H2 Fuel Cell Car

Vom Kinderzimmer zum kleinen Labor

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Wie kann man damit Wasserstoff erzeugen? Das H2 Fuel Cell Car vermittelt Wissen rund um dieses spannende Thema. Mit der Brennstoffzelle und dem Fahrzeug kann das Thema Wasserstoff erforschen werden. In Verbindung mit dem Baukasten Green Energy können interessante zusätzliche Modelle gebaut werden.

Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise am Ende!

Funktionsprinzip der Brennstoffzelle

Mit einer Brennstoffzelle wird die chemische Energie eines Brennstoffs (z.B. Wasserstoff) in elektrischen Strom umgewandelt. Eine Brennstoffzelle ist also kein Energiespeicher, sondern ein Energiewandler.
Brennstoffzellen werden zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen und zur Wärme- und Stromversorgung von Häusern verwendet.
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch eine Elektrolytmembran voneinander getrennt sind.
Die Elektroden bestehen meist aus Metall oder Kohlenstoff. Sie sind mit einem Katalysator beschichtet, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium.
In der Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Durch diese Reaktion entsteht eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden, mit der zum Beispiel ein Elektromotor angetrieben werden kann.

Arten von Brennstoffzellen

Bei der im H2 Fuel Cell Car enthaltenen Brennstoffzelle handelt es sich um eine so genannte reversible Brennstoffzelle. Das bedeutet, dass die Brennstoffzelle folgende zwei Funktionen hat:
- Einerseits kann die reversible Brennstoffzelle als so genannter Elektrolyseur verwendet werden, um aus destilliertem Wasser Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Diesen Vorgang nennt man Elektrolyse. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden in Speicherzylindern gespeichert.
- Andererseits kann mit der reversiblen Brennstoffzelle durch die Reaktion des gespeicherten Wasserstoffs mit dem gespeicherten Sauerstoff elektrische Energie erzeugt werden.

Betrieb der Brennstoffzelle

Beschreibung zur Brennstoffzelle:
1. Überlaufkammer Wasserstoffseite
2. Wasserstoff-Speicherzylinder
3. Stopfen für Entlüftungskanäle
4. Sauerstoff-Speicherzylinder
5. Negative Buchse (schwarz)
6. Schutzdiode
7. Positive Buchse (rot)
8. Überlaufkammer Sauerstoffseite
9. Füllstandsmarkierung

Brennstoffzelle mit destilliertem Wasser befüllen

Dazu stellst du die Brennstoffzelle auf einen flachen Teller.

Danach nimmst du die beiden Stopfen (3) der Entlüftungskanäle ab. Fülle die beiden Speicherzylinder bis zur Füllstandsmarkierung (9) mit destilliertem Wasser. (Siehe Abb. A)

Vorsicht Materialschaden möglich: Leitungswasser oder andere Flüssigkeiten fügen der Brennstoffzellenmembran dauerhaften Schaden zu.

Die Luft in der Brennstoffzelle entweicht beim Einfüllen des Wassers durch die Entlüftungskanäle. Damit das Wasser besser um die Membran und die stromabnehmenden Metallplatten fließen kann, klopfst du die Brennstoffzelle leicht auf den Tisch.
Fülle noch ein bisschen Wasser hinzu, nur so viel bis aus den Entlüftungskanälen Wasser entweicht und gleichzeitig das Wasser in den Überlaufkammern bis zur Füllstandsmarkierung reicht.
Jetzt kannst du die Entlüftungskanäle wieder mit den Stopfen verschließen. Beachte dabei, dass keine Luft im Speicherzylinder eingeschlossen ist. Eine kleine Luftblase verursacht keine Probleme und kann vernachlässigt werden.
Falls die Brennstoffzelle schon lange nicht mehr gebraucht wurde, warte etwa 10 Minuten, damit die Membran ausreichend durchtränkt wird.

Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen (Elektrolyse)

Die Brennstoffzelle muss mit einer Gleichspannung zwischen 1,8 und 3 Volt versorgt werden.
Vorsicht Materialschaden möglich: Durch eine zu hohe Spannung kann die Brennstoffzellenmembran zerstört werden. Die Brennstoffzelle darf auf keinen Fall an eine 9V-fischertechnik-Stromversorgungen angeschlossen werden.

