Brennstoffzellen - Antriebstechnologie der Zukunft?

Welches physikalisches Prinzip steht dahinter?

Die Brennstoffzelle kehrt den Prozess der Wasser- Elektrolyse um. Erinnern wir uns: bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Brennstoffzelle nimmt genau diese beiden Stoffe, Wasserstoffgas und Sauerstoff und wandelt sie wieder in Wasser um. Dabei wird theoretisch die Menge elektrischer Energie wieder abgegeben, die bei der Elektrolyse zur Spaltung notwendig war. In der Praxis führen verschiedene physikalisch-chemische Prozesse und innere elektrische Widerstände zu geringfügigen Verlusten. Folglich liegt der Wirkungsgrad sehr hoch (ca. 85%). Mit dem Wasserstoff hat man ein Gas, welches als&nbsp;Energiespeicher genutzt werden kann. Die Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie in elektrische um, die dann zum Betrieb eines Elektromotors genutzt werden kann.

Der Wirkungsgrad (Eta) dieser Umwandlung wird folgendermaßen bestimmt: 

Interaktives Lernbuch für Lehrende und Lernende

Experiment - Wettrennen von Brennstoffzellenautos

Materialien: Brennstoffzellenfahrzeug, Zubehör in der Materialbox, Sonnenstrahlung, Alternativen: Halogenlampe mit Netzteil, OH-Projektor Destilliertes Wasser Durchführung Der Aufbau des Fahrzeugs erfolgt vorsichtig gemäß der beiliegenden Anleitung. Stoppe die Zeit für die Betankung und die Fahrzeit! Teil 1 - Tankvorgang Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Beleuchtung der Solarzelle (nicht im Bild).&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Teil 2 - Fahrbetrieb Fahrbetrieb des Brennstoffzellenautos, starte mit der Parallelgruppe ein Wettrennen!&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;

Vor- und Nachteile der Antriebstechnologie

Die einzelnen Technologiepfade zur Elektrifizierung des Straßenverkehrs haben spezifische Vor- und Nachteile. Die direkte Nutzung von Strom in batterieelektrischen Fahrzeugen hat den höchsten energetischen Gesamtwirkungsgrad und damit verbunden die geringsten Betriebskosten für den Verbraucher. Der flächendeckende Aufbau von Ladeinfrastruktur, die Notwendigkeit eines Stromnetzausbaus und die Herausforderungen beim ökologischen Rohstoffbezug sind die Herausforderungen des batterieelektrischen Technologiepfades. Sie besitzen zudem eine große Bedeutung für die gesellschaftliche Akzeptanz des batterieelektrischen Fahrzeugs. Der Brennstoffzellenantrieb ermöglicht dem Nutzer eine höhere Reichweite und einen höheren Komfortgrad und wird daher mitunter präferiert. Er ermöglicht ein ähnliches Verkehrsverhalten wie ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und fossilen Kraftstoffen. Es bestehen aber systemische Nachteile der Brennstoffzelle hinsichtlich eines geringeren Energieeeffizienzgrads (Wirkungsgraq des). Der Platinbedarf der Brennstoffzelle hat Rohstoffbedarfe und -unsicherheiten zur Folge, die im Vergleich zum batterieelektrischen Fahrzeug jedoch weitaus geringer sind.

Brennstoffzelle im Auto: Besser als Lithiumakkus? | Harald Lesch

Die Brennstoffzelle ist ein klassisches Beispiel für ein naturwissenschaftliches Thema, in dem globales Denken gefordert ist. 

Es geht um ein Zusammenspiel von Physik, Chemie, Technik und Nachhaltigkeit, die nur in der gemeinsamen Betrachtung zu einer aussagefähigen Beurteilung der Zukunftsfähigkeit dieser Technik führen.

