Brennstoffzellen - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Geschichte, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie eines fortlaufend zugeführten Brennstoffs direkt in elektrische Energie um. In der Schule wird meist die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle betrachtet. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser. Die Reaktion läuft räumlich getrennt an zwei Elektroden ab, sodass Elektronen durch einen äußeren Stromkreis fließen und elektrische Arbeit verrichten können.

Brennstoffzellen gehören zur Elektrochemie. Sie sind galvanische Zellen, aber keine gewöhnlichen Batterien: Die Reaktionsstoffe werden von außen nachgeliefert. Solange Wasserstoff und Sauerstoff vorhanden sind und die Zelle funktionsfähig ist, kann sie Strom liefern.

Datei:Hydrogen fuel cell schematic.jpg

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In diesem aiMOOC lernst Du den Aufbau einer Brennstoffzelle, die Teilreaktionen an Anode und Kathode, die Rolle der Protonenaustauschmembran sowie Chancen und Grenzen der Technik kennen. Der Schwerpunkt liegt auf der chemischen Betrachtung.

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du:

1. Brennstoffzelle erklären: Du beschreibst die Brennstoffzelle als elektrochemischen Energiewandler.
2. Redoxreaktionen zuordnen: Du erkennst Oxidation und Reduktion an den Elektroden.
3. Reaktionsgleichungen formulieren: Du stellst Teilgleichungen und Gesamtgleichung auf.
4. Bauteile erläutern: Du erklärst Anode, Kathode, Membran, Katalysator und äußeren Stromkreis.
5. Energieumwandlungen bewerten: Du unterscheidest chemische, elektrische und thermische Energie.
6. Umweltwirkungen beurteilen: Du beziehst die Herstellung des Wasserstoffs in Deine Bewertung ein.

Grundidee der Brennstoffzelle

Bei einer direkten Verbrennung von Wasserstoff wird chemische Energie zunächst vor allem als Wärme frei. Eine Brennstoffzelle trennt dagegen die Elektronenübertragung räumlich. Dadurch müssen die Elektronen durch einen äußeren Leiter fließen. Dieser Elektronenfluss ist elektrischer Strom.

Die vereinfachte Gesamtreaktion lautet:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Die Reaktion ist exotherm. Deshalb entstehen neben elektrischer Energie auch Wärme und Wasser. Die Brennstoffzelle erzeugt keine Energie aus dem Nichts, sondern wandelt die im Brennstoff und Oxidationsmittel gespeicherte chemische Energie um.

Abgrenzung zu Batterie und Elektrolyseur

System	Aufgabe	Stoffzufuhr	Typische Energieumwandlung
Brennstoffzelle	Liefert elektrischen Strom	Brennstoff und Oxidationsmittel werden zugeführt	chemische Energie → elektrische Energie und Wärme
Batterie	Speichert Reaktionsstoffe im Inneren	Im normalen Betrieb keine fortlaufende Stoffzufuhr	chemische Energie → elektrische Energie
Elektrolyseur	Erzwingt eine nicht freiwillige Reaktion	Wasser und elektrische Energie werden zugeführt	elektrische Energie → chemische Energie

Historische Entwicklung

Der Schweizer Chemiker Christian Friedrich Schönbein beschrieb 1838 grundlegende Beobachtungen zum Brennstoffzellenprinzip. Der britische Naturwissenschaftler William Robert Grove konstruierte 1839 eine „Gasbatterie“, die als früher Vorläufer moderner Brennstoffzellen gilt. Später wurden Brennstoffzellen unter anderem für Raumfahrtprogramme weiterentwickelt, weil sie elektrische Energie liefern und bei Wasserstoff-Sauerstoff-Systemen Wasser entsteht.

