Fuel Cell Box 2009/10 - Phase II Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck

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Carsten Schmid
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1 Schülerwettbewerb Nordrhein- Westfalen Fuel Cell Box 2009/10 - Phase II Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule Gladbeck Ake Johnsen (h-tec), Staatssekretär Dr. Jens Baganz, Parandosch Wasel, Denis Gay, Schilan Abdulkarem, Guntram Seippel (Ingeborg-Drewitz-Gesamtschule, Gladbeck), Dr. F.-M. Baumann (EnergieAgentur.NRW)

2 1 a) Messwiderstände Widerstände begrenzen den elektrischen Strom. Die Größe eines Widerstands lässt sich durch einen Farbcode bestimmen.

3 1 a) Größe der acht Messwiderstände Widerstand 1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring Wert / Toleranz Messwert 1 rot rot silber gold 0,22 Ω +/- 5 % 0,4 Ω 2 orange orange silber gold 0,33 Ω +/- 5 % 0,6 Ω 3 braun grau gold gold 1,80 Ω +/- 5 % 2,1 Ω 4 gelb violett gold gold 4,70 Ω +/- 5 % 5,1 Ω 5 braun schwarz schwarz gold 10,00 Ω +/- 5 % 10,2 Ω 6 orange orange schwarz gold 33,00 Ω +/- 5 % 33,6 Ω 7 blau grau schwarz gold 68,00 Ω +/- 5 % 68,4 Ω 8 orange orange braun gold 330,00 Ω +/- 5 % 328 Ω Für die Widerstände 1 und 2 ist das Messgerät zu ungenau.

4 1b) Verschaltungsmöglichkeiten von Widerständen Reihenschaltung Der Gesamtwiderstand entspricht der Summe aller Teilwiderstände. R = R 1 + R Parallelschaltung Der Kehrwert des Gesamtwiderstandes entspricht der Summe aller Kehrwerte der Teilwiderstände. 1/R = 1/R 1 + 1/R Durch Kombination von Reihen- und Parallelschaltung sind weitere Widerstandswerte möglich. Quelle:

5 1 b) Anzahl der Möglichkeiten bei drei Widerständen Bei drei Widerständen ergeben sich insgesamt acht verschiedene Möglichkeiten.

6 1 b) Anzahl der Möglichkeiten bei vier Widerständen Bei vier Widerständen ergeben sich insgesamt 28 verschiedene Möglichkeiten.

7 1 c) Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarmoduls 1 Solarzelle I / ma U / V P / mw 0 2,09 0 6,3 2,07 13,041 28,5 1,99 56,715 51,5 1,8 92,7 64,6 0,76 49,096 64,8 0,42 27,216 64,9 0,13 8, ,13 8, ,23 14,95 65,1 0 0 I / ma Kennlinie einer Solarzelle 0 0,5 1 1,5 2 2,5 U / V

8 1 d) Kennlinien von zwei Solarzellen bei Reihen- und Parallelschaltung Messwerte 2 Solarzellen in Reihe 2 Solarzellen parallel I / ma U / V P / mw I / ma U / V P / mw 0 4, , ,6 4,14 52,164 6,3 2,07 13,041 52,2 3,76 196,27 29,2 2,04 59,568 60,8 2,13 129, ,4 0,78 51,792 MPP 121,8 1,55 188,79 66,5 0,43 28, ,8 0,89 121,75 66,6 0,24 15, ,3 0,49 67,277 66,6 0,14 9, ,5 0,27 37,125 66,6 0,13 8, ,9 0,29 39,991 66, ,3 0 0 MPP: Maximum Power Point Punkt maximaler Leistung

9 1 d) Kennlinien von zwei Solarzellen bei Reihen- und Parallelschaltung I / ma Kennlinien von zwei Solarzellen Reihenschaltung Parallelschaltung MPP U / V

10 1 e) Verschaltung von vier Solarmodulen I / ma U / V P / mw 0 4, ,8 4,22 54,016 57,8 4,05 234,09 93,8 3,29 308,6 103,2 1,21 124,87 103,7 0,21 21, ,67 69, ,37 38,48 104,1 0,2 20,82 104,9 0 0 Gewählt wurden zwei parallele Reihen von je zwei Solarmodulen, damit die Spannung am Elektrolyseur nicht zu groß wird.

