Erforderliche Geräte:

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1 Lösungsblatt 1 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C.8 Erforderliche Geräte: Gerätebezeichnung Wasserstoffversorgung (wahlweise) Brennstoffzelle FC50 Inkl. Steckernetzteil I II III Artikel-Nr. 630D 642D 652D 610D Inkl. Messleitungen und Datenkabel Elektronische Last EL 200 Spannungswandler VC100 Ampel TL10 620D 621D 622D Ordnen Sie die Geräte entsprechend folgender Abbildung an: Wasserstoffversorgung Brennstoffzelle FC50 Ampel TL10 Spannungswandler VC100 Elektronische Last EL200

2 Lösungsblatt 2 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C.8 Aufgabe: Für den Einsatz eines Brennstoffzellensystems als Stromversorgungsaggregat ist es nötig, den Brennstoffverbrauch über einen gewissen Zeitraum bestimmen zu können. Mit der ermittelten Brennstoffmenge kann dann das Speichervolumen berechnet werden. Ziel dieses Versuches ist, am Beispiel einer Verkehrsampel, den Brennstoffbedarf eines Brennstoffzellensystems und dessen Speichervolumen für einen bestimmten Zeitraum zu bestimmen. Zusätzlich soll auf die verschiedenen Speichermöglichkeiten von Wasserstoff eingegangen und ein Vergleich zum Batteriebetrieb gezogen werden. Durchführung: 1 Installation Beachten Sie für Installation und Inbetriebnahme unbedingt die mitgelieferten Gerätebeschreibungen der einzelnen Komponenten, dort vor allem die Sicherheitshinweise! Beim Experimentieren für eine gute Belüftung des Raumes sorgen und Zündquellen fernhalten! 1.1 Die Stromversorgung des Brennstoffzellenmoduls FC50 erfolgt über den Spannungswandler VC100. Verbinden Sie dazu den Eigenbedarfsausgang des VC100 mit der 12V = - Buchse des FC50 mit dem mitgelieferten 3-poligen Kabel. 1.2 Verbinden Sie den Spannungsausgang des FC50 durch zwei Laborleitungen mit dem Eingang des VC100 (Polarität beachten!). 1.3 Verbinden Sie die elektronische Last EL200 mit der elektrischen Stromversorgung. Verwenden Sie dazu das mitgelieferte Netzkabel und schalten Sie anschließend den Hauptschalter (rechts hinter der Frontplatte) ein. 1.4 Verbinden Sie das FC50 durch zwei kurze Laborleitungen mit der EL200 (Polarität beachten!). 1.5 Verbinden Sie durch zwei Laborleitungen den Nutzleistungsausgang des VC100 mit der Ampel TL10 (Polarität beachten!). Bringen Sie den Kippschalter auf der Frontplatte der TL10 auf Mittelstellung. 1.6 Schließen Sie die von Ihnen verwendete Wasserstoffversorgung mit Hilfe der Schnellkupplung an das FC50 an. Verbinden Sie außerdem den 9-poligen Stecker des Sicherheitsventils mit dem dafür vorgesehenen Anschluss 'H2 VERSORGUNG' des FC Dieser Versuch kann nur mit Hilfe der mitgelieferten Software durchgeführt werden. Nehmen Sie dazu die entsprechenden Verbindungen zur Datenkommunikation vor. Hinweise zum Aufbau und zur Software finden Sie in der Gerätebeschreibung A.3 Brennstoffzelle FC50 im Kapitel Inbetriebnahme und in der Gerätebeschreibung A.7 Bediensoftware.

3 Lösungsblatt 3 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C.8 2 Inbetriebnahme Nehmen Sie die einzelnen Komponenten wie folgt in Betrieb: 2.1 Wasserstoffversorgung: Zur korrekten Inbetriebnahme der von Ihnen verwendeten Wasserstoffversorgung berücksichtigen Sie unbedingt die Bedienhinweise der entsprechenden Gerätebeschreibung A.8 A Elektronische Last EL200: Überprüfen Sie, ob das 10-Gang-Potentiometer der EL200 auf Null gestellt ist. Schalten Sie anschließend den Kippschalter auf der Frontplatte auf 'EIN'. 2.3 FC50 Software: Das Experiment kann nur mit Softwareunterstützung durchgeführt werden. Dazu müssen Sie jetzt die FC50 Software auf Ihrem PC starten, das entsprechende Experiment auswählen und erst nach Aufforderung mit der Inbetriebnahme wie folgt fortfahren: 2.4 Brennstoffzelle FC50: Kontrollieren Sie, ob sich der Steller für die Lüfterleistung des FC 50 auf 'AUTO' befindet. Schalten Sie nun den Kippschalter des FC50 auf 'EIN' und betätigen Sie den Taster 'START'. Nach dem erfolgreichen Systemtest schaltet das FC50 in den Bereitschaftsmodus, das System ist betriebsbereit. Tritt beim Systemstart ein Fehler auf, wird der entsprechende Fehlercode im Display H 2 Durchfluss und in der FC50 Software angezeigt. Die Beschreibung des Fehlers und Gegenmaßnahmen finden Sie in der Gerätebeschreibung A.3 Brennstoffzelle FC50 im Kapitel Fehlermeldungen und Fehlerbehebung. 2.5 Spannungswandler VC100: Das Modul schaltet sich automatisch zu. Sobald eine Spannung am Eingang des VC100 anliegt, kann am Nutzausgang eine konstante Spannung von 12 V abgegriffen werden. Liegt keine Spannung am Eingang an, wird der Eigenbedarfsausgang durch die integrierten Batterien versorgt.

