Jugend-forscht Langfassung Der Hybrid Brennstoffzellenroller 2007/2008

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Kategorie: Dokumentation
Veröffentlichungsdatum Geschrieben von Mats Marcus

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Hilden, den 23.02.2008

Teilnehmer:  Fabian Preiß, Mats Marcus, Tobias Bach
Betreuender Lehrer: Herr Dr. Johann Pleschinger

Kurzfassung

Die Suche nach Anwendungsmöglichkeiten von regenerativen und sauberen Energien ist insbesondere durch den Klimawandel und die Umweltschäden, die aus dem CO2-Ausstoß oder Rückstände von Batterien resultieren zu einem aktuellem Thema in den Medien geworden.

Die Brennstoffzellen-Technik wurde bereits Anfang des 19.Jahrhunderts erfunden und seit Mitte des letzten Jahrhunderts in Industrie und Forschung eingesetzt. Bisher gibt es jedoch nur wenige Produkte für den privaten Verbraucher, die diese viel versprechende Technik verwenden. Mit diesem Hintergrund wurden der Physik-AG des Helmholtz-Gymnasiums im Sommer 2005 von dem Schulsponsorunternehmen 3M die grundlegenden technischen und finanziellen Mittel für den Umbau eines kleinen Gefährtes mit Elektroantrieb auf Brennstoffzellenbetrieb in Verbindung mit Firmenbesuchen angeboten. Mit der Aufgabe wurde ein zu diesem Zeitpunkt aus 3 Köpfen bestehendes Team von Zehntklässlern (Tobias Bach, Thomas Dietz und Fabian Preiß) betraut, die sich für den Umbau eines Elektrorollers entschieden haben.

Etwa ein Jahr später haben wir das Projekt neu aufgegriffen und mit Verbesserungen in vielerlei Hinsicht begonnen. Dazu zählen sowohl eine umfangreiche Neuentwicklung und Erweiterung der elektronischen Steuerung als auch der Umstieg auf einen “Tante Paula Roller“ mit einem gedrosseltem 450 Watt-Motor. Da dieser kurzzeitig (insbesondere beim Anfahren) mehr Leistung benötigt, als die Brennstoffzelle bereitstellen kann, haben wir einen Hybrid-Antrieb entwickelt, bei dem kleine starkstromfähige Akkus mit einer relativ kleinen Kapazität Spitzenströme von bis zu 8 Ampere liefern können. Wird während der Fahrt hingegen nicht die volle Leistung der Brennstoffzelle benötigt, so reduziert die Elektronik die Luft- und Wasserstoffzufuhr und führt den Großteil des nicht direkt benötigten Stroms an die Akkus zurück.


Gliederung:

1.  Einleitung

1.1    Wie das Projekt entstand
1.2    Ziele des Projektes
1.3    Stand der Informationsmaterialien und der verwendeten Technik
1.4    Einführung in die Funktionsweise einer PEM Brennstoffzelle

2.  Entwicklung und Umsetzung

2.1   Verwendete Bauelemente

2.1.1   Die wichtigsten elektronischen Bauteile
2.1.2   Baugruppen

2.1.2.1   Die Spezifikationen der Brennstoffzelle
2.1.2.2   Der Metallhydrid-Wasserstoff-Speicher
2.1.2.3   Der Kompressor
2.1.2.4   Montageteile und Befestigungen
2.1.2.5   Pneumatik
2.1.2.6   Elektronische Baugruppen
2.1.2.7   Zubehör

2.2   Software-Entwicklung
2.3   Vorgehensweisen bei der Projektentwicklung
2.4   Der modulare Aufbau der Baugruppen
2.5   Testdurchläufe
2.6   Technische Probleme bei der Umsetzung des Projektes und deren Lösung

3.  Ergebnisse und Weiterentwicklungen

3.1   Befestigung der Module
3.2   Entwicklungen zur Optimierung des Wirkungsgrades
3.3   Ansätze und Ideen zur Weiterentwicklung
3.4   Unterschiede zu dem Jugend Forscht Projekt 2006

4.  Diskussionen

4.1    Weitere zukünftige Verwendungsmöglichkeiten dieser Entwicklung
4.2    Vor und Nachteile der verwendeten Technik

5.  Quellenverzeichnis
6.  Danksagung

 

1. – Einleitung

1.1 – Wie das Projekt entstand

Die Ursprünge des Projektes liegen in der Schulpartnerschaft unserer Schule mit dem US-amerikanischen Unternehmen 3M. Anfang 2005 wurde der Physik-AG ein Projekt vorgestellt, bei dem ein Schüler-Team einen Miniatur-Bus mit einer Brennstoffzelle ausgestattet hatte. 3M regte ein Projekt zur Umrüstung eines beliebigen Fahrzeuges auf Brennstoffzellenbetrieb an, bei dem eine Schülergruppe diese Aufgabe übernehmen sollte.

Der erste Roller bereite uns über die gesamte Entwicklungsphase immer wieder Probleme so war die Elektronik kurz nach der Vorführung im damaligen Jugend-Forscht-Wettbewerb durch einen Platinen-Durchbruch nicht mehr funktionsfähig. Als wir das Projekt ein Jahr später wieder aufgegriffen haben überlegten wir uns zahlreiche Änderungen, bei denen wir einige der wichtigsten Komponenten durch Neuentwicklungen ersetzt haben. So ist die damalige C-Control-II-Station durch einen programmierbaren Mikrocontroller überflüssig geworden.

 

1.2 – Ziele des Projektes

Das Ergebnis unserer Tätigkeit sollte es sein, einen Elektro-Roller, wie er serienmäßig produziert wird auf Brennstoffzellenbetrieb (und später Hybridantrieb) umzurüsten. Dabei kam es uns besonders auf eine weiterentwickelte elektronische Steuerung an. Auch sollten die Befestigungen der Komponenten so gestaltet werden, dass der Fahrer des Rollers in seiner Bewegungsfreiheit so wenig wie möglich eingeschränkt wird und die Sicherheit des Rollers beibehalten wird. Da die Elektronik und die Brennstoffzelle gegen stärkere Stöße empfindlich sind sollten diese zusätzlich entkoppelt werden. Weiterhin sollte die Leistung im Vergleich zum ersten Roller durch eine programmierbare Elektronik und den Hybrid-Antrieb merklich gesteigert werden. Wir wollten damit zeigen, dass es auch für ein kleines Team aus Schülern möglich ist mit einer Technik die in der Industrie nach wie vor in der Entwicklungsphase ist, zu überzeugenden Ergebnissen zu kommen.

