FUEL CELL BOX Wettbewerb 2012

Staatssekretär Udo Paschedag (MKULNV), Ake Johnsen (h-tec), Mary Gay, Guntram Seippel, Vanessa Krätzschmar,

Alexander Kamps (Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck) Bürgermeisterin Elfi Scho-Antwerpes (Köln), Dr. F.-M.

Baumann (Energieagentur.NRW)

Phase II

Pressemitteilung

WAZ Gladbeck, 09.03.2012

Projektpräsentation:Schule der Zukunft

Stadtspiegel Gladbeck, 17.03.2012

Schülerinnen und Schüler der Fuel Cell Gruppe erläutern der

NRW-Ministerin Löhrmann die

Brennstoffzellentechnologie

Anmerkungen

Im Verlauf der Versuche sind einige Probleme aufgetreten, die leider nicht alle gelöst werden konnten. So versagte eine Brennstoffzelle (sie erreichte nur noch eine Stromstärke von etwa 0,3 A), die auch durch die Berücksichtigung diverser Tipps nicht wieder zuverlässig in Funktion gesetzt werden konnte und daher durch eine neue Brennstoffzelle ersetzt werden musste, die zwei Tage vor dem Abgabetermin eintraf. Als schwerwiegenderes Problem stellte sich aber die Fernbedienung heraus, denn nachdem am Anfang alles funktionierte, versagte irgendwann der Schalter für die Kondensatoren. So wurden die Kondensatoren geladen, sobald die Brennstoffzellen angeschlossen waren und egal, auf welcher Position der Schalter stand. Beim Fahren fuhr der Wagen am Ende schließlich immer in der Booster-Funktion, unabhängig von der Schalterstellung. Problemlösungsvorschläge führten nicht zum Erfolg.

1a) Farbcode für Messwiderstände

Der Wert eines Widerstandes wird mit Hilfe von Farbringen gekennzeichnet und lässt sich an Hand der Tabelle ermitteln.

Quelle:http://www.mignongamekit.com/wp-content/uploads/2009/10/Widerstand_Farbcode.png und http://media.digikey.com/Renders/Yageo%20Renders/CFN-25JR-52-56R.jpg

Nr. Farbcode Wert / Toleranz1 rot-rot-silber-gold 0,22 +/- 5%

2 orange-orange-silber-gold 0,33 +/- 5%

3 braun-grau-gold-gold 1,8 +/- 5 %

4 gelb-violett-gold-gold 4,7 +/- 5%

5 braun-schwarz-schwarz-gold 10 +/- 5%

6 orange-orange-schwarz-gold 33 +/- 5%

7 blau-grau-schwarz-gold 68 +/- 5%

8 orange-orange-braun-gold 330 +/- 5%

Für unsere Widerstände ergeben sich folgende Werte:

1a) Werte der Messwiderstände

1a) Anzahl der Widerstände

Die Anzahl der Messwiderstände lässt sich durch deren Kombination erhöhen. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer Reihen- und einer Parallelschaltung von Widerständen. Für eine Reihenschaltung gilt:

Rges= R1 + R2

Für eine Parallelschaltung gilt:

1/Rges = 1/R1 + 1/R2

Quelle: www.fairaudio.de

Reihen- und Parallelschaltung lassen sich dabei kombinieren, so dass man mit 2 Widerständen 4 Möglichkeiten, mit 3 Widerständen 8 Möglichkeiten und mit 4 Widerständen schon über 30 verschiedene Möglichkeiten hat.

2b) Solarmodul - Winkelabhängigkeit

Während die Spannung nur geringfügig zunimmt, steigt die Stromstärke stark an. Dies zeigt, dass die Stromstärke – und damit die Anzahl der freigesetzten Elektronen in der Solarzelle - sehr stark von der Einstrahlung abhängt. Je mehr Licht also auf die Solarzelle fällt umso größer ist der Stromfluss. Die Spannung hingegen nimmt nur geringfügig zu und ist somit nicht in besonderem Maße von der Einstrahlung abhängig. Hier spielt das verwendete Halbleitermaterial (meist Silizium) die entscheidende Rolle.

