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An automated pipeline for comprehensive calculation of intermolecular interaction energies based on molecular force-fields using the Tinker molecular modelling package is presented. Starting with non-optimized chemically intuitive monomer structures, the pipeline allows the approximation of global minimum energy monomers and dimers, configuration sampling for various monomer-monomer distances, estimation of coordination numbers by molecular dynamics simulations, and the evaluation of differential pair interaction energies. The latter are used to derive Flory-Huggins parameters and isotropic particle-particle repulsions for Dissipative Particle Dynamics (DPD). The computational results for force fields MM3, MMFF94, OPLSAA and AMOEBA09 are analyzed with Density Functional Theory (DFT) calculations and DPD simulations for a mixture of the non-ionic polyoxyethylene alkyl ether surfactant C10E4 with water to demonstrate the usefulness of the approach.
A Robust Interface for Head Motion based Control of a Robot Arm using MARG and Visual Sensors
(2018)
Head-controlled human machine interfaces have gained popularity over the past years, especially in the restoration of the autonomy of severely disabled people, like tetraplegics. These interfaces need to be reliable and robust regarding the environmental conditions to guarantee safety of the user and enable a direct interaction between a human and a machine. This paper presents a hybrid MARG and visual sensor system for head orientation estimation which is in this case used to teleoperate a robotic arm. The system contains a Magnetic Angular Rate Gravity (MARG)-sensor and a Tobii eye tracker 4C. A MARG sensor consists of tri-axis accelerometer, gyroscope as well as a magnetometer which enable a complete measurement of orientation relative to the direction of gravity and magnetic field of the earth. The tri-axis magnetometer is sensitive to external magnetic fields which result in incorrect orientation estimation from the sensor fusion process. In this work the Tobii eye tracker 4C is used to increase head orientation estimation because it also features head tracking even though it is commonly used for eye tracking. This type of visual sensor does not suffer magnetic drift. However, it computes orientation data only, if a user is detectable. Within this work a state machine is presented which enables data fusion of the MARG and visual sensor to improve orientation estimation. The fusion of the orientation data of MARG and visual sensors enables a robust interface, which is immune against external magnetic fields. Therefore, it increases the safety of the human machine interaction.
Studiengänge der Medieninformatik variieren in ihren Schwerpunkten ebenso wie in den Berufsbildern, auf die sie vorbereiten. Ein vereinendes Curriculum als Basis für alle Studiengänge ist in Anbetracht der Datenlage ein großes Unterfangen. Als einen ersten Schritt in diese Richtung geht die Fachgruppe Medieninformatik in ihrem diesjährigen Workshop der Frage nach, welche Kernkompetenzen Medieninformatiker*innen im Rahmen ihres Studiums erlangen sollten. Der Beitrag stellt den aktuellen Zwischenstand der Diskussion in der Fachgruppe Medieninformatik und im Arbeitskreises Curriculum dar und soll den Weg zu einer spezifischen Empfehlung für Medieninformatik-Studiengänge vorbereiten und dokumentieren, für die MI-Community, aber auch für alle anderen, die an der Medieninformatik interessiert sind.
In this experimental work we present a novel electrolyzer system for the production of hydrogen and oxygen at high pressure levels without an additional mechanical compressor. Due to its control strategies, the operation conditions for this electrolyzer can be kept optimal for each load situation of the system. Furthermore, the novel system design allows for dynamic long-term operation as well as for easy maintainability. Therefore, the device meets the requirements for prospective power-to-gas applications, especially, in order to store excess energy from renewable sources. A laboratory scale device has been developed and high-pressure operation was validated. We also studied the long-term stability of the system by applying dynamic load cycles with load changes every 30 sec. After 80 h of operation the used membrane electrode assembly (MEA) was investigated by means of SEM, EDX and XRD analysis.
Performance enhancing study for large scale PEM electrolyzer cells based on hydraulic compression
(2017)
A compact and efficient PEM electrolyser stack design based on hydraulic single cell compression
(2019)
Purpose
Although courage has generally been understood as a powerful virtue, research to establish it as a psychological construct is in its infancy. We examined courage in organizations against the backdrop of positive psychology with a design in the Grounded Theory tradition that connects Positive Organizational Behavior and Positive Organizational Scholarship.
Method
The sample consists of organizations that define courage in their mission statement and organizations without such a definition. It includes employees and executives, exploring workplace courage on the macro as well as the micro level. Eleven organizations and 23 participants contributed to the interview study.
Results
Applying Glaser's theoretical coding, specifically the C-family, we propose that courage arises from a decisional conflict in three major domains: the self, social interaction, and performance. It is located on a continuum between apathy and foolhardiness and can take on reactive, proactive, or autonomous forms. Whether and to what extent courage manifests, is a dynamic process contingent upon organizational structure, culture, and communication climate as well as individual cognitiveaffective personality systems.
