特表 2023-525117 電解槽を動作させる方法、この方法を実行するための接続回路、整流器および電解システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-14

(54)【発明の名称】電解槽を動作させる方法、この方法を実行するための接続回路、整流器および電解システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/02 20210101AFI20230607BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230607BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230607BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20230607BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20230607BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20230607BHJP

【ＦＩ】

C25B15/02

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/65

H02M3/155 H

H02J15/00 G

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022568751

(86)(22)【出願日】2021-05-10

(85)【翻訳文提出日】2022-11-11

(86)【国際出願番号】 EP2021062341

(87)【国際公開番号】W WO2021228770

(87)【国際公開日】2021-11-18

(31)【優先権主張番号】102020112880.0

(32)【優先日】2020-05-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515078095

【氏名又は名称】エスエムエイ ソーラー テクノロジー アクティエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＳＭＡ Ｓｏｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ユケム，ラルフ

(72)【発明者】

【氏名】アンル，アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ベッカー，トビアス

(72)【発明者】

【氏名】ガース，アルノ

【テーマコード（参考）】

4K021

5H730

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA05

4K021CA06

5H730AS05

5H730BB13

5H730CC02

5H730DD02

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

(57)【要約】

本願は、電解反応によって水から水素を生成するように設計および構成され、アクティブに制御される整流器（３０）を介してＡＣ電圧グリッド（ＡＣグリッド）（２０）から電力が供給される電解槽（４０）を動作させる方法について記載しており、この方法は、
－無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高い入力電圧Ｕ_Ｅｌにより、主にオーミック挙動で、電解槽（４０）を通常動作モードで動作させるステップと、
－無負荷電圧Ｕ_ＬＬより低い入力電圧Ｕ_Ｅｌにより、主に容量性挙動で、電解槽（４０）を待機動作モードで動作させるステップと、
－第１の遷移期間Δｔ_１の間に待機動作モードから通常動作モードに遷移するステップであって、待機動作モード中の電解槽（４０）の入力部（４１）における入力電圧Ｕ_Ｅｌを０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く保つことによって、第１の遷移期間Δｔ_１を短縮する、ステップとを備える。本願はさらに、この方法を実行するための接続回路（１）、アクティブ制御整流器（３０）および電解システム（６０）について記載している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解反応によって水から水素を生成するように設計および構成され、かつアクティブに制御される整流器（３０）を介してＡＣ電圧（ＡＣ）グリッド（２０）から電力が供給される電解槽（４０）を動作させる方法であって、
－無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高い入力電圧Ｕ_Ｅｌにより、主にオーミック挙動で、電解槽（４０）を通常動作モードで動作させるステップと、
－無負荷電圧Ｕ_ＬＬより低い入力電圧Ｕ_Ｅｌにより、主に容量性挙動で、電解槽（４０）を待機動作モードで動作させるステップと、
－第１の遷移期間Δｔ_１の間に待機動作モードから通常動作モードに遷移するステップであって、待機動作モード中の電解槽（４０）の入力部（４１）における入力電圧Ｕ_Ｅｌを０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く保つことによって、第１の遷移期間Δｔ_１を短縮する、ステップとを備えることを特徴とする方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法において、
第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１が、無負荷電圧Ｕ_ＬＬの少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％の値に対応することを特徴とする方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の方法において、
待機動作モードにおける電解槽（４０）の入力部（４１）の入力電圧Ｕ_Ｅｌが、電解槽（４０）の無負荷電圧Ｕ_ＬＬよりも少なくとも５％低く保たれることを特徴とする方法。

【請求項4】

請求項１～３の何れか一項に記載の方法において、
－第２の遷移期間Δｔ_２の間に通常動作モードから待機動作モードへ遷移するステップをさらに含み、待機動作モード中の電解槽（４０）の入力部（４１）における入力電圧Ｕ_Ｅｌを０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く保つことによって第２の遷移期間Δｔ_２を短縮することを特徴とする方法。

【請求項5】

請求項１～４の何れか一項に記載の方法において、
待機動作モードにおける電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌが、電解槽の入力部（４１）を、プリチャージ抵抗器（２）および／またはインダクタ（１１）を介して、整流器（３０）に割り当てられたＡＣ／ＤＣコンバータ（３７）のＤＣコンバータ出力部（３７．２）にクロック式に接続することによって第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く維持されることを特徴とする方法。

【請求項6】

請求項５に記載の方法において、
電解槽（４０）の入力部（４１）とＤＣコンバータ出力部（３７．２）のクロック式の接続が、２点制御によって実施されることを特徴とする方法。

【請求項7】

請求項１～６の何れか一項に記載の方法において、
ＡＣ／ＤＣコンバータ（３７）のＤＣコンバータ出力部（３７．２）における最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}が、電解槽（４０）の無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高いことを特徴とする方法。

【請求項8】

請求項１～７の何れか一項に記載の方法において、
電解槽（４０）が、指定された境界条件下において保守動作モードでさらに動作され、この保守動作モードでは、電解槽（４０）の入力電圧Ｕ_Ｅｌが危険電圧値未満、特に０Ｖの値であることを特徴とする方法。

【請求項9】

請求項１～８の何れか一項に記載の方法において、
電解槽（４０）が、例えば産業プラントなどの消費設備に割り当てられ、電解槽（４０）の動作および／または電解槽（４０）に電力を供給するコンポーネントの動作が、エネルギー管理を実行する消費設備の制御ユニットを介して制御されることを特徴とする方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法において、
計算期間において消費設備とエネルギー供給業者との間で合意された最大エネルギーΔＥを超えないようにする目的で、計算期間中に、電解槽（４０）の通常動作モードと待機動作モードとの間の少なくとも１回の変更が行われることを特徴とする方法。

【請求項11】

ＤＣ源（１０）、特にＡＣグリッド（２０）にＡＣコンバータ入力部（３７．１）が接続されるＡＣ／ＤＣコンバータ（３７）のＤＣコンバータ出力部（３７．２）と、電解槽（４０）との間の接続回路（１）であって、
－接続回路（１）をＤＣ源（１０）に接続するための２つの入力接続部（５．１、５．２）を有する入力部（５）、および接続回路（１）を電解槽（４０）の入力部（４１）に接続するための２つの出力接続部（６．１、６．２）を有する出力部（６）と、
－プリチャージ抵抗器（２）と回路遮断器（３）の直列接続、またはインダクタ（１１）と回路遮断器（３）の直列接続であって、入力接続部（５．１、５．２）のうちの１つを出力接続部（６．１、６．２）のうちの対応する１つに接続する直列接続と、
－プリチャージ抵抗器（２）、インダクタ（１１）と並列に、または直列接続と並列に配置される更なる回路遮断器（４）と、
－出力部（６）に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｅｌと入力部（５）に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｑとの間の電圧差を特定するための測定ユニット（８）と、
－接続回路（１）、特に回路遮断器（３）および更なる回路遮断器（４）を制御するための制御ユニット（７）とを備え、
接続回路（１）が、ＤＣ源と、任意選択的に、エネルギー管理を実行する消費設備の制御ユニットと協働して、請求項１～１０の何れか一項に記載の方法に従って電解槽（４０）を動作させるように設計および構成されていることを特徴とする接続回路。

