Ziel des Versuchs: Bei diesem Versuch wird durch Solarenergie ein Elektrolysator betrieben, welcher Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
| Thema: Die Brennstoffzelle | Tags: Solarenergie, Brennstoffzelle, Energiespeicherung | Klassenstufen: 9-10 | Versuchsart: LV |
Materialien
Materialkoffer zur Brennstoffzelle (enthält Solarzelle, Elektrolysator, Brennstoffzelle und motorbetriebener Rotor), Lichtquelle
Chemikalien
destilliertes Wasser
Durchführung
Es werden circa 5 mL destilliertes Wasser in die Tanks des Elektrolysators gegeben, welche anschließend mit den entsprechenden Aufsätzen geschlossen werden. Danach wird die Solarzelle mit dem Elektrolysator verbunden. Über die Schlauchverbindungen werden Brennstoffzelle und Elektrolysator verknüpft. Die Brennstoffzelle wird an einen Verbraucher (einen motorbetriebenen Rotor) angeschlossen. Die Solarzelle wird nun mit einer Lichtquelle bestrahlt.
Beobachtung
Nach Einschalten der Lichtquelle ist eine Bläschenbildung in den Tanks des Elektrolysators zu beobachten. Nach circa 4 Minuten fängt der Rotor an, sich zu drehen. Nach Abschalten der Lichtquelle (insgesamt circa 10 Minuten Bestrahlung) dreht sich der Rotor etwa 3 Minuten weiter.
Deutung
Die Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um, welche dazu genutzt wird, das Wasser in den Tanks des Elektrolysators zu elektrolysieren. Bei dieser Elektrolyse entstehen Sauerstoff und Wasserstoff, die die Brennstoffzelle speisen:
2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)
Solange Elektronen aus der Solarzelle zugeführt werden, läuft die Reaktion ab. In der Brennstoffzelle reagieren Sauerstoff und Wasserstoff kontrolliert (keine Knallgasreaktion) zu Wasser, welches unter der Freisetzung von elektrischer Energie geschieht. In der Brennstoffzelle liegt an der Anode ein Elektronenüberschuss vor, während an der Kathode ein Elektronenmangel herrscht. Durch dieses Potentialgefälle entsteht ein Elektronenfluss, elektrische Energie, welche den Motor des Rotors antreibt.
Kathode: O2 (g) + H2O(l) + 4 e- → 4 OH-(aq)
Anode: H2 (g) + 2 OH-(aq) → 2 H2O(l) + 2 e-
Entsorgung
Das restliche Wasser im Elektrolysator kann über den Abfluss entsorgt werden.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Der Versuch wurde als Lehrerversuch ausgezeichnet, da es wahrscheinlich ist, dass der Koffer aus Kostengründen nicht im Klassensatz vorhanden ist. Sollte ein Koffer vorliegen, kann der Versuch gemeinsam mit der Klasse erfolgen und besprochen werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Energiespeicherung mittels der Brennstoffzelle in Form des Stationenlernens an einer Station von den SuS in Kleingruppen erarbeiten zu lassen.
Literatur
Experimentierkoffer: Hydro-Genius® School/Teach
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