Limitations
The model depicts the complexity of the phenomenon, rather than details of its individual components. It goes beyond pre-defined categories and prevailing definitions.
Implications
Modern organizations are characterized by volatility, uncertainty, complexity, and ambiguity (VUCA).
Courage is crucial in such an environment and can be systematically fostered across the whole human
resource management cycle.
Value
The study advances theory building on courage in the workplace and highlights its potential to be
measured, developed and managed for more effective work performance.
Improved Plasma Membrane Models as Test Systems for the Membrane
Disrupting Activity of Kalata B1
(2017)
Steps Towards an Open All-in-one Rich-Client Environment for Particle-Based Mesoscopic Simulation
(2018)
Web advertisements are the primary financial source for many online services, but also for cybercriminals. Successful ad campaigns rely on good online profiles of their potential customers. The financial potentials of displaying ads have led to the rise of malware that injects or replaces ads on websites, in particular, so-called adware. This development leads to always further optimized and customized advertising. For these customization's, various tracking methods are used. However, only sparse work has gone into privacy issues emerging from adware. In this paper, we investigate the tracking capabilities and related privacy implications of adware and potentially unwanted programs (PUPs). Therefore, we developed a framework that allows us to analyze any network communication of the Firefox browser on the application level to circumvent encryption like TLS. We use this to dynamically analyze the communication streams of over 16,000 adware or potentially unwanted programs samples that tamper with the users' browser session. Our results indicate that roughly 37% of the requests issued by the analyzed samples contain private information and are accordingly able to track users. Additionally, we analyze which tracking techniques and services are used.
In der modernen Informationsgesellschaft nehmen Online-Transaktionen einen wichtigen Teil unseres täglichen Lebens ein. In dieser Arbeit stellen wir ein nutzerzentriertes Protokoll vor, dass es Nutzern erlaubt vertrauenswürdige und sichere Transkationen durchzuführen selbst wenn sie ein nicht vertrau-enswürdiges oder mit Schadsoftware infiziertes Gerät nutzen. Das Protokoll nutzt einen CAPTCHA-artigen Ansatz, der verhindert, dass ein Angreifer eine Transaktion verändert ohne, dass Server oder Client dies bemerken. Dazu stellen wir dem Nutzer eine Aufgabe die kontextsensitive Informationen der Transaktion enthält. Die Aufgabe wird so gestellt, dass sie einfach von Menschen lösbar ist aber nur schwer automatisiert gelöst werden kann. Zur Evaluation des Systems haben wir eine Nutzerstudie (n=30) durchgeführt und berechnet mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Angreifer erfolgreich die richtige Antwort auf die Frage erraten kann. Wir zeigen, dass ein Großteil der Transaktionen (> 94%) geschützt werden kann während das System selbst nutzbar bleibt.
In diesem Artikel wird ein Alert-System für das Online-Banking vorgestellt, welches das Schutzniveau im Kontext von Social-Engineering-Angriffen sowohl clientseitig als auch serverseitig erhöhen soll. Hierfür wird durch das Alert-System ein kontinuierliches Lagebild über die aktuelle Gefahrenlage beim Online-Banking erstellt. Bei konkretem Bedarf wird der Nutzer punktuell vor aktuellen Betrugsmaschen gewarnt und zielgerichtet über Schutzvorkehrungen und Handlungsempfehlungen informiert. Für die Berechnung der aktuellen Gefahrenlage wurden unterschiedliche off-the-shelf-Algorithmen des Maschinellen Lernens verwendet und miteinander verglichen. Die Effektivität des Alert-Systems wurde anhand von echten Betrugsfällen evaluiert, die bei einer Bankengruppe in Deutschland aufgetreten sind. Zusätzlich wurde die Usability des Systems in einer Nutzerstudie mit 50 Teilnehmern untersucht. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass die verwendeten Verfahren dazu geeignet sind, die Gefahrenlage im Online-Banking zu beurteilen und dass ein solches Alert-System auf hohe Akzeptanz bei Nutzern stößt.
Renewable and sustainable energy production by many small and distributed producers is revolutionizing the energy landscape as we know it. Consumers produce energy, making them to prosumers in the smart grid. The interaction between prosumers and other entities in the grid and the optimal utilization of new smart grid components (electric cars, freezers, solar panels, etc.) are crucial for the success of the smart grid. The Power Trading Agent Competition is an open simulation platform that allows researchers to conduct low risk studies in this new energy market. In this work we present Maxon16, an autonomous energy broker and champion of the 2016's Power Trading Agent Competition. We present the strategies the broker used in the final round and evaluate the effectiveness of the strategies by analyzing the tournament's results.
This technical report is about the architecture and integration of commercial UAVs in Search and Rescue missions. We describe a framework that consists of heterogeneous UAVs, a UAV task planner, a bridge to the UAVs, an intelligent image hub, and a 3D point cloud generator. A first version of the framework was developed and tested in several training missions in the EU project TRADR.