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei gasdurchlässigen Elektroden, der Anode und der Kathode, die durch eine gasdichte Membran voneinander getrennt sind. Beide Elektroden sind mit einem Platinkatalysator beschichtet, der die Reaktionen an den Elektroden unterstützt. 1. An der Anode werden Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen und Elektronen zerlegt. Dabei entstehen negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen. Diese können die Membran durchqueren und wandern in Richtung Kathode. 2. Die Elektronen gelangen über den äußeren Stromkreis dorthin. 3. An der Kathode werden die Sauerstoffmoleküle in Sauerstoffatome getrennt, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen und zu Sauerstoffionen werden. Diese vereinigen sich jeweils mit 2 Protonen zu Wassermolekülen.

Animation der Vorgänge: Welcher Teilschritt wird nicht korrekt dargestellt?

Die Energiebilanzen zeigen, welcher Anteil der eingesetzten Energie letztlich zum Antrieb des Autos genutzt werden kann.

Weitergehende Informationen können im Originalartikel nachgelesen werden. Dort findet sich auch der Vergleich zum Verbrennungsmotor.

Deckblatt https://t1-cms-1.images.toyota-europe.com/toyotaone/dede/mirai%202019%201140x498_tcm-17-1776451.jpg Nachhaltigkeitsdreieick https://www.vci-nord.de/fileadmin/_processed_/4/0/csm_nachhaltigkeitsdreieck-neu_28a5506895.png Schema Brennstoffzelle https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Schema_Zeichnung_einer_Brennstoffzelle_08.12.2017.png Wasser-Elektrolyse https://www.energie-wasser-praxis.de/technik/artikel/wasserstoff-statt-kohle-weltgroesste-power-to-gas-anlage-entsteht-in-linz/ Wirkungsgradsgrad https://de.wikipedia.org/wiki/Wirkungsgrad Energiebilanzen https://medium.com/@lukasvh/die-elektrifizierung-der-mobilit%C3%A4t-warum-die-zukunft-elektrisch-fahren-wird-und-das-schneller-e21e0d98a5f6 Alle weiteren Bilder: Joachim Kranz

Joachim Kranz Humboldt-Universität zu Berlin Fachdidaktik und Lehr-Lernforschung Brook-Taylor-Str. 2 12489 Berlin-Adlershof 04.2020

Modellversuch zu den Teilchenvorgängen in der Brennstoffzelle

„Befülle“ die Brennstoffzelle im Schnittbild (unten) mit den angegeben Gasen. Nutze die in der Box liegenden Einkaufschips. Überlege, welche Reaktionen an den beiden Elektroden ablaufen. Versuche Teilchenbewegungen und Reaktionen durch Verschieben der einzelnen&nbsp;Teilchen darzustellen. Das Produkt sollte die Brennstoffzelle verlassen. Tipp:&nbsp;&nbsp;&nbsp;Bedenke die Teilchenbilanz!

Was versteht man unter einer Brennstoffzelle? Welches physikalische Prinzip steht dahinter? Was passiert chemisch? Modellversuch zu den Teilchenvorgängen Experiment: Wettrennen von Brennstoffzellenautos Energiebilanzen Vor- und Nachteile der Antriebstechnologie Impressum

Vertiefte Informationen für Interessierte bietet die nebenstehende Handreichung. Bitte anklicken!

Was versteht man unter einer Brennstoffzelle?

Eine Brennstoffzelle wandelt Sauerstoff und Wasserstoff in&nbsp;elektrische Energie&nbsp;und Wärme um. Der Brennstoff ist Wasserstoff, das Endprodukt ist Wasser. Brennstoffzellen enthalten Platin-Elektroden als Katalysatoren zur Auftrennung der Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle und eine PEM-Membrane (Protonen-Exchange-Membrane, Nr. 4 unten).

Überprüfung der Begriffe, die für die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle wichtig sind.

Welche Bauteile benötigt ein Brennstoffzellen-Fahrzeug?

Wende den Begriff der Nachhaltigkeit bei der Beschreibung der Grafik an!

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