Brennstoffzelle 06:25 min
Transkript Brennstoffzelle
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Brennstoffzelle.Das Video gehört zur Reihe Elektrochemie. An Vorkenntnissen solltest du wissen, was Basen, Säuren und Salze sind. Du weißt, was die Dissoziation bedeutet und du weißt auch, was die Knallgasreaktion ist. Im Video möchte ich dir die Funktion der Brennstoffzelle erklären und einige Verwendungsmöglichkeiten nennen. Der Film besteht aus fünf Abschnitten. 1. Die Entdeckung, 2. Saure Zelle, 3. Alkalische Zelle, 4. Vorteil gegenüber Verbrennungskraftmaschinen und 5. Verwendung. 1. Die Entdeckung. Die Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Friedrich Christoph Schönbein entdeckt. Seinen Versuchsaufbau muss man sich wohl so vorstellen: Er hatte zwei Metallplatten angeordnet. Diese befanden sich in einem Gefäß. Die Metallplatten dienten ihm als Metallelektroden. Sie tauchten in eine starke anorganische Säure ein. Durch die Säurelösung leitete Schönbein an der einen Elektrode Wasserstoffgas ein. Als er die beiden Elektroden mit einem Strommessgerät verband, stellte er fest, dass ein Strom floss. Ob er durch die andere Elektrode Sauerstoff oder Luft leitete oder einfach nur so maß, ist nicht ganz genau übermittelt. 2. Saure Zelle. Für die saure Zelle benötigen wir genau wie Schönbein ein Gefäß. In ihm sind die zwei Elektroden angeordnet. Sie bestehen aus porösem Nickel. Das heißt, das Metall hat hier eine große Oberfläche. Die Elektroden tauchen in eine Schwefelsäurelösung. Unter Druck leitet man nun an der einen Elektrode Wasserstoff ein. Die andere Elektrode wird von gasförmigen Sauerstoff umspült. An beiden Elektroden beginnt es zu sprudeln. An der linken Elektrode reagieren 2H2->4H^+ + 4e^-. Elektronenabgabe bedeutet Oxidation. An der rechten Elektrode reagiert O2+4H^+ +4e^- ->2H2O. Elektronenaufnahme bedeutet Reduktion. Bei der Gesamtreaktion reagieren 2H2+O2->2H2O. Die Elektroden erhalten unterschiedliche Ladungen und eine angeschlossene Glühlampe kommt zum Leuchten. 3. Basische Zelle. Die basische Zelle hat den Vorteil, dass Nickel nicht so stark wie im sauren Medium angegriffen wird. Normalerweise wird man eine Lösung von Natriumhydroxid in Wasser verwenden. Diese bildet Hydroxidionen OH^-. Ansonsten sind die Versuchsbedingungen gleich. An der linken Elektrode reagieren 2H2+4OH^- ->4H2O+4e^-. Elektronenabgabe bedeutet, ja ihr wisst es ja, Oxidation. An der rechten Elektrode reagiert O2+2H2O+4e^- ->4OH^-. Elektronenaufnahme bedeutet Reduktion. Bei der Gesamtreaktion reagieren 2H2+O2->2H2O. 4. Vorteil gegenüber Verbrennungskraftmaschinen. Als Erstes unterscheiden sie sich durch ihren Wirkungsgrad. Bei der Brennstoffzelle liegt er klar über 50 %, bei Verbrennungskraftmaschinen klar unter 50 %. Auch die Umweltwirkung ist verschieden. Die Brennstoffzelle liefert keine schädlichen Verbindungen, nur Wasser. Verbrennungskraftmaschinen können die Umwelt schädigen, zum Beispiel durch Kohlenstoffdioxid. Auch bei Lautstärke gibt es Unterschiede. Brennstoffzellen arbeiten ausnehmend leise. Ich möchte sagen, sogar lautlos. Verbrennungskraftmaschinen hingegen sind in der Regel recht laut. 5. Verwendung. Brennstoffzellen erfreuen sich bereits einer breiten Verwendung. Die Tendenz ist steigend. Brennstoffzellen finden schon seit geraumer Zeit in der Raumfahrt und in U-Booten Verwendung. Auch in kleinen Flugzeugen werden sie eingesetzt, wie zum Beispiel in dieser unbemannten Drohne. Schon relativ große Schiffe werden damit betrieben, so zum Beispiel die Viking Lady, ein relativ großes Schiff. Schaut es euch im Internet an. Es gibt leider kein freies Bild davon. Häuser können mit Brennstoffzellen ihren Strom bekommen. Brennstoffzellen werden in Schulen eingesetzt und auch in Krankenhäusern. Ich hoffe, es war einigermaßen verständlich und klar und hat euch geholfen. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg, tschüss!
Videobeschreibung
In diesem Video geht es um die Brennstoffzelle. Dazu wird zuerst deren Entdeckung der Brennstoffzelle durch Schönbein im Jahre 1838 besprochen. Im Anschluss werden dann zwei verschiedene Brennstoffzellen vorgestellt; die im sauren arbeitende und die im basischen arbeitende Brennstoffzelle. Dir werden an der jeweiligen Brennstoffzelle die einzelnen Teilprozesse an den Elektroden erklärt sowie die Bruttoreaktionsgleichung. Zum Schluss werden Vorteile gegenüber normalen Verbrennungsmotoren genannt und es wird die Verwendung der Brennstoffzelle in unserer Gesellschaft erläutert.
Der Tutor:
Dr. rer. nat.
Brennstoffzelle
Brennstoffzelle Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Brennstoffzelle kannst du es wiederholen und üben.