4 Lösungsblatt 4 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C.8 3 Aufnahme der Messwerte 3.1 Für diesen Versuch wird eine Temperatur der Brennstoffzelle von ca. 40 C bevorzugt. Diese Betriebstemperatur kann erreicht werden, indem man die Brennstoffzelle vor Versuchsbeginn einige Minuten mit einem Strom von ca. 5 A belastet. Stellen Sie diesen Wert mit Hilfe der Bediensoftware ein. Reduzieren Sie außerdem die Lüfterleistung des FC50 über die Software auf einen Wert von 10 %. Die Brennstoffzelle wird so nur minimal gekühlt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur schaltet die Software die EL200 automatisch ab und die Lüfterleistung wieder auf AUTO. Das System ist betriebsbereit. 3.2 Mit Hilfe der FC50 Software können nun Wasserstoffverbrauch, zugeführte und abgegebene Leistungen ermittelt werden. Dabei kann ein beliebiger Verbraucher an den Nutzausgang des VC100 angeschlossen werden. Die folgende Messung wird jedoch mit der Ampel TL10 durchgeführt, um die Messergebnisse vergleichbar zu machen. Es sollen die Messdaten für zehn Ampelintervalle aufgenommen werden. Dazu muss der Kippschalter auf der Frontplatte der TL10 auf AUTO gestellt werden. In der Software können daraufhin die Momentanwerte des Wasserstoffvolumenstroms, der zugeführten und der abgegebenen Leistungen abgelesen werden. Anschließend ist im geeigneten Moment die Verbrauchsmessung zu starten und nach genau zehn Zyklen wieder zu beenden. Die angezeigten Momentanwerte werden (sichtbar) aufintegriert und zusätzlich alle 200 ms unter dem angegebenen Pfad in einer Messwertdatei tabellarisch gespeichert. Mit dem Beenden der Verbrauchsmessung werden automatisch die bis dahin aufintegrierten Werte an das Ende der Tabelle geschrieben. Die Messwertaufnahme ist damit abgeschlossen, alle zur Auswertung notwendigen Messwerte sind unter dem angegebenen Pfad gespeichert. 3.3 Für den Fall, dass Sie keine weiteren Messungen mit dem System durchführen, verfahren Sie zum Herunterfahren und Ausschalten des Systems wie folgt: Drehen Sie das Potentiometer der EL200 auf Null, bringen Sie den Kippschalter auf die Stellung 'AUS' und schalten Sie den Hauptschalter hinter der Frontplatte aus. Drehen Sie den Steller für die Lüfterleistung auf 'AUTO' und schalten Sie das FC50 ab (Kippschalter 'AUS'). Sorgen Sie für eine korrekte Außerbetriebnahme der verwendeten Wasserstoffversorgung. Entfernen Sie die Wasserstoffzuleitung zum FC50 durch Öffnen der Schnellkupplung.

5 Lösungsblatt 5 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C.8 4 Auswertung der Messwerte 4.1 Öffnen Sie zur Auswertung der Messung die Messwertdatei (Tabstopp-getrennt) mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (z.b. MS Excel). 4.2 Erstellen Sie mit Hilfe dieser, tabellarisch vorliegenden Messwerte ein Leistungs-Zeit- Diagramm der Nutzleistung über ein Ampelintervall! Markieren Sie im Diagramm die jeweiligen Ampelphasen und lesen Sie die sowohl die Dauer als auch die Leistungsaufnahme jeder einzelnen Phase ab! Bestimmen Sie mit den Daten aus der Messwerttabelle die Dauer und die mittlere Leistung eines Ampelintervalls P Nutz. Nutzleistung eines Ampelintervalls 8 7 Gelb Rot Rot - Gelb Grün 6 Leistung P Nutz in W Zeit t in s Für die einzelnen Ampelphasen ergeben sich folgende Werte: Die Dauer eines Zyklus ist: T Gelb = 0,8 s T Rot = 4,9 s T Rot-Gelb = 0,6 s W Gelb = 4 W W Rot = 3 W W Rot-Gelb = 6,9 W T Grün = 4,6 s T Grün = 0,9 W. T Zyk 7 V Mit Hilfe der einzelnen Messwerte lässt sich durch eine Summation die mittlere Leistung bestimmen: n 1 P Nutz = Pi = 2,36W. n i = 1 P Nutz

