WO2024008549A2 - Operation of an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells - Google Patents

Operation of an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells Download PDF

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WO2024008549A2
WO2024008549A2 PCT/EP2023/067832 EP2023067832W WO2024008549A2 WO 2024008549 A2 WO2024008549 A2 WO 2024008549A2 EP 2023067832 W EP2023067832 W EP 2023067832W WO 2024008549 A2 WO2024008549 A2 WO 2024008549A2
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electrolysis
cell
voltage
current
support device
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Sven Schumann
Marvin Bendig
Markus Engel
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60Constructional parts of cells
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water

Definitions

  • the invention relates to a support device for an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells, with connection contacts for electrical coupling to respective electrodes of the electrolysis cells.
  • the invention further relates to an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells.
  • the invention relates to a method for operating an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells, wherein respective electrodes of the electrolysis cells are electrically coupled to connection contacts of the support device for electrical coupling with a support device for the electrolysis device.
  • Electrolysis devices, support devices for them and methods for operating electrolysis devices are extensively known in the prior art, so that there is basically no need for separate printed evidence for this.
  • Generic electrolysis cells and electrolysis devices, in particular for the electrolysis of water to hydrogen and oxygen, are extensively known in the prior art, for example from DE 197 29 429 CI.
  • the basic function of electrolysis, in particular water electrolysis, is known to those skilled in the art, which is why detailed explanations are not provided here.
  • Electrolysis devices which have a single, but in particular a large number of electrolysis cells, which are usually at least partially electrically connected in series, serve, among other things, to produce substances which can preferably be used on an industrial scale, for example hydrogen in water electrolysis, carbon monoxide in carbon dioxide electrolysis. to produce electrolysis or the like.
  • a suitable small electrical direct voltage which can be in the range of a few volts or possibly even less than 1 V.
  • an electrolysis energy source provides a corresponding electrical direct current as electrolysis current.
  • electrolysis cells When electrolysis cells are connected in series, this direct current flows through all of the battery cells connected in series.
  • the series connection is electrically coupled to an electrolysis energy source. Basically, however, it is also possible to connect electrolytic cells not only in series, but also at least partially in parallel.
  • a membrane is often provided which separates respective reaction chambers of respective reaction areas of a respective electrolysis cell, in which respective electrodes are arranged.
  • a catalyst is often arranged on such a membrane to enable or catalytically accelerate the electrolysis process.
  • the electrolysis is usually brought about by the fact that the electrodes of a respective electrolysis cell are subjected to the electrolysis current or a suitable electrical direct voltage, also called cell voltage, during normal operation.
  • What proves to be at least partially critical for a respective electrolysis cell is, among other things, a transition from or to an operating state that is different from the intended operating state. This refers in particular to starting up the electrolysis cell or the electrolysis device as well as shutting down the electrolysis cell or the electrolysis device. Particularly when shutting down after normal operation, residues, especially dissolved or gaseous residues, can still form. se, be present in the electrolytic cell, which under certain circumstances can lead to the electrolytic cell being able to display fuel cell functionality. However, this can cause irreversible damage to the electrolytic cell, which is why the fuel cell functionality should be avoided at all costs.
  • a protective voltage also called polarization voltage
  • the protection voltage can be approximately 1.25 V.
  • Generic support devices serve, among other things, to support or be able to achieve safe operation of the electrolysis cells, in particular the electrolysis device.
  • the electrolysis cells are electrically connected to the support device, so that the electrolysis cells can be supplied with a polarization current independently of one another.
  • Such a device is disclosed, for example, in EP 3 982 501 Al.
  • electrolysis cells age differently from one another and/or can have different characteristics. This can prove particularly problematic when electrolytic cells are connected in series if a protective voltage is to be provided as a polarization voltage by a voltage applied to the series connection. Due to the different aging or characteristics, it can happen that, particularly when the electrolytic cells are connected in series, the voltage applied to the series connection is not evenly distributed among all electrolytic cells connected in series. Hence it is then It is necessary to choose the electrical voltage of the series connection so high that the protective voltage can still be reliably achieved for the most unfavorable electrolytic cell. However, this means that the other cells are subjected to a correspondingly high voltage, which can be significantly greater than the protective voltage, so that they continue to be operated in electrolysis mode. To avoid an explosive mixture in these electrolysis cells, it is therefore common practice to flush with nitrogen.
  • the invention is based on the object of enabling improved operation of the electrolysis cells and the electrolysis device and of specifying a corresponding method.
  • the invention in particular proposes that the support device has at least one voltage detection unit for detecting a cell voltage of a respective electrolytic cell, as well as an evaluation unit, which is coupled in terms of signals to the at least one voltage detection unit, for determining at least one cell characteristic or at least one aging state for one each of the electrolysis cells, wherein a number of controllable electronic power source circuits corresponding to the plurality of electrolysis cells is provided, wherein a respective one of the current source circuits is electrically coupled to electrodes of a respective one of the electrolysis cells and is designed to provide the respective electrolysis cell to be individually supplied with a direct current, which can be adjusted depending on a current source control signal.
  • the invention particularly proposes that the electrolysis device has a support device according to the invention.
  • the invention in particular proposes that cell voltages of the electrolysis cells be detected by means of at least one voltage detection unit of the support device that is electrically coupled to the connection contacts, the voltage detection unit providing a respective voltage signal depending on the electrical voltage detected in each case, the voltage signals be evaluated by means of an evaluation unit in order to determine at least one cell characteristic or at least one aging condition for a respective electrolytic cell.
  • the invention is based, among other things, on the idea of detecting the cell voltages of the individual electrolytic cells, especially when the electrolytic cells are connected in series, and evaluating them using the evaluation unit.
  • the evaluation unit can then determine at least one cell characteristic or at least one aging state based on this data. For this purpose, it can be taken into account, for example, which cell current is or was applied to each of the electrolysis cells. Of course, both the cell characteristics and the aging condition of the respective electrolytic cell can also be determined.
  • This data can be used to operate the electrolytic cells better individually, for example by individually setting a cell current, so that the electrolytic cells can be operated individually as best as possible in their most favorable operating state.
  • data is provided that allows the load capacity of the respective electrolysis cell to be recognized.
  • This resilience which can also include the aging condition, can be used to be able to adjust the performance of the electrolytic cell within a predetermined operating range. This can be used, for example, to vary or adjust an electrolysis output of the electrolysis device or the like.
  • a low electrolysis output is to be activated, it is advantageous to operate the electrolysis cells with an unfavorable aging condition, if possible, whereas if a high electrolysis output is desired, it is preferable to activate electrolysis cells with a low aging condition, that is, preferably essentially new electrolysis cells .
  • a low aging condition that is, preferably essentially new electrolysis cells .
  • the knowledge that a cell voltage can arise at a given cell current depending on the aging condition is used. For a given cell current, the cell voltage generally increases as the cell ages.
  • the aging condition of the electrolytic cell can therefore be determined, for example, based on the operating parameters of the electrolytic cell.
  • Operating parameters can be, for example, the cell voltage, a cell current, a temperature of the electrolytic cell, values of fluid flows such as liquids and/or gases or the like.
  • the cell voltage also depends, among other things, on the activation of catalysts and can be dependent on the like.
  • improved operation of the electrolysis cells of the electrolysis device and thus also of the electrolysis device as a whole can be achieved.
  • the support device of the invention makes it possible to start up or shut down the electrolysis device in a safer and more reliable manner overall.
  • This can be achieved, among other things, by detecting the respective cell voltages of the electrolytic cells during normal operation and/or during startup or shutdown and taking them into account for setting a respective cell current.
  • the respective cell current can preferably also be taken into account. This is preferably done depending on the determined cell characteristics or the determined aging state.
  • the cell characteristics can include, for example, an individual characteristic curve, possibly further cell parameters and/or the like of a respective electrolysis cell.
  • the support device has respective connection contacts for connecting to the electrolysis device, in particular for connecting to the electrolysis cells in the form of electrical coupling, so that the desired electrical connection can be established with the electrodes of the electrolysis cells.
  • the support device also has the voltage detection unit, which is used to detect the cell voltages of the electrolytic cells.
  • the voltage detection unit is preferably electrically coupled to the connection contacts of the support device.
  • the voltage detection unit can, for example, detect the respective cell voltages individually or in a time multiplex.
  • the voltage detection unit provides corresponding voltage signals that are transmitted to the signal-coupled evaluation unit.
  • the corresponding voltage signals are therefore available for evaluation.
  • teunit is available so that it can at least determine the cell characteristics or at least the aging condition of the respective electrolytic cell.
  • the support device, in particular the voltage detection unit and possibly also the evaluation unit can be designed as an electronic hardware circuit. However, they can also be formed at least partially by a program-controlled computer unit. Of course, combinations of these can also be provided.
  • the invention proves to be particularly advantageous when the electrolysis cells of the electrolysis device are at least partially connected in series.
  • the invention is not limited to this.
  • the support device can therefore also be intended to be used in an electrolysis device which has electrolysis cells at least partially connected in parallel.
  • combinations of series connections and parallel connections of electrolytic cells can also be provided.
  • the voltage detection unit has a number of voltage sensors corresponding to the plurality of electrolytic cells, wherein each of the voltage sensors is electrically coupled to electrodes of a respective electrolytic cell and is designed to detect a cell voltage of the respective electrolytic cell and depending on the to emit a respective voltage signal from the detected cell voltage.
  • the voltage detection unit can therefore simultaneously detect the cell voltages of the majority of electrolysis cells and emit corresponding voltage signals. This allows very fast signal processing to be achieved. Overall, the support device can be improved and, if necessary, the function can also be improved.
  • the support device has at least one current sensor for detecting a cell current from at least one of the electrolysis cells and for emitting a current signal depending on the detected cell current. If the electrolysis cells are connected in series, a single current sensor can usually be sufficient. However, it can also be provided that a respective individual current sensor for detecting the cell current is preferably provided for each of the electrolysis cells.
  • the cell current can preferably be detected at least during the intended electrolysis operation or outside of the intended electrolysis operation, for example also the polarization current when shutting down the electrolysis device.
  • the current sensor is preferably also signal-coupled to the evaluation unit, so that the current signals can be transmitted to the evaluation unit. The evaluation unit can then also take the at least one current signal into account when evaluating.
  • the support device has a number of controllable electronic power source circuits corresponding to the plurality of electrolytic cells, each of the current source circuits being electrically coupled to electrodes of a respective electrolytic cell and being designed to apply a direct current to the respective electrolytic cell individually , which is adjustable depending on a power source control signal.
  • each of the majority of electrolysis cells to be individually supplied with a corresponding direct current.
  • This proves to be particularly advantageous if the electrolysis device or the electrolysis cells are operated outside of the intended electrolysis operation, in that the electrolysis cells are preferably supplied with a protective current or polarization current, for example to suppress or avoid the undesirable fuel cell functionality.
  • each of the electrolysis cells can be individually supplied with the electrical cell current.
  • This cell current can, for example, be the protective current to prevent fuel cell functionality.
  • the protective current is preferably dependent on the determined cell characteristics and/or the determined aging condition.
  • Each of the power source circuits is adjustable using the power source control signal.
  • the power source control signal can be provided for one or more of the power source circuits, for example by the evaluation unit but also by the higher-level electrolysis control of the electrolysis device. This makes it possible to operate each of the electrolysis cells in an optimal operating state.
  • the evaluation unit is designed to record the cell voltage and the cell current over a predeterminable period of time and, depending on this, to determine the cell characteristics and/or the aging state of the electrolytic cell.
  • the cell current can preferably be recorded at least during the intended electrolysis operation or at least outside of the intended electrolysis operation.
  • the cell current can also be recorded essentially permanently, particularly advantageously.
  • the evaluation unit has data from a new electrolytic cell as reference or starting values, or retrieves these as a data record from an external data memory via a communication connection. Using the respective power source circuit, it is even possible to currently record and save an individual characteristic curve for each of the electrolysis cells.
  • the cell characteristics can also be determined for an unknown electrolysis cell.
  • This data can be used to further To be able to determine a change in the respective cell characteristics, in particular the operational aging state, of the respective electrolytic cell.
  • the cell characteristics can also include operating states, operating state changes, operating parameters and/or operating parameter changes that can be determined for the electrolysis cells.
  • data relating to a state in relation to an end of use of the electrolytic cells is stored in a retrievable manner, with the evaluation unit being able to determine whether a respective one of the electrolytic cells has reached the end of use. Once the end of use has been reached, the evaluation unit can, for example, emit a signal that the respective electrolytic cell should be serviced or replaced.
  • the function of the electrolysis device as a whole can be further improved.
  • the determined aging states of the electrolytic cells can be used to provide individual power source control signals depending thereon, so that the electrolytic cells can be supplied with the cell current, preferably depending on their respective determined aging state. This also enables a further improvement in the operation of the electrolysis device overall.
  • the evaluation unit is designed to determine cell characteristics and/or aging states of all electrolysis cells coupled to the support device and, depending on the determined aging states, to determine control data for an operating state in electrolysis operation, starting up and/or shutting down the electrolysis device.
  • This control data can, among other things, also have data relating to the power source control signals, so that the optimal possible operation of the electrolysis cells can be achieved, especially when starting up or shutting down the electrolysis device, especially if they are connected in series.
  • the support device has a separately manageable housing which has a plug connector for electrically connecting the support device to the electrolysis cells.
  • the separately handleable housing can be a closed housing, so that the support device is reliably protected from external influences. This is particularly advantageous if dangerous substances can occur in the environment of the support device, for example an explosive gas mixture, an aggressive atmosphere and/or the like.
  • the connection contacts are preferably also arranged on the housing so that they can be contacted electrically.
  • the evaluation unit is designed to determine operating states of all electrolysis cells coupled to the evaluation unit and, depending on the determined operating states, to provide a status signal for a higher-level electrolysis control in order to control the cell current depending on the status signal.
  • the status signal can be used to adjust the individual power source control signals.
  • it can also be used to control the cell current that is to be provided by the higher-level electrolysis control during normal electrolysis operation. In this way, overloading of individual electrolytic cells, particularly severely aged electrolytic cells, can be avoided. It can thus be achieved, for example, that the cell current can be controlled in a suitable manner at least during the intended electrolysis operation or at least outside the intended electrolysis operation during the protective operation.
  • the electrolysis cells can also be operated outside of a permissible intended electrolysis operation, which can be achieved, for example, by a cell design and/or Bernes Solution parameters can be determined can be avoided. Overall, the reliability of the operation of the electrolysis device and the operational lifespan can be further improved or increased.
  • the support device preferably has a communication interface with which it is in communication connection with the higher-level electrolysis control of the electrolysis device.
  • the communication interface can be designed for wireless or wired communication.
  • the support device can also be designed to record further operating parameters of the electrolysis cells, preferably on a cell-specific basis.
  • the support device can have suitable parameter sensors, which can be arranged at least partially integrated in the support device or also in the respective electrolysis cells.
  • Such parameter sensors can be used, for example, to detect a temperature in the electrolysis cells or their cell membranes or process fluids and gases, to detect a flow rate of process fluids in the respective electrolysis cell, in particular with regard to electrolysis cells for the electrolysis of water, a water vapor measurement, a gas composition , for example to determine whether a gas composition contains an ignitable mixture, to record a pressure measurement and / or the like.
  • these parameter sensors can also be coupled to the evaluation unit in terms of signals, so that the evaluation unit can carry out the evaluation additionally depending on these signals.
  • a further improvement in the operation of the electrolysis device can be achieved.
  • a respective one of the power source circuits of the support device is advantageously connected to electrodes of a respective one of the electrolysis cells. len electrically coupled, with the respective electrolytic cell being individually supplied with a direct current that is set depending on a power source control signal.
  • Both protective operation and normal operation of a plurality of electrolytic cells can therefore be carried out on a cell-by-cell basis using the support device.
  • the determined aging states of the electrolysis cells can be used to provide individual power source control signals depending on this, so that the electrolysis cells are supplied with the cell current, preferably depending on their respective determined aging state.
