist, ist es möglich, dass die Betriebsspannung U in der Zusatzbetriebsphase in stärkerem Umfang periodisch variiert wird, also im Ergebnis eine Zusatzwelligkeit mit einer Zusatzamplitude A2 aufweist, wobei die Zusatzamplitude A2 größer als die Hauptamplitude A1 ist. Gegebenenfalls kann zusätzlich auch die Frequenz der Zusatzwelligkeit gezielt eingestellt werden, insbesondere von der Frequenz der Hauptwelligkeit verschieden sein. Gegebenenfalls kann - alternativ oder zusätzlich zum gezielten Einstellen der Frequenz der Zusatzwelligkeit - auch die Wellenform der Zusatzwelligkeit gezielt eingestellt werden, insbesondere von der Wellenform der Hauptwelligkeit verschieden sein.Regardless of whether the operating voltage U is an exact DC voltage or has a main ripple with a small main amplitude A1, it is possible that the operating voltage U is periodically varied to a greater extent in the additional operating phase, i.e. as a result it has an additional ripple with an additional amplitude A2, where the additional amplitude A2 is greater than the main amplitude A1. If necessary, the frequency of the additional ripple can also be specifically adjusted, in particular it can be different from the frequency of the main ripple. If necessary, as an alternative or in addition to specifically adjusting the frequency of the additional ripple, the waveform of the additional ripple can also be specifically adjusted, in particular different from the waveform of the main ripple.

Im einfachsten Fall sind die Zeitspannen T1, T2 der Steuereinrichtung 8 vorgegeben. In diesem Fall umfasst die Steuereinrichtung 8 gemäß FIG 1 intern einen Zeitgeber 11, den die Steuereinrichtung 8 immer wieder abfragt. Somit wird im Ergebnis von der Steuereinrichtung 8 die Zeit seit dem letzten Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase erfasst. Hierauf aufbauend, also in Abhängigkeit von der seit dem letzten Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase verstrichenen Zeit, ermittelt die Steuereinrichtung 8 den Prozesszustand Z der Elektrolysevorrichtung 1.In the simplest case, the time periods T1, T2 of the control device 8 are predetermined. In this case, the control device 8 comprises according to FIG 1 internally a timer 11, which the control device 8 queries again and again. As a result, the time since the last change between the main operating phase and the additional operating phase is recorded by the control device 8. Based on this, i.e. depending on the time that has elapsed since the last change between the main operating phase and the additional operating phase, the control device 8 determines the process state Z of the electrolysis device 1.

Alternativ ist es möglich, dass die Elektrolyseanlage (mindestens) einen Sensor 12 aufweist, mittels dessen der aktuelle Prozesszustand Z der Elektrolysevorrichtung 1 messtechnisch erfasst wird. In diesem Fall wird von dem Sensor 12 ein Sensorsignal S an die Steuereinrichtung 8 übermittelt, das für den aktuellen Prozesszustand Z charakteristisch ist. Das Sensorsignal S wird von der Steuereinrichtung 8 entgegengenommen. Gegebenenfalls muss innerhalb der Steuereinrichtung 8 noch eine Auswertung des Sensorsignals S erfolgen.Alternatively, it is possible for the electrolysis system to have (at least) one sensor 12, by means of which the current process state Z of the electrolysis device 1 is measured. In this case, the sensor 12 transmits a sensor signal S to the control device 8, which is characteristic of the current process state Z. The sensor signal S is received by the control device 8. If necessary, the sensor signal S must also be evaluated within the control device 8.

Der Sensor 12 kann, wenn in der Hauptbetriebsphase die Betriebsspannung U möglichst konstant gleich der Basisspannung U0 gehalten wird, ein Stromsensor sein, der den Strom I erfasst. Umgekehrt kann der Sensor 12, wenn in der Hauptbetriebsphase der Betriebsstrom I möglichst konstant gleich dem Basisstrom I0 gehalten wird, ein Spannungssensor sein, der die Basisspannung U erfasst. Vorzugsweise ist der Sensor 12 jedoch weder ein Stromsensor noch ein Spannungssensor. Vielmehr ist der Sensor 12 vorzugsweise entweder ein optischer Sensor, beispielsweise eine Kamera oder eine Fotozelle, oder ein Ultraschallsensor. Mittels derartiger Sensoren können die Gasbläschen an den Elektroden der Elektrolysezellen 3 erfasst werden.If the operating voltage U is kept as constant as possible equal to the base voltage U0 in the main operating phase, the sensor 12 can be a current sensor that detects the current I. Conversely, if the operating current I is kept as constant as possible equal to the base current I0 in the main operating phase, the sensor 12 can be a voltage sensor that detects the base voltage U. However, the sensor 12 is preferably neither a current sensor nor a voltage sensor. Rather, the sensor 12 is preferably either an optical sensor, for example a camera or a photocell, or an ultrasonic sensor. The gas bubbles on the electrodes of the electrolysis cells 3 can be detected using such sensors.