Die verwendete Technik wollten wir weitestgehend am Computer über 3D-Modelle veranschaulichen.


1.3 – Stand der Informationsmaterialien und der verwendeten Technik

An der Brennstoffzellen-Technik entwickeln bereits bei einige große Automobilhersteller, deren Technik wir jedoch nicht einfach kopieren wollten. Uns kam es besonders auf eine eigenständige technische Umsetzung an.  Bisher wurden Brennstoffzellen hauptsächlich in der Raumfahrt eingesetzt, da sie effizient und zuverlässig arbeiten und durch ihre meist stapelförmige Aufbauweise erweiterbar sind. Auch gibt es viele die den Transport von Wasserstoff für problematisch halten. Bei der Umsetzung des Projektes hat uns dies jedoch keine Schwierigkeiten bereitet. Wir schließen uns der Überzeugung an, dass Wasserstoff gute Chancen als Energieträger der Zukunft hat.

Die 3-Dimensionalen Darstellungen und Grafiken sind mit den 3D-Moddelierungswerkzeugen „3d Studio Max 9“, SolidWorks und Photoshop erstellt und gerendert worden. Des Weiteren haben wir die Programmierung und Layouts der Platinen mit den Freeware-Programmen PonyProg2000, BASCOM-AVR und Eagle hergestellt.

1.4 – Einführung in die Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle

Da es sich bei der von uns verwendeten Brennstoffzelle um eine PEM-Brennstoffzelle handelt lassen wir andere Brennstoffzellentypen bewusst außen vor.

Defekte MEA (Membrane Elektrode Assembly)

Defekte MEA

Ein Brennstoffzellen-Stack (engl.: stack; dt. Stapel) setzt sich aus mehreren Einzelzellen zusammen. Jede dieser Zellen beinhaltet mittig die PEM („Polymer-Elctrolyt-Membrane“ oder „Protone-Exchange-Membrane“). Diese ist mit 50 µm Dicke der empfindlichste Teil der Brennstoffzelle. Die Gesamttemperatur sollte deshalb 90°C nicht zu überschreiten, da ansonsten die Membranen auf Grund von Austrocknung und Verformung dauerhaften Schaden nehmen könnten. Umgeben wird die Membran beidseitig von den Katalysatoren („CAT“), die aus Kohlenstoff und Platin zusammengesetzt sind.

Gemeinsam bilden diese drei Lagen die CCM („Catalyst-Coated-Membrane“), welche wiederum eingeschlossen wird von zwei elektrisch leitenden Gas-Diffusions-Lagen („Gas-Diffusion-Layer“, kurz: GDL). Diese Lagen sorgen für einen ausgewogenen und stabilen Gasdruck, da die Membran wegen ihrer geringen dicke schon bei kleineren Unregelmäßigkeiten bei der Druckverteilung reißen kann. Der Eingangsdruck darf daher 0,5 bar nicht überschreiten.

Dieser Verbund von Lagen trägt den Namen MEA („Membrane-Electrode-Assembly“), zusammengefügt werden die Komponenten unter hohem Druck und erhöhter Temperatur. An der MEA laufen die wesentlichen katalytischen und elektrochemischen Vorgänge ab, die die Leistung einer Brennstoffzelle bestimmen. Ebenso werden die Leistungsdaten der MEA durch Fremdgase beim Wasserstoff (wie z.B. Kohlenstoffmonoxid oder  Schwefel) ganz erheblich beeinflusst.

 Bipolarplatte ZBT mit Flowfield, Brennstoffzelle

Letztendlich wird die MEA von zwei Bipolarplatten umschlossen deren Aufgabe es ist die Einzelspannung abzugreifen und weiterzugeben so wie die Gase optimal auf die Fläche der MEA zu verteilen. Die Platten bestehen aus polymer-graphitischen Compound Materialien und bilden den Hauptanteil am Gewicht sowie des Volumens der Zelle.

 Bipolarplatte ZBT mit Flowfield, Brennstoffzelle

Die spritzgegossenen Bipolarplatten machen bis zu 30 % der Kosten eines Brennstoffzellen-Stacks aus. Der Kunststoff besteht zu 70-80 % aus Grafit. Zusätzlich werden noch Leitfähigkeitsadditive hinzugefügt. Eine Bipolarplatte widersteht Temperaturen von bis zu 110° C und erreicht eine spezifische Leitfähigkeit, die je nach Zusammensetzung zwischen 70 und 120 S/cm, für den spezifischen Widerstand einer Bipolarplatte (effektiver Widerstand inklusive Kontaktübergang) 45-70 mΩcm² liegen kann. Die Dichte des Materials beträgt 1,5 - 1,75 g/cm3.

Alle Einzelzellen werden hintereinander aufgereicht, so dass der Wasserstoff durch das Flow-Field der Bipolarplatten alle Anoden erreichen kann. Von der anderen Seite wird Luft zugeführt. An der Anodenseite (H2-Eingang) kommt es zu einer Oxidation nach der Gleichung:
2 H2 + 4 H2O    4 H3O+ + 4e-
in deren Folge freie Elektronen als nutzbarer Strom abgegriffen werden können. Die  H3O+-Moleküle gelangen nun durch die ionen-transportierende Membran auf die gegenüberliegende Seite, wo an der Kathode mit den zurückgeführten Elektronen und dem Sauerstoff eine Reduktion folgender Gleichung durchlaufen:
O2 + 4 H3O+ + 4e-      6 H2O
Das „Abfallprodukt“ besteht lediglich aus destilliertem Wasser.

