Wasserstoff, Methanol, Kalilauge: Brennstoffzellen in verschiedenen Varianten durchschaut.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Brennstoffzelle oder Batterie?
AFB I
Nennen Sie alle Merkmale, die eine Brennstoffzelle von einer Batterie unterscheiden.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle mit offenem Stoffkreislauf: Die Reaktionspartner kommen aus Tanks bzw. der Luft, die Produkte werden abgeführt.
Woher kommen die Reaktionspartner?
Drei Merkmale sind richtig.
A2
Wo passiert was in der PEM-Zelle?
AFB I
Ordnen Sie die Vorgänge einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran ein.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Anode (Minuspol)
2Kathode (Pluspol)
3Membran
Anode: \(\ce{2 H2 -> 4 H+ + 4 e-}\); Kathode: \(\ce{O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O}\). Die Membran ist Ionenleiter und Gastrennwand zugleich.
Oxidation des Wasserstoffs an der Anode.
Die Membran hat zwei Aufgaben.
A3
Wahr oder falsch?
AFB I
Entscheiden Sie, ob die Aussagen stimmen.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Kernideen: räumliche Trennung, äußerer Stromkreis, Katalysator, Spannung unter ΔE°.
Denken Sie an die Membran als Trennwand.
1,23 V ist der theoretische Wert.
A4
Die alkalische Brennstoffzelle
AFB II
In der alkalischen Brennstoffzelle ist Kalilauge der Elektrolyt. Formulieren Sie die Reaktion an der Anode.
Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
In basischer Lösung gibt es kaum \(\ce{H+}\)/\(\ce{H3O+}\); die Hydroxid-Ionen nehmen die Protonen auf: \(\ce{H2 + 2 OH- -> 2 H2O + 2 e-}\). An der Kathode: \(\ce{O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}\).
Basischer Elektrolyt: mit OH⁻ und H₂O ausgleichen.
H: 0 → +I, zwei Atome.
A5
Der Stack im Wasserstoffbus
AFB II
Der Elektromotor eines Busses benötigt 450 V. Jede Brennstoffzelle liefert im Betrieb 0,75 V. Berechnen Sie.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
Zahl der Zellen in Reihe
elektrische Leistung bei 200 AkW
Spannung, wenn 20 Zellen ausfallen und überbrückt werdenV
Eine Zelle liefert je umgesetztem Mol Wasserstoff 145 kJ elektrische Energie. Die Reaktionsenthalpie für \(\ce{H2 + 1/2 O2 -> H2O(l)}\) beträgt \(-285{,}8\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Kapitel 1). Ermitteln Sie den Wirkungsgrad (elektrische Energie bezogen auf den Betrag der Reaktionsenthalpie) in Prozent.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
%
\(\eta = 145/285{,}8 \approx 0{,}507 = 50{,}7\,\%\). Der Rest wird als Wärme frei. Ein Verbrennungsmotor erreicht meist nur 25–40 %, weil er den Umweg über Wärme nehmen muss.
η = nutzbare Energie : eingesetzte Energie.
Nehmen Sie den Betrag von ΔrH.
A7
Brennstoffzellen-Typen
AFB II
Ordnen Sie jedem Zelltyp das passende Merkmal zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Der Elektrolyt bestimmt, welches Ion den Ladungstransport übernimmt. Der Elektrolyseur ist keine Brennstoffzelle, sondern ihre Umkehrung.
Achten Sie auf den Elektrolyten.
Eine Zeile beschreibt die Umkehrung einer Brennstoffzelle.
A8
Die Methanol-Brennstoffzelle
AFB III
In der Direktmethanol-Brennstoffzelle läuft an der Anode \(\ce{CH3OH + H2O -> CO2 + 6 H+ + 6 e-}\) ab. Überprüfen Sie die Aussagen eines Protokolls.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Wie bei den Standardpotenzialen gilt: Die Elektronenzahl bestimmt die umgesetzte Ladung, nicht die Spannung.
Wo wird oxidiert, wo reduziert?
Drei Aussagen sind falsch.
A9
Brennstoffzelle gegen Verbrennungsmotor
AFB III
Vergleichen Sie eine Wasserstoff-Brennstoffzelle mit einem Verbrennungsmotor: Trifft die Aussage zu?
Setzen Sie in jeder Zeile so viele Kreuze, wie zutreffen — es können mehrere, eines oder keines sein. Enter setzt und löscht.
Aussage
Brennstoffzelle
Verbrennungsmotor
Chemische Energie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt.
Die Energie nimmt den Umweg über Wärme und Bewegung.
Ein Platin-Katalysator ist an den Elektroden nötig.
Grundlage ist eine Redoxreaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff.
Oxidation und Reduktion laufen räumlich getrennt ab.
Es entsteht eine Flamme bzw. Explosion im Zylinder.
Beide nutzen dieselbe exotherme Redoxreaktion; der entscheidende Unterschied ist die räumliche Trennung in der Zelle, die Elektronen durch den äußeren Stromkreis zwingt.
Was haben beide gemeinsam?
Nur eine Zeile bekommt zwei Kreuze.
A10
Trickaufgabe: Wasser aus dem Auspuff
TrickAFB III
Ein Brennstoffzellen-Auto verbraucht 1,0 kg Wasserstoff auf 100 km. Schätzen Sie ab, wie viel Liter Wasser dabei entstehen (\(M(\ce{H2}) = 2{,}016\), \(M(\ce{H2O}) = 18{,}02\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)).
Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
0 L20 L
\(n(\ce{H2}) = 1000/2{,}016 \approx 496\,\mathrm{mol} = n(\ce{H2O})\); \(m = 496\cdot 18{,}02\,\mathrm{g} \approx 8{,}9\,\mathrm{kg} \approx 8{,}9\,\mathrm{L}\). Die Falle: Das Wasser wiegt fast neunmal so viel wie der getankte Wasserstoff, weil der Sauerstoff aus der Luft dazukommt.
Aus einem H₂ entsteht ein H₂O.
Der Sauerstoff wird nicht getankt, steckt aber im Produkt.