【請求項12】

請求項１１に記載の接続回路（１）において、
回路遮断器（３）が、半導体スイッチおよび／または電磁スイッチを含むことを特徴とする接続回路。

【請求項13】

請求項１１または１２に記載の接続回路（１）において、
更なる回路遮断器（４）が、電気機械スイッチにより形成され、この電気機械スイッチが、任意選択的に、半導体スイッチと並列接続されていることを特徴とする接続回路。

【請求項14】

請求項１１～１３の何れか一項に記載の接続回路（１）において、
直列接続が、回路遮断器（３）およびインダクタ（１１）により形成され、接続回路（１）が、ＤＣ／ＤＣコンバータ、特に降圧コンバータ（１４）として設計および構成されることを特徴とする接続回路。

【請求項15】

ＡＣ電圧を有するＡＣグリッド（２０）から電解槽（４０）に電力を供給するためのアクティブ制御整流器（３０）であって、
－ＡＣグリッド（２０）に接続するための複数の入力接続部を有するＡＣ入力部（３３）、および電解槽（４０）に接続するための２つの出力接続部を有するＤＣ出力部（３４）と、
－還流ダイオード（５３）が逆並列に接続された半導体スイッチ（５２）を含むコンバータ回路を有するＡＣ／ＤＣコンバータ（３７）と、
－整流器（３０）の半導体スイッチ（５２）を駆動するための整流器制御ユニット（３９）とを備え、整流器（３０）がさらに、請求項１１～１４の何れか一項に記載の接続回路（１）を備えることを特徴とするアクティブ制御整流器。

【請求項16】

請求項１５に記載のアクティブ制御整流器（３０）において、
接続回路（１）の直列接続が、回路遮断器（３）およびプリチャージ抵抗器（２）によって形成され、整流器（３０）が一段整流器（３０）として設計されていることを特徴とするアクティブ制御整流器。

【請求項17】

請求項１３に記載の接続回路（１）を有する、請求項１５に記載のアクティブ制御整流器（３０）において、
整流器（３０）が、ＡＣ／ＤＣコンバータ（３７）と整流器（３０）のＤＣ出力部（６）との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータを含む二段整流器（３０）として設計されていることを特徴とするアクティブ制御整流器。

【請求項18】

電解システム（６０）であって、請求項１５～１７の何れか一項に記載のアクティブ制御整流器（３０）と、アクティブ制御整流器（３０）の出力側に接続された電解槽（４０）とを備えることを特徴とする電解システム。

【請求項19】

請求項１８に記載の電解システム（６０）において、
電解槽（４０）の現在の動作モードを知らせるように構成された通知装置（４２）を備え、任意選択的には、電解システム（６０）が、待機動作モードにおいて、任意選択的には通常動作モードにおいても、電解システム（６０）の通電状態のコンポーネントに触れるのを防止するように構成された遮断装置をさらに備えることを特徴とする電解システム。

【請求項20】

請求項１８または１９に記載の電解システム（６０）において、
電解システム（６０）が、エネルギー管理を実行する消費設備の制御ユニットを介して制御される消費設備の一部として設計されていることを特徴とする電解システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解反応によって水から水素を生成するように設計および構成された電解槽を動作させる方法、この方法を実行するための接続回路、整流器および電解システムに関する。

【背景技術】

【0002】

水素は、水を電解反応によってその元素である水素と酸素に変換する電解槽を使用して生成されることが多い。この場合、電解槽には、アクティブに制御される整流器によってＡＣ電圧グリッド（ＡＣグリッド）から電力が供給される。電解槽は通常、無負荷電圧Ｕ_ＬＬとして知られる電圧で２つの領域に分けられる電流－電圧特性を有する。無負荷電圧Ｕ_ＬＬ未満では、電解槽の電極上に二重層が形成されることにより、電解槽は主に容量性挙動を示すようになる。無負荷電圧より低い電圧では、電解反応はまだ起こっていないか、または少なくともそれほど大きくは起こっていない。無負荷電圧Ｕ_ＬＬを上回る入力電圧では、その電圧で電解反応が生じることにより、電解槽は主にオーミック挙動を示すようになる。電解反応の速度、よって水素の生成速度は、例えば、電解槽の入力電圧によって制御され、通常は、入力電圧が高くなるに連れて速くなる。

【0003】

アクティブ制御可能な半導体スイッチとして、トランジスタ、特に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を有する整流器が、アクティブに制御される整流器としてますます使用されるようになってきている。この場合、それぞれの還流ダイオードが、トランジスタと逆並列に接続される。整流器の還流ダイオードは、本来ならばトランジスタを介して設定できるはずのＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣコンバータ出力部における電圧範囲が、最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}という下限を有することを意味する。この制限は、基本的に、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力部における最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}未満では、還流ダイオードの少なくとも１つが導通状態にあり、その結果、アノード側に存在する電圧が、還流ダイオードのカソード側に存在する電圧に対応し、還流ダイオードの順方向電圧内にあることに起因するものである。さらに、電力消費が公称電力に近い場合、整流器側の変換損失を可能な限り低くして、電力を電解槽に供給することが通常望ましい。ここで、公称電力とは、電解槽が損傷することなく安全に連続運転できる最大電力を意味するものと理解されたい。公称電力は、電解槽の様々なコンポーネントとそれらの相互作用に依存し得るものであり、通常は製造業者によって指定される。

【0004】

当該電解槽は、通常、その無負荷電圧Ｕ_ＬＬと公称電圧との間に大きな入力電圧範囲を有する。この場合、公称電圧は、電解槽の入力部に存在する電圧であり、その公称電力で電解槽が動作する。ＡＣ／ＤＣコンバータの出力部における最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}が電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬを下回るように、例えば整流器のＡＣ入力部に接続される変圧器の適切な設計などにより適切な措置がとられる場合、これは通常、電解槽の高入力電圧におけるアクティブ制御整流器の高い変換損失と関連する。そのため、最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}は、電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬよりも高いことが多いが、これは電解槽の円滑な始動と円滑なシャットダウンを複雑にする。