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Nenne die Voraussetzungen für das Funktionieren einer Brennstoffzelle.
Tipps
Überlege, wer für die elektrische Leitfähigkeit im Wasser verantwortlich ist.
Leitet Leitungswasser den elektrischen Strom?
Destilliertes Wasser leitet den elektrischen Strom nicht.
Lösung
Für die elektrische Leitfähigkeit sind die Ionen in einer Lösung verantwortlich. Man bezeichnet solche Lösungen auch als Elektrolyt. Immer dann, wenn Säuren, Basen oder Salze in Wasser dissoziieren, entstehen solche Elektrolyte. Da bei den Vorgängen in einer Brennstoffzelle diese Prozesse sehr wichtig und ausschlaggebend sind, braucht man sie als Grundlagenwissen für das Verständnis der Funktionalität. Der Gewinnung der elektrischen Energie liegt die Knallgasreaktion zugrunde. Es wird also chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
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Beschreibe den unterschiedlichen Aufbau von Brennstoffzellen für die Energiegwinnung.
Tipps
Ionen sind elektrisch geladene Teilchen.
Je größer die Oberfläche eines Materials, desto größer die Wirkungen an der Oberfläche.
Lösungen mit Ionen leiten den elektrischen Strom.
Lösung
Brennstoffzellen werden nach der Art des verwendeten Elektrolyts, der Lösung zwischen den Elektroden, benannt. Benutzt man eine in Lösung befindliche Säure, die dissoziiert ist, spricht man von sauren Brennstoffzellen. Verwendet man eine Lösung aus einer Base, spricht man von einer basischen Brennstoffzelle. Die Elektroden bestehen aus Metallen, meist aus Nickel.
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Nenne die Verwendung von Brennstoffzellen.
Tipps
Überlege, warum Brennstoffzellen noch nicht geeignet sind, große Fahrzeuge anzutreiben.
Es geht darum, in welchen Fahrzeugen sie eingesetzt werden könnten.
Lösung
Brennstoffzellen sind Energielieferanten. Sie können auf kleinstem Raum Energie produzieren. Deshalb sind sie sehr gut für die Verwendung in kleinen Geräten und als Antrieb für kleinere Fahrzeuge geeignet. Um für stärkere Antriebe genutzt zu werden, müssen noch technische Lösungen gefunden werden. Auf jeden Fall sind sie aber bereits jetzt eine Form der alternativen Energiegewinnung.
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Benenne die Vorteile von Brennstoffzellen gegenüber konventionellen Energiequellen.
Tipps
Überlege, welche Faktoren für das Klima schädlich sind.
Zu den Umweltbelastungen gehört auch Lärm.
Lösung
Brennstoffzellen verbrauchen keine fossilen Brennstoffe. Sie haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als viele andere Energielieferanten. Brennstoffquellen geben kein klimaschädigendes Kohlenstoffdioxid ab. Sie arbeiten völlig geräuschlos. Mit diesen Eigenschaften sind sie eine Energiequelle, die sehr umweltfreundlich ist.
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Beschreibe die Vorgänge an den Elektroden einer Brennstoffzelle.
Tipps
Wie verändert sich die Ladung von Teilchen, wenn sie Elektronen aufnehmen?
Teilchen, die positiv geladen sind, haben Elektronen abgegeben, weil Elektronen negativ sind.
Lösung
Eine Brennstoffzelle ist ein galvanisches Element, bei dem das Reduktionsmittel der Brennstoff gasförmiger Wasserstoff ($H_2$) ist. Wasserstoff gibt Elektronen ab und reduziert dadurch den in die Brennstoffzelle eingeführten Sauerstoff. Dabei entsteht ein Molekül Wasser. Diese Reaktion, die als Knallgasreaktion bekannt ist, dient in der Brennstoffzelle direkt der Stromerzeugung. Die in die Zelle eingebrachten Metalle wirken als Elektroden.
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Formuliere die Redoxreaktionen in einer Zink-Luft-Brennstoffzelle.
Tipps
Überlege, welche Reaktionen an den Elektroden einer galvanischen Zelle ablaufen.
Denke daran, dass ein Ladungsträgeraustausch erfolgen muss, damit eine elektrische Spannung entstehen kann.
Die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten (Elektroden) ist immer die elektrische Spannung.
Lösung
Die an den Elektroden einer Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionen sind die Oxidation und Reduktion. Die Oxidation ist immer eine Elektronenabgabe, d.h. der Stoff, der Elektronen abgibt, wird positiv geladen. Eine Reduktion ist immer eine Aufnahme von Elektronen, d.h. der Stoff wird negativ geladen, da er einen Elektronenüberschuss hat. Die Gesamtreaktion heißt dann Redoxreaktion. In der Brennstoffzelle entstehen so die beiden Elektroden: eine wird negativ und die andere positiv geladen. Damit wird ein Ladungsträgerfluss über den Elektrolyten möglich. Es fließen Ladungsträger und eine elektrische Spannung entsteht. An einer Kathode werden immer positive Ladungsträger entladen, da sie einen Überschuss an Elektronen hat. An der Anode werden Elektronen abgegeben. Diese fließen zur Kathode, die somit negativ wird. In der Zink-Luft-Zelle (Sauerstoff) fließen vier Elektronen, die vom Zink kommen und vom Sauerstoff aufgenommen werden. Das Wasser des Elektrolyts vermittelt die Reaktion zu $4~OH^-$.
check ich immernoch nicht
Ja.
Sind die Reduktions- und Oxidationsgleichungen die sogenannten Halbzellengleichungen?
Das ist sehr schön.
Alles Gute
sehr tolles video! hat mir sehr geholfen! danke