Die Technik der PEM-Brennstoffzellen ist mittlerweile soweit fortgeschritten, dass bereits Wirkungsgrade von 50% - 65% erzielt werden können. Dies klingt im Vergleich zu Bleiakkus mit einem Wirkungsgrad von 75% - 90% zwar gering, jedoch hat ein Bleiakku nur eine begrenzte Lebenszeit und kann  sich bei höheren Temperaturen selbst entladen, weiterhin ist sein Gewicht verhältnismäßig hoch. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren ist noch mal deutlich geringer (Dieselmotor 15%-55%; Ottomotor 10%-37%).

 

2. – Entwicklung und Umsetzung

2.1 – Verwendete Bauelemente
2.1.1 – Die wichtigsten elektronischen Bauteile

Die Steuerung unseres Rollers wird durch verschiedene wichtige Bauteile bewältigt. Jedes dieser Bauteile hat eine festgelegte Aufgabe. So war es nicht leicht, einen geeigneten Mikroprozessor zu finden, welcher den Anforderungen der Steuerung gerecht werden konnte. Ein Kriterium war z.B. die genügende Anzahl der Ein- und Ausgabeports, welche es dem Controller erlauben die Umwelt durch Sensoren zu erfassen und andere Bauteile zu steuern.

Zu diesen Bauteilen gehört beispielsweise der Power-Mosfet, welcher den Motor mit Strom versorgt. Die extrem hohen Ströme beim Anfahren werden von ihm bewältigt. Das Display dient zur Ausgabe von Informationen, wie den momentanen Eigenschaften der Sensoren, Darstellung von Aus- und Eingabewerten und weiteren Einstellungen. Hier ist ein gut ablesbares, leicht zu programmierendes Display von Vorteil.

Um die Temperatur verschiedener Bauelemente, die Spannungen des Akkus und der Brennstoffzelle sowie den Stromfluss zwischen einzelnen Baugruppen zu messen, verwendeten wir Sensoren die aktiv durch eigene Module realisiert werden konnten oder passiv durch die Verwendung von geeigneten Halbleitern, beispielsweise dem Temperatursensor. Im Zusammenspiel von Sensor und Controller ist somit eine temperaturabhängige Steuerung der Lüfter möglich.

Auch diese sind zur fehlerfreien Funktion der Brennstoffzelle und somit des Rollers notwendig, da die Brennstoffzelle auf Temperaturschwankungen mitunter empfindlich reagieren kann, sodass ein optimaler Wirkungsgrad nur durch die Einhaltung von einem bestimmten Temperaturbereich möglich ist.

Um den Roller optisch etwas aufzuwerten, entschieden wir uns Kaltlichtkathoden und LEDs zu verwenden. Die Leuchtdioden dienen hauptsächlich der Beleuchtung des Weges und als Rückscheinwerfer. Um den nachfolgenden Radfahrer oder Autofahrer nicht zu blenden, mussten wir jedoch die Helligkeit der LEDs senken, da diese zu hell für unsere Zwecke waren. Für die Beleuchtung der Elektronik und des Rollers entschieden wir uns für Kaltlichtkathoden, welche beinahe den gleichen Wirkungsgrad erreichen wie die LEDs, das Licht aber gleichmäßig verteilen und somit bessere Voraussetzungen bieten.


2.1.2 – Baugruppen
2.1.2.1 – Die Spezifikationen der Brennstoffzelle

Der von uns verwendete PEM Brennstoffzellen-Stack besteht aus 33 Einzelzellen, mit der Größe von je 70 x 140 x 6 mm und hat eine Höchstleistung von etwa 450 Watt bei einer durchgehenden Ausgangsspannung von rund 24 Volt. (Weitere Informationen zur Funktionsweise von PEM-Brennstoffzellen unter 1.4)

2.1.2.2 – Der Metallhydrid-Wasserstoff-Speicher

Das größte Problem für Industrie und Wirtschaft bei den wasserstoffbasierten Energiegewinnungstechnologien ist der Transport und die Lagerung des Wasserstoffs. Wasserstoff ist ein Gas  mit sehr geringer spezifischer  Dichte und deshalb benötigt man schon zur Lagerung kleiner Mengen einen großen Raum. Auf Grund seiner geringen Molekulargröße diffundiert Wasserstoff durch die meisten Materialien hindurch. Eine Möglichkeit  der Lagerung ist der Metallhydridspeicher. Hierbei handelt es sich um eine mit Metall, z.B. Magnesium oder Palladium gefüllte Kartusche. Wenn man in die Kartusche Wasserstoff einfüllt, bindet das Metall diesen an sich und der Speicher bietet so mehr Aufnahmekapazität als herkömmliche Gasflaschen. Bei der Wasserstoffabgabe wird Wärmeenergie  benötigt, da der Wasserstoff in der Flasche in gebundener Form vorliegt, diese fällt beim Übergang in den gasförmigen Zustand an. In der ersten Reaktionsphase, der so genannten α-Phase (Alpha-Phase), werden an der Metalloberfläche katalytisch gespaltene Wasserstoffmoleküle, also Wasserstoffatome, als Einlagerungs- oder Zwischengitteratome in das Metallgitter gelöst. Erhöht man nun den Druck im Speicher, erhöht sich auch die Wasserstoffkonzentration im Metallgitter bzw. in der intermetallischen Bindung. Ist eine Sättigung der α-Phase erreicht, bildet sich an einigen Stellen Metallhydrid. Dies wird β-Phase (Beta-Phase) genannt. Da diese Reaktion exotherm verläuft, muss die Reaktionswärme abgeführt werden, um einen Stillstand der Reaktion zu vermeiden. Da der Phasenübergang von der α- in die β-Phase mit einer starken Änderung des ursprünglichen Metallgitters einhergeht, zerfällt das Ausgangsmaterial in feines Pulver. Um den Wasserstoff wieder aus der Flasche zu entnehmen, muss man nur das Ventil an der Flasche öffnen, und die Reaktion erfolgt in umgekehrter Form. Dann erhält man wieder die Ausgangsmaterialien, Metall und reinen Wasserstoff. Dieser Vorgang verläuft dann endotherm und bringt den Prozess bei zu großer Abkühlung zum Stillstand. Das heißt, dass nur sehr wenig Wasserstoff ungewollt austreten kann, weil der Prozess automatisch unterbrochen wird. Der von uns verwendete Speicher hat eine Kapazität von 200 Litern (das entspricht ca. 16 g Wasserstoff) und erreicht einen Maximaldruck von ca. 16 bar.

