EP4747951A2 - Elektrolyseurvorrichtung, elektrolyseur und verfahren zum betrieb der elektrolyseurvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Elektrolyseurvorrichtung (32a-f), mit zumindest einer ersten Elektrolysezelle (10a-f), mit zumindest einer zweiten Elektrolysezelle (12a-f), und mit zumindest einem Hauptnetzteil (14a-f), welches zumindest dazu vorgesehen ist, die erste Elektrolysezelle (10a-f) und die zweite Elektrolysezelle (12a-f) gemeinsam mit elektrischer Energie, insbesondere Elektrolyse-Energie, zu versorgen. Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) zumindest ein erstes Hilfsnetzteil (16a-f), welches der ersten Elektrolysezelle (10a-f) zugeordnet ist, und zumindest ein zweites Hilfsnetzteil (18a-f), welches der zweiten Elektrolysezelle (12a-f) zugeordnet ist, aufweist, wobei die Hilfsnetzteile (16a-f, 18a-f) dazu vorgesehen sind, die Elektrolysezellen (10a-f, 12a-f) durch ein elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezelle (10a-f, 12a-f) zueinander auszubalancieren.

Description

Elektrolyseurvorrichtung, Elektrolyseur und Verfahren zum Betrieb der Elektrolyseurvorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseurvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , einen Elektrolyseur nach dem Anspruch 15 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.

Es ist bereits eine Elektrolyseurvorrichtung mit zumindest einer ersten Elektrolysezelle, mit zumindest einer zweiten Elektrolysezelle, und mit zumindest einem Hauptnetzteil, welches zumindest dazu vorgesehen ist, die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle gemeinsam mit elektrischer Energie zu versorgen, vorgeschlagen worden. Da Elektrolysezellen von Elektrolyse Zellenstapeln, z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen, nie absolut identisch zueinander sind, können sie im Betrieb bei gleicher Stromhöhe unterschiedliche Zellspannungen aufweisen. Dadurch können einerseits negative Effekte hinsichtlich einer Gesamt-Alterung aller Elektrolysezellen im Verbundbetrieb des Elektrolyse-Zellenstapels resultieren, insbesondere da eine „schlechtere“ Elektrolysezelle, welche im Vergleich zu einer „besseren“ Elektrolysezelle eine höhere Spannung bei gleicher Stromhöhe hat, mehr Leistung aufnimmt als die „bessere“ Elektrolysezelle und somit bei gleicher Stromhöhe die „schlechtere“ Elektrolysezelle schneller altert als die „bessere“ Elektrolysezelle. Andererseits können zudem negative Effekte hinsichtlich einer Gesamtleistung aller Elektrolysezellen im Verbundbetrieb des Elektrolyse-Zellenstapels resultieren, insbesondere da der Betrieb der “besseren“ Elektrolysezellen eingeschränkt werden muss, falls durch den gleich hohen Strom die „schlechtere“ Zelle eine zu hohe Spannung erreichen würde und somit eine maximal mögliche Leistung in einer Reihenschaltung von Elektrolysezellen durch das schwächste Glied, sprich die „schlechteste“ Elektrolysezelle des Elektrolyse-Zellenstapels begrenzt wäre.

Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich eines Betriebs von Elektrolyseuren, insbesondere durch Beseitigung der Nachteile des Stands der Technik, bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 , 15 und 16 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Elektrolyseurvorrichtung, beispielsweise einer Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyseurvorrichtung, einer Elektrolyseurvorrichtung mit Zellen für alkalische Elektrolyse oder einer anderen, andere elektrochemische Zellen aufweisenden Elektrolyseurvorrichtung, mit zumindest einer ersten Elektrolysezelle, beispielsweise einer Proton-Exchange-Membrane- Elektrolysezelle, einer Elektrolysezelle für eine alkalische Elektrolyse oder einer auf einem anderen Funktionsprinzip basierenden Elektrolysezelle, mit zumindest einer zweiten Elektrolysezelle, beispielsweise einer Proton-Exchange-Membrane- Elektrolysezelle, einer Elektrolysezelle für eine alkalische Elektrolyse oder einer auf einem anderen Funktionsprinzip basierenden Elektrolysezelle, und mit zumindest einem Hauptnetzteil, welches zumindest dazu vorgesehen ist, die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle gemeinsam mit elektrischer Energie, insbesondere Elektrolyse-Energie, zu versorgen.

Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrolyseurvorrichtung zumindest ein erstes Hilfsnetzteil, welches zumindest der ersten Elektrolysezelle zugeordnet ist, und zumindest ein zweites Hilfsnetzteil, welches zumindest der zweiten Elektrolysezelle zugeordnet ist, aufweist, wobei die Hilfsnetzteile dazu vorgesehen sind, die Elektrolysezellen durch ein, insbesondere voneinander unabhängiges, elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezelle zueinander auszubalancieren. Dadurch kann vorteilhaft eine Lebensdauer von Elektrolyseuren verbessert werden. Vorteilhaft kann eine Alterung verschiedener Elektrolysezellen des Elektrolyseurs oder zumindest eines Zellenclusters (Stacks) in dem Elektrolyseur angeglichen werden. Vorteilhaft kann ein Gesamtwirkungsgrad aller Elektrolysezellen in einem Elektrolyse-Zellenstapel oder in einem Elektrolyseur verbessert werden. Vorteilhaft kann ein Betrieb des Elektrolyseurs ermöglicht werden, bei dem zumindest eine Elektrolysezelle zu einem gewünschten Zeitpunkt ihr Lebensende erreichen kann, z.B. gemeinsam mit zumindest einer Nachbarelektrolysezelle eines Zellenclusters (Stacks) eines Elektrolyseurs oder gemeinsam mit allen weiteren Elektrolysezellen eines Elektrolyseurs oder zumindest eines Zellenclusters (Stacks) in dem Elektrolyseur.

Zudem kann durch die Hilfsnetzteile vorteilhaft eine hochgenaue Minimal- Produktion ermöglicht werden (im Watt-Bereich). Des Weiteren kann vorteilhaft eine zielgerichtete Einflussnahme auf eine Alterung bestimmter Elektrolysezellen oder bestimmter Elektrolyse-Zellenstapel ermöglicht werden (Stichwort: termingerechter Stacktausch). Zudem kann vorteilhaft eine Anlage trotz Störung, z.B. durch eine teilweise defekte Elektrolysezelle, weiter am Laufen gehalten werden. Außerdem könnte vorteilhaft über die Hilfsnetzteile eine Speisung einer Peripherie einer Elektrolyseur-Anlage ermöglicht werden, so dass die Elektrolyseur-Anlage vorteilhaft alleine über die DC-Stromversorgung der Elektrolyse-Zellenstapel oder des Elektrolyseurs betrieben werden könnte (Stichwort: Power-to-Home).

Unter einer „Elektrolyseurvorrichtung“ soll insbesondere zumindest ein Teil eines Geräts und/oder einer Maschine, insbesondere eines Elektrolyseurs, verstanden werden, die zur Durchführung zumindest eines Elektrolyseschritts, insbesondere an Wasser, vorgesehen ist. Insbesondere kann die Elektrolyseurvorrichtung auch das gesamte Gerät und/oder die gesamte Maschine, insbesondere den gesamten Elektrolyseur, umfassen. Unter einer „Elektrolysezelle“ soll insbesondere eine funktionelle Einheit verstanden werden, mittels derer zumindest eine elektrochemische Elektrolyse-Reaktion durchführbar ist. Insbesondere kann die Elektrolysezelle eine Zellenstapel-kompatible Elektrolysezelle, insbesondere eines Elektrolyse-Zellenstapels ausbilden. Vorteilhaft umfasst die Elektrolysezelle zumindest eine Anode, an welcher in dem Normalbetriebszustand vorzugsweise Sauerstoff gebildet wird. Vorzugsweise umfasst die Elektrolysezelle zumindest eine Kathode, an welcher in dem Normalbetriebszustand bevorzugt Wasserstoff gebildet wird. Vorteilhaft umfasst die Elektrolysezelle zumindest eine Membran, insbesondere eine vorteilhaft selektiv protonenleitende Membran, bevorzugt eine Polymerelektrolytmembran. Besonders bevorzugt sind die Anode und die Kathode zumindest durch die Membran voneinander getrennt. Insbesondere ist die Anode und/oder die Kathode flächig und/oder schichtartig und/oder eine Schicht und/oder Beschichtung. Vorzugsweise ist die Membran zumindest teilweise und besonders bevorzugt zu wenigstens einem Großteil aus Nation ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Elektrolysezelle zumindest ein funktionelles Element, insbesondere ein bipolares Element, vorzugsweise eine Bipolarplatte. Insbesondere bildet eine erste Seite des bipolaren Elements eine Anodenseite der Elektrolysezelle und insbesondere eine zweite Seite des bipolaren Elements eine Kathodenseite einer unmittelbar benachbarten anderen Elektrolysezelle. Insbesondere kann die erste Elektrolysezelle und/oder die zweite Elektrolysezelle wie in diesem Zusammenhang beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere sind wenigstens einige, vorteilhaft wenigstens ein Großteil und besonders vorteilhaft alle Elektrolysezellen der Elektrolyseurvorrichtung zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet und/oder von derselben und/oder einer analogen Bauart. Unter „zumindest im Wesentlichen identischen“ Objekten sollen in diesem Zusammenhang insbesondere Objekte verstanden werden, die derart konstruiert sind, dass sie jeweils eine gemeinsame Funktion erfüllen können und sich in ihrer Konstruktion abgesehen von Fertigungstoleranzen höchstens durch einzelne Elemente unterscheiden, die für die gemeinsame Funktion unwesentlich sind, und vorteilhaft Objekte, die abgesehen von Fertigungstoleranzen und/oder im Rahmen fertigungstechnischer Möglichkeiten identisch ausgebildet sind, wobei unter identischen Objekten insbesondere auch zueinander symmetrische Objekte verstanden werden sollen.