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. So kann in der Hauptbetriebsphase ein sehr gleichmäßiger und energieeffizienter Betrieb der Elektrolysevorrichtung 1 erfolgen. Dennoch kann in der Zusatzbetriebsphase ein zuverlässiges Ablösen der Gasbläschen von den Elektroden der Elektrolysezellen 3 erreicht werden. Dadurch kann im Ergebnis der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung 1 verbessert werden. Die Lebensdauer der Elektrolysevorrichtung 1 wird gegenüber einer Betriebsweise, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, nicht verringert. Möglicherweise kann sie sogar vergrößert werden. Die Kosten des Gesamtsystems können reduziert werden.The present invention has many advantages. In this way, a very uniform and energy-efficient operation of the electrolysis device 1 can take place in the main operating phase. Nevertheless, reliable detachment of the gas bubbles from the electrodes of the electrolysis cells 3 can be achieved in the additional operating phase. As a result, the efficiency of the electrolysis device 1 can be improved. The service life of the electrolysis device 1 is not reduced compared to an operating mode known in the prior art. It may even be possible to enlarge it. The costs of the entire system can be reduced.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the examples disclosed and other variations may be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
ElektrolysevorrichtungElectrolysis device
22
EndplattenEnd plates
33
ElektrolysezellenElectrolysis cells
44
ZwischenplattenIntermediate plates
55
EnergieversorgungseinrichtungEnergy supply facility
66
Elektrolyseflüssigkeitelectrolysis liquid
77
Elektrolysegaseelectrolysis gases
88th
SteuereinrichtungControl device
99
SteuerprogrammTax program
1010
MaschinencodeMachine code
1111
ZeitgeberTimer
1212
SensorenSensors
A1, A2A1, A2
AmplitudenAmplitudes
II
BetriebsstromOperating current
I0I0
BasisstromBase current
SS
SensorsignalSensor signal
T1, T2T1, T2
ZeitspannenTime periods
tt
ZeitTime
UU
BetriebsspannungOperating voltage
U0U0
BasisspannungBase voltage
ZZ
ProzesszustandProcess state

Claims (10)

Betriebsverfahren für eine Elektrolyseanlage, - wobei mittels einer Elektrolysevorrichtung (1) der Elektrolyseanlage durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit (6) Elektrolysegase (7) erzeugt werden, - wobei von einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung (5) der Elektrolyseanlage eine Betriebsspannung (U) an die Elektrolysevorrichtung (1) angelegt wird, so dass ein Betriebsstrom (I) durch die Elektrolysevorrichtung (1) fließt, - wobei die Elektrolyseanlage alternierend in einer Hauptbetriebsphase und in einer Zusatzbetriebsphase betrieben wird, - wobei die Energieversorgungseinrichtung (5) von einer Steuereinrichtung (8) der Elektrolyseanlage in der Hauptbetriebsphase derart angesteuert wird, dass die Betriebsspannung (U) möglichst konstant gleich einer Basisspannung (U0) ist und/oder der Betriebsstrom (I) möglichst konstant gleich einem Basisstrom (I0) ist, - wobei die Energieversorgungseinrichtung (5) von der Steuereinrichtung (8) in der Zusatzbetriebsphase derart angesteuert wird, dass die Betriebsspannung (U) und/oder der Betriebsstrom (I) gegenüber der Basisspannung (U0) und/oder dem Basisstrom (I0) variiert werden, und - wobei die Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase von der Steuereinrichtung (8) in Abhängigkeit vom Prozesszustand (Z) der Elektrolysevorrichtung (1) vorgenommen werden. Operating procedures for an electrolysis plant, - wherein electrolysis gases (7) are generated by electrolysis of an electrolysis liquid (6) by means of an electrolysis device (1) of the electrolysis system, - wherein an operating voltage (U) is applied to the electrolysis device (1) by an electrical energy supply device (5) of the electrolysis system, so that an operating current (I) flows through the electrolysis device (1), - the electrolysis system being operated alternately in a main operating phase and in an additional operating phase, - wherein the energy supply device (5) is controlled by a control device (8) of the electrolysis system in the main operating phase in such a way that the operating voltage (U) is as constant as possible equal to a base voltage (U0) and / or the operating current (I) is as constant as possible equal to a base current (I0) is, - wherein the energy supply device (5) is controlled by the control device (8) in the additional operating phase in such a way that the operating voltage (U) and/or the operating current (I) are varied relative to the base voltage (U0) and/or the base current (I0). , and - The changes between the main operating phase and the additional operating phase are carried out by the control device (8) depending on the process state (Z) of the electrolysis device (1). Betriebsverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Betriebsspannung (U) und/oder der Betriebsstrom (I) in der Zusatzbetriebsphase gegenüber der Basisspannung (U0) und/oder dem Basisstrom (I0) kurzzeitig abgesenkt werden.Operating method according to claim 1,
