German National Library of Science and Technology
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Abschlussbericht
Get PDFViele Forschungsarbeiten an Brennstoffzellensystemen fokussieren sich auf Zellchemie und Stackaufbau zur Steigerung von Leistung und Effizienz. Ziel des Projektes OptiKath ist die Demonstration leistungsdichter, kompakter Brennstoffzellensysteme für unterschiedliche Anwendungen. Im Fokus steht die Optimierung des Kathodenpfads eines Hochleistungs-Brennstoffzellensystems zur Erhöhung der volumetrischen Leistungsdichte und Effizienz gegenüber kommerziellen Systemen. Dies soll durch eine gezielte Optimierung des Kathodenluftsystems hinsichtlich Druck und Feuchte erreicht werden.
Es sollen systematisch verschiedene Befeuchtungskonzepte bewertet werden, auf deren Basis ein ganzheitliches Wassermanagementsystem aufgebaut und getestet wird. Eine begleitende 1D-Simulation unterstützt die Systemauslegung und liefert realitätsnahe Lastzyklen. Ein Gesamtsystemdemonstrator wird aufgebaut und erprobt. Zur Bewertung der Leistungsdichtesteigerung wird das System mittels CAD in ein Fahrzeug integriert. Ziel des Projektes OptiKath ist die Erschließung neuer Anwendungsfelder für Brennstoffzellentechnologien mit hohen Anforderungen an Leistungsdichte und Bauraum mit folgendem Focus:
- Steigerung der Leistungsdichte von mobilen Proton-Exchange-Membrane (PEM) Brennstoffzellensystemen
- Vereinfachte Integration in Fahrzeugbauräume durch Entkoppelung der notwendigen Komponenten im Kathodenpfad vom Brennstoffzellen-Stack
- Erweiterung des Baukastens für Kathodenpfad-Topologien durch detaillierte Untersuchung alternativer Konzepte für Befeuchtung und Ladeluft-Kühlung
- Optimierung der Methodik zur Feuchtemessung im Bereich der Sättigung bei über 80 °C Umgebungstemperatur
- Erweiterung des Prüfangebotes im Bereich Kathodenpfad und Wassermanagement
- Kompetenzaufbau bei CFD- und 1D-Simulationen von Mehrphasenströmungen
- Aufbau der Kompetenz und der Prüfstandsumgebung für Brennstoffzellen-Entwicklungsprüfstände von Heavy-Duty und High-Performance-AnwendungenMuch research into fuel cell systems focuses on cell chemistry and stack design to increase performance and efficiency. The aim of the OptiKath project is to demonstrate high power density, compact hydrogen fuel cell systems for various applications. The focus is on optimizing the cathode path of a high-performance fuel cell system to increase volumetric power density and efficiency compared to commercial systems. This is to be achieved by specifically optimizing the cathode air system in terms of pressure and humidity.
Various humidification concepts are to be systematically evaluated, on the basis of which a holistic water management system will be developed and tested. An accompanying 1D simulation supports the system design and provides realistic load cycles. An overall system demonstrator will be set up and tested. To evaluate the increase in power density, the system will be integrated into a vehicle using CAD. The goal of the OptiKath project is to open up new fields of application for fuel cell technologies with high requirements in terms of power density and installation space, with the following focus:
- Increasing the power density of mobile proton exchange membrane (PEM) fuel cell systems
- Simplified integration into vehicle installation spaces by decoupling the necessary components in the cathode path from the fuel cell stack
- Expanding the modular system for cathode path topologies by conducting a detailed investigation of alternative concepts for humidification and charge air cooling
- Optimizing the methodology for measuring humidity in the saturation range at ambient temperatures above 80 °C
- Expanding the range of tests offered in the area of cathode path and water management
- Building expertise in CFD and 1D simulations of multiphase flows
- Building expertise and test bench environment for fuel cell development test benches for heavy-duty and high-performance application
Schlussbericht zum Teilvorhaben: Mobile Roboterplattform für die Stadtreinigung; Gesamtvorhaben rokit - Roboter Kompetenz- und Interaktionstestcluster