Vorzugsweise umfasst die Elektrolyseurvorrichtung eine Mehrzahl, bevorzugt eine Vielzahl, von, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildeten, elektrochemischen Zellen. Insbesondere kann es sich bei der ersten Elektrolysezelle und/oder bei der zweiten Elektrolysezelle jeweils um eine beliebige, insbesondere randständige oder mittig angeordnete, elektrochemische Zelle eines Elektrolyse-Zellenstapels handeln, wobei insbesondere die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ nicht zwingend, sondern lediglich möglicherweise als eine Reihenfolge und/oder Anordnung beschreibend zu verstehen sind. Insbesondere ist denkbar, dass die erste Elektrolysezelle und/oder die zweite Elektrolysezelle, insbesondere unmittelbar, benachbart oder nicht benachbart angeordnet sind. Des Weiteren ist denkbar, dass Merkmale, die in Bezug auf die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle beschrieben sind, für wenigstens einen Großteil und/oder für alle Elektrolysezellen des Elektrolyse- Zellenstapels oder des Elektrolyseurs gelten. Vorteilhaft umfasst die Elektrolysevomchtung zumindest einen Elektrolyse-Zellenstapel, insbesondere einen Elektrolyse-Stack, der eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, gestapelt angeordneter Elektrolysezellen umfasst. Vorzugsweise umfasst der Elektrolyse- Zellenstapel zumindest die erste Elektrolysezelle und/oder die zweite Elektrolysezelle. Vorzugsweise weist der Elektrolyse-Zellenstapel Wiederholeinheiten auf, die mehrere unterschiedliche funktionelle Elemente, vorteilhaft unterschiedliche funktionelle Elektrolyse-Zellenstapelelemente, umfassen, beispielsweise, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge, zumindest eine Bipolarplatte und/oder zumindest ein Siebblech und/oder Lochblech oder dergleichen und/oder zumindest eine Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Sauerstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft ein Titanfilz und/oder eine Membran, vorteilhaft eine Polymerelektrolytmembran, und/oder eine weitere Gasdiffusionsschicht, insbesondere eine Wasserstoffdiffusionsschicht, vorteilhaft einen Kohlenstofffilz, und/oder einen, insbesondere ein weiteres Siebblech und/oder Lochblech umfassenden, Kompressionspuffer, insbesondere ein Compression Pad, vorteilhaft ein Streckmetall. Insbesondere erstreckt sich jeweils eine Elektrolysezelle von einer Bipolarplatte bis zu einer nächsten Bipolarplatte. Der Elektrolyse-Zellenstapel kann dabei eine beliebige Anzahl an elektrochemischen Zellen umfassen, beispielsweise zehn oder 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 oder mehr oder weniger oder eine beliebige dazwischenliegende Anzahl. Vorteilhaft weist die Elektrolysevorrichtung genau einen Elektrolyse-Zellenstapel auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Elektrolysevorrichtung mehrere, insbesondere zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildete oder unterschiedlich ausgebildete Elektrolyse-Zellenstapel umfasst, von denen zumindest einige elektrisch und/oder hydraulisch in Reihe und/oder in Serie geschaltet sein können. Vorteilhaft sind die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle in einem gemeinsamen Elektrolyse-Zellenstapel angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle in unterschiedlichen Zellenstapeln angeordnet sind.

Insbesondere ist das Hauptnetzteil dazu vorgesehen, zumindest die Elektrolysezellen des Elektrolyse-Zellenstapels, vorzugsweise Elektrolysezellen mehrerer Elektrolyse-Zellenstapel gleichzeitig und/oder gemeinsam mit Strom und/oder Spannung zu versorgen. Die Elektrolyse-Energie ist insbesondere für den Einsatz bei dem Elektrolysevorgang, insbesondere bei der Spaltung von Wasser, vorgesehen, Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.

Der Elektrolyse-Zellenstapel, insbesondere ein PEM-Zellenstapel, besteht insbesondere aus vielen einzelnen Elektrolysezellen, welche vorzugsweise elektrisch in Reihe verschaltet sind. Mehrere Elektrolyse-Zellenstapel, insbesondere PEM-Zellenstapel, können in dem Elektrolyseur elektrisch in Reihe zu Elektrolyse-Zellenstapel-Reihen verschaltet sein. Mehrere Elektrolyse- Zellenstapel-Reihen können in dem Elektrolyseur elektrisch parallel verschaltet sein. Vorzugsweise kommt für jeden Elektrolyse-Zellenstapel ein Messsystem zum Einsatz, welches beispielsweise die Spannung der einzelnen Elektrolysezellen überwacht. Ein Defekt einer einzelnen Elektrolysezelle führt zum Ausfall des ganzen Elektrolyse-Zellenstapels. Ein Elektrolyse-Zellenstapel ist folglich nur so gut wie dessen schlechteste einzelne Elektrolysezelle (PEM-Zelle). Ausfälle von Elektrolyse-Zellenstapeln können beispielsweise durch mechanische Beschädigung, Undichtigkeit, zu hohe Elektrolysezellenspannungen, zu niedrige oder zu hohe Elektrolysezellen-Betriebstemperaturen oder zu schnelle Lastwechsel von Elektrolysezellen auftreten. Die häufig wesentliche negative Beeinflussung ist jedoch, dass durch Produktionstoleranzen und Alterung der Elektrolysezellen deren Spannungslagen bei gleichem Strom unterschiedlich sein können. Zu einem Erreichen einer vorteilhaft langen Lebensdauer und/oder zu einem Ermöglichen eines Einsatzes in einer Elektrolyse-Zellenstapel-Kaskade auch nach einem Tausch eines „alten“ Elektrolyse-Zellenstapels mit einem neuen Elektrolyse- Zellenstapel, müssen die Spannungs-Niveaus aller Elektrolysezellen möglichst gleich gehalten werden. Mit Hilfe des anspruchsgemäßen Ausbalancierens der Elektrolysezellen kann das Gleichhalten der Spannungsniveaus von Elektrolysezellen eines Elektrolyse-Zellenstapels vorteilhaft erreicht werden. Vorteilhaft werden durch das Ausbalancieren „schlechte“ Zellen weniger belastet und „gute“ Zellen mehr belastet. Vorteilhaft steigt dadurch der Gesamtwirkungsgrad und ein End-of-Life aller Elektrolysezellen des Elektrolyse-Zellenstapels rückt enger zusammen. Folglich sorgt das beschriebene Messsystem vorteilhaft nicht nur für die Sicherheit der Elektrolyse-Zellenstapel, sondern kann auch dafür sorgen, dass die Zellspannungen der Elektrolysezellen der Elektrolyse- Zellenstapel einander angeglichen werden.

Es ist dabei denkbar, dass zu einer Prüfung von Algorithmen für das Ausbalancieren der Elektrolysezellen eine Simulation erstellt wird, in welcher jeder mögliche Zustand erfasst wird, wodurch vorteilhaft eine Basis für einen automatischen Betrieb des Elektrolyse-Zellenstapels mit dem Messsystem geschaffen werden kann. Bei dieser Simulation könnte auch sämtliche weitere Sensorik des Elektrolyse-Zellenstapels für Sicherheitsfunktionen mit in Betracht gezogen werden. Die Elektrolysezellen in der Simulation sollen frei parametrierbar sein, so dass die sich ergebende Funktionalität der Software für verschiedene Arten von Elektrolysezellen, sowohl in beliebiger Anzahl pro Elektrolyse- Zellenstapel und in beliebiger Anordnung von Elektrolyse-Zellenstapel als auch zur Definition und Erkennen verschiedener Störungsfälle eingesetzt werden kann. Sollte beispielsweise eine Störung an einem der Hilfsnetzteile anliegen oder von einem der Hilfsnetzteile ausgehen, kann eine wirksame Sicherheitsmaßnahme umgesetzt werden, insbesondere wenn es sich bei den Hilfsnetzteilen um bidirektionale Ladegeräte, z.B. für Elektroautos, handelt, welche vorzugsweise gemeinsam auf der AC-Seite angeschlossen sind. Die bi-direktionalen Ladegeräte sind vorteilhaft abschaltbar, sobald deren Eingangsseiten von einer Versorgungsspannung getrennt werden. Somit könnten die bi-direktionalen Ladegeräte an der Eingangsseite mit Schützen versehen werden, welche von einer Anlagensteuerung des Elektrolyseurs geschaltet werden. Damit kann vorteilhaft eine Sicherheitsabschaltung, z.B. bei Not-Stopp, umgesetzt werden.