Datei:William Robert Grove.jpg

Datei:1839 William Grove Fuel Cell.jpg

Die historische Entwicklung zeigt: Das chemische Prinzip ist lange bekannt. Technisch anspruchsvoll bleiben jedoch geeignete Materialien, lange Lebensdauer, geringe Kosten und eine klimaverträgliche Bereitstellung des Brennstoffs.

Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle

Für den Unterricht eignet sich besonders die Polymerelektrolytbrennstoffzelle, kurz PEMFC. PEM steht für „Proton Exchange Membrane“, also Protonenaustauschmembran.

Datei:PEM fuel cell.svg

Zentrale Bauteile

Bauteil	Chemische oder technische Funktion
Anode	Hier wird Wasserstoff oxidiert. Elektronen werden abgegeben.
Kathode	Hier wird Sauerstoff reduziert. Wasser entsteht.
Protonenaustauschmembran	Sie lässt Protonen passieren, sperrt jedoch Elektronen weitgehend.
Katalysatorschicht	Sie senkt die Aktivierungsenergie der Elektrodenreaktionen. Häufig wird Platin eingesetzt.
Gasdiffusionsschicht	Sie verteilt Wasserstoff beziehungsweise Luft möglichst gleichmäßig an den Elektroden.
Bipolarplatte	Sie führt Gase, sammelt Strom und verbindet einzelne Zellen in einem Stack.
Äußerer Stromkreis	Durch ihn fließen Elektronen von der Anode zur Kathode und können einen Verbraucher betreiben.

Vorgänge an der Anode

An der Anode treffen Wasserstoffmoleküle auf den Katalysator. Die Bindung im Wasserstoffmolekül wird gelöst. Die Wasserstoffteilchen geben Elektronen ab und werden zu Protonen oxidiert.

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Oxidation bedeutet Elektronenabgabe. Die Protonen wandern durch die Membran. Die Elektronen können die Membran nicht durchqueren und fließen deshalb durch den äußeren Leiter.

Vorgänge an der Kathode

An der Kathode reagieren Sauerstoffmoleküle mit Protonen und den aus dem äußeren Stromkreis eintreffenden Elektronen. Dabei entsteht Wasser.

${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme. Sauerstoff ist hier das Oxidationsmittel, weil er Elektronen aufnimmt.

Gesamtreaktion und Redoxprinzip

Werden beide Teilgleichungen addiert, kürzen sich Protonen und Elektronen heraus:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Wasserstoff wird oxidiert, Sauerstoff wird reduziert. Oxidation und Reduktion laufen gleichzeitig ab und bilden gemeinsam eine Redoxreaktion.

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Elektronenfluss, Ionenfluss und Stofffluss

In einer funktionierenden PEM-Brennstoffzelle laufen drei Transportvorgänge gleichzeitig ab:

1. Elektronenfluss: Elektronen fließen durch den äußeren Stromkreis von der Anode zur Kathode.
2. Ionenleitung: Protonen wandern durch die Membran von der Anode zur Kathode.
3. Stofftransport: Wasserstoff und Sauerstoff werden zugeführt; Wasser und Wärme werden abgeführt.

Wird einer dieser Wege blockiert, sinkt die Leistung. Eine ausgetrocknete Membran leitet Protonen schlechter. Zu viel Wasser kann dagegen Poren blockieren und den Gastransport behindern. Deshalb ist das Wassermanagement ein wichtiger Teil des Betriebs.

Zellspannung und Brennstoffzellen-Stack

Die theoretische Standardspannung der Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle beträgt unter Standardbedingungen ungefähr 1,23 Volt. Sie ergibt sich aus der Differenz der Elektrodenpotenziale:

$E_{\mathrm{Z}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{e}}^{\circ }=E_{\mathrm{K}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}}^{\circ }-E_{\mathrm{A}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}}^{\circ }$

Im Betrieb ist die Spannung einer einzelnen Zelle meist kleiner. Ursachen sind unter anderem Aktivierungsverluste, elektrischer Widerstand und begrenzter Stofftransport. Um eine technisch nutzbare Spannung zu erreichen, werden viele Einzelzellen in Reihe zu einem Brennstoffzellen-Stack verbunden.