Get PDFFinal report on the joint project: Establishing, expanding, and anchoring consortium open access solutions. KOALA-AV; Subproject: Assess acquisition needs, build community, and raise awareness of consortium offers
No full textKonsortiale Modelle ermöglichen APC-freie Open-Access-Angebote ("Diamond Open-Access") und dienen damit der nachhaltigen Verankerung wissenschaftsfreundlicher Alternativen zum kostenpflichtigen Publizieren im Sinne einer lebendigen Open-Access-Kultur. Anschließend an das BMBF-Projekt KOALA, im Rahmen dessen ein Modell konsortialer Open-Access-Finanzierung entwickelt wurde, widmete sich das BMFTR-geförderte Projekt KOALA-AV dem Ziel, die Bekanntheit und Sichtbarkeit von Open-Access-Finanzierungskonsortien in Deutschland und international zu steigern und diese an unterschiedlichen Einrichtungen und in verschiedenen Fachdisziplinen breiter zu verankern. Mit den erzielten Projektergebnissen leistet KOALA-AV einen zentralen Beitrag zum weiteren Ausbau und zur Verankerung konsortialer Modelle im Gesamtzusammenhang einer gelebten Open-Access-Kultur in Deutschland
Projektabschlussbericht INGRAIN-TechEnt
Get PDFDer Unterglasanbau von Tomaten (Solanum lycopersicum) ist durch hochintensive Produktionssysteme gekennzeichnet, in denen das Kultursubstrat maßgeblich Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, Wurzelbelüftung, Pflanzengesundheit und Ertrag beeinflusst. Vor dem Hintergrund ökologischer Herausforderungen und der Reduktion torf- sowie mineralwollebasierter Substrate untersuchte das Projekt "TechEnt" die Eignung textilbasierter, zellulose- und PLA-basierter Ersatzsubstrate für hydroponische Anbausysteme in Sonderkulturen. Ziel war die Entwicklung und Bewertung nachhaltiger Alternativen unter Berücksichtigung pflanzenbaulicher und physiko-chemischer Anforderungen.
Auf Basis eines anwendungsorientierten Anforderungskatalogs, orientiert an etablierten Kennwerten für Tomatenwachstumssubstrate (u. a. Gesamtporenvolumen 75–>85 Vol.-%, Luftkapazität 10–30 Vol.-%, Rohdichte <0,4 g cm⁻³, leicht verfügbares Wasser 20–30 Vol.-%), wurden alternative Substratsysteme in sieben Arbeitspaketen entwickelt und evaluiert. Das Versuchsdesign umfasste sechs Keimversuche, zwei praxisnahe Kulturversuche (2024: Zellulosepulpe; 2025: PLA-basiertes Substrat) sowie HYPROP-Messungen zur Analyse des Wasserretentionsverhaltens.
Die Ergebnisse zeigen signifikant reduzierte Keimraten, Biomassebildung und Erträge in allen getesteten Ersatzsubstraten gegenüber den Referenzsystemen Torf und Mineralwolle. Im Kulturversuch 2024 erreichte das Zellulosesubstrat lediglich rund 50 % des Ertrags von Mineralwolle bzw. Torf. Auch das PLA-basierte Substrat blieb deutlich unter den Vergleichswerten (Faktor 1,48–1,86 gegenüber Referenzen). Ursachen waren insbesondere eine hohe Wasserbindung unterhalb des permanenten Welkepunktes mit daraus resultierenden anoxischen Bedingungen sowie eine ausgeprägte mikrobiologische Zersetzung zellulosischer Bestandteile.
Die Nachhaltigkeitsanalyse ergab, dass Substrate auf Basis von aufgereinigter Zellulose aufgrund des hohen Energie- und Chemikalieneinsatzes in der Aufbereitung nur ein marginal geringeres Global Warming Potential (GWP) als Perlite aufweisen und teilweise ungünstiger als Mineralwolle abschneiden. Unter Berücksichtigung der Mehrfachverwendbarkeit anorganischer Substrate und zusätzlicher Transportaufwände relativieren sich potenzielle Nachhaltigkeitsvorteile weiter. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die untersuchten textilbasierten Ersatzsubstrate derzeit weder agronomisch noch ökologisch konkurrenzfähig sind und weiterer Optimierungsbedarf hinsichtlich Materialstabilität, Wasserhaushalt und regionaler Wertschöpfung besteht
Schlussbericht - zur Navigation für Blinde und Sehbehinderte am Beispiel des Shared Guide Dog 4.0
No full textDas Projektziel ist es, den Gehweg für selbstfahrende kleine Fahrzeuge nutzbar zu machen, indem wir verschiedene Datenquellen des mFUNDs kombinieren und erweitern. Wir möchten einen Datensatz erstellen, mit dem die Fahrzeuge den Gehweg sicher navigieren können. Dazu nutzen wir eine Teststrecke und überprüfen den Erfolg anhand eines Assistenzsystems für Blinde und Sehbehinderte namens Shared Guide Dog 4.0.
