Die Brennstoffzelle als Solarenergiespeicher

Bei diesem Versuch wird durch Solarenergie ein Elektrolysator betrieben, welcher Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die beiden Gase werden anschließend in eine Brennstoffzelle geleitet, in der diese unter Freisetzung von elektrischer Energie miteinander reagieren, so dass ein kleiner Rotor betrieben werden kann.

Im Rahmen der Unterrichtseinheit kann mit Hilfe dieses Versuchs das Problem der erneuerbaren Energien aufgegriffen werden. Diese sind zeit- und wetterabhängig, weswegen eine Speicherung der durch Windräder oder Solaranlagen gewonnenen Energie zur effizienten Nutzung unabdingbar ist.

Die Brennstoffzelle bietet eine solche Möglichkeit, die bereitgestellte Energie zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen. Dieser Prozess kann in diesem Versuch thematisiert werden. Es ist sinnvoll, dass die SuS vor der Durchführung des Versuchs bereits die Funktionsweise einer Solarzelle in Ansetzen kennengelernt haben. Des Weiteren sollte die Wasserelektrolyse besprochen worden sein und die dabei entstehenden Gase bekannt sein. In diesem Fall erleichtert es dies den SuS, sich auf die Energieumwandlung an den verschiedenen Stationen des Versuchsaufbaus zu konzentrieren.

Die Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um, welche dazu genutzt wird, das Wasser in den Tanks des Elektrolysators zu elektrolysieren. Bei dieser Elektrolyse entstehen Sauerstoff und Wasserstoff, die die Brennstoffzelle speisen:

2 H₂O_(l) → 2 H_{2 (g)} + O_{2 (g)}

Solange Elektronen aus der Solarzelle zugeführt werden, läuft die Reaktion ab. In der Brennstoffzelle reagieren Sauerstoff und Wasserstoff kontrolliert (keine Knallgasreaktion) zu Wasser, welches unter der Freisetzung von elektrischer Energie geschieht. In der Brennstoffzelle liegt an der Anode ein Elektronenüberschuss vor, während an der Kathode ein Elektronenmangel herrscht. Durch dieses Potentialgefälle entsteht ein Elektronenfluss, elektrische Energie, welche den Motor des Rotors antreibt.

Kathode:  O_{2 (g)} + H₂O_(l) + 4 e^- → 4 OH^-_(aq)

Anode:   H_{2 (g)} + 2 OH^-_(aq) → 2 H₂O_(l) + 2 e^-