EP4781528A1 - Aktives gleichrichtersystem für h2 elektrolyse mit kombiniertem vorlade- und schutzspannungshilfsgleichrichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (16) zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14), um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, mit - einem Energiequellenanschluss (18), - einem Elektrolysevorrichtungsanschluss (20), - einer Trenneinheit (22), die wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) aufweist, - einem einen Gleichspannungszwischenkreis (26) und einen mit dem Wechselrichteranschluss (24) elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss (30) aufweisenden Wechselrichter (28), - einer Steuereinheit (32), und - einer Hilfsschaltung (34), die ausgebildet ist, zumindest den Gleichspannungszwischenkreis (26) zeitlich vor einem Wechsel des Schaltzustands der Trenneinheit (22) auf eine vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung aufzuladen. Erfindungsgemäß ist die Hilfsschaltung (34) ausgebildet, den Gleichspannungszwischenkreis (26) im Anschluss an einen Wechsel des Schaltzustands der Trenneinheit (22) vom eingeschalteten Schaltzustand in den ausgeschalteten Schaltzustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen.

Description

Beschreibung

AKTIVES GLEICHRICHTERSYSTEM FÜR H2 ELEKTROLYSE MIT KOMBINIERTEM VORLADE- UND SCHUTZSPANNUNGSHILFSGLEICHRICHTER

Die Erfindung betri f ft eine Schaltungsanordnung zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz , um die Elektrolysevorrichtung in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, mit einem Energiequellenanschluss zum elektrischen Anschließen an das Energieversorgungsnetz , einem Elektrolysevorrichtungsanschluss zum Anschließen an die Elektrolysevorrichtung, einer mit dem Energiequellenanschluss elektrisch gekoppelten Trenneinheit , die wenigstens einen Wechselrichteranschluss aufweist , wobei die Trenneinheit ausgebildet ist , in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss herzustellen und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss zu trennen, einem einen Gleichspannungs zwischenkreis aufweisenden Wechselrichter, wobei der Wechselrichter wenigstens einen mit dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss aufweist , einer Steuereinheit zumindest zum Steuern des Wechselrichters und der Trenneinheit , wobei die Steuereinheit ausgebildet ist , die Trenneinheit und den Wechselrichter zu steuern, und einer mit dem Energiequellenanschluss und dem Gleichspannungs zwischenkreis elektrisch gekoppelten Hil fsschaltung, die ausgebildet ist , zumindest den Gleichspannungs zwischenkreis zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf zuladen . Die Erfindung betri f ft ferner eine Elektrolyseanlage mit einer Elektrolysevorrichtung und einer Schaltungsanordnung zum elektrischen Koppeln der Elektrolysevorrichtung mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz , um die Elektrolysevorrichtung in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen . Schließlich betri f ft die Erfindung auch ein Verfahren zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz mittels einer Schaltungsanordnung, um die Elektrolysevorrichtung in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei eine Trenneinheit der Schaltungsanordnung in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und einem Wechselrichter der Schaltungsanordnung herstellt und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter trennt , wobei ein Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters mit der Elektrolysevorrichtung elektrisch gekoppelt ist , eine Steuereinheit zumindest die Trenneinheit und den Wechselrichter steuert , und eine mit dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs zwischenkreis elektrisch gekoppelte Hil fsschaltung zumindest den Gleichspannungs zwischenkreis zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgegebene elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf lädt .

Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen, Elektrolyseanlagen mit derartigen Schaltungsanordnungen sowie gattungsgemäße Verfahren sind im Stand der Technik umfänglich bekannt , sodass es eines gesonderten druckschri ftlichen Nachweises hierzu nicht bedarf . Elektrolysevorrichtungen weisen in der Regel eine Viel zahl von Elektrolysezellen auf , die insbesondere der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f dienen . Eine derartige Elektrolysezelle of fenbart zum Beispiel die DE19729529C1 . Die grundlegende Funktion der Elektrolyse , insbesondere der Wasserelektrolyse , ist dem Fachmann bekannt , weshalb von detaillierten Erläuterungen hierzu vorliegend abgesehen wird .

Elektrolysevorrichtungen weisen in der Regel wenigstens eine Elektrolysezelle auf und üblicherweise weisen die Elektrolysevorrichtungen j edoch eine Viel zahl von zumindest teilweise in Reihe geschalteter Elektrolysezellen auf . Die Elektrolysevorrichtung dient unter anderem dazu, vorzugsweise im industriellen Umfang nutzbare Stof fe , beispielsweise Wasserstof f bei einer Wasserelektrolyse , Kohlenmonoxid bei einer Kohlenstof fdioxidelektrolyse oder dergleichen herzustellen . Zu diesem Zweck werden wenigstens zwei Elektroden einer j eweiligen Elektrolysezelle der Elektrolysevorrichtung mit einer geeigneten kleinen elektrischen Gleichspannung beaufschlagt , die im Bereich von einigen wenigen Volt oder eventuell sogar kleiner als ein Volt sein kann . Entsprechend der durch die Elektrolyse bereitzustellenden Stof fmenge wird von einer Elektrolyseenergiequelle ein entsprechender elektrischer Gleichstrom als Elektrolysestrom bereitgestellt . Bei in Reihe geschalteten Elektrolysezellen durchströmt dieser Gleichstrom sämtliche der in Reihe geschalteten Elektrolysezellen . Die Reihenschaltung ist elektrisch mit der Elektrolyseenergiequelle gekoppelt . Darüber hinaus ist es auch möglich, Elektrolysezellen nicht ausschließlich nur in Reihe , sondern zumindest teilweise auch parallel zuschalten .

Die Elektrolyseenergiequelle ist häufig mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt , welches die Elektrolysevorrichtung mit elektrischer Energie versorgt . Zum Zwecke der elektrischen Kopplung ist in der Regel eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die dem Koppeln der Elektrolysevorrichtung mit dem Energieversorgungsnetz dient . Die Schaltungsanordnung ermöglicht es , einen Energiefluss vom Energieversorgungsnetz zur Elektrolysevorrichtung zu steuern, beispielsweise indem die elektrische Kopplung über die Schaltungsanordnung bedarfsweise aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden kann . Das Energieversorgungsnetz nutzt in der Regel eine Wechselspannung, die eine einphasige , vorzugsweise j edoch eine mehrphasige , insbesondere eine dreiphasige , Wechselspannung sein kann .

Wegen der hohen Leistungsanforderung von Elektrolysevorrichtungen, die mit einer entsprechend großen Strombeanspruchung einhergeht , war es bisher üblich, thyristorbasierte Gleichrichtereinheiten einzusetzen, um den erforderlichen Gleichstrom, zum Beispiel in einem Bereich von etwa 7 kA bis etwa l OkA, zu erreichen . Thyristorbasierte Gleichrichtereinheiten erweisen sich j edoch besonders bei großen Leistungen in Bezug auf Rückwirkungen auf das Energieversorgungsnetz als nachteilig, weil besonders bei einer großen Strombeanspruchung starke Verzerrungen auftreten, die Harmonische im Energieversorgungsnetz bewirken . Es ist daher in aller Regel erforderlich, zusätzliche Komponenten, beispielsweise aktive und/oder passive Filter, Leistungs faktorkompensationseinheiten, um Energieversorgungsnetzseitige Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Harmonische , zu erfüllen, sowie Blindleistungskompensationen vorzusehen . Dies hat j edoch entsprechend große zusätzliche Kosten zur Folge .