Die Hilfsnetzteile sind insbesondere verschieden und/oder getrennt von dem Hauptnetzteil ausgebildet. Insbesondere kann die Elektrolyseurvorrichtung mehr als zwei Hilfsnetzteile aufweisen. Selbstverständlich kann die Elektrolyseurvorrichtung mehr als zwei Elektrolysezellen mit jeweils einem zugeordneten eigenen Hilfsnetzteil umfassen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl an Hilfsnetzteilen pro Elektrolyse-Zellenstapel zumindest einem geraden Bruchteil aller Elektrolysezellen des Zellenstapels oder sogar der Anzahl an Elektrolysezellen des Zellenstapels. Es ist denkbar, dass einzelne Hilfsnetzteile einem Unterstapel an Elektrolysezellen des Elektrolyse-Zellenstapels mit mehr als einer Elektrolysezelle zugeordnet sind und/oder den Unterstapel im Vergleich zu weiteren Unterstapeln an Elektrolysezellen des Elektrolyse-Zellenstapels mit ebenfalls mehr als einer Elektrolysezelle und vorzugsweise einer identischen Anzahl von Elektrolysezellen wie der Unterstapel ausbalancieren. Unter einem „elektrischen Entlasten“ soll insbesondere ein Entnehmen von elektrischer Leistung, insbesondere aus der jeweiligen zugeordneten Elektrolysezelle, verstanden werden. Unter einem „elektrischen Speisen“ soll insbesondere ein Hinzufügen von elektrischer Leistung, insbesondere zu der jeweiligen zugeordneten Elektrolysezelle, verstanden werden.

Die Elektrolyseurvorrichtung, insbesondere der Elektrolyseur und/oder zumindest ein Elektrolyse-Zellenstapel des Elektrolyseurs, weist eine Steuer- und/oder Regeleinheit, z.B. einen IC / Mikrocontroller, auf, die das Ausbalancieren der Elektrolysezellen, vorzugsweise automatisiert, steuert, z.B. die Stromrichtungen und Stromhöhen des elektrischen Speisens und/oder des elektrischen Entlastens, steuert. Unter einer „Steuer- und/oder Regeleinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden. Unter einer „Steuerelektronik“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Prozessor und mit einem Datenspeicher. Insbesondere kann jeder Elektrolyse-Zellenstapel eine eigene Steuer- und/oder Regeleinheit aufweisen oder es kann eine gemeinsame Steuer- und/oder Regeleinheit für eine Mehrzahl an Elektrolyse-Zellenstapeln des Elektrolyseurs, vorzugsweise für alle Elektrolyse-Zellenstapel des Elektrolyseurs, vorgesehen sein. Insbesondere weisen die Elektrolysezellen jeweils Spannungsmesspunkte auf, an denen die Zellspannung gemessen und überwacht wird. Diese Spannungsmesspunkte können als Einzelspannungs-Kontaktelemente ausgebildet sein, wie sie in der deutschen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE 10 2017 108439 A1 beschrieben sind, deren Offenbarung hiermit vollumfänglich in diese Patentanmeldung mit aufgenommen wird. Insbesondere können die Steuer- und/oder Regeleinheiten zumindest einen Teil eines Stack-Management-Systems für Elektrolyseure, welches insbesondere im Aufbau ähnlich zu einem Batterie-Management-System bei Akkumulatoren ist, ausbilden. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die (Batterie-Management- Systemen zumindest ähnelnden) Steuer- und/oder Regeleinheiten zu einer, insbesondere von einer Steuerung des Elektrolyseurs, unabhängigen und/oder selbstständigen Steuerung vorgesehen sind. Insbesondere bilden die Hilfsnetzteile jeweils Balancer-Module aus. Die Balancer- Module sind zumindest dazu vorgesehen, vorzugsweise automatisiert, die Elektrolysezellen durch das elektrische Speisen und/oder das elektrische Entlasten, insbesondere jeweils mittels Strombeaufschlagung, zueinander auszubalancieren. Vorzugsweise sind alle Balancer-Module eines Elektrolyse- Zellenstapels, bevorzugt einer Elektrolyse-Zellenstapel-Reihe, dazu vorgesehen, gemeinsam, insbesondere unter Einbeziehung der zugehörigen Steuer- und/oder Regeleinheiten, alle Elektrolysezellen des Elektrolyse-Zellenstapels, bevorzugt der Elektrolyse-Zellenstapel-Reihe, zueinander auszubalancieren, so dass diese vorzugsweise im Laufe des Betriebs zumindest im Wesentlichen identische Zellspannungen aufweisen. Unter einem „Ausbalancieren von Elektrolysezellen zueinander“ soll insbesondere verstanden werden, dass die zueinander ausbalancierten Elektrolysezellen eine zumindest im Wesentlichen identische Zellspannung aufweisen. Um das elektrische Entlasten und/oder das elektrische Speisen durch die verschiedenen Hilfsnetzteile voneinander unabhängig auszugestalten und/oder um einen Kurzschluss auf einer BUS-Seite zu vermeiden sind die Hilfsnetzteile vorzugsweise voneinander zumindest elektrisch getrennt ausgebildet.

Wenn die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle elektrisch in Reihe geschaltet sind und/oder wenn die Hilfsnetzteile dazu vorgesehen sind, durch das elektrische Entlasten und/oder durch das elektrische Speisen der jeweiligen Elektrolysezellen die Zellspannungen der einzelnen Elektrolysezellen zueinander anzupassen, insbesondere aneinander anzugleichen, kann vorteilhaft die Lebensdauer und/oder der Gesamtwirkungsgrad von Elektrolyseuren, insbesondere durch die bereits im Vorstehenden beschriebenen Effekte, verbessert werden. Alternativ könnten die erste Elektrolysezelle und die zweite Elektrolysezelle jedoch auch elektrisch parallel geschaltet sein. Insbesondere werden die Zellspannungen der einzelnen Elektrolysezellen derart aneinander angepasst, dass sich deren Zeitfaktoren, vorzugsweise deren Restlebensdauern, aneinander angleichen. Dazu könnten die Zellspannungen auch gezielt auf unterschiedlichen Werten gehalten werden, um Restlebensdauern von „guten“ und „schlechten“ Zellen aneinander anzupassen.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Hilfsnetzteile dazu vorgesehen sind, einer Elektrolysezelle mit einer relativ zu einem vorgegebenen Wert erhöhten Zellspannung durch das elektrische Entlasten Leistung zu entnehmen. Dadurch kann vorteilhaft eine Zellspannung einer „schlechteren“ Elektrolysezelle reduziert werden, so dass insbesondere die „schlechtere“ Elektrolysezelle unterhalb der Maximalspannung betrieben werden kann und eine möglichst hohe Gesamtleistung aller, z.B. in Reihe oder parallel geschalteten, Elektrolysezellen erreicht werden kann. Insbesondere entspricht das elektrische Entlasten der primären Energierichtung der erfindungsgemäßen Balancing-Funktion der Elektrolyseurvorrichtung. Der vorgegebene Wert kann dabei beispielsweise einem Mittelwert aller Zellspannungen der elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen, z.B. des Elektrolyse-Zellenstapels, oder ein (z.B. elektrolysezellentypspezifischer) optimaler Wert für die Zellspannung der Elektrolysezelle sein. Beispielsweise könnte ein typischer Wert für maximale Zellspannungen von PEM- Elektrolysezellen bei etwa 2,5 V liegen. Beispielsweise könnte ein optimaler Wert für maximale Zellspannungen von PEM-Elektrolysezellen zwischen 1 ,75 V und 2,2 V, vorzugsweise bei etwa 2 V liegen. Andere Zellspannungswerte sind jedoch auch denkbar und können insbesondere von individuellen Zellenkennlinien abhängig sein. Vorzugsweise ist der Betrieb der Hilfsnetzteile / der Balancer- Module möglichst unabhängig von der aktuellen Last des Elektrolyseurs, des Elektrolyse-Zellenstapels und/oder des Hauptnetzteils. Die Höhe der Einwirkung kann jedoch auch mit der aktuellen Elektrolyse-Leistung steigen oder sinken, sodass eine hohe Leistung aus dem Hauptnetzteil den Nutzen der Balancer- Module minimieren könnte. Vorzugsweise ist der Betrieb der Hilfsnetzteile / der Balancer-Module unabhängig von der primären Energiequelle bzw. Senke (dem Hauptnetzteil). Der Betrieb kann mit voller Leistung erfolgen, obwohl der Elektrolyseur / der Elektrolyse-Zellenstapel nur mit minimaler Leistung betrieben wird. Allerdings muss sich der Elektrolyseur / der Elektrolyse-Zellenstapel für das Ausbalancieren der Elektrolysezellen zumindest in Betrieb (mit aktiver Peripherie) befinden. Es wird also immer Wasserstoff produziert, wenn die Spannung, welche an einer Elektrolysezelle anliegt, eine bestimme Höhe erreicht - unabhängig ob diese aufgrund des Hauptnetzteils oder aufgrund der Hilfsnetzteile anliegt.

Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Hilfsnetzteile dazu vorgesehen sind, einer Elektrolysezelle mit einer relativ zu einem vorgegebenen Wert geringen Zellspannung durch das elektrische Speisen Leistung zuzuführen. Vorteilhaft kann dadurch eine möglichst gleiche Lebensdauer der Elektrolysezellen erzielt werden. Insbesondere entspricht das elektrische Speisen der sekundären Energierichtung der erfindungsgemäßen Balancing-Funktion der Elektrolyseurvorrichtung.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Hilfsnetzteile zu einem aktiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen vorgesehen sind. Dadurch kann vorteilhaft eine hohe Effizienz erreicht werden. Vorteilhaft können Verluste und/oder Abwärme möglichst gering gehalten werden. Insbesondere wird bei dem aktiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen die Energie, welche einer oder mehreren Elektrolysezellen des Elektrolyseurs entnommen wird, anderen Elektrolysezellen des Elektrolyseurs oder sogar eines weiteren Elektrolyseurs oder dem Versorgungsnetz zurückgeführt. Im Gegensatz zu dem aktiven Ausbalancieren von Elektrolysezellen steht alternativ ein passives Ausbalancieren von Elektrolysezellen. Bei dem passiven Ausbalancieren von Elektrolysezellen könnte beispielsweise an der Elektrolysezelle / an den Elektrolysezellen, deren Zellspannung zu hoch ist, eine, z.B. resistive, Last zusätzlich als Senke parallel betrieben werden. Dadurch könnte der Stromfluss durch die Elektrolysezelle/n verringert und dadurch die Zellspannung gesenkt werden. Beispielsweise wird zu dem passiven Ausbalancieren im einfachsten Fall pro Elektrolysezelle ein Widerstand mit Hilfe eines Schalters parallelgeschaltet. Die Ansteuerung der Schalter würde dann mit digitalen Ausgängen einer speicherprogrammierbaren Steuerung, z.B. der Steuer- und/oder Regeleinheit, erfolgen. Eine Regelung der Höhe der entnommenen Leistung ließe sich in diesem Fall über ein stufenweises Zuschalten weiterer parallelgeschalteter Widerstände pro Elektrolysezelle umsetzen. Die entnommene Energie würde dann in (Ab-)Wärme umgewandelt.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hilfsnetzteile jeweils als bidirektionale Spannungswandler ausgebildet sind. Dadurch kann ein besonders vorteilhaftes Ausbalancieren von Elektrolysezellen ermöglicht werden. Vorteilhaft können der Gesamtwirkungsgrad erhöht und/oder die Lebensdauern von einzelnen Elektrolysezellen beliebig beeinflusst, z.B. falls gewünscht homogenisiert, werden. Im Fall, dass die Zellspannung einer oder mehrerer Elektrolysezellen gesenkt werden soll, entnehmen die als bidirektionale Spannungswandler ausgebildeten Hilfsnetzteile diesen Elektrolysezellen Leistung, indem sie jeweils parallel zu den Elektrolysezellen als Last betrieben werden. Die aufgenommene Leistung wird vorzugsweise in ein AC-Versorgungsnetz abgegeben. Im umgekehrten Fall führen die Hilfsnetzteile den Elektrolysezellen, welche eine verhältnismäßig niedrige Spannung haben, kontrolliert mehr Leistung zu, insbesondere indem diese parallel zu den Elektrolysezellen als Stromquelle betrieben werden, welche beispielsweise die notwendige Leistung dafür dem AC-Versorgungsnetz oder anderen Hilfsnetzteilen, die aktuell elektrisch entlasten, entnimmt. Wenn jede Elektrolysezelle oder mehrere Elektrolysezellen in Reihe an ein Hilfsnetzteil angeschlossen ist, können diese entsprechend einer gewünschten Kennlinie betrieben werden und/oder an die Zellspannung einer anderen Elektrolysezelle oder einer Reihe von anderen Elektrolysezellen angeglichen werden. Insbesondere sind Eingang und Ausgang der jeweiligen Balancer-Module / Hilfsnetzteile galvanisch getrennt. Bei einem aktiven Balancen unter Einsatz von bidirektionalen Spannungswandlern von und zu einem gemeinsamen Netz kann Leistung von einem einzelnen Hilfsnetzteil gespeist und entnommen werden.

Alternativ zu dem bidirektionalen Spannungswandler zu einem gemeinsamen Netz kann das aktive Balancen auch unter Einsatz von einzelnen isolierten Spannungswandlern, unidirektional zu einem gemeinsamen Netz oder unter Einsatz von isolierten Spanungswandlern, zweimal unidirektional (quasibidirektional) von und zu einem gemeinsamen Netz umgesetzt sein. Im Fall der isolierten Spannungswandler, die unidirektional zu einem gemeinsamen Netz verbunden sind, würde jeweils ein Schütz oder Relais an jede Elektrolysezelle und jeweils ein (oder parallel mehrere) Spannungswandler angeschlossen werden, so dass dieser von der jeweiligen Elektrolysezelle gespeist wird. Der Spannungswandler müsste auf der Eingangsseite über einen der Elektrolysezelle entsprechenden Spannungsbereich verfügen. Der Ausgang des Spannungswandlers könnte in beliebiger Form als Quelle genutzt werden, gespeist von den Elektrolysezellen/ Zellreihen. Er müsste dazu so beschaffen sein, dass die von den Zellen abgegebene Leistung von einem Verbraucher aufgenommen werden kann. Alternativ dazu könnte auch der Verbraucher entsprechend angepasst werden. Es könnte sich dabei je nach Anwendung um ein stabiles Spannungspotential oder um ein dynamisch wechselndes Spannungspotential handeln. Beispielsweise könnte dies durch eine Verwendung eines Puffers aus Kondensatoren mit einer Nennspannung von 48 VDC und nachgeschaltetem (Einspeise-)Wechselrichter, über welchen die Leistung ins Versorgungsnetz abgegeben wird, erreicht werden. Eine Überlastung der Spannungswandler könnte beispielsweise durch eine Regelung der Aufnahmeleistung des Verbrauchers verhindert werden. Die Schalter sowie eine Strombegrenzung könnten ggf. weggelassen werden, wenn der isolierte Spannungswandler aktiv gesteuert werden kann. Ungesteuerte Geräte sind in der Regel technisch bedingt auch leistungsbegrenzend. Im Fall der isolierten Spannungswandler, die zweimal unidirektional (quasi-bidirektional) von und zu dem gemeinsamen Netz verbunden sind, wird ein vergleichbarer Aufbau wie der vorbeschriebene ausgeführt, wobei allerdings zusätzlich zu den isolierten Spannungswandlern dieser Ausführung ebenfalls isolierte Spannungswandler in entgegengesetzter Stromrichtung eingesetzt werden würden. Somit wären diese Spannungswandler auf der Eingangsseite zusammengeschlossen. Der Ausgang des Spannungswandlers der vorbeschriebenen Ausführung wäre dann zugleich der Eingang des entgegengesetzten Spannungswandlers. Der Spannungsbereich des Ausgangs der „eingehenden“ Spannungswandler müsste dann innerhalb des Bereichs liegen, in dem der Eingang des „ausgehenden“ Spannungswandlers liegt, was ebenso der Spannungsbereich der Elektrolysezelle wäre. Im Fall der bidirektionalen Spannungswandler von und zu einem gemeinsamen Netz ersetzt jeweils ein bidirektionaler Spannungswandler die in gegenläufiger Richtung eingesetzten zwei isolierten unidirektionalen Spannungswandler der zuvor beschriebenen Ausführung. Eine weitere Alternative zu allen drei vorbeschriebenen Fällen wäre ein aktives Balancen direkt von einer Elektrolysezelle zur anderen Elektrolysezelle. Dazu wären jedoch n² (einmal unidirektional) oder 2n² (quasi-bidirektional oder bidirektional) Schalter benötigt, um alle Ausgänge und/oder Eingänge der Spannungswandler untereinander zu verschalten, wobei n die Anzahl von Elektrolysezellen des Elektrolyseurs oder des Elektrolyse-Zellenstapels beschreibt.

