Einbindung in den Unterricht

Experimente:
Versuch: Einfache Einkammer-Brennstoffzelle im U-Rohr
Versuch: Herstellen einer kationenaktiven Membran aus Agar
Versuch: Herstellen einer anionenaktiven Membran aus Polypyrrol
Versuch: Brennstoffzelle im Zweikammersystem
Versuch: Brennstoffzelle im Dreikammersystem


Aufbau einer Unterrichtseinheit

1. Voraussetzungen
Die Schülerinnen und Schüler müssen mit Elektronenübertragungsreaktionen vertraut sein. Es bietet sich an, das Thema "Brennstoffzellen" im Rahmen einer Unterrichtsreihe zum Thema "Elektrochemie/Galvanische Elemente" zu integrieren. Einfache galvanische Elemente (z. B. Daniell-Element) und die dazugehörigen Reaktionen sollten den Schülerinnen und Schülern bekannt sein. Da das Thema "Brennstoffzellen" zu thermodynamischen Betrachtungen einlädt, sollten, falls möglich, Vorkenntnisse hierzu ebenfalls vorhanden sein.

2. Thermodynamische Betrachtungen
Im Zentrum der thermodynamischen Betrachtungen zum Thema steht der Begriff der Energieumwandlung. Verschiedene Arten der Energie und ihre unterschiedlichen Wertigkeiten sollen hier angesprochen werden.
Entnimmt man einer chemischen Reaktion nur Wärmeenergie (wie es beim Verbrennungsmotor oder Wärmekraftwerk der Fall ist), so ist diese von geringerer Wertigkeit als z. B. die direkte Umwandlung in elektrische Energie. Bei Wärmekraftmaschinen aller Art treten Verluste auf, die durch den Carnotschen Wirkungsgrad bestimmt sind.

3. Beispielhafte Einordnung des Themas in den Zusammenhang der Redox-Chemie
An diesem Punkt soll die Brennstoffzelle als ein spezielles galvanisches Element im thematischen Zusammenhang der Redox-Chemie betrachtet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dieser Abschnitt auf einer Extra-Webseite untergebracht.

4. Möglicher Gang einer Unterrichtsreihe
Im Unterricht kann man sich dem Thema "Brennstoffzellen" auf zwei Arten nähern: Erstens über thermodynamische Überlegungen zur Energieumwandlung (s. o. Punkt 2), zweitens durch die Betrachtung der Brennstoffzelle als ein spezieller Typ eines galvanischen Elements (s. o. Punkt 3).
Zur Verdeutlichung des Prinzips kann eine einfache Brennstoffzelle aufgebaut werden. Zur Bestätigung der vorher angestellten thermodynamischen Überlegungen sollte hierbei lediglich die entstehende Leerlaufspannung gemessen werden, da sich die Zelle hierbei (annähernd) im Gleichgewicht befindet.
Soll das Membranverfahren bei Brennstoffzellen behandelt werden, können im nächsten Schritt unterschiedliche Sorten von Ionenaustauschermembranen angesprochen werden, wobei es auch möglich ist, ionenselektive Membranen selbst herzustellen (Versuch 1 und Versuch 2). Bei der Verwendung von Ionenaustauschermembranen muss auf Diffusionsphänomene und auf den Zusammenhang zwischen Elektronen- und Ionentransport in einem galvanischen Element eingegangen werden. Mit den hier vorgestellten Modellen zum Zweikammer- und Dreikammersystem ist es möglich, technische Brennstoffzellen zu simulieren und ihre Arbeitsweise in der Praxis zu erproben. Genauere Messungen zum Strom-Spannungsverhalten und zur Leistungsfähigkeit können sich anschließen. Zum Schluss bieten sich weitergehende Berechnungen zum Wirkungsgrad von Brennstoffzellen und zum Materieumsatz an.
Das Thema "Brennstoffzellen" eignet sich gut zur Umsetzung innerhalb eines Projektes. In diesem Rahmen können andere Modelle für Brennstoffzellen aufgebaut werden. Eine Brennstoffzelle, die Hydrazin als Brennstoff benutzt, ist in [12, S. 170-172] beschrieben. Brennstoffzellen sind in gewisser Hinsicht Modelle für die biochemische Endoxidation. So sind auch Experimente mit biochemischen Brennstoffzellen beschrieben worden: [13].

5. Minimalprogramm
Falls wenig Zeit zur Behandlung des Themas zur Verfügung steht, kann es auf ein Minimalprogramm reduziert werden. Hierzu gehören:
- die Behandlung der Grundlagentexte (Der Einstieg) und die Einordnung des Themas in den Zusammenhang der Redox-Chemie (s. o. Punkt 3).
- der Aufbau eines einzelnen Versuchsmodells. Es empfiehlt sich dabei, das leistungsfähigste System zu nehmen: Zweikammersystem, Nafion®-Membran und Schwefelsäure als Elektrolyt (Versuch 6).

6. Systemvoraussetzungen
Da verschiedene Web-Browser den verwendeten HTML-Code unterschiedlich interpretieren (besonders bei Frames und Tabellen), wurde dieser Web-Bereich für den Netscape Navigator 4.0 oder höher optimiert. Am besten sichtbar sind die Seiten bei einer Bildschirmauflösung von 800 x 600 Pixel.


Weitere Texte zum Thema „Brennstoffzellen“


Literatur


Diese Seite ist Teil eines großen Webseitenangebots mit weiteren Texten und Experimentiervorschriften auf Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie.
Letzte Überarbeitung: 24. April 2010, Dagmar Wiechoczek