Daher werden mittlerweile vermehrt Schaltungsanordnungen mit transistorbasierten Wechselrichtern eingesetzt , die es erlauben, durch geeignetes Steuern von durch Transistoren gebildete Wechselrichterschaltelementen des Wechselrichters im Schaltbetrieb die netzseitigen Anforderungen weitgehend zu erfüllen, sodass zusätzliche Filter und Kompensationsmaßnahmen erheblich reduziert werden können, wenn nicht sogar vollständig entfallen können .

Für die bestimmungsgemäße Funktion des Wechselrichters ist in der Regel vorgesehen, dass zu j edem Transistor eine Inversdiode parallelgeschaltet ist . Der Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters weist üblicherweise einen elektrischen Kondensator auf , der für die vorgesehene Nutzung zur Versorgung einer Elektrolysevorrichtung eine entsprechend große elektrische Kapazität aufweist . Bei einer Inbetriebnahme der durch die Elektrolysevorrichtung und in Verbindung mit der Schaltungsanordnung gebildeten Elektrolyseanlage ist es in der Regel erforderlich, den Gleichspannungs zwischenkreis zunächst auf eine vorgegebene Zwischenkreisgleichspannung als Vorladespannung vorzuladen beziehungsweise auf zuladen, bevor der Wechselrichter mit dem Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt wird . Würde nämlich der Wechselrichter mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt , wenn der Gleichspannungs zwischenkreis im wesentlichen Entladen ist , kann ein sehr großer, nahezu unbegrenzter, Strom durch die Freilauf- beziehungsweise Inversdioden auftreten, die dadurch überlastet werden und aus fallen können . Ein Fehler des Wechselrichters wäre die Folge .

Um dieses Problem zu vermeiden, könnte eine am wenigstens einen Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters angeschlossene Induktivität entsprechend groß gewählt werden . Die Größe der Induktivität ist j edoch bei dem vorgesehenen Funktionsbetrieb begrenzt , um die gewünschte Leistung mittels des Wechselrichters realisieren zu können . Daher kann eine große Induktivität einen etwaigen Einschaltstrom nicht hinreichend begrenzen, ohne den bestimmungsgemäßen Betrieb zu stören . Aus diesem Grund wird eine separate Vorladeschaltung vorgesehen, die einen Gleichrichter aufweist , der gleichspannungsseitig am Gleichspannungs zwischenkreis angeschlossen ist . Wechselspannungsseitig ist der Gleichrichter über wenigstens einen elektrischen Widerstand mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt . Dadurch ist es möglich, den Spannungs zwischenkreis auf die vorgegebene Zwischenkreisgleichspannung vorzuladen, bevor die elektrische Kopplung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter über die Trenneinheit hergestellt wird . I st nämlich der Gleichspannungs zwischenkreis auf die vorgegebene Gleichspannung vorgeladen, kann die zuvor beschriebene Problematik weitgehend vermieden werden .

Auch wenn sich die vorgenannte Schaltungsanordnung bewährt hat , verbleibt dennoch Verbesserungsbedarf . Als zumindest teilweise kritisch für eine j eweilige Elektrolysezelle erweist sich unter anderem ein Übergang von oder zu einem vom bestimmungsgemäßen Elektrolysezustand verschiedenen Betriebs zustand . Dies bezieht sich insbesondere zumindest auf ein Anfahren der Elektrolyseanlage beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung oder auch ein Herunterfahren der Elektrolyseanlage beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung . Besonders beim Herunterfahren nach dem bestimmungsgemäßen Betrieb können noch Reststof fe , insbesondere Restgase , in den Elektrolysezellen vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen können, dass in den Elektrolysezellen eine Brennstof f zellenfunktionalität auftreten kann . Hierdurch können die Elektrolysezellen j edoch irreversibel geschädigt werden, weshalb die Brennstof f zellenfunktionalität unbedingt vermieden werden soll .

Die Inbetriebnahme beziehungsweise das Herunterfahren der Elektrolyseanlage erfordert daher in der Regel weitere Maßnahmen, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten . Mit der bekannten Schaltungsanordnung in Verbindung mit der Vorladeschaltung kann dies nicht erreicht werden, weil diese sich für eine erforderliche Steuerungs funktionalität nicht eignen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde , eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung dahingehend weiterzubilden, dass die Zuverlässigkeit des Betriebs der Elektrolyseanlage beziehungsweise Elektrolysevorrichtung verbessert werden kann .

Als Lösung werden mit der Erfindung eine Schaltungsanordnung, eine Elektrolyseanlage sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen . Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche .

In Bezug auf eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung ausgebildet ist , den Gleichspannungs zwischenkreis im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen .

In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolyseanlage wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet ist .

In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung den Gleichspannungs zwischenkreis im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung beaufschlagt .

Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass die Zuverlässigkeit des Betriebs der Elektrolyseanlage beziehungsweise Elektrolysevorrichtung insbesondere dadurch verbessert werden kann, dass die Schaltungsanordnung nicht nur eine Vorladefunktionalität bereitzustellen vermag, sondern bei Bedarf auch eine Schutzspannung bereitstellen kann . Diese Funktionalitäten können durch eine einzige gemeinsame Hil fsschaltung realisiert werden . Es ist also möglich, die Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer Schutzspannung, auch Polarisationsspannung genannt , zu beaufschlagen, die so gewählt ist , dass die unerwünschte Brennstof f zellenfunktionalität weitgehend vermieden werden kann . Bei einer einzelnen Elektrolysezelle zum Elektrolysieren von Wasser kann die Schutzspannung zum Beispiel etwa 1 , 25 V betragen . Sobald die Elektrolysezelle entsprechend abgekühlt und Restgase entfernt sind, kann das Bereitstellen der Schutzspannung deaktiviert werden . Es bedarf also bei der Erfindung keiner weiteren Schutzschaltung beziehungsweise Polarisationsschaltung, weil diese Funktion gleichfalls mit der Hil fsschaltung der Erfindung realisiert werden kann . Dadurch können natürlich nicht nur schaltungstechnischer Aufwand sondern auch steuerungstechnischer Aufwand reduziert werden .