6 Lösungsblatt 6 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C Berechnen Sie die verrichtete elektrische Arbeit W Nutz des gesamtes Ampelintervalls zum Einen mit Hilfe der mittleren aufgenommenen Leistung P Nutz, zum Anderen unter Verwendung der aufgenommenen Einzelleistungen! Die verrichtete elektrische Arbeit lässt sich berechnen: 1. Mit Hilfe der mittleren aufgenommenen Leistung P Nutz und der Zykluszeit T Zyk : W Nutz = P Nutz T Zyk = 25,7 Ws. 2. Über die Berechnung der einzelnen elektrischen Arbeiten jeder Ampelphase ergibt sich: W Nutz = W Gelb + W Rot + W Rot-Gelb + W Grün = P Gelb T Gelb +... = 26,2 Ws. 4.4 Vergleichen Sie die berechneten Werte aus 4.3 mit dem aufgezeichneten Wert über zehn Messungen aus der Messwertdatei! Wie erklären sich die Unterschiede und welche Vorteile bringt eine Messung über mehrere Intervalle mit sich? Der aufgezeichnete Wert aus der Messwertdatei beträgt 261,5 Ws, auf ein Intervall bezogen ergibt sich also eine elektrische Arbeit von 26,15 Ws. Die auftretenden Abweichungen resultieren aus der unterschiedlichen Genauigkeit der verschiedenen Berechnungsvarianten: Die Messwertaufnahme über mehrere Intervalle ergibt einen aussagekräftigeren Mittelwert der aufgenommenen Leistung und vermindert den Fehler bei der Bestimmung der Intervalldauer. Die Bestimmung der elektrischen Arbeit auf diesem Weg ist die exakteste. Die beiden in 4.3 bestimmten Werte für die verrichtete elektrische Arbeit weichen von einander ab, da bei der Berechnung mit Hilfe der mittleren aufgenommenen Leistung P Nutz alle Messwerte des betrachteten Intervalls berücksichtigt wurden. Somit wurde der echte Mittelwert der Leistung gebildet. Beim Ablesen der elektrischen Leistungen und der Dauer der Ampelphasen aus dem Diagramm entstehen unvermeidlich Ungenauigkeiten, die sich auf das Ergebnis auswirken. Somit ist die Bestimmung der verrichteten elektrischen Arbeit über die einzelnen Ampelphasen die ungenaueste, sie trifft jedoch die detailliertesten Aussagen.

7 Lösungsblatt 7 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C Erstellen Sie ein Diagramm für 9 H2 = f(t) über das selbe Intervall wie in Diagramm in 4.2 und vergleichen sie beide! Wie erklären sich die Unterschiede der Kurvenverläufe? 140 Wasserstoffvolumenstrom eines Ampelintervalls Volumenstrom 9 H2 in ml/min Zeit t in s Die in 4.2 dargestellte elektrische Leistung der Ampel verändert sich in diskreten Sprüngen, da die einzelnen Verbraucher (LED Module) immer konstante Leistungen aufnehmen. Der Wasserstoffvolumenstrom zeigt dagegen einen kontinuierlichen Verlauf, da die Brennstoffzelle (im begrenzten Rahmen) einen kapazitiven Charakter aufweist: Bis sich die Laständerung auf die aufgenommene Leistung (entspricht dem Wasserstoffvolumenstrom) auswirkt, vergeht eine gewisse Zeit. Die Anpassung der aufgenommenen an die abgegebene Leistung erfolgt dann allmählich. Durch die Differenz wird der Speicher aufgefüllt oder entleert. Im Mittel stellt sich ein konstanter Wert ein.