Das autonome Fahren auf der spurgeführten Straße ist auf den Weg gebracht, aber für die autonome Navigation auf Gehwegen gibt es noch viele Hindernisse. Dazu gehören Schlaglöcher, Unebenheiten, Pfützen, Hindernisse wie Poller und Mülltonnen sowie umgefallene E-Scooter. All diese Dinge machen es schwierig für Fahrzeuge, sich autonom auf Gehwegen zu bewegen.
Die wichtigste Frage ist, wie wir vorhandene Daten über Gehwege und Hindernisse wie Poller, Briefkästen und Verkehrsschilder effizient zusammenführen können, um daraus einen navigierbaren Datensatz zu machen, den alle nutzen können. Aktuell fehlt es an solch einer nutzbaren Kombination der Daten. Die nächste Frage betrifft die Möglichkeit, dass Menschen und technische Assistenzsysteme wie der Shared Guide Dog 4.0 und Lieferroboter kontinuierlich Daten über Veränderungen auf Gehwegen erfassen und aktualisieren. So können beispielsweise Baustellen oder temporäre Hindernisse berücksichtigt werden, um Routenplanungen zu verbessern und Hindernisse zu umgehen
Über gekoppelte Dipolmethoden, die Rolle von Vakuumsfluktuationen in Wärmeflussfluktuationen und Fluktuationen der Strahlungskraft für beliebige Objekte und Umgebungen außerhalb des Gleichgewichts
Get PDFThe project focuses on the simulation of thermal radiation absorption by macroscopic objects of arbitrary geometry situated above a substrate. The object is divided into small volume units, called voxels, whose radiation behavior is approximated using the Discrete Dipole Approximation (DDA). The superposition of the signals from all dipoles allows for arbitrarily close approximation to the exact signal, with an increase in voxels leading to greater accuracy. The model developed during my PhD was extended to incorporate temperature profiles onto the approximated object and enable the use of non-reciprocal materials. Non-reciprocal materials violate time-reversal symmetry, meaning that the heat exchange between two objects, when their initial temperatures are swapped, is not simply the reversal of the heat flow.
Within the project, the dissipated thermal radiation within an object above a substrate in a vacuum was tomographically mapped. This visualized the complex many-body interactions inside the object, which can be used to identify hotspots on disks or to find a more accurate approximation for a cantilever tip (relevant for thermal microscopy experiments).
To achieve a desired distribution of the directed energy flux (Poynting vector) through a temperature distribution, a reverse-engineering procedure was developed for small temperature fluctuations. This method yields a temperature distribution that allows for particularly sharply directed or preferentially oriented thermal radiation, which is otherwise only achievable through special geometries or materials due to the inherent incoherence of thermal radiation.
To minimize the influence of heat conduction relative to thermal radiation within the object, nanoparticles were arranged as a chain within an aerogel. Aerogels are extremely porous (up to 99% air) and are poor heat conductors. A chain made of Aluminum Nitride (AlN) showed a significant deviation from the usually observed linear temperature profile characteristic of heat conduction.
Non-reciprocal materials can be used for directed heat current due to the breaking of time-reversal symmetry, enabling a thermal analog to the electrical Hall effect. This results in an additional heat flow perpendicular to an initially applied temperature gradient, even if the particles experiencing this additional flow are equidistant from the hotter and cooler sources. In magneto-optical materials, a perpendicularly applied magnetic field causes the free outer electrons to experience a Lorentz force and follow a circular motion.
This creates a preferred direction for the thermal radiation. Currently within the return scholarship, in collaboration with a US experimental group, such a setup consisting of four magneto-optical disks is being simulated to model the expected measurement result.Das Projekt befasst sich mit der Simulation der Absorption von Wärmestrahlung durch makroskopische Objekte beliebiger Geometrie oberhalb eines Substrats. Das Objekt wird in kleine Volumeneinheiten, Voxel, unterteilt, deren Strahlungsverhalten mithilfe der Diskreten Dipolapproximation (DDA) genähert wird. Die Überlagerung der Signale aller Dipole ermöglicht eine beliebige Annäherung an das exakte Signal, wobei mehr Voxel die Genauigkeit erhöhen. Das in meiner Doktorarbeit entwickelte Modell wurde erweitert, um Temperaturverläufe an das genäherte Objekt anzulegen und die Verwendung von nicht-reziproken Materialien zu ermöglichen. Nicht-reziproke Materialien verletzen die Zeitumkehrsymmetrie, was bedeutet, dass
der Wärmeaustausch zwischen zwei Objekten bei vertauschten Ausgangstemperaturen nicht einfach der Umkehrung des Wärmeflusses entspricht.