Datei:P1010010-Cropped.jpg

Datei:Toyota Mirai fuel cell stack SAO 2016 9034.jpg

Leistung und Wirkungsgrad

Die elektrische Leistung lässt sich mit Spannung und Stromstärke berechnen:

$P=U\cdot I$

Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Energie zur zugeführten Energie:

$\eta =\frac{E_{\mathrm{n}\mathrm{u}\mathrm{t}\mathrm{z}}}{E_{\mathrm{z}\mathrm{u}}}\cdot 100\mathrm{\%}$

Eine Brennstoffzelle wandelt nicht die gesamte chemische Energie in elektrische Energie um. Ein Teil wird als Wärme abgegeben. Wird diese Wärme beispielsweise zum Heizen genutzt, spricht man von Kraft-Wärme-Kopplung. Dann kann ein größerer Teil der eingesetzten Energie sinnvoll genutzt werden.

Katalysator und Reaktionsgeschwindigkeit

Die Gesamtreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist energetisch günstig, läuft bei niedrigen Temperaturen ohne geeignete Reaktionsbedingungen aber nicht schnell genug ab. Ein Katalysator bietet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Bei vielen PEM-Brennstoffzellen wird Platin verwendet.

Platin wird durch Verunreinigungen wie Kohlenstoffmonoxid oder Schwefelverbindungen beeinträchtigt. Solche Stoffe können aktive Zentren blockieren. Deshalb muss der zugeführte Wasserstoff eine hohe Reinheit besitzen. Forschung und Entwicklung suchen nach Möglichkeiten, weniger Platin zu verwenden, die Lebensdauer zu erhöhen und günstigere Katalysatoren zu entwickeln.

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Brennstoffzelle und Elektrolyse

Die Wasserelektrolyse kann Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Die Brennstoffzelle nutzt die umgekehrte Gesamtreaktion:

$\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

In einem schulischen Experimentiergerät können Elektrolyseur und Brennstoffzelle miteinander kombiniert sein. Elektrische Energie erzeugt zunächst Wasserstoff. Später wird die chemische Energie des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt. Bei jeder Umwandlung treten Verluste auf.

Datei:Hofmann voltameter.svg

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Beobachtung im Schulversuch

Bei der Elektrolyse entstehen Wasserstoff und Sauerstoff im Stoffmengenverhältnis zwei zu eins. Das passt zur Reaktionsgleichung. Wird der Wasserstoff anschließend in einer Brennstoffzelle umgesetzt, können beispielsweise ein kleiner Elektromotor oder eine Leuchtdiode betrieben werden.

Ein Schulversuch sollte nur mit dafür vorgesehenen Experimentiergeräten, kleinen Stoffmengen und unter fachkundiger Aufsicht durchgeführt werden. Wasserstoff-Luft-Gemische können zündfähig sein. Offene Flammen und ungeeignete elektrische Zündquellen gehören nicht in die Nähe des Versuchsaufbaus.

Typen von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen werden vor allem nach ihrem Elektrolyten und dem beweglichen Ion unterschieden.

Typ	Elektrolyt oder Membran	Bewegliches Ion	Kennzeichen	Typische Anwendung
PEMFC	Protonenleitende Polymermembran	Protonen	Niedrige Betriebstemperatur, schneller Start	Fahrzeuge, mobile und stationäre Systeme
DMFC	Protonenleitende Polymermembran	Protonen	Methanol wird direkt umgesetzt	Kleine mobile Stromquellen
AFC	Alkalischer Elektrolyt	Hydroxid-Ionen	Empfindlich gegenüber Kohlenstoffdioxid	Raumfahrt und spezielle Anwendungen
SOFC	Fester keramischer Elektrolyt	Oxid-Ionen	Hohe Betriebstemperatur, nutzbare Abwärme	Stationäre Energieversorgung

Datei:Solid oxide fuel cell de.svg

Die Elektrodenreaktionen unterscheiden sich je nach Brennstoffzellentyp. Deshalb darfst Du die Protonen-Teilgleichungen der PEMFC nicht ungeprüft auf jede andere Brennstoffzelle übertragen.