  • a protective current is supplied to a respective electrolysis cell in protective operation or an operating current for normal electrolysis operation in normal operation.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells connected in series, which are connected to an electrolysis energy source and an auxiliary energy source connected in parallel thereto;
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a polarization characteristic curve for an electrolysis cell of the electrolysis device according to FIG. 1, in which a cell voltage of the electrolysis cell is shown as a function of an electrolysis current of the electrolysis cell;
  • FIG. 3 shows a schematic circuit diagram like FIG. 1, an electrolysis device in which a protective unit is connected in parallel to each individual electrolysis cell;
  • FIG. 4 shows a schematic diagram representation in which a clocked current is shown as a protective current for an electrolytic cell according to FIG. 1 as well as a cell voltage and a control signal for the protective current using respective graphs
  • 5 shows a schematic diagram representation of an oscillogram of a further protective current
  • FIG. 6 shows a schematic diagram representation of an aging of the electrolytic cell subjected to the protective current according to FIG. 5, determined based on polarization characteristics
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram representation of a protection unit according to FIG. 3,
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of a structure of the electrolysis device with the support device
  • FIG. 9 shows a schematic perspective view of a first embodiment of an arrangement of the support device on an electrolysis device designed as a module
  • FIG. 9 shows a second embodiment of an arrangement of the support device on an electrolysis device designed as a module.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram representation of an electrolysis device 52 with a plurality of electrolysis cells 12 electrically connected in series.
  • the electrolysis cells 12 are used for the electrolysis of water to hydrogen and oxygen in a reaction space, not shown, which is formed between the respective electrodes of the respective electrolysis cell 12.
  • another substance can of course also be subjected to electrolysis as a starting material in order to convert it into corresponding other substances as a product.
  • the series-connected electrolysis cells 12 are connected to a main rectifier 14 as an electrolysis energy source.
  • the main rectifier 14 provides an operating voltage 50 with which the series connection of the electrolysis cells 12 is applied, so that in normal operation, namely electrolysis operation, an electrolysis current 48 flows through the electrolysis cells 12.
  • a series circuit consisting of a polarization rectifier 54 and a protective inductor 58 as an auxiliary energy source is connected to the series circuit of the electrolytic cells 12.
  • the polarization rectifier 54 and the protective inductance 58 serve to apply a rectifier voltage 68 to the electrolysis cells 12 outside of the intended electrolysis operation, which is selected so that a protective current 56 is established, which in turn is selected so large that all electrolysis cells 12 have at least one Sufficiently large polarization voltage Uo (FIG 2), which is set greater than or equal to a required protection voltage U s , are applied. This is intended to avoid undesirable processes in the electrolysis cells 12 outside of the intended electrolysis operation.
  • FOG 2 Sufficiently large polarization voltage
  • FIG. 2 shows a diagram 60 in a schematic diagram representation, in which an ordinate 62 of a cell voltage at respective cell connections 28 is assigned to an individual electrolytic cell 12.
  • An abscissa 64 is assigned to the corresponding cell current of this electrolysis cell 12.
  • the dependence of the cell voltage on the cell current is shown as a polarization characteristic curve with a graph 66.
  • U N denotes an electrolysis voltage that occurs at the electrolysis cell 12 in normal electrolysis operation when the electrolysis cell 12 is subjected to the electrolysis current 48 of an electrolysis current I n .
  • An intersection of the graph 66 with the ordinate 62 defines the polarization voltage Uo, below which can result in a polarization change of the cell current.
  • the electrolysis voltage U N is approximately 1.8 to 1.9 V.
  • the polarization voltage Uo can be approximately 1.48 V in the present embodiment. Depending on a design of the electrolysis cells 12, the polarization voltage Uo can also be in a range from approximately 1.25 V to approximately 1.45 V. At a cell voltage that is greater than approximately 1.48 V, electrolysis functionality begins in the electrolysis cell 12 by producing hydrogen and oxygen.
  • the electrolysis device 52 according to FIG. 1 proves to be disadvantageous in that gas production can continue to occur outside of the actual electrolysis process or the intended electrolysis operation. This can lead to undefined conditions in the electrolysis device 52, which in the worst case scenario can even result in the creation of an ignitable gas mixture. To ensure safety here, additional extensive protective measures are required.
  • the case can occur that one or more of the electrolysis cells 12 fall below the polarization voltage Uo due to an uneven distribution of the protective voltage U s across the series-connected electrolysis cells 12 can.
  • This problem can occur, among other things, because the electrolytic cells 12 are not all identical and/or have a different aging state, that is to say, have different cell characteristics and/or a different aging state. As a result, undesirable fuel cell operation can occur, which can cause the respective electrolysis cells 12 to be damaged.
  • 3 now shows an electrolysis device 10 in which the aforementioned problems can be reduced, if not completely avoided.
  • the electrolysis device 10 is based on the electrolysis device 52 according to FIG.
  • the electrolysis device 10 serves.
  • the protective device 16 is connected to the electrolytic cells 12, namely to their cell connections 28.
  • the protective device 16 has an auxiliary electrical voltage source 22 as an electrical energy source, which serves to provide an auxiliary electrical direct voltage 24.
  • the protective device 16 has contact connections 26 for electrically connecting to the cell connections 28 of the electrolysis cells 12 of the series circuit. In the present embodiment it is therefore provided that all cell connections 28 are electrically coupled to the protective device 16.
  • the protective device 16 also has respective protection units 40 with connection contacts 72, which are each electrically coupled via the contact connections 26 and the cell connections 28 to a respective one of the electrolysis cells 12, namely their electrodes. Furthermore, the protection units 40 each have two connection connections 34, by means of which they can be electrically coupled to the auxiliary voltage source 22. This makes it possible to use each of the electrolysis Cells 12 must be individually applied with a protective current 76 in order to be able to reliably achieve a cell voltage greater than the polarization voltage Uo, regardless of the intended operation.
  • the auxiliary electrical voltage source 22 can be electrically coupled, for example, to a public power grid or the like.
  • Each protection unit 40 provides an individual protection current 76 for each of the electrolysis cells 12, so that an individual protection voltage U s can be achieved.
  • the protective voltage U s (FIG 2) is chosen so that no fuel cell effect occurs on any of the electrolysis cells 12, that is, it is avoided that gas residues in a respective electrolysis cell 12 react to form water according to the fuel cell principle and thus release energy. This can lead to significant aging and damage to a respective electrolytic cell 12.
  • a switching unit 36 is also provided, which is connected to the connection contacts 72 of the protection units 40 of the support device 90 and to the contact connections 26 of the electrolysis device 10 or the electrolysis cells 12.
  • the switching unit 36 is not absolutely necessary for the invention and can - depending on requirements - be omitted or modified.
  • the switching unit 36 is designed to electrically couple the protection units 40 to the contact connections 26 in order to provide the protective current 76 at the connection contacts 72 depending on a switching state of the switching unit 36. This creates the possibility that the protection units 40 only need to be electrically connected to the electrolysis cells 12 if this is necessary or desired due to the operating situation of the electrolysis device 10.
  • the protection units 40 can be deactivated relative to the electrolytic cells 12 by means of the switching unit 36 when the electrical rolysis cells 12 are operated as intended in electrolysis mode.
  • it can be provided, for example, that the voltage sensors 44 (see FIG. 7) of the protection units 40 are connected directly to the contact connections 26 for detecting the cell voltages, if it is desired that the cell voltages should be able to be detected independently of the switching state of the switching unit 36 .
  • the switching unit 36 has an individual switching element 38 for each of the contact connections 26, which in the present case is formed by a reed relay or reed contact. In alternative embodiments, a corresponding relay or a contactor or an electronic switching element can of course also be provided here.
  • control unit 18 can include a control circuit which, among other things, also serves to control the protective device 16.
  • control unit 18 provides an evaluation functionality so that it also takes on a function of an evaluation unit.
  • a cell current of the series connection of the electrolysis cells 12 is detected by means of a current sensor (not shown in detail) as a sensor unit.
  • the current sensor supplies a corresponding sensor signal to the control unit 18, which evaluates this signal.
  • the switching unit 36 is switched from the switched-off switching state to the switched-on switching state.
  • the protective device 16, which is now activated fourth each electrolytic cell 12 is supplied with the corresponding individual protective current 76.
  • the protection units 40 are designed identically in the present case. However, this can be different if necessary.
  • One of the protection units 40 is explained as an example using a schematic block diagram representation according to FIG.
  • the protection unit 40 has an electronic converter 42 coupled to the electrical auxiliary voltage source 22, which in the present case is designed as a current-controllable, galvanically isolating DC/DC converter in the manner of a current source circuit.
  • the converter 42 is designed to output the predeterminable protective current 76 depending on a power source control signal.
  • the current source circuit is generally characterized, among other things, in that the current source circuit emits an electrical current for an operating range specified by the design, for example a voltage range or the like, the value of which is essentially dependent only on the current source control signal.
  • the converter 42 is connected to the control unit 18 of the support device 90 via an interface connection 70.
  • the control unit 18 provides, among other things, the corresponding power source control signal, so that the electrolytic cell 12 coupled to the protection unit 40 can be supplied with the individual protective current 76.
  • the protection unit 40 has a voltage sensor 44 connected to the connection contacts 72, with which the cell voltage of the electrolytic cell 12 can be detected.
  • a corresponding voltage signal is transmitted from the voltage sensor 44 to the control unit 18 via the interface connection 70.
  • the control unit 18 evaluates, among other things, the voltage signal and, depending on this, determines the protective current 76 to be set for the respective electrolytic cell 12.
  • the current source control signal is transmitted to the converter 42. Even if the protective current is 76 can be constant direct current, the protective current 76 provided does not need to be a constant direct current - as will be shown below.
  • protection units 40 of the protection device 16 are all designed the same and can be controlled by means of the control unit 18.
  • FIG. 4 shows, in a schematic diagram representation for one of the electrolysis cells 12 according to FIG. 3, an example of a protective current 76 for the protection unit 40 coupled to the respective electrolysis cell 12.
  • a graph 74 shows a converter-internal converter control signal of the converter 42, which controls the delivery of the protective current 76.
  • the converter control signal 74 is a square-wave signal, so that the converter 42 is able to provide a clocked direct current.
  • the clocked direct current, which represents the protective current 76 is shown by means of a corresponding graph 76. It can be seen that the protective current 76 is switched on or off synchronously with the converter control signal 76 according to the corresponding graph 76.
  • the cell voltage of the electrolytic cell 12 is detected by means of the voltage sensor 44 (see FIG. 7).
  • the electrolytic cell 12 shows a DC voltage 78 that fluctuates by a small amount as the cell voltage due to the clocked direct current as protective current 76.
  • the voltage fluctuation is in a range from approximately 1.25 V to approximately 1.35 V.
  • the voltage curve according to graph 78 results from the capacitive effect of the electrolytic cell 12. This also explains why according to graph 76 During a respective duration of a respective direct current pulse, the amplitude is not constant, but drops slightly. This is also a reaction due to the capacitive property of the electrolytic cell 12.
  • an amplitude of the clocked direct current as well as a duty cycle of the clocked direct current can be adjusted as required.
  • the control unit 18 can carry out a corresponding evaluation of the sensor signal from the voltage sensor 44 (see FIGS. 7 and 8).
  • the amplitude and the duty cycle of the clocked direct current are determined such that the detected electrical cell voltage of the electrolytic cell 12 is greater than the corresponding associated protective voltage U s .
  • an aging state of the electrolytic cell 12 can be determined depending on an evaluation by the control unit 18.
  • the duty cycle and/or the amplitude of the clocked direct current can then be additionally adjusted depending on the determined aging state of the electrolytic cell 12.
  • regulation can be implemented using the sensor signal from the voltage sensor 44.
  • the cell voltage is compared with an individual protective voltage U s of the electrolytic cell 12, and a respective current pulse of the clocked direct current is triggered depending on this comparison.
  • the cell voltage can then be compared with a predetermined voltage comparison value that is greater than the individual protection voltage U s , and the current pulse of the clocked direct current can be terminated depending on this comparison.
  • a duty cycle and/or a frequency of the clocked direct current can therefore be set at the same value.
  • a constant direct current is also superimposed on the clocked direct current. This can ensure, for example, that the protective current 76 does not reach the value zero. This can improve reliability and security.
  • FIG. 5 shows a further schematic diagram representation of an oscillogram 88 of a further protective current 76.
  • the protective current 76 is again shown with a corresponding graph 76.
  • An abscissa is associated with time in ms, whereas an ordinate is associated with a current in A.
  • the clocked direct current in this embodiment has current pulses in a range between 0.5 and 1.5 A. In the present case, the current pulses are spaced apart over a respective period of time, which is approximately 145 ms.
  • FIG. 6 shows a further schematic diagram representation of a diagram 86, from which it can be seen how the clocked protective current 76 affects aging of the electrolytic cell 12.
  • An abscissa is associated with the electrical current in A, whereas an ordinate is associated with the electrical voltage in V.
  • a graph 84 shows a polarization curve of an electrolytic cell 12 at the beginning of the application of a protective current 76 according to FIG.
  • a graph 82 shows another polarization curve at the end of an examination period. The investigation was carried out on an electrolysis cell 12 with an electrode area of approximately 10 cm 2 with a current supply over a period of 166 hours as the examination period with a protective current 76 of a maximum of approximately 1.3 A.
  • the frequency of the clocked direct current can be selected in a range from approximately 10 Hz to approximately 100 Hz. Preferably it is in a range of approximately 30 Hz.
  • FIG. 8 shows a schematic block diagram of a structure of the electrolysis device 10 with the support device 90. From FIG. 8 it can be seen that in the present case the electrolysis cells 12 are combined as a module in order to realize a modular or modular structure of the electrolysis device 10. Fluid connections 98 (not shown) are connected to the module, via which educt water to be broken down electrolytically is supplied and hydrogen and oxygen, which are produced during the intended electrolysis, can be removed as products. Each of the electrolysis cells 12 is electrically connected to a respective power source circuit 42 in order to be able to be individually supplied with a cell current. Furthermore, each of the electrolysis cells 12 is electrically connected to a respective voltage sensor 44.
  • both the voltage sensors 44 and the current source circuits 42 are connected to the control unit 18 for signaling purposes.
  • the control unit 18 serving as an evaluation unit is designed to determine aging states of all electrolysis cells 12 coupled to the support device 90 and, depending on the determined aging states, to determine control data for starting up or shutting down the electrolysis device 10. This control data is transmitted from the control unit 18 to the higher-level electrolysis control 32 via a communication connection (not shown).
  • the electrolysis control 32 serves for the higher-level control of the electrolysis device 10.
  • the electrolysis control 32 can be connected to more than a single electrolysis device 10 and, for example, can jointly control all electrolysis devices 10 that are in communication with it.
  • the control unit 18 communicates with further control units 18 of further support devices 90 is coupled, which serve the operation of further electrolysis devices 10.
  • FIG. 9 shows a schematic perspective view of a first embodiment of an arrangement of the supporting device 90 on an electrolysis device 10 formed as a module with a module housing 96.
  • the support device 90 has a separately manageable housing 94 which has a substantially flat cuboid structure.
  • the supporting device 90 further has a plug connector 92 for electrically connecting the supporting device 90 to the electrolysis cells 12, which in the present case is connected to the housing 94 via an electrical connecting line 100. In this way, a simple connection of the support device 90 to the electrolysis device 10 can be achieved.
  • the plug connector 92 is connected to the module on one end face and is attached to the module housing 96 in this way.
  • FIG. 10 shows, in a schematic representation like FIG. 9, a second embodiment of an arrangement of the support device 90 on an electrolysis device 10 designed as a module with a module housing 96.
  • This embodiment is based on the embodiment according to FIG. 9, which is why reference is made in addition to the comments on FIG. 9.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that the plug connector 92 is formed in one piece with the housing 94 .
  • the connecting line 100 can thereby be saved.
  • the plug connector 92 is formed at one end of the housing 94 and protrudes from a plane spanned by the housing 94 .
  • the plug connector 92 can be connected to the module essentially as in the first embodiment according to FIG. 9, in particular plugged onto the module housing 96.

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Abstract

The invention relates to a support device (90) for an electrolysis device (10) having a plurality of electrolysis cells (12), comprising connection contacts (72) for electrical coupling to respective electrodes of the electrolysis cells (12). According to the invention, the support device (90) has at least one voltage detection unit for detecting a cell voltage of each of the electrolysis cells (12) and an evaluation unit (18), which is coupled in terms of signal technology to the at least one voltage detection unit, for determining at least one cell characteristic or at least one state of health for each of the electrolysis cells (12), and a number of controllable electronic current source circuits (42) corresponding to the plurality of electrolysis cells (12), wherein each of the current source circuits (42) is electrically coupled to electrodes of each of the electrolysis cells (12) and is designed to supply the respective electrolysis cell (12) individually with a direct current that can be adjusted depending on a current source control signal.