2.1.2.3 – Der Kompressor:

Um den benötigten Sauerstoff bereit zu stellen, ist an dem Roller ein Kompressor der Firma KNF Neuberger angebracht. Es handelt sich hierbei um das Modell N815KNDC. Er hat eine Betriebsspannung von 12 Volt, läuft mit bis zu 2 Ampere und hat eine Förderleistung von 16  l/min.

2.1.2.4 – Montageteile und Befestigungen

Aufhängung des Brennstoffzellenstacks durch Schwingelemente (3D Darstellung 3ds Max) Aufhängung des Brennstoffzellenstacks durch Schwingelemente

Sowohl für die Brennstoffzelle als auch für die Elektronik haben wir uns für eine entkoppelte Lösung entschieden. Dies geschieht durch jeweils vier senkrechte Schwingelemente  (mit einer Härte von jeweils 45 Shore). Da die Brennstoffzelle durch ihre Bauform nicht direkt am Roller befestigt werden konnte, haben wir C-Profile aus Aluminium so angebracht, dass die Brennstoffzelle nun auf den Schwingelementen aufliegt. Vergleichbare L-Profile fixieren auch das rückwärtige Schutzblech, welches gekürzt werden musste, um Platz für die Brennstoffzelle zu schaffen. Zur Unterbringung der Elektronik haben wir eine Plexiglasbox angefertigt, deren Seitenwände durch weitere Aluminiumprofile verbunden sind. Weiterhin haben wir mehrere Rohrschellen zur Befstigung des Metallhydrid-Wasserstoff-Speichers und des Haupt-Displays verwendet.

2.1.2.5 – Pneumatik

Der Brennstoffkreislauf besteht aus folgenden Komponenten:

Pneumatik Übersicht der Komponenten (Brennstoffzelle, Wasserstofflasche, Druckminderer, Magnetventile, Kompressor und Motor)

  1. Die Brennstoffzelle

  2. Die Wasserstoffflasche

  3. Der Druckminderer

  4. Die Magnetventile

  5. Der Kompressor

  6. Die Last


Verbunden werden diese Bauteile durch Spezialschläuche mit Teflongeflecht und Metallverschraubungen der Firma Swagelok, die speziell für Wasserstoffanwendung ausgelegt sind.

2.1.2.6 – Elektronische Baugruppen

Damit das Projekt elektrisch einfach unsetzbar wird, entschieden wir uns verschiedene Baugruppen oder auch Funktionsblöcke zu entwickeln. Dazu gehört auch eine Treiberstufe, welche die Signale des Mikrocontrollers empfängt und auswertet, um zum Beispiel einen Verbraucher mit Strom zu versorgen. Die Verwendung von Baugruppen vereinfacht die Entwicklung, erhöht die Übersichtlichkeit und ermöglicht auch komplexere Platinen mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand. Das Sende- und Empfangsmodul dient zur Datenübertragung zwischen Laptop und Roller, es ermöglicht eine direkte Auswertung und Speicherung der Daten am Laptop während der Fahrt. Eventuell auftretende Fehler können somit analysiert werden und durch entsprechende Konfigurationen in der Software ohne einen Ausbau des Mikrocontrollers behoben werden. Um die Spannung für die Elektronik in geglätteter Form bereit zu stellen bedarf es mehrerer Spannungswandler. Durch die Entwicklung eines Moduls mit drei Schaltreglern wird eine entsprechend geglättete und solide Spannungsversorgung ermöglicht. Gegenüber Linearreglern ergibt sich dabei ein Vorteil durch den hohen Wirkungsgrad von mehr als 85%, während gewöhnliche Linearregler einen Wirkungsgrad zwischen 25% und 45% hätten. Der daraus resultierende höhere Stromverbrauch hätte auch einen höheren Wasserstoffverbrauch zur Folge. Diese Spannung kann auch verwendet werden, um externe Geräte mit Strom zu versorgen. Über eine entsprechende Buchse können wir hiermit problemlos einen stromsparenden Dual-Core Laptop versorgen oder ein Handy laden. Dies ist theoretisch auch während der
Fahrt möglich, erhöht jedoch den Wasserstoffverbrauch um bis zu 15% (beim Laptop, die Erhöhung des Verbrauchs ist Abhängig von der verwendeten Spannung und dem Widerstand des Verbrauchers). Der PWM, auch Pulsweitenmodulator genannt, übernimmt eine der wichtigsten Aufgaben der Elektronik. Er steuert die Leistung des Motors nahezu verlustfrei durch ein ständiges ein- und ausschalten des Motors in Sekundenbruchteilen. Durch das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit ergibt sich eine stufenlos regelbare Leistungsregulierung des Motors. Auf Grund der hohen Ströme, welche besonders beim Anfahren auftreten, ist es wichtig, besonders hochwertige Halbleiter-Schalter zu verwenden, damit diese sehr geringe Einschaltwiderstände haben. Anderenfalls würde dies zu unsauberen Schaltvorgängen, bzw. einem Spannungseinbruch beim Motor sowie einer erheblich höheren Verlustleistung in Form von Wärme führen. Die Lebensdauer der Komponenten wäre erheblich eingeschränkt und diese würden die hohen Ströme langfristig nicht unbeschadet überstehen.

