Title: Experiment Elektrolyseur und Brennstoffzelle
Course: Wasserstoff als Energieträger der Zukunft? - kontextorientierte Förderung von Bewertungskompetenz > Section: Materialien für SuS

In dieser Lektion wird ein Experiment durchgeführt, in dem zunächst durch Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser erzeugt wird, um anschließend wieder Strom zu gewinnen. Dabei sollen vor allem Messdaten aufgenommen werden, sodass ein ungefährer Wirkungsgrad berechnet werden kann

Übersicht

Das Element Wasserstoff (H) kann zur Speicherung überschüssiger elektrischer Energie verwendet werden, die bei Bedarf wieder verfügbar ist. Wie sein Name schon vermuten lässt, ist Wasserstoff neben Sauerstoff (O) einer der Bausteine von Wasser (H_2O), das in großen Mengen auf unserem Planeten verfügbar ist.

Wasser lässt sich durch Energiezufuhr in die beiden Bausteine Wasserstoff und Sauerstoff trennen (Teil 1). Bei der umgekehrten Reaktion aus den separierten Elementen Wasserstoff und Sauerstoff zum Produkt Wasser wird hingegen Energie frei, die wir in Form von Strom nutzen können (Teil 2).

Der grundsätzliche Aufbau des Experiments zur Herstellung von Wasserstoff und dessen Einsatz zur Stromproduktion ist mit den unten aufgeführten Bauteilen möglich. Die Schülerinnen und Schüler sollen das Experiment mit Hilfe dieser Lektion selbstständig durchführen. Sie brauchen dazu:

- eine Stromquelle (Abb. 1), mit der der Elektrolyseur betrieben wird,
- einen Elektrolyseur mit Speichertank (Abb. 2), der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff trennen kann,
- destilliertes Wasser,
- eine Brennstoffzelle (Abb. 3), die aus Wasserstoff und Sauerstoff wieder Wasser erzeugt und dabei Energie freisetzt,
- Stoppuhr und Messbox (Abb. 4), um Leistung und Energie zu berechnen sowie
- 4 Plastikschläuche, 2 Verschlusskappen und 5 Stromkabel.

Teil 1.1: Power-to-Gas - Aufbau

1. Macht euch mit der Übersichtskarte und dem Experimentiermaterial vertraut. Kontrolliert die Vollständigkeit des Experimentiermaterials.
2. Befüllt langsam die beiden Speichertanks mit destilliertem Wasser, sodass die 0 ml-Marke knapp überschritten wird, aber kein Wasser an der Seite herausläuft.
3. Verbindet jeweils mit einem Schlauch den Sauerstoff- bzw. Wasserstoffspeicher mit der oberen Verbindung der entsprechenden Seite der Brennstoffzelle.
4. Verschließt die beiden unteren Ausgänge der Brennstoffzelle mit je einem weiteren Schlauch sowie einer Verschlusskappe.

Teil 1.2: Power-to-Gas - Elektrische Schaltung

Verbindet die Stromquelle mit dem Elektrolyseur wie im Schaltbild zu sehen, d.h.:
1. Verbindet zunächst den Elektrolyseur mit der elektrischen Quelle (Polung beachten!).
2. Ergänzt anschließend das Strom- bzw. Spannungsmessgerät der Messbox. Strommessung in Reihe, Spannungsmessung parallel.
3. Achtet auf eine ordentliche Kabelführung, die leicht nachvollziehbar ist.
4. Stellt den Drehschalter des Strommessgerätes auf „Kurzschluss“.

Teil 1.3: Power-to-Gas - Durchführung

1. Schaltet die elektrische Quelle bei einer Spannung von U ≈ 2 V ein und beobachtet die beiden Gasspeichertanks und den Elektrolyseur. Notiert die Beobachtungen.
2. Notiert die gemessenen Werte für die Spannung U und die Stromstärke I. Achtet auf die Einheiten und die Dezimalstellen.
3. Schaltet die elektrische Quelle aus und lasst das bereits entstandene Gas wieder entweichen, indem ihr die Schlauchenden öffnet.

Nun soll gemessen werden, wie lange es dauert, um mit den zuvor bestimmten Werten für Spannung und Stromstärke ein Wasserstoffvolumen von V = 10 ml zu erzeugen.

4. Messt die Zeit t, die zur Erzeugung dieser Wasserstoffmenge nötig ist, und notiert die Werte.
Hinweis: Beginnt die Messung ggf. erst dann, wenn die 0 ml-Marke gerade überschritten wird und endet, wenn die 10 ml-Marke erreicht ist.
5. Schaltet die elektrische Quelle nun aus. Sie wird für Teil 2 nicht mehr benötigt, wohl aber der zuvor hergestellte Wasserstoff.

