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
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