【0005】

電解槽の始動時には、電解槽のかなりの静電容量を充電する必要がある。この場合、還流ダイオードの損傷を防ぐために、プリチャージ中の電流をある値に制限する必要がある。具体的には、電流制限用のプリチャージ抵抗器を用いてプリチャージが行われる。一方、静電容量はできるだけ早くプリチャージすることが望ましく、そのためには抵抗値をできるだけ小さくする必要がある。しかしながら、オーム抵抗値が低いほど、その電力損失は大きくなり、またコンポーネントのコストも高くなる。例えば電解槽を整流器から切り離すだけで、水素製造を一時停止することは可能である。しかしながら、完全に抑制できない漏れ電流のために、電解槽は放電を続け、一時停止の時間によってはかなりの放電量になるため、再起動する必要がある。電解槽が消費設備、例えば産業プラント内で運転される場合、そのような長い電解槽の充電および放電の持続時間は、消費設備の効率的なエネルギー管理を妨げ、複雑なものにする。具体的には、所与の条件下では、電解槽を消費設備のエネルギー管理に組み込むことは不可能であるか、少なくとも困難を伴う。例えば、ある計算期間において、消費設備のピーク負荷削減の一環として、水素製造を短縮し、代わりに次の計算期間においてそれを継続することが望ましい。それには、数秒の範囲、有利には最大でも２秒のプリチャージ期間が必要である。

【0006】

ＮａＣｌ水溶液の電解に使用される電解槽のためのバックアップ電源は、文献ＦＲ２９７２２００Ａ１から知られている。そのような電解槽の場合、ＡＣグリッドに障害が発生して、整流器に接続されたＡＣグリッドから来るその通常の電源が故障した場合でも、電解槽の入力部を分極することが必要である。この目的のために、電解槽の入力部は、整流器、バッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびダイオードを介してＡＣグリッドに接続される。通常の電源としてのＡＣグリッドが故障した場合、電解槽の入力部は、バッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータおよびダイオードを介して分極されたままになる。

【0007】

文献ＤＥ１０２０１９２００２３８Ａ１は、電解槽による二酸化炭素の還元方法を開示しており、この方法では、印加される保護電位と電解質フラッシングによる再生段階を繰り返すことによって塩類化が抑制される。

【0008】

文献ＷＯ２０２０１３２０６４Ａ１は、二酸化炭素（ＣＯｘ）還元反応器を運転するための方法を開示している。この方法は、運転の様々な段階において、電力をオフにするか、低減するか、または何らかの他の方法で制御することを含む。

【0009】

文献ＤＥ１０２０１４２２４０１３Ａ１は、電解セルによる二酸化炭素利用方法を開示しており、この方法では、保護電圧が休止モードでカソードに印加され、保護電圧の印加がなければ電極が電解質溶液に侵されることになる。

【0010】

文献ＷＰ２０１９／２４６４３３Ａ１は、ＤＣ配電システムの操作方法を開示している。この方法は、アクティブ整流器を用いた第１の電圧変換を含み、それにより、第１の入力ＡＣ電圧を第１の出力ＤＣ電圧に変換して、それをＤＣバスに供給する。ＤＣバスの第１の出力ＤＣ電圧は、第２の入力ＤＣ電圧として降圧コンバータの第２の入力部に供給され、降圧コンバータは、第２の電圧変換を介して第２の出力ＤＣ電圧に変換し、それをＤＣ負荷、例えば電解セルスタックに供給する。

【0011】

文献ＤＥ１０２０１８１３３６４１Ａ１には、コンバータおよび電解槽を有する電解デバイスを動作させる方法が記載されている。ＡＣ電圧側では、コンバータが、デカップリングインピーダンスを介してＡＣ電圧グリッドに接続され、電圧注入で動作する。ＤＣ電圧側では、電解槽がコンバータに接続されている。電解デバイスは、ＡＣ電圧グリッドの公称周波数に対応しかつ時間的に一定であるグリッド周波数で、電解槽の定格電力の５０％～１００％の電力で動作する。この方法によれば、ＡＣ電圧グリッドに予備電力を瞬時に供給することができる。

【発明の概要】

【0012】

本発明の目的
本発明は、水に対して行われる電解反応による電解槽の水素生成を高度に動的な方法で調節することができる電解槽の動作方法を規定することを目的とする。冒頭に述べたタイプのアクティブ制御整流器を使用する場合、先ず、特に水素の生成を一時的に停止できる必要がある。この場合、一時停止は、可能な限り、数分から数時間まで延長できる必要がある。さらに、この場合、電解反応すなわち水素生成を伴う通常動作モードから、電解反応すなわち水素生成が少なくとも大きく抑制される待機動作モードへの遷移、およびその逆の遷移をできるだけ迅速に行う必要がある。本発明の別の目的は、この方法を実行するのに適した接続回路と、そのような接続回路を有する整流器を開示することである。本発明の別の目的は、この方法を実行するのに適した電解システムを開示することである。

【0013】

解決手段
この目的は、冒頭に述べたタイプの方法の場合、本発明では、独立請求項１の特徴によって達成される。本発明に係る接続回路を開示する目的は、独立請求項１１の特徴により達成され、本発明に係るアクティブ制御整流器を開示する目的は、独立請求項１５の特徴により達成される。本発明に係る電解システムを特定する目的は、独立請求項１８の特徴によって達成される。本方法の有利な実施形態は請求項２～１０に与えられ、接続回路の有利な実施形態は従属請求項１２～１４に与えられている。従属請求項１６および１７は、アクティブ制御整流器の有利な実施態様を対象としている。従属請求項１９および２０は、電解システムの有利な実施形態を対象としている。

【0014】

本発明の説明
本発明に係る方法は、電解反応によって水から水素を生成するように設計および構成された電解槽の動作に関する。電解槽は、アクティブ制御整流器を介してＡＣ電圧グリッド（ＡＣグリッド）から電力の供給を受ける。本方法は、
－電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高い入力電圧Ｕ_Ｅｌにより、主にオーミック挙動で、電解槽を通常動作モードで動作させるステップと、
－電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬより低い入力電圧Ｕ_Ｅｌにより、主に容量性挙動で、電解槽を待機動作モードで動作させるステップと、
－第１の遷移期間Δｔ_１の間に待機動作モードから通常動作モードに遷移するステップであって、待機動作モード中の電解槽の入力部における入力電圧Ｕ_Ｅｌを０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く保つことによって、第１の遷移期間Δｔ_１を短縮する、ステップとを備える。

