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Leh­rer­in­for­ma­ti­on

In­fo­box

Diese Seite ist Teil einer Ma­te­ria­li­en­samm­lung zum Bil­dungs­plan 2004: Grund­la­gen der Kom­pe­tenz­ori­en­tie­rung. Bitte be­ach­ten Sie, dass der Bil­dungs­plan fort­ge­schrie­ben wurde.

Hin­weis

Es wird dar­auf hin­ge­wie­sen, dass für jedes Ex­pe­ri­ment ent­spre­chend der ei­ge­nen Durch­füh­rung vor der erst­ma­li­gen Auf­nah­me der Tä­tig­keit eine Ge­fähr­dungs­be­ur­tei­lung durch­ge­führt und do­ku­men­tiert wer­den muss. Jede fach­kun­di­ge Nut­ze­rin/jeder fach­kun­di­ge Nut­zer muss die auf­ge­führ­ten In­hal­te ei­gen­ver­ant­wort­lich prü­fen und an die tat­säch­li­chen Ge­ge­ben­hei­ten an­pas­sen.

Weder die Re­dak­ti­on des Leh­rer­fort­bil­dungs­ser­vers noch die Au­to­rin­nen und Au­to­ren der ver­öf­fent­lich­ten Ex­pe­ri­men­te über­neh­men jeg­li­che Haf­tung für di­rek­te oder in­di­rek­te Schä­den, die durch ex­ak­ten, ver­än­der­ten oder feh­ler­haf­ten Nach­bau und/oder Durch­füh­rung der Ex­pe­ri­men­te ent­ste­hen. Wei­ter­füh­ren­de In­for­ma­tio­nen er­hal­ten Sie unter www.​gef​ahrs​toff​e-​schu­le-​bw.​de

Brenn­stoff­zel­le

Die Brenn­stoff­zel­le wurde be­reits vor über 170 Jah­ren von Sir Wil­li­am Grove ent­deckt. Er be­merk­te, mit heu­ti­gen Wor­ten aus­ge­drückt, dass man nach der Elek­tro­ly­se von Was­ser im Prin­zip ein gal­va­ni­sches Ele­ment er­hält, an dem sich der durch Elek­tro­ly­se er­zwun­ge­ne Pro­zess der Zer­set­zung des Was­sers wie­der um­keh­ren lässt.
Vor­aus­set­zung ist es, dass nach der Elek­tro­ly­se die bei­den Elek­tro­den mit Was­ser­stoff bzw. Sau­er­stoff „be­la­den“ blei­ben.

Eine ähn­li­che Ver­suchs­an­ord­nung ist mit ein­fa­chen Mit­tel im Schü­ler­ver­such re­pro­du­zier­bar. Bei die­sem Ver­such kön­nen zu­gleich die vor­her er­wor­be­nen Kennt­nis­se zur Elek­tro­ly­se des Was­sers an­ge­wandt wer­den.

Ver­such 1:  (mög­lich: Schü­ler­ex­pe­ri­ment)

In ein Be­cher­glas (250 ml, hohe Form) wird Ka­li­lau­ge (c = 0,1 mol·L -1 ) ein­ge­füllt.
In die Ka­li­lau­ge wer­den zwei Ra­sier­scher­blatt­fo­li­en ge­taucht, die über Kro­ko­dil­klem­men mit Ka­beln ver­bun­den sind.
Ach­tung:
Nur die Scher­blatt­fo­li­en sol­len in die Lö­sung ein­tau­chen!
Die Fo­li­en sol­len sich in der Lö­sung nicht be­rüh­ren. (ggf. Fest­ein­bau in eine Kunst­stoff­plat­te, die über das Be­cher­glas ge­legt wird; oder Tren­nung mit einem Gum­mi­stop­fen als „Se­pa­ra­tor“, der auf den Be­cher­glas­bo­den plat­ziert wurde)

Mög­li­che Ar­beits­schrit­te:

  1. Elek­tro­ly­sie­ren („Be­la­den“ mit Was­ser­stoff und Sau­er­stoff)
  2. Mes­sen der Zell­span­nung des gal­va­ni­schen Ele­ments, Prü­fen der Po­lung
  3. Scherfo­li­en aus der Lö­sung heben, schüt­teln, wie­der Mes­sen der Zell­span­nung
  4. Er­neu­tes Elek­tro­ly­sie­ren
  5. Be­trei­ben eines Leicht­lauf­mo­tors (oder des Me­lo­die­ge­bers einer Glück­wunsch­kar­te nach Ent­fer­nen der Bat­te­rie)
Abbildung 1 Abb 1.: Be­stim­mung der Zell­span­nung einer Low­Cost-Brenn­stoff­zel­le nach elek­tro­ly­ti­schem Be­la­den der Elek­tro­den mit Was­ser­stoff und Sau­er­stoff.

In die­sem Prak­ti­kum wur­den Grund­la­gen der Funk­ti­on der Brenn­stoff­zel­le er­ar­bei­tet. Dies kann im wei­te­ren Ver­lauf der Stun­de unter Ver­wen­dung des Tex­tes zur his­to­ri­schen Brenn­stoff­zel­le von Grove (siehe Stun­den 9/10) be­ar­bei­tet wer­den.