Elektronik Platinen gestapelt Mikrocontroller Der Hybrid Brennstoffzellenroller

2.1.2.7 – Zubehör

Sowohl die Elektronik als auch die Brennstoffzelle benötigen eine geringfügige Kühlung, die durch mehrere Lüfter gewährleistet wird. Dafür haben wir insgesamt 8 Lüfter (2 für die Elektronik, 6 für die Brennstoffzelle) “Axiallüfter DELTA EFB0612MA“ mit den Maßen 6cm x 6cm x 1cm verwendet, die wir im Normalbetrieb mit 6 Volt ansteuern, bei Bedarf kann die Spannung auch auf 10 Volt erhöht werden, damit haben sie zusammen eine Leistungsaufnahme von ca. 6 Watt, durch die geringen Drehzahlen sind sie dennoch kaum hörbar. Die Kaltlichtkathoden sind ein zusätzliches Feature, welches 10mal zum Einsatz kommt. Derzeit ist es noch nicht Möglich diese unabhängig voneinander anzusteuern, dies kann sich aber noch in der nächsten Zeit ändern, je nach Programmierart des Mikrocontrollers lassen sich die Kathoden während der Fahrt nicht einschalten. Da wir uns bei der Elektronikbox für UV-aktives Plexiglas entschieden haben schimmert dieses bei eingeschalteten UV-Kathoden bläulich. Zudem sind 4 weitere Kathoden im Bereich der Brennstoffzelle angebracht. Werden die Kaltlichtkathoden in Betrieb genommen benötigen sie mit ca. 42 Watt nicht ganz 10%  der Brennstoffzellenleistung, daher kann es zu einer etwas geringeren Motorleistung kommen, wenn sowohl die Kathoden als auch der Laptop mit Strom
versorgt werden.

2.2 – Softwareentwicklungen

Durch die Verwendung von vielen elektronischen Modulen wird die analoge Datenauswertung sehr kompliziert. Also entschieden wir uns, diese Auswertung einen Mikrocontroller übernehmen zu lassen, dieser benötigt jedoch zur ordnungsgemäßen Funktion eine Programmierung, die entsprechende Software haben wir größtenteils mit BASCOM-AVR entwickelt. BASCOM-AVR übersetzt den Programmcode, der sich mittlerweile aus mehr als 2000 Zeilen zusammensetzt und von dem wir weit mehr, als 100 Versionen entwickelt haben, in den Controllereigenen Maschinencode. Dabei ähnelt die Programmiersprache dem Aufbau von Basic. Nach der Kompilierung in den Maschinencode kann dieser zum Beispiel über eine serielle Schnittstelle oder in Zukunft auch über eine Infra-Rot-Verbindung auf den Mikrocontroller vom Roller übertragen werden. Neben Ports für die digitalen Ein- oder Ausgänge besitzt der Controller unter anderem auch die Möglichkeit analoge Spannungen mit 10 bit Genauigkeit zu erfassen.

Des Weiteren sind Pulsweitenmodulatoren im Controller vorhanden, welche für die Ansteuerung des Antriebsmotors und des Kompressors verwendet werden. Dies vereinfacht auch die Auswertung der Daten und die Ansteuerung der Bauteile. Trotzdem mussten wir auf Port-Extender zurückgreifen, welche die Anzahl der Ein- und Ausgänge weiter erhöhten. Dies war auf Grund der hohen Anzahl von analogen und digitalen Ausgabegeräten sowie einer großen Anzahl von Sensoren nötig.

2.3 – Vorgehensweisen bei der Projekt-Entwicklung

Der Hybridbrennstoffzellenroller neu Tante Paula

Nach dem Jugend-Forscht-Wettbewerb 2006 haben wir zunächst die Elektronik ausgebaut und in ihre Bestandteile zerlegt. Nachdem der Versuch der Physik-AG den Roller zu einem 4-rädrigem Gefährt zu schweißen fehlgeschlagen ist entschieden wir uns zum Kauf eines hochwertigeren Elektro-Roller der Marke “Tante Paula“ und begannen einige Monate später mit der Neuentwicklung der Elektronik, die sich über mehrere Versionen mehrmals umfangreich änderte. Jede dieser Versionen wurde mit hohem Aufwand geätzt, gebohrt, gelötet und umfangreich auf Schwächen überprüft, die wir in späteren Versionen ausbesserten. Anfang bis Mitte 2007 begannen wir mit der Planung der optimalen Befestigungen für die Brennstoffzelle, solange wir jedoch noch nicht die Swagelok-Bauteile hatten war es nicht möglich eine der Befestigungen umzusetzen, da uns noch nicht der Platzbedarf der Pneumatik bekannt war. Es stand jedoch schon von Anfang an fest, dass die Brennstoffzelle in den Fußbereich kommen sollte, die Fußablage schnitten wir deshalb schon früh zurecht. Auch die Anbringung der Wasserstoffflasche haben wir zu Beginn des Projektes angefertigt. Nachdem wir die Swagelok-Bauteile zur Verfügung hatten haben wir die Befestigung für den Brennstoffzellenstack fertig gestellt. Dazu kam noch die Kürzung des Schutzbleches, an dem wir auch den Kompressor schraubten. Es folgten die Anbringung einiger Kleinteile, der Rückleuchte und deren Gehäuseherstellung sowie des Scheinwerfers vorne. Etwa zeitgleich mit der Elektronik-Box haben wir begonnen die erste Schaltung zu entwickeln, die unseren Anforderungen in den misten Aspekten entsprach, in absehbarer Zeit soll diese jedoch durch ein aktuelleres Modul ersetzt werden. Mit der Anbringung der Box begannen wir zudem mit einer Computergestützten 3d-Visualisierung des Projektes, neben der Brennstoffzelle sollen auch weitere Bestandteile des Rollers zur Veranschaulichung am Computer gefertigt werden.

2.4 – Modularer Aufbau der Baugruppen:

Unser Roller besteht im Wesentlichen aus mehreren von einander unabhängigen Baugruppen. Die Brennstoffzelle, die Magnetventile und die Pumpe befinden sich im Mittelteil des Fahrzeugs und sind mit nur wenigen Verbindungen an die Elektronik angeschlossen. Brennstoffzelle, Motor und die starkstromfähigen Akkus sind dabei mit Autosicherungen vor Strömen geschützt.