This technical report is about the mission and the experience gained during the reconnaissance of an industrial hall with hazardous substances after a major fire in Berlin. During this operation, only UAVs and cameras were used to obtain information about the site and the building. First, a geo-referenced 3D model of the building was created in order to plan the entry into the hall. Subsequently, the UAVs were used to fly in the heavily damaged interior and take pictures from inside of the hall. A 360° camera mounted under the UAV was used to collect images of the surrounding area especially from sections that were difficult to fly into. Since the collected data set contained similar images as well as blurred images, it was cleaned from non-optimal images using visual SLAM, bundle adjustment and blur detection so that a 3D model and overviews could be calculated. It was shown that the emergency services were not able to extract the necessary information from the 3D model. Therefore, an interactive panorama viewer with links to other 360° images was implemented where the links to the other images depends on the semi dense point cloud and located camera positions of the visual SLAM algorithm so that the emergency forces could view the surroundings.
In this paper, we present a method for detecting objects of interest, including cars, humans, and fire, in aerial images captured by unmanned aerial vehicles (UAVs) usually during vegetation fires. To achieve this, we use artificial neural networks and create a dataset for supervised learning. We accomplish the assisted labeling of the dataset through the implementation of an object detection pipeline that combines classic image processing techniques with pretrained neural networks. In addition, we develop a data augmentation pipeline to augment the dataset with utomatically labeled images. Finally, we evaluate the performance of different neural networks.
This technical report is about the architecture and integration of very small commercial UAVs (< 40 cm diagonal) in indoor Search and Rescue missions. One UAV is manually controlled by only one single human operator delivering live video streams and image series for later 3D scene modelling and inspection. In order to assist the operator who has to simultaneously observe the environment and navigate through it we use multiple deep neural networks to provide guided autonomy, automatic object detection and classification and local 3D scene modelling. Our methods help to reduce the cognitive load of the operator. We describe a framework for quick integration of new methods from the field of Deep Learning, enabling for rapid evaluation in real scenarios, including the interaction of methods.
In the realm of digital situational awareness during disaster situations, accurate digital representations,
like 3D models, play an indispensable role. To ensure the
safety of rescue teams, robotic platforms are often deployed
to generate these models. In this paper, we introduce an
innovative approach that synergizes the capabilities of compact Unmaned Arial Vehicles (UAVs), smaller than 30 cm, equipped with 360° cameras and the advances of Neural Radiance Fields (NeRFs). A NeRF, a specialized neural network, can deduce a 3D representation of any scene using 2D images and then synthesize it from various angles upon request. This method is especially tailored for urban environments which have experienced significant destruction, where the structural integrity of buildings is compromised to the point of barring entry—commonly observed post-earthquakes and after severe fires. We have tested our approach through recent post-fire scenario, underlining the efficacy of NeRFs even in challenging outdoor environments characterized by water, snow, varying light conditions, and reflective surfaces.
This paper presents a novel approach to build consistent 3D maps for multi robot cooperation in USAR environments. The sensor streams from unmanned aerial vehicles (UAVs) and ground robots (UGV) are fused in one consistent map. The UAV camera data are used to generate 3D point clouds that are fused with the 3D point clouds generated by a rolling 2D laser scanner at the UGV. The registration method is based on the matching of corresponding planar segments that are extracted from the point clouds. Based on the registration, an approach for a globally optimized localization is presented. Apart from the structural information of the point clouds, it is important to mention that no further information is required for the localization. Two examples show the performance of the overall registration.
Desert ants Cataglyphis spec. monitor inclination and distance covered through force-based sensing in their legs. To transfer this mechanism to legged robots, artificial neural networks are used to determine the inclination angle of an experimental ramp from the motor data of the legs of a commercial hexapod walking robot. It is possible to determine the inclination angle of the ramp based on the motor data of the robot legs read out during a run. The result is independent of the weight and orientation of the robot on the ramp and hence robust enough to serve as an independent odometer.
Biomechanische Untersuchungen zum Öffnungsmechanismus von verholzten Früchten der Gattung Hakea
(2023)
Die Arten H. sericea und H. salicifolia (Proteaceae) sind in Australien heimisch. Ihr natürlicher Lebensraum ist trocken und nährstoffarm, und sie sind regelmäßig Buschbränden ausgesetzt. Durch den Feuchtigkeitsverlust “schrumpft“ die Frucht und öffnet sich, wobei zwei Samen freigesetzt werden. Diese Arbeit vergleicht das Öffnungsverhalten von manipulierten Früchten, das Schwindmaß, die Öffnungskraft, den Elastizitätsmodul und die Druckfestigkeit der beiden Arten und untersucht den Einfluss verschiedener Gewebe auf die Öffnung. Es wird festgestellt, dass das Mesokarp hauptsächlich für das anisotrope Schwindverhalten verantwortlich ist.