Schließe das beiliegende 3V-Netzgerät wie im Schaltplan gezeigt an die zuvor mit destilliertem Wasser befüllte Brennstoffzelle an und stecke das 3V-Netzgerät in die Steckdose ein.
Sobald genügend Strom fließt beginnt die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Gase werden in den entsprechenden Speicherzylindern gespeichert. Das Wasser wird in die darüber liegenden Überlaufkammern gedrückt.
Die Brennstoffzelle ist vollständig „aufgeladen“, wenn das gesamte Wasser aus dem Wasserstoff-Speicherzylinder (2) in die darüber liegende Überlaufkammer (1) gedrückt wurde. Dieser Vorgang dauert ca. 2 – 3 Minuten. Du kannst die Brennstoffzelle jetzt vom Ladekabel trennen. Die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff wird dadurch gestoppt.

Tipp: Willst du die optimale Leistung der Brennstoffzelle erzielen, so spüle die gesamte Luft aus der Brennstoffzelle. Fahre dazu mit der Wasserstofferzeugung fort, bis auch das letzte Wasser aus dem Sauerstoff-Speicherzylinder in die darüber liegende Überlaufkammer gedrückt wurde.

Versuch 1:

Fange an, Wasserstoff zu erzeugen. Beobachte dabei die von Wasserstoff und Sauerstoff verdrängte Wassermenge in den beiden Überlaufkammern. Was kannst du beobachten?

Antwort:

Es wird doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff erzeugt.

Warum ist das so?

Wasser (H2O) besteht aus Verbindungen von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Diese Verbindungen nennt man Wassermoleküle. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Wenn bei der Elektrolyse das Molekül getrennt wird entstehen doppelt so viele Wasserstoffmoleküle wie Sauerstoffmoleküle.

Elektrische Energie erzeugen

Sobald sich in den Speicherzylindern Wasserstoff und Sauerstoff befinden, reagieren diese miteinander und an den Buchsen entsteht eine elektrische Spannung von 0,5 bis 0,9 V. Die Brennstoffzelle liefert einen Strom von 600 mA und hat eine Nennleistung von 300 mW.

Versuch 2:

Schließe den enthaltenen Motor an die Buchsen der Brennstoffzelle an.

Was beobachtest du?

Der Motor dreht sich. Er wird durch die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie angetrieben.

Brennstoffzellenfahrzeug

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Transportmittel mit Elektroantrieb, bei denen die benötigte elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff oder Methanol durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Diese Antriebsform wurde vor allem in den letzten Jahrzehnten intensiv erforscht. Brennstoffzellenfahrzeuge in Konkurrenz zu akkumulatorgespeisten Elektroantrieben.
Probleme mit der Reichweite und der Wirtschaftlichkeit der Akkumulatoren (Preis und Lebensdauer) führten dazu, dass derzeit die Brennstoffzelle von einigen Automobilherstellern als Zukunftstechnologie favorisiert wird. Allerdings ist der Aufbau einer Infrastruktur für die Wasserstoffherstellung, Wasserstoffspeicherung und Betankung im Wesentlichen noch offen.

Versuch 3:

Baue nun das Brennstoffzellenfahrzeug komplett auf. Lasse das Fahrzeug geradeaus fahren und messe, wie lange bzw. welche Strecke mit der Brennstoffzellenfüllung zurückgelegt werden kann.

Wiederhole diesen Versuch mit Kurvenfahrt sowie auf verschiedenen Untergründen (rau, glatt, etc.). Was kannst du beobachten?

Antwort:

Je weniger Reibung vorhanden ist, umso schneller und weiter kann das Fahrzeug mit einer „Tankfüllung“ fahren.

Kombimodelle H2 Fuel Cell Car und Green Energy

Wenn du das H2 Fuel Cell Car und zusätzlich den Baukasten Green Energy besitzt, kannst du dich noch an die folgenden Aufgaben wagen:

Aufgabe 1:

Baue für die folgenden Versuche das Modell Windkraftanlage mit Brennstoffzelle wie in der Bauanleitung beschrieben auf.
Die Brennstoffzelle wird parallel zu den Solarmodulen eingebaut. Dadurch wird diese gleichzeitig neben dem Betrieb der Windkraftanlage geladen.

