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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Um größere Leistungen zu ermöglichen, ist es bekannt mehrere Brennstoffzelleneinheiten als Energieversorgungseinrichtungen zusammenzuschalten. Es ist bekannt die Brennstoffzelleneinheiten in Strängen miteinander zusammenzuschalten. Auch ist bekannt, jeweils pro Strang ein Gleichspannungswandler vorzusehen, welcher auch den Strom regelt.
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Ferner weisen die bekannten Energieversorgungseinrichtungen einen DC/AC Wandler auf, der den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Damit dieser optimal betrieben werden kann, ist ihm ein weiterer Gleichspannungswandler vorgeschaltet.
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Bekannte System weisen somit eine Vielzahl von Spannungswandler auf. Durch die Vielzahl an Spannungswandler wird die Effizienz gesenkt sowie der Preis und die Anfälligkeit erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung mit mindestens zwei Brennstoffzelleneinheiten, wobei zumindest zwei parallele Stränge ausgebildet sind. Vorzugsweise weist jeder Strang zumindest eine Brennstoffzelleneinheit auf. Vorteilhaft ist, dass zumindest einer, insbesondere alle, der Stränge einen Stromregler aufweisen. Der Stromregler ist den Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs nachgeschaltet. Den Stromreglern der einzelnen Stränge ist zumindest ein zentraler Stromrichter ausgebildet ist. Der zumindest eine Stromrichter ist seriell gegenüber den Strängen verschaltet.
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Vorteilhaft kann mittels der Erfindung auf einfach Weise die unterschiedlichen Betriebszustände, insbesondere Anfahr-, Normal- und Abfahrbetrieb der Brennstoffzelleneinheiten, ausgeglichen werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Stromregler einen elektrischen Schalter aufweist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass der elektrische Schalter derart den Strom schaltet, dass der Strom im zeitlichen Verlauf eine annähernd rechteckige Form aufweist, insbesondere Pulsdauermodulation. Der Stromverlauf ist pulsförmig, insbesondere rechteckpulsförmig.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass die Periodendauer konstant ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Stromregler einen Filter, insbesondere ein LC-Glied aufweist, wobei das LC-Glied den Strom glättet. Der Filter glättet den Strom.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass der Stromregler ein Messmittel aufweist. Das Messmittel ist als Shunt-Widerstand ausgebildet. Ferner ist eine Regeleinheit ausgebildet. Die Regeleinheit regelt den elektrischen Schalter. Mittels der Regeleinheit erzeugt der Stromregler den Rechteckstrom. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von dem mittels der Messeinheit ermittelten Strom und einem vorgegebenen Soll-Stromwert.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass das Regelmittel die Impulsdauer in Abhängigkeit von dem erfassten Strom und dem vorgegeben Sollstrom schaltet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass der zentrale Stromrichter als Umrichter, insbesondere AC/DC Spannungswandler ausgebildet ist.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung;
- 2 schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung; und
- 3 einen Stromregler.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren 100 zur Regelung einer Energieversorgungseinrichtung 1. Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 sowie zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten 12.
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In 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 dargestellt.
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In 2 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. Die 2 ist dahingehend vereinfacht, dass nur die elektrischen Pfade schematisch dargestellt sind. Es ist selbstverständlich, dass die in der 2 gezeigt Energieversorgungseinrichtung 1 neben den Brennstoffzelleneinheiten 12 auch zusätzliche Prozessoreinheiten 14 aufweisen.
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Die Prozessoreinheiten 14 werden im Folgenden in 1 näher beschrieben. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 und die Prozessoreinheiten 14 können beliebig zu Brennstoffzellenvorrichtung 10 zusammengefasst sein.
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In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Insbesondere können mehr als die zwei in 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein.
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Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen.
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Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Die Anzahl und Skalierung der Prozessoreinheiten 14 hängt von der Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab sowie von dem Aufbau und der Struktur der gesamten Energieversorgungseinrichtung 1.