Der Beitrag geht (1) auf zentrale Aspekte neoliberaler Wirtschaftspolitik ein, (2) damit verbundene branchenspezifische Strategien und Ideologiemuster sowie (3) auf individuell übernommene Denkfiguren zur marktförmigen Selbstoptimierung. Abschließend werden (4) Alternativen auf kommunaler, wirtschafts- und sportpolitischer Ebene aufgezeigt.
Die Hauptfragen des Beitrags konzentrieren sich auf die Fähigkeit von Städten Großveranstaltungen durchzuführen und welche Zielgruppen konzeptionell im Fokus stehen. Einleitend werden dazu ausgewählte makroökonomischer Daten aufgezeigt und der wirtschaftspolitische Wandel zu einer marktfundamentalen Wirtschaftspolitik verdeutlicht, der sich als „Unternehmen Stadt“ auch im politisch-administrativen Bereich der Kommunen etabliert hat. Im Kontext dieser Logik werden Großveranstaltungen zunehmend in die kommunale Standortpolitik als weicher Standortfaktor für High-Potentials und touristische Zielgruppen eingebunden. Dadurch kommt es zu Funktionalisierungen, Vereinnahmungen von Großveranstaltungen für Partialinteressen, die den zu befördernden kulturellen Kerngedanken bisweilen ignorieren. Die stark anwachsende Zahl an Sportgroßveranstaltungen und eine ungleiche Verteilung der finanziellen Risiken zwischen Veranstaltern und Ausrichtern stoßen seit einigen Jahren auf wachsende Kritik, was durch die ablehnenden Voten der städtischen Bevölkerung zur Bewerbung um Olympische Spiele deutlich wurde. Die Durchführung von Großveranstaltungen bedarf inzwischen einer weitaus umfassenderen und intensiveren konzeptionellen Begründung und vor allem diskursiven Legitimation. Durch die zunehmende Spreizung zwischen schuldenfreien, prosperierenden Städten sowie finanziell prekär ausgestatteten Kommunen geraten jedoch die gesellschaftlichen Akteure nahezu unausweichlich in Konflikte um eine Diskussion der Verwendung öffentlicher Mittel. Notwendig wird eine faire Risikoverteilung zwischen Veranstaltern und Ausrichtern sowie eine Vermeidung von Überkapazitäten. Auf kommunaler Ebene bieten weder Austerität noch (ruinöse) Städtekonkurrenz eine langfristige Lösung. Vielmehr ist eine kritische Diskussion über die derzeitige Mittelverteilung und -herkunft der öffentlichen Trägerschaften für eine annähernd gleichwertig ausgestaltete Daseinsvorsorge und damit auch touristische Attraktivität zu führen.
Die Diskussion über den Umgang von Industriekultur, bzw. der Kultur der Arbeit wird bereits seit einigen Jahrzehnten geführt. Im Mittelpunkt stehen zum einen Auseinandersetzungen nach Abriss oder Erhalt industrieller Erzeugnisse und zum anderen konzeptionelle Entwürfe, die sich an den Polen eines industriekulturell puristischen oder marketingfixierten Freizeit-Verständnisses orientieren. Je nach Ausrichtung sollen die Konsequenzen für die Gestaltung eines angemessen oder tendenziell beliebigen Freizeitangebotes aufgezeigt werden.
Seit einigen Jahren sind aufgrund des Bedeutungsverlustes von christlicher Religion sowie sinkender Mitgliedszahlen zahlreiche Kirchen profaniert worden. Auch hier entsteht eine noch stärker emotional aufgeladene Diskussion darüber, welche Nachnutzung in einem reli-giös-normativen Verständnis, aber auch unter ökonomischen Vorzeichen möglich sein soll. Zu klären ist also, was als angemessen gilt und inwieweit die ursprüngliche Nutzung noch symbolhaft sichtbar bleiben kann und soll.
In der wissenschaftlichen Literatur gibt es kaum Studien, die sich mit der konkreten Alltagstauglichkeit von Smartwatches beschäftigen, um zu verstehen, warum die Klasse von wearables eher ein Nischendasein führt. In diesem Beitrag wird daher die Verwendung einer Smartwatch am Beispiel Kochen untersucht. Hierzu wurde eine Koch-App mit Rezeptinformationen für eine Smartwatch entwickelt, welche über Hand- und Armbewegungen in Form von Gesten bedient werden kann. In einer Feldstudie mit acht Probanden wurde ermittelt, inwieweit diese Interaktionsform den Kochprozess verändert. Die Ergebnisse zeigen, dass die unmittelbare Verfügbarkeit der Uhr sowohl Effizienz- als auch Effektivitätsvorteile gegenüber klassischen Kochhilfen bietet. Die Steuerung via Freihandgesten erlaubte zudem die Nutzung in einem Szenario, in welchem die Hände oft belegt oder verschmutzt sind und somit eine Bedienung per Finger problematisch sein kann. Die Uhr wurde von den Probanden dabei als nützliches Werkzeug erachtet, obwohl diese bislang keinerlei Erfahrung mit einem solchen Gerät hatten.
