Solarzelle, Elektrolyse und Brennstoffzelle
Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung
Bei den Versuchen zur Brennstoffzelle lernen Schüler und Schülerinnen der Klassenstufen 9 bis 10, wie umweltfreundlich Energie erzeugt wird, wie diese mittels Elektrolyse gespeichert und wie sie dann zum Antrieb eines Elektromotors verwendet werden kann.
Versuchsablauf
Die Versuchsreihe ist in drei Teile gegliedert. Begleitend zum Experimentieren wird auch die Theorie kurz behandelt. Grundkenntnisse (elektrischer Strom, Elektrolyse) sollten jedoch bereits im Unterricht vermittelt worden sein.
1. Zunächst lernen die Schüler/-innen im ersten Teil des Versuchs am Beispiel der Solarzelle, wie man umweltfreundlich Energie erzeugt. Anhand von Messreihen und allgemeinen Beobachtungen werden dabei die Eigenschaften einer Solarzelle erkundet.
2. Im zweiten Teil des Versuchs geht es darum, die vorher gewonnene Energie mittels der Elektrolyse von Wasser zu speichern und die Produkte der Elektrolyse nachzuweisen.
3. Zum Abschluss des Versuchs wird die Erzeugung von elektrischer Energie mit der Wasserstoff-Sauerstoff- Brennstoffzelle thematisiert. Hierfür wird mit Hilfe der im zweiten Teil gewonnenen Energie ein Elektromotor betrieben.
Die Solarzelle - Nutze die Energie der Sonne!
Solarzellen sind Bauteile, die Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln. Sie werden z.B. verwendet, um Satelliten zu versorgen, aber auch, um Notruf-Telefone an entlegenen Straßen zu betreiben. Wichtig für die dabei entstehende Spannung ist dabei die Intensität des einfallenden Lichts. Diese wird z.B. durch Wolken, geographische Lage und Einstrahlwinkels der Lichtquelle beeinflusst, was im Labormaßstab durch die Variation des Abstandes und des Aufstellwinkels variiert wird.
Der Elektrolyseur - Spaltung von Wasser
Im Wasserelektrolyseur wird die elektrische Energie dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Sowohl der Elektrolyseur als auch die Brennstoffzelle des Schülerübungskastens verwenden als Elektrolyten eine spezielle ionenleitende Polymermembran. Die Reaktionen an den beschichteten Elektroden werden durch fein verteilte Teilchen von Edelmetallen, beispielsweise Platin, beschleunigt (katalysiert).
Funktionsweise einer Brennstoffzelle
In der Brennstoffzelle wird bei der Bildung von Wasser aus Sauerstoff und Wasserstoff elektrische Energie frei. Wasserstoff und Sauerstoff werden in unterschiedlichen Tanks gespeichert, in denen sich jeweils eine Elektrode befindet. Getrennt werden die Tanks durch eine protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran (PEM), die nur für Wasserstoff-Ionen (Protonen) durchlässig ist. Die Protonen wandern durch die Membran auf die Sauerstoffseite der Brennstoffzelle. Dort findet dann die Reaktion zu Wasser statt, wobei Energie frei wird. Im Gegensatz zu den Protonen, die den direkten Weg durch die PEM nehmen können, um von der Wasserstoff- zur Sauerstoffseite zu gelangen, müssen die Elektronen des Wasserstoffs den Umweg über die Elektroden nehmen.