characterized,
that the operating voltage (U) and/or the operating current (I) are briefly reduced in the additional operating phase compared to the base voltage (U0) and/or the base current (I0). Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Betriebsspannung (U) und/oder der Betriebsstrom (I) in der Hauptbetriebsphase eine Hauptwelligkeit mit einer Hauptamplitude (A1) aufweisen, dass die Betriebsspannung (U) und/oder der Betriebsstrom (I) in der Zusatzbetriebsphase eine Zusatzwelligkeit mit einer Zusatzamplitude (A2) aufweisen und dass die Zusatzamplitude (A2) größer als die Hauptamplitude (A1) ist.Operating method according to claim 1 or 2,
characterized,
that the operating voltage (U) and/or the operating current (I) in the main operating phase have a main ripple with a main amplitude (A1), that the operating voltage (U) and/or the operating current (I) in the additional operating phase have an additional ripple with an additional amplitude ( A2) and that the additional amplitude (A2) is greater than the main amplitude (A1). Betriebsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusatzbetriebsphase kürzer, insbesondere erheblich kürzer, als die Hauptbetriebsphase ist.Operating method according to claim 1, 2 or 3,
characterized,
that the additional operating phase is shorter, in particular significantly shorter, than the main operating phase. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass von der Steuereinrichtung (8) die Zeit (t) seit dem letzten Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase erfasst wird und der Prozesszustand (Z) der Elektrolysevorrichtung (1) in Abhängigkeit von der seit dem letzten Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase verstrichenen Zeit (t) ermittelt wird.Operating method according to one of claims 1 to 4,
characterized,
in that the control device (8) records the time (t) since the last change between the main operating phase and the additional operating phase and the process state (Z) of the electrolysis device (1) as a function of the time that has elapsed since the last change between the main operating phase and the additional operating phase Time (t) is determined. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der aktuelle Prozesszustand (Z) der Elektrolysevorrichtung (1) von der Steuereinrichtung (8) von einem Sensor (12) der Elektrolyseanlage, mittels dessen der aktuelle Prozesszustand (Z) der Elektrolysevorrichtung (1) messtechnisch erfasst wird, entgegengenommen wird.Operating method according to one of claims 1 to 4,
characterized,
in that the current process state (Z) of the electrolysis device (1) is received by the control device (8) from a sensor (12) of the electrolysis system, by means of which the current process state (Z) of the electrolysis device (1) is measured. Steuerprogramm, das Maschinencode (10) umfasst, der von einer Steuereinrichtung (8) einer Elektrolyseanlage, in der mittels einer Elektrolysevorrichtung (1) der Elektrolyseanlage durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit (6) Elektrolysegase (7) erzeugt werden, abarbeitbar ist, wobei die Abarbeitung des Maschinencodes (10) durch die Steuereinrichtung (8) bewirkt, dass die Elektrolyseanlage aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung (5) der Elektrolyseanlage alternierend in einer Hauptbetriebsphase und in einer Zusatzbetriebsphase betrieben wird, - wobei die Ansteuerung der Energieversorgungseinrichtung (5) durch die Steuereinrichtung (8) in der Hauptbetriebsphase derart ist, dass eine mittels der Energieversorgungseinrichtung (5) an die Elektrolysevorrichtung (1) angelegte Betriebsspannung (U) möglichst konstant gleich einer Basisspannung (U0) ist und/oder ein aufgrund der angelegten Betriebsspannung (U) durch die Elektrolysevorrichtung (1) fließender Betriebsstrom (I) möglichst konstant