Die sich im Heck des Rollers in einer Box befindende Elektronik vereint alle Steuerkreise und begrenzt das Kabel-Chaos auf den hinteren Teil des Rollers.

Einzelne Komponenten, wie die Pumpe, die Lampen, das LCD-Display etc. können ohne viel Aufwand montiert oder demontiert werden.

Auch die Wasserstoffflasche ist leicht zugänglich gelagert und kann nach belieben ausgetauscht werden.

2.5 – Testdurchläufe

Der Hybrid-Brennstoffzellen-Roller Frontansicht

Um die Funktionsfähigkeit der Platinen zu garantieren, wurden mehrere Testdurchläufe mit Probeplatinen und schlussendlich auch mit den nun verwendeten Platinen durchgeführt. Sinn der Probeplatinen war das Testen von einzelnen Modulen auf Funktionsweise und das Verhalten während des Betriebs.

Zunächst haben wir dazu einen Pulsweitenmodulator auf einer Lochrasterplatine aufgebaut, der durch den Mikrocontroller gesteuert wurde, weiterhin übernahm diese Platine auch die Ansteuerung des Kompressors. Weitere Testplatinen waren zuständig für die Einschaltelektronik, die Spannungswandlung, zudem stellten wir eine Platine mit den erforderlichen Dioden her sowie eine Verteilerplatine, um die benötigten Spannungen an die Testplatinen zu verteilen.

Die Einschaltelektronik wurde auf den geringst möglichen Stromverbrauch und bestmöglichen Funktionsweise in Bezug auf den bereit vorhandenen Schalter getestet und optimiert. Die Spannungswandlerplatine diente zur optimalen Einstellung und Testung der Widerstände, welche für die Frequenz und die Ausgangsspannung verantwortlich sind.

Hier ist besonders das Modul zur Datenübertragung zu nennen, welches durch die schwierige Abstimmung von Sende- und Empfangsfrequenz immer wieder Probleme aufwarf.

Weiterhin wurde bei den letztendlich verwendeten Platinen Langzeitbelastungstests durchgeführt, um sicher zu gehen, dass deren Funktion auch unter größeren Belastungen fehlerfrei gewährleistet ist. Hier aufgetretene Probleme wurden analysiert, lokalisiert und behoben.

2.6 – Technische Probleme bei der Umsetzung des Projektes und deren Lösung

Auch dieses Jahr hatten wir während der Projektentwicklung mit mehreren Problemen zu kämpfen. Diese fingen an mit der Anbringung der Brennstoffzelle, was sich durch den geringen Platz im Fußbereich zunächst als sehr schwierig erwiesen hat. Mit der Befestigung über 4 Schwingelemente und dafür zugeschnittene Aluminiumprofile konnten wir dieses Problem später lösen. Zudem hatten wir einige Schwierigkeiten mit dem Druckminderer, durch beschädigte Dichtungen trat hier Wasserstoff aus, später ist dieser durch ein beschädigtes Gewinde im Innenleben unbrauchbar geworden, daher mussten wir uns kurzfristig um einen Ersatz bemühen. Derzeit bemühen wir uns um die Anschaffung eines elektronisch geregelten Druckminderers, deren Kosten sind jedoch beträchtlich und konnten bisher noch nicht von unserem Budget gedeckt werden, auch benötigen wir umfangreichere Kenntnisse zu dem Wasserstoffspeicher, dessen Hersteller uns unbekannt ist. Zahlreiche Probleme traten überwiegend bei der Elektronik auf, diese konnten jedoch größtenteils gelöst werden. Einige der Investitionen in diesem Bereich haben leider auch als Fehlschlag erwiesen, da einige der Bauteile nicht für unsere Zwecke geeignet waren, zu nennen wäre hier eine der (mittlerweile verworfenen) Platinen, die gekühlt werden mussten. Der Kontakt zu den Kühlkörpern war für einige der Bauteile jedoch nicht ausreichend. Weiterhin sind Teile der Vorder-/Rückleuchte mehrfach durch mechanische elastungen unbrauchbar geworden.

3. – Ergebnisse und Weiterentwicklungen

3.1 – Anbringung der Module

Letztendlich  haben wir die Elektronik-Box auf dem „Gepäckträger“ des Rollers angebracht, die kühlungsbedürftigen Bauteile (darunter hauptsächlich Leistungsdioden, Transistoren und ICs) sind über mehr als 80 Drähte mit den Platinen verbunden und werden an einer 4mm dicken Aluminiumplatte gekühlt, die gleichzeitig auch der Boden der Box ist. Für eine Luftzirkulation sorgen zwei 6cm-Lüfter am hinteren Bereich der Box. Die Luft gelangt durch ein Loch in der Aluminiumplatte ins innere der Box. Für einen unkomplizierten Zugriff auf die Elektronik befinden sich zwei Scharniere, wie sie in Schranktüren verwendet werden an der Vorderseite der Box, mit denen sich der Deckel unkompliziert öffnen und schließen lässt. Die Brennstoffzelle ist wie in 2.1.2.4 dargestellt im Fußbereich angebracht und durch Schwingelemente entkoppelt. Rechts unterhalb der Fußablage ist der Metallhydrid-Wasserstoff-Speicher über Rohrschellen befestigt, die sich unkompliziert lösen lassen, wodurch sich der Speicher leicht austauschen lässt. Während eines Sturzes ist dieser zudem gut geschützt, da die Fußablage vorgelagert ist, somit ist die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Flasche auf ein Minimum reduziert.  Der Druckminderer ist mit Kabelbindern oberhalb des Elektromotors befestig, dadurch hat dieser einen leichten Spielraum. Die Hochleistungsakkus haben wir vor wenigen Wochen unterhalb der Lenkstange angebracht.

Letztendlich sind die Arbeiten an diesem Projekt wesentlich umfangreicher geworden, als dies vor zwei Jahren der Fall war. Dies ist insbesondere auf die Arbeiten an der Elektronik und an der Softwareentwicklung, als auch auf die stark optimierten Befestigungen der Komponenten zurückzuführen.


