Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle

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1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 19. Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle 1 von 20 Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle Marc Heinzerling, Baumbach Die Brennstoffzelle hält Einzug in unsere Lebenswelt, ohne direkt wahrgenommen zu werden. So wird diskutiert, ob eine solare Wasserstoffwirtschaft, in der die Brennstoffzelle eine zentrale Rolle spielt, eine Alternative zur fossilen und atomaren Energiewirtschaft der Gegenwart ist. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, den Schülern die entsprechenden Basisinformationen mit auf den Weg zu geben, um an dieser teilweise sehr kontrovers geführten Debatte teilhaben zu können. Methanol-Brennstoffzelle Foto: NASA, Abrev Die Brennstoffzelle eine alte Technik neu entdeckt! Der Beitrag im Überblick Klasse: 9/10 Inhalt: Dauer: 8 Stunden Knallgas eine Reaktion mit Folgen Ihr Plus: ü Aktualität ü Fachübergreifend (Chemie) ü Technisch interessant (Elektroauto als Anwendung) Wasserstoff Eigenschaften, Herstellung und Speicherung Brennstoffzelle Funktion, Anwendung und Geschichte

3 2 von Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Fachliche Hintergrundinformation Die Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, das die Energie einer chemischen Reaktion zwischen einem kontinuierlich zugeführten Brennstoff (z. B. Wasserstoff, Methanol) und einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff) in elektrische Energie umwandelt. Hierbei entsteht zwischen zwei Elektroden eine Gleichspannung. Die Spannung ist vom Brennstoff, der Qualität der Zelle und der Temperatur abhängig. Die Grundidee der Brennstoffzelle stammt aus dem 19. Jahrhundert. Die Brennstoffzelle wurde jedoch lange als eher ineffektiver Vertreter eines galvanischen Elementes wahrgenommen und deshalb technisch von anderen galvanischen Elementen wie z. B. der Zink-Kohle-Batterie überholt. Erste technische Bedeutung erhielt die Brennstoffzelle mit Beginn der bemannten Raumfahrt in den 70er-Jahren des 20. Jahrhunderts. Heute wird der Einsatz der Brennstoffzelle zur mobilen (Elektroauto) und zur stationären Energieversorgung (Schwimmbäder, Krankenhäuser, kleinere Kommunen) breit diskutiert. Auch physikalisch nicht so interessierten Schülern wird das Thema Brennstoffzelle Spaß machen, da es einen hohen Alltagsbezug hat. Brennstoffzellen im Vergleich Die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) und SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) unterscheiden sich vor allem in Bezug auf das Material des Elektrolyten, der eingesetzt wird. Proton-Exchange-Membrane(PEM)-Brennstoffzellen Die PEMFC verwendet als Elektrolyten eine dünne Membran, die aus einem Polymer besteht, das eine Protonenwanderung zulässt. Die PEMFC arbeitet bei einer Betriebstemperatur von circa 90 C, was bedeutet, dass das entstehende Wasser flüssig abgeführt werden muss. Mit dieser Betriebstemperatur zählt sie zu den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen. Um den maximal möglichen Wirkungsgrad von (zurzeit) 35 % zu erreichen, wird Platin als Katalysator verwendet. Aufgrund ihrer Bauweise und ihrer geringeren Betriebstemperatur findet sie vor allem in der mobilen Energieversorgung von Elektrogeräten (z. B. dem Laptop) Anwendung. Oxidkeramische (SOFC-)Brennstoffzellen Die SOFC verwendet als Material Zirkoniumdioxid, das mit Yttrium dotiert (d. h. versetzt) wurde. Durch die Dotierung erreicht man, dass der Feststoff für Sauerstoff-Ionen sehr gut leitfähig wird, was aber erst bei hohen Temperaturen der Fall ist. Mit einer Betriebstemperatur von 800 C und mehr zählt sie zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Bei diesen Temperaturen reicht es aus, Nickel als Katalysator zu verwenden, um einen Wirkungsgrad von % zu erreichen. Die hohe Betriebstemperatur nutzt man in Blockheizkraftwerken aus, wobei die Abwärme zur Energieversorgung im Rahmen eines Nahwärmenetzes genutzt werden und damit der Wirkungsgrad noch erhöht werden kann. Internetrecherche zu den Einsatzgebieten der Brennstoffzelle Diese Informationen sollen die Schüler durch eigene Recherche im Internet erweitern. Thema einer Hausarbeit könnten z. B. die verschiedenen Einsatzgebiete der beiden Brennstoffzellen-Typen sein (M 8 M 10).

