Ein Elektrolyse-Stack mit niedriger Spannung und hohem Strom verlangt der Stromversorgung etwas anderes ab als eine Last mit hoher Spannung und kleinem Strom. Beide können dieselbe Leistung aufnehmen. Die Kilowattzahl allein hilft bei der Auswahl deshalb wenig. Entscheidend ist, ob das Netzgerät den benötigten Strom im gesamten vorgesehenen Betrieb liefern kann und dafür genügend Spannung bereitstellt.
Das betrifft die Entwicklung von Elektrolyseuren und elektrochemische Laborversuche ebenso wie die elektrolytische Oberflächenbehandlung. Wie Sie eine passende Gleichstromversorgung auswählen, lässt sich an wenigen Fragen festmachen: Wie verändert sich die Last? Soll Strom oder Spannung geregelt werden? Und welche Verluste entstehen zwischen Quelle und Zelle?
Warum sich der Arbeitspunkt verschiebt
Bei der Wasserelektrolyse zerlegt elektrische Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Alkalische und PEM-Elektrolyseure unterscheiden sich unter anderem in Elektrolyt, Elektroden und Aufbau. Ihre elektrische Kennlinie hängt von der Technologie und den Betriebsbedingungen ab. Ändern sich diese, kann bei derselben angelegten Spannung ein anderer Strom fließen. Das US-Energieministerium beschreibt die grundlegenden Elektrolysetechnologien.
Eine Polarisationskurve hilft bei der Auslegung. Sie zeigt, welche Zell- oder Stackspannung zu einer bestimmten Stromdichte gehört. Aussagekräftig wird die Kurve zusammen mit den Messbedingungen: Temperatur, Druck und Durchfluss gehören ins Protokoll. So lässt sich ein Versuch später sinnvoll vergleichen. Der harmonisierte JRC-Prüfansatz legt diese Bedingungen fest.
Auch die Zellgröße spielt eine Rolle. Die Stromdichte j = I / A bezieht den Strom auf die für das Verfahren definierte aktive Fläche A. Derselbe Strom kann eine kleine Zelle stark und eine größere deutlich weniger belasten. Für den Vergleich reichen Ampere allein deshalb nicht aus.
Über die Zeit transportiert der Strom elektrische Ladung. Bei konstantem Strom gilt Q = I × t, bei veränderlichem Strom wird über die Zeit integriert. Welcher Anteil der Ladung zur gewünschten chemischen Umsetzung beiträgt, hängt von der Stromausbeute und möglichen Nebenreaktionen ab. Den Strom zu verdoppeln garantiert daher nicht pauschal die doppelte Menge nutzbaren Produkts. Die harmonisierte JRC-Terminologie erläutert Ladung, Stromdichte und elektrochemische Ausbeute.
Der Strom braucht eine Spannungsreserve
Wenn Sie einen festgelegten Strom durch die Zelle schicken wollen, bietet sich der Konstantstrombetrieb, kurz CC, an. Das Netzgerät passt seine Spannung so an, dass der eingestellte Strom fließt. Es kann eine veränderte Zellspannung dabei nur innerhalb seiner Spannungsreserve ausgleichen. Erreicht es die eingestellte Spannungsgrenze, geht es in die Spannungsregelung über. Der Strom ergibt sich dann aus der Spannung und dem angeschlossenen Prozess.
Wählen Sie die Grenze passend zu den zulässigen Prozesswerten. Die maximal verfügbare Netzgerätespannung ist kein zulässiger Betriebswert für jeden Stack. Soll ein Versuch dagegen einem vorgegebenen Spannungsverlauf folgen, kann CV, der Konstantspannungsbetrieb, die passende Regelart sein. Prüf- oder Prozessplan bestimmen, welche Größe geführt und welche begrenzt wird.
Für einen Stack aus elektrisch in Reihe geschalteten Zellen addieren sich die Zellspannungen, während durch alle Zellen derselbe Strom fließt. Enthält eine Anlage mehrere Stacks, kommt deren Verschaltung hinzu. Die JRC-Prüfprotokolle beschreiben Aufbau und Betriebsbedingungen von Zellen und Stacks.
Rechnen Sie außerdem die Spannungsabfälle an Leitungen, Kontakten und weiteren Komponenten ein. Maßgeblich ist der vollständige vorgesehene Arbeitsbereich, einschließlich der höchsten Zellspannungen unter den zulässigen Betriebsbedingungen. Ein Netzgerät, das den warmen Nennpunkt abdeckt, kann an einem anderen Punkt bereits seine Spannungsgrenze erreichen. Jeder geforderte Punkt muss zu den Spannungs-, Strom- und Leistungsgrenzen sowie zur zulässigen Dauerbelastung des Geräts passen.
Rechenbeispiel: Was zwischen Quelle und Stack verloren geht
Nehmen wir für ein rein illustratives elektrisches Beispiel zehn in Reihe geschaltete Zellen an. Jede benötigt am betrachteten Arbeitspunkt 2,0 V bei 60 A. Diese Werte sind keine Vorgabe für einen realen Elektrolyseprozess. Für die gesamte Hin- und Rückleitung setzen wir einen Widerstand von 10 mΩ an:
| Größe | Rechnung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Spannung am Stack | 10 × 2,0 V | 20,0 V |
| Elektrische Leistung am Stack | 20,0 V × 60 A | 1.200 W |
| Spannungsabfall der gesamten Hin- und Rückleitung bei angenommenen 10 mΩ | 60 A × 0,010 Ω | 0,6 V |
| Verlustleistung dieser Leitungsschleife | 60² A² × 0,010 Ω | 36 W |
| Erforderlicher Ausgangspunkt der Quelle ohne weitere Verluste | 20,0 V + 0,6 V bei 60 A | 20,6 V / 1.236 W |
Am Stack werden 1.200 W umgesetzt, die Leitungsschleife wandelt weitere 36 W in Wärme um. Die Quelle muss dafür 1.236 W abgeben. Ihre Netzaufnahme liegt um die eigenen Verluste höher. Der zusätzliche Spannungsanteil gleicht den Leitungsabfall aus, verhindert aber nicht, dass sich die Leitungen erwärmen.