【0015】

電解槽は、電解反応によって水から水素を生成するように構成された電解槽である。そのような電解槽は、より大規模な消費設備、例えば産業プラントで運転されることが多くなっている。一方で、それらは、局所的な水素生成によって工業プラントの水素需要を賄うために使用されることもある。また、電解槽が消費設備の局所的なエネルギー管理に参加できるように、電解槽の電力消費を動的に調節することが望ましい。この目的のために、電解槽は、電解反応、例えば水素を生成する水の分解が起こる通常動作モードを有する。電解反応は、無負荷電圧Ｕ_ＬＬよりも高い電圧により、電解槽の少なくとも主にオーミック挙動で、場合によっては電解槽の完全なオーミック挙動で起こる。電解反応の速度は、電解槽の電力消費に影響を与え、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌを介してアクティブ制御整流器によって制御される。入力電圧Ｕ_Ｅｌが無負荷電圧Ｕ_ＬＬを下回る待機動作モードでは、電解槽が少なくとも主に容量性挙動を示し、場合によっては完全に容量性挙動を示すこともある。ここでは電解反応は起こらず、少なくともそれほど大きな程度とはならない。待機動作モードでは、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌが０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１よりも高く維持されるため、待機動作モードにおいても、電解槽に関連するまたは固有の静電容量はある程度までプリチャージされたままである。したがって、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌを無負荷電圧より高い値まで上昇させるために必要な電荷輸送量は、例えば、電解槽に付随する静電容量が完全に放電された状態で電解槽を再始動する場合よりも少なくて済む。輸送する必要のある電荷が少ないため、アクティブ制御整流器と電解槽との間の電流が同じでも、待機動作モードと通常動作モードの間の遷移期間Δｔ_１を非常に小さく保つことが可能である。遷移期間Δｔ_１が短いため、待機動作モードで電解反応を一時停止し、通常動作モードで電力を消費する電解反応を高度に動的な方法で、かつ大きなデッドタイムなしに実行することが可能である。遷移期間Δｔ_１が短いため、遷移期間が長い場合に比べて、電解槽の動作挙動を消費設備のエネルギー管理に非常に良好に組み込むことが可能である。この場合、ハードウェアの費用無しで、あるいは少なくともハードウェア費用を低減して、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌを第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く維持することができる。例えば、多くの場合、既に存在する接続回路を使用することができ、この場合、追加のハードウェア費用が必要ないことを意味する。したがって、関連する追加の費用を殆ど伴わずに、よって極めて安価に本方法を実施することが可能である。

【0016】

待機動作モードにおける電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌは、０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く維持されるため、付随する電荷輸送が少ないことにより、待機動作モードから通常動作モードへの第１の遷移期間Δｔ_１を最小にすることが可能である。しかしながら、動作モードの変更に必要な電荷輸送の程度が少ないことは、待機動作モードから通常動作モードへの遷移時のみに効果があるわけではない。それはさらに、通常動作モードから待機動作モードへの第２の遷移期間Δｔ_２を最小にすることを可能にする。このため、本方法の有利な一態様は、
－第２の遷移期間Δｔ_２の間に通常動作モードから待機動作モードに遷移するステップであって、待機動作モードの間に電解槽の入力部における入力電圧Ｕ_Ｅｌを０Ｖとは異なる第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く保つことによって、第２の遷移期間Δｔ_２を短縮する、ステップを含むことができる。

【0017】

第１電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１が無負荷電圧に近いほど、第１の遷移期間Δｔ_１を短く保つことができる。しかしながら、一方で、無負荷電圧を超えたときに、電解反応が突然始まるわけではないことを考慮する必要がある。むしろ、電解反応は、無負荷電圧Ｕ_ＬＬ付近の狭く規定された領域で始まり、入力電圧Ｕ_Ｅｌが増加するに連れて、強く連続的に増大することになる。したがって、待機動作モードにおいて電解反応を安全に休止させるためには、無負荷電圧からの安全距離を遵守することが必要である。本方法の有利な一態様によれば、第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１が、電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬの少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％の値に対応し得る。代替的または追加的には、待機動作モードにおける電解槽の入力部の入力電圧Ｕ_Ｅｌを、電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬよりも少なくとも５％低く保つことができる。これらの値は、電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬの少なくとも８０％以上最大９５％以下、特に好ましくは少なくとも９０％以上最大９５％以下の、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌの対応する許容範囲を有する。これらの許容範囲内で、待機動作モードから通常動作モードへの第１の遷移期間Δｔ_１は、最大１０秒の値、好ましくは最大５秒の値に制限され得る。

【0018】

この方法の有利な一実施形態によれば、待機動作モードにおける電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌは、電解槽の入力部を、プリチャージ抵抗器および／またはインダクタを介してクロック式にアクティブ制御整流器に割り当てられたＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣコンバータ出力部に接続することによって、第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く維持することができる。この場合、アクティブ制御整流器は、入力側がＡＣグリッドに接続されたままであってもよい。ＡＣ／ＤＣコンバータ内に存在する還流ダイオードと組み合わせて、ＤＣコンバータ出力部でＤＣ電圧が維持され、このＤＣ電圧は電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬよりも必ず高くされる。クロック式の接続は、プリチャージ抵抗器と直列に、またはインダクタと直列に配置された回路遮断器によって実施することができる。電解槽の入力部がプリチャージ抵抗器を介してＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣコンバータ出力部にクロック式で接続される場合、電解槽の入力部に電流が流れるアクティブ時間帯（回路遮断器が閉じているとき）と、電解槽の入力部に電流が流れない非アクティブ時間帯（回路遮断器が開いているとき）が発生することになる。電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌは、アクティブ時間帯に上昇し、一方、非アクティブ時間帯に、例えば、完全に防止することができない漏れ電流によって、再び低下する。本方法の好ましい一態様によれば、電解槽の入力部とＤＣコンバータ出力部とのクロック式の接続を、電圧制御方式で、特に２点制御で実施することができる。この場合、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌは、制御のためのフィードバック信号として使用することができる。直列に配置された回路遮断器を有するプリチャージ抵抗器は、多くの場合、アクティブ制御整流器および電解槽の組合せに既に存在しており、よって追加のコストは生じない。電解槽の入力部がインダクタを介してＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣコンバータ出力部にクロック式で接続される場合、インダクタはＡＣ／ＤＣコンバータと整流器のＤＣ出力部との間に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ、特に降圧コンバータの一部であってよい。回路遮断器が閉じているときは、インダクタによって電流の増加が抑制され、回路遮断器が開いているときは、インダクタによって電流の減少が引き起こされる。この場合、降圧コンバータは、遮断を伴うモードでも、遮断を伴わないモードでも動作することができる。

【0019】

本方法の好ましい一実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣコンバータ出力部における最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}を電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高くすることができる。これは、例えば、変圧器がアクティブ制御整流器の上流に入力側で接続され、それにより整流器がＡＣグリッドに接続される適切な設計によって達成され得る。具体的には、変圧器は、振幅Ｕ_ＡＣを有するＡＣグリッドのＡＣ電圧が振幅Ｕ_１を有する整流器のＡＣ入力部に存在するＡＣ電圧に変換されるように設計することができ、振幅Ｕ_１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ内部に存在する還流ダイオードと関連して、電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高い最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}をＤＣコンバータ出力部で生成する。反対に、ＤＣコンバータ出力部に存在する最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}に関するそのような設計は、電解槽が高い入力電圧Ｕ_Ｅｌで動作することが意図されている場合に、変換損失を最小にすることを意味している。