Description

Beschreibung Description
Betreiben einer eine Mehrzahl von Elektrolysezellen aufweisenden Elektrolyse Vorrichtung Operating an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells
Die Erfindung betrifft eine Unterstützungsvorrichtung für eine eine Mehrzahl von Elektrolysezellen aufweisende Elektrolysevorrichtung, mit Anschlusskontakten zum elektrischen Koppeln mit jeweiligen Elektroden der Elektrolysezellen. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrolysevorrichtung mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von Elektrolysezellen aufweisenden Elektrolysevorrichtung, wobei jeweilige Elektroden der Elektrolysezellen zum elektrischen Koppeln mit einer Unter stützungs Vorrichtung für die Elektrolysevorrichtung mit Anschlusskontakten der Unterstützungsvorrichtung elektrisch gekoppelt werden. The invention relates to a support device for an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells, with connection contacts for electrical coupling to respective electrodes of the electrolysis cells. The invention further relates to an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells. Finally, the invention relates to a method for operating an electrolysis device having a plurality of electrolysis cells, wherein respective electrodes of the electrolysis cells are electrically coupled to connection contacts of the support device for electrical coupling with a support device for the electrolysis device.
Elektrolysevorrichtungen, Unterstützungsvorrichtungen hierfür sowie Verfahren zum Betreiben von Elektrolysevorrichtungen sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach, eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Gattungsgemäße Elektrolysezellen sowie Elektrolysevorrichtungen, insbesondere für die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, so zum Beispiel aus der DE 197 29 429 CI. Die grundlegende Funktion der Elektrolyse, insbesondere der Wasserelektrolyse, ist dem Fachmann bekannt, weshalb von detaillierten Erläuterungen hierzu vorliegend abgesehen wird. Electrolysis devices, support devices for them and methods for operating electrolysis devices are extensively known in the prior art, so that there is basically no need for separate printed evidence for this. Generic electrolysis cells and electrolysis devices, in particular for the electrolysis of water to hydrogen and oxygen, are extensively known in the prior art, for example from DE 197 29 429 CI. The basic function of electrolysis, in particular water electrolysis, is known to those skilled in the art, which is why detailed explanations are not provided here.
Elektrolysevorrichtungen, die eine einzelne, insbesondere jedoch eine Vielzahl von Elektrolysezellen, aufweisen, die in der Regel zumindest teilweise elektrisch in Reihe geschaltet sind, dienen unter anderem dazu, vorzugsweise im industriellen Umfang nutzbare Stoffe, beispielsweise Wasserstoff bei einer Wasserelektrolyse, Kohlenmonoxid bei einer Kohlendioxi- delektrolyse oder dergleichen herzustellen. Zu diesem Zweck sind im bestimmungsgemäßen Betrieb wenigstens zwei Elektroden einer jeweiligen Elektrolysezelle mit einer geeigneten kleinen elektrischen Gleichspannung beaufschlagt, die im Bereich von einigen wenigen Volt oder eventuell sogar kleiner als 1 V betragen kann. Entsprechend der durch die Elektrolyse bereitzustellenden Stoffmenge wird von einer Elektrolyseenergiequelle ein entsprechender elektrischer Gleichstrom als Elektrolysestrom bereitgestellt. Bei in Reihe geschalteten Elektrolysezellen durchströmt dieser Gleichstrom sämtliche der in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die Reihenschaltung ist elektrisch mit einer Elektrolyseenergiequelle gekoppelt. Dem Grunde nach ist es jedoch auch möglich, Elektrolysezellen nicht nur in Reihe, sondern zumindest teilweise auch parallelzuschalten. Electrolysis devices, which have a single, but in particular a large number of electrolysis cells, which are usually at least partially electrically connected in series, serve, among other things, to produce substances which can preferably be used on an industrial scale, for example hydrogen in water electrolysis, carbon monoxide in carbon dioxide electrolysis. to produce electrolysis or the like. To this end During normal operation, at least two electrodes of a respective electrolytic cell are supplied with a suitable small electrical direct voltage, which can be in the range of a few volts or possibly even less than 1 V. Depending on the amount of material to be provided by the electrolysis, an electrolysis energy source provides a corresponding electrical direct current as electrolysis current. When electrolysis cells are connected in series, this direct current flows through all of the battery cells connected in series. The series connection is electrically coupled to an electrolysis energy source. Basically, however, it is also possible to connect electrolytic cells not only in series, but also at least partially in parallel.
Insbesondere bei wässrigen Elektrolysen, wie zum Beispiel Chlor/Alkali-Elektrolysen, PEM-Elektrolysen oder dergleichen, ist häufig eine Membran vorgesehen, welche jeweilige Reaktionskammern jeweiliger Reaktionsbereiche einer jeweiligen Elektrolysezelle, in denen jeweilige Elektroden angeordnet sind, trennt. Häufig ist auf einer solchen Membran ein Katalysator angeordnet, um den Vorgang der Elektrolyse zu ermöglichen beziehungsweise katalytisch zu beschleunigen. Die Elektrolyse wird in der Regel dadurch bewirkt, dass die Elektroden einer jeweiligen Elektrolysezelle im bestimmungsgemäßen Betrieb mit dem Elektrolysestrom beziehungsweise einer geeigneten elektrischen Gleichspannung, auch Zellenspannung genannt, beaufschlagt sind. In particular in aqueous electrolysis, such as chlorine/alkali electrolysis, PEM electrolysis or the like, a membrane is often provided which separates respective reaction chambers of respective reaction areas of a respective electrolysis cell, in which respective electrodes are arranged. A catalyst is often arranged on such a membrane to enable or catalytically accelerate the electrolysis process. The electrolysis is usually brought about by the fact that the electrodes of a respective electrolysis cell are subjected to the electrolysis current or a suitable electrical direct voltage, also called cell voltage, during normal operation.
Als zumindest teilweise kritisch für eine jeweilige Elektrolysezelle erweist sich unter anderem ein Übergang von oder zu einem vom bestimmungsgemäßen Betriebszustand verschiedenen Betriebszustand. Dies bezieht sich insbesondere auf ein Anfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung sowie auch ein Herunterfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung. Besonders beim Herunterfahren nach dem bestimmungsgemäßen Betrieb können noch Reststoffe, insbesondere gelöste oder gasförmige Restga- se, in der Elektrolysezelle vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen können, dass die Elektrolysezelle eine Brennstoffzellenfunktionalität zeigen kann. Hierdurch kann die Elektrolysezelle jedoch irreversibel beschädigt werden, weshalb die Brennstoffzellenfunktionalität unbedingt vermieden werden soll. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Elektrolysezelle außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs mit einer Schutzspannung, auch Polarisationsspannung genannt, zu beaufschlagen, die so gewählt ist, dass die Brennstoffzellenfunktionalität 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 . What proves to be at least partially critical for a respective electrolysis cell is, among other things, a transition from or to an operating state that is different from the intended operating state. This refers in particular to starting up the electrolysis cell or the electrolysis device as well as shutting down the electrolysis cell or the electrolysis device. Particularly when shutting down after normal operation, residues, especially dissolved or gaseous residues, can still form. se, be present in the electrolytic cell, which under certain circumstances can lead to the electrolytic cell being able to display fuel cell functionality. However, this can cause irreversible damage to the electrolytic cell, which is why the fuel cell functionality should be avoided at all costs. For this purpose, it is known to apply a protective voltage, also called polarization voltage, to the electrolytic cell outside of normal operation, which is selected so that the fuel cell functionality can be largely avoided. For example, in an electrolytic cell for electrolyzing water, the protection voltage can be approximately 1.25 V. As soon as the electrolysis cell has cooled down accordingly and residual gases have been removed, the provision of the protective voltage can be deactivated.
Gattungsgemäße Unterstützungsvorrichtungen dienen unter anderem dazu, einen sicheren Betrieb der Elektrolysezellen, insbesondere der Elektrolysevorrichtung, zu unterstützen beziehungsweise erreichen zu können. Hierzu sind die Elektrolysezellen an die Unterstützungsvorrichtung elektrisch angeschlossen, sodass die Elektrolysezellen unabhängig voneinander mit einem Polarisationsstrom beaufschlagt werden können. Eine solche Vorrichtung offenbart zum Beispiel die EP 3 982 501 Al. Generic support devices serve, among other things, to support or be able to achieve safe operation of the electrolysis cells, in particular the electrolysis device. For this purpose, the electrolysis cells are electrically connected to the support device, so that the electrolysis cells can be supplied with a polarization current independently of one another. Such a device is disclosed, for example, in EP 3 982 501 Al.
Ferner hat es sich gezeigt, dass Elektrolysezellen unterschiedlich voneinander altern und/oder voneinander abweichende Charakteristiken aufweisen können. Besonders bei einer Reihenschaltung von Elektrolysezellen kann sich dies als problematisch erweisen, wenn eine Schutzspannung als Polarisationsspannung durch eine an die Reihenschaltung angelegte Spannung bereitgestellt werden soll. Aufgrund der unterschiedlichen Alterung beziehungsweise Charakteristiken kann nämlich der Fall eintreten, dass sich insbesondere bei einer Reihenschaltung der Elektrolysezellen die an die Reihenschaltung angelegte Spannung nicht gleichmäßig auf alle in Reihe geschalteten Elektrolysezellen aufteilt. Daher ist es dann erforderlich, die elektrische Spannung der Reihenschaltung so groß zu wählen, dass für die ungünstigste Elektrolysezelle die Schutzspannung noch zuverlässig erreicht werden kann. Dies führt jedoch dazu, dass die anderen Zellen mit einer entsprechend hohen Spannung beaufschlagt werden, die deutlich größer als die Schutzspannung sein kann, sodass diese weiterhin im Elektrolysebetrieb betrieben werden. Zur Vermeidung eines explosionsfähigen Gemisches in diesen Elektrolysezellen ist es daher üblich, mit Stickstoff zu spülen. Furthermore, it has been shown that electrolysis cells age differently from one another and/or can have different characteristics. This can prove particularly problematic when electrolytic cells are connected in series if a protective voltage is to be provided as a polarization voltage by a voltage applied to the series connection. Due to the different aging or characteristics, it can happen that, particularly when the electrolytic cells are connected in series, the voltage applied to the series connection is not evenly distributed among all electrolytic cells connected in series. Hence it is then It is necessary to choose the electrical voltage of the series connection so high that the protective voltage can still be reliably achieved for the most unfavorable electrolytic cell. However, this means that the other cells are subjected to a correspondingly high voltage, which can be significantly greater than the protective voltage, so that they continue to be operated in electrolysis mode. To avoid an explosive mixture in these electrolysis cells, it is therefore common practice to flush with nitrogen.
Aus der EP 3 982 501 Al ist es ferner bekannt, jede Elektrolysezelle einzeln mit der Schutz Spannung zu beaufschlagen. Die Bereitstellung der jeweiligen Schutzspannungen für die Elektrolysezellen erweist sich jedoch als vergleichsweise aufwendig. Darüber hinaus wird hier kein Alterungszustand sowie auch keine Charakteristiken der Elektrolysezellen berücksichtigt, sodass weiterhin unerwünschte Zustände auftreten können . It is also known from EP 3 982 501 A1 to apply the protective voltage to each electrolysis cell individually. However, providing the respective protective voltages for the electrolytic cells proves to be comparatively complex. In addition, no aging condition or characteristics of the electrolytic cells are taken into account here, so undesirable conditions can still occur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Betrieb der Elektrolysezellen sowie der Elektrolysevorrich- tung zu ermöglichen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben . The invention is based on the object of enabling improved operation of the electrolysis cells and the electrolysis device and of specifying a corresponding method.
Mit der Erfindung wird in Bezug auf eine gattungsgemäße Unterstützungsvorrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrichtung wenigstens eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer Zellenspannung einer jeweiligen der Elektrolysezellen, sowie eine mit der wenigstens einen Spannungserfassungseinheit signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit zum Ermitteln von zumindest einer Zellencharakteristik oder zumindest einem Alterungszustand für eine jeweilige der Elektrolysezellen aufweist, wobei eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen entsprechenden Anzahl von steuerbaren elektronischen Stromquellenschaltungen vorgesehen ist, wobei eine jeweilige der Stromquellenschaltungen mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, die jeweilige Elektrolyse- zelle individuell mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal einstellbar ist. With regard to a generic support device, the invention in particular proposes that the support device has at least one voltage detection unit for detecting a cell voltage of a respective electrolytic cell, as well as an evaluation unit, which is coupled in terms of signals to the at least one voltage detection unit, for determining at least one cell characteristic or at least one aging state for one each of the electrolysis cells, wherein a number of controllable electronic power source circuits corresponding to the plurality of electrolysis cells is provided, wherein a respective one of the current source circuits is electrically coupled to electrodes of a respective one of the electrolysis cells and is designed to provide the respective electrolysis cell to be individually supplied with a direct current, which can be adjusted depending on a current source control signal.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolysevorrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Elektrolysevorrichtung eine Unterstützungsvorrichtung gemäß der Erfindung aufweist. With regard to a generic electrolysis device, the invention particularly proposes that the electrolysis device has a support device according to the invention.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass Zellenspannungen der Elektrolysezellen mittels wenigstens einer mit den Anschlusskontakten elektrisch gekoppelten Spannungserfassungseinheit der Unterstützungsvorrichtung erfasst werden, wobei die Spannungserfassungseinheit abhängig von der jeweils erfassten elektrischen Spannung ein jeweiliges Spannungs signal bereitstellt, wobei die Spannungssignale mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, um für eine jeweilige Elektrolysezelle zumindest eine Zellencharakteristik oder zumindest einen Alterungs zustand zu ermitteln. With regard to a generic method, the invention in particular proposes that cell voltages of the electrolysis cells be detected by means of at least one voltage detection unit of the support device that is electrically coupled to the connection contacts, the voltage detection unit providing a respective voltage signal depending on the electrical voltage detected in each case, the voltage signals be evaluated by means of an evaluation unit in order to determine at least one cell characteristic or at least one aging condition for a respective electrolytic cell.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, die Zellenspannungen der einzelnen Elektrolysezellen, insbesondere wenn die Elektrolysezellen in Reihe geschaltet sind, zu erfassen und mittels der Auswerteeinheit auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann dann basierend auf diesen Daten zumindest eine Zellencharakteristik oder zumindest einen Alterungszustand ermitteln. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel berücksichtigt werden, mit welchem jeweiligen Zellenstrom die jeweilige der Elektrolysezellen beaufschlagt sind beziehungsweise waren. Natürlich kann auch sowohl die Zellencharakteristik als auch der Alterungszustand der jeweiligen Elektrolysezelle ermittelt werden. Diese Daten können dazu genutzt werden, die Elektrolysezellen individuell, beispielsweise durch individuelle Einstellung eines Zellenstroms, besser zu betreiben, damit die Elektrolysezellen individuell möglichst in ihrem günstigsten Betriebszustand betrieben werden können. Dies kann insbesondere für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb, das Anfahren der Elektrolysevorrichtung und/oder für das Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung vorgesehen sein. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass beispielsweise für eine übergeordnete Elektrolysesteuerung der Elektrolysevorrichtung, Daten bereitgestellt werden, die es erlauben, die Belastbarkeit der jeweiligen Elektrolysezelle erkennen zu können. Diese Belastbarkeit, die auch den Alterungs zustand umfassen kann, kann dazu herangezogen werden, innerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereichs eine Leistung der Elektrolysezelle einstellen zu können. Dies kann zum Beispiel dazu genutzt werden, eine Elektrolyseleistung der Elektrolysevorrichtung zu variieren, einzustellen oder dergleichen. The invention is based, among other things, on the idea of detecting the cell voltages of the individual electrolytic cells, especially when the electrolytic cells are connected in series, and evaluating them using the evaluation unit. The evaluation unit can then determine at least one cell characteristic or at least one aging state based on this data. For this purpose, it can be taken into account, for example, which cell current is or was applied to each of the electrolysis cells. Of course, both the cell characteristics and the aging condition of the respective electrolytic cell can also be determined. This data can be used to operate the electrolytic cells better individually, for example by individually setting a cell current, so that the electrolytic cells can be operated individually as best as possible in their most favorable operating state. This can be done in particular for proper electrolysis operation, starting up the electrolysis device and/or be provided for shutting down the electrolysis device. In addition, it can be achieved that, for example, for a higher-level electrolysis control of the electrolysis device, data is provided that allows the load capacity of the respective electrolysis cell to be recognized. This resilience, which can also include the aging condition, can be used to be able to adjust the performance of the electrolytic cell within a predetermined operating range. This can be used, for example, to vary or adjust an electrolysis output of the electrolysis device or the like.