In this work a mathematical approach to calculate solar panel temperature based on measured irradiance, temperature and wind speed is applied. With the calculated module temperature, the electrical solar module characteristics is determined. A program developed in MatLab App Designer allows to import measurement data from a weather station and calculates the module temperature based on the mathematical NOCT and stationary approach with a time step between the measurements of 5 minutes. Three commercially available solar panels with different cell and interconnection technologies are used for the verification of the established models. The results show a strong correlation between the measured and by the stationary model predicted module temperature with a coefficient of determination R2 close to 1 and a root mean square deviation (RMSE) of ≤ 2.5 K for a time period of three months. Based on the predicted temperature, measured irradiance in module plane and specific module information the program models the electrical data as time series in 5-minute steps. Predicted to measured power for a time period of three months shows a linear correlation with an R2 of 0.99 and a mean absolute error (MAE) of 3.5, 2.7 and 4.8 for module ID 1, 2 and 3. The calculated energy (exemplarily for module ID 2) based on the measured, calculated by the NOCT and stationary model for this time period is 118.4 kWh, resp. 116.7 kWh and 117.8 kWh. This is equivalent to an uncertainty of 1.4% for the NOCT and 0.5% for the stationary model.
Advanced Determination of Temperature Coefficients of Photovoltaic Modules by Field Measurements
(2023)
In this work data from outdoor measurements, acquired over the course of up to three years on commercially available solar panels, is used to determine the temperature coefficients and compare these to the information as stated by the producer in the data sheets. A program developed in MatLab App Designer allows to import the electrical and ambient measurement data. Filter algorithms for solar irradiance narrow the irradiance level down to ~1000 W/m2 before linear regression methods are applied to obtain the temperature coefficients. A repeatability investigation proves the accuracy of the determined temperature coefficients which are in good agreement to the supplier specification if the specified values for power are not larger than -0.3%/K. Further optimization is achieved by applying wind filter techniques and days with clear sky condition. With the big (measurement) data on hand it was possible to determine the change of the temperature coefficients for varying irradiance. As stated in literature we see an increase of the temperature coefficient of voltage and a decline for the temperature coefficient of power with increasing irradiance.
Einleitung und Fragestellung
Zahlreiche empirische Befunden sprechen für die positiven Effekte authentischer Führung. Wir untersuchen ihre Antezedenzien.
Theoretischer Hintergrund
Authentische Führung meint Handeln im Einklang mit moralischen Werten. Aus sozialkognitiver Perspektive bezeichnet moralische Identität eine komplexe Wissensstruktur aus moralischen Werten, Zielen und Verhaltensmustern, welche durch Lebenserfahrungen erworben werden. Darin sehen wir eine Basis für authentische
Führung (H1). Sich trotz sozialer Opposition für moralische Prinzipien einzusetzen, ist bezeichnend für Mut. Dieser zeigt sich in selbstkongruentem Verhalten trotz negativer
Konsequenzen. Dem Identitätsprozessmodell folgend, wird Mut notwendig, wenn Identiätsspannungen Inkongruenz zwischen Selbstkonzept und sozialer Identität hervorrufen. Darin sehen wir ein Aktivierungspotenzial für authentische Führung (H2).
Methode
Wir befragten N = 70 Führungsdyaden eines Industriekonzerns. Mut (WSCS; Howard et al., 2016) und moralische Identität(MIS; Aquino & Reed, 2002) wurden als Selbsteinschätzung der Führungskräfte erhoben (Altersdurchschnitt: 46 Jahre, 59% ♂). Authentische Führung (ALQ, Walumbwa et al., 2008) erfassten wir als Fremdeinschätzung durch Mitarbeitende (Altersdurchschnitt: 37, 47% ♂).
Ergebnisse
Moralische Identität und tatsächliches Verhalten müssen scheinbar nicht notwendigerweise übereinstimmen; etwa wenn hohe Kosten für moralisches Verhalten erwartbar sind. Hier setzt sozialer Mut im Arbeitskontext an. Entsprechend
wird eine mutig agierende Führungskraft als authentisch wahrgenommen, vor allem, wenn dieses Verhalten mögliche negative soziale Konsequenzen beinhaltet.
Diskussion
Mutiges Handeln wird durch Persönlichkeit, Selbstwirksamkeit und aktuelle Emotionen geleitet und kann etwa in der Führungskräfteentwicklung gelernt werden.
Hier bieten sich narrative Formate an, die die Selbstreflexion fördern. Auch bzgl. der Entwicklung authentischer Führung verweisen erste Befunde auf die Bedeutung der persönlichen Reflexion, z.B. über die eigene Lebensgeschichte.