Winkel / ° U0 / V Ik / mA0 3,54 25,510 3,68 35,620 3,83 45,730 3,94 55,540 4,05 65,650 4,14 76,860 4,19 86,170 4,22 93,580 4,24 98,990 4,26 100,4

2b) Solarmodul - Winkelabhängigkeit

Winkelabhängigkeit der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms

020406080

100120

0 50 100

Winkel / °

U /

V bz

w. I

/ m

A

Leerlaufspannung

Kurzschlussstrom

2c) Solarmodul - Messwerte

R / U / V I / mA P / mWKurzschluss 0 111 0

0,22 0,66 110,8 73,1280,33 0,68 110,5 75,141,8 0,82 109,3 89,6264,7 1,14 109,2 124,48810 1,69 108,4 183,196

14,7 2,17 107,1 232,40716,5 2,34 106,1 248,274

22,22 2,82 101,6 286,51233 3,42 88,6 303,01268 3,86 53 204,58

330 4,1 12,2 50,02Leerlauf 4,17 0 0

14,7 Reihenschaltung von 10 und 4,7; 16,5 Reihenschaltung von 10, 4,7 und 1,8, 22.22 Parallelschaltung von 33 und 68

MPP

P = U I

2c) Solarmodul - Kennlinie

Kennlinie des Solarmoduls

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5

U / V

I / m

A

MPP

Die maximale Leistung (MPP) wird mit 303,012 mW bei R = 33 , U = 3,42 V und I = 88,6 mA

erreicht.

2d) Elektrolyseur - Leistung

Messwerte:U = 3,85 VI = 1,07 At = 1:45:67 Min. = 105,67 sRechnung:P = U * I = 3,85 V * 1,07 AP = 4,12 W E = P * t = 4,12 W * 105,67 s = 435,36 WsBei einer Leistung von 4,12 W dauert die Produktion von 30 cm³ Wasserstoff 105,67 s, der Energieverbrauch liegt bei 435,36 Ws.

2d) Elektrolyseur - Gasproduktion

Gut zu erkennen ist, dass die Gasproduktion linear verläuft und dass doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff entsteht.

VO2 / cm³ VH2 / cm³ t/s0 0 05 10 33,9210 20 68,8915 30 105,67

Gasproduktion in Abhängigkeit von der Zeit

0

10

20

30

40

0 50 100 150

t / s

V / c

m³

H2

O2

2e) Elektrolyseur - Wirkungsgrad

geg.: Ho = 3,54 kWh/m³ = 12,744 Ws/cm³ (oberer Heizwert)und die Messwerte aus 2d)

Rechnung:VH2 * Ho / (U * I * t)30 cm³ * 12,744 Ws/cm³ / (3,85 V * 1,07 A * 105,67 s) = 382,32 Ws / 435,36 Ws = 0,8782 * 100 % = 87,82 %

Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs beträgt 87,82 %.

2f) Solar-Wasserstoff-Tankstelle

2f) Solar-Wasserstoff-Tankstelle

Messwerte:U = 3,13 V, I = 104,4 mA, VH2 = 5 cm³, t = 3:53:01 Min. = 233,01 sRechnungVH2 * Ho / (U * I * t)5 cm³ * 12,744 Ws/cm³ / (3,13 V * 0,1044 A * 233,01 s) = 63,72 Ws / 76,14 Ws = 0,8368 * 100 % = 83,68 %Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs bei Verwendung des Solarmoduls beträgt 83,68 Prozent. Da der Strom nun aus regenerativen Energien stammt und die Sonne kostenfrei scheint, lässt sich die längere Zeitdauer der Wasserstoffproduktion verschmerzen.

3a) Brennstoffzelle - Messwerte

R / U / V I / A P / W0 0 0,62 0

0,22 0,17 0,62 0,10540,33 0,24 0,62 0,14881,8 0,94 0,5 0,474,7 1,95 0,41 0,799510 2,79 0,27 0,753333 3,25 0,0829 0,26942568 3,37 0,0459 0,154683

330 3,61 0,0107 0,038627oo 3,87 0 0

MPP

3a) Brennstoffzelle - Kennlinie

Kennlinie

00,10,20,30,40,50,60,7

0 1 2 3 4 5

U / V

I / A

MPP

3a) Brennstoffzelle - Leistungskurve

Leistungskurve

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

I/A

P/W

MPP

3b) BZ-Reihenschaltung - Messwerte

R / U/V I/A P/W0 0 0,62 0

0,22 0,17 0,62 0,10540,33 0,24 0,62 0,14881,8 1,13 0,61 0,68934,7 2,62 0,55 1,44110 4,45 0,44 1,95833 6,04 0,18 1,087268 6,41 0,09 0,5769

330 7,05 0,02 0,141oo 7,63 0 0

MPP

3b) BZ-Reihenschaltung - Kennlinie

Kennlinie Reihenschaltung

00,10,20,30,40,50,60,7

0 2 4 6 8 10

U / V

I / A

MPP

3b) BZ-Reihenschaltung - Leistungskurve

Leistungskurve Reihenschaltung

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

I / A

P / W

MPP

3c) BZ-Parallelschaltung - Messwerte

R / U/V I/A P/W0 0 1,3 0

0,22 0,37 1,26 0,46620,33 0,51 1,27 0,64771,8 1,96 1,05 2,0584,7 2,79 0,58 1,618210 3,1 0,3 0,9333 3,36 0,1 0,33668 3,52 0,05 0,176