【0020】

本方法の有利な一実施形態によれば、電解槽をさらに、指定された境界条件下において保守動作モードで運転することができ、この保守動作モードでは電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌは危険電圧値未満である。これは、例えば、電解槽および／またはアクティブ整流器の修理および／または保守作業を行う必要があり、感電による人身事故を確実に排除しなければならないような場合である。これらの危険電圧値は、国独自の方法で指定される場合がある。特に、この場合、電解槽の入力電圧が０Ｖとされることがある。しかしながら、そのような保守動作モードは、その後、電解槽のプリチャージ期間の延長に関連付けられる。しかしながら、保守動作モードが使用される場合は少ないため、関連する充電期間の延長、場合によっては電解槽の放電期間の延長も許容される。

【0021】

本方法の更なる実施形態では、電解槽が、例えば産業プラントなどの消費設備に割り当てられ、消費設備の他の電気消費装置および／または発電機とともに、共通のグリッド接続点を介して消費設備に電力を供給するＡＣグリッドに接続され得る。特に大規模な消費設備の場合、計算期間内にＡＣグリッドから許容される最大エネルギー引き込みを指定するのが通例である。これにより、消費設備のエネルギー供給業者は、計算期間中に平均的に発電すべき電力に関して、計画基準を得ることができる。計算期間中に合意された最大エネルギーの遵守は、通常、消費設備のエネルギー管理システムＥＭＳを介して監視および制御される。電解槽は、消費設備の必須消費装置を構成する。このため、本方法の一実施形態では、電解槽の動作および／または電解槽に電力を供給する少なくとも１のコンポーネントの動作を、エネルギー管理を実行する消費設備の制御ユニットを介して制御することができる。電解槽に電力を供給する少なくとも１のコンポーネントは、特に、後述する接続回路および／または後述するアクティブ整流器を含むことができる。この場合、計算期間において消費設備とエネルギー供給業者との間で合意された最大エネルギーΔＥを超えないようにする目的で、計算期間中に、電解槽の通常動作モードと待機動作モードとの間の少なくとも１回の変更を行うことができる。この場合、第１の遷移期間Δｔ_１、場合によっては第２の遷移期間Δｔ_２も、計算期間の最大５％の値、特に最大２％の値を下回ると特に有利である。これにより、電解槽を、消費設備のＥＭＳに特に効率的に組み込むことができる。消費設備の制御ユニットは、独立した制御ユニットとして設計することができる。しかしながら、その代替例として、消費設備のコンポーネントの既存の制御ユニットに部分的または完全に実装することも可能である。

【0022】

本発明に係る接続回路は、ＤＣ源と電解槽との間に配置される。それは、
－接続回路をＤＣ源に接続するための２つの入力接続部を有する入力部、および接続回路を電解槽の入力部に接続するための２つの出力接続部を有する出力部と、
－プリチャージ抵抗器と回路遮断器の直列接続、またはインダクタと回路遮断器の直列接続であって、入力接続部のうちの１つを出力接続部のうちの対応する１つに接続する直列接続と、
－プリチャージ抵抗器と並列に、またはプリチャージ抵抗器と回路遮断器の直列接続と並列に、またはインダクタと回路遮断器の直列接続と並列に配置される更なる回路遮断器と、
－出力部に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｅｌと入力部に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｑとの間の電圧差を特定するための測定ユニットと、
－接続回路、特に回路遮断器および更なる回路遮断器を制御するための制御ユニットとを備える。特徴的には、接続回路は、ＤＣ源と、任意選択的に、エネルギー管理を実行する消費設備の制御ユニットと協働して、本発明に係る方法に従って電解槽を動作させるように設計および構成されている。

【0023】

ＤＣ源は、特に、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣコンバータ出力部であってよく、そのＡＣコンバータ入力部がＡＣグリッドに接続される。ＡＣ／ＤＣコンバータは、アクティブ制御整流器に割り当てられるものであってもよい。接続回路の制御ユニットは、通信および／または制御に関して、消費設備の制御ユニットに接続することができる。それにより、本方法に関連して既に述べた利点が得られる。

【0024】

接続回路の有利な一実施形態によれば、回路遮断器が、半導体スイッチおよび／または電磁スイッチを含むことができる。この場合、「および」は、特に、ハイブリッドスイッチとして知られているものを意味し、これは、半導体スイッチと並列に配置された電気機械スイッチを含む。ハイブリッドスイッチを使用すると、電気機械スイッチを単独で使用した場合に発生するスイッチングアークを抑制することが可能になる。同様のことが、接続回路の更なる回路遮断器にも当てはまる。接続回路の直列接続が回路遮断器およびインダクタを介して形成される、接続回路の一実施形態では、接続回路を、ＤＣ／ＤＣコンバータ、特に降圧コンバータとして設計および構成することができる。この目的のために、接続回路は、２つの入力接続部のうちの他方の入力接続部を、回路遮断器とインダクタとの接続点に接続する更なる半導体スイッチを備えることができる。更なる半導体スイッチは、ダイオードまたはアクティブに制御される半導体スイッチであってもよい。

【0025】

本発明に係る整流器は、アクティブに制御される整流器として具現化される。それは、ＡＣ電圧を有するＡＣグリッドから電解槽に電力を供給するために使用され、
－ＡＣグリッドに接続するための複数の入力接続部を有するＡＣ入力部、および電解槽に接続するための２つの出力接続部を有するＤＣ出力部と、
－還流ダイオードが逆並列に接続された半導体スイッチを含むコンバータ回路を有するＡＣ／ＤＣコンバータと、
－整流器の半導体スイッチを駆動するための整流器制御ユニットとを備える。特徴的には、本発明に係る整流器は、本発明に係る接続回路をさらに備える。