Upgrade of Bioreactor System Providing Physiological Stimuli
to Engineered Musculoskeletal Tissues
(2017)
A novel central control interface (CCI) is developed to improve the modular bioreactor system with regard to extendability and modifiability in Tissue Engineering (TE) applications. This paper presents the results developed in the project with open-source hardware and the graphical programming system LabVIEW. A new platform independent User Interface was further developed to contribute to the new flexibility of the device.
Ameisen der Gattung Cataglyphis sind in der Lage, auf Basis propriozeptiver Signale zu navigieren. Dabei werden Odometrie und der Neigungswinkel des Untergrunds über die Beinbewegung ermittelt. Das System ist robust und funktioniert mit geringem rechnerischen Aufwand. Dadurch eignet es sich als Vorbild für die Navigation von Laufrobotern in schwierigem Gelände. Ziel ist die Entwicklung eines breit anwendbaren generischen Systems, das über ein bionisch inspiriertes Odometer verfügt. Im Speziellen wird untersucht, ob die charakterisierende Größe in der Neigungsbestimmung die in den Beinen wirkenden Kräfte sind. Die Positionierung der Kraftsensoren im Ameisenbein legt eine weitere Vereinfachung auf die in den Gelenken auftretenden Drehmomente nahe. Die Implementierung des Odometers wird in einer Simulation sowie an einer robotischen Einzelbeinplattform validiert. Vorteile dieses Systems sind die kostengünstige und kompakte Implementierung, die im besten Fall keine zusätzlichen Sensoren benötigt und eine Positionsbestimmung in Echtzeit ohne externe Infrastruktur ermöglicht
Das härteste Wettbewerbsumfeld ist die Natur. Ein hoher Selektionsdruck führt dort zu Organismen, die mit geringem Aufwand besser an die herrschenden Bedingungen angepasst sind, als die Wettbewerber. Die hierzu verwendeten Strategien zum Materialeinsatz sind sehr effizient und als Strukturoptimierung abstrahiert auch in der Technik anwendbar. In diesem Vortrag werden Optimierungsmethoden und Vorgehensweisen für einen effizienten Materialverbrauch vorgestellt und diskutiert.
Das härteste Wettbewerbsumfeld ist die Natur. Ein hoher Selektionsdruck führt dort zu Organismen, die mit geringem Aufwand besser an die herrschenden Bedingungen angepasst sind, als die Wettbewerber. Die hierzu verwendeten Strategien zum Materialeinsatz sind sehr effizient und als Strukturoptimierung abstrahiert auch in der Technik anwendbar. In diesem Vortrag werden Optimierungsmethoden und Vorgehensweisen für einen effizienten Materialverbrauch vorgestellt und diskutiert.
Im Rahmen der Energiewende ist eine Erweiterung der in das Verbund-netz integrierten Energiespeicher notwendig, um zukünftig die heute gewohnte Versorgungssicherheit trotz eines sehr hohen Anteils volatiler regenerativer Energieerzeugungsanlagen zu ermöglichen. Eine geeignete elektrochemische Methode zur umweltfreundlichen Zwischenspeicherung großer Energiemengen stellt die Wasserelektrolyse mit bedarfsorientierter Rückverstromung dar. Dabei können die dynamischen Einspeise- und Laständerungen im elektrischen Verbundnetz im besonderen Maße von Elektrolyseur- und Brennstoffzellen-systemen auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) aufgefangen werden.
Bestehende PEM-Systeme sind vor allem in ihrer konstruktiven Zellgröße und ihrer maximalen Leistung bei der Wasserstoffproduktion bzw. der Stromerzeugung stark begrenzt. Vor allem inhomogene Verpressungen großflächiger planarer Zellen in einem klassischen, mechanisch verspannten Stack führen zu hohen Leistungseinbußen. Zudem ergeben sich bei kleinen Stacks aufgrund der geringen Zellspannung ungünstige Wandlungsverhältnisse zwischen Strom und Spannung für eine vor- bzw. nachgeschaltete Leistungselektronik. Ein neuartiges Stackkonzept mit segmentierten Polplatten bietet eine konstruktive Lösung für das Problem größerer aktiver Zellflächen und leistet einen Beitrag zur Entwicklung industriell einsetzbarer Hochdruckelektrolyseure und Brennstoffzellen.