11 1 e) Verschaltung von vier Solarmodulen Kennlinie von zwei parallelen Reihen von je zwei Solarmodulen I / ma U / V MPP

12 1 e) Wirkungsgrad der Solarmodule geg.: I k max = 350 ma P MPP = 308,6 mw A 4 Solarmodule = 4 * (4 * 2,3 cm * 5,2 cm) = 191,36 cm² = 0, m² P max (m²) = 1000 W/m² Rechnung: F = P max (m²) / I k max = 1000 W/m² / 350 ma = 2,857 W/m²mA P ein = F * I k * A = 2,857 W/m²mA * 104,9 ma * 0, m² = 5,735 W η= P MPP / P ein = 0,3806 W / 5,735 = 0,0664 * 100 % = 6,64 % Der Wirkungsgrad der Solarmodule beträgt 6,64 %.

13 1 f) Elektrische Leistung des Elektrolyseurs Messwerte: U = 3,96 V I = 1,18 A t = 1:43:64 Min. = 103,64 s (für 30 cm³ H 2 ) Rechnung: P = U * I = 3,96 V * 1,18 A = 4,6728 W Der Elektrolyseur arbeitet mit einer Leistung von P = 4,6728 W und benötigt für 30 cm³ Wasserstoff 103,64 s.

14 1 g) Wirkungsgrad des Elektrolyseurs Ho = 3,54 kwh/m³ = 12,744 Ws/cm³ η = VH2 * Ho / (U * I * t) = 30 cm³ * 12,744 Ws/cm³ / (3,96 V * 1,18 A * 103,64s) = 382,32 Ws / 484,29 Ws = 0,7894 * 100 % η = 78,94 % Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs beträgt 78,94 %.

15 1 h) Solar-Wasserstoff-Tankstelle

16 1 h) Solar-Wasserstoff-Tankstelle

17 2 a) Strom-Spannungs-Kennlinie eines Brennstoffzellenstacks U / V I / A P / W 0 0,68 0 0,21 0,66 0,1386 0,28 0,65 0,182 1,14 0,6 0,684 1,97 0,41 0,8077 MPP 2,63 0,26 0,6838 2,96 0,0839 0,2483 3,07 0,0435 0,1335 3,41 0,0103 0,0351 3,7 0 0 I / A 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Strom-Spannungskennlinie MPP 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 U / V

18 2 a) Leistungskurve eines Brennstoffzellenstacks P / W 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Leistungskurve Einzelzelle MPP 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 I / A

19 2 b) Reihenschaltung von zwei Brennstoffzellen U / V I / A P / W 0 0,72 0 0,23 0,71 0,1633 0,3 0,68 0,204 1,25 0,65 0,8125 2,95 0,61 1,7995 MPP 4,2 0,42 1,764 5,65 0,17 0, ,085 0,51 6,78 0,02 0,1356 7, I / A 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Kennlinie einer Reihenschaltung MPP U / V

20 2 b) Reihenschaltung von zwei Brennstoffzellen 2 Leistungskurve Reihenschaltung MPP 1,5 P / W 1 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 I / A

21 2 c) Parallelschaltung von zwei Brennstoffzellen U / V I / A P / W 0 1,44 0 0,49 1,36 0,6664 0,61 1,34 0,8174 1,99 1,03 2,0497 MPP 2,64 0,54 1, ,3 0,9 3,28 0,1 0,328 3,38 0,05 0,169 3,6 0,01 0,036 3, I / A 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kennlinie der Parallelschaltung MPP 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 U / V

22 2 c) Parallelschaltung von zwei Brennstoffzellen 2,5 2 Leistungskurve Parallelschaltung MPP P / W 1,5 1 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 I / A

23 2 d) Widerstandswert und maximale Leistung Die maximale Leistung der Brennstoffzellenstacks wird bei einer Parallelschaltung erreicht. Die Leistung beträgt P = 2,0497 W. Der Widerstandswert beträgt 10,4 Ω. Kennlinien P / W 2,5 2 1,5 1 0,5 MPP Parallelschaltung Reihenschaltung Einzelzelle 0 0 0,5 1 1,5 2 I / A

24 2 e) Einsinktiefe des Schiffes Gegeben: V Schwimmkörper = 1 l = 1000 ml = 1000 cm³ d Schwimmkörper = 7 cm n Schwimmkörper = 2 m Schiff = 1 kg = 1000 g ρ Wasser = 1 g/cm³ Rechnung: ρ Schiff = m Schiff / (n Schwimmkörper * V Schwimmkörper ) = 1000 g /(2* 1000 cm³) = 0,5 g/cm³ Die Schwimmkörper sinken bis zur Hälfte ein (3,5 cm), da die Dichte des Schiffes 0,5 g/cm³ beträgt und die Dichte des Wasser 1 g/cm³ beträgt.