Herstellung und Speicherung von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein Energieträger, keine ursprüngliche Energiequelle. Er muss zunächst hergestellt werden. Für die Umweltbewertung ist deshalb entscheidend, woher die benötigte Energie und die Ausgangsstoffe stammen.

Häufige Bezeichnung	Vereinfachter Herstellungsweg	Klimatische Einordnung
Grüner Wasserstoff	Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien	Kann geringe Treibhausgasemissionen ermöglichen
Grauer Wasserstoff	Meist Herstellung aus Erdgas ohne Abscheidung des entstehenden Kohlenstoffdioxids	Verursacht erhebliche fossile Treibhausgasemissionen
Blauer Wasserstoff	Herstellung aus fossilen Rohstoffen mit Abscheidung eines Teils des Kohlenstoffdioxids	Klimawirkung hängt stark von Abscheiderate, Methanemissionen und Speicherung ab

Für Speicherung und Transport wird Wasserstoff häufig verdichtet. Das benötigt zusätzliche Energie. Auch Herstellung, Verdichtung, Transport und Rückverstromung müssen in einer vollständigen Energiebilanz berücksichtigt werden.

Anwendungen

Brennstoffzellen können dort eingesetzt werden, wo kontinuierlich elektrische Energie benötigt wird und ein geeigneter Brennstoff verfügbar ist.

Mobilität

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Elektrofahrzeuge. Die Brennstoffzelle liefert Strom für einen Elektromotor; eine kleinere Batterie puffert häufig Leistungsspitzen und nimmt Bremsenergie auf. Anwendungen gibt es bei Pkw, Bussen, Lastwagen, Zügen, Schiffen und Flurförderfahrzeugen.

Datei:Hydrogen fuel cell bus.jpg

Datei:Toyota Mirai fuel cell stack and hydrogen tank SAO 2016 9032.jpg

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Stationäre Energieversorgung

Stationäre Brennstoffzellensysteme können Gebäude, Rechenzentren oder abgelegene Anlagen mit Strom versorgen. Bei gleichzeitiger Wärmenutzung sind sie für Kraft-Wärme-Kopplung geeignet. Auch Notstromsysteme können mit Brennstoffzellen arbeiten.

Raumfahrt und Spezialanwendungen

In der Raumfahrt wurden Brennstoffzellen eingesetzt, weil sie zuverlässig Strom liefern können und bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion Wasser entsteht. Weitere Spezialanwendungen finden sich beispielsweise in U-Booten oder Forschungsanlagen.

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Chancen und Grenzen

Chancen	Grenzen
Direkte elektrochemische Umwandlung ohne klassischen Verbrennungsprozess	Wasserstoff muss energieaufwendig hergestellt, gespeichert und transportiert werden
Bei reinem Wasserstoff entsteht am Einsatzort hauptsächlich Wasser	Die Gesamtklimabilanz hängt stark von der Wasserstoffherstellung ab
Elektromotoren ermöglichen leisen und lokal abgasarmen Betrieb	Infrastruktur für Erzeugung, Transport und Betankung ist aufwendig
Abwärme kann in stationären Anlagen genutzt werden	Katalysatoren und Membranen sind kostspielig und altern
Verschiedene Brennstoffzellentypen decken unterschiedliche Anwendungen ab	Umwandlungsverluste treten entlang der gesamten Energiekette auf

Eine faire Bewertung muss die gesamte Kette betrachten: Stromerzeugung, Wasserstoffproduktion, Aufbereitung, Speicherung, Transport, Brennstoffzelle und Nutzung. Die Aussage „Aus dem Auspuff kommt nur Wasser“ beschreibt lediglich den Betrieb am Fahrzeug und nicht automatisch die gesamte Umweltwirkung.