An energy economy with high share of renewable but volatile energy sources is dependent on storage strategies in order to ensure sufficient energy delivery in periods of e.g. low wind and/or low solar radiation. Hydrogen as environmental friendly energy carrier is thought to be an appropriate solution for large scale energy storage. In 2011 the NOW (national organisation for hydrogen in Germany) calculated the demand for hydrogen energy systems as positive (0.8 GW to 5.25 GW) and negative supply for varying power demand (0.68 to 4.3 GW) for the German energy economy in 2025. Due to its dynamic behaviour on load changes polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) as well as water electrolyser systems (PEMEL) can play a significant role for large scale hydrogen based storage systems. In this work a novel design concept for modular fuel cell and electrolyser stacks is presented with single cells in pockets surrounded by a hydraulic medium. This hydraulic medium introduces necessary compression forces on the membrane electrode assembly (MEA) of each cell within a stack. Furthermore, ideal stack cooling is achieved by this medium. Due to its modularity and scalability the modular stack design with hydraulic compression meets the requirements for large PEMFC as well as PEMEL units. Small scale prototypes presented in this work illustrate the potential of this design concept.
Für einen Energiesektor, der zukünftig im hohen Maße auf erneuerbaren Quellen beruht, sind Energiespeicher unverzichtbar, um die heute gewohnte Versorgungssicherheit auch in Zeiten geringer Einspeisung aus Wasser, PV- und/oder Windkraftanlagen garantieren zu können. Da konventionelle Speichertechnologien wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke durch fehlende mögliche Standorte in Deutschland nicht weiter ausgebaut werden, sind Alternativen notwendig. Es ist Konsens, hierfür emissionsarme Strategien zu entwickeln, um die gesetzten Ziele zur Reduktion von CO2 Emissionen zu erreichen. Neben Batterien, die vorzugsweise für Kurzzeitspeicher einzusetzen sind, bietet sich Wasserstoff als umweltfreundlicher Sekundärenergieträger an, der in großen Mengen gespeichert und in Brennstoffzellen mit hohem Wirkungsgrad emissionsfrei in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Da elementarer Wasserstoff nicht natürlich vorkommt, ist dieser zuvor zu generieren. Überschüsse aus regenerativen Energiequellen können hierfür ideal genutzt werden. In diesem Beitrag wird ein aussichtsreiches Konzept für einen modularen Hochdruckelektrolyseur vorgestellt, welcher erlaubt, Wasserstoff bei einem hohen Ausgangsdruck bereitzustellen. Durch den prinzipiellen Aufbau, ist ein beliebiges Druckniveau am Ausgang nur von der mechanischen Stabilität der verwendeten Bauteile abhängig. Hierdurch ist es möglich, Wasserstoff direkt in einen Druckgasspeicher oder eine Pipeline zu produzieren, ohne einen zusätzlichen Verdichter nutzen zu müssen. Dies resultiert in signifikanten Kosteneinsparungen und verbessert den Systemwirkungsgrad zukünftiger Anlagen entscheidend.
To further increase platinum utilisation in PEM fuel cells CNFs are investigated as catalyst support material due to the CNF’s high specific surface area. Furthermore, CNFs provide suitable properties concerning corrosion resistance as well as electrical conductivity in contrast to conventional carbon supports.
This work presents the results of an electrode preparation procedure based on O2 plasma activated CNFs. The plasma treatment leads to CNF dispersibility in alcohol/water for a spray coating process. Furthermore, O2 plasma activation enhances metal deposition on the CNF’s surface. Pulse plating procedure as well as wet chemical metal synthesis have been used for particle deposition. For pulse plating a potentiostat/galvanostat type MMates 510 AC from Materials Mates, Italy has been used. Electrode morphology has been determined in SEM type XL 30 ESEM from Philips, The Netherlands.
In polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) noble metal nano particles are deposited on graphitic supports serving as electrocatalysts for devices with high power density. In this study anodes are analysed with low platinum loading of about 0.1 mg cm-2. These electrodes are prepared by carbon nano fibres (CNF) decorated with platinum nano particles. For electrode manufacturing two sorts of fibres, which are produced in an industrial scale, are used with different graphitisation degree and surface area. CNF layers are applied on commercially available graphitic substrate by spray coating which leads to a porous structure with high surface area. Subsequently, platinum deposition is achieved by pulsed electroplating for an improved platinum utilisation in PEMFC electrodes. Spray coating and platinum deposition are assisted by a previous oxygen plasma activation process. Prepared anode material is characterised by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction spectroscopy (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) and thermogravimetry (TGA). Electrochemical analyses (cyclic voltammetry and corrosion test) are carried out in 0.5 M sulphuric acid. The effect of graphitisation degree of carbon nano fibres on the performance of prepared electrodes is investigated in-situ in a PEM fuel cell test bench.