Soll zum Beispiel eine geringe Elektrolyseleistung aktiviert werden, ist es vorteilhaft, möglichst die Elektrolysezellen mit einem ungünstigen Alterungszustand zu betreiben, wohingegen, wenn eine hohe Elektrolyseleistung gewünscht ist, vorzugsweise Elektrolysezellen mit einem geringen Alterungszustand, das heißt, vorzugsweise im Wesentlichen neuwertige Elektrolysezellen, zu aktivieren. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass durch den bestimmungsgemäßen Betrieb der Elektrolysezellen und jeweilige Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der Elektrolysezellen erreicht werden kann, dass sich unterschiedliche Alterungs zustande der Elektrolysezellen angleichen können. Dabei wird unter anderem die Erkenntnis genutzt, dass sich eine Zellenspannung bei einem vorgegebenen Zellenstrom abhängig vom Alterungszustand einstellen kann. Bei einem vorgegebenen Zellenstrom wird die Zellenspannung in der Regel mit zunehmender Alterung größer. Der Alterungs zustand der Elektrolysezelle kann daher zum Beispiel anhand von Betriebsparametern der Elektrolysezelle ermittelt werden. Betriebsparameter können zum Beispiel die Zellenspannung, ein Zellenstrom, eine Temperatur der Elektrolysezelle, Werte von Fluidströmungen wie Flüssigkeiten und /oder Gase oder dergleichen sein. For example, if a low electrolysis output is to be activated, it is advantageous to operate the electrolysis cells with an unfavorable aging condition, if possible, whereas if a high electrolysis output is desired, it is preferable to activate electrolysis cells with a low aging condition, that is, preferably essentially new electrolysis cells . Of course, it can also be provided that through the intended operation of the electrolytic cells and respective activation or deactivation of the electrolytic cells it can be achieved that different aging conditions of the electrolytic cells can be equalized. Among other things, the knowledge that a cell voltage can arise at a given cell current depending on the aging condition is used. For a given cell current, the cell voltage generally increases as the cell ages. The aging condition of the electrolytic cell can therefore be determined, for example, based on the operating parameters of the electrolytic cell. Operating parameters can be, for example, the cell voltage, a cell current, a temperature of the electrolytic cell, values of fluid flows such as liquids and/or gases or the like.
Darüber hinaus kann berücksichtigt werden, dass die Zellenspannung unter anderem auch von einer Aktivierung von in den jeweiligen Elektrolysezellen eingesetzten Katalysatoren und dergleichen abhängig sein kann. Vorzugsweise kann unter Mitwirkung der Unterstützungsvorrichtung somit ein verbesserter Betrieb der Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung und somit auch der Elektrolysevorrichtung insgesamt erreicht werden . In addition, it can be taken into account that the cell voltage also depends, among other things, on the activation of catalysts and can be dependent on the like. Preferably, with the assistance of the support device, improved operation of the electrolysis cells of the electrolysis device and thus also of the electrolysis device as a whole can be achieved.
Zugleich ermöglicht es die Unterstützungsvorrichtung der Erfindung, dass auch ein Anfahren beziehungsweise Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung insgesamt sicherer und zuverlässiger realisiert werden kann. Dies kann unter anderem dadurch erreicht werden, dass während des bestimmungsgemäßen Betriebs und/oder während des Anfahrens beziehungsweise des Herunterfahrens die jeweiligen Zellenspannungen der Elektrolysezellen erfasst und für die Einstellung eines jeweiligen Zellenstroms berücksichtigt werden. Vorzugsweise kann auch der jeweilige Zellenstrom berücksichtigt werden. Dies erfolgt vorzugsweise abhängig von der ermittelten Zellencharakteristik beziehungsweise dem ermittelten Alterungszustand. Die Zellencharakteristik kann zum Beispiel eine individuelle Kennlinie, gegebenenfalls weitere Zellenparameter und/oder dergleichen einer jeweiligen der Elektrolysezellen umfassen. At the same time, the support device of the invention makes it possible to start up or shut down the electrolysis device in a safer and more reliable manner overall. This can be achieved, among other things, by detecting the respective cell voltages of the electrolytic cells during normal operation and/or during startup or shutdown and taking them into account for setting a respective cell current. The respective cell current can preferably also be taken into account. This is preferably done depending on the determined cell characteristics or the determined aging state. The cell characteristics can include, for example, an individual characteristic curve, possibly further cell parameters and/or the like of a respective electrolysis cell.
Die Unterstützungsvorrichtung weist zum Verbinden mit der Elektrolysevorrichtung, insbesondere zum Verbinden mit den Elektrolysezellen in Form eines elektrischen Koppelns, jeweilige Anschlusskontakte auf, sodass die gewünschte elektrische Verbindung mit den Elektroden der Elektrolysezellen hergestellt werden kann. Die Unterstützungsvorrichtung weist ferner die Spannungserfassungseinheit auf, die dem Erfassen der Zellenspannungen der Elektrolysezellen dient. Zu diesem Zweck ist die Spannungserfassungseinheit vorzugsweise mit den Anschlusskontakten der Unterstützungsvorrichtung elektrisch gekoppelt. Die Spannungserfassungseinheit kann beispielsweise die jeweiligen Zellenspannungen einzeln oder auch im Zeitmul- tiplex erfassen. Die Spannungserfassungseinheit stellt entsprechende Spannungssignale bereit, die an die signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit übermittelt werden. Somit stehen die entsprechenden Spannungssignale in der Auswer- teeinheit zur Verfügung, sodass diese zumindest die Zellencharakteristik oder zumindest den Alterungs zustand der jeweiligen Elektrolysezelle ermitteln kann. Die Unterstützungsvorrichtung, insbesondere die Spannungserfassungseinheit sowie gegebenenfalls auch die Auswerteeinheit, können als elektronische Hardwareschaltung ausgebildet sein. Sie können aber auch zumindest teilweise durch eine programmgesteuerte Rechnereinheit gebildet sein. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein. The support device has respective connection contacts for connecting to the electrolysis device, in particular for connecting to the electrolysis cells in the form of electrical coupling, so that the desired electrical connection can be established with the electrodes of the electrolysis cells. The support device also has the voltage detection unit, which is used to detect the cell voltages of the electrolytic cells. For this purpose, the voltage detection unit is preferably electrically coupled to the connection contacts of the support device. The voltage detection unit can, for example, detect the respective cell voltages individually or in a time multiplex. The voltage detection unit provides corresponding voltage signals that are transmitted to the signal-coupled evaluation unit. The corresponding voltage signals are therefore available for evaluation. teunit is available so that it can at least determine the cell characteristics or at least the aging condition of the respective electrolytic cell. The support device, in particular the voltage detection unit and possibly also the evaluation unit, can be designed as an electronic hardware circuit. However, they can also be formed at least partially by a program-controlled computer unit. Of course, combinations of these can also be provided.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Erfindung dann, wenn die Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Unterstützungsvorrichtung kann also auch dafür vorgesehen sein, bei einer Elektrolysevorrichtung zum Einsatz zu kommen, die zumindest teilweise parallelgeschaltete Elektrolysezellen aufweist. Natürlich können auch Kombinationen von Reihenschaltungen und Parallelschaltungen von Elektrolysezellen vorgesehen sein. The invention proves to be particularly advantageous when the electrolysis cells of the electrolysis device are at least partially connected in series. However, the invention is not limited to this. The support device can therefore also be intended to be used in an electrolysis device which has electrolysis cells at least partially connected in parallel. Of course, combinations of series connections and parallel connections of electrolytic cells can also be provided.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Spannungserfassungseinheit eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen entsprechende Anzahl an Spannungssensoren aufweist, wobei ein jeweiliger der Spannungs sensoren mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Zellenspannung der jeweiligen Elektrolysezelle zu erfassen und abhängig von der erfassten Zellenspannung ein jeweiliges Spannungssignal abzugeben. Die Spannungserfassungseinheit kann daher zeitgleich die Zellenspannungen der Mehrzahl der Elektrolysezellen erfassen und entsprechende Spannungssignale abgeben. Dadurch kann eine sehr schnelle Signalverarbeitung erreicht werden. Insgesamt kann dadurch die Unterstützungsvorrichtung verbessert und gegebenenfalls auch die Funktion verbessert werden. According to a further development, it is proposed that the voltage detection unit has a number of voltage sensors corresponding to the plurality of electrolytic cells, wherein each of the voltage sensors is electrically coupled to electrodes of a respective electrolytic cell and is designed to detect a cell voltage of the respective electrolytic cell and depending on the to emit a respective voltage signal from the detected cell voltage. The voltage detection unit can therefore simultaneously detect the cell voltages of the majority of electrolysis cells and emit corresponding voltage signals. This allows very fast signal processing to be achieved. Overall, the support device can be improved and, if necessary, the function can also be improved.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrichtung wenigstens einen Stromsensor zum Erfassen eines Zellenstroms von wenigstens einer der Elektrolysezellen und zum Abgeben eines Stromsignals abhängig vom erfassten Zellenstrom aufweist. Sind die Elektrolysezellen in Reihe geschaltet, kann in der Regel ein einziger Stromsensor ausreichen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass vorzugsweise für jede der Elektrolysezellen ein jeweiliger eigener individueller Stromsensor zum Erfassen des Zellenstroms vorgesehen ist. Mittels des Stromsensors kann der Zellenstrom vorzugsweise zumindest während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs oder außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs erfasst werden, also beispielsweise auch der Polarisationsstrom beim Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung. Der Stromsensor ist vorzugsweise ebenfalls mit der Auswerteeinheit signaltechnisch gekoppelt, sodass die Stromsignale an die Auswerteeinheit übermittelt werden können. Die Auswerteeinheit kann beim Auswerten dann auch das wenigstens eine Stromsignal ergänzend berücksichtigen. In addition, it is proposed that the support device has at least one current sensor for detecting a cell current from at least one of the electrolysis cells and for emitting a current signal depending on the detected cell current. If the electrolysis cells are connected in series, a single current sensor can usually be sufficient. However, it can also be provided that a respective individual current sensor for detecting the cell current is preferably provided for each of the electrolysis cells. By means of the current sensor, the cell current can preferably be detected at least during the intended electrolysis operation or outside of the intended electrolysis operation, for example also the polarization current when shutting down the electrolysis device. The current sensor is preferably also signal-coupled to the evaluation unit, so that the current signals can be transmitted to the evaluation unit. The evaluation unit can then also take the at least one current signal into account when evaluating.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrich- tung eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen entsprechende Anzahl von steuerbaren elektronischen Stromquellenschaltungen aufweist, wobei eine jeweilige der Stromquellenschaltungen mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, die jeweilige Elektrolysezelle individuell mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal einstellbar ist. Dadurch kann erreicht werden, dass jede der Mehrzahl der Elektrolysezellen individuell mit einem entsprechenden jeweiligen Gleichstrom beaufschlagt werden kann. Besonders vorteilhaft erweist sich dies, wenn die Elektrolysevorrichtung beziehungsweise die Elektrolysezellen außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs betrieben werden, indem die Elektrolysezellen vorzugsweise mit einem Schutzstrom beziehungsweise Polarisationsstrom beaufschlagt sind, um zum Beispiel die unerwünschte Brennstoffzellenfunktionalität zu unterdrücken beziehungsweise zu vermeiden. Dies ist besonders der Fall bei einem Anfahren der Elektrolysevorrichtung beziehungsweise bei einem Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung, bei der besonders in Reihe geschaltete Elekt- rolysezellen ansonsten ungleichmäßig elektrisch beaufschlagt sein können. Mit den individuell vorgesehenen Stromquellenschaltungen kann eine jeweilige der Elektrolysezellen individuell mit dem elektrischen Zellenstrom beaufschlagt werden. Dieser Zellenstrom kann beispielsweise der Schutzstrom zur Vermeidung der Brennstoffzellenfunktionalität sein. Der Schutzstrom ist vorzugsweise abhängig von der ermittelten Zellencharakteristik und/oder dem ermittelten Alterungszustand . It is further proposed that the support device has a number of controllable electronic power source circuits corresponding to the plurality of electrolytic cells, each of the current source circuits being electrically coupled to electrodes of a respective electrolytic cell and being designed to apply a direct current to the respective electrolytic cell individually , which is adjustable depending on a power source control signal. This makes it possible for each of the majority of electrolysis cells to be individually supplied with a corresponding direct current. This proves to be particularly advantageous if the electrolysis device or the electrolysis cells are operated outside of the intended electrolysis operation, in that the electrolysis cells are preferably supplied with a protective current or polarization current, for example to suppress or avoid the undesirable fuel cell functionality. This is particularly the case when starting up the electrolysis device or when shutting down the electrolysis device, in which electrical systems connected in series Rolysis cells can otherwise be electrically applied unevenly. With the individually provided power source circuits, each of the electrolysis cells can be individually supplied with the electrical cell current. This cell current can, for example, be the protective current to prevent fuel cell functionality. The protective current is preferably dependent on the determined cell characteristics and/or the determined aging condition.