Versuch 1:

- Fülle die Brennstoffzelle mit destilliertem Wasser und stelle das Modell ins Sonnenlicht oder beleuchte die Solarmodule mit einer geeigneten Lichtquelle (z. B. 100 W Glühlampe im Abstand von 30 m).

Was kannst du beobachten?
Die Windkraftanlage bewegt sich und es wird gleichzeitig Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle erzeugt. Der Motor und die Brennstoffzelle sind parallelgeschaltet

Versuch 2:

- Warte jetzt, bis eine gewissen Menge an Wasserstoff erzeugt wurde und verdecke dann die Solarmodule oder schalte die Lichtquelle aus.

Was kannst du jetzt beobachten? Achte auch auf den Wasserstoff-Speicherzylinder.

Das Modell läuft zwar langsamer, aber es bleibt nicht stehen. Die Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff.
Wenn die Lichtstärke abnimmt, wird das Modell durch die Brennstoffzelle angetrieben. Die Windkraftanlage läuft jetzt also auch nach Sonnenuntergang oder wenn die Sonne durch eine Wolke verdeckt wird weiter.
Dass das Modell langsamer läuft liegt daran, dass die Brennstoffzelle eine geringere Spannung liefert als die Solarmodule. Ein Elektromotor dreht sich langsamer, wenn er mit einer geringeren Spannung versorgt wird.

Aufgabe 2:

Baue die Windkraftanlage mit Brennstoffzelle oder den Wackelmann mit Brennstoffzelle auf.

Versuch 1:

- Halte den eingebauten Taster nicht gedrückt.

Was kannst du beobachten?
Die Brennstoffzelle wird durch die Solarmodule mit Strom versorgt. Es wird also Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.

Versuch 2:

- Halte den eingebauten Taster nun gedrückt.

Was kannst du nun beobachten?
Der Motor wird von der Brennstoffzelle mit Strom versorgt und dreht sich. Das heißt, dass aus dem produzierten Sauerstoff und Wasserstoff in der Brennstoffzelle Strom erzeugt wird.

Störungsbeseitigung

Störung	Mögliche Ursache	Störungsbehebung
Ungewöhnlich hohe Spannung, wenn eine Last an die Brennstoffzelle angeschlossen wird	Schicht an der Oberfläche des Katalysators	Die Schicht an der Oberfläche des Katalysators, welche die anfängliche Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht verschwindet nach wenigen Sekunden
Keine oder sehr langsame Wasserstofferzeugung	Falsche Verbindung zwischen Netzteil und Brennstoffzelle	Verbindungen überprüfen und ggf. korrigieren
Keine oder sehr langsame Wasserstofferzeugung	Brennstoffzellenmembran ist zu trocken	Die mit destilliertem Wasser gefüllte Brennstoffzelle 30 Minuten lang stehen lassen
Geringe Brennstoffzellenleistung	Brennstoffzellenmembran ist zu nass	Wasser aus der Brennstoffzelle ausgießen und die Brennstoffzelle einen Tag lang offen stehen lassen
Modell (Motor) bewegt sich nicht oder nur langsam	Schwergängige Bauteile. Bauteile nicht nach Bauanleitung eingebaut.	Achte auf eine Leichtgängigkeit der beweglichen Bauteile. Modellaufbau mit Bauanleitung vergleichen.
Fahrzeug fährt nicht oder fährt rückwärts.	Motor nicht oder falsch an der Brennstoffzelle angeschlossen	Anschluss vom Motor prüfen, siehe Schaltplan.

Brennstoffzelle außer Betrieb nehmen / lagern

Die Brennstoffzelle sollte nicht mit Wasser gefüllt aufbewahrt werden.
Entferne daher nach deinen Versuchen die Stopfen von der Brennstoffzelle und gieße das Wasser aus. Schüttle dabei die Brennstoffzelle, um sie vollständig zu entleeren. Danach gut trocknen lassen.