【0026】

アクティブ制御整流器は、ＡＣ／ＤＣコンバータと整流器のＤＣ出力部との間に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータを含まない一段整流器であってよい。これは、例えば、接続回路の直列接続が、回路遮断器とプリチャージ抵抗器によって形成される場合である。その代替例として、整流器を、ＡＣ／ＤＣコンバータと整流器のＤＣ出力部との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータを有する二段整流器として設計することも可能である。ＤＣ／ＤＣコンバータは、特に降圧コンバータであってもよい。これは、例えば、接続回路の直列接続が、回路遮断器と、回路遮断器と直列に配置されたインダクタとによって形成される場合である。整流器の複数の入力接続部は、相接続と中性接続とを含むことができる。代替例として、複数の入力接続部が、複数の相接続、特に三相接続を含むことも可能である。複数の相接続の場合、入力接続部がさらに中性接続を含むことができるが、これは必須ではない。整流器のＡＣ／ＤＣコンバータは（よって整流器自体も）、変換する電力の流れに関して双方向に動作させることができる。この場合、ＡＣ／ＤＣコンバータを電圧調整方式で動作させることが可能である。電圧調整動作では、ＡＣ／ＤＣコンバータとそれに接続されたＡＣグリッドとの間の電力交換を、例えば有効電力／周波数特性および／または無効電力／電圧特性などの１または複数の特性を介して制御することができる。これにより、アクティブ整流器は、グリッド誘導またはグリッド支持方式で、できるだけ瞬時に反応するように動作することができる。整流器制御ユニットは、整流器の半導体スイッチだけでなく、整流器の他のコンポーネント、例えばＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣコンバータ入力部と整流器のＡＣ入力部との間に配置されるＡＣ切断ユニットも制御することができる。接続回路の制御ユニットは、別個の制御ユニットとして具現化されるようにしてもよい。その代替例として、接続回路の制御ユニットを整流器制御ユニットの一部とすることも可能であるが、整流器制御ユニットの寸法が適切であることが条件となる。この場合にも、本方法に関連して既に説明した利点がもたらされる。

【0027】

本発明に係る電解システムは、アクティブ制御整流器と、アクティブ制御整流器の出力側に接続された電解槽とを備える。電解システムは、電解槽に電力を供給するＡＣグリッドに直接接続されるか、または電解システムに割り当てられた変圧器を介して接続され得る。有利な一実施形態では、電解システムが、電解槽の現在の動作モードを知らせるように構成された通知装置を含むことができる。これにより、特に電解槽の待機動作モードを示すことが可能になる。何故なら、この場合、電解反応は起こらず、（電解槽の通電状態の入力と、場合によっては電解システムの他の通電状態のコンポーネントを除けば）外観は保守動作モードと殆ど変わらないためである。代替的または追加的には、電解システムは、同様に、待機動作モードにおいて、任意選択的には通常動作モードにおいても、電解システムの通電状態のコンポーネントに触れるのを防ぐように構成された遮断装置を含むことができる。電解槽または電解システムの他の通電状態のコンポーネントが危険電圧値未満の値まで放電されたときにのみ、遮断装置がその遮断効果を解除することが可能である。これにより、通電状態のコンポーネントに触れることによって生じる可能性のある人身事故を、安全に除外することができる。

【0028】

電解システムの有利な一実施形態によれば、電解システムを、消費設備の一部として設計することができ、エネルギー管理を実行する消費設備の制御ユニットを介して制御することができる。電解システムの電解槽、接続回路および／または整流器は、この場合、特に、消費設備に割り当てられた制御ユニットによって制御され得る。

【0029】

本発明の有利な実施形態は、以下の説明および従属請求項に規定されており、その特徴は、個別に、あるいは互いに任意の組合せで適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

以下、図面を用いて本発明を説明する。

【図1】図１は、本発明に係る電解システムの一実施形態を示している。

【図2】図２ａは、本発明に係る接続回路の第１の実施形態を示している。図２ｂは、本発明に係る接続回路の第２の実施形態を示している。

【図3】図３は、本発明の一実施形態におけるアクティブ制御整流器のＡＣ／ＤＣコンバータの回路トポロジーを示している。

【図4】図４は、本発明に係る方法の一実施形態における電解槽の入力部における入力電圧Ｕ_Ｅｌの時間プロファイルを示している。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１は、本発明に係る電解システム６０の一実施形態を示している。電解システム６０は、変圧器３１を介してＡＣ入力部３３がＡＣ電圧グリッド（ＡＣグリッド）２０に接続されたアクティブ制御整流器３０を含む。整流器３０のＤＣ出力部３４は、電解槽４０の入力部４１に接続されている。アクティブ制御整流器３０は、ＡＣ切断ユニット３５と、ＡＣグリッド２０における高周波干渉信号の伝播を低減／減衰させるためのフィルタユニット３６と、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７とを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、ＡＣコンバータ入力部３７．１に存在する振幅Ｕ_３７のＡＣ電圧を、ＤＣコンバータ出力部３７．２に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｗに変換するように構成されている。この目的のために、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７の半導体スイッチは、整流器制御ユニット３９によって適切に駆動される。また、整流器制御ユニット３９は、ＡＣ切断ユニット３５と、場合によっては整流器または電解システムの他のコンポーネントも駆動することができる。本発明に係る接続回路１は、ＤＣコンバータ出力部３７．２と整流器のＤＣ出力部３４との間に配置され、その入力部５がＤＣコンバータ出力部３７．２に、その出力部６が整流器３０のＤＣ出力部３４にそれぞれ接続されている。接続回路１は、そのコンポーネントを駆動するための制御ユニット７をさらに備え、その制御ユニットが、例えば図１において整流器制御ユニット３９の一部として具現化されている。しかしながら、代替例として、接続回路１の整流器制御ユニット３９および制御ユニット７をそれぞれ別個の制御ユニットとして具現化することも可能である。電解システム６０は、さらに、電解槽４０の現在の動作モードを知らせるための通知装置４２を含む。さらに任意選択的に、電解槽４０の待機動作モードおよび／または通常動作モードにおいて、人が電解システム６０の通電状態のコンポーネントに接触するのを防止する遮断装置（図１には図示せず）を含むことができる。

【0032】

図２でより詳細に説明される本発明に係る接続回路１では、整流器３０が、本発明に係る整流器として設計され、本発明に係る方法に従って電解槽４０の動作を制御するよう構成されている。電解槽４０は、通常動作モードにおいて、その無負荷電圧Ｕ_ＬＬより高い入力電圧Ｕ_Ｅｌで動作することができる。通常動作モードでは、電解槽４０で電解反応、例えば水をその成分である水素と酸素に分解する反応が起こり、電解槽４０は本質的にオーミックコンシューマのように動作する。この場合、電解反応の速度は、電解槽４０の入力電圧Ｕ_Ｅｌを変化させることにより、整流器３０によって制御される。電解槽４０はさらに、待機動作モードでは、無負荷電圧Ｕ_ＬＬ未満で動作することができ、その場合、（少なくとも有意な）電解反応はなく、よって電解槽４０の（少なくとも有意な）電力消費はない。