Jede der Stromquellenschaltungen ist mittels des Stromquellensteuersignals einstellbar. Das Stromquellensteuersignal kann für eine oder mehrere der Stromquellenschaltungen zum Beispiel von der Auswerteeinheit aber auch von der übergeordneten Elektrolysesteuerung der Elektrolysevorrichtung bereitgestellt sein. Dadurch ist es möglich, jede der Elektrolysezellen möglichst in einem optimalen jeweiligen Betriebszustand zu betreiben. Each of the power source circuits is adjustable using the power source control signal. The power source control signal can be provided for one or more of the power source circuits, for example by the evaluation unit but also by the higher-level electrolysis control of the electrolysis device. This makes it possible to operate each of the electrolysis cells in an optimal operating state.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die Zellenspannung und den Zellenstrom über einen vorgebbaren Zeitraum zu erfassen und abhängig hiervon die Zellencharakteristik und/oder den Alterungszustand der Elektrolysezelle zu ermitteln. Der Zellenstrom kann vorzugsweise zumindest während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs oder zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs erfasst werden. Besonders vorteilhaft kann der Zellenstrom jedoch im Wesentlichen auch permanent erfasst werden. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit über Daten einer neuwertigen Elektrolysezelle als Referenz- oder Startwerte verfügt, oder diese als Datensatz über eine Kommunikationsverbindung von einem externen Datenspeicher abruft. Mittels der jeweiligen Stromquellenschaltung ist es dadurch sogar möglich, für jede der Elektrolysezellen eine individuelle Kennlinie aktuell zu erfassen und zu speichern. Auf diese Weise kann zum Beispiel auch für eine unbekannte Elektrolysezelle die Zellencharakteristik ermittelt werden. Diese Daten können herangezogen werden, um im weite- ren Verlauf eine Änderung der jeweiligen Zellencharakteristik, insbesondere des betrieblich bedingten Alterungszustands, der jeweiligen Elektrolysezelle bestimmen zu können. Unter anderem kann die Zellencharakteristik auch Betriebszustände, Betriebszustandsänderungen, Betriebsparameter und/oder Betriebsparameteränderungen umfassen, die für die Elektrolysezellen ermittelt werden können. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass Daten in Bezug auf einen Zustand in Bezug auf ein Gebrauchsende der Elektrolysezellen abrufbar gespeichert sind, wobei die Auswerteeinheit bestimmen kann, ob eine jeweilige der Elektrolysezellen das Gebrauchsende erreicht hat. Ist das Gebrauchsende erreicht, kann die Auswerteeinheit zum Beispiel ein Signal abgeben, dass die jeweilige Elektrolysezelle gewartet beziehungsweise ausgetauscht werden sollte. Dadurch kann die Funktion der Elektrolysevorrichtung insgesamt weiter verbessert werden. Zugleich können die ermittelten Alterungszustände der Elektrolysezellen dazu herangezogen werden, individuelle Stromquellensteuersignale abhängig hiervon bereitzustellen, sodass die Elektrolysezellen mit dem Zellenstrom vorzugsweise abhängig von ihrem jeweils ermittelten Alterungszustand beaufschlagt werden können. Auch dies ermöglicht eine weitere Verbesserung des Betriebs der Elektrolysevorrichtung insgesamt . Furthermore, it is proposed that the evaluation unit is designed to record the cell voltage and the cell current over a predeterminable period of time and, depending on this, to determine the cell characteristics and/or the aging state of the electrolytic cell. The cell current can preferably be recorded at least during the intended electrolysis operation or at least outside of the intended electrolysis operation. However, the cell current can also be recorded essentially permanently, particularly advantageously. For this purpose, it can be provided that the evaluation unit has data from a new electrolytic cell as reference or starting values, or retrieves these as a data record from an external data memory via a communication connection. Using the respective power source circuit, it is even possible to currently record and save an individual characteristic curve for each of the electrolysis cells. In this way, for example, the cell characteristics can also be determined for an unknown electrolysis cell. This data can be used to further To be able to determine a change in the respective cell characteristics, in particular the operational aging state, of the respective electrolytic cell. Among other things, the cell characteristics can also include operating states, operating state changes, operating parameters and/or operating parameter changes that can be determined for the electrolysis cells. Of course, it can also be provided that data relating to a state in relation to an end of use of the electrolytic cells is stored in a retrievable manner, with the evaluation unit being able to determine whether a respective one of the electrolytic cells has reached the end of use. Once the end of use has been reached, the evaluation unit can, for example, emit a signal that the respective electrolytic cell should be serviced or replaced. As a result, the function of the electrolysis device as a whole can be further improved. At the same time, the determined aging states of the electrolytic cells can be used to provide individual power source control signals depending thereon, so that the electrolytic cells can be supplied with the cell current, preferably depending on their respective determined aging state. This also enables a further improvement in the operation of the electrolysis device overall.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Auswerteeinheit ausgebildet ist, Zellencharakteristiken und/oder Alterungszustände aller mit der Unterstützungsvorrichtung gekoppelten Elektrolysezellen zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Alterungszuständen Steuerdaten für einen Betriebszustand im Elektrolysebetrieb, ein Anfahren und/oder ein Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung zu ermitteln. Diese Steuerdaten können unter anderem auch Daten in Bezug auf die Stromquellensteuersignale aufweisen, sodass besonders beim Anfahren oder Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung ein möglichst optimaler Betrieb der Elektrolysezellen erreicht werden kann, besonders wenn sie in Reihe geschaltet sind . Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Unterstützungsvorrich- tung ein separat handhabbares Gehäuse aufweist, welches einen Steckverbinder zum elektrischen Verbinden der Unterstützungsvorrichtung mit den Elektrolysezellen aufweist. Dadurch ist es möglich, die Unterstützungsvorrichtung auf einfache Weise mit den Elektrolysezellen, insbesondere mit der Elektrolysevorrichtung, zu verbinden und einen zuverlässigen elektrischen Kontakt herzustellen. Das separat handhabbare Gehäuse kann ein geschlossenes Gehäuse sein, sodass die Unterstützungsvorrichtung vor äußeren Einwirkungen zuverlässig geschützt ist. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn in der Umgebung der Unterstützungsvorrichtung gefährliche Stoffe auftreten können, beispielsweise ein explosives Gasgemisch, eine aggressive Atmosphäre und/oder dergleichen. Am Gehäuse sind vorzugsweise auch die Anschlusskontakte elektrisch kontaktierbar angeordnet . It proves to be particularly advantageous if the evaluation unit is designed to determine cell characteristics and/or aging states of all electrolysis cells coupled to the support device and, depending on the determined aging states, to determine control data for an operating state in electrolysis operation, starting up and/or shutting down the electrolysis device. This control data can, among other things, also have data relating to the power source control signals, so that the optimal possible operation of the electrolysis cells can be achieved, especially when starting up or shutting down the electrolysis device, especially if they are connected in series. It is further proposed that the support device has a separately manageable housing which has a plug connector for electrically connecting the support device to the electrolysis cells. This makes it possible to easily connect the support device to the electrolysis cells, in particular to the electrolysis device, and to establish reliable electrical contact. The separately handleable housing can be a closed housing, so that the support device is reliably protected from external influences. This is particularly advantageous if dangerous substances can occur in the environment of the support device, for example an explosive gas mixture, an aggressive atmosphere and/or the like. The connection contacts are preferably also arranged on the housing so that they can be contacted electrically.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit ausgebildet ist, Betriebszustände aller mit der Auswerteeinheit gekoppelten Elektrolysezellen zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Betriebszuständen ein Zustandssignal für eine übergeordnete Elektrolysesteuerung bereitzustellen, um den Zellenstrom abhängig vom Zustandssignal zu steuern. Das Zustandssignal kann dazu genutzt werden, die individuellen Stromquellensteuersignale einzustellen. Es kann aber auch dazu genutzt werden, im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb den Zellenstrom, der durch die übergeordnete Elektrolysesteuerung bereitgestellt werden soll, zu steuern. Dadurch kann insbesondere eine Überlastung einzelner Elektrolysezellen, besonders stark gealterter Elektrolysezellen, vermieden werden. Somit kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Zellenstrom zumindest während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs oder zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs während des Schutzbetriebs in geeigneter Weise gesteuert werden kann. Ferner kann auch ein Betrieb der Elektrolysezellen abseits eines zulässigen bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs, der beispielsweise durch eine Zellenkonstruktion und/oder Bernes- sungsparameter bestimmt sein kann, vermieden werden. Insgesamt kann die Zuverlässigkeit des Betriebs der Elektrolysevorrichtung und die betriebliche Lebensdauer weiter verbessert werden bzw. erhöht. According to a further embodiment, it is proposed that the evaluation unit is designed to determine operating states of all electrolysis cells coupled to the evaluation unit and, depending on the determined operating states, to provide a status signal for a higher-level electrolysis control in order to control the cell current depending on the status signal. The status signal can be used to adjust the individual power source control signals. However, it can also be used to control the cell current that is to be provided by the higher-level electrolysis control during normal electrolysis operation. In this way, overloading of individual electrolytic cells, particularly severely aged electrolytic cells, can be avoided. It can thus be achieved, for example, that the cell current can be controlled in a suitable manner at least during the intended electrolysis operation or at least outside the intended electrolysis operation during the protective operation. Furthermore, the electrolysis cells can also be operated outside of a permissible intended electrolysis operation, which can be achieved, for example, by a cell design and/or Bernes Solution parameters can be determined can be avoided. Overall, the reliability of the operation of the electrolysis device and the operational lifespan can be further improved or increased.
Die Unterstützungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle auf, mit der sie mit der übergeordneten Elektrolysesteuerung der Elektrolysevorrichtung in Kommunikationsverbindung steht. Die Kommunikationsschnittstelle kann für eine drahtlose oder auch für eine leitungsgebundene Kommunikation ausgebildet sein. The support device preferably has a communication interface with which it is in communication connection with the higher-level electrolysis control of the electrolysis device. The communication interface can be designed for wireless or wired communication.
Die Unterstützungsvorrichtung kann darüber hinaus dazu ausgebildet sein, weitere Betriebsparameter der Elektrolysezellen, vorzugsweise zellenindividuell, zu erfassen. Zu diesem Zweck kann die Unterstützungsvorrichtung geeignete Parametersensoren aufweisen, die zumindest teilweise in der Unterstützungsvorrichtung oder auch in den jeweiligen Elektrolysezellen integriert angeordnet sein können. Derartige Parametersensoren können beispielsweise dazu dienen, eine Temperatur in den Elektrolysezellen oder deren Zellmembranen oder Prozessfluiden und -Gasen zu erfassen, eine Strömungsgeschwindigkeit von Prozessfluiden in der jeweiligen Elektrolysezelle zu erfassen, insbesondere in Bezug auf Elektrolysezellen für die Elektrolyse von Wasser, eine Wasserdampfmessung, eine Gaszusammensetzung, beispielsweise um zu ermitteln, ob eine Gaszusammensetzung ein zündfähiges Gemisch enthält, eine Druckmessung und/oder dergleichen zu erfassen. Vorzugsweise können diese Parametersensoren ebenfalls mit der Auswerteeinheit signaltechnisch gekoppelt sein, sodass die Auswerteeinheit das Auswerten ergänzend abhängig von diesen Signalen vornehmen kann. Auch hier kann eine weitere Verbesserung des Betriebs der Elektrolysevorrichtung erreicht werden. The support device can also be designed to record further operating parameters of the electrolysis cells, preferably on a cell-specific basis. For this purpose, the support device can have suitable parameter sensors, which can be arranged at least partially integrated in the support device or also in the respective electrolysis cells. Such parameter sensors can be used, for example, to detect a temperature in the electrolysis cells or their cell membranes or process fluids and gases, to detect a flow rate of process fluids in the respective electrolysis cell, in particular with regard to electrolysis cells for the electrolysis of water, a water vapor measurement, a gas composition , for example to determine whether a gas composition contains an ignitable mixture, to record a pressure measurement and / or the like. Preferably, these parameter sensors can also be coupled to the evaluation unit in terms of signals, so that the evaluation unit can carry out the evaluation additionally depending on these signals. Here too, a further improvement in the operation of the electrolysis device can be achieved.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Mehrzahl von Elektrolysezellen wird vorteilhafterweise eine jeweilige der Stromquellenschaltungen der Unterstützungsvorrichtung mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezel- len elektrisch gekoppelt , wobei die j eweilige Elektrolysezelle individuell mit einem Gleichstrom beauf schlagt wird, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal eingestellt wird . In the method according to the invention for operating a plurality of electrolysis cells, a respective one of the power source circuits of the support device is advantageously connected to electrodes of a respective one of the electrolysis cells. len electrically coupled, with the respective electrolytic cell being individually supplied with a direct current that is set depending on a power source control signal.
Somit ist sowohl ein Schutzbetrieb als auch ein Normalbetrieb einer Mehrzahl von Elektrolysezellen zellenindividuell mit der Unterstüt zungsvorrichtung durchführbar . Zugleich können beispielsweise die ermittelten Alterungs zustände der Elektrolyse zellen da zu herange zogen werden , individuelle Stromquellensteuersignale abhängig hiervon bereitzustellen , soda s s die Elektrolysezellen mit dem Zellenstrom vorzugsweise abhängig von ihrem j eweils ermittelten Alterungs zustand zellenindividuell beauf schlagt werden . Dabei wird j e nach Betriebsmodus bei einem Schutzbetrieb ein Schutz strom oder bei einem Normalbetrieb ein Betriebs ström für den normalen Elektrolysebetrieb einer j eweiligen Elektrolysezelle zugeführt . Both protective operation and normal operation of a plurality of electrolytic cells can therefore be carried out on a cell-by-cell basis using the support device. At the same time, for example, the determined aging states of the electrolysis cells can be used to provide individual power source control signals depending on this, so that the electrolysis cells are supplied with the cell current, preferably depending on their respective determined aging state. Depending on the operating mode, a protective current is supplied to a respective electrolysis cell in protective operation or an operating current for normal electrolysis operation in normal operation.
Die für die erfindungsgemäße Unterstützungsvorrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt . Insofern können Vorrichtungsmerkmale auch al s Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein . The advantages and effects specified for the support device according to the invention naturally also apply equally to the electrolysis device according to the invention and the method according to the invention and vice versa. In this respect, device features can also be formulated as process features and vice versa.
Bei den im Folgenden erläuterten Aus führungsbeispielen handelt es s ich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung . Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale , Merkmals kombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Mer kmals kombinati- onen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination , sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar . Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung umfas st bez iehungsweise als offenbart anzusehen , die in den Figuren nicht expliz it ge zeigt und erläutert sind, j edoch durch separierte Merkmals kombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind . Die anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Merkmale , Funktionen und/oder Wirkun- gen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher sollen die Ausführungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Ausführungsformen umfassen. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein. The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. The features and feature combinations specified previously in the description as well as the features and feature combinations mentioned in the following description of exemplary embodiments and/or shown alone in the figures are not only in the combination specified in each case, but also in others Combinations can be used. Embodiments of the invention are therefore also included or are to be regarded as disclosed, which are not explicitly shown and explained in the figures, but which emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features. The features, functions and/or effects shown using the exemplary embodiments taken individually, each of which can represent individual features, functions and/or effects of the invention that are to be considered independently of one another and which also further develop the invention independently of one another. Therefore, the exemplary embodiments should also include combinations other than those in the explained embodiments. In addition, the described embodiments can also be supplemented by further features, functions and/or effects of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen. In the figures, the same reference numbers designate the same features and functions.
Es zeigen: Show it:
FIG 1 in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Elektrolysevorrichtung mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen, die an eine Elektrolyseenergiequelle und eine dazu parallelgeschaltete Hilfsenergiequelle angeschlossen sind; 1 shows a schematic circuit diagram of an electrolysis device with a plurality of electrolysis cells connected in series, which are connected to an electrolysis energy source and an auxiliary energy source connected in parallel thereto;
FIG 2 in einer schematischen Diagrammdarstellung eine Polarisationskennlinie für eine Elektrolysezelle der Elektrolysevorrichtung gemäß FIG 1, bei der eine Zellenspannung der Elektrolysezelle abhängig von einem Elektrolysestrom der Elektrolysezelle dargestellt ist; 2 shows a schematic diagram of a polarization characteristic curve for an electrolysis cell of the electrolysis device according to FIG. 1, in which a cell voltage of the electrolysis cell is shown as a function of an electrolysis current of the electrolysis cell;
FIG 3 in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie FIG 1 eine Elektrolysevorrichtung, bei der zu jeder einzelnen Elektrolysezelle jeweils eine Schutzeinheit parallelgeschaltet ist; 3 shows a schematic circuit diagram like FIG. 1, an electrolysis device in which a protective unit is connected in parallel to each individual electrolysis cell;
FIG 4 eine schematische Diagrammdarstellung, in der mittels jeweiliger Graphen ein getakteter Strom als Schutzstrom für eine Elektrolysezelle gemäß FIG 1 sowie eine Zellenspannung und ein Steuersignal für den Schutzstrom dargestellt sind, FIG 5 eine s chematische Diagrammdarstellung eines Os zil- logramms eines weiteren S chutz stroms , 4 shows a schematic diagram representation in which a clocked current is shown as a protective current for an electrolytic cell according to FIG. 1 as well as a cell voltage and a control signal for the protective current using respective graphs, 5 shows a schematic diagram representation of an oscillogram of a further protective current,
FIG 6 eine s chematische Diagrammdarstellung einer basierend auf Polari sations kennlinien bestimmten Alterung der mit dem Schutz strom gemäß FIG 5 beaufschlagten Elektrolysezelle , 6 shows a schematic diagram representation of an aging of the electrolytic cell subjected to the protective current according to FIG. 5, determined based on polarization characteristics,
FIG 7 eine s chematische Blockschaltbilddarstellung einer Schutzeinheit gemäß FIG 3 , 7 shows a schematic block diagram representation of a protection unit according to FIG. 3,
FIG 8 in einem schematischen Blockdiagramm einen Aufbau der Elektrolysevorrichtung mit der Unterstüt zungsvorrichtung , 8 shows a schematic block diagram of a structure of the electrolysis device with the support device,
FIG 9 eine s chematisch perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung an einer als Modul ausgebildeten Elektrolysevorrichtung , und 9 shows a schematic perspective view of a first embodiment of an arrangement of the support device on an electrolysis device designed as a module, and
FIG 10 in einer schematischen Darstellung wie FIG 9 eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung an einer als Modul ausgebildeten Elektrolyse Vorrichtung . 10 in a schematic representation like FIG. 9 shows a second embodiment of an arrangement of the support device on an electrolysis device designed as a module.
FIG 1 zeigt in einer schematischen S chaltbilddarstellung eine Elektrolysevorrichtung 52 mit einer Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 . Die Ele ktrolysezellen 12 dienen vorliegend der Elektrolyse von Was ser zu Was serstoff und Sauerstoff in einem nicht weiter dargestellten Reaktions raum, der zwischen j eweiligen Ele ktroden der j eweiligen Elektrolysezelle 12 ausgebildet ist . In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein anderer Stoff als Edukt der Elektrolyse unterzogen werden , um die sen in entsprechende andere Stoffe als Produkt umzuwandeln . Die in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 sind an einen Hauptgleichrichter 14 als Elektrolyseenergiequelle angeschlossen. Der Hauptgleichrichter 14 stellt eine Betriebsspannung 50 bereit, mit der die Reihenschaltung der Elektrolysezellen 12 beaufschlagt wird, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb, und zwar dem Elektrolysebetrieb, ein Elektrolysestrom 48 die Elektrolysezellen 12 durchströmt. 1 shows a schematic circuit diagram representation of an electrolysis device 52 with a plurality of electrolysis cells 12 electrically connected in series. In the present case, the electrolysis cells 12 are used for the electrolysis of water to hydrogen and oxygen in a reaction space, not shown, which is formed between the respective electrodes of the respective electrolysis cell 12. In alternative embodiments, another substance can of course also be subjected to electrolysis as a starting material in order to convert it into corresponding other substances as a product. The series-connected electrolysis cells 12 are connected to a main rectifier 14 as an electrolysis energy source. The main rectifier 14 provides an operating voltage 50 with which the series connection of the electrolysis cells 12 is applied, so that in normal operation, namely electrolysis operation, an electrolysis current 48 flows through the electrolysis cells 12.
