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Brennstoffzellenauto

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Brennstoffzellenauto
Dr. FuelCell ModelCar Kit

Dr. FuelCell Model Car

Kurzbeschreibung
Der Artikel beschreibt Experimente rund um die Herstellung und Verwendung von Wasserstoff nach der Vorgabe des Dr. FuelCell Model Car.
Kategorien
Mechanik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 10
Basiskonzept: Energie
Sonstiges
Durchführungsform Gruppenexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie (1)

Umwandlung von Wasserstoffenergie in Bewegung

Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Laura Schumann
Kontakt: @
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Franz Boczianowski
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Bereits seit dem letzten Jahrhundert ist Wasserstoff eine unabdingbare Energiequelle. Nach seiner Entdeckung von Henry Garvendish im Jahr 1766 wird das Gas seit 1960 in der Raumfahrt als Raketentreibstoff eingesetzt. Heutzutage ist die Verwendung von Wasserstoff in vielen Bereichen des Alltags, wie beispielsweise als Kühlmittel, Zusatzstoff in Lebensmitteln oder bei der Fetthärtung wiederzufinden. Das größte Feld jedoch bildet die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle für Motoren, Stahlbetriebe oder Brennstoffzellen.[1]

Der Dr FuellCell Modelcar von Heliocentris ist eine Experimentierreihe, welche sich mit Wasserstoff als Energieträger beschäftigt. Wesentlich ist, dass verschiedene Facetten des Wasserstoff durch eine Vielfalt an Experimenten verdeutlicht werden. Die Aufmachung ermöglicht der Lehrkraft eine detaillierte Vorbereitung auf den Unterricht, da die in dem Handbuch enthaltenden Anleitungen differenziert und präzise auf eine Unterrichtssequenz angepasst sind. Im folgenden Wikitext werden aus dieser Reihe Experimente zur Bildung von Wasserstoff und die Umwandlung von Wasserstoffenergie in Bewegung näher vorgestellt.


Didaktischer Teil

Wissenschaftlicher Hintergrund

Wasserstoff ist eines der wesentlichen und am häufigsten vorkommende Elemente in unserem Alltag. Von Untersuchungen unseres Universums, bis hin zu kleinsten chemischen Untersuchungen spielt Wasserstoff eine tragende Rolle. Mit dem steigenden Bedarf an Energie erfährt die Verwendung von Wasserstoffenergie, neben Solar- und Windenergie, eine immer größer werdende Aufmerksamkeit in der heutigen Forschung.

So wurden Prozesse entwickelt, mit denen durch Elektrolyseprozesse reines Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt werden kann. Die Energie kann schließlich in Form von Wasserstoff bis zu ihrer Nutzung gespeichert werden. Durch eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff kann in einer Brennstoffzelle Elektrizität erzeugt werden. Das Aufspalten durch Elektrizität (Elektrolyse) beschreibt ein chemisches Verfahren, bei welchem chemische Verbindung zersetzt werden. Durch das Anlegen einer elektrische Spannung wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, welche in unserem Fall in einer Brennstoffzelle weiterverwendet kann. Dies geschieht durch eine Umkehrung des Elektrolyseprozesses.

Während der Elektrolyse fließt ein Strom zwischen zwei Elektroden, welche in reinem Wasser eingetaucht sind. Da reines Wasser jedoch eine geringe Anzahl an Ionen und daraus resultierend eine geringe Leitfähigkeit besitzt befindet sich zwischen beiden Elektroden eine Kunststoffmembran aus festen Elektrolyten. Diese Membran ist dabei sehr dünn, um den elektrischen Widerstand gering zu halten. Das Konzept der Elektrolyse besteht darin, dass durch Anlegen einer Spannung Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode wandern. Beide Prozesse finden gleichzeitig statt. Dabei spricht man durch die Abgabe von Elektronen an der Anode von einer Oxidation und Aufnahme von Elektronen an der Kathode von einer Reduktion.

Didaktische Einordnung

Die Durchführung der Experimente soll genutzt werden, um den allgemeinen Begriff der Energie und Energieumwandlung auf das Themenfeld der erneuerbaren Energien zu beziehen und zu veranschaulichen. Durch den Alltagsbezug bietet sich an, diese Experimente kontextorientiert einzubetten und nach dem konstruktivistischen Modell von Widodo und Duit (2005) vorzugehen. Da alle Experimente ein Vorwissen zu chemischen Reaktionen, dem Aufbau von Atomen und dem Begriff der Energie voraussetzen, sollte die Lehrkraft an dem Fachwissen der Schüler anknüpfen. SuS können durch die Durchführung der Experimente die Phasen der Elektrolyse und die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie beobachten, messen, darstellen, analysieren und diskutieren. Planungs- und Handlungskompetenzen im Bereich der Durchführung von naturwissenschaftlichen Untersuchungen können vertieft werden.

