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Aufgabe

Schaltung von Brennstoffzellen zu Stacks

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Eine einzelne Brennstoffzelle liefert eine Nennspannung von \(U=0{,}8\,\rm{V}\) und eine Stromstärke von \(I=1{,}0\,\rm{A}\). Für die Versorgung eines Kleingerätes braucht man eine Leistung von \(P=10\,\rm{W}\) bei einer Betriebsspannung von etwa \(U_{\rm{Betrieb}}=5{,}0\,\rm{V}\).

a)Berechne, wie viele Zellen man zur Versorgung des Gerätes benötigt und erläutere, wie man die einzelnen Brennstoffzellen schalten muss, um das Gerät betrieben zu können.

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a)Zunächst muss berechnet werden, welchen Strom \(I\) die Brennstoffzellen liefern müssen, um das Gerät zu betreiben. Hierfür gilt\[P = U \cdot I \Leftrightarrow I=\frac{P}{U}\]\[\Rightarrow I= \frac{10}{5{,}0}\rm{\frac{W}{V}}=2{,}0\,\rm{A}\] Bei einer Leistung von \(10\,\rm{W}\) bei \(5{,}0\,\rm{V}\) muss durch das Gerät der Strom \(2{,}0\,\rm{A}\) fließen.

Um die Spannung von ca. \(5{,}0\,\rm{V}\) mit den Brennstoffzellen zu erzeugen, muss \(n=\frac{5{,}0\,\rm{V}}{0{,}8\,\rm{V}}\approx 6\) Zellen in Serie schalten. Diese Serienschaltung liefert aber nur den Strom \(I=1{,}0\,\rm{A}\).
Um die erforderlichen \(2{,}0\,\rm{A}\) liefern zu können, muss man zu der Serienschaltung von 6 Zellen nochmals 6 in Serie geschaltete Zellen parallel schalten (siehe Schaltskizze).