Parallel zum Hauptgleichrichter 14 ist an die Reihenschaltung der Elektrolysezellen 12 eine Reihenschaltung aus einem Polarisationsgleichrichter 54 und einer Schutzinduktivität 58 als Hilfsenergiequelle geschaltet. Der Polarisationsgleichrichter 54 und die Schutzinduktivität 58 dienen dazu, die Elektrolysezellen 12 außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer Gleichrichterspannung 68 zu beaufschlagen, die so gewählt ist, dass sich ein Schutzstrom 56 einstellt, der seinerseits so groß gewählt ist, dass sämtliche Elektrolysezellen 12 zumindest mit einer ausreichend großen Polarisationsspannung Uo (FIG 2) , die größer oder gleich eingestellt ist eine erforderliche Schutz Spannung Us, beaufschlagt sind. Dadurch sollen unerwünschte Prozesse in den Elektrolysezellen 12 außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs vermieden werden. In parallel to the main rectifier 14, a series circuit consisting of a polarization rectifier 54 and a protective inductor 58 as an auxiliary energy source is connected to the series circuit of the electrolytic cells 12. The polarization rectifier 54 and the protective inductance 58 serve to apply a rectifier voltage 68 to the electrolysis cells 12 outside of the intended electrolysis operation, which is selected so that a protective current 56 is established, which in turn is selected so large that all electrolysis cells 12 have at least one Sufficiently large polarization voltage Uo (FIG 2), which is set greater than or equal to a required protection voltage U s , are applied. This is intended to avoid undesirable processes in the electrolysis cells 12 outside of the intended electrolysis operation.
FIG 2 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Diagramm 60, bei dem eine Ordinate 62 einer Zellenspannung an jeweiligen Zellenanschlüssen 28 einer einzelnen der Elektrolysezellen 12 zugeordnet ist. Eine Abszisse 64 ist dem entsprechenden Zellenstrom dieser Elektrolysezelle 12 zugeordnet. Mit einem Graphen 66 ist als Polarisationskennlinie die Abhängigkeit der Zellenspannung vom Zellenstrom dargestellt. UN bezeichnet eine Elektrolysespannung, die sich an der Elektrolysezelle 12 im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb einstellt, wenn die Elektrolysezelle 12 mit dem Elektrolysestrom 48 einer Elektrolysestromstärke In beaufschlagt ist. Ein Schnittpunkt des Graphen 66 mit der Ordinate 62 definiert die Polarisationsspannung Uo, deren Unterschreitung einen Polarisationswechsel des Zellenstroms zur Folge haben kann. In der vorliegenden Ausgestaltung der Elektrolysezelle 12 für die Elektrolyse von Wasser beträgt die Elektrolysespannung UN etwa 1,8 bis 1, 9 V. Die Polarisationsspannung Uo kann in der vorliegenden Ausgestaltung etwa 1,48 V betragen. Abhängig von einer Konstruktion der Elektrolysezellen 12 kann die Polarisationsspannung Uo auch in einem Bereich von etwa 1,25 V bis etwa 1,45 V liegen. Bei einer Zellenspannung, die größer als etwa 1,48 V ist, beginnt bei der Elektrolysezelle 12 die Elektrolysefunktionalität, indem Wasserstoff sowie Sauerstoff erzeugt wird. 2 shows a diagram 60 in a schematic diagram representation, in which an ordinate 62 of a cell voltage at respective cell connections 28 is assigned to an individual electrolytic cell 12. An abscissa 64 is assigned to the corresponding cell current of this electrolysis cell 12. The dependence of the cell voltage on the cell current is shown as a polarization characteristic curve with a graph 66. U N denotes an electrolysis voltage that occurs at the electrolysis cell 12 in normal electrolysis operation when the electrolysis cell 12 is subjected to the electrolysis current 48 of an electrolysis current I n . An intersection of the graph 66 with the ordinate 62 defines the polarization voltage Uo, below which can result in a polarization change of the cell current. In the present embodiment of the electrolysis cell 12 for the electrolysis of water, the electrolysis voltage U N is approximately 1.8 to 1.9 V. The polarization voltage Uo can be approximately 1.48 V in the present embodiment. Depending on a design of the electrolysis cells 12, the polarization voltage Uo can also be in a range from approximately 1.25 V to approximately 1.45 V. At a cell voltage that is greater than approximately 1.48 V, electrolysis functionality begins in the electrolysis cell 12 by producing hydrogen and oxygen.
Die Elektrolysevorrichtung 52 gemäß FIG 1 erweist sich insofern als nachteilig, als dass es außerhalb des eigentlichen Elektrolyseprozesses beziehungsweise des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs weiterhin zu einer Gasproduktion kommen kann. Dabei kann es zu Undefinierten Zuständen in der Elektrolysevorrichtung 52 kommen, die im ungünstigsten Fall sogar ein Entstehen eines zündfähigen Gasgemisches zur Folge haben kann. Um hier die Sicherheit zu gewährleisten, sind ergänzende umfangreiche Schutzmaßnahmen erforderlich. The electrolysis device 52 according to FIG. 1 proves to be disadvantageous in that gas production can continue to occur outside of the actual electrolysis process or the intended electrolysis operation. This can lead to undefined conditions in the electrolysis device 52, which in the worst case scenario can even result in the creation of an ignitable gas mixture. To ensure safety here, additional extensive protective measures are required.
Darüber hinaus kann insbesondere beim Anfahren der Elektrolysevorrichtung 52 oder auch beim Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung 52 der Fall auftreten, dass sich aufgrund einer ungleichmäßigen Aufteilung der Schutzspannung Us über die in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 bei einer oder mehreren der Elektrolysezellen 12 ein Unterschreiten der Polarisationsspannung Uo auftreten kann. Dies Problem kann unter anderem deshalb auftreten, weil die Elektrolysezellen 12 nicht sämtlich identisch sind und/oder einen unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen, das heißt, eine voneinander unterschiedliche Zellencharakteristik und/oder einen voneinander unterschiedlichen Alterungszustand aufweisen. Dadurch kann ein unerwünschter Brennstoffzellenbetrieb auftreten, wodurch die jeweiligen Elektrolysezellen 12 beschädigt werden können. FIG 3 zeigt nun eine Elektrolysevorrichtung 10, bei der die vorgenannten Probleme reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden können. Die Elektrolysevorrichtung 10 basiert auf der Elektrolysevorrichtung 52 gemäß FIG 1, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Auch hier ist eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Elektrolysezellen 12 vorgesehen, die parallel an den Hauptgleichrichter 14 angeschlossen ist, um im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Insoweit entspricht die Elektrolysevorrichtung 10 der Elektrolysevorrichtung 52, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen zu den FIG 1 und 2 verwiesen wird. In addition, particularly when starting up the electrolysis device 52 or when shutting down the electrolysis device 52, the case can occur that one or more of the electrolysis cells 12 fall below the polarization voltage Uo due to an uneven distribution of the protective voltage U s across the series-connected electrolysis cells 12 can. This problem can occur, among other things, because the electrolytic cells 12 are not all identical and/or have a different aging state, that is to say, have different cell characteristics and/or a different aging state. As a result, undesirable fuel cell operation can occur, which can cause the respective electrolysis cells 12 to be damaged. 3 now shows an electrolysis device 10 in which the aforementioned problems can be reduced, if not completely avoided. The electrolysis device 10 is based on the electrolysis device 52 according to FIG. 1, which is why additional reference is made to the relevant statements. Here too, a series connection consisting of a plurality of electrolysis cells 12 is provided, which is connected in parallel to the main rectifier 14 in order to be supplied with electrical energy in the intended electrolysis operation. In this respect, the electrolysis device 10 corresponds to the electrolysis device 52, which is why reference is made to the corresponding comments on FIGS. 1 and 2.
Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß FIG 1 ist bei der Elektrolysevorrichtung 10 gemäß FIG 3 vorgesehen, dass diese eine Unterstützungsvorrichtung 90 mit einem Schutzgerät 16 und eine Steuereinheit 18 aufweist, das dem Bereitstellen eines individuellen Schutzstroms 76 (FIG 4) für jede der in Reihe geschalteten Elektrolysezellen 12 dient. Das Schutzgerät 16 ist an die Elektrolysezellen 12, und zwar an deren Zellenanschlüsse 28, angeschlossen. Das Schutzgerät 16 weist eine elektrische Hilfsspannungsquelle 22 als elektrische Energiequelle auf, die dem Bereitstellen einer elektrischen Hilfsgleichspannung 24 dient. Ferner weist das Schutzgerät 16 Kontaktanschlüsse 26 zum elektrischen Verbinden mit den Zellenanschlüssen 28 der Elektrolysezellen 12 der Reihenschaltung auf. In der vorliegenden Ausgestaltung ist also vorgesehen, dass sämtliche Zellenanschlüsse 28 elektrisch mit dem Schutzgerät 16 gekoppelt sind. In contrast to the embodiment according to FIG. 1, the electrolysis device 10 according to FIG 12 serves. The protective device 16 is connected to the electrolytic cells 12, namely to their cell connections 28. The protective device 16 has an auxiliary electrical voltage source 22 as an electrical energy source, which serves to provide an auxiliary electrical direct voltage 24. Furthermore, the protective device 16 has contact connections 26 for electrically connecting to the cell connections 28 of the electrolysis cells 12 of the series circuit. In the present embodiment it is therefore provided that all cell connections 28 are electrically coupled to the protective device 16.
Das Schutzgerät 16 weist ferner jeweilige Schutzeinheiten 40 mit Anschlusskontakten 72 auf, die jeweils über die Kontaktanschlüsse 26 und die Zellenanschlüsse 28 mit einer jeweiligen der Elektrolysezellen 12, und zwar deren Elektroden, elektrisch gekoppelt sind. Weiterhin weisen die Schutzeinheiten 40 jeweils zwei Verbindungsanschlüsse 34 auf, mittels denen sie mit der Hilfsspannungsquelle 22 elektrisch gekoppelt werden können. Dadurch ist es möglich, jede der Elektrolyse- zellen 12 individuell mit einem Schutzstrom 76 zu beaufschlagen, um auch unabhängig vom bestimmungsgemäßen Betrieb eine größere Zellenspannung als die Polarisationsspannung Uo zuverlässig erreichen zu können. The protective device 16 also has respective protection units 40 with connection contacts 72, which are each electrically coupled via the contact connections 26 and the cell connections 28 to a respective one of the electrolysis cells 12, namely their electrodes. Furthermore, the protection units 40 each have two connection connections 34, by means of which they can be electrically coupled to the auxiliary voltage source 22. This makes it possible to use each of the electrolysis Cells 12 must be individually applied with a protective current 76 in order to be able to reliably achieve a cell voltage greater than the polarization voltage Uo, regardless of the intended operation.
Die elektrische Hilfsspannungsquelle 22 kann zum Beispiel mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder dergleichen elektrisch gekoppelt sein. Jede Schutzeinheit 40 stellt für die jeweilige der Elektrolysezellen 12 einen individuellen Schutzstrom 76 bereit, sodass eine individuelle Schutzspannung Us erreicht werden kann. The auxiliary electrical voltage source 22 can be electrically coupled, for example, to a public power grid or the like. Each protection unit 40 provides an individual protection current 76 for each of the electrolysis cells 12, so that an individual protection voltage U s can be achieved.
Die Schutzspannung Us (FIG 2) ist so gewählt, dass an keiner der Elektrolysezellen 12 eine Brennstoffzellenwirkung entsteht, das heißt, es ist vermieden, dass Gasreste in einer jeweiligen Elektrolysezelle 12 nach dem Brennstoffzellenprinzip zu Wasser reagieren und damit Energie freisetzen. Dies kann zu einer erheblichen Alterung und Schädigung einer jeweiligen Elektrolysezelle 12 führen. The protective voltage U s (FIG 2) is chosen so that no fuel cell effect occurs on any of the electrolysis cells 12, that is, it is avoided that gas residues in a respective electrolysis cell 12 react to form water according to the fuel cell principle and thus release energy. This can lead to significant aging and damage to a respective electrolytic cell 12.
Vorliegend ist ferner eine Schalteinheit 36 vorgesehen, die an die Anschlusskontakte 72 der Schutzeinheiten 40 der Unterstützungsvorrichtung 90 und an die Kontaktanschlüsse 26 der Elektrolysevorrichtung 10 beziehungsweise der Elektrolysezellen 12 angeschlossen ist. Die Schalteinheit 36 ist für die Erfindung nicht zwingend erforderlich und kann - je nach Bedarf - auch entfallen oder modifiziert ausgebildet sein. Die Schalteinheit 36 ist in der vorliegenden Ausgestaltung ausgebildet, die Schutzeinheiten 40 zum Bereitstellen des Schutzstroms 76 an den Anschlusskontakten 72 abhängig von einem Schaltzustand der Schalteinheit 36 mit den Kontaktanschlüssen 26 elektrisch zu koppeln. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, dass die Schutzeinheiten 40 nur dann mit den Elektrolysezellen 12 elektrisch verbunden zu sein brauchen, wenn dies aufgrund der Betriebssituation der Elektrolysevorrich- tung 10 erforderlich beziehungsweise gewünscht ist. So können die Schutzeinheiten 40 mittels der Schalteinheit 36 gegenüber den Elektrolysezellen 12 deaktiviert werden, wenn die Elekt- rolysezellen 12 bestimmungsgemäß im Elektrolysebetrieb betrieben werden. Darüber hinaus kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Spannungssensoren 44 (siehe FIG 7) der Schutzeinheiten 40 für eine Erfassung der Zellenspannungen unmittelbar an die Kontaktanschlüsse 26 angeschlossen sind, wenn gewünscht ist, dass die Zellenspannungen unabhängig vom Schaltzustand der Schalteinheit 36 erfasst werden können sollen . In the present case, a switching unit 36 is also provided, which is connected to the connection contacts 72 of the protection units 40 of the support device 90 and to the contact connections 26 of the electrolysis device 10 or the electrolysis cells 12. The switching unit 36 is not absolutely necessary for the invention and can - depending on requirements - be omitted or modified. In the present embodiment, the switching unit 36 is designed to electrically couple the protection units 40 to the contact connections 26 in order to provide the protective current 76 at the connection contacts 72 depending on a switching state of the switching unit 36. This creates the possibility that the protection units 40 only need to be electrically connected to the electrolysis cells 12 if this is necessary or desired due to the operating situation of the electrolysis device 10. The protection units 40 can be deactivated relative to the electrolytic cells 12 by means of the switching unit 36 when the electrical rolysis cells 12 are operated as intended in electrolysis mode. In addition, it can be provided, for example, that the voltage sensors 44 (see FIG. 7) of the protection units 40 are connected directly to the contact connections 26 for detecting the cell voltages, if it is desired that the cell voltages should be able to be detected independently of the switching state of the switching unit 36 .
Die Schalteinheit 36 weist für jeden der Kontaktanschlüsse 26 jeweils ein individuelles Schaltelement 38 auf, welches vorliegend durch ein Reed-Relais beziehungsweise Reed-Kontakt gebildet ist. In alternativen Ausgestaltungen kann hier natürlich auch ein entsprechendes Relais beziehungsweise ein Schütz oder auch ein elektronisches Schaltelement vorgesehen sein . The switching unit 36 has an individual switching element 38 for each of the contact connections 26, which in the present case is formed by a reed relay or reed contact. In alternative embodiments, a corresponding relay or a contactor or an electronic switching element can of course also be provided here.
Die Schaltelemente 38 werden hinsichtlich ihres jeweiligen Schaltzustands von der Steuereinheit 18 der Unterstützungsvorrichtung 90 gemeinsam gesteuert, sodass sämtliche der Schaltelemente 38 im Wesentlichen jeweils den gleichen Schaltzustand einnehmen. Die Steuereinheit 18 kann zu diesem Zweck eine Steuerschaltung umfassen, die unter anderem auch der Steuerung des Schutzgeräts 16 dient. Steuereinheit 18 stellt vorliegend - wie im Folgenden noch weiter erläutert werden wird - eine Auswertefunktionalität zur Verfügung, sodass sie auch eine Funktion einer Auswerteeinheit übernimmt. The switching elements 38 are jointly controlled with regard to their respective switching state by the control unit 18 of the support device 90, so that all of the switching elements 38 essentially assume the same switching state. For this purpose, the control unit 18 can include a control circuit which, among other things, also serves to control the protective device 16. In the present case - as will be explained further below - control unit 18 provides an evaluation functionality so that it also takes on a function of an evaluation unit.