4 19. Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle 3 von 20 Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Gliederung Dieser Unterrichtseinheit liegt ein modulares System zugrunde. Deshalb können Sie neben der gesamten Einheit auch nur Teile einsetzen. Diese sind in sich geschlossen. Teil I behandelt die der Brennstoffzelle zugrunde liegende Knallgasreaktion (M 1) und den Energieumsatz bei dieser Reaktion (M 2). Teil II befasst sich mit der Erzeugung (M 3) und den Eigenschaften (M 4) des primären Brennstoffs der Brennstoffzelle: dem Wasserstoff. Teil schließlich beschäftigt sich mit Funktion (M 5 M 7) und Anwendung der Brennstoffzelle aus technischer Sicht (M 8 M 10). Die Materialien M 8 M 10 bilden ein Expertenpuzzle. Wenn Sie die gesamte Unterrichtseinheit durchführen, erhalten die Schüler einen guten Überblick über die verschiedenen Aspekte der Brennstoffzelle. Fachübergreifendes Arbeiten Viele Versuche und Informationen sind dem Chemieunterricht entlehnt oder nehmen Bezug auf ihn. Deshalb eignet sich das Thema Brennstoffzelle hervorragend für den fachübergreifenden Unterricht in der Einführungsphase der gymnasialen Oberstufe. Während dort im Physikunterricht die Energieformen, ihre Umwandlungen und die zugehörigen Berechnungen behandelt werden, ist die Brennstoffzelle im Chemieunterricht die logische Weiterführung des Themas Galvanische Elemente. Treffen Sie Absprachen mit den Fachkollegen aus der Chemie oder erarbeiten Sie das Thema im Rahmen eines Projektes gemeinsam. Internet Das Internet ist längst zu einer der bedeutendsten Informationsquellen geworden. Obwohl die jetzige Schülergeneration mit diesem Medium aufgewachsen ist, hat sie oft noch starke Defizite im Umgang damit. In M 4, M 8 M 10 sind daher Internetrecherchen vorgesehen. Dabei können Sie davon ausgehen, dass die Schüler den Fachbegriff in eine Suchmaschine eingeben und dann in der Regel Wikipedia als primäre (und oft einzige) Quelle nutzen. Daher sind in der Mediothek einige Links angegeben, die zu übersichtlich gestalteten Seiten führen und einen guten Überblick über das Thema geben. Die Mediothek, die die Basisinformationen enthält, sollten Sie den Schülern als digitale Linkliste zur Verfügung stellen, da die Links teilweise sehr lang sind. Expertenpuzzle: Anwendung der Brennstoffzelle in der Industrie Die Geschichte der Brennstoffzelle und ihre Anwendungen sollen sich die Schüler in Form eines Expertenpuzzles erarbeiten. Dabei präsentieren die Expertengruppen ihre Ergebnisse selbstständig mithilfe von Folien. Denkbar ist auch das Realisieren einer Ausstellung, die nicht auf die Klasse/Gruppe beschränkt bleiben muss, sondern der Schulöffentlichkeit zugänglich gemacht werden kann. Kompetenzen Experimentieren nach Anleitungen Wissen austauschen, Präsentieren, Recherchieren Historische und gesellschaftliche Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse benennen Über Basiswissen verfügen, Informationen aus einem Text und dem Internet auswählen