Durch die Erfindung kann insbesondere erreicht werden, dass die im Stand der Technik übliche Vorladeschaltung weitgehend eingespart werden kann, weil diese Funktionalität durch die Hil fsschaltung der Erfindung bereitgestellt werden kann . Darüber hinaus ermöglicht es die Hil fsschaltung der Erfindung, nicht nur den Gleichspannungs zwischenkreis auf die vorgebbare Gleichspannung auf zuladen beziehungsweise vorzuladen, sondern die Hil fsschaltung ermöglicht es ferner, die Elektrolysevorrichtung zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer Schutzspannung zu beaufschlagen, sodass unerwünschte Prozesse in den Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung, die zum Beispiel einen Brennstof f zellenbetrieb zur Folge haben können, weitgehend vermieden werden können . Dadurch kann mittels einer einzigen Zusatzschaltung, nämlich der Hil fsschaltung, ein vollständiges Schutz- beziehungsweise Betriebskonzept erreicht werden, welches einen zuverlässigen Betrieb der Elektrolyseanlagen insgesamt auch bei häufig variierenden Betriebs zustandsänderungen beziehungsweise Lastwechseln, die zum Beispiel auch durch eine Bereitstellbarkeit von elektrischer Energie durch das Energieversorgungsnetz begründet sein können, realisieren kann . Zugleich ermöglicht es die Hil fsschaltung, hinsichtlich der Zuverlässigkeit und des sicheren Betriebs der Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung eine Redundanz zu schaf fen, sodass nicht nur ein Kopplungsvorgang in Bezug auf den Wechselrichter mit dem Energieversorgungsnetz realisiert werden kann, sondern zugleich auch eine parallele Hil fsenergieversorgung für die Elektrolysevorrichtung erreicht werden kann, wenn beispielsweise der Wechselrichter aus fällt oder dergleichen .

Ein Wechselrichter ist ein elektrischer Energiewandler beziehungsweise Energieumformer, der einen Gleichspannungsoder Gleichstromzwischenkreis mit einer Wechselspannung elektrisch koppelt . Die Wechselspannung kann eine einphasige oder mehrphasige , insbesondere dreiphasige , Wechselspannung sein . Zum Energiewandeln beziehungsweise Energieumformen weist der Wechselrichter Schaltelemente auf .

Der transistorbasierte Wechselrichter kann zum Beispiel als Zwei-Pegel-Wechselrichter ausgebildet sein . Darüber hinaus kann der Wechselrichter natürlich auch mehr als lediglich zwei elektrische Potentiale für seine Wandlungs funktion nutzen . Bei einem Wechselrichter, der lediglich zwei Pegel zur Spannungswandlung nutzt , entsprechen die beiden bereitstellbaren elektrischen Potentiale etwa den elektrischen Potentialen, die durch die Zwischenkreisgleichspannung am Gleichspannungs zwischenkreis bereitgestellt sind .

Der Wechselrichter ist vorliegend als transistorbasierter Wechselrichter ausgebildet und weist als Schaltelemente entsprechende Transistoren auf . Die Transistoren des Wechselrichters werden mittels geeigneter Steuersignale in einem Schaltbetrieb betrieben . Die Steuersignale realisieren einen Pulsweitenmodulationsverfahren, wenn der Wechselrichter ausgebildet ist , lediglich zwei elektrische Potentiale zu nutzen, die im Wesentlichen den am Gleichspannungs zwischenkreis zur Verfügung stehenden elektrischen Potentialen entsprechen . Bei anderen Wechselrichterkonstruktionen kann dies natürlich variieren, beispielsweise bei Einsatzes eines Mehr-Pegel-Wechselrichters (M2C ) oder dergleichen . Der Wechselrichter weist wenigstens einen mit dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss auf . Dadurch ist der Wechselrichter wechselspannungsseitig über die Trenneinheit mit dem Energiequellenanschluss verbunden . Der Wechselrichter ist entsprechend der Anzahl der Phasen der genutzten Wechselspannung ausgebildet .

Die Schaltelemente des Wechselrichters wirken mit einem elektrischen Energiespeicher des Wechselrichters zusammen, der häufig durch wechselspannungsseitige angeordnete Induktivitäten gebildet ist . Der Wechselrichter kann als 2- Pegel-Wechselrichter ausgebildet sein, zu welchem Zweck die Schaltelemente nach Art von Halbbrückenschaltungen für j ede der Phasen der Wechselspannung angeordnet sind . Die Halbbrückenschaltungen sind parallelgeschaltet am Gleichspannungs zwischenkreis angeschlossen und weisen j eweilige Mittelanschlüsse auf , die mit den Induktivitäten verbunden sind . An den Mittelanschlüssen werden abhängig von j eweiligen Schalt zuständen der Schaltelemente die zwei elektrischen Potentiale des Gleichspannungs zwischenkreises bereitgestellt . Darüber hinaus sind Wechselrichter bekannt , die mehr als die zwei vorgenannten elektrischen Potentiale nutzen können .

Der Schaltbetrieb eines Transistors bedeutet , dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen j eweiligen die Schaltstrecke bildenden Anschlüssen ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist . Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Transistors hochohmig, das heißt , sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit , sodass auch bei hoher an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer insbesondere vernachlässigbarer elektrischer Stromfluss vorliegt . Hiervon unterscheidet sich in Linearbetrieb, der aber bei Wechselrichtern in der Regel nicht zum Einsatz kommt . Die Schalt zustände des Transistors werden durch ein entsprechendes Steuersignal an dessen Steuerelektrode erreicht . Der Wechselrichter wird vorzugsweise als Netzwechselrichter betrieben, das heißt , dass sein wenigstens einer Wechselspannungsanschluss mit dem Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt ist .

Zum Zwecke des Koppelns des Wechselspannungsanschlusses des Wechselrichters mit dem Energieversorgungsnetz weist die Schaltungsanordnung in der Regel eine Trenneinheit auf , die dem Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter dient . Der Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters ist dagegen mit der Elektrolysevorrichtung koppelbar . Im Elektrolysebetrieb erfolgt ein Energiefluss somit vom Energieversorgungsnetz über dem wenigstens einen Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters und den Wechselrichter zum Gleichspannungs zwischenkreis und von diesem zur Elektrolysevorrichtung .

Das Energieversorgungsnetz ist vorzugsweise ein öf fentliches Energieversorgungsnetz , welches vorzugsweise eine dreiphasige Wechselspannung bei einer Frequenz von etwa 50 Hz oder etwa 60 Hz bereitstellt . Die Erfindung ist j edoch nicht auf die Nutzung derartiger Frequenzen begrenzt und kann unter anderem auch bei Wechselspannungsnetzen zum Einsatz kommen, die eine abweichende Frequenz nutzen, beispielsweise etwa 16 Hz bis etwa 17 Hz , aber auch in einem Bereich von etwa 200 Hz bis etwa 500 Hz . Darüber hinaus kann das Energieversorgungsnetz beispielsweise auch ein Inselnetz sein . Das Inselnetz kann sowohl ein stationäres Netz als auch ein mobiles Netz , beispielsweise ein Energieversorgungsnetz eines Fahrzeugs , insbesondere eines Wasserfahrzeugs , eines Luftfahrzeugs , eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen, sein .