Wenn dabei der bidirektionale Spannungswandler als ein konventionelles bidirektionales Ladegerät für Elektroautos, dessen Eingang und Ausgang galvanisch getrennt ist, ausgebildet ist, z.B. als ein bidirektionales DC-Ladegerät für Elektroautos mit AC-Netzanschluss für AC-Netzeinspeisung und AC- Netzversorgung, kann vorteilhaft eine simple Konstruktion und/oder eine kostengünstige Umsetzung ermöglicht werden. Vorteilhaft kann auf bereits für andere Fachbereiche entwickelte Systeme zurückgegriffen werden, wodurch vorteilhaft eine Gesamteffizienz gesteigert werden kann. Insbesondere können die konventionellen isolierten Ladegeräte für Elektro-Fahrzeuge, deren DC- Spannungsbereich zur Anwendung passt, mit geringem Aufwand für PEM- Zellserien eingesetzt werden, wenn sie steuerbar sind (Vorgabe von Spannungsund Strom-Sollwerten). Vorzugsweise sind die konventionellen bidirektionalen DC- Ladegeräte für Elektrolyse-Zellenstapel ohne wesentliche Modifikation anwendbar, wenn Spannung und/oder Strom des Elektrolyse-Zellenstapels sich in zu der Elektromobilität vergleichbaren Bereichen bewegt. Für eine Anwendung auf Elektrolysezellebene sind zusätzliche Geräte notwendig, z.B. ein Nachschalten von weiteren, ebenso bidirektionalen Spannungswandlern, die im niedrigeren Spannungsbereich von Elektrolysezellen, insbesondere PEM-Zellen (2 V vs. 120 V bei Strömen von 100 A) arbeiten. Derartige Spannungswandler sind am Markt verfügbar und werden beispielsweise in Rechenzentren zur CPU- Stromversorgung eingesetzt.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass der bidirektionale Spannungswandler, insbesondere das bi-direktionale Ladegerät für Elektroautos, mit zumindest einem weiteren bidirektionalen Spannungswandler elektrisch in Reihe geschaltet ist. Vorteilhaft kann dadurch das Ausbalancieren der Elektrolysezellen ermöglicht werden. Dadurch kann zudem vorteilhaft eine einfache Anpassung der Elektrolyseurvorrichtung an Spannungs- und/oder Strombereiche in Elektrolyseuren erreicht werden. Insbesondere umfasst die Elektrolyseurvorrichtung eine Reihenschaltung von Hilfsnetzteilen, die insbesondere als bidirektionale Spannungswandler ausgebildet sind und somit Quellen und Senken für elektrische Leistung ausbilden, wobei jeder Knotenpunkt in der Reihenschaltung der Hilfsnetzteile mit einem Punkt, insbesondere Knotenpunkt, innerhalb einer Elektrolysezellen-Reihenschaltung des Elektrolyse- Zellenstapels / des Elektrolyseurs verbunden ist.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Hilfsnetzteile derart miteinander verschaltet sind, dass sie eine Leistung, die einer der Elektrolysezellen entnommen wird, einer anderen der Elektrolysezellen zumindest teilweise zuführen können. Dadurch kann vorteilhaft eine hohe Effizienz erreicht werden. Insbesondere kann dadurch der sich ergebende relative Unterschied der Last, welche auf die jeweiligen Zellen einwirkt, vorteilhaft verstärkt werden. . Vorteilhaft kann ein besonders kostengünstiges Ausbalancieren erreicht werden. Insbesondere zur Umsetzung dieses Vorschlags weist die Elektrolyseurvorrichtung einen Zwischenspeicher, wie z.B. einen Zwischenkreis, auf. Der Zwischenkreis kann in Form eines DC-Netzes oder eines AC-Netzes (bevorzugt) umgesetzt sein. Bei dieser Umsetzung ergeben sich immer zwei Schritte: z.B. von Elektrolyse- Zellenstapel A zum Netz des Zwischenkreises und vom Netz des Zwischenkreises zu Elektrolyse-Zellenstapel B. Wenn dies nicht gewünscht ist, z.B. weil nur ein einziges Mal gewandelt werden soll, dann müsste jeder Ausgang jedes Hilfsnetzteils pro Elektrolyse-Zellenstapel mit jedem anderen Elektrolyse- Zellenstapel elektrisch verbunden werden. Mit Hilfe von Schaltern wäre dies technisch theoretisch umsetzbar, die Anzahl von Schaltern stiege in diesem Fall allerdings exponentiell mit der Anzahl von Elektrolyse-Zellenstapel im Elektrolyseur. Insbesondere ist ein AC-Versorgungsnetz, welches vom Energieversorger angeschlossen kommt, als Zwischenkreis vorzuziehen, da dieses an sich schon stabilisiert ist. Es kann dann vorteilhaft sichergestellt werden, dass nie in das Versorgungsnetz zurückgespeist wird. Sollte ein separater lokaler Zwischenkreis aufgebaut werden, müsste dieser, z.B. mit einer Crowbar- Schaltung, gegen Überlastung geschützt werden.

Alternativ oder zusätzlich sind Netzteile, insbesondere die Hilfsnetzteile, zu dem passiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen vorgesehen. Dadurch kann eine kostengünstige Alternative geschaffen werden, welche insbesondere mit wenig oder sogar ohne Elektronik auskommt.

In diesem Zusammenhang wird zudem vorgeschlagen, dass die Netzteile, insbesondere die Hilfsnetzteile, jeweils einen zuschaltbaren Lastwiderstand oder eine Mehrzahl an parallel geschalteten, separat zuschaltbaren Lastwiderständen umfassen. Dadurch kann vorteilhaft das passive Ausbalancieren ermöglicht werden. Insbesondere scheint der Begriff „Hilfsnetzteil“ auf den ersten Blick ungeeignet, um einen zuschaltbaren Lastwiderstand zu beschreiben, da zum Ausbalancieren weder Leistung in das Netz abgeführt noch aus dem Netz entnommen wird. Dennoch soll im Sinne der vorliegenden Unterlagen vorzugsweise ein zuschaltbarer Lastwiderstand, der dazu dient eine Leistung durch Erwärmung zu entnehmen, als Hilfsnetzteil verstanden werden.

Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass zumindest eins der Hilfsnetzteile zumindest einer weiteren, z.B. einer dritten, Elektrolysezelle zugeordnet ist, welche mit der anderen diesem Hilfsnetzteil zugeordneten Elektrolysezelle elektrisch in Reihe geschaltet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine kostengünstige Balancing- Möglichkeit, insbesondere für große Anlagen geschaffen werden. Insbesondere ist das Hilfsnetzteil, vorzugsweise alle Hilfsnetzteile, einem Unterstapel an Elektrolysezellen zugeordnet. Dadurch kann zwar kein Einzelzellen-Balancing mehr erreicht werden, jedoch können Untergruppen (Unterstapel) von Elektrolysezellen weiterhin vorteilhaft relativ zueinander ausbalanciert werden. Es kann zum Beispiel ein Hilfsnetzteil pro Elektrolyse-Zellenstapel des Elektrolyseurs eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Paket an Elektrolysezellen derart gewählt werden, dass weit verbreitete DC Spannungen, wie z.B. etwa 12 V, etwa 48 V, etwa 96 V, etwa 144 V, etc. an den Hilfsnetzteilen abfallen. Insbesondere liegt in der Elektrolysevorrichtung eine minimale Anzahl von Hilfsnetzteilen pro gesamte Reihenschaltung von Elektrolysezellen bei zwei.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass die erste Elektrolysezelle Teil eines ersten Elektrolysezellen-Stacks ist und dass die zweite Elektrolysezelle Teil eines zweiten Elektrolysezellen-Stacks ist, wobei die Hilfsnetzteile dazu vorgesehen sind, die Elektrolysezellen-Stacks durch ein, insbesondere voneinander unabhängiges, elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezellen-Stacks zueinander auszubalancieren. Dadurch kann vorteilhaft eine Lebensdauer von Elektrolyseuren verbessert werden. Vorteilhaft kann eine Alterung verschiedener Elektrolyse-Zellenstapel des Elektrolyseurs angeglichen werden. Vorteilhaft kann ein Gesamtwirkungsgrad aller Elektrolyse- Zellenstapel in einem Elektrolyseur verbessert werden. Vorteilhaft kann ein Betrieb des Elektrolyseurs ermöglicht werden, bei dem alle Elektrolyse-Zellenstapel des Elektrolyseurs gleichzeitig ihr Lebensende erreichen.

Ferner wird ein Elektrolyseur, insbesondere eine Elektrolyseanlage, mit der Elektrolyseurvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der Elektrolyseurvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Elektrolysezellen durch ein, insbesondere voneinander unabhängiges, elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezelle mittels zumindest einem ersten Hilfsnetzteil, welches zumindest der ersten Elektrolysezelle zugeordnet ist, und mittels zumindest einem zweiten Hilfsnetzteil, welches zumindest der zweiten Elektrolysezelle zugeordnet ist, zueinander ausbalanciert werden. Dadurch kann vorteilhaft eine Lebensdauer und/oder ein Gesamtwirkungsgrad von Elektrolyseuren verbessert werden.

Die erfindungsgemäße Elektrolyseurvorrichtung, der erfindungsgemäße Elektrolyseur und das erfindungsgemäße Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Elektrolyseurvorrichtung, der erfindungsgemäße Elektrolyseur und das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Verfahrensschritten, Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.

Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist sind sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Elektrolyseur mit einer Elektrolyseurvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines der Elektrolyse-Zellenstapel des Elektrolyseurs,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs mit der Elektrolyseurvorrichtung,

Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der Elektrolyseurvorrichtung,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs mit einer alternativen Elektrolyseurvorrichtung, Fig. 6 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs mit einer weiteren alternativen Elektrolyseurvorrichtung,

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs mit einer zweiten weiteren alternativen Elektrolyseurvorrichtung,

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs mit einer dritten weiteren alternativen Elektrolyseurvorrichtung und Fig. 9 ein schematisches Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs mit einer vierten alternativen Elektrolyseurvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Elektrolyseur 30a. Der Elektrolyseur 30a bildet eine Elektrolyseanlage aus. Der Elektrolyseur 30a ist beispielhaft als ein Proton- Exchange-Membrane-Elektrolyseur ausgebildet. Die hier beschriebene Erfindung ist jedoch auch auf andere Elektrolyseurtypen anwendbar. Der Elektrolyseur 30a umfasst Elektrolyse-Zellenstapel 26a, 28a (vgl. auch Fig. 2). Die Elektrolyse- Zellenstapel 26a, 28a sind in Elektrolyse-Zellenstapel-Reihen 34a, 36a elektrisch miteinander verschaltet. Die Elektrolyse-Zellenstapel-Reihen 34a, 36a werden auch als Kaskaden bezeichnet. Beispielhaft umfasst jede der Elektrolyse- Zellenstapel-Reihen 34a, 36a des Elektrolyseurs 30a fünf Elektrolyse-Zellenstapel 26a, 28a. Beispielhaft umfasst der Elektrolyseur 30a, insbesondere die Elektrolyseanlage, achtzehn Elektrolyse-Zellenstapel-Reihen 34a, 36a.