Sicherheit

Wasserstoff ist farb- und geruchlos, sehr leicht und brennbar. Er kann sich in Luft schnell verteilen, aber in geschlossenen oder schlecht belüfteten Bereichen auch zündfähige Gemische bilden. Technische Systeme benötigen deshalb dichte Leitungen, geeignete Werkstoffe, Drucksicherung, Sensoren und Lüftung.

Im Chemieunterricht gelten die Anweisungen der Lehrkraft und die schulischen Sicherheitsregeln. Experimente werden nur mit zugelassenen Lehrmitteln und kleinen Gasmengen durchgeführt. Eine Knallgasprobe ist kein notwendiger Bestandteil eines Brennstoffzellenversuchs.

Zusammenfassung

1. Elektrochemischer Energiewandler: Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme um.
2. Anode: Wasserstoff wird oxidiert und gibt Elektronen ab.
3. Kathode: Sauerstoff wird reduziert und reagiert mit Protonen und Elektronen zu Wasser.
4. Protonenaustauschmembran: Sie leitet Protonen, während Elektronen über den äußeren Stromkreis fließen.
5. Stack: Viele Einzelzellen werden für eine höhere Spannung zusammengeschaltet.
6. Wasserstoffherstellung: Die Klimabilanz hängt entscheidend von der Herkunft des Wasserstoffs ab.
7. Energiekette: Elektrolyse, Speicherung, Transport und Brennstoffzelle verursachen jeweils Verluste.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Brennstoffzelle? (Ein elektrochemischer Energiewandler mit fortlaufender Stoffzufuhr) (!Ein Gerät zur Erzeugung von Energie aus dem Nichts) (!Eine Batterie ohne Elektroden) (!Ein rein thermischer Verbrennungsmotor)

Welcher Vorgang findet an der Anode einer PEM-Brennstoffzelle statt? (Wasserstoff wird oxidiert) (!Sauerstoff wird oxidiert) (!Wasser wird reduziert) (!Protonen werden zu Neutronen)

Wo fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode? (Durch den äußeren Stromkreis) (!Durch die Protonenaustauschmembran) (!Nur durch das entstehende Wasser) (!Durch den Wasserstofftank)

Welche Aufgabe hat die Protonenaustauschmembran? (Sie lässt Protonen passieren und hält Elektronen weitgehend zurück) (!Sie speichert den gesamten Wasserstoff) (!Sie verbrennt den Sauerstoff) (!Sie wandelt Wasser direkt in Platin um)

Welches Stoffteilchen wird an der Kathode reduziert? (Sauerstoff) (!Wasserstoff) (!Platin) (!Kohlenstoff)

Wie lautet die Gesamtreaktion der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle? (Zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül reagieren zu zwei Wassermolekülen) (!Wasser reagiert ohne Energiezufuhr zu Wasserstoff und Sauerstoff) (!Wasserstoff reagiert zu Kohlenstoffdioxid) (!Sauerstoff reagiert zu Methan)

Warum werden Einzelzellen zu einem Stack verbunden? (Um eine höhere nutzbare Spannung zu erhalten) (!Um Sauerstoff vollständig zu vermeiden) (!Um die Redoxreaktion rückgängig zu machen) (!Um aus Wasser Platin herzustellen)

Welche Aufgabe hat ein Katalysator in der Brennstoffzelle? (Er senkt die Aktivierungsenergie der Reaktionen) (!Er liefert dauerhaft zusätzliche Energie) (!Er wird vollständig zu Wasser umgesetzt) (!Er verhindert jeden Elektronenfluss)

