Fuelcellbox – Phase II Bau eines Modellschiff - Überblick

1. Fuelcellbox – Phase IIBau eines Modellschiff - Überblick • Einleitung (Folie 2) • Messwiderstände (Folie 3-5) • Solarzellen (Folie 6-12) • Elektrolyseur (Folie 13) • Solar-Tankstelle (Folie 14) • Brennstoffzellen (Folie 15-18) • Schwimmkörper (Folie 19) • Das Modellschiff (Folie 20) • Personenbeförderung (Folie 21) Hier sollte eigentlich ein Bild von unserem Prototypen stehen. Leider sind die Bilder miss-lungen und weil heute die Osterferien beginnen, können wir sie leider nicht mehr in diese Präsentation einfügen.... Ratsgymnasium Münster

2. Fuelcellbox – Phase IIBau eines Modellschiff - Einleitung • Bei der Arbeit mit der Fuelcellbox haben uns besonders die praktischen Teile interessiert. • Die größten Schwierigkeiten hatten wir damit, die Wasserstofftanks sicher zu befüllen und den Wasserstoff in der richtigen Menge durch die Brennstoffzellen strömen zu lassen, damit das Schiff auch lange fahren kann. Für die Lösung dieses Problems haben wir ziemlich lange gebraucht. Deshalb haben wir uns auch besonders gefreut, als das Schiff endlich mehr als 8 Minuten Fahrzeit mit einer akzeptablen Geschwindigkeit schaffte. • Für eine optimale Lösung brauchten wir sicher noch mehr Zeit! Dirk Berkemeier, Patrick Hangmann, Nele Hüchtmann Ratsgymnasium Münster

3. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsÜberprüfung der Messwiderstände • Abkürzung der Farben:ro(t), si(lber), go(ld), br(aun),or(ange), ge(lb), vi(olett),sc(hwarz), bl(au), gr(au) • Die Überprüfung mit dem Ohm-Meter ergab, dass die Widerstände mit R>1,8 Ω innerhalb der Toleranz von +/- 5% liegen.Der Messwert weicht bei R=1,8 Ω um 11% ab, bei den beiden kleinsten Widerständen um ca. 80 bzw. 120%! Ratsgymnasium Münster

4. Bei zwei Widerständen A und B gilt für den Gesamtwiderstand R - bei der Reihenschaltung R = A + B - bei der Parallelschaltung 1/R = 1/A + 1/B, d.h. R = AB/(A+B) Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsKombinationen der Messwiderstände Ratsgymnasium Münster

5. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsKombinationen der Messwiderstände Ratsgymnasium Münster

6. Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinien der Solarzellen Ratsgymnasium Münster

7. Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinie einer Solarzelle Ratsgymnasium Münster

8. Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinie zweier Solarzellen (in Reihe) Ratsgymnasium Münster

9. Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinie zweier Solarzellen (parallel) Ratsgymnasium Münster

10. Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinie des Solarmoduls MPP Ratsgymnasium Münster

11. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsStrom-Spannungskennlinie des Solarmoduls(bei Nachmittagssonne, leicht dunstig) MPP Ratsgymnasium Münster

12. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsWirkungsgradder Solarzelle unddes Solarmoduls Ratsgymnasium Münster

13. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsLeistung und Wirkungsgrad des Elektrolyseur-Stacks • Die mittlere Leistung des Elektrolyseur-Stacks, versorgtmit dem Steckernetzteil,beträgt 4,32 W. • Er benötigt ca. 100s, um 30 ml Wasserstoff zu erzeugen. • Der Wirkungsgrad beträgt Ratsgymnasium Münster

14. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsDie Solartankstelle • Wegen der optimalen Leistung verschalten wir die vier Zellen zu einem Solarmodul (je zwei in Reihe parallel zueinander). • Da die Ausleuchtung der Solarzellen einen großen Einfluss auf die Stromstärke hat, befestigen wir den Solarmodul auf einem Holzbrett, das wir an einer Seite mit Scharnieren auf eine Unterlage schrauben, so dass wir mit Hilfe einer Stütze immer den optimalen Winkel zur Sonne einstellen können. • Wir schließen den Elektrolyseur-Stack direkt an den Solarmodul an.Auf diese Weise erzielten wir (unter den Bedingungen von Folie 9) die schnellste Wasserstoffproduktion (30 ml in ca. 250 s).Bei einigen Tests haben wir zusätzliche Widerstände verwendet, aber kein besseres Ergebnis erzielt.Aus Zeit- oder Sonnenmangel konnten wir hier keine ausführlichen Testreihen vornehmen. Vielleicht sind hier Verbesserungen möglich. • (ausführlichere Darstellung unter Dokumentation Tankstelle Rats.doc) Ratsgymnasium Münster

15. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsDie Brennstoffzellen Die folgenden drei Folien zeigen die Strom-Spannungskennlinien einer Brennstoffzelle und zweier Brennstoffzellen (in Reihe und parallel). Äußere Bedingungen: Verwendung von Wasserstoff aus dem Elektrolyseur mit Netzgerät. Ergebnisse: Bei der Parallelschaltung der Brennstoffzellen erreicht man den größten MPP (P = 1,28 W) bei einem Widerstand von 4,7 Ohm. Schlussfolgerung: Wir verwenden auf dem Schiff eine Parallelschaltung der Brennstoffzellen, um eine optimale Leistung zu erzielen. Der Motor hat einen kleinen Widerstand. Er läuft- direkt angeschlossen- gut. Tests mit weiteren Widerständen müssen noch folgen. Ratsgymnasium Münster

16. MPP Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinien einer Brennstoffzelle Ratsgymnasium Münster

17. MPP Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinien zweier Brennstoffzellen Ratsgymnasium Münster

18. MPP Test der einzelnen Komponenten des Modellschiffs Strom-Spannungskennlinien zweier Brennstoffzellen Ratsgymnasium Münster

19. Test der einzelnen Komponenten des ModellschiffsDie Schwimmkörper Das Schiff mit der Masse 1 kg und den beiden Schwimmkörpern mit dem Volumen von insgesamt 2 l taucht bis zur Hälfte der Schwimm- körper ins Wasser ein. Begründung: • Ein Körper taucht so weit ins Wasser ein, bis die Auftriebskraft genauso groß ist wie seine Gewichtskraft. • Die Gewichtskraft des Schiffs ist 1kg x 9,81N/kg = 9,81N • Die Auftriebskraft entspricht der Gewichtskraft des verdrängten Wassers. Da 1 l Wasser die Masse 1 kg hat, hat die Auftriebskraft den Wert von 9,81N, wenn die Schwimmkörper zur Hälfte eintauchen. Ratsgymnasium Münster

20. Das Modellschiff • Das Boot soll möglichst lange fahren: Alle 8 Tanks kommen aufs Schiff. • Der Wasserstoff wird durch den Luftdruck in die Zellen gedrückt. Die Wasserstoff-Zufuhr wird durch Klemmen optimiert. • Brennstoffzellen und Tanks sind in einer Plastikbox auf dem Schiff befestigt. So wird zwar das Gewicht etwas größer, aber alles ist besser vor Spritzwasser geschützt. • Wir verwenden 2 Schwimmkörper, die vorne so geschnitzt sind, dass der Wasserwiderstand möglichst klein ist. • Die Schraube ist so befestigt, dass der meiste „Schub“ nach vorne geht. • Test in einem 1,80 m langen Planschbecken: Das Schiff fährt ca. 90 m in 8 min 16 s (Durchschnittsgeschwindigkeit 0,18 m/s). Die Durchschnittsgeschwindigkeit auf den ersten 60 m liegt bei ca. 0,25 m/s, die Spitzengeschwindigkeit bei ca. 0,3 m/s. • (ausführlichere Darstellung unter Dokumentation Schiff Rats.doc) Ratsgymnasium Münster

21. Das Schiff soll Personen befördern • Die Produktion und der Transport von Wasserstoff sind gefährlich. An der Solartankstelle und bei den Wasserstofftanks auf dem Schiff sind besondere Sicherheitsmaßnahmen nötig, um Explosionen zu vermeiden. Deshalb soll das Schiff die Tankstelle auch nie mit Passagieren anfahren. • Die Brennstoffzellen dürfen nicht mit Seewasser verunreinigt werden. Hier sind Schutzmaßnahmen wichtig, damit die Zellen nicht zerstört werden. • Der Ort, an dem die Solarzellen aufgestellt werden, muss optimal gewählt werden (kein Schatten, keine Verunreinigung, guter Winkel). • Unser Schiff kann inzwischen bis zu 90 m zurücklegen und dadurch mehrere Überfahrten sicher schaffen. Für eine genaue Strategie müssen wir noch mehr Testreihen zur Geschwindigkeit in einem etwas größeren „Gewässer“ durchführen Ratsgymnasium Münster