Im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb ist die Elektrolysevorrichtung über die Schaltungsanordnung mit einer geeigneten, für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb erforderlichen Gleichspannung beaufschlagt . Die Schaltungsanordnung stellt einen entsprechenden Elektrolysestrom bereit , sodass die Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung in bestimmungsgemäßer Weise den zu elektrolysierenden Stof f , beispielsweise Wasser, in die Elektrolysebestandteile , bei Wasser zum Beispiel Wasserstof f und Sauerstof f , elektrolysieren kann . Der Energiequellenanschluss der Schaltungsanordnung kann zum Beispiel ein lösbar ausgebildeter Anschluss sein, mit dem die Schaltungsanordnung beziehungsweise die Elektrolyseanlage lösbar mit dem Energieversorgungsnetz elektrisch verbunden werden kann . Der Energiequellenanschluss kann vorzugsweise für eine j eweilige Phase einer mehrphasigen Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes eine eigene elektrische Verbindung bereitstellen . Darüber hinaus können j edoch auch weitere Anschlüsse vorgesehen sein, beispielsweise für einen Nullleiter, einen Erdanschluss und/oder dergleichen . Der Energiequellenanschluss kann j edoch auch fest , das heißt , nicht lösbar, ausgebildet sein, beispielsweise bei einer stationären Anlage , mittels der im großen industriellen Umfang ein Elektrolysevorgang realisiert wird .

Das gleiche gilt im Grunde nach auch für den Elektrolysevorrichtungsanschluss , der die Schaltungsanordnung mit der Elektrolysevorrichtung elektrisch verbindet . Auch dieser kann dem Grunde nach lösbar ausgebildet sein . In Anbetracht der in der Regel üblichen großen Leistung ist dieser Anschluss j edoch häufig nicht lösbar ausgebildet . Sowohl der Energiequellenanschluss als auch der Elektrolysevorrichtungsanschluss können zum Beispiel mittels Schraubverbindungen, Schweißverbindungen, Klemmverbindungen und/oder dergleichen realisiert sein .

Die Schaltungsanordnung weist eine Trenneinheit auf , die elektrisch mit dem Energiequellenanschluss gekoppelt ist . Die Trenneinheit kann wenigstens ein elektromechanisches oder elektronisches Schaltelement aufweisen, beispielsweise ein Schütz , einen oder mehrere Thyristoren, einen oder mehrere Transistoren, Kombinationsschaltungen hiervon und/oder dergleichen . Vorzugsweise ist die Trenneinheit unmittelbar mit dem Energiequellenanschluss elektrisch verbunden . Die Trenneinheit weist darüber hinaus einen Wechseltrichteranschluss auf , der zum Anschluss des Wechselrichters dient . Der Wechselrichter ist vorzugsweise angepasst für die Anzahl der Phasen des Energieversorgungsnetzes ausgebildet , sodass auch der Wechselrichteranschluss und der Energiequellenanschluss entsprechend ausgebildet sind .

Die Trenneinheit ist ausgebildet , in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss herzustellen . In einem ausgeschalteten Schalt zustand ist die Trenneinheit ausgebildet , die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschlusses zu trennen . Vorzugsweise ist bei einer mehrphasigen Wechselspannung für j ede der Phasen der Wechselspannung wenigstens ein eigenes individuelles Schaltelement vorgesehen . Die Schaltelemente der Trenneinheit sind mittels eines Schaltsignals steuerbar, zum Beispiel ein Einschaltsignal und/oder ein Ausschaltsignal . Dadurch kann die Trenneinheit den j eweiligen Schalt zustand abhängig vom Schaltsignal einnehmen .

Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Steuereinheit auf , die dem Steuern des Wechselrichters und der Trenneinheit dient . Die Steuereinheit stellt für die Trenneinheit wenigstens ein Schaltsignal und für den Wechselrichter wenigstens die Steuersignale für die Transistoren bereit , sodass die gewünschte Funktionalität realisiert werden kann . Die Steuereinheit ist vorzugsweise als elektronische Steuereinheit ausgebildet und kann zum Beispiel durch eine Hardwareschaltung, eine programmgesteuerte Rechnereinheit , Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein . Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Hil fsschaltung auf , die wechselspannungsseitig mit dem Energiequellenanschluss und gleichspannungsseitig mit dem Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters elektrisch gekoppelt ist . Die Hil fsschaltung ist ausgebildet , zumindest anhand der über den Energiequellenanschluss bereitgestellten Wechselspannung eine Gleichspannung bereitzustellen und zumindest den Gleichspannungs zwischenkreis zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf die vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf zuladen . Die Vorladespannung ist vorzugsweise derart gewählt , dass die Trenneinheit gefahrlos in den eingeschalteten Schalt zustand wechseln kann, ohne dass der Wechselrichter, insbesondere seine Inversdioden beziehungsweise Freilauf dioden, Schaden nehmen .

Zu diesem Zweck kann die Schaltungsanordnung, insbesondere die Hil fsschaltung oder auch die Steuereinheit , einen geeigneten Spannungssensor zum Erfassen der Zwischenkreisgleichspannung aufweisen . Die Steuereinheit kann das entsprechende Sensorsignal des Spannungssensors auswerten und insbesondere zum Steuern der Trenneinheit nutzen . Darüber hinaus kann die Steuereinheit abhängig vom Sensorsignal auch die Hil fsschaltung steuern, beispielsweise indem die Hil fsschaltung deaktiviert wird, sobald die gewünschte Vorladespannung erreicht ist oder dergleichen . Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit die Hil fsschaltung erst dann aktiviert , wenn neben einem übergeordneten Aktivierungssignal zusätzlich mittels des Spannungssensors erfasst werden kann, dass die Vorladespannung am Gleichspannungs zwischenkreis noch nicht erreicht ist .

Als zumindest teilweise kritisch für eine j eweilige Elektrolysezelle erweist sich unter anderem ein Übergang von oder zu einem vom bestimmungsgemäßen Betriebs zustand verschiedenen Betriebs zustand . Dies bezieht sich insbesondere auf ein Anfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung sowie auch ein Herunterfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung . Besonders beim Herunterfahren im Anschluss an den bestimmungsgemäßen Betrieb können noch Reststof fe , insbesondere Restgase , in der Elektrolysezelle vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen können, dass die Elektrolysezelle eine Brennstof f zellenfunktionalität zeigen kann . Hierdurch kann j edoch die Elektrolysezelle irreversibel beschädigt werden, weshalb die Brennstof f zellenfunktionalität unbedingt vermieden werden soll . Zu diesem Zweck wird die Elektrolysezelle außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs mit der Schutzspannung, auch Polarisationsspannung genannt , beaufschlagt , die so gewählt ist , dass die Brennstof f zellenfunktionalität weitgehend vermieden werden kann . Bei einer Elektrolysezelle zum Elektrolysieren von Wasser kann die Schutzspannung zum Beispiel etwa 1 , 25 V betragen . Sobald die Elektrolysezelle entsprechend abgekühlt und Restgase entfernt sind, kann das Bereitstellen der Schutzspannung deaktiviert werden .