Zum Steuern der Schalteinheit 36 ist in der vorliegenden Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Zellenstrom der Reihenschaltung der Elektrolysezellen 12 mittels eines nicht näher dargestellten Stromsensors als Sensoreinheit erfasst wird. Der Stromsensor liefert ein entsprechendes Sensorsignal an die Steuereinheit 18, die dieses Signal auswertet. Sobald das Sensorsignal kleiner als ein vorgegebener Vergleichswert ist, wird die Schalteinheit 36 vom ausgeschalteten Schaltzustand in den eingeschalteten Schaltzustand umgeschaltet. Das bedeutet, dass durch das Schutzgerät 16, das hierdurch nun akti- viert ist, jede Elektrolysezelle 12 mit dem entsprechenden individuellen Schutzstrom 76 beaufschlagt ist. To control the switching unit 36, it is provided in the present embodiment that a cell current of the series connection of the electrolysis cells 12 is detected by means of a current sensor (not shown in detail) as a sensor unit. The current sensor supplies a corresponding sensor signal to the control unit 18, which evaluates this signal. As soon as the sensor signal is smaller than a predetermined comparison value, the switching unit 36 is switched from the switched-off switching state to the switched-on switching state. This means that the protective device 16, which is now activated fourth, each electrolytic cell 12 is supplied with the corresponding individual protective current 76.
Die Schutzeinheiten 40 sind vorliegend identisch ausgebildet. Bei Bedarf kann dies jedoch auch anders sein. Eine der Schutzeinheiten 40 ist exemplarisch anhand einer schematischen Blockschaltbilddarstellung gemäß FIG 7 erläutert. Die Schutzeinheit 40 weist zum Bereitstellen des Schutzstroms 76 einen mit der elektrischen Hilfsspannungsquelle 22 gekoppelten elektronischen Wandler 42 auf, der vorliegend als stromsteuerbarer, galvanisch trennender DC/DC-Wandler nach Art einer Stromquellenschaltung ausgebildet ist. Zugleich ist der Wandler 42 ausgebildet, abhängig von einem Stromquellensteuersignal den vorgebbaren Schutzstrom 76 abzugeben. Die Stromquellenschaltung zeichnet sich unter anderem im Allgemeinen insbesondere dadurch aus, dass die Stromquellenschaltung für einen durch Bemessung vorgegeben Betriebsbereich, beispielsweise einen Spannungsbereich oder dergleichen, einen elektrischen Strom abgibt, dessen Wert im Wesentlichen nur vom Stromquellensteuersignal abhängig ist. Zu diesem Zweck ist der Wandler 42 über einen Schnittstellenanschluss 70 an die Steuereinheit 18 der Unterstützungsvorrichtung 90 angeschlossen. Die Steuereinheit 18 stellt unter anderem das entsprechende Stromquellensteuersignal bereit, sodass die mit der Schutzeinheit 40 gekoppelte Elektrolysezelle 12 mit dem individuellen Schutzstrom 76 beaufschlagt werden kann. The protection units 40 are designed identically in the present case. However, this can be different if necessary. One of the protection units 40 is explained as an example using a schematic block diagram representation according to FIG. To provide the protective current 76, the protection unit 40 has an electronic converter 42 coupled to the electrical auxiliary voltage source 22, which in the present case is designed as a current-controllable, galvanically isolating DC/DC converter in the manner of a current source circuit. At the same time, the converter 42 is designed to output the predeterminable protective current 76 depending on a power source control signal. The current source circuit is generally characterized, among other things, in that the current source circuit emits an electrical current for an operating range specified by the design, for example a voltage range or the like, the value of which is essentially dependent only on the current source control signal. For this purpose, the converter 42 is connected to the control unit 18 of the support device 90 via an interface connection 70. The control unit 18 provides, among other things, the corresponding power source control signal, so that the electrolytic cell 12 coupled to the protection unit 40 can be supplied with the individual protective current 76.
Darüber hinaus weist die Schutzeinheit 40 einen an die Anschlusskontakte 72 angeschlossenen Spannungssensor 44 auf, mit dem die Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 erfasst werden kann. Ein entsprechendes Spannungs signal wird von dem Spannungs sensor 44 über den Schnittstellenanschluss 70 an die Steuereinheit 18 übermittelt. Die Steuereinheit 18 wertet unter anderem das Spannungssignal aus und ermittelt abhängig hiervon den für die jeweilige Elektrolysezelle 12 einzustellenden Schutzstrom 76. In Abhängigkeit von dem jeweils ermittelten Schutzstrom 76 wird das Stromquellensteuersignal an den Wandler 42 übermittelt. Auch wenn der Schutzstrom 76 ein konstanter Gleichstrom sein kann, braucht der bereitgestellte Schutzstrom 76 - wie sich im Folgenden zeigt - kein konstanter Gleichstrom zu sein. In addition, the protection unit 40 has a voltage sensor 44 connected to the connection contacts 72, with which the cell voltage of the electrolytic cell 12 can be detected. A corresponding voltage signal is transmitted from the voltage sensor 44 to the control unit 18 via the interface connection 70. The control unit 18 evaluates, among other things, the voltage signal and, depending on this, determines the protective current 76 to be set for the respective electrolytic cell 12. Depending on the protective current 76 determined in each case, the current source control signal is transmitted to the converter 42. Even if the protective current is 76 can be constant direct current, the protective current 76 provided does not need to be a constant direct current - as will be shown below.
Vorliegend ist vorgesehen, dass die Schutzeinheiten 40 des Schutzgeräts 16 alle gleich ausgebildet sind und mittels der Steuereinheit 18 gesteuert werden können. In the present case it is provided that the protection units 40 of the protection device 16 are all designed the same and can be controlled by means of the control unit 18.
FIG 4 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung für eine der Elektrolysezellen 12 gemäß FIG 3 exemplarisch einen Schutzstrom 76 für die mit der jeweiligen Elektrolysezelle 12 gekoppelte Schutzeinheit 40. In dem in FIG 4 dargestellten Diagramm 80 ist eine linke Ordinate der elektrischen Spannung in V und eine rechte Ordinate dem elektrischen Strom in A zugeordnet. Eine Abszisse ist einer Zeitachse in ms zugeordnet. Mit einem Graphen 74 ist ein wandlerinternes Wandlersteuersignal des Wandlers 42 dargestellt, welches die Abgabe des Schutzstroms 76 steuert. Vorliegend handelt es sich bei dem Wandlersteuer signal 74 um ein Rechtecksignal, sodass der Wandler 42 einen getakteten Gleichstrom bereitzustellen vermag. Der getaktete Gleichstrom, der den Schutzstrom 76 darstellt, ist mittels eines entsprechenden Graphen 76 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Schutzstrom 76 synchron zum Wandlersteuersignal 76 gemäß dem entsprechenden Graphen 76 ein- beziehungsweise ausgeschaltet wird. 4 shows, in a schematic diagram representation for one of the electrolysis cells 12 according to FIG. 3, an example of a protective current 76 for the protection unit 40 coupled to the respective electrolysis cell 12. In the diagram 80 shown in FIG Ordinate assigned to the electric current in A. An abscissa is assigned to a time axis in ms. A graph 74 shows a converter-internal converter control signal of the converter 42, which controls the delivery of the protective current 76. In the present case, the converter control signal 74 is a square-wave signal, so that the converter 42 is able to provide a clocked direct current. The clocked direct current, which represents the protective current 76, is shown by means of a corresponding graph 76. It can be seen that the protective current 76 is switched on or off synchronously with the converter control signal 76 according to the corresponding graph 76.
Während dieses Betriebs wird die Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 mittels des Spannungssensors 44 (siehe FIG 7) erfasst. Hierfür brauchen vorliegend keine separaten Leitungen vorgesehen zu werden, wie dies anhand von FIG 7 bereits erläutert worden ist. Zu erkennen ist, dass die Elektrolysezelle 12 aufgrund des getakteten Gleichstroms als Schutzstrom 76 eine um einen geringfügigen Betrag schwankende Gleichspannung 78 als Zellenspannung zeigt. Die Spannungsschwankung liegt vorliegend in einem Bereich von etwa 1,25 V bis etwa 1,35 V. Der Spannungsverlauf gemäß dem Graphen 78 ergibt sich aufgrund der kapazitiven Wirkung der Elektrolysezelle 12. Dies erklärt im Übrigen auch, weshalb gemäß dem Graphen 76 während einer jeweiligen Dauer eines jeweiligen Gleichstromimpulses die Amplitude nicht konstant ist, sondern geringfügig abfällt. Dies ist ebenfalls eine Reaktion aufgrund der kapazitiven Eigenschaft der Elektrolysezelle 12. During this operation, the cell voltage of the electrolytic cell 12 is detected by means of the voltage sensor 44 (see FIG. 7). In this case, no separate lines need to be provided for this, as has already been explained with reference to FIG. It can be seen that the electrolytic cell 12 shows a DC voltage 78 that fluctuates by a small amount as the cell voltage due to the clocked direct current as protective current 76. In the present case, the voltage fluctuation is in a range from approximately 1.25 V to approximately 1.35 V. The voltage curve according to graph 78 results from the capacitive effect of the electrolytic cell 12. This also explains why according to graph 76 During a respective duration of a respective direct current pulse, the amplitude is not constant, but drops slightly. This is also a reaction due to the capacitive property of the electrolytic cell 12.
Mit dem Steuersignal der Steuereinheit 18 kann je nach Bedarf eine Amplitude des getakteten Gleichstroms sowie auch ein Tastverhältnis des getakteten Gleichstroms eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 18 eine entsprechende Auswertung des Sensor signals des Spannungssensors 44 (vgl. FIG 7 und FIG 8) vornehmen. Auf jeden Fall werden die Amplitude und das Tastverhältnis des getakteten Gleichstroms derart bestimmt, dass die erfasste elektrische Zellenspannung der Elektrolysezelle 12 größer als die entsprechend zugehörige Schutzspannung Us ist. Darüber hinaus kann unter Berücksichtigung der Zellenspannung sowie des durch den getakteten Gleichstrom als Schutzstrom 76 bewirkten Zellenstrom der Elektrolysezelle 12 abhängig von einem Auswerten durch die Steuereinheit 18 ein Alterungszustand der Elektrolysezelle 12 ermittelt werden. Das Tastverhältnis und/oder die Amplitude des getakteten Gleichstroms können dann ergänzend abhängig vom ermittelten Alterungszustand der Elektrolysezelle 12 eingestellt werden. With the control signal from the control unit 18, an amplitude of the clocked direct current as well as a duty cycle of the clocked direct current can be adjusted as required. For this purpose, the control unit 18 can carry out a corresponding evaluation of the sensor signal from the voltage sensor 44 (see FIGS. 7 and 8). In any case, the amplitude and the duty cycle of the clocked direct current are determined such that the detected electrical cell voltage of the electrolytic cell 12 is greater than the corresponding associated protective voltage U s . In addition, taking into account the cell voltage and the cell current of the electrolytic cell 12 caused by the clocked direct current as protective current 76, an aging state of the electrolytic cell 12 can be determined depending on an evaluation by the control unit 18. The duty cycle and/or the amplitude of the clocked direct current can then be additionally adjusted depending on the determined aging state of the electrolytic cell 12.
In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass unter Nutzung des Sensorsignals des Spannungssensors 44 eine Regelung realisiert werden kann. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass zum Einstellen des Tastverhältnisses des getakteten Gleichstroms die Zellenspannung mit einer individuellen Schutzspannung Us der Elektrolysezelle 12 verglichen wird, und ein jeweiliger Stromimpuls des getakteten Gleichstroms abhängig von diesem Vergleich ausgelöst wird. Sodann kann die Zellenspannung mit einem vorgegebenen Spannungsvergleichswert verglichen werden, der größer als die individuelle Schutzspannung Us ist, und der Stromimpuls des getakteten Gleichstroms kann abhängig von diesem Vergleich beendet werden. Durch Wahl des vorgegebenen Spannungs ver- gleichswerts kann somit ein Tastverhältnis und/oder auch eine Frequenz des getakteten Gleichstroms eingestellt werden. In an alternative embodiment, it can be provided that regulation can be implemented using the sensor signal from the voltage sensor 44. For this purpose, it can be provided that in order to set the duty cycle of the clocked direct current, the cell voltage is compared with an individual protective voltage U s of the electrolytic cell 12, and a respective current pulse of the clocked direct current is triggered depending on this comparison. The cell voltage can then be compared with a predetermined voltage comparison value that is greater than the individual protection voltage U s , and the current pulse of the clocked direct current can be terminated depending on this comparison. By selecting the specified voltage, A duty cycle and/or a frequency of the clocked direct current can therefore be set at the same value.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass dem getakteten Gleichstrom in einer alternativen Ausgestaltung zusätzlich noch ein konstanter Gleichstrom überlagert wird. Dadurch kann zum Beispiel erreicht werden, dass der Schutzstrom 76 den Wert Null nicht erreicht. Dies kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit verbessern. In addition, it can be provided that in an alternative embodiment a constant direct current is also superimposed on the clocked direct current. This can ensure, for example, that the protective current 76 does not reach the value zero. This can improve reliability and security.
FIG 5 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammdarstellung ein Oszillogramm 88 eines weiteren Schutzstroms 76. Der Schutzstrom 76 ist wieder mit einem entsprechenden Graphen 76 dargestellt. Eine Abszisse ist der Zeit in ms zugeordnet, wohingegen eine Ordinate einem Strom in A zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass der getaktete Gleichstrom bei dieser Ausgestaltung Stromimpulse in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,5 A aufweist. Die Stromimpulse sind vorliegend über einen jeweiligen Zeitraum beabstandet, der etwa 145 ms beträgt. 5 shows a further schematic diagram representation of an oscillogram 88 of a further protective current 76. The protective current 76 is again shown with a corresponding graph 76. An abscissa is associated with time in ms, whereas an ordinate is associated with a current in A. It can be seen that the clocked direct current in this embodiment has current pulses in a range between 0.5 and 1.5 A. In the present case, the current pulses are spaced apart over a respective period of time, which is approximately 145 ms.
FIG 6 zeigt in einer weiteren schematischen Diagrammdarstellung ein Diagramm 86, anhand dessen erkannt werden kann, wie sich der getaktete Schutzstrom 76 auf eine Alterung der Elektrolysezelle 12 auswirkt. Eine Abszisse ist dem elektrischen Strom in A zugeordnet, wohingegen eine Ordinate der elektrischen Spannung in V zugeordnet ist. Mit einem Graphen 84 ist eine Polarisationskurve einer Elektrolysezelle 12 zu Beginn der Beaufschlagung mit einem Schutzstrom 76 gemäß FIG 5 dargestellt. Mit einem Graphen 82 ist eine weitere Polarisationskurve am Ende eines Untersuchungszeitraums dargestellt. Die Untersuchung wurde an einer Elektrolysezelle 12 mit einer Elektrodenfläche von etwa 10 cm2 mit einer Bestro- mung über einen Zeitraum von 166 Stunden als Untersuchungszeitraum mit einem Schutzstrom 76 von maximal etwa 1,3 A durchgeführt. Anhand der Graphen 84 und 82 ist ersichtlich, dass es keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Polarisationskurve gegeben hat. Daraus leitet sich ab, dass keine messbare Alterung der Elektrolysezelle 12 erfolgt ist. Die Frequenz des getakteten Gleichstroms kann in einem Bereich von etwa 10 Hz bis etwa 100 Hz gewählt sein. Vorzugsweise liegt sie in einem Bereich von etwa 30 Hz. 6 shows a further schematic diagram representation of a diagram 86, from which it can be seen how the clocked protective current 76 affects aging of the electrolytic cell 12. An abscissa is associated with the electrical current in A, whereas an ordinate is associated with the electrical voltage in V. A graph 84 shows a polarization curve of an electrolytic cell 12 at the beginning of the application of a protective current 76 according to FIG. A graph 82 shows another polarization curve at the end of an examination period. The investigation was carried out on an electrolysis cell 12 with an electrode area of approximately 10 cm 2 with a current supply over a period of 166 hours as the examination period with a protective current 76 of a maximum of approximately 1.3 A. From graphs 84 and 82 it can be seen that there were no significant differences in terms of the polarization curve. This means that no measurable aging of the electrolytic cell 12 has occurred. The frequency of the clocked direct current can be selected in a range from approximately 10 Hz to approximately 100 Hz. Preferably it is in a range of approximately 30 Hz.