Im wei­te­ren Stun­den­ver­lauf ler­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler mo­der­ne Brenn­stoff­zel­len ken­nen. Dazu eig­net sich vor allem die PEM-Brenn­stoff­zel­le, die im Leh­rer­de­mons­tra­ti­ons­ver­such ge­zeigt wer­den kann, einen hohen Ak­tua­li­täts­grad be­sitzt und re­la­tiv ein­fach in ihrer Funk­ti­ons­wei­se be­schrie­ben wer­den kann. An die­ser Stel­le wird das Prin­zip der kon­ti­nu­ier­li­chen Be­schi­ckung mit „Brenn­stoff“ ein­ge­führt, das im Schü­ler­ver­such noch keine Rolle spiel­te.
Die ak­tu­el­le und zu­künf­ti­ge Be­deu­tung von Brenn­stoff­zel­len kann hier be­reits an­ge­deu­tet wer­den.

Ver­such 2: PEMFC und Fuel-Cell-Stack (Leh­rer­de­mons­tra­ti­ons­ex­pe­ri­ment)
Abbildung 2 Abbildung 3

Abb.: PEM-Brenn­stoff­zel­le und Brenn­stoff­zel­len-Stack für Schul­ver­su­che

Ziel der ab­schlie­ßen­den Dop­pel­stun­de ist es, dass die Schü­le­rin­nen und Schü­ler Zu­kunfts­per­spek­ti­ven der Was­ser­stoff- und Brenn­stoff­zel­len­tech­no­lo­gie be­wer­ten kön­nen.
Dies er­folgt an­hand von Re­cher­che und Text­ar­beit. Mög­lich­kei­ten und Pro­ble­me die­ser Zu­kunfts­vi­sio­nen wer­den kri­tisch be­ar­bei­tet und in einem Pos­ter dar­ge­stellt.
Der Zu­sam­men­hang zwi­schen Strom­pro­duk­ti­on aus er­neu­er­ba­ren En­er­gie­quel­len, Her­stel­lung des Was­ser­stoffs durch Elek­tro­ly­se und Be­trieb von Brenn­stoff­zel­len kann in einer Ver­suchs­an­ord­nung dar­ge­stellt wer­den:

Ver­such 3: „Ab­gas­frei in die Zu­kunft“ Leh­rer­de­mons­tra­ti­ons­ver­such
Abbildung 4 Abb.: Ver­suchs­an­ord­nung mit Pho­to­vol­ta­ik-Modul,
Was­ser­elek­tro­ly­seur, Brenn­stoff­zel­le und Motor/Pro­pel­ler

Für die Er­ar­bei­tung der Fra­ge­stel­lun­gen eig­net sich zum Bei­spiel fol­gen­der Text:

  • Frick, Frank: Ab­gas­frei um den Glo­bus. In: Bild der Wis­sen­schaft, Heft 12/2011, S. 88 ff.

im In­ter­net zu­gäng­lich unter

http://​www.​focus.​de/​wis­sen/​wis​sens​chaf​t/​bdw/​tid-​24193/​bre​nnst​offz​elle-​mi­nus­punk­te-​fuer-​elek­tro­ly­se_​aid_​684301.​html [01.12.2011]

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler sol­len er­ken­nen, dass neben der tech­no­lo­gi­schen Ver­voll­komm­nung der Brenn­stoff­zel­len (z.B. als Fahr­zeug­an­trieb, in der Hau­s­ener­gie­ver­sor­gung etc.) und der Was­ser­stoffspei­cher­mög­lich­kei­ten vor allem die Frage nach der Her­kunft des Was­ser­stoffs und nach der Her­kunft des für die Elek­tro­ly­se von Was­ser be­nö­tig­ten elek­tri­schen Stroms für die wirt­schaft­li­che und öko­lo­gi­sche Be­wer­tung in Zu­kunft ent­schei­dend ist.

Ge­gen­wär­tig wird Was­ser­stoff noch haupt­säch­lich aus Erd­gas und zu­neh­mend aus dem bei der Bio­die­sel­pro­duk­ti­on als Kop­pel­pro­dukt an­fal­len­den Roh­gly­ce­rin her­ge­stellt.

Durch Was­ser­elek­tro­ly­se her­ge­stell­ter Was­ser­stoff – was ei­gent­lich öko­lo­gisch sinn­vol­ler wäre - hätte ge­gen­wär­tig auf­grund des noch größ­ten­teils in Ver­bren­nungs­kraft­wer­ken aus fos­si­len En­er­gie­trä­gern ge­won­ne­nen elek­tri­schen Stroms eine noch un­güns­ti­ge­re Öko­bi­lanz.

Diese kom­ple­xen Zu­sam­men­hän­ge kön­nen in einem Pos­ter dar­ge­stellt wer­den. Die dazu not­wen­di­ge Re­cher­che ist durch­aus an­spruchs­voll und ver­langt eine gute Ver­tei­lung der Auf­trä­ge in den Schü­ler­grup­pen.
Die Er­ar­bei­tung des Pos­ters bil­det den Ab­schluss der Un­ter­richts­ein­heit.

Leh­rer­in­for­ma­ti­on: Her­un­ter­la­den [doc] [143 KB]

Leh­rer­in­for­ma­ti­on: Her­un­ter­la­den [pdf] [237 KB]