Hinweise zum Umweltschutz

Die elektrischen und elektronischen Bauteile dieses Baukastens (z. B. Motoren, Lampen, Sensoren) gehören nicht in den Hausmüll. Sie müssen am Ende ihrer Lebensdauer an einem Sammelpunkt für das Recycling von elektrischen und elektronischen Geräten abgegeben werden. Das Symbol auf dem Produkt, der Verpackung oder der Anleitung weist darauf hin.

Haftung

Eine Haftung der fischertechnik GmbH für Schäden, die daraus resultieren, dass der Baukasten nicht entsprechend seiner bestimmungsgemäßen Verwendung gebraucht wurde, ist ausgeschlossen.

Technische Daten Brennstoffzelle

Allgemeines		Betrieb als Elektrolyseur		Betrieb als Brennstoffzelle
Betriebstemperatur	10 – 40 °C	Betriebsspannung	2 – 3 V	Betriebsspannung	0,5 – 0,9 V
Lagertemperatur	5 – 40 °C	Betriebsstrom	400 – 1500 mA	Betriebsstrom	600 mA
Wasserstoff Speicherkapazität	20 ml	Maximale Wasserstoffproduktionsrate	8 ml / min	Nennleistung	300 mW

Wichtige Sicherheitshinweise vorab

ACHTUNG!

Nur zum Gebrauch für Kinder über 9 Jahren. Benutzung nur unter der genauen Aufsicht von Erwachsenen, die sich mit den im Experimentierkasten beschriebenen Vorsichtsmaßnahmen befasst haben. Die Anweisungen vor Gebrauch lesen, sie befolge und nachschlagebereit halten.
Anweisungen für Eltern sind enthalten und müssen beachtet werden. Verpackung und Anleitung aufbewahren, da sie wichtige Informationen enthalten. Beim Experiment entsteht Wasserstoff. Wasserstoff kann mit Luftsauerstoff ein explosionsfähiges Gemisch bilden. Daher müssen vor dem Experiment alle Zündquellen entfernt werden.

Ratschläge an überwachende Erwachsene

- Dieser Experimentierkasten ist nur für Kinder über 9 Jahren bestimmt.
- Die Anleitungen sollen den Erwachsenen befähigen, das Experiment im Hinblick auf die Eignung für das betreffende Kind abzuschätzen.

Sicherheitsregeln

- Lese dir diese Anleitung vor Versuchsbeginn durch, befolge sie und halte sie nachschlagebereit.
- Bewahre den Experimentierkasten außer Reichweite von kleinen Kindern auf.
- Drähte nicht in Steckdose einführen.
- Warnung: Schutzdiode zwischen den Anschlüssen der Brennstoffzelle nicht entfernen! Sie verhindert, dass bei Kurzschluss zwischen Pluspol (rot) und Minuspol (schwarz) die Brennstoffzelle zerstört wird oder Leitungen zu heiß werden.
- Brennstoffzelle nicht kurzschließen (Explosionsgefahr)!
- Warnung: Durch (Schaltungs-) Fehler oder unzulässige Veränderungen können Temperaturerhöhungen an berührbaren Oberflächen die zulässigen Grenzwerte überschreiten!
- Die Brennstoffzelle darf nur mit einer Gleichspannung bis 3V betrieben werden. Auf keinen Fall andere, z.B. 9V-fischertechnik-Stromversorgungen, anschließen.
- Die Anschlussbuchsen der Brennstoffzelle dürfen nicht kurzgeschlossen werden.
- Durch eine zu hohe Spannung oder durch einen Kurzschluss kann die Brennstoffzellenmembran zerstört werden.
- Erzeuge keine Elektrizität oder Wasserstoff für andere Zwecke als in der Bedienungsanleitung angegeben.
- Erzeuge oder speichere nur so viel Wasserstoff wie in den Speicherzylinder der Brennstoffzelle passt (ca. 20 ml).
- Vermeide ein Dauerladen der Brennstoffzelle.

Bestimmungsgemäße Verwendung

Die Brennstoffzelle des H2 Fuel Cell Car darf ausschließlich zum Betreiben von fischertechnik Modellen eingesetzt werden.