Solarzelle, Elektrolyse und Brennstoffzelle
Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung
Bei den Versuchen zur Brennstoffzelle lernen Schüler und Schülerinnen der Klassenstufen 9 und 10, wie umweltfreundlich Energie erzeugt wird, wie diese mittels Elektrolyse gespeichert und wie sie dann zum Antrieb eines Elektromotors oder einend anderen Verbrauchers 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. Die Schüler/-innen erfahren im ersten Teil des Versuchs am Beispiel der Solarzelle, wie umweltfreundlich Energie erzeugt wird. Anhand von Messreihen werden dabei die Eigenschaften einer Solarzelle erkundet.
2. Im zweiten Teil des Versuchs wird die vorher gewonnene Energie mittels der Elektrolyse von Wasser gespeichert und die Produkte der Elektrolyse nachgewiesen.
3. Abschließend 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. Wichtig für den dabei entstehenden Strom ist die Intensität des einfallenden Lichts. Dieser wird z.B. durch Wolken, geographische Lage und Einstrahlwinkels der Lichtquelle beeinflusst, was im Labormaßstab durch die Variation des Abstandes und des Aufstellwinkels simuliert wird.
Der Elektrolyseur - Spaltung von Wasser
Im Wasserelektrolyseur wird elektrische Energie dazu verwendet, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Reaktion wird durch einen Edelmetallkatalysator, beispielsweise Platin, ermöglicht.
Funktionsweise einer Brennstoffzelle
In der Brennstoffzelle wird durch 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. 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.