【0033】

そして、待機動作モードから通常動作モードへの第１の遷移期間Δｔ_１の値を小さくするとともに、通常動作モードから待機動作モードへの第２の遷移期間Δｔ_２の値を小さくするために、電解槽４０の入力電圧Ｕ_Ｅｌは待機動作モードにおいても、０Ｖと異なる第１の閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く維持される。第１の閾値Ｕ_ＴＨ，１は、電解槽４０の無負荷電圧Ｕ_ＬＬの８０％、好ましくは９０％となるように選択することができる。しかしながら、入力電圧Ｕ_Ｅｌは、有利には、電解槽の無負荷電圧の９５％の値を超えないようにすべきである。第１の遷移期間Δｔ_１および第２の遷移期間Δｔ_２は、１秒～数秒の値に制限することができる。そのような動作状態の動的な変化により、電解システム６０は、電解システム６０を含む消費設備、例えば産業プラントのエネルギー管理システムに効率的に組み込むことができる。

【0034】

図１における変圧器３１および整流器３０は、一例として三相整流器３０として示されている。しかしながら、その代替例として、ＡＣグリッド、変圧器３１および整流器３０を単相コンポーネントとして具現化し、それぞれが相導体および中性接続を有することも可能である。また、それらが異なる数の相導体を有することも可能であり、例えば２つの相導体を有することも可能である。本発明の範囲内で、変圧器３１を介在させずに整流器３０をＡＣグリッド２０に直接接続することも可能である。

【0035】

図２ａは、本発明に係る接続回路１の第１の実施形態を示している。接続回路１は、ＤＣ源１０に接続するための２つの入力接続部５．１、５．２を有する入力部５と、電解槽４０に接続するための２つの出力接続部６．１、６．２を有する出力部６とを備える。ＤＣ源１０は、特に、入力側がＡＣグリッド２０に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ３７であってよい。接続回路１の入力接続部５．１、５．２のうちの一方は、プリチャージ抵抗器２および回路遮断器３の直列接続を介して出力接続部６．１、６．２のうちの対応する１つに接続されている。この直列接続には、さらに回路遮断器４が並列に配置されている。接続回路１は、測定ユニット８をさらに備え、この測定ユニットは、出力部６に存在し、よって電解槽４０にも存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｅｌを検出するための電圧センサ９．２と、入力部５に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｑを検出するための更なる電圧センサ９．２とを有する。測定ユニット８は、出力部６を介して流れる電流Ｉ（ｔ）を検出するための電流センサ９．１も有する。回路遮断器３および更なる回路遮断器４は、接続回路１の制御ユニット７により制御される。制御ユニット７は、さらに、測定ユニット８と通信して、測定ユニット８を駆動するように構成されており、それが破線で示す制御ラインによって象徴されている。

【0036】

電解槽４０の通常動作モードでは、接続回路１の更なる回路遮断器４が、電解槽４０がＤＣ源１０に低抵抗で接続されるように、常に閉じられる。この場合、回路遮断器３は開いていてもよいし、同様に閉じていてもよい。電解槽４０の待機動作モードでは、更なる回路遮断器４が常に開かれる。回路遮断器３は、クロック式に閉じられ、再び開かれる。この場合、回路遮断器３のクロック式の開閉は、（出力部６に存在し、よって電解槽４０の入力部４１に存在する）検出されたＤＣ電圧Ｕ_Ｅｌに応じて行うことができる。これにより、電解槽４０の入力電圧Ｕ_Ｅｌの２点制御を実施することが可能であり、それが、図４に関連してより詳細に説明するように、電解槽の入力電圧Ｕ_Ｅｌの時間的プロファイルに繋がる。

【0037】

図２ｂは、本発明に係る接続回路１の第２の実施形態を示しており、この実施形態は、図２ａによる接続回路の第１の実施形態と共通する多くの特徴を有している。このため、以下では、接続回路の第１の実施形態との相違点を主に説明し、共通する特徴については、図２ａの説明を参照するものとする。

【0038】

第２の実施形態によれば、接続回路１は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして、特に降圧コンバータ１４として具現化される。この場合、接続回路１の第１の入力接続部５．１は、回路遮断器３とインダクタ１１の直列接続を介して、対応する出力接続部６．１に接続される。回路遮断器３は、図２ｂにおいて、アクティブ制御可能な半導体スイッチとして設計されており、制御ユニット７によって駆動される。接続回路１は、さらに、回路遮断器３とインダクタ１１との間の接続点１３を接続回路１の他方の入力接続部５．２に接続する更なる半導体スイッチ１２を有する。図２ｂにおいて、更なる半導体スイッチ１２は、制御ユニット７によって同様に駆動されるアクティブ制御可能な半導体スイッチとして設計されている。しかしながら、その代替例として、更なる半導体スイッチ１２をダイオードとして具現化することも可能である。接続回路１の更なる回路遮断器４は、電気機械的回路遮断器として設計され、回路遮断器３およびインダクタ１１の直列接続と並列に配置される。

【0039】

電解槽４０の待機動作モードの間、入力部５に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｑを、回路遮断器３および更なる半導体スイッチ１２の適切な駆動によって出力部６に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｅｌに変換することが可能である。この場合、更なる回路遮断器４は常に開いており、出力電圧Ｕ_Ｅｌは、回路遮断器３および更なる半導体スイッチ１２のクロック動作によって第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１より高く維持される。通常動作モードの間、更なる回路遮断器４は、常に閉じられ、その結果、第１の入力接続部５．１が第１の出力接続部６．１に低インピーダンスで接続される。更なる半導体スイッチ１２は、通常動作モードにおいて常に開かれる。

【0040】

図３は、図１のアクティブ制御整流器３０のＡＣ／ＤＣコンバータ３７の一実施形態を示している。図１の整流器３０に対応するように、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、例えば、別個の中性接続のない三相ＡＣ／ＤＣコンバータ３７として設計され、合計３つのブリッジ分岐５１を有するコンバータ回路５０を備える。ブリッジ分岐５１の各々は、２つの直列接続された半導体スイッチ５２を有し、その各々に、逆平行に接続された還流ダイオード５３が割り当てられている。還流ダイオード５３は、それぞれの半導体スイッチ５２の固有ダイオードとして、または別個のダイオードとして設計することができる。半導体スイッチ５２は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ半導体スイッチであってもよい。コンバータ回路５０の三相の実施形態に対応するように、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７のＡＣコンバータ入力部３７．１は、３つの入力接続部を含み、各々が、それらに割り当てられたブリッジ分岐５１の２つの半導体スイッチ５２の接続点５４に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ３７のＤＣコンバータ出力部３７．２は、正（＋）および負（－）の出力接続部を備える。

