Methanol, Hydrazin, Keramik — zehn Übungen zu Zellen, die Brennstoff direkt in Strom verwandeln.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen von AFB I bis AFB III — jede gibt dir sofort Rückmeldung, bei Schwierigkeiten helfen zwei gestufte Tipps.
A1
Batterie, Akku oder Brennstoffzelle?
AFB I
Ordnen Sie die Merkmale dem passenden galvanischen Element zu.
Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Batterie (Primärzelle)
2Akku (Sekundärzelle)
3Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle ist ein offenes System: Elektroden und Elektrolyt bleiben, die Reaktionspartner kommen von außen. Batterie und Akku sind geschlossene Energiespeicher.
Ansatz: Wo steckt die Energie: im Gehäuse oder im Tank?
Weiter: Ein Akku lässt sich durch Elektrolyse regenerieren.
A2
Aussagen zur Brennstoffzelle
AFB I
Entscheiden Sie, ob die Aussage zutrifft.
Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Katalysator und Elektrodenfläche beeinflussen Strom und Verluste, nicht die thermodynamische Spannung.
Ansatz: Was bestimmt ΔE°?
Weiter: Katalysatoren beschleunigen nur.
A3
Festoxid-Brennstoffzelle
AFB I
Beschreiben Sie die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit den passenden Begriffen.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Der Elektrolyt der SOFC ist eine (Zirconiumdioxid), die bei Temperaturen um 800 °C leitet. Diese entstehen am aus O₂ und Elektronen und wandern zum , wo sie den Brennstoff oxidieren.
„Protonen“ passt nicht: Die Keramik leitet O²⁻, deshalb entsteht das Wasser hier auf der Brennstoffseite.
Ansatz: Welche Ionen leitet ZrO₂ bei hoher Temperatur?
Weiter: Reduktion von O₂ geschieht am Pluspol.
A4
Direktmethanol-Brennstoffzelle
AFB II
Formulieren Sie die Reaktion am Minuspol einer Direktmethanol-Brennstoffzelle (saurer Elektrolyt).
Setze den Bauplan von links nach rechts zusammen. Ein Klick legt den Baustein auf den nächsten freien Platz, ein Klick im Bauplan legt ihn zurück. Enter funktioniert genauso.
Kohlenstoff geht von −II (Methanol) auf +IV (CO₂): 6 Elektronen. Der fehlende Sauerstoff kommt aus Wasser, die Wasserstoffatome verlassen die Elektrode als H⁺ (bzw. H₃O⁺). Methansäure wäre nur ein Zwischenprodukt.
Ansatz: Oxidationszahl des C-Atoms in CH₃OH und CO₂ bestimmen.
Weiter: Sauerstoff-Ausgleich mit H₂O, Ladungsausgleich mit H⁺.
A5
Spannung der Methanol-Zelle
AFB II
Für \(\ce{CH3OH(l) + 3/2 O2}\) \(\ce{-> CO2 + 2 H2O(l)}\) gilt: \(\Delta_f G^\circ\) in kJ/mol: CH₃OH(l) −166,6; CO₂ −394,4; H₂O(l) −237,1. \(\Delta_r H^\circ = -726{,}4\,\text{kJ/mol}\). Berechnen Sie schrittweise.
Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
Ein Gabelstapler fährt mit einem PEM-Stack aus 80 Zellen in Reihe, durch den eine Stunde lang 150 A fließen (\(F = 96\,485\,\text{C/mol}\), \(M(\ce{H2}) = 2{,}016\,\text{g/mol}\)). Ermitteln Sie die verbrauchte Masse Wasserstoff.
Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
\(n(\ce{e-}) = 150 \cdot 3600 : 96\,485 = 5{,}60\,\text{mol}\) je Zelle, \(n(\ce{H2}) = 2{,}80\,\text{mol}\). In Reihe fließt derselbe Strom durch jede der 80 Zellen: \(224\,\text{mol} \cdot 2{,}016 = 451\,\text{g}\). Typischer Fehler: nur eine Zelle rechnen (5,6 g) oder z vergessen (903 g).
Ansatz: Erst für eine Zelle: n(H₂) = I·t/(2F).
Weiter: Jede Zelle im Stapel verbraucht Wasserstoff.
A7
Mix: Elektrolyse und Brennstoffzelle
AFB II
Überschüssiger Windstrom wird per Wasserelektrolyse bei 1,9 V gespeichert und später in einer Brennstoffzelle bei 0,7 V zurückgewonnen. Vergleichen Sie beide Vorgänge mit Ihrem Wissen zur Zersetzungsspannung (4.3.3) und wählen Sie die zutreffenden Aussagen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Die Ladung ist gleich, die Spannung nicht: Energieverhältnis \(0{,}7 : 1{,}9 \approx 0{,}37\). Katalysatoren verkleinern nur die Überspannung — über die thermodynamischen 1,23 V kommt man nicht hinaus.
Ansatz: W = U · Q, und Q ist beide Male gleich.
Weiter: Überspannung wirkt in beide Richtungen als Verlust.
A8
Elektronen pro Brennstoffmolekül
AFB III
Analysieren Sie mithilfe der Oxidationszahlen, wie viele Elektronen ein Brennstoffmolekül bei vollständiger Oxidation abgibt.
Setze in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
Brennstoff → Produkt
z = 2
z = 4
z = 6
z = 8
H₂ → H₂O
N₂H₄ → N₂
CH₃OH → CO₂
CH₄ → CO₂
H: 2 · (0 → +I) = 2. Hydrazin: 2 N von −II auf 0 = 4. Methanol: C von −II auf +IV = 6. Methan: C von −IV auf +IV = 8. Typischer Fehler: die Wasserstoffatome im Methanol mitzählen — sie bleiben +I.
Ansatz: Nur Atome zählen, deren Oxidationszahl sich ändert.
Weiter: Im Methan hat C die Oxidationszahl −IV.
A9
Fehler im Referat
AFB III
Überprüfen Sie einen Referatstext über die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) und markieren Sie die falschen Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Oxidation (Methanol → CO₂) läuft immer an der Brennstoff-Elektrode, dem Minuspol.
Ansatz: Wo wird Methanol oxidiert?
Weiter: Drei Zeilen sind falsch.
A10
Trickaufgabe: Wirkungsgrad über 100 %?
AFB III
Für eine Zelle mit \(\ce{C + 1/2 O2 -> CO}\) gilt \(\Delta_r H^\circ = -110{,}5\,\text{kJ/mol}\) und \(\Delta_r G^\circ = -137{,}2\,\text{kJ/mol}\). Beurteilen Sie die Aussagen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Aus ΔG = ΔH − T·ΔS folgt: Bei ΔS > 0 ist |ΔG| > |ΔH|. Die zusätzliche Energie stammt aus Wärme der Umgebung (T·ΔS), die Energiebilanz stimmt. Bei H₂/O₂ ist ΔS < 0, dort bleibt η < 100 %.
Ansatz: Gibbs-Helmholtz: ΔG = ΔH − T·ΔS (1.4.3).
Weiter: Gasteilchen zählen: aus ½ mol O₂ wird 1 mol CO.
