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 Schülerinnen und Schüler der Fuel Cell Gruppe erläutern der NRW-Ministerin Löhrmann die Brennstoffzellentechnologie Stadtspiegel Gladbeck, 17.03.2012

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

1a) Werte der Messwiderstände Für unsere Widerstände ergeben sich folgende Werte:

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 1/Rges = 1/R1 + 1/R2 Für eine Parallelschaltung gilt: 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. Quelle: www.fairaudio.de

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.

2b) Solarmodul - Winkelabhängigkeit

2c) Solarmodul - Messwerte MPP P = U I 14,7W Reihenschaltung von 10 und 4,7W; 16,5W Reihenschaltung von 10, 4,7 und 1,8W, 22.22W Parallelschaltung von 33 und 68W

2c) Solarmodul - Kennlinie MPP Die maximale Leistung (MPP) wird mit 303,012 mW bei R = 33 W, U = 3,42 V und I = 88,6 mA erreicht.

2d) Elektrolyseur - Leistung Messwerte: U = 3,85 V I = 1,07 A t = 1:45:67 Min. = 105,67 s Rechnung: P = U * I = 3,85 V * 1,07 A P = 4,12 W E = P * t = 4,12 W * 105,67 s = 435,36 Ws Bei 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.

2e) Elektrolyseur - Wirkungsgrad geg.: Ho = 3,54 kWh/m³ = 12,744 Ws/cm³ (oberer Heizwert) und die Messwerte aus 2d) Rechnung: h = 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 % h = 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 s Rechnung h = VH2 * 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 % h = 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 MPP

3a) Brennstoffzelle - Kennlinie MPP

3a) Brennstoffzelle - Leistungskurve MPP

3b) BZ-Reihenschaltung - Messwerte MPP

3b) BZ-Reihenschaltung - Kennlinie MPP

3b) BZ-Reihenschaltung - Leistungskurve MPP

3c) BZ-Parallelschaltung - Messwerte MPP

3c) BZ-Parallelschaltung - Kennlinie MPP

3c) BZ-Parallelschaltung - Leistungskurve MPP

3a)-c) Kennlinien im Vergleich Deutlich zu erkennen ist, dass sich durch die Reihenschaltung die Spannung und durch die Parallelschaltung die Stromstärke erhöht (verdoppelt).

3a)-c) Leistungskurven im Vergleich 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 W, 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.

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.

3f) Fahren mit unterschiedlicher Speicherzahl

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 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 Kondensatoren Die Kondensatoren laden nur vollständig, wenn die Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind. Messwerte: VH2 = 60 cm³ t = 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 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.