Die Hil fsschaltung ist ausgebildet , den Gleichspannungs zwischenkreis im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustandes der Trenneinheit vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen . Dadurch kann die Elektrolysevorrichtung auch nach einem Beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer elektrischen Gleichspannung, und zwar der Schutzspannung, beaufschlagt werden, sodass unerwünschte gefährliche Zustände von wenigstens einigen der Elektrolysezellen vermieden werden können, wenn beispielsweise in den Elektrolysezellen noch zu elektrolysierende Stof fe oder Elektrolyseprodukte vorhanden sind . Insbesondere kann beim Vorladeprozess vorgesehen sein, dass die Zwischenkreisspannung gemessen und eingestellt wird, zum Beispiel mit einer vorgegebenen Rampe . Im Polarisationsbetrieb wird die Zwischenkreisspannung dagegen zum Beispiel so bereitgestellt , dass die Zellenspannungen der Elektrolysezellen, zum Beispiel bereitgestellt aus einer Zellenspannungsmessung oder berechnet aus einer Stackspannungsmessung, ausgewertet und ein Zellenstrom so lange erhöht wird, bis alle Elektrolysezellen oberhalb der Schutzspannung liegen .

Mit der Erfindung ist es also möglich, eine Schutz funktion für die Elektrolysevorrichtung, insbesondere für deren Elektrolysezellen zu realisieren, ohne dass eine separate zusätzliche Vorrichtung hierfür erforderlich ist . Vielmehr kann die Hil fsschaltung, die unter anderem dem Vorladevorgang dient , dazu genutzt werden, auch die entsprechende Schutz funktionalität für die Elektrolysevorrichtung beziehungsweise deren Elektrolysezellen außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs zu realisieren . Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit einen entsprechenden Betriebs zustand außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs zustands bestimmen, der eine Schutz funktionalität erfordert und ein entsprechendes Steuersignal für die Hil fsschaltung bereitstellen, sodass die Hil fsschaltung die Schutzspannung in geeigneter Weise bereitstellt . Die Schutzspannung ist in der Regel abweichend von der Vorladespannung, sodass die Hil fsschaltung hinsichtlich der bereitzustellenden Spannung einstellbar ausgebildet ist . Die Hil fsschaltung realisiert also nicht nur eine bloße Gleichrichterfunktionalität , um elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz zu nutzen, sondern sie ist in der Lage , diese Energie in Form einer Gleichspannung, die in geeigneter Weise einstellbar ist , bereitzustellen . Beispielsweise kann hierfür ein einstellbarer elektrischer Widerstand genutzt werden, mit dem die gewünschte Einstellung realisiert werden kann .

Darüber hinaus wird j edoch vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung eine Gleichrichterschaltung mit wenigstens einem steuerbaren elektronischen Schaltelement aufweist . Das elektronische Schaltelement kann beispielsweise ein Thyristor oder auch ein Transistor sein, der im Schaltbetrieb betrieben wird . Vorzugsweise ist die Gleichrichterschaltung als Vollbrückenschaltung ausgebildet . In der Vollbrückenschaltung sind besonders bevorzugt sämtliche elektronische Schaltelemente als Thyristoren oder Transistoren ausgebildet . Dadurch ist es möglich, die Zwischenkreisspannung am Gleichspannungs zwischenkreis mittels der Hil fsschaltung nahezu kontinuierlich einzustellen, sodass sowohl die Vorladespannung als auch die Schutzspannung unabhängig voneinander realisierbar sind . Die Hil fsschaltung kann ausgebildet sein, zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder nur die Schutzspannung oder nur die Vorladespannung bereitzustellen . Darüber hinaus besteht natürlich auch die Möglichkeit , dass die Hil fsschaltung die Vorladespannung und die Schutzspannung zumindest teilweise zeitgleich bereitstellt und bedarfsgerecht zwischen den bereitzustellenden Spannungen umschaltet . Zu diesem Zweck kann eine entsprechende Umschalteinheit vorgesehen sein, die ebenfalls von der Steuereinheit steuerbar sein kann .

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist , zumindest die Hil fsschaltung in einem Vorladebetrieb und einem Schutzbetrieb zu steuern . Dadurch kann auf einfache Weise eine geeignete Steuerfunktionalität realisiert werden .

Es wird ferner vorgeschlagen, dass zumindest die Trenneinheit und der Wechselrichter für einen Betrieb an einer mehrphasigen Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes ausgebildet sind .

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung einen elektrischen Energiespeicher aufweist . Mit dem Energiespeicher ist es möglich, die Hil fsschaltung zumindest zeitweise unabhängig von der Verfügbarkeit von elektrischer Energie des Energieversorgungsnetzes zu betreiben . Dies ist insbesondere von dann Vorteil , wenn das Energieversorgungsnetz instabil ist und während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs Störungen, insbesondere Versorgungsaus fälle , auftreten können . Wie bereits erläutert , kann dies für die Elektrolysevorrichtung nachteilig sein . Durch den Energiespeicher ist es mittels der Hil fsschaltung möglich, insbesondere die Schutzspannung unabhängig von der Verfügbarkeit des Energieversorgungsnetzes bereitzustellen, sodass die Schutzspannung auch bei einem plötzlichen Energieaus fall mittels der Hil fsschaltung in zuverlässiger Weise bereitgestellt werden kann . Dies erweist sich als besonders vorteilhaft , wenn die Bereitstellung von elektrischer Energie über das Energieversorgungsnetz plötzlich schwankt und aus fällt . Die Hil fsschaltung kann in diesem Fall nahezu unverzüglich die erforderliche Schutzspannung bereitstellen . Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator oder dergleichen sein . Der Energiespeicher kann j edoch auch einen elektromechanischen Generator, der beispielsweise mittels einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist , eine Brennstof f zellenvorrichtung, oder dergleichen umfassen .

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Vorladespannung und die Schutzspannung voneinander unterschiedlich sind . Die Vorladespannung und die Schutzspannung können somit im Wesentlichen unabhängig voneinander vorgegeben und bereitgestellt werden . Vorzugsweise bedarf es wenigstens eines geeigneten Steuersignals , welches vorzugsweise von der Steuereinheit bereitgestellt sein kann, und anhand welchen die Hil fsschaltung entweder die Vorladespannung oder die Schutzspannung bereitstellt . Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass die Schutzspannung und die Vorladespannung durch die Hil fsschaltung selbst bestimmt sind, beispielsweise fest eingestellt sein können, und mittels der Steuereinheit lediglich ein Steuersignal bereitgestellt wird, welches der Hil fsschaltung vorgibt , die Vorladespannung oder die Hil fsspannung bereitzustellen . Dem Grunde nach besteht natürlich auch die Möglichkeit , dass die Hil fsschaltung außerhalb der bestimmungsgemäßen Funktion der Bereitstellung der Vorladespannung und der Schutzspannung deaktiviert werden kann . Hierzu kann die Steuereinheit zum Beispiel ein geeignetes Deaktivierungssignal für die Hil fsschaltung bereitstellen .