gleich einem Basisstrom (I0) ist, - wobei die Ansteuerung der Energieversorgungseinrichtung (5) durch die Steuereinrichtung (8) in der Zusatzbetriebsphase derart ist, dass die Betriebsspannung (U) und/oder der Betriebsstrom (I) gegenüber der Basisspannung (U0) und dem Basisstrom (I0) variiert werden, - wobei die Steuereinrichtung (8) die Wechsel zwischen der Hauptbetriebsphase und der Zusatzbetriebsphase in Abhängigkeit vom Prozesszustand (Z) der Elektrolysevorrichtung (1) vornimmt. Control program which comprises machine code (10) which can be processed by a control device (8) of an electrolysis system in which electrolysis gases (7) are generated by means of an electrolysis device (1) of the electrolysis system by electrolysis of an electrolysis liquid (6), the processing of the Machine codes (10) by the control device (8) cause the electrolysis system to be operated alternately in a main operating phase and in an additional operating phase due to a corresponding control of an electrical energy supply device (5) of the electrolysis system, - wherein the control of the energy supply device (5) by the control device (8) in the main operating phase is such that an operating voltage (U) applied to the electrolysis device (1) by means of the energy supply device (5) is as constant as possible and equal to a base voltage (U0) and /or an operating current (I) flowing through the electrolysis device (1) due to the applied operating voltage (U) is as constant as possible and equal to a base current (I0), - wherein the control of the energy supply device (5) by the control device (8) in the additional operating phase is such that the operating voltage (U) and / or the operating current (I) are varied relative to the base voltage (U0) and the base current (I0), - wherein the control device (8) carries out the changes between the main operating phase and the additional operating phase depending on the process state (Z) of the electrolysis device (1). Steuerprogramm nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abarbeitung des Maschinencodes (10) durch die Steuereinrichtung (8) bewirkt, dass die Steuereinrichtung (8) die Energieversorgungseinrichtung (5) derart ansteuert, dass die zusätzlichen Merkmale mindestens eines der Ansprüche 2 bis 6 implementiert werden.Control program according to claim 7,
characterized,
that the processing of the machine code (10) by the control device (8) causes the control device (8) to control the energy supply device (5) in such a way that the additional features of at least one of claims 2 to 6 are implemented. Steuereinrichtung für eine Elektrolyseanlage, wobei die Steuereinrichtung mit einem Steuerprogramm (9) nach Anspruch 7 oder 8 programmiert ist, so dass die Steuereinrichtung die Elektrolyseanlage gemäß einem Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 steuert.Control device for an electrolysis system, wherein the control device is programmed with a control program (9) according to claim 7 or 8, so that the control device controls the electrolysis system according to an operating method according to one of claims 1 to 6. Elektrolyseanlage, - wobei die Elektrolyseanlage eine Elektrolysevorrichtung (1) aufweist, mittels derer durch Elektrolyse einer Elektrolyseflüssigkeit (6) Elektrolysegase (7) erzeugt werden, - wobei die Elektrolyseanlage eine elektrische Energieversorgungseinrichtung (5) aufweist, von der eine Betriebsspannung (U) an die Elektrolysevorrichtung (1) angelegt wird, so dass ein Betriebsstrom (I) durch die Elektrolysevorrichtung (1) fließt, - wobei die Elektrolyseanlage eine Steuereinrichtung (8) aufweist, von der zumindest die Energieversorgungseinrichtung (5) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (8) als Steuereinrichtung nach Anspruch 9 ausgebildet ist.electrolysis plant, - wherein the electrolysis system has an electrolysis device (1), by means of which electrolysis gases (7) are generated by electrolysis of an electrolysis liquid (6), - wherein the electrolysis system has an electrical energy supply device (5), from which an operating voltage (U) is applied to the electrolysis device (1), so that an operating current (I) flows through the electrolysis device (1), - wherein the electrolysis system has a control device (8) from which at least the energy supply device (5) is controlled, characterized,
that the control device (8) is designed as a control device according to claim 9.
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