Beispielhaft ist durch die vorgeschlagenen Anzahlen an Elektrolyse-Zellenstapeln 26a, 28a eine 10 Megawatt Elektrolyseanlage umgesetzt. Von den beispielhaften Anzahlen nach oben oder nach unten abweichende Anzahlen an Elektrolyse- Zellenstapeln 26a, 28a oder an Elektrolyse-Zellenstapel-Reihen 34a, 36a sind selbstverständlich ebenfalls denkbar. Die Elektrolyse-Zellenstapel 26a, 28a einer Elektrolyse-Zellenstapel-Reihe 34a sind elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Die Elektrolyse-Zellenstapel-Reihen 34a, 36a sind elektrisch parallel zueinander geschaltet. Die einzelnen Elektrolyse-Zellenstapel 26a, 28a der Elektrolyseanlage können austauschbar oder ersetzbar ausgebildet sein.

Der Elektrolyseur 30a weist eine Elektrolyseurvorrichtung 32a auf. Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines der Elektrolyse-Zellenstapel 26a des Elektrolyseurs 30a mit der Elektrolyseurvorrichtung 32a in einer Seitenansicht. Komponenten wie beispielsweise eine Fluidversorgung, ein Gehäuse und dergleichen des Elektrolyseurs 30a sind in der Fig. 2 nicht dargestellt. Dieser kann jedoch selbstverständlich dergleichen umfassen. Die Elektrolyseurvorrichtung 32a weist eine erste Elektrolysezelle 10a auf. Die Elektrolyseurvorrichtung 32a weist eine zweite Elektrolysezelle 12a auf. Im vorliegenden Fall weist der Elektrolyse- Zellenstapel 26a eine Vielzahl von Elektrolysezellen 10a, 12a auf, von denen aus Gründen einer Übersichtlichkeit schematisch lediglich zwölf dargestellt und die nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Zudem sind die Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse-Zellenstapels 26a in der Fig. 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Insbesondere können die Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse- Zellenstapels 26a wesentlich flacher ausgebildet sein als in der schematischen Darstellung der Fig. 2. Beispielsweise kann der Elektrolyse-Zellenstapel 26a 20 oder 30 oder 50 oder 100 oder 150 oder 200 Elektrolysezellen 10a, 12a umfassen. Die erste Elektrolysezelle 10a und die zweite Elektrolysezelle 12a sind elektrisch in Reihe geschaltet. Alle Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse-Zellenstapels 26a sind elektrisch in Reihe geschaltet. Alle Elektrolysezellen 10a, 12a, die zu einer gemeinsamen Elektrolyse-Zellenstapel-Reihe 34a, 36a zugehörig sind, sind elektrisch in Reihe geschaltet.

Der Elektrolyse-Zellenstapel 26a weist eine erste Endplatte 38a und eine zweite Endplatte 40a auf. Die erste Endplatte 38a und die zweite Endplatte 40a begrenzen die Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse-Zellenstapels 26a zu gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyse-Zellenstapels 26a hin. Die Endplatten 38a, 40a sind beispielsweise mittels nicht gezeigter Verbindungsstreben miteinander verbunden und beaufschlagen die Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse-Zellenstapels 26a mit einer Druckkraft, die insbesondere einem Druck aufgrund einer Bildung von Wasserstoffgas und/oder Sauerstoffgas entgegenwirkt beziehungsweise insbesondere eine Dichtigkeit der aneinandergepressten Elektrolysezellen 10a, 12a untereinander und/oder eine Dichtigkeit der jeweiligen Elektrolysezellen 10a, 12a bewerkstelligt oder zumindest zu dieser beiträgt. Der Elektrolyse-Zellenstapel 26a weist Anschlusselemente 42a, 44a zur Verbindung mit einer Energieversorgung auf. Die Energieversorgung ist durch ein Hauptnetzteil 14a der Elektrolyseurvorrichtung 32a gebildet (vgl. Fig. 3). In einem Normalbetriebszustand wird der Elektrolyse-Zellenstapel 26a über die Anschlusselemente 42a, 44a mit elektrischer Leistung versorgt. Eine Gesamtspannung liegt dabei zwischen einer vordersten Elektrolysezelle 10a, die insbesondere an der ersten Endplatte 38a anliegt, und einer hintersten Elektrolysezelle, die insbesondere an der zweiten Endplatte 40a anliegt, an. An einzelnen Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse-Zellenstapels 26a liegt in dem Normalbetriebszustand jeweils eine Spannung zwischen etwa 1 V und etwa 2,5 V an.

Die Elektrolyseurvorrichtung 32a weist Kontaktelemente 46a, 48a auf (vgl. Fig. 2), die von einem Anschlusselement 42a, 44a für das Hauptnetzteil 14a verschieden sind und von denen insbesondere eines auf einem Anodenpotential und eines auf einem Kathodenpotential einer jeweiligen entsprechenden Elektrolysezelle 10a, 12a liegt. Jeweils zwei Kontaktelemente 46a, 48a sind dabei einer einzelnen Elektrolysezelle 10a, 12a zugeordnet. Insbesondere handelt es sich bei den einer bestimmten Elektrolysezelle 10a, 12a zugeordneten Kontaktelementen 46a, 48a jeweils um ein Kontaktelement 46a der entsprechenden Elektrolysezelle 10a sowie um ein Kontaktelement 48a einer unmittelbar benachbarten anderen Elektrolysezelle 12a. Insbesondere ist auf diese Weise ein bestimmtes Kontaktelement 46a, 48a jeweils zwei unmittelbar benachbarten Elektrolysezellen 10a, 12a zugeordnet, wobei das entsprechende Kontaktelement 46a, 48a auf einem Anodenpotential der einen Elektrolysezelle 10a liegt, welches einem Kathodenpotential der anderen Elektrolysezelle 12a entspricht. Beispielsweise sind im vorliegenden Fall der ersten Elektrolysezelle 10a das Kontaktelement 46a sowie das weitere Kontaktelement 48a zugeordnet. Zudem ist im vorliegenden Fall das weitere Kontaktelement 48a auch der zweiten Elektrolysezelle 12a zugeordnet. Die Kontaktelemente 46a, 48a sind von einem Äußeren des Elektrolyse-Zellenstapels 26a her zugänglich. Die Kontaktelemente 46a, 48a sind außerhalb eines aktiven Inneren der Elektrolysezellen 10a, 12a und/oder außerhalb eines aktiven Inneren des Elektrolyse-Zellenstapels 26a angeordnet. Die Kontaktelemente 46a, 48a erlauben ein elektrisches Kontaktieren der Elektrolysezellen 10a, 12a, insbesondere deren Anode und deren Kathode.

Die Fig. 3 zeigt schematisch ein Schaltbild eines Teils des Elektrolyseurs 30a mit der Elektrolyseurvorrichtung 32a. Die Elektrolyseurvorrichtung 32a weist das Hauptnetzteil 14a auf. Das Hauptnetzteil 14a ist dazu vorgesehen, die erste Elektrolysezelle 10a und die zweite Elektrolysezelle 12a gemeinsam mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Hauptnetzteil 14a ist dazu vorgesehen, alle Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyse-Zellenstapels 26a mit Elektrolyse- Energie zu versorgen. Das Hauptnetzteil 14a ist dazu vorgesehen, alle Elektrolysezellen 10a, 12a des Elektrolyseurs 30a mit Elektrolyse-Energie zu versorgen. Das Hauptnetzteil 14a ist mit einem Versorgungsnetz 54a verbunden.

Die Elektrolyseurvorrichtung 32a weist ein erstes Hilfsnetzteil 16a auf. Das erste Hilfsnetzteil 16a ist der ersten Elektrolysezelle 10a zugeordnet. Die Elektrolyseurvorrichtung 32a weist ein zweites Hilfsnetzteil 18a auf. Das zweite Hilfsnetzteil 18a ist der zweiten Elektrolysezelle 12a zugeordnet. Die betreffenden Elektrolysezellen 10a, 12a sind jeweils aus dem gleichen Elektrolyse-Zellenstapel 26a. Jeder weiteren Elektrolysezelle ist in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 jeweils genau ein eigenes Hilfsnetzteil zugeordnet. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind dazu vorgesehen, die Elektrolysezellen 10a, 12a durch ein voneinander unabhängiges elektrisches Entlasten der jeweiligen Elektrolysezelle 10a, 12a zueinander auszubalancieren. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind dazu vorgesehen, die Elektrolysezellen 10a, 12a durch ein voneinander unabhängiges elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezelle 10a, 12a zueinander auszubalancieren.

Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind dazu vorgesehen, durch das elektrische Entlasten und/oder durch das elektrische Speisen der jeweiligen Elektrolysezellen 10a, 12a die Zellspannungen der einzelnen Elektrolysezellen 10a, 12a aneinander anzugleichen. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind jeweils dazu vorgesehen, der jeweiligen zugeordneten Elektrolysezelle 10a, 12a, wenn diese eine relativ zu einem vorgegebenen Wert erhöhte Zellspannung aufweist, durch das elektrische Entlasten Leistung zu entnehmen. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind jeweils dazu vorgesehen, der jeweiligen zugeordneten Elektrolysezelle 10a, 12a, wenn diese einen relativ zu dem vorgegebenen Wert erniedrigte Zellspannung aufweist, durch das elektrische Speisen Leistung zuzuführen. Der für die Zellspannung vorgegebene Wert kann einstellbar sein, beispielsweise über eine Steuer- und/oder Regeleinheit 50a der Elektrolyseurvorrichtung 32a. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a können auch als, beispielsweise modular erweiterbare, Multikanal- Balancer mit zueinander galvanisch getrennten Kanälen für jede mit dem Multikanal-Balancer verbundene Elektrolysezelle 10a, 12a ausgebildet sein (vgl. Fig. 2).

Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind zu einem aktiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen 10a, 12a vorgesehen. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind jeweils als bidirektionale Spannungswandler 20a ausgebildet. Der bidirektionale Spannungswandler 20a ist mit weiteren bidirektionalen Spannungswandlern 22a der Elektrolyseurvorrichtung 32a elektrisch in Reihe geschaltet. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a, insbesondere die bidirektionalen Spannungswandler 20a, sind derart miteinander verschaltet, dass sie eine Leistung, die einer der Elektrolysezellen 10a entnommen wird, einer anderen der Elektrolysezellen 12a zumindest teilweise zuführen können. Dabei können die jeweiligen Ströme durch aktive und passive Komponenten, wie z.B. Halbleiter-Komponenten, zwischen den Elektrolysezellen 10a, 12a transferiert werden. Alternativ ist auch ein Aufbau mittels eines Multiplexers, welcher jede Elektrolysezelle 10a, 12a auf einen gemeinsamen DC- DC-Wandler führt, denkbar. Die Hilfsnetzteile 16a, 18a sind mit einem gemeinsamen Netz 52a verbunden. Das gemeinsame Netz 52a kann durch einen Zwischenkreis, z.B. ein AC-Versorgungsnetz, insbesondere das Versorgungsnetz 54a, an das auch das Hauptnetzteil 14a angeschlossen ist, ausgebildet sein. Die Fig. 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der Elektrolyseurvorrichtung 32a. In einem Verfahrensschritt 56a werden die Elektrolysezellen 10a, 12a durch das Hauptnetzteil 14a gemeinsam mit Elektrolyse-Energie versorgt. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 58a werden die sich im Elektrolysebetrieb befindlichen Elektrolysezellen 10a, 12a durch ein, voneinander unabhängiges elektrisches Entlasten mittels der jeweils zugeordneten Hilfsnetzteile 16a, 18a zueinander ausbalanciert, insbesondere so, dass die Zellspannungen der Elektrolysezellen 10a, 12a durch das elektrische Entlasten aneinander angeglichen werden. In zumindest einem weiteren oder alternativen Verfahrensschritt 60a werden die sich im Elektrolysebetrieb befindlichen Elektrolysezellen 10a, 12a durch ein, voneinander unabhängiges elektrisches Speisen mittels der jeweils zugeordneten Hilfsnetzteile 16a, 18a zueinander ausbalanciert, insbesondere so, dass die Zellspannungen der Elektrolysezellen 10a, 12a durch das elektrische Speisen aneinander angeglichen werden. Die Leistung für das elektrische Speisen wird entweder direkt dem Versorgungsnetz 54a oder allen anderen Hilfsnetzteilen der Elektrolyseurvorrichtung 32a (die Leistungsquelle ist dann z.B. ein gemeinsamer BUS), welches eine andere Elektrolysezelle der Elektrolyseurvorrichtung 32a momentan elektrisch entlastet (ggf. über einen Zwischenkreis), entnommen. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 62a werden die Elektrolysezellen 10a, 12a der Elektrolyseurvorrichtung 32a mit den jeweiligen Wunsch-Zellspannungen, z.B. im Wesentlichen identischen Zellspannungen, betrieben. Beispielsweise kann ein sogenannter "Overshoot" der Zellspannung einer „guten“ Elektrolysezelle zum Erreichen eines gemeinsamen EOL (end-of-life) erforderlich sein, oder umgekehrt bei einer „schlechten“ Elektrolysezelle.

In den Figuren 5 bis 9 ist sind fünf weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 4, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 4 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 bis 9 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis f ersetzt.

Die Figur 5 zeigt eine alternative Elektrolyseurvorrichtung 32b mit zumindest einem Elektrolysezellen 10b, 12b aufweisenden Elektrolyse-Zellenstapel 26b. Die alternative Elektrolyseurvorrichtung 32b weist ein erstes Hilfsnetzteil 16b auf. Das erste Hilfsnetzteil 16b ist der ersten Elektrolysezelle 10b zugeordnet. Die alternative Elektrolyseurvorrichtung 32b weist ein zweites Hilfsnetzteil 18b auf. Das zweite Hilfsnetzteil 18b ist der zweiten Elektrolysezelle 12b zugeordnet. Die alternative Elektrolyseurvorrichtung 32b weist eine weitere Elektrolysezelle 76b auf. Das erste Hilfsnetzteil 16b ist der weiteren Elektrolysezelle 76b zugeordnet. Die betreffenden Elektrolysezellen 10b, 12b, 76b sind jeweils aus dem gleichen Elektrolyse-Zellenstapel 26b. Das ersten Hilfsnetzteil 16b, welches der weiteren Elektrolysezelle 76b zugeordnet ist, ist elektrisch in Reihe mit dem zweiten Hilfsnetzteil 18b, welches der zweiten Elektrolysezelle 12b zugeordnet ist, geschaltet. Weitere Elektrolysezellen können in dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 jeweils einem der Hilfsnetzteile 16b, 18b zugeordnet sein. Vorzugsweise sind jeweils gleich viele Elektrolysezellen 10b, 12b, 76b jeweils einem Hilfsnetzteil 16b, 18b zugeordnet. Die jeweils einem der Hilfsnetzteile 16b, 18b zugeordneten Elektrolysezellen 10b, 12b, 76b bilden jeweils ein Elektrolysezellen-Balancepaket 64b, 66b aus. Die Hilfsnetzteile 16b, 18b sind dazu vorgesehen, die Elektrolysezellen 10b, 12b, 76b der jeweiligen Elektrolysezellen-Balancepakete 64b, 66b durch ein voneinander unabhängiges elektrisches Entlasten der jeweiligen Elektrolysezellen-Balancepakete 64b, 66b zueinander auszubalancieren. Die Hilfsnetzteile 16b, 18b sind dazu vorgesehen, die Elektrolysezellen 10b, 12b, 76b der jeweiligen Elektrolysezellen-Balancepakete 64b, 66b durch ein voneinander unabhängiges elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezellen-Balancepakete 64b, 66b zueinander auszubalancieren. Die Figur 6 zeigt eine weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32c mit mehreren jeweils mehrere Elektrolysezellen 10c, 12c aufweisenden Elektrolyse- Zellenstapeln 26c, 28c. Die erste Elektrolysezelle 10c ist dabei Teil des ersten Elektrolyse-Zellenstapels 26c. Die zweite Elektrolysezelle 12c ist dabei Teil des zweiten Elektrolyse-Zellenstapels 28c. Die weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32c weist ein erstes Hilfsnetzteil 16c auf. Das erste Hilfsnetzteil 16c ist dem ersten Elektrolyse-Zellenstapel 26c zugeordnet. Die weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32c weist ein zweites Hilfsnetzteil 18c auf. Das zweite Hilfsnetzteil 18c ist dem zweiten Elektrolyse-Zellenstapel 28c zugeordnet. Weitere Elektrolyse-Zellenstapel 68c können in dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 weiteren Hilfsnetzteilen 70c zugeordnet sein. Vorzugsweise ist jeweils genau ein Elektrolyse-Zellenstapel 26c, 28c, 68c genau einem Hilfsnetzteil 16c, 18c, 70c zugeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass mehrere Elektrolyse- Zellenstapel 26c, 28c, 68c einem gemeinsamen Hilfsnetzteil 16c, 18c, 70c zugeordnet sind. Jedoch sollte dann die Anzahl an Elektrolyse-Zellenstapeln 26c, 28c, 68c, die in der weiteren alternativen Elektrolyseurvorrichtung 32c einem Hilfsnetzteil 16c, 18c, 70c zugeordnet sind, immer gleich sein. Die Hilfsnetzteile 16c, 18c, 70c sind dazu vorgesehen, die Elektrolyse-Zellenstapel 26c, 28c, 68c durch ein voneinander unabhängiges elektrisches Entlasten der jeweiligen Elektrolyse-Zellenstapel 26c, 28c, 68c zueinander auszubalancieren. Die Hilfsnetzteile 16c, 18c, 70c sind dazu vorgesehen, die Elektrolyse-Zellenstapel 26c, 28c, 68c durch ein voneinander unabhängiges elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolyse-Zellenstapel 26c, 28c, 68c zueinander auszubalancieren.

Die Figur 7 zeigt eine zweite weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32d mit mehreren jeweils mehrere Elektrolysezellen 10d, 12d aufweisenden Elektrolyse- Zellenstapeln 26d. Die zweite weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32d weist ein erstes Hilfsnetzteil 16d auf. Das erste Hilfsnetzteil 16d ist der ersten Elektrolysezelle 10d zugeordnet. Die zweite weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32d weist ein zweites Hilfsnetzteil 18d auf. Das zweite Hilfsnetzteil 18d ist der zweiten Elektrolysezelle 12d zugeordnet. Das in der Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 4 mit der Ausnahme der Ausgestaltung der Hilfsnetzteile 16d, 18d. Die Hilfsnetzteile 16d, 18d sind als Kombination zweier zueinander entgegengesetzt angeordneter und galvanisch voneinander getrennter unidirektionaler Spannungswandler 72d, die zu einem gemeinsamen Netz 52d verbunden sind, ausgebildet. Dadurch kann vorteilhaft eine Quasi-Bidirektionalität des Spannungswandlers erhalten werden.

