Wenn der Strom nicht aus der Steckdose kommt ... - Chik.die-sinis.de
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Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Versuch zur PEM-Brennstoffzelle<br />
Arbeitsaufträge<br />
1. Führen Sie das Experiment laut Anleitung durch, messen Sie <strong>die</strong> Spannung und<br />
prüfen Sie, ob mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Zelle ein Motor betrieben wer<strong>de</strong>n kann.<br />
2. Notieren Sie <strong>die</strong> Reaktionsgleichungen für <strong>die</strong> ablaufen<strong>de</strong>n Reaktionen.<br />
3. Wie lange kann <strong><strong>de</strong>r</strong> Motor nach Abschalten <strong><strong>de</strong>r</strong> Gaszufuhr noch betrieben wer<strong>de</strong>n?<br />
4. Betrachten Sie <strong>de</strong>n Aufbau <strong><strong>de</strong>r</strong> Elektro<strong>de</strong>n. Welche Funktion hat <strong>die</strong><br />
E<strong>de</strong>lmetallbeschichtung auf <strong>de</strong>n Graphit-Elektro<strong>de</strong>n?<br />
5. Warum wur<strong>de</strong>n <strong>nicht</strong> direkt E<strong>de</strong>lmetallelektro<strong>de</strong>n eingesetzt?<br />
6. Welchen Vorteil hat <strong>die</strong> Nutzung einer dünnen Polymer-Membran als Elektrolyt?<br />
Geräte<br />
2 zerlegbare PEM-Brennstoffzellen<br />
Spannungsmessgerät<br />
Kleinelektromotor<br />
Chemikalien<br />
Wasserstoff <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> Gasflasche (F+, R12,<br />
S9, S16, S33)<br />
ggf. Sauerstoff <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> Gasflasche (O, R8,<br />
S17)<br />
<strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
Durchführung<br />
Feuchten Sie <strong>die</strong> Membran einer Zelle mit Wasser an.<br />
Führen Sie dann <strong><strong>de</strong>r</strong> Zelle Wasserstoff und ggf. Sauerstoff zu. Messen Sie zunächst <strong>die</strong><br />
Ruhespannung.<br />
Schließen Sie anschließend einen Kleinelektromotor an und messen Sie erneut <strong>die</strong><br />
Spannung.<br />
Entsorgung<br />
Brennstoffzelle wie<strong><strong>de</strong>r</strong>verwen<strong>de</strong>n.<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)<br />
Mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Weiterentwicklung <strong><strong>de</strong>r</strong> Raumfahrt kamen auch <strong>die</strong> Brennstoffzellen zu einem<br />
neuen Aufschwung. So wur<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>n Apollo-Projekten Brennstoffzellen eingesetzt, <strong>die</strong><br />
mit e<strong>de</strong>lmetallbeschichteten Nickelelektro<strong>de</strong>n betrieben wur<strong>de</strong>n. Wasserstoff und<br />
Sauerstoff wur<strong>de</strong>n gasförmig zugeführt. Als Elektrolyt wur<strong>de</strong> Kalilauge (w = 75 %)<br />
verwen<strong>de</strong>t. Das gesamte System (Zellen und Tank) hatte eine Masse von etwas 800 kg<br />
und lieferte ca. 500 kWh Energie. Eine einzelne Zelle lieferte eine Spannung von 0,9 V<br />
bei einer <strong>Strom</strong>dichte von 100 mA/cm 2 .<br />
Heute wer<strong>de</strong>n alkalische Brennstoffzellen mit schwächer konzentrierter<br />
Kaliumhydroxidlösung (w = 30 %) betrieben, <strong>die</strong> Arbeitstemperatur beträgt maximal 90<br />
°C (Nie<strong><strong>de</strong>r</strong>temperatur-Brennstoffzellen). Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 55-60 %. Das<br />
Ano<strong>de</strong>n- und Katho<strong>de</strong>nmaterial ist teflongebun<strong>de</strong>ner Kohlenstoff mit E<strong>de</strong>lmetallbelegung.<br />
Als Edukte können nur hochreiner Wasserstoff (F+) und Sauerstoff (O) verwen<strong>de</strong>t<br />
wer<strong>de</strong>n. Außer im Raum- und Schifffahrtsbereich kommen alkalische Brennstoffzellen in<br />