Das Beispiel macht auch deutlich, warum der Messort zählt: Eine Spannungsmessung direkt an den Netzgeräteklemmen erfasst die Spannung am Gerät. Für den Prozess interessiert Sie die Spannung am Stack. Remote Sense kann bei geeigneten Geräten und Betriebsarten die Spannungsregelung auf diesen Lastanschluss beziehen. Wann und wie das zulässig ist, steht in der jeweiligen Betriebsanleitung. Eine passende Auslegung der Leistungsleitungen und die Prozessmessung bleiben erforderlich.
Wie ruhig muss der Strom fließen?
Für die Stromqualität zählt auch die Restwelligkeit: unerwünschte Schwankungen um den Gleichanteil. Vergleichen Sie Datenblattwerte deshalb mitsamt Amplitude, Frequenzbereich und Messbedingungen. Spitze-Spitze- und Effektivwerte sind ohne Kenntnis der Signalform nicht direkt ineinander umzurechnen.
Für Elektrolyseure kann die Stromqualität relevant sein. Parache und Mitautoren untersuchten überlagerte Stromwelligkeiten in einem 3.000-Stunden-Versuch an PEM-Elektrolyseuren. Bestimmte untersuchte Wellenformen beeinflussten die Alterung. Die Ergebnisse zeigen zugleich, wie wichtig System und Wellenform für die Beurteilung sind. Daraus lässt sich weder ein allgemeiner Grenzwert für jeden Elektrolyseur ableiten noch eine höhere Ausbeute allein durch einen kleinen Datenblattwert versprechen.
Legen Sie für die Beschaffung fest, welche Stromqualität der Prozess an seinen Arbeitspunkten benötigt. Dazu gehört der geplante Teillastbereich. Der Anbieter sollte erklären können, unter welchen Bedingungen seine Angaben gelten.
Was der Versuchsablauf vom Netzgerät verlangt
In Entwicklungsversuchen werden Ströme oft schrittweise verändert und Spannung, Temperatur sowie Zeit aufgezeichnet. Damit der Ablauf wiederholbar ist, müssen Sollwertverlauf, Messzeitpunkte und Prozessbedingungen zusammenpassen. Zur Schnittstelle gehört deshalb auch die Frage, wie schnell der Ausgang einer neuen Vorgabe an der tatsächlichen Last folgt.
Planen Sie schnelle Pulse oder Polaritätswechsel, prüfen Sie die dafür erforderliche Ausgangsstufe, Flanken, Lastreaktion und zulässige Rückenergie ausdrücklich. Eine programmierbare DC-Quelle besitzt diese Fähigkeiten nicht automatisch. Wie sich ein solcher Betrieb auf den elektrochemischen Prozess auswirkt, ist eine eigene Untersuchungsfrage.
Den Beispielpunkt mit der DP-P Serie abdecken
Das DP30-80P mit 30 V, 80 A und 2,4 kW Nennleistung deckt die berechneten 20,6 V und 60 A, entsprechend 1.236 W, nach seinen Nennwerten ab. Es bietet CC-/CV-Regelung sowie RS232 und RS485 mit Modbus RTU. Damit kann eine externe Versuchssteuerung Sollwerte vorgeben und Istwerte abfragen. Optional ergänzen LAN und ein davon unabhängiges analoges I/O-Paket die Anbindung. Das Analogpaket ersetzt einen vorhandenen RS232-Anschluss.
Für die Auswahl eines realen Aufbaus kommen zum Beispielpunkt die übrigen Arbeitspunkte, die erforderliche Regelgüte, die Prozessgrenzen und das Verhalten bei Abschaltung hinzu. Größere Systeme brauchen außerdem eine passende Gerätekonfiguration: Dieses 2,4-kW-Modell unterstützt keinen Master/Slave-Parallelbetrieb. Diese Funktion der DP-P Serie bleibt den dafür vorgesehenen 15-kW-Modulen vorbehalten.
Diese Angaben helfen bei der Auswahl
Die Stromversorgung arbeitet in einer Elektrolyseanlage mit der übrigen Prozessführung zusammen. Temperatur, Medienversorgung, Gasführung und Druck können den zulässigen Betrieb begrenzen. Die Anlagensteuerung muss darauf reagieren können. Ein Interlock am Netzgerät lässt sich in dieses Konzept einbinden, ist allein aber keine vollständige Sicherheitseinrichtung für den chemischen Prozess.
Beschreiben Sie für die technische Vorauswahl Ihre Zell- oder Stackkonfiguration, Spannungs- und Strombereiche, Dauerbetrieb und Lastprofil. Hilfreich sind außerdem die gewünschte Messung und Anbindung sowie die Grenz- und Abschaltbedingungen des Prozesses. Senden Sie diese Eckdaten an service@dsc-electronics.de. Wir unterstützen Sie dabei, Ausgangsbereich und Ausstattung auf Ihren Versuchsaufbau abzustimmen.