FIG 8 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm einen Aufbau der Elektrolysevorrichtung 10 mit der Unterstützungsvorrich- tung 90. Aus FIG 8 ist ersichtlich, dass vorliegend die Elektrolysezellen 12 als Modul zusammengefasst sind, um einen modulartigen bzw. modularen Aufbau der Elektrolysevorrichtung 10 zu realisieren. An das Modul sind nicht näher dargestellte Fluidanschlüsse 98 angeschlossen, über die elektrolytisch zu zerlegendes Eduktwasser zugeführt sowie Wasserstoff und Sauerstoff, die bei der bestimmungsgemäßen Elektrolyse anfallen, als Produkte abgeführt werden können. Jede der Elektrolysezellen 12 ist mit einer jeweiligen Stromquellenschaltung 42 elektrisch verbunden, um individuell mit einem Zellenstrom beaufschlagt werden zu können. Ferner ist jede der Elektrolysezellen 12 mit einem jeweiligen Spannungssensor 44 elektrisch verbunden. Sowohl die Spannungssensoren 44 als auch die Stromquellenschaltungen 42 sind vorliegend signaltechnisch an die Steuereinheit 18 angeschlossen. Die als Auswerteeinheit dienende Steuereinheit 18 ist ausgebildet, Alterungszustände aller mit der Unterstützungsvorrichtung 90 gekoppelten Elektrolysezellen 12 zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Alterungszuständen Steuerdaten für ein Anfahren oder ein Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung 10 zu ermitteln. Diese Steuerdaten werden von der Steuereinheit 18 über eine nicht dargestellte Kommunikationsverbindung an die übergeordnete Elektrolysesteuerung 32 übermittelt. Die Elektrolysesteuerung 32 dient der übergeordneten Steuerung der Elektrolysevorrichtung 10. Die Elektrolysesteuerung 32 kann an mehr als eine einzige Elektrolysevorrichtung 10 angeschlossen sein und beispielsweise alle mit ihr in Kommunikationsverbindung stehenden Elektrolysevorrichtungen 10 gemeinsam steuern. Darüber hinaus ist vorliegend vorgesehen, dass die Steuereinheit 18 mit weiteren Steuereinheiten 18 von weiteren Unterstützungsvorrichtungen 90 kommunikationstechnisch gekoppelt ist , die dem Betrieb von weiteren Elektrolysevor- richtungen 10 dienen . 8 shows a schematic block diagram of a structure of the electrolysis device 10 with the support device 90. From FIG. 8 it can be seen that in the present case the electrolysis cells 12 are combined as a module in order to realize a modular or modular structure of the electrolysis device 10. Fluid connections 98 (not shown) are connected to the module, via which educt water to be broken down electrolytically is supplied and hydrogen and oxygen, which are produced during the intended electrolysis, can be removed as products. Each of the electrolysis cells 12 is electrically connected to a respective power source circuit 42 in order to be able to be individually supplied with a cell current. Furthermore, each of the electrolysis cells 12 is electrically connected to a respective voltage sensor 44. In the present case, both the voltage sensors 44 and the current source circuits 42 are connected to the control unit 18 for signaling purposes. The control unit 18 serving as an evaluation unit is designed to determine aging states of all electrolysis cells 12 coupled to the support device 90 and, depending on the determined aging states, to determine control data for starting up or shutting down the electrolysis device 10. This control data is transmitted from the control unit 18 to the higher-level electrolysis control 32 via a communication connection (not shown). The electrolysis control 32 serves for the higher-level control of the electrolysis device 10. The electrolysis control 32 can be connected to more than a single electrolysis device 10 and, for example, can jointly control all electrolysis devices 10 that are in communication with it. In addition, it is provided here that the control unit 18 communicates with further control units 18 of further support devices 90 is coupled, which serve the operation of further electrolysis devices 10.
FIG 9 zeigt eine s chematisch perspektivis che Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Anordnung der Unter stützungs Vorrichtung 90 an einer al s Modul mit einem Modulgehäuse 96 aus gebildeten Elektrolysevorrichtung 10 . Zu erkennen i st , das s die Unterstüt zungsvorrichtung 90 ein separat handhabbares Gehäuse 94 aufweist , welches einem im Wesentlichen etwa f lache quaderförmigen Aufbau aufwei st . Die Unter Stützungsvorrichtung 90 weist ferner einen Steckverbinder 92 zum elektri schen Verbinden der Unterstützungsvorrichtung 90 mit den Ele ktrolysezellen 12 auf , der vorliegend über eine elektrische Verbindungsleitung 100 mit dem Gehäuse 94 verbunden ist . Auf diese Weise kann ein einfacher Ans chlus s der Unterstützungsvorrich- tung 90 an die Ele ktrolysevorrichtung 10 erreicht werden . Der Steckverbinder 92 ist mit dem Modul an einer Stirnseite verbunden und auf die se Weise am Modulgehäuse 96 angebracht . 9 shows a schematic perspective view of a first embodiment of an arrangement of the supporting device 90 on an electrolysis device 10 formed as a module with a module housing 96. It can be seen that the support device 90 has a separately manageable housing 94 which has a substantially flat cuboid structure. The supporting device 90 further has a plug connector 92 for electrically connecting the supporting device 90 to the electrolysis cells 12, which in the present case is connected to the housing 94 via an electrical connecting line 100. In this way, a simple connection of the support device 90 to the electrolysis device 10 can be achieved. The plug connector 92 is connected to the module on one end face and is attached to the module housing 96 in this way.
FIG 10 zeigt in einer s chematischen Darstellung wie FIG 9 eine zweite Ausgestaltung einer Anordnung der Unterstützungsvorrichtung 90 an einer als Modul mit einem Modulgehäuse 96 ausgebildeten Elektrolysevorrichtung 10 . Diese Ausgestaltung basiert auf der Ausgestaltung gemäß FIG 9 , weshalb ergänzend auf die Ausführungen zur FIG 9 verwiesen wird . Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung dadurch , das s der Steckverbinder 92 einstückig mit dem Gehäuse 94 ausgebildet ist . Die Verbindungsleitung 100 kann dadurch einge spart werden . Der Steckverbinder 92 ist an einem Ende des Gehäuses 94 ausgebildet und ragt aus einer durch da s Gehäuse 94 auf gespannten Ebene hervor . Dadurch kann der Steckverbinder 92 mit dem Modul im Wesentlichen etwa wie bei der ersten Ausgestaltung gemäß FIG 9 verbunden werden , insbesondere auf das Modulgehäuse 96 aufgesteckt werden . 10 shows, in a schematic representation like FIG. 9, a second embodiment of an arrangement of the support device 90 on an electrolysis device 10 designed as a module with a module housing 96. This embodiment is based on the embodiment according to FIG. 9, which is why reference is made in addition to the comments on FIG. 9. This embodiment differs from the first embodiment in that the plug connector 92 is formed in one piece with the housing 94 . The connecting line 100 can thereby be saved. The plug connector 92 is formed at one end of the housing 94 and protrudes from a plane spanned by the housing 94 . As a result, the plug connector 92 can be connected to the module essentially as in the first embodiment according to FIG. 9, in particular plugged onto the module housing 96.
Auch wenn vorangehend das Prinzip der Erf indung anhand der Anwendung auf einzelne Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung erläutert worden ist , i st das Prinzip der Erfindung dennoch gleichermaßen auch bei einer Elektrolysevorrichtung anwendbar, die einen oder mehrere Zellenblöcke aufweist, wobei ein jeweiliger Zellenblock zwei oder mehrere Elektrolysezellen umfassen kann. Die zellenspezifischen Aspekte können folglich - für den Fachmann leicht ersichtlich - im Wesentlichen entsprechend angepasst auch auf einen jeweiligen Zellenblock angewendet werden. Durch eine einfache leichte Anpassung kann somit auch die Behandlung von Zellenblöcken erreicht werden. Natürlich können auch Kombinationen von Zel- lenblöcken und einzelnen Elektrolysezellen vorgesehen sein. Even if the principle of the invention has been explained above based on the application to individual electrolysis cells of the electrolysis device, the principle of the invention is nevertheless equally applicable to an electrolysis device which has one or more cell blocks, whereby a respective cell block can comprise two or more electrolysis cells. The cell-specific aspects can therefore - easily apparent to the person skilled in the art - also be applied to a respective cell block in an essentially appropriate manner. The treatment of cell blocks can also be achieved through a simple, slight adjustment. Of course, combinations of cell blocks and individual electrolysis cells can also be provided.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. The exemplary embodiments serve exclusively to explain the invention and are not intended to limit it.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Unterstützungsvorrichtung (90) für eine eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (12) aufweisende Elektrolysevorrichtung (10) , mit : 1. Support device (90) for an electrolysis device (10) having a plurality of electrolysis cells (12), with:
- Anschlusskontakten (72) zum elektrischen Koppeln mit jeweiligen Elektroden der Elektrolysezellen (12) , gekennzeichnet durch - Connection contacts (72) for electrical coupling with respective electrodes of the electrolysis cells (12), characterized by
- wenigstens eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer Zellenspannung einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) , - at least one voltage detection unit for detecting a cell voltage of a respective electrolysis cell (12),
- eine mit der wenigstens einen Spannungserfassungseinheit signaltechnisch gekoppelte Auswerteeinheit (18) zum Ermitteln von zumindest einer Zellencharakteristik oder zumindest einem Alterungs zustand für eine jeweilige der Elektrolysezellen- An evaluation unit (18) coupled in terms of signals to the at least one voltage detection unit for determining at least one cell characteristic or at least one aging condition for a respective electrolytic cell
( 12 ) , sowie ( 12 ), as well
- eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen (12) entsprechenden Anzahl von steuerbaren elektronischen Stromquellenschaltungen- A number of controllable electronic power source circuits corresponding to the majority of electrolysis cells (12).
(42) , wobei eine jeweilige der Stromquellenschaltungen (42) mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, die jeweilige Elektrolysezelle (12) individuell mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal einstellbar ist. (42), wherein a respective one of the current source circuits (42) is electrically coupled to electrodes of a respective one of the electrolysis cells (12) and is designed to individually apply a direct current to the respective electrolysis cell (12), which is adjustable depending on a current source control signal.
2. Unterstützungsvorrichtung (90) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinheit eine der Mehrzahl der Elektrolysezellen (12) entsprechende Anzahl an Spannungs sensoren (44) aufweist, wobei ein jeweiliger der Spannungs sensoren (44) mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) elektrisch gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Zellenspannung der jeweiligen Elektrolysezelle (12) zu erfassen und abhängig von der erfassten Zellenspannung ein jeweiliges Spannungssignal abzugeben. 2. Support device (90) according to claim 1, characterized in that the voltage detection unit has a number of voltage sensors (44) corresponding to the plurality of electrolysis cells (12), each of the voltage sensors (44) having electrodes of a respective one of the electrolysis cells ( 12) is electrically coupled and is designed to detect a cell voltage of the respective electrolysis cell (12) and to emit a respective voltage signal depending on the detected cell voltage.
3. Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Stromsensor zum Erfassen eines Zellenstroms von wenigstens einer der Elektrolysezellen (12) und zum Abgeben eines Stromsignals abhängig vom erfassten Zellenstrom. 3. Support device (90) according to one of the preceding claims, characterized by at least one current sensor for detecting a cell current of at least one of the electrolysis cells (12) and for emitting a current signal depending on the detected cell current.
4. Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ausgebildet ist, die Zellenspannung und den Zellenstrom über einen vorgebbaren Zeitraum zu erfassen und abhängig hiervon die Zellencharakteristik und/oder den Alterungszustand der Elektrolysezelle (12) zu ermitteln. 4. Support device (90) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (18) is designed to record the cell voltage and the cell current over a predeterminable period of time and, depending on this, the cell characteristics and / or the aging state of the electrolysis cell (12) to determine.
5. Unterstützungsvorrichtung (90) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ausgebildet ist, Zellencharakteristiken und/oder Alterungs zustände aller mit der Unter Stützungsvorrichtung (90) gekoppelten Elektrolysezellen (12) zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Alterungs zuständen Steuerdaten für einen Betriebszustand im Elektrolysebetrieb, ein Anfahren und/oder ein Herunterfahren der Elektrolysevorrichtung (10) zu ermitteln. 5. Support device (90) according to claim 4, characterized in that the evaluation unit (18) is designed to determine cell characteristics and / or aging conditions of all electrolysis cells (12) coupled to the support device (90) and depending on the determined aging conditions To determine control data for an operating state in electrolysis operation, starting up and / or shutting down the electrolysis device (10).
6. Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein separat handhabbares Gehäuse (94) , welches einen Steckverbinder (92) zum elektrischen Verbinden der Unterstützungsvorrichtung (90) mit den Elektrolysezellen (12) aufweist. 6. Support device (90) according to one of the preceding claims, characterized by a separately manageable housing (94) which has a plug connector (92) for electrically connecting the support device (90) to the electrolysis cells (12).
7. Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ausgebildet ist, Betriebszustände aller mit der Auswerteeinheit (18) gekoppelten Elektrolysezellen (12) zu ermitteln und abhängig von den ermittelten Betriebs zuständen ein Zustandssignal für eine übergeordnete Elektrolysesteuerung (32) bereitzustellen, um den Zellenstrom abhängig vom Zustandssignal zu steuern. 7. Support device (90) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit (18) is designed to determine the operating states of all electrolysis cells (12) coupled to the evaluation unit (18) and, depending on the determined operating states, a status signal for one to provide a higher-level electrolysis control (32) in order to control the cell current depending on the status signal.
8. Elektrolysevorrichtung (10) mit einer Mehrzahl von Elektrolysezellen (12) , gekennzeichnet durch eine Unterstützungsvorrichtung (90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 9. Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von Elektrolysezellen (12) aufweisenden Elektrolysevorrichtung (10) , wobei jeweilige Elektroden der Elektrolysezellen (12) zum elektrischen Koppeln mit einer Unterstützungsvorrichtung (90) für die Elektrolysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Anschlusskontakten (72) der Unterstützungsvorrichtung (90) elektrisch gekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Zellenspannungen der Elektrolysezellen (12) mittels wenigstens einer mit den Anschlusskontakten (72) elektrisch gekoppelten Spannungserfassungseinheit der Unterstützungsvorrich- tung (90) erfasst werden, wobei die Spannungserfassungseinheit abhängig von der jeweils erfassten elektrischen Spannung ein jeweiliges Spannungssignal bereitstellt , wobei die Spannungssignale mittels einer Auswerteeinheit (18) ausgewertet werden, um für eine jeweilige Elektrolysezelle (12) zumindest eine Zellencharakteristik oder zumindest einen Alterungszustand zu ermitteln. 8. Electrolysis device (10) with a plurality of electrolysis cells (12), characterized by a support device (90) according to one of the preceding claims. 9. A method for operating an electrolysis device (10) having a plurality of electrolysis cells (12), wherein respective electrodes of the electrolysis cells (12) for electrical coupling with a support device (90) for the electrolysis device (10) according to one of the preceding claims with connection contacts ( 72) of the support device (90) are electrically coupled, characterized in that cell voltages of the electrolysis cells (12) are detected by means of at least one voltage detection unit of the support device (90) which is electrically coupled to the connection contacts (72), the voltage detection unit depending on the respective detected electrical voltage provides a respective voltage signal, the voltage signals being evaluated by means of an evaluation unit (18) in order to determine at least one cell characteristic or at least one aging state for a respective electrolytic cell (12).
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine jeweilige der Stromquellenschaltungen (42) der Unterstützungsvorrichtung (90) mit Elektroden einer jeweiligen der Elektrolysezellen (12) elektrisch gekoppelt wird, wobei die jeweilige Elektrolysezelle (12) individuell mit einem Gleichstrom beaufschlagt wird, der abhängig von einem Stromquellensteuersignal eingestellt wird. 10. The method according to claim 9, in which a respective one of the power source circuits (42) of the support device (90) is electrically coupled to electrodes of a respective one of the electrolysis cells (12), the respective electrolysis cell (12) being individually supplied with a direct current which depends is set by a power source control signal.
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