Die Energie besitzt, als einer von vier Basiskonzepten der Physik eine besondere Stellung im Physikunterricht. Untersuchungen in den 80er Jahren ergaben, dass der Begriff Energie oftmals mit Treibstoff in den Köpfen der Schüler/innen in Verbindung gesetzt wurde. Nachfolgende Studien ergaben, dass sich dies aufgrund des Fortschritts der Technik und Medien änderte und nun der elektrische Aspekt im Vordergrund steht. Fachlich gesehen ist das Thema Energie sehr abstrakt und muss mit vielfältigen Methoden für Schüler und Schülerinnen verständlich gemacht werden.[2]

Die Experimente mit dem FuelCell Car bieten der Lehrkraft eine optimale Differenzierung der Inhalte, sodass eine kleinschrittige Erschließung möglich ist. Die Experimente sollten idealerweise als Gruppenexperimente durchgeführt werden, können aber auch demonstrativ von der Lehrkraft vorgeführt werden. Vorher sollte das Vorwissen zu der chemischen Struktur von Wasserstoff aktiviert worden sein. Nach diesen Experimenten sollten die SuS den chemischen Vorgang in der Brennstoffzelle verstanden haben und die daraus resultierende Bewegung des Autos erklären können. Resultierend soll das Bewusstsein und eine Sensibilisierung für erneuerbare Energien und eine umweltfreundlichere Art der Energiegewinnung geschaffen werden.

Nach dem Berliner Rahmenlehrplan findet sollte die Experimentierreihe im Bereich Energieumwandlung in Natur und Technik, welcher in der 9/10 Klassenstufe thematisiert wird, eingebettet werden. (Berliner Rahmenlehrplan, S.48) Da alle Experimente aufeinander aufbauen, bietet es sich an, die Durchführung in Form einer Projektarbeit über mehrere Unterrichtssequenz zu planen. Dabei könnte man ebenfalls historisch-genetisch vorgehen und die geschichtliche Entwicklung zur Verwendung des Wasserstoffs bis heute verfolgen, um einen roten Faden zu gewährleisten.

Versuchsanleitung

Von allen möglichen Versuchen wird im Folgenden ein Experiment zur Umwandlung von Wasserstoff-Energie in Bewegung vorgestellt. Das Experiment sollte idealerweise an die vorherigen angeknüpft werden um eine Aktivierung des Vorwissens der ermöglichen. Um einen ideale Einbettung der Experiments im schulischen Kontext zu ermöglichen, sollten die Schüler mit dem Aufspalten von chemischen Bindungen, Redoxreaktionen, dem Aufbau und der Wirkung von Batterien, Linearität und Extrapolation vertraut sein.[3]

Die Zielsetzung liegt darin, den SuS zu zeigen, wie durch das Zusammenführen von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom entsteht. Weiterhin soll die Umwandlung von Energien verstanden und das erste Faraday'sche Gesetz der Elektrolyse erarbeitet werden. Ein Weiteres relevantes Lernziel ist das Erkennen von Leistung als Produkt von Stromstärke und Spannung. Zwei dieser Lernziele sind ebenfalls im Berliner Rahmenlehrplan verankert, sodass dieses Experiment in die Planung der relevanten Unterrichtseinheiten eingebettet werden kann, und eine gute Möglichkeit bietet, den Schülern die Notwendigkeit von Reproduzierbarkeit wissenschaftlicher Experimente zu verdeutlichen.[4]

Das Experiment sollte idealerweise in Gruppenarbeit erarbeitet und verstanden werden. Die SuS bekommen Leitfragen und eine detaillierte Beschreibung der Durchführung von der Lehrkraft um einen Leitfaden zu bieten. Das Dr.FuelCell Model Car Kit liefert alle zum Experiment benötigten Utensilien.