330 3,7 0,011 0,0407oo 3,86 0 0

MPP

3c) BZ-Parallelschaltung - Kennlinie

Kennlinie Parallelschaltung

00,20,40,60,8

11,21,4

0 1 2 3 4 5

U / V

I / A

MPP

3c) BZ-Parallelschaltung - Leistungskurve

Leistungskurve Parallelschaltung

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

I / A

P / W

MPP

3a)-c) Kennlinien im Vergleich

Brennstoffzellen - Kennlinien im Vergleich

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10

U/V

I/A

EinzelzelleReihenschaltungParallelschaltung

Deutlich zu erkennen ist, dass sich durch die Reihenschaltung die Spannung und durch die Parallelschaltung die Stromstärke erhöht (verdoppelt).

3a)-c) Leistungskurven im Vergleich

Brennstoffzellen - Leistungskurven

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5 1 1,5

I / A

P / W

EinzelzelleReihenschaltungParallelschaltung

Die größtmöglichste Leistung wird bei der Parallelschaltung der Brennstoffzellen erreicht.

3d) Brennstoffzellen - MPP

Wie auf der vorherigen Folie schön zu sehen ist, wird die größtmögliche Leistung bei der Parallelschaltung der Brennstoffzellen erreicht.Bei einem Widerstandswert von 1,8 , einer Spannung von 1,96 V und einer Stromstärke von 1,05 A beträgt die maximale Leistung 2,058 W.

3e) Brennstoffzellen - Fahrverhalten

Wie man an Hand der Messwerttabelle sehen kann, fährt der Wagen bei der Reihenschaltung zwar schneller, aber er verbraucht auch fast doppelt so viel. Durch das schnellere Fahren ist der Wagen auch schwerer kontrollierbar, so dass man bei kurvenreicheren Strecken größere Probleme hat, auf der Ideallinie zu bleiben. Auf Grund dieser Erkenntnisse hatten wir uns ursprünglich für die Parallelschaltung entschieden. Allerdings zeigte sich bei den weiteren Versuchen, dass der Wagen mit „Booster“ ebenfalls sehr schnell ist und man damit umgehen muss und vor allem, dass die Kondensatoren bei einer Parallelschaltung nicht vollständig geladen werden. Somit entschieden wir uns letztendlich für die Reihenschaltung.

Reihenschaltung ParallelschaltungStrecke 20 m 20 mVerbrauch 25 ml 13 mlZeit 28,17 s 35,29 sGeschwindigkeit 0,71 m/s 0,57 m/sVerbrauch pro Meter 1,25 ml/m 0,65 ml/m

3f) Fahren mit unterschiedlicher Speicherzahl

Mit zunehmender Speicheranzahl nimmt die Länge der Strecke ab und die Zeit zu, was bedeutet, dass das Auto langsamer wird. Da wir uns für die Reihenschaltung entschieden haben, wählen wir 4 Tanks, da der längere Rundkurs (Aufgabe 4c) 80 Meter lang ist.

Anzahl der Reihenschaltung ParallelschaltungSpeicher s/m t/s s/m t/s

4 90 127,79 177 327,773 68 96,32 130 236,362 47 66,38 90 164,291 24 33,8 46 80,97

3f) Fahren mit unterschiedlicher Speicherzahl

020406080

100120140160180200

0 100 200 300 400

t/s

s/m Parallelschaltung

Reihenschaltung

3g) Fahrverhalten in einer Steigung

Das Auto schafft alle 4 Steigungen problemlos und es ist im Fahrverhalten kein Unterschied zwischen den unterschiedlichen Steigungen ersichtlich. Der Verbrauch müsste mit zunehmender Steigung zunehmen, was aber auf Grund der anfänglich beschriebenen Probleme nicht mehr erkennbar ist.5% Steigung bedeutet, dass der Wagen auf einer Strecke von 100m 5 Höhenmeter bewältigt. Ist die Strecke zwei Meter lang (4c), so muss der Wagen bei 5% Steigung eine Höhe von 10cm bewältigen:

2m * 5/100 = 0,1 m = 10 cm

3h) Fahrverhalten bei gerader und bei steigender Strecke

waagerechte Strecke Strecke mit 10 % Steigung Strecke 20 m 20 m

Verbrauch 19 cm³ 52 cm³

Hier ist klar zu erkennen, dass durch die Steigung der Verbrauch deutlich zunimmt. Auch auf der waagerechten Strecke wurde die Booster-Funktion eingesetzt, so dass der Verbrauch gegenüber der geraden Strecke ohne Booster-Funktion geringer ist. Die Verbrauchsdifferenz zwischen gerader und steigender Strecke beträgt