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Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Energieversorgungseinrichtung 1 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Oxidationsmedium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, und/oder eines Abgases und/oder eines Brennstoffs, vorzugsweise eines Brenngases, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff.
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Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird das Oxidationsmedium, insbesondere die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff oder Erdgas, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Es wird elektrische Energie erzeugt.
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Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff oder Methan oder Kohlegas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
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Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchtes Oxidationsmedium, insbesondere Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs des Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
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Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
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Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
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Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
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Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
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Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr von Oxidationsmedien, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.
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Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
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Die Erfindung ist nicht auf Festoxidbrennstoffzellen beschränkt. Vielmehr können beliebige Brennstoffzellen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen auch als alkalische Brennstoffzelle (AFC), Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (NT-PEMFC), Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ausgeführt sein. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Brennstoffe oder das Oxidationsmedium. Beispiel für Brennstoffe sind Wasserstoff, Alkohole (Ethanol, Propanol, Glycerin, Methanol), Methan, Kohlegas, Ammoniak Reformatgas, insbesondere Methanol. Beispiels für Oxidationsmedien sind Luft, insbesondere der Luftsauerstoff der Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpertersäure oder Halogene.
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Abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 12 sind die Prozesseinheiten 14 angepasst.
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In 2 ist schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist beispielhaft drei Stränge 50, 60, 70 mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 sind hier beispielhaft seriell miteinander verschaltet. Es ist auch eine serielle und parallele Verschaltung der Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang 50, 60, 70 denkbar.
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Die Stränge 50, 60, 70 sind zueinander elektrisch parallel verschaltet. Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Stränge 50, 60, 70 beliebig gewählt werden. Auch kann die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Strang beliebig gewählt werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform bilden die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10. Entsprechend sind in 2 jeweils eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 je Strang, also drei Brennstoffzellenvorrichtungen 10 dargestellt.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch entgegen dem Beispiel in 1 mehr oder weniger als die in 1 angegebenen zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen. Entsprechend sind die Prozessoreinheiten 14, die eine Brennstoffzelleneinheit benötigt, in Anzahl, Leistung und Abmessung angepasst. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheit 12 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14 entsprechend 1.
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Einzelne der Prozessoreinheiten 14 können derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie sich mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 teilen. Beispielsweise sind in 1 zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 sowie eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14 zu deren Versorgung dargestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung können einzelne Prozessoreinheiten 14, gleichzeitig mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 versorgen. Eine einzelne Prozessoreinheiten 14 kann hierbei auch Brennstoffzelleneinheiten 12 von mehr als einem Strang 50, 60, 70 versorgen. Insbesondere kann ein Verdichter 42 für zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 vorgesehen sein. Auch kann die Luftzuführung 16 für viele, insbesondere alle, Brennstoffzelleneinheiten 12 verwendet werden.
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Der Strom, der sich in einem Strang ausbildet, hängt von dem Innenwidersand der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 ab. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab.
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Die Energieversorgungseinrichtung weist einen Stromrichter 90 auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Stromrichter 90 um einen Gleichspannungswandler.
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Ferner weist die Energieversorgungseinrichtung 1 einen Stromrichter 92 auf. Die Stromrichter 90 und 92 sind seriell miteinander verschaltet. Der Stromrichter 92 ist bezogen auf die Brennstoffzelleneinheiten 12 nach dem Stromrichter 90 angeordnet. Vorzugsweise ist dem Stromrichter 92 der Stromrichter 90, insbesondere ein Gleichspannungswandler 90, vorgeschaltet.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Stromrichter 92 um einen Umrichter, insbesondere einen DC/AC Spannungswandler, welcher die von den Brennstoffzelleneinheit 12 oder die von dem Stromrichter 90 erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Insbesondere die öffentlichen Stromnetze 99 sowie die meisten Verbraucher 99 arbeiten mit einer Wechselspannung. Ferner entspricht das Spannungsniveau der Brennstoffzelleneinheiten 12 nicht den Anforderungen durch den Verbraucher 99 oder das Stromnetz 99.