3.2 – Entwicklungen zur Optimierung des Wirkungsgrades

Ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung war eine fortschreitende Optimierung des Wirkungsgrades, die letztendlich auch den Wasserstoffverbrauch reduziert. Diese fand bereits bei der Wahl des Rollers statt, so ist der Antrieb ähnlich wie bei einem Fahrrad vom Hinterrad während des Rollens getrennt, dadurch wird ein geringer Rollwiderstand ermöglicht, dies bringt leider auch den Nachteil mit sich, dass der Motor beim Bremsvorgang nicht zur Energierückgewinnung genutzt werden kann, wie es bei einigen der heutigen Hybridfahrzeugen bereits möglich ist.

Weitere Steigerungen des Wirkungsgrades konnten wir insbesondere bei der Elektronik erzielen, wie bereits in Abschnitt 2.1.2.6 beschrieben wurde. Die sorgfältige Auswahl von Bauteilen ermöglicht dabei eine Senkung der Stromaufnahme der gesamten Elektronik einhergehend mit einer größeren Funktionsvielfalt, als dies vor 2 Jahren der Fall war. Durch die Programmierbarkeit des Mikrocontrollers lassen sich zudem Komponenten, wie Pumpe und Elektromotor und Brennstoffzelle genau aufeinander abstimmen. Da die Brennstoffzelle ihren besten Wirkungsgrad bei ca. 55°C-60°C aufweist wird die Temperatur permanent gemessen und kann durch eine regelbare Lüfteransteuerung in diesem Bereich gehalten werden.

3.3 – Ansätze und Ideen zur Weiterentwicklung

In den nächsten Wochen wollen wir zusätzliche Features in die Elektronik einbringen, darunter eine Blinkeransteuerung, ein Modul zur Messung und Auswertung der Geschwindigkeit. Zudem hoffen wir eine geeignete Lösung für die Vorder- bzw. Rückleuchte zu finden. In der darauf folgenden Entwicklung werden wir das Display-Menü des Rollers an einigen Stellen überarbeiten und das Infra-Rot Sende-/Empfangsmodul integrieren. Sollte es unser Budget erlauben wird in Zukunft möglicherweise auch der Druckminderer durch ein digital ansteuerbares/auslesbares Gerät ersetzt, danach werden wir uns um eine Fahrerlaubnis für den regulären Straßenverkehr bemühen. Abschließend hoffen wir auf eine Zusammenarbeit mit der Industrie, um die Entwicklung nutzbar machen zu können.

3.4 – Unterschiede zu dem Jugend-Forscht-Projekt 2006:

Im Vergleich zu unserem Brennstoffzellenroller aus 2006 hat sich nun einiges geändert: Bis auf die Brennstoffzelle, die Pumpe und die Wasserstoffflasche verwenden wir keine Teile des alten Rollers mehr. Bei diesem haben wir uns nun für ein Modell des Herstellers „Tante Paula“ entschieden. Die Brennstoffzelle ist durch Schwingelemente entkoppelt gelagert und somit stoßunempfindlicher geworden. Auch die Elektronik wurde grundlegend neu entwickelt, zu nennen wäre hier nochmals die C-Control II Station, die durch einen wesentlich leistungsfähigeren Mikrochip überflüssig geworden ist, wodurch sich auch die Handhabung verbessert hat. Informationen und Gerätedaten können nun am Display vorne angezeigt werden, während ein Teil der Einstellungen mit wenigen Handgriffen geändert werden kann, eine Verunsicherung des Benutzers durch überflüssige Bedienelemente entfällt somit. Zudem hat sich der Schwerpunkt des Rollers an eine bessere Position verlagert, früher lag dieser wesentlich höher und weiter hinten.

 Umbau eines Rollers Konzept1

Ende 2005 sahen wir für die Komponenten eine Unterbringung in diesen Boxen vor

 

Umbau eines Rollers auf Brennstoffzellenbetrieb Jugend-forscht Düsseldorf 2006

Dieses Bild zeigt den ersten Roller, den wir 2006 bei Jugend-Forscht vorstellten.

 

Regionalwettbewerb 2008 Düsseldorf Technik der Hybridbrennstoffzellenroller Jugend-forscht Platz 1 (im Bild Mats Marcus)

Hier ist der aktuelle Zustand des neuen Rollers zu sehen

 

4. – Diskussionen

4.1 – Weitere zukünftige Verwendungsmöglichkeiten dieser Entwicklung

Nach Jugend-Forscht wollen wir uns mit der Industrie erneut in Verbindung setzen, dies werden zunächst 3M und das ZBT sein, mit denen das Helmholtz-Gymnasium schon seit mehren Jahren zusammengearbeitet hat. Da Tobias Bach zuletzt eine Facharbeit zum Thema Brennstoffzellen anfertigte und bereits ein Praktikum im Brennstoffzellenbereich bei 3M gemacht hat können wir uns gut vorstellen, dass wir einige Kenntnisse und Erfahrungen mit der Industrie austauschen können.


4.2 – Vor und Nachteile der verwendeten Technik

Nachteile der Brennstoffzelle:
Die Nachteile der Brennstoffzelle liegen heutzutage hauptsächlich bei den hohen Kosten, die vor allem durch Katalysatoren sowie durch besondere Elektrolyte und Membrane hervorgerufen werden. Zudem ist die Herstellung des benötigten Wasserstoffs noch deutlich teuerer als es bei der vom Energiegehalt  entsprechenden Menge an Benzin der Fall ist, dies wird sich jedoch bei einem größeren Einsatz von Bennstoffzellen ändern. Weiterhin hat eine Brennstoffzelle im Miniaturbereich noch nicht den gleichen Wirkungsgrad, wie ein größeres Modell, dies wird sich jedoch vermutlich bald ändern. Problematisch ist unter anderem auch die Aufbewahrung von Wasserstoff, da dieser durch seinen geringen Atomdurchmesser durch Oberflächen diffundieren kann und durch seine geringe Dichte unter Druck gespeichert werden muss, Behältnisse mit Kunststoffwänden sind daher ungeeignet. Kleinere Gasflaschen weisen jedoch durch ihre dicke Ummantelung ein im Verhältnis zum Energiegehalt hohes Gewicht auf. Ein weiterer Nachteil der Brennstoffzelle liegt in der relativ hohen Empfindlichkeit bei Erschütterungen, wie bei vielen hochtechnischen Geräten. Bei einem stärkeren Aufprall auf den Boden können dann mehrere Zellen beschädigt werden oder ganz aussetzen. Die weiteren Nachteile einer PEM-Brennstoffzelle sind, dass sie sehr empfindlich gegen Verschmutzungen durch CO, NH3 und Schwefelverbindungen im Brenngas ist.