25 2 f) Fahrverhalten des Schiffes Bei der Verwendung eines Tanks legt das Schiff bei einer Parallelschaltung der Brennstoffzellen in 58 s 16 m zurück. Bei der Reihenschaltung der Brennstoffzellen sind es in 32 s 8 m. Auf Grund des zügigeren Tempos und der längeren Strecke haben wir uns für die Parallelschaltung der Brennstoffzellen entschieden.

26 2 g) Verwendung von acht Tanks Die Verwendung von acht Tanks stellte sich als problematisch heraus, da große Unsicherheiten bezüglich des Tankinhaltes bestehen. Die Antwort auf die Nachfrage unseres Lehrers an den Wettbewerbsveranstalter brachte uns nicht entscheidend weiter. Offen blieb, woran man die vollständige Füllung des Tankes mit Wasserstoff erkennt und ob beim Betrieb die Tanks vollständig geleert werden, da u.a. beim Verbrauch des Wasserstoffs ein Unterdruck im Tank entsteht. Beim besten von zahlreichen Versuch kam unser Schiff mit acht Tanks in 5:17:32 Min. 64 m weit.

Wir haben uns für vier Tanks entschieden, da so die Strecke von 41 m (zweimal

27 2 h) Optimierter Aufbau Entsprechend den Ausführungen im Aufgabenteil 2 g) stellte sich hier die Frage nach dem optimalen Aufbau. Wir haben uns für vier Tanks entschieden, da so die Strecke von 41 m (zweimal hin und zurück + Fahrt zur Tankstelle) mehrfach bewältigt werden konnte, leider aber auch nicht immer!!!

28 3 a) Genereller Einsatz Der Alltag bietet die schwierige Aufgabe, dass viel größere Mengen an Wasserstoff bereitgestellt werden müssen. Diese müssen zunächst einmal produziert ( große Solaranlage (Wetterabhängigkeit) + Elektrolyseur) und dann sicher verwahrt werden (Wasserstoff ist ein sehr flüchtiges und reaktionsfreudiges Gas). Alle übrigen Elemente sind natürlich auch viel größer als im Labormodell und somit haben sie natürlich auch ihren Preis. Im Labor herrschen zudem geschützte ( ideale ) Bedingungen, was im Alltag ganz anders ist.

29 3 b) Lösung der Modellaufgabe Zunächst einmal wurde im Schulgarten ein 8 m langer Kanal angelegt, um wettbewerbsähnliche Zustände zu haben.

30 3 b) Lösung der Modellaufgabe Danach wurde in zahlreichen Versuchen das Fahrverhalten getestet.

31 3 b) Lösung der Modellaufgabe Wie bereits unter Aufgabe 2 h) erwähnt, haben wir uns für vier Tanks entschieden, da so die Strecke von Anleger A zu Anleger B und zurück mehrfach zweimal zurückgelegt werden konnte, bevor das Schiff zur Tankstelle musste (Durchschnittszeit: 3:02 Minuten). Allerdings hat dies nicht immer geklappt, so dass wir als Lösung die unserer Ansicht nach unglücklichere Variante gewählt haben und nach jeder Hin- und Rückfahrt zur Tankstelle fahren. Die Durchschnittszeit für die Fahrt vom Anleger A zum Anleger B und von dort über A zur Tankstelle (Zeitstopp!!) und wieder zum Anleger A (22m) betrug 1:28 Minuten, so dass die Strecke bei 15 Minuten Wettbewerbszeit 10 mal bewältigt werden kann und somit 240 Personen (10 mal je 12 Personen hin und zurück) befördert werden können. Dabei müssen leider 10 Tankstopps eingelegt werden.

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