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ein Aktivierungssignal zum Aktivieren des Elektrolysebetriebs empfängt und abhängig vom Empfangen des Aktivierungssignals zunächst die Hil fsschaltung zum Bereitstellen der Vorladespannung aktiviert und anschließend einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auslöst . Das Aktivierungssignal kann von einer übergeordneten Steuerung der Elektrolyseanlage oder dergleichen kommen . Das Aktivierungssignal kann zum Beispiel durch einen Leitstand bereitgestellt sein . Die Steuereinheit wertet das Aktivierungssignal aus und bestimmt vorzugsweise einen Einschaltzeitpunkt beziehungsweise einen Einschaltzeitraum für den Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand . Abhängig von diesem Zeitpunkt beziehungsweise Zeitraum wird die Hil fsschaltung vorzugsweise zeitlich vorher so angesteuert , dass die Hil fsschaltung die Vorladespannung bis zum vorgegeben Zeitpunkt beziehungsweise Zeitraum bereitzustellen vermag . Dadurch kann ein zuverlässiger Betrieb insbesondere beim Wechseln der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand erreicht werden . I st der Gleichspannungs zwischenkreis nicht vollständig entladen, kann vorgesehen sein, dass dies mittels des Spannungssensors erfasst und für die Bestimmung der Aktivierung der Hil fsschaltung berücksichtig wird . Dadurch kann - abhängig vom Ladungs zustand des Gleichspannungs zwischenkreises - ein angepasster Zeitversatz zwischen dem Aktivieren der Hil fsschaltung zum Bereitstellen der Vorladespannung und dem Auslösen des Wechselns des Schalt zustands der Trenneinheit erreicht werden .

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Schutzspannung durch die Hil fsschaltung für einen vorgegebenen Zeitraum bereitgestellt wird und das Bereitstellen im Anschluss an den vorgegeben Zeitraum beendet wird . Es kann vorgesehen sein, dass die Hil fsschaltung die Vorladespannung für den vorgegebenen Zeitraum bereitstellt . Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Hil fsschaltung dann deaktiviert werden, um das Bereitstellen der vorgegebenen Vorladespannung zu beenden . Die Hil fsschaltung braucht deshalb während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs nicht dauerhaft in Betrieb zu sein . Vielmehr kann sie beispielsweise bereits mit dem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit deaktiviert werden . Die Deaktivierung kann auch kurz nach dem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit erfolgen, um zum Beispiel eine gewisse zeitliche Redundanz zur Verfügung zu haben .

Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage und umgekehrt . Insofern können Verfahrensmerkmale auch als Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein .

Für Anwendungs fälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht expli zit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Auf forderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initial zustand eingestellt wird .

Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begri f fes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst .

Bei den im Folgenden erläuterten Aus führungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung . Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale , Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar . Es sind somit auch Aus führungen von der Erfindung umfasst beziehungsweise als of fenbart anzusehen, die in den Figuren nicht expli zit gezeigt und erläutert sind, j edoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Aus führungs formen hervorgehen und erzeugbar sind . Die anhand der Aus führungsbeispiele dargestellten Merkmale , Funktionen und/oder Wirkungen können für sich genommen j eweils einzelne , unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale , Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung j eweils auch unabhängig voneinander weiterbilden . Daher sollen die Aus führungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Aus führungs formen umfassen . Darüber hinaus können die beschriebenen Aus führungs formen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale , Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein .

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugs zeichen gleiche Merkmale und Funktionen .

Es zeigen :

FIG 1 eine schematische Schaltbilddarstellung einer an einem Energieversorgungsnetz angeschlossenen Elektrolyseanlage zum Elektrolysieren von Wasser ; und

FIG 2 eine schematische Schaltbilddarstellung einer an einem Energieversorgungsnetz angeschlossenen Elektrolyseanlage zum Elektrolysieren von Wasser, die eine Hil fsschaltung aufweist .

FIG 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Elektrolyseanlage 10 , die über eine erste Schaltungsanordnung 50 an ein Energieversorgungsnetz 14 angeschlossen ist , welches eine dreiphasige Wechselspannung bereitstellt . Im vorliegenden Fall ist die dreiphasige Wechselspannung eine Spannung mit einem Ef fektivwert von etwa 900 V bei einer Frequenz von etwa 50 Hz . Die erste Schaltungsanordnung 50 dient dazu, die Elektrolysevorrichtung 12 in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen . Die Elektrolysevorrichtung 12 dient vorliegend der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f und weist eine Viel zahl von nicht weiter dargestellten Elektrolysezellen auf , die zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind .

Das Energieversorgungsnetz 14 stellt vorliegend die dreiphasige Wechselspannung bereit . Die Schaltungsanordnung 50 weist einen Energiequellenanschluss 18 auf , an dem das Energieversorgungsnetz 14 , das heißt , die vorliegend drei Phasen des Energieversorgungsnetzes 14 , angeschlossen sind . Darüber hinaus weist die Schaltungsanordnung 50 einen Elektrolysevorrichtungsanschluss 20 auf , an dem die Elektrolysevorrichtung 12 angeschlossen ist .

Ferner weist die Schaltungsanordnung 50 eine Trenneinheit 22 auf , die am Energiequellenanschluss 18 angeschlossen ist . Die Trenneinheit 22 weist darüber hinaus einen Wechselrichteranschluss 24 auf . Die Trenneinheit 22 ist ausgebildet , in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss 18 und dem Wechselrichteranschluss 24 herzustellen und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss 18 und dem Wechselrichteranschluss 24 zu trennen . Der Energiequellenanschluss 18 und der Wechselrichteranschluss 24 sind vorliegend für einen Betrieb an der dreiphasigen Wechselspannung angepasst ausgebildet . Zu diesem Zweck weist die Trenneinheit 22 im Übrigen für j ede der Phasen der Wechselspannung ein j eweiliges elektromechanisches Schaltelement in Form eines Schützes auf . Die Schaltungsanordnung 50 weist ferner einen transistorbasierten Wechselrichter 28 auf , der einen Gleichspannungs zwischenkreis 26 und einen mit dem Wechselrichteranschluss 24 elektrisch verbundenen Wechselspannungsanschluss 30 aufweist . Der Wechselrichter 28 ist vorliegend ebenfalls für einen Betrieb an einer dreiphasigen Wechselspannung ausgelegt . Der Wechselrichter 28 weist zum Zwecke der Energieumformungs funktionalität hierfür drei j eweilige Halbrückenschaltungen aus j eweiligen Transistoren 54 auf , die am Gleichspannungs zwischenkreis 26 parallelgeschaltet angeschlossen sind . Zu j edem Transistor 54 ist eine j eweilige Inversdiode 56 parallelgeschaltet . Mittelabgri f fe der j eweiligen Halbbrückenschaltungen sind über j eweilige Induktivitäten 52 an j eweilige Phasenanschlüsse des Wechselspannungsanschlusses 30 angeschlossen . In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Transistoren 54 durch MOSFET gebildet sein können . In alternativen Ausgestaltungen können hier natürlich auch andere Transistoren zum Einsatz kommen, beispielsweise bipolare Transistoren, Feldef fekttransistoren oder dergleichen .