stationären Anlagen zum Einsatz. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit hinsichtlich <strong><strong>de</strong>r</strong><br />
eingesetzten Brennstoffe wird <strong>die</strong> alkalische Brennstoffzelle gegenwärtig <strong>nicht</strong><br />
weiterentwickelt und vermutlich keine großtechnische Be<strong>de</strong>utung erlangen.<br />
Arbeitsaufträge<br />
1. Führen Sie das Experiment laut Anleitung durch, messen Sie <strong>die</strong> Spannung und<br />
prüfen Sie, ob mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Zelle ein Motor betrieben wer<strong>de</strong>n kann.<br />
2. Notieren Sie <strong>die</strong> Reaktionsgleichung für <strong>die</strong> ablaufen<strong>de</strong>n Reaktionen.<br />
3. Wie lange kann <strong><strong>de</strong>r</strong> Motor nach Abschalten <strong><strong>de</strong>r</strong> Elektrolyse weiterbetrieben wer<strong>de</strong>n?<br />
Geräte<br />
Spannungsquelle<br />
Spannungsmessgerät<br />
Kleinelektromotor<br />
Becherglas (250 ml)<br />
2 Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
Chemikalien<br />
Kaliumhydroxidlösung (Xi, R36/38, S26)<br />
c = 0,1 mol/L<br />
Durchführung<br />
Geben Sie etwa 200 ml Kaliumhydroxidlösung in das Becherglas.<br />
Stellen Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n und <strong>de</strong>n Glasstab so hinein, dass sich <strong>die</strong> Elektro<strong>de</strong>n<br />
<strong>nicht</strong> berühren.<br />
Verbin<strong>de</strong>n Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n elektrisch leitend mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Gleichspannungsquelle<br />
und elektrolysieren Sie bei 5-8 V ca. 2 Minuten.<br />
Entfernen Sie <strong>die</strong> <strong>Strom</strong>quelle und messen Sie anschließend <strong>die</strong> Spannung.<br />
Versuchen Sie, einen Kleinelektromotor zu betreiben.<br />
Entsorgung<br />
Reste in Sammelbehälter für anorganische Chemiekalienreste<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Saure Brennstoffzelle (PAFC)<br />
Arbeitsaufträge<br />
1. Führen Sie das Experiment laut Anleitung durch, messen Sie <strong>die</strong> Spannung und<br />
prüfen Sie, ob und wenn ja, wie lange mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Zelle ein Motor betrieben wer<strong>de</strong>n kann.<br />
2. Notieren Sie <strong>die</strong> Reaktionsgleichungen.<br />
3. Vergleichen Sie <strong>die</strong>se Zelle mit <strong><strong>de</strong>r</strong> historischen Zelle von Sir William Grove. Welche<br />
Verän<strong><strong>de</strong>r</strong>ungen wur<strong>de</strong>n vorgenommen?<br />
Geräte<br />
Spannungsquelle<br />
Spannungsmessgerät<br />
Kleinelektromotor<br />
Becherglas (250 ml)<br />
Thermometer<br />
Heizplatte<br />
2 Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
Chemikalien<br />
Phosphorsäure (w = 8,5 %)<br />
Durchführung<br />
Geben Sie etwa 200 ml Phosphorsäure<br />
(w = 8,5 %) in das Becherglas.<br />
Stellen Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n so in das<br />
Becherglas, dass <strong>die</strong>se sich <strong>nicht</strong> berühren<br />
– verwen<strong>de</strong>n Sie das Thermometer als<br />
„Abstandshalter”.<br />
Erwärmen Sie <strong>die</strong> Elektrolytlösung auf ca.<br />
50 °C.<br />
Verbin<strong>de</strong>n Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
elektrisch leitend mit <strong><strong>de</strong>r</strong><br />
Gleichspannungsquelle und elektrolysieren<br />
Sie bei 5-8 V ca. 2 Minuten, bis eine<br />
<strong>de</strong>utliche Gasentwicklung an <strong>de</strong>n<br />
Elektro<strong>de</strong>n erkennbar wird.<br />
Entfernen Sie <strong>die</strong> <strong>Strom</strong>quelle und messen<br />
Sie anschließend <strong>die</strong> Spannung.<br />