Wovon hängt die Klimabilanz einer Wasserstoff-Brennstoffzelle besonders ab? (Von der Herstellung und Bereitstellung des Wasserstoffs) (!Nur von der Farbe des Fahrzeugs) (!Nur von der Größe des Elektromotors) (!Ausschließlich von der Menge des entstehenden Wassers)

Welche Energieumwandlung findet bei der Wasserelektrolyse statt? (Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt) (!Chemische Energie wird ohne Verluste in Licht umgewandelt) (!Wärme wird vollständig in Masse umgewandelt) (!Elektrische Energie wird vernichtet)

Memory

Anode	Oxidation
Kathode	Reduktion
Elektrolyt	Ionenleitung
Katalysator	Reaktionsbeschleunigung
Wasserstoff	Brennstoff
Sauerstoff	Oxidationsmittel
Stack	Zellstapel
PEM	Protonenaustauschmembran

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Anode	Ort der Elektronenabgabe
Kathode	Ort der Elektronenaufnahme
Membran	Weg der Protonen
Stromkreis	Weg der Elektronen
Katalysator	Senkung der Aktivierungsenergie

Kreuzworträtsel

Anode	An welcher Elektrode wird Wasserstoff oxidiert?
Kathode	An welcher Elektrode wird Sauerstoff reduziert?
Elektrolyt	Wie heißt das ionenleitende Material zwischen den Elektroden?
Wasserstoff	Welcher Brennstoff wird in der Schulchemie meist betrachtet?
Katalysator	Welcher Stoff beschleunigt eine Reaktion ohne dauerhaft verbraucht zu werden?
Wirkungsgrad	Welche Größe vergleicht nutzbare und zugeführte Energie?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine Brennstoffzelle ist eine Zelle mit fortlaufender Stoffzufuhr. An der Anode wird Wasserstoff . Dabei entstehen Protonen und . Die Elektronen fließen durch den äußeren . Die Protonen wandern durch die . An der Kathode wird Sauerstoff . Als Reaktionsprodukt entsteht . Viele Einzelzellen bilden gemeinsam einen . Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in Energie umgewandelt. Für die Umweltbewertung ist die Herstellung des entscheidend.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffsnetz Brennstoffzelle: Erstelle ein Begriffsnetz mit Anode, Kathode, Membran, Elektron, Proton, Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser.
2. Teilchenbild: Zeichne ein Teilchenmodell einer PEM-Brennstoffzelle und markiere die Wege von Elektronen und Protonen mit unterschiedlichen Pfeilarten.
3. Reaktionsgleichungen: Schreibe die Anodenreaktion, die Kathodenreaktion und die Gesamtreaktion ab und erkläre jede Gleichung in einem Satz.
4. Medienanalyse: Wähle eine Abbildung dieses aiMOOCs aus und beschreibe, welche chemischen Vorgänge sie gut zeigt und welche Details fehlen.

Standard

1. Versuchsprotokoll Brennstoffzelle: Plane ein Protokoll für einen sicheren Modellversuch mit einer schulischen reversiblen Brennstoffzelle. Formuliere Fragestellung, Material, Durchführung, Beobachtung und Auswertung.
2. Energiekette: Erstelle ein Flussdiagramm vom Strom einer Windkraftanlage über Elektrolyse, Wasserstoffspeicherung und Brennstoffzelle bis zum Elektromotor. Kennzeichne jeden Energieverlust.
3. Vergleich Energiespeicher: Vergleiche Brennstoffzelle, Akku und Verbrennungsmotor nach Energieumwandlung, Stoffzufuhr, Abgasen am Einsatzort und möglichen Anwendungen.
4. Erklärvideo: Produziere ein Erklärvideo von höchstens drei Minuten, in dem Du Oxidation, Reduktion und Elektronenfluss ohne Fachfehler darstellst.