Modelauto mit Brennstoffzelle.jpg
Inhalt des der Demobox


Aufbau

Dr. FuelCell ModelCar Aufteilung.jpg

Für dieses Experiment benötigt man folgende Materialien aus dem Kit:

  • 2 Laborkabel (Gelb im Bild)
  • Auto mit Motor(Blau im Bild)
  • Reversible Brennstoffzelle (Rot im Bild)
  • Lastmessbox (Rosa im Bild)
  • Solarmodul (Grün im Bild)
  • Destilliertes Wasser
  • 100-120 Watt PAR-Lampe
  • Gegenstand, wie bspw. einen Holzblock als Stütze für das Auto
  • Stoppuhr (Hellblau im Bild)


Durchführung

Befüllen und Umwandlung von Wasser und Sauerstoff zu Wasserstoff

  1. Die Brennstoffzelle wird verkehrt herum auf einen flachen Untergrund aufgestellt und die Stopfen entfernt. Die Nummerierung auf der Brennstoffzelle muss dabei auf dem Kopf stehen.
  2. Beide Speicherzylinder werden bis zum oberen Rand mit destilliertem Wasser befüllt. Dabei ist äußerst wichtig, dass alle Luftbläschen durch Klopfen der Brennstoffzelle auf dem Untergrund entfernt werden.
  3. Es wird solang Wasser in den Zylinder gefüllt, bis es durch die Röhrchen durch die Brennstoffzelle läuft.
  4. Die Zylinder werden wieder mit den Stopfen verschlossen und richtig herum auf einen flachen Untergrund gestellt.
  5. Das rote Kabel wird mit den roten Buchsen des Solarmoduls und der Brennstoffzelle und das schwarze mit den schwarzen Buchsen des Solarmoduls und der Brennstoffzelle angeschlossen.
  6. Nun werden die Lampe und das Solarmodul mit einem Abstand von 20cm aufgestellt und die Lampe wird eingeschaltet. Die Umwandlung beginnt.
  7. Wenn der Wasserstoff-Speicherzylinder mit ca. 12ml gefüllt ist, wird die Lampe wieder ausgeschaltet und die Brennstoffzelle vom Kabel entfernt

Messung des Verbrauchs von Wasserstoff pro Zeit

  1. Die reversible Brennstoffzelle wird mit der roten und schwarzen Buchse in Fahrtrichtung in die Aussparung auf dem Modellauto gesteckt.
  2. Der Holzblock wird unter dem Auto positioniert. Dabei müssen sich die Räder des Autos frei bewegen können.
  3. Die sich am Auto befindenden Kabel werden mit den Eingängen der reversiblen Brennstoffzelle verbunden. Dabei wird wieder das rote Kabel mit der roten Buchse und das schwarze Kabel mit der schwarzen Buchse verbunden.
  4. Mit dem Einstecken der Kabel beginnt der Messvorgang. Demnach sollte mindestens eine Person das Auto an die Brennstoffzelle stecken und eine andere Person das Protokoll führen und die Zeit stoppen.
  5. Das Niveau im Wasserstoffspeicher wird bis zu einem Niveau von 12ml beobachtet. Dabei wird nach jedem verbrauchten Millimeter die benötigte Zeit festgehalten.

Dieser Versuch muss im Sinne seiner Reproduzierbarkeit mehrmals durchgeführt werden.

Ermitteln der Leistung

  1. Nach der erneuten Herstellung von Wasserstoff wird der Lastdrehschalter der Lastmessbox auf OFFEN gestellt.
  2. Nun wird die mit Wasserstoff befüllte reversible Brennstoffzelle mit der Lastmessbox verbunden, indem das rote Kabel mit der roten Buchse der Brennstoffzelle und der roten Buchse des Amperemeters der Lastmessbox verbunden. Gleiches geschieht mit dem schwarzen Kabel.
  3. Nun wird mit dem ON/OFF Taster die Lastmessbox eingeschaltet und der Lastdrehschalter auf 10 Ohm gestellt.
  4. Stromstärke und Spannung stellen sich ein und werden tabellarisch festgehalten.
  5. In den folgenden Schritten wird die Lastmessbox auf 5 Ohm, 3 Ohm und 1 Ohm eingestellt und jeweils die Messdaten erfasst.

Ergebnisse

Ergebnisse der Untersuchung des Wasserstoffvolumens

Die folgende Tabelle spiegelt zwei Durchführungen der Wasserstoffuntersuchungen wieder. Eine Kopievorlage der Tabelle ist bereits im Handbuch vorgegeben.

Tabelle 1. Wasserstoffvolumen und Laufzeit des Autos
Verbrauch von H+ [in ml] Durchlauf 1 [in sek] Durchlauf 2 [in sek]
0 0 0
1 40 38
2 70 71
3 90 90
4 115 113
5 131 130
6 155 152
7 180 180
8 205 204
9 230 229
10 255 253
11 285 285
12 310 308

Ergebnisse der Untersuchung der Leistung der Brennstoffzelle

In der folgenden Tabelle sind Stromstärke und Spannung abhängig von dem eingestellten Widerstand aufgezeigt. Die Leistung errechnet sich aus dem Produkt von Stromstärke und Spannung.