Versuchen Sie jetzt, einen<br />
Kleinelektromotor mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Brennstoffzelle<br />
zu betreiben.<br />
Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
Phosphorsäure<br />
V<br />
Versuchsaufbau<br />
Thermometer<br />
Magnetrührer<br />
Heizplatte<br />
Entsorgung<br />
Reste in Sammelbehälter für anorganische Chemiekalienreste.<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Versuch zur PEM-Brennstoffzelle<br />
Geräte<br />
2 zerlegbare PEM-Brennstoffzellen<br />
Spannungsmessgerät<br />
Kleinelektromotor<br />
Chemikalien<br />
Wasserstoff <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> Gasflasche (F+, R12,<br />
S9, S16, S33)<br />
ggf. Sauerstoff <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> Gasflasche (O, R8,<br />
S17)<br />
<strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
Durchführung<br />
Feuchten Sie <strong>die</strong> Membran einer Zelle mit Wasser an.<br />
Führen Sie dann <strong><strong>de</strong>r</strong> Zelle Wasserstoff und ggf. Sauerstoff zu. Messen Sie zunächst <strong>die</strong><br />
Ruhespannung.<br />
Schließen Sie anschließend einen Kleinelektromotor an und messen Sie erneut <strong>die</strong><br />
Spannung.<br />
Entsorgung<br />
Brennstoffzelle wie<strong><strong>de</strong>r</strong>verwen<strong>de</strong>n.<br />
Substitutions-Prüfung <strong>nicht</strong> erfor<strong><strong>de</strong>r</strong>lich<br />
Gefahren durch Einatmen o<strong><strong>de</strong>r</strong> Hautkontakt<br />
mit <strong>de</strong>m Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft: keine Gefährdung<br />
Brand- o<strong><strong>de</strong>r</strong> Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine<br />
Gefährdung, da Stoffmengen gering sind.<br />
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft:<br />
Maßnahmen: (Symbole be<strong>de</strong>uten: Min<strong>de</strong>ststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl.System, Lüften,<br />
Brandschutz)<br />
TRGS<br />
500<br />
Schülerversuch Schutzstufe 1<br />
Datum:.........................<br />
Unterschrift:.........................................<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)<br />
Geräte<br />
Spannungsquelle<br />
Spannungsmessgerät<br />
Kleinelektromotor<br />
Becherglas (250 ml)<br />
2 Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
Chemikalien<br />
Kaliumhydroxidlösung (Xi, R36/38, S26)<br />
c = 0,1 mol/L<br />
Durchführung<br />
Geben Sie etwa 200 ml Kaliumhydroxidlösung in das Becherglas.<br />
Stellen Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n und <strong>de</strong>n Glasstab so hinein, dass sich <strong>die</strong> Elektro<strong>de</strong>n<br />
<strong>nicht</strong> berühren.<br />
Verbin<strong>de</strong>n Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n elektrisch leitend mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Gleichspannungsquelle<br />
und elektrolysieren Sie bei 5-8 V ca. 2 Minuten.<br />
Entfernen Sie <strong>die</strong> <strong>Strom</strong>quelle und messen Sie anschließend <strong>die</strong> Spannung.<br />
Versuchen Sie, einen Kleinelektromotor zu betreiben.<br />
Entsorgung<br />
Reste in Sammelbehälter für anorganische Chemiekalienreste<br />
Chemikalien, <strong>die</strong> bei <strong><strong>de</strong>r</strong> Reaktion entstehen:<br />
Wasserstoff (F+, R12, S9, S16, S33)<br />
Sauerstoff (O, R8, S17)<br />
Substitutions-Prüfung: Konzentration <strong><strong>de</strong>r</strong> Kaliumhydroxid-Lösung wur<strong>de</strong> minimiert.<br />
Gefahren durch Einatmen o<strong><strong>de</strong>r</strong> Hautkontakt<br />
mit <strong>de</strong>m Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft: keine Gefährdung<br />