8 Lösungsblatt 8 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C.8 5 Auslegung von Wasserstoffspeichern 5.1 Im Folgenden sollen verschiedene Wasserstoffspeicher für eine Baustellenampel auf Basis der ermittelten Messwerte berechnet werden. Die Baustellenampel soll für zwei Wochen betrieben werden. Es ist vom doppelten Wasserstoffbedarf im Vergleich zum vorliegenden System auszugehen. Wie viel Wasserstoff würde demnach für einen ununterbrochenen Betrieb benötigt werden? Durch die Messung wurde ein Wasserstoffbedarf von 192,46 ml innerhalb von 111 s ermittelt (siehe Messwert - Datei). Umgerechnet auf 2 Wochen und den doppelten Verbrauch ergibt sich ein Gesamtbedarf von 4,2 m 3 Wasserstoff. 5.2 Zur Speicherung des in 5.1 berechneten Wasserstoffvolumens stehen drei verschiedene Möglichkeiten zur Wahl: die Druckgasspeicherung, die Flüssiggasspeicherung und die Metallhydridspeicherung. Berechnen Sie Volumen und Masse der verschiedenen Speicher für den benötigten Wasserstoff! Prüfen Sie anschließend die Ergebnisse hinsichtlich ihres Einsatzzweckes aus technischer und wirtschaftlicher Sicht! Verwenden Sie zur Berechnung folgende volumetrische und gravimetrische Speicherdichten für Wasserstoff: Druckgasspeicherung (350 bar): 22,3 g H2 / l, 40 g H2 / kg Flüssiggasspeicherung (20 K): 45 g H2 / l, 112 g H2 / kg Metallhydridspeicher (298 K): 63 g H2 / l, 14 g H2 / kg. 0LWGHU'LFKWHYRQ:DVVHUVWRIIXQWHU1RUPEHGLQJXQJHQ H2 = 0,0899 kg/m 3 ergibt sich für den in 5.1 berechneten Wasserstoffbedarf folgende Masse: m H2 H2 V H2 = 377,2 g. Damit lassen sich die Volumen und Massen der Speicher berechnen: Druckgasspeicherung: 16,9 l, 9,43 kg Flüssiggasspeicherung: 8,4 l, 3,4 kg Metallhydridspeicher: 6,0 l 26,9 kg. Je nach Speichertyp variieren volumen- und massebezogene Speicherdichte erheblich. Das günstigste Verhältnis hat dabei die Flüssiggasspeicherung, sie liegt mit beiden Werten unterhalb denen, der Druckgasspeicherung. Volumenbezogen ist die Speicherdichte im Metallhydridspeicher zwar mehr als doppelt so hoch, dafür fällt die Masse bei gleichem Speicherpotential mehr als zehn Mal so hoch aus. Trifft man also ausschließlich nach diesen Kriterien eine Auswahl, würde die Wahl auf den Flüssiggasspeicher fallen. Diese Speichermethode ist wegen der extrem niedrigen Temperaturen jedoch sehr aufwendig und energieintensiv, wodurch hohe Anschaffungs- und Betriebskosten entstehen. Metallhydridspeicher sind dagegen einfach zu handhaben, haben aber im Vergleich zu Druckgasspeichern bedeutend höhere Anschaffungskosten. Unter Beachtung dieser Gesichtspunkte würde man sich sicherlich nicht für den Flüssiggasspeicher entscheiden, sondern je nach Wichtung von Kosten und Größe den Druckgas- oder den Metallhydridspeicher auswählen.

9 Lösungsblatt 9 Brennstoffzellen in der Anwendung: Verkehrsampel C Eine herkömmliche Baustellenampel wird mit einem Blei-Akku betrieben. Dieser hat eine volumetrische Speicherdichte von 75 Wh / l, die gravimetrische Speicherdichte beträgt 30 Wh / kg. Berechnen Sie Volumen und Masse eines Blei-Akkus, der die selbe Energie speichern kann, wie die Wasserstoffspeicher in 5.2! Vergleichen Sie das Ergebnis mit den Berechnungen aus 5.2! Was muss bei diesem Vergleich beachtet werden? Berechnet man die Energie, des in 5.1 bestimmten Wasserstoffvolumens mit dem unteren Heizwert H u = 3 kwh/m 3, erhält man: E H2 = H u V H2 = 30,47 kwh. Mit den angegebenen Speicherdichten ergeben sich für den Blei-Akku ein Volumen von V Akku = 470 l und eine Masse von 1016 kg. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass Akkumulatoren (Batterien) eine bedeutend geringere Energiedichte (Speicherdichte) besitzen als Brennstoffzellen. Es ist also sowohl vom Volumen, als auch von der Masse des Energiespeichers sinnvoll, Brennstoffzellensysteme einzusetzen. Bei diesem Vergleich wurde jedoch nur der Speicher des Brennstoffzellensystems berücksichtigt, nicht der Brennstoffzellenstack (inklusive Systemkomponenten) selbst. Dieser macht jedoch bei Anwendungen mit großen Speicherkapazitäten nur einen kleinen Anteil des Volumens und der Masse aus, weshalb sich der Vergleich nicht grundlegend ändern würde. Zusätzlich muss der Vergleich auch aus Kostengesichtspunkten betrachtet werden. Dabei schneiden die Akkumulatoren, speziell der Blei-Akku heute noch bedeutend günstiger ab, als ein Brennstoffzellensystem. Weitere Entwicklungen und wachsender Absatz werden aber den Preis von Brennstoffzellen in Zukunft enorm reduzieren und diese Technologie damit konkurrenzfähig machen.