52 cm³ - 19 cm³ = 33 cm³

3i) Ladevolumen der KondensatorenDie Kondensatoren laden nur vollständig, wenn die Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind.Messwerte:VH2 = 60 cm³t = 3:50:21 Min.Für das Laden der Kondensatoren wurden 60 cm³ Wasserstoff verbraucht. Unter Berücksichtigung des unteren Heizwerts Hu = 3,0 kWh/Nm³ = 3000 * 3600 Ws / 1000000 cm³ = 10,8 Ws/cm³ ergibt sich für den Wasserstoff ein Energiegehalt von EH2 = VH2 * Hu = 60 cm³ * 10,8 Ws/cm³ EH2 = 648 Ws

3i) Ladevolumen der Kondensatoren

Lampe t/s0 01 12 103 204 305 406 557 708 909 15010 230,21

Ladung der Kondensatoren

02468

1012

0 50 100 150 200 250

t/s

Lam

pe

Schön zu erkennen ist, dass die Ladegeschwindigkeit mit zunehmendem Ladezustand abnimmt.

4a) Brennstoffzellentechnologie

Bei dem Einsatz der Brennstoffzellentechnologie im realen Alltag ist zu bedenken, dass wir es im Labor mit quasi idealen Bedingungen zu tun haben und dass wir natürlich nur in einem kleinen Maßstab arbeiten. Wenn wir die einzelnen Komponenten

betrachten, so werden einige Schwierigkeiten deutlich. In Deutschland existiert kein öffentliches Wasserstoff-Tankstellennetz. Laut Auto-Bild 06/2011 existieren gerade mal 2 Tankstellen in Berlin, weitere sind allerdings in Planung, von einer flächendeckenden Versorgung kann aber auch dann keine Rede sein. Unsere Labortankstelle ist hingegen flexibel einsetzbar.

http://www.autobild.de/artikel/wasserstoff-tankstellen-1597474.html

4a) Brennstoffzellentechnologie

Der Wasserstoff müsste in großen Mengen produziert und gespeichert werden. Würde der Wasserstoff mit Hilfe der Elektrolyse gewonnen, sollten aus umweltrelevanten Aspekten regenerative Energiequellen verwendet werden. Der Aufbau solcher Anlagen erfordert dabei zunächst einmal hohe Kosten. Bei der Speicherung würden einfache Gasspeicher nicht ausreichen, da sie zu viel Platz benötigen würden. Hier müssten z.B. Druckspeicher, Flüssig-Wasserstoffspeicher oder Metallhydrid-Speicher verwendet werden. Dies bedeutet höhere Kosten und den Einsatz von Energie zum Einspeichern des Wasserstoffs. Bei so großen Mengen an Wasserstoff ist zudem auf sicherheitsrelevante Aspekte zu achten, da Wasserstoff Knallgas bilden kann. Auch hier entstehen gewisse Kosten.

4a) Brennstoffzellentechnologie

Im Brennstoffzellenauto muss ein entsprechend großer Brennstoffzellenstack und ein Wasserstoffspeicher eingebaut werden, was beides mit großen Kosten verbunden ist. Hinzu kommt eine Batterie, die die kurzfristigen, höheren Leistungen beim Anfahren und Beschleunigen liefern kann, ähnlich wie bei unserem Modellauto die Kondensatoren für die Steigungen. Neben den Kosten liegt das Problem beim Brennstoffzellenauto aber vor allem noch in der vergleichsweise geringen Reichweite gegenüber einem herkömmlichen PKW, was u.a. an den begrenzten Batteriekapazitäten liegt.

4b) Optimierter Fahrzeugaufbau

Gewählt wurden 4 Tanks und zwei in Reihe geschaltete Brennstoffzellen.

4c) Modellstrecke - Lösung

Neben der Tankstelle bauten wir noch die notwendigen Rampen und Brücken, um die Modellstrecke möglichst genau darstellen zu können.

4c) Modellstrecke - Lösung

Auf unserer Modellstrecke testen wir unser Brennstoffzellenauto intensiv aus. Auf Grund der bereits beschriebenen Schwierigkeiten mit den Kondensatoren und der Booster-Funktion haben wir uns dazu entschieden, nach jeder Runde zur Tankstelle zu fahren, da der Wasserstoffverbrauch durch die Fehlfunktionen nicht mehr zufriedenstellend kontrolliert werden kann.

Danksagung

Trotz aller Schwierigkeiten hatten wir viel Spaß am Wettbewerb und möchten uns bei den Veranstaltern

ganz herzlich bedanken.