Vorstellung der Unterrichtsmaterialien

 Bei einem fächerverbindenden Einsatz der Materialien eignet sich dieses Themenfeld besonders für eine Thematisierung im Chemieunterricht. 

Ziel der Lektion

Die SuS führen ein Schülerexperiment zur Elektrolyse und zur Brennstoffzelle durch und bestimmen Wirkungsgrade.

Bestandteile der Lektion

Die SuS führen ein Experiment durch, in dem zunächst mittels Elektrolyse Wasserstoff gewonnen wird (Teil 1: Power-to-Gas), der anschließend in einer Brennstoffzelle genutzt wird, um Strom zu gewinnen (Teil 2: Gas-to-Power). Dabei werden Messdaten aufgenommen, anhand derer der Wirkungsgrad für die Umwandlungsprozesse rechnerisch abgeschätzt werden soll (Teil 3: Wirkungsgrad).

Voraussetzungen

Für die Experimente wurden Experimentiermaterialien aus dem Schülerübungskasten "Brennstoffzelle, Solar-Wasserstoff-Technologie" von Heliocentris verwendet. Davon standen bei der Erprobung sieben Experimentierkästen (Schuleigentum) zur Verfügung, sodass mehrere SuS parallel daran arbeiten konnten. Alternativ können auch ähnliche Experimentiermaterialien zum Einsatz kommen. Das benötigte Material ist im Detail der Lektion selbst zu entnehmen. 

Notwendiges Vorwissen: 

• Aufbau von und Umgang mit einfachen elektrischen Schaltungen (PH)
• Umgang mit elektrischen Messgeräten (Multimeter) (PH)
• Funktionsweise der Elektrolyse und der Brennstoffzelle (CH)
• Umgang mit mathematischen Formeln (M)

Je nach Vorwissen der SuS bietet es sich an, im Vorfeld eine Elektrolyse als Demonstrationsexperiment durchzuführen und dabei auf die Funktionsweise einzugehen. 

Bezüglich der elektrischen Schaltungen müssen bestimmte Begriffe bekannt sein, für die konkrete Ausführung der elektrischen Schaltung stehen den SuS jedoch Hilfen zur Verfügung, sodass Grundkenntnisse in diesem Bereich ausreichen. Für den Fall, dass die Messwertaufnahme nicht gelingt, stehen Ersatzmesswerte zur Verfügung, um den Wirkungsgrad dennoch bestimmen zu können (Teil 3).

Bei der Erprobung hat sich gezeigt, dass die SuS Unterstützung bei der Durchführung benötigen, wenn sie wenig Erfahrung mit selbständigem Experimentieren haben. In diesem Fall sollte die Anzahl der Kleingruppen, die das Experiment parallel durchführen, beschränkt werden (erfahrungsgemäß auf 2-3 Gruppen). Zudem lohnt sich der explizite Hinweis, dass die SuS die Anweisungen zum Experiment aufmerksam und ggf. auch mehrmals durchlesen sollten.

Alternative: Demoexperiment
Bei geringen Experimentierkompetenzen auf Seiten der SuS kann eine Durchführung als Demoexperiment zielführender sein, insbesondere wenn die Funktionsweise von Elektrolyse und Brennstoffzelle noch nicht bekannt sind. Mit den so gewonnenen Messergebnissen können die SuS anschließend eigenständig weiterarbeiten und diese hinsichtlich des Wirkungsgrads auswerten. 

Weiterführende Aufträge

Die Berechnungen zum Wirkungsgrad können als optional gekennzeichnet und dann als weiterführender Auftrag genutzt werden.