Chemie · Klasse 11

Ideen für aktives Lernen

Brennstoffzellen als Zukunftstechnologie

Aktive Lernformen eignen sich besonders für Brennstoffzellen, weil Schülerinnen und Schüler komplexe elektrochemische Prozesse durch eigenes Experimentieren begreifen. Das Bauen und Beobachten eines Modells macht unsichtbare Vorgänge wie die Protonenwanderung oder die Wasserbildung konkret erfahrbar.

• KMK Bildungsstandards
• KMK: STD.54
• KMK: STD.59

• 30–50 Min.
• Partnerarbeit → Ganze Klasse
• 4 Aktivitäten

Aktivität 01

• Lernen an Stationen
• 45 Min. · Kleingruppen

Lernen an Stationen: PEMFC-Modell bauen

Gruppen erhalten Bausätze mit Elektroden, Membran und Wasserstoffquelle. Sie verbinden Komponenten, messen Spannung und diskutieren Redoxhalbzellen. Abschließend notieren sie Beobachtungen in einem Protokoll.

Begründen Sie, warum der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle höher ist als bei Verbrennungsmotoren.

Moderationstipp

Beim Stationenlernen zum PEMFC-Modell: Legen Sie die Materialien so bereit, dass jede Gruppe die einzelnen Komponenten der Zelle selbst zusammenfügen muss, um das Systemverständnis zu vertiefen.

Worauf zu achten ist

Die Schülerinnen und Schüler erhalten die Aufgabe, auf einem Zettel zwei Hauptunterschiede zwischen der Funktionsweise einer Brennstoffzelle und eines Verbrennungsmotors zu benennen und jeweils eine kurze chemische Gleichung für die Reaktion an der Anode oder Kathode einer PEM-Brennstoffzelle aufzuschreiben.

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Aktivität 02

• Debatte
• 30 Min. · Partnerarbeit

Paarbeit: Wirkungsgrad berechnen

Paare vergleichen Energiebilanzen von Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor anhand gegebener Daten. Sie berechnen Prozentsätze und begründen Unterschiede thermodynamisch. Ergebnisse werden in einer Tabelle dargestellt.

Analysieren Sie die Herausforderungen bei der Wasserstoffspeicherung für Brennstoffzellenanwendungen.

Moderationstipp

Bei der Wirkungsgradberechnung: Geben Sie den Paaren konkrete Messwerte vor, um Berechnungen auf ein gemeinsames Beispiel zu beziehen und Fehlerquellen zu minimieren.

Worauf zu achten ist

Stellen Sie die Frage: 'Welche drei größten Hürden müssen überwunden werden, damit Wasserstoff-Brennstoffzellen eine tragende Säule der zukünftigen Mobilität werden?' Bitten Sie die Schüler, ihre Antworten zu begründen und dabei sowohl technische als auch gesellschaftliche Aspekte zu berücksichtigen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Entscheidungsfähigkeit

Aktivität 03

• Debatte
• 50 Min. · Ganze Klasse

Klassenexperiment: Elektrolyse koppeln

Die Klasse teilt sich eine Elektrolyseanlage und eine Brennstoffzelle. Sie erzeugen Wasserstoff, speisen ihn ein und messen Kreislauf. Gemeinsam protokollieren sie Effizienzverluste.

Bewerten Sie, ob die Brennstoffzelle eine Lösung für die Mobilitätswende darstellt.

Moderationstipp

Im Klassenexperiment zur Elektrolyse: Betonen Sie die Kopplung der beiden Prozesse, indem Sie die Schüler die Gasvolumina direkt vergleichen lassen.

Worauf zu achten ist

Zeigen Sie eine schematische Darstellung einer PEM-Brennstoffzelle. Bitten Sie die Lernenden, die Anode und die Kathode zu identifizieren und die dort ablaufenden Teilreaktionen kurz zu beschreiben. Fragen Sie anschließend nach den Produkten dieser Reaktionen.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Entscheidungsfähigkeit

Aktivität 04

• Debatte
• 35 Min. · Kleingruppen

Diskussionsrunde: Speicherherausforderungen

Gruppen recherchieren Speichermethoden wie Drucktanks oder Hydride. Sie präsentieren Vor- und Nachteile und bewerten Mobilitätsanwendungen. Eine Moderation leitet zu Konsens.

Begründen Sie, warum der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle höher ist als bei Verbrennungsmotoren.

Moderationstipp

In der Diskussionsrunde: Geben Sie den Schülern vorab Kriterienkarten für die Bewertung der Speicherherausforderungen, um strukturierte Argumente zu fördern.

Worauf zu achten ist

Die Schülerinnen und Schüler erhalten die Aufgabe, auf einem Zettel zwei Hauptunterschiede zwischen der Funktionsweise einer Brennstoffzelle und eines Verbrennungsmotors zu benennen und jeweils eine kurze chemische Gleichung für die Reaktion an der Anode oder Kathode einer PEM-Brennstoffzelle aufzuschreiben.

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Selbststeuerung
• Entscheidungsfähigkeit

Einige Hinweise zum Unterrichten dieser Einheit

Führen Sie die Einheit schrittweise von der Anschauung zur Abstraktion: Beginnen Sie mit dem Modellbau, um Grundlagen zu schaffen, und vertiefen Sie mit Berechnungen und Experimenten. Vermeiden Sie reine Frontalunterrichtsphasen, da die Prozesse zu komplex für rein theoretische Vermittlung sind. Nutzen Sie die Fehlvorstellungen gezielt als Lernanlässe, indem Sie die Schüler Hypothesen aufstellen und durch Experimente überprüfen lassen.

Am Ende der Einheit können die Lernenden den Aufbau und die Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle erklären, den Wirkungsgrad berechnen und die Herausforderungen der Wasserstoffspeicherung bewerten. Erfolg zeigt sich in präzisen Beschreibungen der Teilreaktionen und in fundierten Diskussionen über technische und ökologische Aspekte.

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Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

• Während des Stationenlernens zum Bau des PEMFC-Modells beobachten manche Schüler eine Flamme und schließen daraus auf eine Verbrennung.

  Nutzen Sie die Modellbaustation, um gezielt nach der Wärmeentwicklung zu fragen. Lassen Sie die Schüler die Temperatur der Zelle mit einem Thermometer messen und feststellen, dass keine Flamme entsteht. Dokumentieren Sie dies in einem Protokoll.

• Bei der Paarbeit zur Wirkungsgradberechnung gehen einige davon aus, dass der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle bei 100 Prozent liegen könnte.

  Verweisen Sie auf die Berechnungsstation und lassen Sie die Schüler ihre Ergebnisse mit den theoretischen Grenzwerten (ca. 60 Prozent) vergleichen. Bitten Sie sie, die Verluste in der Zelle zu benennen und zu quantifizieren.

• In der Diskussionsrunde zur Speicherherausforderung wird die Wasserstoffspeicherung oft als unproblematisch dargestellt.

  Nutzen Sie die Diskussionsgrundlage der Herausforderungen. Geben Sie den Schülern Tabellen mit Dichtewerten verschiedener Speichermethoden und lassen Sie sie die praktischen Grenzen diskutieren.

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In dieser Übersicht verwendete Methoden

• Lernen an Stationen
• Debatte