Die Figur 8 zeigt eine dritte weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32e mit mehreren jeweils mehrere Elektrolysezellen 10e, 12e aufweisenden Elektrolyse- Zellenstapeln 26e. Die dritte weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32e weist ein erstes Hilfsnetzteil 16e auf. Das erste Hilfsnetzteil 16e ist der ersten Elektrolysezelle 10e zugeordnet. Die dritte weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32e weist ein zweites Hilfsnetzteil 18e auf. Das zweite Hilfsnetzteil 18e ist der zweiten Elektrolysezelle 12e zugeordnet. Das in der Figur

8 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 4 mit der Ausnahme der Ausgestaltung der Hilfsnetzteile 16e, 18e. Die Hilfsnetzteile 16e, 18e sind jeweils als ein unidirektionaler Spannungswandler 74e, die zu einem gemeinsamen Netz 52e verbunden sind, ausgebildet. Dadurch kann lediglich ein Ausbalancieren der Zellspannungen der Elektrolysezellen 10e, 12e mittels eines elektrischen Entlastens (oder lediglich mittels eines elektrischen Speisens bei Umkehr der unidirektionalen Spannungswandler 74e) erreicht werden. Die Gegenrichtung steht in diesem Ausführungsbeispiel nicht zur Verfügung.

Die Figur 9 zeigt eine vierte weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32f mit mehreren jeweils mehrere Elektrolysezellen 10f, 12f aufweisenden Elektrolyse- Zellenstapeln 26f. Die vierte weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32f weist ein erstes Hilfsnetzteil 16f auf. Das erste Hilfsnetzteil 16f ist der ersten Elektrolysezelle 10f zugeordnet. Die vierte weitere alternative Elektrolyseurvorrichtung 32f weist ein zweites Hilfsnetzteil 18f auf. Das zweite Hilfsnetzteil 18f ist der zweiten Elektrolysezelle 12f zugeordnet. Die Hilfsnetzteile 16f, 18f sind jeweils zu einem passiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen 10f , 12f vorgesehen. Die Hilfsnetzteile 16f, 18f sind nicht zu einem Entlasten durch eine Abführung von Leistung in ein Netz vorgesehen. Die Hilfsnetzteile 16f, 18f sind nicht zu einem Speisen durch ein Zuführen von Leistung aus einem Netz vorgesehen. Die Hilfsnetzteile 16f, 18f sind lediglich durch elektrische Widerstände ausgebildet. Die Hilfsnetzteile 16f, 18f umfassen jeweils einen zuschaltbaren Lastwiderstand 24f oder eine Mehrzahl an parallel geschalteten, separat zuschaltbaren Lastwiderständen 24f, 24’f, 24“f.

Bezugszeichen

10 Erste Elektrolysezelle

12 Zweite Elektrolysezelle

14 Hauptnetzteil

16 Erstes Hilfsnetzteil

18 Zweites Hilfsnetzteil

20 Bidirektionaler Spannungswandler

22 Weiterer bidirektionaler Spannungswandler

24 Lastwiderstand

26 Erster Elektrolyse-Zellenstapel

28 Zweiter Elektrolyse-Zellenstapel

30 Elektrolyseur

32 Elektrolyseurvorrichtung

34 Elektrolyse-Zellenstapel-Reihe

36 Elektrolyse-Zellenstapel-Reihe

38 Endplatte

40 Endplatte

42 Anschlusselement

44 Anschlusselement

46 Kontaktelement

48 Kontaktelement

50 Steuer- und/oder Regeleinheit

52 Gemeinsames Netz

54 Versorgungsnetz

56 Verfahrensschritt

58 Verfahrensschritt

60 Verfahrensschritt

62 Verfahrensschritt

64 Elektrolysezellen-Balancepaket

66 Elektrolysezellen-Balancepaket Weiterer Elektrolyse-Zellenstapel Weiteres Hilfsnetzteil Kombination zweier unidirektionaler Spannungswandler Unidirektionaler Spannungswandler Weitere Elektrolysezelle

Claims

Ansprüche

1 . Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) mit zumindest einer ersten Elektrolysezelle (10a-f), mit zumindest einer zweiten Elektrolysezelle (12a- f), und mit zumindest einem Hauptnetzteil (14a-f), welches zumindest dazu vorgesehen ist, die erste Elektrolysezelle (10a-f) und die zweite Elektrolysezelle (12a-f) gemeinsam mit elektrischer Energie, insbesondere Elektrolyse-Energie, zu versorgen, gekennzeichnet durch zumindest ein erstes Hilfsnetzteil (16a-f), welches der ersten Elektrolysezelle (10a-f) zugeordnet ist, und zumindest ein zweites Hilfsnetzteil (18a-f), welches der zweiten Elektrolysezelle (12a-f) zugeordnet ist, wobei die Hilfsnetzteile (16a-f, 18a-f) dazu vorgesehen sind, die Elektrolysezellen (10a-f, 12a-f) durch ein elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezelle (10a-f, 12a-f) zueinander auszubalancieren.

2. Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrolysezelle (10a-f) und die zweite Elektrolysezelle (12a-f) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

3. Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16a-f, 18a-f) dazu vorgesehen sind, durch das elektrische Entlasten und/oder durch das elektrische Speisen der jeweiligen Elektrolysezellen (10a-f, 12a-f) die Zellspannungen der einzelnen Elektrolysezellen (10a-f, 12a-f) zueinander anzupassen, insbesondere aneinander anzugleichen.

4. Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16a-f, 18a- f) dazu vorgesehen sind, einer Elektrolysezelle (10a-f, 12a-f) mit einer relativ zu einem vorgegebenen Wert erhöhten Zellspannung durch das elektrische Entlasten Leistung zu entnehmen.

5. Elektrolyseurvorrichtung (32a-d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16a-d, 18a-d) dazu vorgesehen sind, einer Elektrolysezelle (10a-d, 12a-d) mit einer relativ zu einem vorgegebenen Wert geringen Zellspannung durch das elektrische Speisen Leistung zuzuführen.

6. Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16a-f, 18a- f) zu einem aktiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen (10a-f, 12a-f) vorgesehen sind.

7. Elektrolyseurvorrichtung (32a-c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16a-c, 18a-c) jeweils als bidirektionale Spannungswandler (20a-c) ausgebildet sind.

8. Elektrolyseurvorrichtung (32a-c) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Spannungswandler (20a-c) als ein konventionelles bidirektionales Ladegerät für Elektroautos, dessen Eingang und Ausgang galvanisch getrennt ist, ausgebildet ist.

9. Elektrolyseurvorrichtung (32a-c) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bidirektionale Spannungswandler (20a-c) mit zumindest einem weiteren bidirektionalen Spannungswandler (22a-c) elektrisch in Reihe geschaltet ist.

10. Elektrolyseurvorrichtung (32a-d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16a-d, 18a-d) derart miteinander verschaltet sind, dass sie eine Leistung, die einer der Elektrolysezellen (10a-d) entnommen wird, einer anderen der Elektrolysezellen (12a-d) zumindest teilweise zuführen können.

11 . Elektrolyseurvorrichtung (32f) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16f, 18f ) zu einem passiven Ausbalancieren der Elektrolysezellen (1 Of, 12f) vorgesehen sind.

12. Elektrolyseurvorrichtung (32f) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsnetzteile (16f, 18f ) jeweils einen zuschaltbaren Lastwiderstand (24f) oder eine Mehrzahl an parallel geschalteten, separat zuschaltbaren Lastwiderständen (24f, 24’f, 24“f) umfassen.

13. Elektrolyseurvorrichtung (32b; 32c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eins der Hilfsnetzteile (16b, 18b; 16c, 18c) zumindest einer weiteren Elektrolysezelle (76b; 76c) zugeordnet ist, welche mit der anderen diesem Hilfsnetzteil (16b, 18b; 16c, 18c) zugeordneten Elektrolysezelle (10b, 12b; 10c, 12c) elektrisch in Reihe geschaltet ist.

14. Elektrolyseurvorrichtung (32c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrolysezelle (10c) Teil eines ersten Elektrolyse-Zellenstapels (Stack, 26c) ist und dass die zweite Elektrolysezelle (12c) Teil eines zweiten Elektrolyse- Zellenstapels (Stack, 28c) ist, wobei die Hilfsnetzteile (16c, 18c) dazu vorgesehen sind, die Elektrolyse Zellenstapel (26c, 28c) durch ein, insbesondere voneinander unabhängiges, elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolyse-Zellenstapel (26c, 28c) zueinander auszubalancieren.

15. Elektrolyseur (30a-f), insbesondere Elektrolyseanlage, mit einer Elektrolyseurvorrichtung (32a-f) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

16. Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseurvorrichtung (32a-f)insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einer ersten Elektrolysezelle (10a-f), mit zumindest einer zweiten Elektrolysezelle (12a- f), und mit zumindest einem Hauptnetzteil (14a-f), welches die erste Elektrolysezelle (10a-f) und die zweite Elektrolysezelle (12a-f) gemeinsam mit elektrischer Energie, insbesondere Elektrolyse-Energie, versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezellen (10a-f, 12a-f) durch ein elektrisches Entlasten und/oder elektrisches Speisen der jeweiligen Elektrolysezelle (10a-f, 12a-f) mittels zumindest einem ersten Hilfsnetzteil (16a-f), welches der ersten Elektrolysezelle (1 Oa-f) zugeordnet ist, und mittels zumindest einem zweiten Hilfsnetzteil (18a-f), welches der zweiten Elektrolysezelle (12a-f) zugeordnet ist, zueinander ausbalanciert werden.