Vorteile der Brennstoffzelle:
Eine Brennstoffzelle ist geräuschlos und absolut vibrationsfrei und wird durch die hohe Verlässlichkeit bereits erfolgreich im Weltraum verwendet. Das Endprodukt ist schadstofffrei es entstehen keinerlei Treibhausgase und dem Ozonabbau wird entgegengewirkt. Die Effektivität einer Brennstoffzelle ist nahezu unübertrefflich und sie wäre in einem Haushalt bei gerechter Handhabung keine Gefahrenquelle, da unter anderem die Knallgasreaktion kontrollierter als die Reaktion mit Benzin und Sauerstoff in Benzinmotoren abläuft. Da sich ein Stack aus vielen Einzelzellen zusammensetzt kann man selbst bei einem Ausfall einiger Einzelzellen den Stack mit geringen Einschränkungen weiterverwenden. Durch den modulartigen Aufbau stellt der Austausch oder die Erweiterung einer Einzelzelle keinen großen Aufwand dar, ein Benzinmotor kann hingegen nicht „erweitert“ werden.


Auf Basis der PEM-Technologie ergeben sich weitere Vorteile:
Der feste Elektrolyt beinhaltet keine aggressiven Flüssigkeiten die auslaufen könnten. Auf der Kathodenseite kann Luft verwendet werden, da der Elektrolyt CO2-beständig ist, daher wird kein Reingas benötigt. Weiterhin eignen sich Brennstoffzellen für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff kann sich bei mobilen Anwendungen als nützlich erweisen, bei denen sich die Nutzung von Wind oder Wasserenergie als äußerst schwierig darstellen würde, auch sollte hinterfragt werden, ob in absehbarer Zeit günstige leichtere und leistungsfähigere Akkus in Fahrzeugen zum Einsatz kommen können. Auch in Gebäuden könnte diese Technologie schon bald Verwendung finden. Der Anwender wäre nicht mehr direkt von den Energieversorgern abhängig, sofern er Anwender seinen Strom aus Solar oder Windanlagen vor Ort bezieht und überschüssige Energie in Form von Wasserstoff in entsprechenden Behältnissen speichert. Wasserstoff wiegt deutlich weniger, als die dem Energiegehalt entsprechende Menge an Benzin und benötigt in Hydrid Speichern auch weniger Platz als dieses. Es sollte zudem nicht unterschätzt werden, dass die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern bei durch die von uns verwendeten PEM-Brennstoffzellen erheblich reduziert werden kann, zur Vermeidung von CO2-Emissionen stellen diese eine sinnvolle Alternative zu Verbrennungsmotoren dar.

Vorteile des Hydrid Speichers
Der Hauptvorteil des Hydridspeichers liegt in der deutlich größeren Menge die an Wasserstoff, die bei gleichem Druck und gleichem Volumen im Vergleich zu einer normalen Druckflasche gespeichert werden kann in einem Hydridspeicher sind die einzelnen Wasserstoffatome bei einem Druck von 16 Bar durch die Bindung an die Hydridteilchen näher zusammen, als im flüssigen Zustand. Ein Vorteil besteht bei der Sicherheit, da kein hoher Speicherdruck erforderlich ist. Ein Hydridspeicher ist äußerst stabil, bei der Abgabe von Wasserstoff wird Wärmeenergie benötigt, dadurch kann selbst bei einer stärkeren Beschädigung des Hydridspeichers nur ein Bruchteil des enthaltenen Wasserstoffs abgegeben werden.

Nachteile des Hydrid Speichers
Die Nachteile des Hydridspeichers liegen vor allem im Preis und an der langen Füllungsdauer. Die enthaltenen Metallbindungen sind unter anderem Schwermetalle, die bei unsachgemäßer Entsorgung ein gewisses Risiko für die Umwelt darstellen. Ein anderer Nachteil des Hydridspeichers ist die hohe Masse durch die massive Metallfüllung.


5. – Quellenverzeichnis

http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle
www.zbt-duisburg.de
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffspeicherung
http://de.wikipedia.org/wiki/Metallhydridspeicher
http://www.graphite.de/pdf/polymer.pdf
http://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsgrad
http://www.pbueche.de/wissen/bkfh/akku.pdf
http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/brennstoffzelle/brennstoffzelle.htm#4
http://www.mariengymnasium-jever.de/alternative-energien/brenn10b/vorteile.html

Sowie insbesondere die Jugend-Forscht-Arbeit „Umbau eines Elektrorollers auf Brennstoffzellenbetrieb“

von Tobias Bach ; Fabian Preiß und Thomas Dietz, auf die wir des Öfteren zurückgegriffen haben.
Sämtliche hier verwendeten Grafiken und Fotos sind durch uns erstellt worden.

Weitere Aufnahmen entnehmen sie bitte der Bildergallerie.



6. – Danksagung

An dieser Stelle möchten wir uns noch einmal bei einigen Personen für ihre tatkräftige Unterstützung Bedanken. Unser Dank gilt in erster Linie unserem engagierten  Lehrer Herr Dr.Pleschinger, der auch während der Ferien regelmäßig die Zeit gefunden hat uns im Technik-Raum des Helmholtz-Gymnasiums zur Verfügung zu stehen.Ein weiterer Dank geht an die Stadt Hilden und die Firma 3M, die uns die nicht geringen finanziellen Mittel zur Verfügung gestellt haben.Ohne diese Unterstützung wäre das Projekt für uns nie möglich gewesen.

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