【0041】

ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、電力変換時に、有効電力Ｐ（ｔ）をそのＡＣコンバータ入力部３７．１からそのＤＣコンバータ出力部３７．２に伝送し、場合によっては、そのＤＣコンバータ出力部３７．２からそのＡＣコンバータ入力部３７．１へと反対方向にも伝送するように設計されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ３７は、さらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７のＡＣコンバータ入力部３７．１と、ＡＣコンバータ入力部３７．１に接続されたＡＣグリッド２０（図３では明示的に図示せず）との間で無効電力Ｑ（ｔ）を交換するように設計され得る。電力変換のために、半導体スイッチ５２は、整流器の整流器制御ユニット３９（図３では明示的に図示せず）により適切に駆動される。変換されたＤＣ電圧Ｕ_Ｗのレベル、言い換えればＤＣ電圧範囲は、この場合、最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}と最大ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍａｘ}との間の値を採用することができる。最小ＤＣ電圧Ｕ_{Ｗ，ｍｉｎ}は、還流ダイオード５３を介して、（還流ダイオード５３の順方向電圧とは別に）ＡＣコンバータ入力部３７．１に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ_３７に対応する値に制限される。還流ダイオード５３によって、コンバータ回路５０は、入力側に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ_３７よりも大きいが、（少なくとも著しく）小さくはないＤＣ電圧Ｕ_ＷをＤＣコンバータ出力部３７．２において生成することが可能である。この場合の変換損失は、入力側に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ_３７に対する出力側に存在するＤＣ電圧Ｕ_Ｗの比率が大きくなるに連れて大きくなる。そこで、高いＤＣ電圧における変換損失を低減するために、ＡＣコンバータ入力部３７．１におけるＡＣ電圧、よってＤＣコンバータ出力部３７．２における最小ＤＣ電圧を、電解槽の無負荷電圧Ｕ_ＬＬよりも高くすることができる。これは、例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７がＡＣグリッド２９に接続される変圧器３１の適切な設計によって達成され得る。

【0042】

図３は、２つの電圧段のみを有する二段コンバータ回路５０の一例を示している。しかしながら、３以上の電圧段を有するコンバータ回路５０、例えば三段または五段のコンバータ回路も、本発明の範囲内で可能である。さらに、本発明の範囲内で、コンバータ回路をセンタタップ回路として設計することも可能である。この場合、ＤＣコンバータ出力部３７．２の出力接続部、例えば負の出力接続部（－）を、ＡＣコンバータ入力部３７．１に接続された変圧器３１のセンタタップに接続することができる。代替例として、負の出力接続部（－）をＡＣグリッド２０の中性導体に接続することもできる。

【0043】

図４は、本発明に係る方法の一実施形態における、その待機動作モードからその通常動作モードへの遷移中の電解槽４０の入力電圧Ｕ_Ｅｌの時間的プロファイルを示している。また、図４は、図２ａの接続回路１を使用して、遷移前に時系列的に待機動作モードにおいて生じ得る入力電圧Ｕ_ＥＬの時間的プロファイル、および遷移後に時系列的に通常動作モードにおいて生じ得る入力電圧の時間的プロファイルも示している。

【0044】

待機動作モードでは、時間の関数としての入力電圧Ｕ_Ｅｌが、第１の電圧閾値Ｕ_ＴＨ，１から形成される下限値と上限値との間を移動するのこぎり歯状のプロファイルを有している。上限値は、この場合、電解槽４０の無負荷電圧Ｕ_ＬＬの９５％に対応するように選択されている。のこぎり歯状のプロファイルは、接続回路１の更なる回路遮断器４が常に開いている状態で、回路遮断器３がクロック式に開閉することに起因する。これは、入力電圧Ｕ_Ｅｌが上昇する間の電解槽４０の一時的な充電フェーズを含む。この場合、電解槽４０に割り当てられたコンデンサは、接続回路１の閉じた回路遮断器３によって充電され、それにより可能になった電流Ｉ（ｔ）がプリチャージ抵抗器２を通って流れる。入力電圧Ｕ_Ｅｌの上昇の後には、電圧の低下を伴う放電フェーズがそれぞれ続く。この電圧低下は、電解槽４０内の漏れ電流によるものであり、これを完全に防止することはできない。図４において、電圧低下の図示された勾配は、純粋に例示的な性質のものであり、発生する漏れ電流のレベルに応じて、図４に示されているものよりも大幅に低くなる場合もある。

【0045】

時刻ｔ_０において、例えば電解システム６０を含む消費設備のエネルギー管理システムによって、電解槽４０をその通常動作モードにすべきであることがアクティブ制御整流器３０に通知される。この目的のために、接続回路１の更なる回路遮断器４が閉じられ、電解槽４０が、ＡＣグリッド２０が上流側に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ３７から形成されるＤＣ源１０に低抵抗で接続される。同時に、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７の半導体スイッチ５２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３７が入力電圧のために通常動作モードにおいて望ましい設定電圧値Ｕ_{Ｅｌ，Ｓｏｌｌ}に対応するＤＣ電圧をＤＣコンバータ出力部３７．２で有するように、整流器制御ユニット３９を介して駆動される。電解槽４０の入力電圧Ｕ_Ｅｌは、待機動作モードにおいて既に無負荷電圧Ｕ_ＬＬに近いため、電圧設定値Ｕ_{Ｅｌ，Ｓｏｌｌ}に達するまでに必要とされる電圧変化が大幅に減少し、よって電解槽４０への電荷輸送もほんの僅かとなる。このため、待機動作モードと通常動作モードとの間の第１の遷移期間Δｔ_１は、０Ｖから行われる電解槽のプリチャージと比べて大幅に短縮される。同様のことが、電解槽４０の通常動作モードから待機動作モードへの遷移中の第２の遷移期間Δｔ_２にも当てはまる。

【0046】

接続回路１の第１の実施形態の代わりに、図２ｂの第２の実施形態が使用される場合、図４に示すものと同様の時間プロファイルがもたらされる。しかしながら、待機動作モードにおけるのこぎり歯状のプロファイルは、電圧差が非常に小さく、無視できるほどである場合があり、これは、時間的にほぼ一定のＤＣ電圧を設定することができることを意味している。

【符号の説明】

【0047】

１ 接続回路
２ プリチャージ抵抗器
３ 回路遮断器
４ 回路遮断器
５ 入力部
５．１、５．２ 入力接続部
６ 出力部
６．１、６．２ 出力接続部
７ 制御ユニット
８ 測定ユニット
９．１ 電流センサ
９．２ 電圧センサ
１０ ＤＣ源
１１ インダクタ
１２ 半導体スイッチ
１３ 接続点
１４ 降圧コンバータ
２０ ＡＣグリッド
３０ 整流器
３１ 変圧器
３３ ＡＣ入力部
３４ ＤＣ出力部
３５ ＡＣ切断ユニット
３６ フィルタユニット
３７ ＡＣ／ＤＣコンバータ
３７．１ ＡＣコンバータ入力部
３７．２ ＤＣコンバータ出力部
３９ 整流器制御ユニット
４０ 電解槽
４１ （電解槽の）入力部
５０ コンバータ回路
５１ ブリッジ分岐
５２ 半導体スイッチ
５３ 還流ダイオード

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】