5 4 von Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz F 1, F 2 F 1, F 4, E 4 F 1, F 5, E 1, E 7, E 10 K 1, K 3, K 5, B 2 F 1, F 2, E 1, E 7, E 9, E 10 E 2 F 4, E 5 E 2, E 3, F 4, E 5 F 1, F 2, E 2, K 6, K 7, B 4 Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen geben die Knallgasreaktion aus dem Chemieunterricht wieder (M 1) und untersuchen die Energieumwandlung bei dieser Reaktion physikalisch (M 2), führen Berechnungen mit Verbrennungsenthalpien durch (M 2), beschreiben einen Versuch zur Herstellung von Wasserstoff und werten diesen aus (M 3); sie führen einen Versuch nach Anweisung selbst durch und werten auch diesen aus, erarbeiten sich mithilfe eines Textes die Möglichkeiten zu und die Schwierigkeiten bei der Speicherung von Wasserstoff (M 4), verstehen durch einen Modellversuch die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle (M 5), eignen sich das technische Prinzip hinter einer Brennstoffzelle mithilfe eines Textes an und setzen es in eine Grafik um (M 6), unterscheiden die Brennstoffzellen-Typen SOFC und PEMFC voneinander (M 6), erarbeiten sich Anwendungen und die Geschichte der Brennstoffzelle und präsentieren sie (M 8 M 10). Anforderungsbereich I, II II II I, II I, II II I, II Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie vorn im Heft hinter der Inhaltsübersicht. Mediothek Literatur Eisner, Werner et al.: elemente chemie II. Gesamtband. Klett (S. 179) Hollemann, Arnold F., Wiberg, Nils: Anorganische Chemie. WdeG (S ) Bayer AG (Hrsg.): Forschung aktuell: Brennstoffzellen Internet M 4 Sehr leicht Eigenschaften und Speicherung von Wasserstoff zu 1. zu

6 19. Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle 5 von 20 M 8 Brennstoffzellen in der Raumfahrt zu zu M 9 Anwendung der Brennstoffzelle in der Industrie zu 1. mpc/bus/home/buses_world/innovations/alternative_drives/brennstoffzelle.html aid_ html 908AB8D3AFB7AB03BB~ATpl~Ecommon~Scontent.html news%5d=3018&tx_ttnews%5bbackpid%5d=161&chash=2859d71e5d98811b8b2302b1da0 31af7 zu D8874E5AAFCF00D46C~ATpl~Ecommon~Scontent.html M 10 Grundzüge einer Wasserstoffwirtschaft zu jg2003/wbgu_jg2003_ex06.pdf zu 2. Ökobilanz einer Brennstoffzelle ttnews%5btt_news%5d=20781&tx_ttnews%5bbackpid%5d=84

7 6 von Von der Knallgasexplosion zur Brennstoffzelle Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 LV Peng! Die Knallgasreaktion V: 10 min D: 5 min V: 15 min D: 10 min r Luftballon(s) r Wasserstoffflasche r Kerze r Streichhölzer r langer Holzstab (1 1,5 m) r Blechdose r Metallbohrer r Schutzbrille M 2 Ab Wandelbar Energieumwandlung bei der Knallgasreaktion M 3 SV/LV Magnesium, Salz- und Schwefelsäure Wasserstoff herstellen V: 15 min D: 5 min Schülerversuch r Magnesiumband (circa 1 cm) r 20%ige Salzsäure (5 ml) (ätzend), (reizend) r Reagenzglas V: 15 min D: 15 min Lehrerversuch r Hoffmann scher Zersetzungsapparat (oder alternativ: U-Rohr) r Spannungsquelle r Kohleelektroden r Kabel r konzentrierte Schwefelsäure (10 ml) (ätzend) M 4 Ab Sehr leicht Eigenschaften und Speicherung von Wasserstoff r Internetzugang M 5 SV Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle ein Modellversuch V: 15 min D: 5 min r U-Rohr r Spannungsquelle r Kohleelektroden r Kabel r Voltmeter r Stoppuhr r konzentrierte Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) (ätzend) M 6 Ab Das technische Prinzip hinter einer Brennstoffzelle M 7 Ab Die chemischen Prozesse in einer Methanol-Brennstoffzelle M 8 Ab Brennstoffzellen in der Raumfahrt r Internetzugang M 9 Ab Anwendung der Brennstoffzelle in der Industrie r Internetzugang M 10 Ab Grundzüge einer solaren Wasserstoffwirtschaft r Internetzugang Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 17. Minimalplan Bei einem sehr knappen Zeitbudget beschränken Sie sich auf M 4 M 6 und lassen die Schüler die Materialien M 8 M 10 als Hausaufgabe bearbeiten. Die auf der Recherche im Internet basierenden Schülervorträge (M 8 M 10) dienen als Leistungsnachweis.

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