Tabelle 2. Leistung der Brennstoffzelle
Last [Ω] Stromstärke [A] Spannung [V] Leistung [W}
10 0,068 0,73 0,049
5 0,13 0,69 0,0897
3 0,212 0,65 0,1378
1 0,419 0,56 0,234


Auswertung

Auswertung zum Wasserstoffvolumen

Gr.1: Wasserstoffvolumen als Funktion für die Laufzeit der Räder
Gr.2: Wasserstoffvolumen als Funktion für die Laufzeit der Räder

Bei erster Betrachtung der beiden Graphen wird schnell deutlich, dass der Wasserstoffverbrauch linear mit der Zeit zunimmt. Um das gesamte Volumen von 12 ml zu verbrauchen, benötige die Brennstoffzelle im ersten Durchlauf 310 Sekunden und im Zweiten 308 Sekunden. Bei Ermittlung des Zentralwerts ergab sich, dass die 12 ml des Wasserstoffvolumens im Schnitt nach 309 Sekunden umgesetzt wurden. Im Mittel benötige die Brennstoffzelle somit 25,75 Sekunden um einen Milliliter Wasserstoff umzusetzen. Das Gasvolumen im Wasserstoff-Speicherzylinder nimmt ab, weil die Räder elektrischen Strom benötigen, um sich drehen zu können. Diese werden vom Motor angetrieben, welche seine elektrische Energie durch die Energiefreisetzung bei der Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff bekommt.

Unsicherheiten in der Messung können aus Messfehlern beim Messen der Zeit entstehen. Die Übliche Reaktionszeit des Menschen liegt nach Pschyerembel.[5] bei ca. 0,2 Sekunden, wenn es darum geht auf etwas zu drücken. Somit kann diese Unsicherheit aufgrund der durchschnittlichen Zeit von 25,75 Sekunden vernachlässigt werden. Weitere Unsicherheiten können durch die Ablesegenauigkeit an der Brennstoffzelle und der Einlagerung von Luftbläschen beim Einfüllen vom destillierten Wasser in die Speicherzylinder entstehen. Dabei wird im Handbuch festgehalten, dass Luftblasen von ca. 0,5 Milliliter keine Auswirkungen auf die Messergebnisse haben und demnach vernachlässigt werden können. Die Ablesegenauigkeit liegt bei 3 Millimeter, sodass die Ungenauigkeit auf ungefähr 1,5 Millimetern gesetzt wird. Durch die Hochlagerung und die reibungsfreie Bewegung der Räder können ebenfalls Reibungskräfte durch den Luftwiderstand vernachlässigt werden.

Insgesamt bietet das Experiment eine gute Möglichkeit für die SuS lineare Zuordnungen zu verstehen, Daten tabellarisch und graphisch darzustellen und schließlich zu interpretieren.

Auswertung Leistung der Brennstoffzelle

Beobachtet man die Veränderung von Stromstärke und Spannung, abhängig vom eingestellten Widerstand, so ist offensichtlich, dass mit sinkender Last auch die Stromstärke kleiner wird, jedoch die Spannung steigt. Die theoretisch mögliche Spannung einer Brennstoffzelle beträgt 1,23V. Dabei wird die Differenz zwischen der Zellspannung und der theoretisch möglichen Spannung Überspannung genannt. In unserem Fall trägt der Innenwiderstand zur Überspannung bei. Vergrößern wir den Widerstand an der Lastmessbox, vergrößern wird die Spannung, welche zur Leitung des Stroms in der Brennstoffzelle benötigt wird. Die Lastmessbox entspricht den Richtlinien nach EMV 2004/108/EG.



Sicherheitshinweise

Vor dem Versuch muss eine Sicherheitseinweisung stattgefunden haben. Die SuS tragen zu jedem Zeitpunkt Schutzbrillen.

Literatur

  1. [1], www.zeit.de/wasserstoff.
  2. [Muckenfuß, H. (2006): Lernen im sinnstiftenden Kontext. Entwurf einer zeitgemäßen Didaktik des Physikunterrichts. Cornelsen. Berlin],.
  3. [Bedienungsanleitung für das Dr. FuelCell Model Car Version 4..1.4, März 2011],.
  4. [2],Berliner Rahmenlehrplan Physik für die Sekundarstufe I, Jahrgangsstufe 7-10..
  5. [Pschyrembel Klinisches Wörterbuch. 256. Auflage. de Gruyter, Berlin, New York 1990, ISBN 3-11-010881-X],.

Siehe auch