Brand- o<strong><strong>de</strong>r</strong> Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine, da <strong>die</strong><br />
Stoffmengen sehr gering sind.<br />
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: keine<br />
Maßnahmen: (Symbole be<strong>de</strong>uten: Min<strong>de</strong>ststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl.System, Lüften,<br />
Brandschutz)<br />
TRGS<br />
500<br />
Schülerversuch Schutzstufe 1<br />
Datum:.........................<br />
Unterschrift:.........................................<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Saure Brennstoffzelle (PAFC)<br />
Geräte<br />
Spannungsquelle<br />
Spannungsmessgerät<br />
Kleinelektromotor<br />
Becherglas (250 ml)<br />
Thermometer<br />
Heizplatte<br />
2 Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
Chemikalien<br />
Phosphorsäure (w = 8,5 %)<br />
Durchführung<br />
Geben Sie etwa 200 ml Phosphorsäure<br />
(w = 8,5 %) in das Becherglas.<br />
Stellen Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n so in das<br />
Becherglas, dass <strong>die</strong>se sich <strong>nicht</strong> berühren<br />
– verwen<strong>de</strong>n Sie das Thermometer als<br />
„Abstandshalter”.<br />
Erwärmen Sie <strong>die</strong> Elektrolytlösung auf ca.<br />
50 °C.<br />
Verbin<strong>de</strong>n Sie <strong>die</strong> Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
elektrisch leitend mit <strong><strong>de</strong>r</strong><br />
Gleichspannungsquelle und elektrolysieren<br />
Sie bei 5-8 V ca. 2 Minuten, bis eine<br />
<strong>de</strong>utliche Gasentwicklung an <strong>de</strong>n<br />
Elektro<strong>de</strong>n erkennbar wird.<br />
Entfernen Sie <strong>die</strong> <strong>Strom</strong>quelle und messen<br />
Sie anschließend <strong>die</strong> Spannung.<br />
Versuchen Sie jetzt, einen<br />
Kleinelektromotor mit <strong><strong>de</strong>r</strong> Brennstoffzelle<br />
zu betreiben.<br />
Kohleelektro<strong>de</strong>n<br />
Phosphorsäure<br />
V<br />
Versuchsaufbau<br />
Thermometer<br />
Magnetrührer<br />
Heizplatte<br />
Entsorgung<br />
Reste in Sammelbehälter für anorganische Chemiekalienreste.<br />
Chemikalien, <strong>die</strong> bei <strong><strong>de</strong>r</strong> Reaktion entstehen:<br />
Wasserstoff (F+, R12, S9, S16, S33)<br />
Sauerstoff (O, R8, S17)<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
Reihe „<strong>Wenn</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Strom</strong> <strong>nicht</strong> <strong>aus</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Steckdose</strong> <strong>kommt</strong>... – mobile Energiespeicher“<br />
Brennstoffzellen<br />
Substitutions-Prüfung: durchgeführt.<br />
Ergebnis: <strong>die</strong> Konzentration <strong><strong>de</strong>r</strong> Phosphorsäure wur<strong>de</strong> minimiert.<br />
Gefahren durch Einatmen o<strong><strong>de</strong>r</strong> Hautkontakt<br />
mit <strong>de</strong>m Schema 1 (Heft 3, Seite 25 f) geprüft: keine<br />
Brand- o<strong><strong>de</strong>r</strong> Explosionsgefahr mit Schema II (Heft 3, Seite27) geprüft: keine, da<br />
Stoffmengen sehr gering sind.<br />
Sonstige Gefahren mit Schema III (Heft 3, Seite 28) geprüft: keine<br />
Maßnahmen: (Symbole be<strong>de</strong>uten: Min<strong>de</strong>ststandards, Schutzbrille, Handschuhe, Abzug, geschl.System, Lüften,<br />
Brandschutz)<br />
TRGS<br />
500<br />
Lehrerversuch/Schülerversuch Schutzstufe 1<br />
Datum:.........................<br />
Unterschrift:.........................................<br />
Quelle: Chemie im Kontext, Sek. II, Handreichungen für <strong>de</strong>n Unterricht, Cornelsen, Berlin 2006
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