Sowohl die Schaltelemente 58 der Trenneinheit 22 als auch die Transistoren 54 des Wechselrichters 28 können durch geeignete Steuersignale einer Steuereinheit 32 betrieben werden . Im vorliegenden Fall ist der Wechselrichter 28 als 2-Pegel- Wechselrichter ausgebildet und die Steuersignale für die Transistoren 54 der Steuereinheit 32 dienen der Realisierung einer j eweiligen Pulsweitenmodulation für einen j eweilige der Phasen der Wechselspannung . Das Funktionsprinzip der Pulsweitenmodulation bei einem Wechselrichter ist dem Fachmann bekannt , weshalb von weiteren Aus führungen hierzu vorliegend abgesehen wird . Die Steuereinheit 32 ist Bestandteil der Elektrolyseanlage 10 , vorzugsweise der Schaltungsanordnung 50 .

Der Wechselrichter 28 wird vorliegend als Netzwechselrichter betrieben . Mittels des Wechselrichters 28 kann eine Gleichrichterfunktionalität realisiert werden, um den Gleichspannungs zwischenkreis 26 auf eine vorgegebene Gleichspannung für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb auf zuladen . Zu diesem Zweck weist der Gleichspannungs zwischenkreis 26 einen elektrischen Kondensator 60 auf .

Während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs ist die Trenneinheit 22 im eingeschalteten Schalt zustand, sodass der Wechselrichter 28 als Netzwechselrichter mit den j eweiligen Phasen der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 14 elektrisch verbunden ist . Durch geeigneten Betrieb der Transistoren 54 wird am Gleichspannungs zwischenkreis 26 eine Zwischenkreisgleichspannung bereitgestellt , die in einem eingeschalteten Schalt zustand einer Schalteinheit 62 auf die Elektrolysevorrichtung 12 gegeben wird . Über die Schalteinheit 62 , die ebenfalls elektromechanische Schaltelemente oder elektronische Schaltelemente aufweisen kann, kann die Elektrolysevorrichtung 12 elektrisch von der Schaltungsanordnung 50 getrennt werden . Die Schaltelemente der Schalteinheit 62 können dem Grunde nach wie bei der Trenneinheit 22 ausgebildet sein .

Soll die Elektrolysevorrichtung 12 über die Schaltungsanordnung 50 mit elektrischer Energie versorgt werden und ist der Gleichspannungs zwischenkreis 26 beziehungsweise dessen Kondensator 60 entladen, würde ein Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand dazu führen, dass die Phasen der Wechselspannung über die Inversdioden 56 unmittelbar auf den Kondensator 60 einwirken und einen großen Stromfluss , beispielsweise nach Art eines Kurzschlusses , verursachen können . Dadurch können die Inversdioden 56 überlastet werden, und es besteht die Gefahr der Zerstörung .

Um diesen Missstand zu beheben, weist die Elektrolyseanlage

10 eine Vorladeschaltung 46 auf , die einerseits an die Energiequellenanschlüsse 18 und andererseits an den Gleichspannungs zwischenkreis 26 angeschlossen ist . Die Vorladeschaltung 46 weist eine weitere Trenneinheit 40 auf , die vorliegend ebenfalls elektromechanische Schaltelemente nach Art eines Schützes aufweist . Die Trenneinheit 40 ist über elektrische Widerstände 42 für eine j eweilige der Phasen an eine Wechselspannungsseite eines dreiphasigen Brückengleichrichters 48 angeschlossen . Der dreiphasige Brückengleichrichter 48 weist Dioden 44 auf . Gleichspannungsseitig ist der Brückengleichrichter 48 an den Gleichspanungs zwischenkreis 26 angeschlossen . Vorliegend ist vorgesehen, dass die Vorladeschaltung 46 an alle drei Phasen der Wechselspannung angeschlossen ist . In alternativen Ausgestaltungen kann dagegen vorgesehen sein, dass die Vorladeschaltung 46 an wenigstens eine der drei Phasen der Wechselspannung angeschlossen ist .

Zur Inbetriebnahme des Wechselrichters 28 ist nunmehr vorgesehen, dass zunächst die Trenneinheit 40 mittels eines entsprechenden Vorladeeinschaltsignals der Steuereinheit 32 in den eingeschalteten Schalt zustand geschaltet wird, bevor die Trenneinheit 22 in den geschalteten Schalt zustand wechselt . Dadurch kann die Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 14 über die elektrischen Widerstände 42 und den Brückengleichrichter 48 den Gleichspannungs zwischenkreis 26 auf eine Vorladespannung aufladen . Die Vorladespannung ist vorzugsweise so gewählt , dass ein Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 in den eingeschalteten Schalt zustand den vorgenannten Nachteil beim Einschalten des Wechselrichters 28 vermeidet . Vorzugsweise ist die Vorladespannung im Wesentlichen entsprechend etwa einer Amplitude der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 14 gewählt .

Sobald die Vorladespannung am Gleichspannungs zwischenkreis 26 erreicht ist , kann mittels der Steuereinheit die Trenneinheit 22 entsprechend angesteuert werden, sodass diese in den eingeschalteten Schalt zustand wechselt und somit den Wechselrichter 28 mit dem Energieversorgungsnetz 14 elektrisch koppelt .

Nachdem die Kopplung zwischen dem Energieversorgungsnetz 14 und dem Wechselrichter 28 hergestellt ist , kann die Steuereinheit 32 die Vorladeschaltung 46 bei Bedarf deaktivieren, indem die Trenneinheit 40 entsprechend mit einem Vorladeabschaltsignal angesteuert wird, sodass die Trenneinheit 40 in den ausgeschalteten Schalt zustand wechselt .

Die Vorladeschaltung 46 ermöglicht es zwar, eine Vorladefunktionalität für den Gleichspannungs zwischenkreis 26 zu realisieren, j edoch eignet sich diese Schaltung nicht dazu, auch eine Schutzspannung für die Elektrolysevorrichtung 12 bereitzustellen, um beispielsweise ein Anfahren des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs beziehungsweise ein Herunterfahren nach beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs der Elektrolysevorrichtung 12 zu ermöglichen . Hierzu bedürfte es einer von der Vorladespannung abweichenden Schutzspannung .

FIG 2 zeigt in einer weiteren schematischen Schaltbilddarstellung wie FIG 1 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Elektrolyseanlage 10 mit einer Schaltungsanordnung 16 anstelle der Schaltungsanordnung 50 , bei der eine Hil fsschaltung 34 anstelle der Vorladeschaltung 46 installiert ist und mit deren Hil fe es möglich ist , sowohl die Vorladefunktionalität als auch die Schutz funktionalität realisieren zu können . Auch die Hil fsschaltung 34 ist vorliegend hierzu an die Steuereinheit 32 angeschlossen, um entsprechend gesteuert werden zu können . Die Hil fsschaltung 34 ist vorzugsweise Bestandteil der Schaltungsanordnung 16 .

Die Ausgestaltung gemäß FIG 2 basiert auf der Ausgestaltung gemäß FIG 1 , weshalb im Folgenden lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß FIG 1 erläutert werden . Die Schaltungsanordnung 16 gemäß FIG 2 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 50 gemäß FIG 1 dadurch, dass die Vorladeschaltung 46 durch die Hil fsschaltung 34 ersetzt ist . Darüber hinaus unterscheidet sich die Hil fsschaltung 34 von der Vorladeschaltung 46 dadurch, dass die Widerstände 42 und der Brückengleichrichter 48 durch eine Gleichrichterschaltung 36 ersetzt ist , die im Wesentlichen ebenfalls einer Schaltungsstruktur einer dreiphasigen Brückenschaltung basiert , bei der j edoch die Dioden des Brückengleichrichters 48 durch Thyristoren 38 ersetzt sind . Die Thyristoren 38 werden durch geeignete Steuersignale der Steuereinheit 32 gesteuert .