Schwer

1. Messreihe Brennstoffzelle: Untersuche mit einem Schulset, wie sich Stromstärke und Spannung bei verschiedenen elektrischen Widerständen ändern. Stelle die Messwerte grafisch dar.
2. Lebenszyklusanalyse: Entwickle Kriterien für eine vereinfachte Lebenszyklusanalyse von grünem und grauem Wasserstoff. Begründe, welche Daten Du benötigen würdest.
3. Standortentscheidung: Erstelle eine begründete Empfehlung, ob eine Schule ein Brennstoffzellen-Notstromsystem prüfen sollte. Berücksichtige Sicherheit, Kosten, Emissionen, Wartung und Lernwert.
4. Forschungsinterview: Formuliere Fragen für ein Interview mit einer Fachperson aus Chemie, Energietechnik oder Feuerwehr. Werte die Antworten anschließend nach chemischen und gesellschaftlichen Aspekten aus.

Lernkontrolle

1. Teilchenebene erklären: Erkläre mithilfe eines selbst gezeichneten Modells, warum Protonen durch die Membran gelangen, Elektronen aber den äußeren Stromkreis nehmen müssen.
2. Störungsanalyse: Eine PEM-Brennstoffzelle liefert plötzlich weniger Strom. Entwickle mindestens drei chemisch oder technisch plausible Ursachen und beschreibe passende Prüfungen.
3. Reaktionsgleichungen übertragen: Leite aus den Teilgleichungen die Gesamtgleichung her und erkläre, warum Ladung und Atomanzahl auf beiden Seiten ausgeglichen sein müssen.
4. Energiekette bewerten: Vergleiche die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in einem Akku mit dem Weg über Elektrolyse, Wasserstoffspeicherung und Brennstoffzelle. Formuliere Anwendungen, bei denen die zusätzlichen Umwandlungsschritte trotzdem sinnvoll sein könnten.
5. Werbeaussage prüfen: Beurteile die Aussage „Ein Brennstoffzellenauto fährt emissionsfrei“. Unterscheide lokale Emissionen, Wasserstoffherstellung und Lebenszyklus.
6. Materialentscheidung: Erkläre, warum ein Katalysator chemisch nützlich, wirtschaftlich aber problematisch sein kann. Entwickle Kriterien für einen besseren Katalysator.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis sind folgende Leistungen wichtig:

1. Fachbegriffe: Anode, Kathode, Oxidation, Reduktion, Elektrolyt, Membran, Katalysator und Stack werden korrekt verwendet.
2. Reaktionsgleichungen: Teilreaktionen und Gesamtreaktion sind stofflich und elektrisch ausgeglichen.
3. Teilchenmodell: Elektronenfluss, Protonentransport und Stoffströme werden nachvollziehbar dargestellt.
4. Energiebetrachtung: Chemische, elektrische und thermische Energie werden unterschieden; Verluste werden berücksichtigt.
5. Bewertungskompetenz: Chancen und Grenzen werden mit Blick auf die gesamte Wasserstoffkette abgewogen.
6. Sicherheit: Risiken des Wasserstoffs und angemessene Schutzmaßnahmen werden sachgerecht beschrieben.
7. Eigenständige Darstellung: Ergebnisse werden in einem Protokoll, Lernplakat, Modell, Vortrag oder Video verständlich dokumentiert.

OERs zum Thema

1. Polymerelektrolytbrennstoffzelle: Vertiefung zu Aufbau, Reaktionen und Materialien der PEMFC.
2. Wikimedia Commons: Sammlung frei lizenzierter Brennstoffzellen-Diagramme.
3. Umweltbundesamt: Einordnung von Wasserstoff im Energiesystem.
4. LEIFIphysik: Schulische Erklärung zur Brennstoffzelle und zu möglichen Brennstoffen.

Verknüpfte Lernbereiche

Brennstoffzellen - Chemie Elektrochemie Galvanische Zelle Redoxreaktion Oxidation Reduktion Elektrolyse Wasserstoff Katalysator Wirkungsgrad Energieträger Erneuerbare Energie