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Bei dem Stromrichter 90 handelt es sich um einen Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler 90 ist insbesondere notwendig, da vor einem Umrichter 92 stets eine definierte minimale Spannungslage erforderlich ist, so dass der Umrichter 92 vernünftig und effizient in Wechselstrom umwandeln kann.
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Der Gleichspannungswandler 90 erzeugt eine Zwischenkreisspannung 97 mit einer minimal notwendigen Spannungslage, so dass der Stromrichter 92, insbesondere Umrichter 92 vernünftig und/oder effizient arbeiten kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Stromrichter 90 und 92 in einem Gerät kombiniert sind, da so eine Kosten- und Bauraum-Optimierung erreicht werden kann. Auch besteht eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten durch eine geringe Anzahl an Einzelkomponenten.
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In 2 sind beispielhaft in jedem Strang 50, 60, 70 ein Stromregler 80 ausgebildet. Der Stromregler 80 ist seriell zu den Brennstoffzelleneinheiten 12 des Strangs 50, 60, 70 angeordnet. Der Stromregler 80 ist den Brennstoffzellen 12 eines Strangs nachgeschaltet. Der Stromregler regelt die Stromentnahme aus den Brennstoffzelleneinheiten 12 des Strangs 50, 60, 70.
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In 3 ist schematisch der Aufbau eines Stromreglers 80 dargestellt.
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Der Stromregler 80 umfasst einen elektrischen Schalter 84. Der elektrische Schalter 84 ist als Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, vorzugsweise Feldeffekttransistor, beispielsweise MosFet, JFet oder Bipolartransistor, ausgebildet. Der elektrische Schalter 84 wird von der Regeleinheit 82 geregelt. Die Regelung erfolgt derart, dass sich ein Stromverlauf mit einer annähernd rechteckigen Form ergibt. Der Stromregler 80 moduliert einen Rechteckpuls. Der sich ergebende rechteckartige Spannungs- und/oder Stromverlauf entspricht einer Pulsdauermodulation.
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Vorzugsweise ist die Periodendauer konstant. Lediglich die Pulsdauer variiert. Der Tastgrad gibt das Verhältnis der Pulsdauer zu der Periodendauer an. Der Tastgrad und/oder die Impulsdauer wird in Abhängigkeit von dem gewünschten Sollstrom variiert.
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Ferner ist ein Messmittel 86 vorgesehen. Das Messmittel 86 ist insbesondere nach dem elektrischen Schalter 84 angeordnet. Das Messmittel 86 und der elektrische Schalter 84 sind seriell verschaltet. Das Messmittel 86 ist insbesondere als Shunt-Widerstand ausgebildet. Der Widerstandswert des Shunt-Widerstands ist bekannt. Somit kann anhand einer Spannungsmessung an dem Messmittel und des bekannten Widerstandswerts der Strom ermittelt werden.
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Die Regeleinheit 82 ermittelt insbesondere aus dem am Shunt-Widerstand gemessenen Spannung den Strom. Der Regeleinheit 82 wird über ein Strom-Sollwert 81 vorgegeben. Die Regeleinheit 82 regelt anhand des Strom-Sollwerts 81 und dem gemessenen Strom die Regelung des elektrischen Schalters 84. Soll der Strom erhöht werden, wird die Pulsdauer verlängert. Bei einer Reduzierung des Stroms wird die Pulsdauer reduziert.
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Ferner weist der Stromregler 80 einen Filter 85 auf. Die Aufgabe des Filters 85 ist den Stromverlauf zu glätten. Bei dem Filter 85 handelt es sich vorteilhaft um einen Tiefpassfilter. Insbesondere handelt es sich um einen LC-Glied. Der Filter 85 weist vorzugsweise einen kapazitive, insbesondere einen Kondensator, und eine induktive Komponente, insbesondere eine Spule, auf. Insbesondere ist der Filter 85 als ein LC Schwingkreis ausgebildet.