Durch die Nutzung von Thyristoren und die Weglassung der elektrischen Widerstände 42 ist es möglich, nicht nur die Vorladespannung mit der Hil fsschaltung 34 bereitzustellen, sondern darüber hinaus auch eine entsprechende Schutzspannung für eine Schutz funktionalität der Elektrolysevorrichtung 12 außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs zu realisieren . Zu diesem Zweck können die Thyristoren 38 entsprechend angesteuert werden, sodass der Kondensator 60 des Gleichspannungs zwischenkreises 26 sukzessive mit möglichst kleinen Spannungsdi f ferenzen zwischen j eweiligen Zündzeitpunkten anliegenden Spannungswerten und einer aktuellen Zwischenkreisgleichspannung aufgeladen werden kann . Dadurch ist es möglich, die Vorladespannung am Gleichspannungs zwischenkreis 26 auf einfache Weise zu erreichen . Durch die Nutzung der Thyristoren 38 ist es darüber hinaus möglich, den Auf ladevorgang zu verkürzen und so einen möglichst ef fi zienten kurzen Auf ladevorgang zu realisieren . Dies kann mit vergleichsweise geringem Hardware- Aufwand erreicht werden .

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit , dass nach einem Deaktivieren des Wechselrichters 28 und einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mittels geeigneter Steuersignale für die Thyristoren 38 eine geeignete Schutzspannung für die Elektrolysevorrichtung 12 bereitgestellt werden kann, sodass die eingangs erwähnten Probleme beim Herunterfahren der Elektrolyseanlage 10 nach Beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysevorgangs vermieden werden können .

Darüber hinaus kann mit der Hil fsschaltung 34 zum Beispiel auch ein Anfahren der Elektrolysevorrichtung 12 realisiert werden, in dem eine geeignete Schutzspannung bereitgestellt wird, bevor die Trenneinheit 22 vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand wechselt . Hierzu kann vorgesehen sein, dass , sobald die Steuereinheit 32 einen Zeitpunkt für den Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand bestimmt hat , kurz zeitlich vor diesem Zeitpunkt mittels der Hil fsschaltung 34 ein Vorladen des Gleichspannungs zwischenkreises auf die Vorladespannung realisiert werden kann . Mit der Hil fsschaltung 34 kann dies zeitlich sehr schnell erfolgen, sodass negative Auswirkungen auf die Elektrolysevorrichtung 12 weitgehend vermieden werden können . Sobald die Vorladespannung erreicht ist , wird mittels eines geeigneten Einschaltsignals der Steuereinheit 32 der Schalt zustand der Trenneinheit 22 gewechselt , sodass der eingeschaltete Schalt zustand eingenommen wird . Durch Aktivieren des Wechselrichters 28 kann dann die gewünschte Energieversorgungs funktionalität für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb aufgenommen werden, sodass der be stimmungs gemäße Elektrolysebetrieb durch die Elektrolysevorrichtung 12 realisiert werden kann .

Mittels der erfindungsgemäßen Hil fsschaltung 34 ist es somit möglich, eine Schutzspannung nicht nur nach einem Beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs bereitzustellen, sondern dies auch bereits für ein Anfahren der Elektrolysevorrichtung 12 zur Aufnahme des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs zu realisieren . Dabei kann dies mit einem begrenzten Aufwand kostengünstig realisiert werden . Die Aus führungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken .

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung (16) zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14) , um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, mit

- einem Energiequellenanschluss (18) zum elektrischen Anschließen an das Energieversorgungsnetz (14) ,

- einem Elektrolysevorrichtungsanschluss (20) zum Anschließen an die Elektrolysevorrichtung (12) ,

- einer mit dem Energiequellenanschluss (18) elektrisch gekoppelten Trenneinheit (22) , die wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) aufweist, wobei die Trenneinheit (22) ausgebildet ist, in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss (18) und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) herzustellen und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss (18) und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) zu trennen,

- einem einen Gleichspannungszwischenkreis (26) aufweisenden Wechselrichter (28) , wobei der Wechselrichter (28) wenigstens einen mit dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss (30) aufweist,

- einer Steuereinheit (32) zumindest zum Steuern des Wechselrichters (28) und der Trenneinheit (22) , wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Trenneinheit (22) und den Wechselrichter (28) zu steuern, und

- einer mit dem Energiequellenanschluss (18) und dem Gleichspannungszwischenkreis (26) elektrisch gekoppelten Hilfsschaltung (34) , die ausgebildet ist, zumindest den Gleichspannungszwischenkreis (26) zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung aufzuladen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (34) ausgebildet ist, den Gleichspannungszwischenkreis (26) im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (34) eine Gleichrichterschaltung (36) mit wenigstens einem steuerbaren elektronischen Schaltelement (38) aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit

(32) ausgebildet ist, zumindest die Hilfsschaltung (34) in einem Vorladebetrieb und einem Schutzbetrieb zu steuern.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Trenneinheit (22) und der Wechselrichter (28) für einen Betrieb an einer mehrphasigen Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes (14) ausgebildet sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung

(34) einen elektrischen Energiespeicher aufweist.

6. Elektrolyseanlage (10) mit einer Elektrolysevorrichtung (12) und einer Schaltungsanordnung (16) zum elektrischen Koppeln der Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14) , um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.

7. Verfahren zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14) mittels einer Schaltungsanordnung (16) , um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei

- eine Trenneinheit (22) der Schaltungsanordnung (16) in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz (14) und einem Wechselrichter (28) der Schaltungsanordnung (16) herstellt und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz (14) und dem Wechselrichter (28) trennt, wobei ein Gleichspannungszwischenkreis (26) des Wechselrichters (28) mit der Elektrolysevorrichtung (12) elektrisch gekoppelt ist,

- eine Steuereinheit (32) zumindest die Trenneinheit (22) und den Wechselrichter (28) steuert, und

- eine mit dem Energieversorgungsnetz (14) und dem Gleichspannungszwischenkreis (26) elektrisch gekoppelte Hilfsschaltung (34) zumindest den Gleichspannungszwischenkreis (12) zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgegebene elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf lädt , dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (34) den Gleichspannungszwischenkreis (26) im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung beaufschlagt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladespannung und die Schutzspannung voneinander unterschiedlich sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (32) ein Aktivierungssignal zum Aktivieren des Elektrolysebetriebs empfängt und abhängig vom Empfangen des Aktivierungssignals zunächst die Hilfsschaltung (34) zum Bereitstellen der Vorladespannung aktiviert und anschließend einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auslöst.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzspannung durch die Hilfsschaltung (34) für einen vorgegebenen Zeitraum bereitgestellt wird und das Bereitstellen im Anschluss an den vorgegebenen Zeitraum beendet wird.