In state of the art polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) rare and expensive platinum group metals (PGM) are used as catalyst material. Reduction of PGM in PEMFC electrodes is strongly required to reach cost targets for this technology. An optimal catalyst utilisation is achieved in the case of nano-structured particles supported on carbon material with a large specific surface area. In this study, graphitic material in form of carbon nanofibres (CNFs) is decorated with platinum (Pt) particles serving as catalyst material for PEMFC electrodes with low Pt loading. For electrode preparation CNFs have been previously activated by means of radio frequency induced oxygen plasma. This kind of treatment results in formation of functional groups on the CNF’s surface which directly influences the characteristics of subsequent Pt particle deposition. Different plasma parameters (plasma power, gas flow or exposure time) have to be set in order to achieve formation of oxygen containing functional groups (hydroxylic, carboxylic or carbonylic) on the CNF’s surface. In the frame of this experimental work, electrodes are investigated in respect of optimal morphology, microstructure as well as electrochemical properties. Therefore, samples were characterised by means of scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-ray analysis, transmission electron microscopy, thermogravimetry, X-ray diffraction, X-ray fluorescence as well as polarisation measurements.
For this study gas diffusion electrodes (GDE) with low platinum loading are prepared for the application as anode in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems based on hydraulic compression. As catalyst support material, carbon nanofibers (CNF) are investigated because of their high specific surface area and high graphitization degree. The electrode preparation is optimized by an economic and environmental friendly pre-treatment process in oxygen plasma. For GDE manufacture an ink containing oxygen plasma activated CNFs as well as hydrophilic polymer is used. After spray coating of this CNF ink on a graphitic substrate, platinum is deposited using the pulse plating technique. Preliminary results showed a considerable improvement of CNF dispersibility as well as an increased amount and an optimized morphology of the deposited platinum. Morphology and microstructure are observed by scanning electron microscopy as well as transmission electron microscopy. Platinum loading is determined by thermogravimetric analysis to be in the range of 0.01 mg cm-2 to 0.017 mg cm-2. Furthermore, MEAs are prepared from these GDEs and testing is performed in a novel modular fuel cell test stack based on hydraulic compression. Technical information about stack design and functions is given in this work.
This experimental work deals with the preparation and investigation of PEM fuel cell electrodes, which are obtained using Graphene Related Material (GRM) serving as catalyst support material for platinum nanoparticles. The applied GRM belong to the group of carbon nanofibers and exhibits a helical-ribbon structure with dimensions of 50 nm in diameter and an average length up to a few µm. Furthermore, utilized GRM provide a superior graphitisation degree of about 100 %, which leads to both high corrosion resistance and low ohmic resistance. Material stability plays one of the main roles for long term fuel cell operation, whereby a great electrical catalyst contact combined with high specific surface area yields in high fuel cell performances.
Prior to GRM dispersion and deposition onto a gas diffusion layer, the graphene structures are functionalized by oxygen plasma treatment. Through this step, functional oxygen groups are generated onto the GRM outer surface providing an improved hydrophilic behaviour and facilitating the GRM suspension preparation. In addition, the oxygen groups act as anchors for platinum nanoparticles which are subsequently deposited onto the GRM surface through a pulse electrodeposition process.
Membrane electrode assemblies produced with the prepared electrodes are investigated in-situ in a PEM fuel cell test bench.
Um die Wasserstofftechnik in Zukunft wirtschaftlich und damit kommerziell am Markt verfügbar werden zu lassen, sind heute noch immer große Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig. Dabei erfordert die Entwicklung von optimierten Komponenten wie beispielsweise der Membran-Elektroden-Einheit (MEA – engl. Membrane Electrode Assembly) für Brennstoffzellen sowie Elektrolyseure reproduzierbare und homogene Prüfbedingungen. Für diesen Zweck ist ein Prüfsystem auf Basis eines von der Westfälischen Hochschule (WHS) patentierten modularen Stackkonzepts mit hydraulischer Verpressung entworfen und realisiert worden. Mit dem hier vorgestellten System ist es möglich, auf Einzelzellenbasis mehrere Proben zum gleichen Zeitpunkt unter identischen Umgebungsbedingungen auf ihre Charakteristik hin zu untersuchen.
The membrane electrode assemblies (MEA) for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) developed at the Westphalian Energy Institute are based on oxygen plasma activated carbon nanotubes (CNT) doped with platinum particles. For electrode preparation an ink is used containing the activated CNTs as well as hydrophobic and hydrophilic material in solved form. After this ink is sprayed onto a graphitic substrate platinum particles are deposited by pulse plating method, where the plasma activation enhances CNT dispersibility as well as platinum deposition. This materials mixture is structured in nanoscale with the aim to increase the catalyst particles’ specific surface. For low reactance at operation, homogeneous compression of the MEA’s layers is necessary within a PEMFC. A novel stack architecture for electrochemical cells, especially PEMFC as well as PEM electrolysers, has been developed in order to achieve ideal cell operation conditions. Single cells of such a stack are inserted into flexible slots that are surrounded by a hydraulic medium which is pressurised during operation in order to achieve an even compression and cooling of the stack’s cells. With this stack design it has been possible to construct a test facility for simultaneous characterisation of several MEA samples. As compression and temperature conditions of every single sample are the same, the effects of e.g. different electrode configurations can be investigated with the novel test system.