Teil 2.1: Gas-to-Power - Aufbau

1. Haltet den Ausgang der Brennstoffzelle auf der Sauerstoffseite mit den Fingern zu und nehmt die Verschlusskappe ab. Öffnet dann langsam die Finger, sodass ca. 2-3 ml aus dem Speichertank entweichen, und setzt die Verschlusskappe wieder auf.
2. Wiederholt dieses Vorgehen auf der Wasserstoffseite.

Die Brennstoffzelle ist nun mit Sauerstoff und Wasserstoff gefüllt und kann daraus elektrischen Strom erzeugen.

Teil 2.2: Gas-to-Power - Elektrische Schaltung

1. Entfernt alle Kabel von Teil 1. Sie werden nun neu angeordnet.
2. Schaltet den Drehschalter der Messbox zunächst auf „offen“.
3. Verbindet die Brennstoffzelle mit dem Strommessgerät. Damit ist sie automatisch auch mit dem integrierten Motor verbunden.
4. Ergänzt anschließend das Spannungsmessgerät der Messbox (parallel zur Brennstoffzelle).
5. Achtet auf eine ordentliche Kabelführung, die leicht nachvollziehbar ist.

Beachtet, dass nun keine externe elektrische Quelle mehr angeschlossen ist.

Teil 2.3: Gas-to-Power - Durchführung

1. Schaltet den Drehschalter auf die Einstellung „Motor“ und notiert die Beobachtungen.
2. Im Folgenden soll bestimmt werden, wie viel elektrische Energie aus einem bestimmten Volumen V Wasserstoff erzeugt werden kann. Hierzu müssen Spannung, Stromstärke, verbrauchtes Wasserstoff-Volumen und benötigte Zeit erfasst werden. Lest daher zunächst alle Arbeitsschritte und führt sie erst dann durch!
3. Stellt den Drehschalter auf „10  Ω“, um den folgenden Messvorgang zu beschleunigen und startet gleichzeitig die Zeitmessung.
4. Notiert die Werte für die Spannung V und die Stromstärke I. Achtet auf die Einheiten und Dezimalstellen. Die Werte können sich im Verlauf der Messung verändern – nehmt dann ggf. Mittelwerte.
5. Stoppt die Zeit, wenn ein Wasserstoff-Volumen von V = 2 ml verbraucht wurde.

Teil 3: Berechnung des Wirkungsgrads

1. Mit den in Teil 1 erhobenen Messdaten lässt sich die Energie berechnen, die zur Erzeugung von 1 ml Wasserstoff erforderlich ist. Berechnet diese Energie mithilfe folgender Formel:
  - Tipp: Falls ihr keine verwertbaren Messwerte aufgenommen habt, könnt ihr auf die Ersatzmesswerte zurückgreifen.
2. Berechnet mit den in Teil 2 erhobenen Messdaten und der obigen Formel die Energie, die bei der „Verbrennung“ von einem ml Wasserstoff freigesetzt wird.
  - Tipp: Wenn Ihr keine verwertbaren Messwerte habt aufnehmen können, könnt Ihr auch auf die Ersatzmesswerte zurückgreifen.
3. Der Wirkungsgrad ist der Quotient aus der freigesetzten Energie pro ml und der aufgewandten Energie pro ml. Er lässt sich als Prozentzahl darstellen und gibt an, wie viel der aufgewandten Energie nutzbar ist.
Berechne den Wirkungsgrad mithilfe der folgenden Formel:

Hilfe Elektrische Schaltung Elektrolyseur

1. Verbindet den Minuspol (blau/schwarz) der elektrischen Quelle mit dem Minuspol des Strommessgeräts.
2. Verbindet den Pluspol (rot) des Strommessgeräts mit dem Minuspol des Elektrolyseurs.
3. Verbindet den Pluspol des Elektrolyseurs mit dem Pluspol der elektrischen Quelle.
4. Verbindet den Minuspol der elektrischen Quelle parallel (Kabel auf Kabel setzen) mit dem Minuspol des Spannungsmessgeräts sowie den Pluspol der elektrischen Quelle parallel mit dem Pluspol des Spannungsmessgeräts.

Hilfe Elektrische Schaltung Brennstoffzelle

1. Verbindet den Minuspol (blau/schwarz) der Brennstoffzelle mit dem Minuspol des Strommessgeräts.
2. Verbindet den Pluspol (rot) des Strommessgeräts mit dem Pluspol der Brennstoffzelle.
3. Verbindet den Minuspol des Strommessgeräts parallel (Kabel auf Kabel setzen) mit dem Minuspol des Spannungsmessgeräts sowie den Pluspol des Strommessgeräts parallel mit dem Pluspol des Spannungsmessgeräts. Es sollte bereits eine Spannung messbar sein.

Ersatzmesswerte Teil 1

Folgende Messwerte sind im Experiment aufgenommen worden.

Versuchsaufbau Teil 1