Im Projekt wurde die dissipierte Wärmestrahlung in einem Objekt über einem Substrat im Vakuum tomographisch kartografiert. Dies visualisierte die komplexen Vielkörperwechselwirkungen innerhalb des Objekts, was zur Identifizierung von Hotspots in Scheiben oder einer genaueren Näherung für eine Kantilever-Spitze (relevant für Wärme-Mikroskopie-Experimente) genutzt werden kann.
Um eine gewünschte Verteilung des gerichteten Energieflusses (Poynting-Vektor) durch eine Temperaturverteilung zu erzielen, wurde ein Reverse-Engineering-Verfahren für kleine Temperaturschwankungen entwickelt. Dieses Verfahren liefert eine Temperaturverteilung, die besonders scharf gerichtete oder vorzugsrichtungsbehaftete Wärmestrahlung ermöglicht, was aufgrund der inhärenten Inkohärenz der Wärmestrahlung sonst nur durch besondere Geometrien oder Materialien erreichbar ist.
Um den Einfluss der Wärmeleitung gegenüber der Wärmestrahlung innerhalb eines Objekts zu minimieren, wurden Nanoteilchen als Kette in einem Aerogel angeordnet. Aerogele sind extrem porös (bis zu 99% Luft) und leiten Wärme schlecht. Eine Kette aus Aluminiumnitrid (AlN) zeigte eine signifikante Abweichung vom üblicherweise beobachteten linearen Temperaturprofil der Wärmeleitung.
Nicht-reziproke Materialien können aufgrund des Bruchs der Zeitumkehrsymmetrie für gerichteten Wärmestrom eingesetzt werden, was ein thermisches Analogon zum elektrischen Hall-Effekt ermöglicht. Dabei entsteht ein zusätzlicher Wärmefluss senkrecht zu einem initialen Temperaturgradienten, selbst wenn die Teilchen, die diesen zusätzlichen Fluss erfahren, denselben Abstand zu den heißeren und kühleren Quellen haben. Bei magnetooptischen Materialien führt ein senkrecht angelegtes Magnetfeld dazu, dass die freien Außenelektronen eine Lorentzkraft erfahren und einer zirkulären Bewegung folgen. Dies erzeugt eine Vorzugsrichtung für die Wärmestrahlung. Im Rahmen des Rückkehrstipendiums wird aktuell in Zusammenarbeit mit einer US-amerikanischen experimentellen Gruppe ein solches Setup aus vier magnetooptischen Scheiben simuliert, um das erwartete Messergebnis zu modellieren
Sachbericht zum Verwendungsnachweis
Get PDFIm Projekt SICURA wurde an der Technischen Hochschule Ulm eine mobile Multisensor-Fahrradplattform entwickelt, um den Zustand von Radverkehrsinfrastruktur sowie sicherheitsrelevante Situationen im Umfeld objektiv zu erfassen. Die Plattform kombiniert optische Tiefenerfassung und inertiale Messdaten zur Detektion von Fahrbahnunebenheiten mit distanzbasierter Umfelderfassung zur Quantifizierung von Risiken wie Überholabständen und infrastrukturellen Engstellen. Alle Ereignisse werden georeferenziert und zeitlich synchronisiert, sodass Auffälligkeiten eindeutig verortet und im Kontext bewertet werden können. Die Funktionalität und Robustheit des Systems wurde in einer mehrtägigen Feldkampagne über rund 400 km zwischen Passau und Wien unter unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen und realen Verkehrsszenarien erfolgreich validiert (TRL 7). Die Ergebnisse zeigen das Potenzial des Ansatzes, Kommunen und Planungsstellen mit belastbaren Messdaten bei der Priorisierung von Instandhaltungsmaßnahmen und der Verbesserung der Verkehrssicherheit im Radverkehr zu unterstützen