Kosmos brennstoffzell

• Techniek
• Middelbare school
• vmbo, mavo
• Leerjaar 1,2

Brandstofcel

Brandstofcel 

klas 3

 Informatie behorende bij deze lesopdracht:

Benodigde materialen: Bouwpakket brandstofcel van kosmos, gedestilleerd water, batterijvoeding, multimeter en

Stopwacht

Benodigde software programma('s): geen

Waar zijn de benodigde materialen / programma's te koop ( link om te bestellen):  Techni science

Link naar websites: www.techniscience.com

Geschatte uren voor deze lesopdracht:

Voor deze hele lesopdracht is 2 x 90 minuten nodig.

Aantal leerlingen die aan deze opdracht kunnen werken: Er kunnen 2 leerlingen aan 1 pakket werken

Wat weet je al over het onderwerp?

• 
  
  

• Inleiding
• Doelstellingen
• Competenties
• Filmpje brandstofcel
• Elektrolyse van water
• Ontstaan van waterstof en water
• Brandstofcel
• Praktijkopdracht
• Opdracht 1 Auto rijd op accupakket
• Opdracht 2 Auto rijd op zonnepaneel
• Opdracht 3 Opbouw van de brandstofcel op de auto
• Opdracht 3.1 vullen van de tank
• Opdracht 3.2 ontluchten van de tank
• Elektrolyse

• Opdracht 4.1 elektrolyse met accupakket
  
• Opdracht 4.2 elektrolyse met accupakket
• Opdracht 5.1 elektrolyse met zonnepaneel
• Opdacht 5.2 elektrolyse met zonnepaneel
• Invullen van de competenties
• Lob
• Huiswerkopdracht
• Begrippenlijst

Inhoudsopgave

Door de stijgende prijzen en het tekort aan fossiele brandstoffen worden alternatieve energiebronnen belangrijker dan ooit. De brandstofcel wordt daarom steeds meer een focus. Voor iedereen die dat wil als je wilt weten hoe het werkt, is de KOSMOS-brandstofcel precies wat je zoekt: een grote zonnecel wekt eerst elektriciteit op uit zonlicht. De stroming splijt water in elektrolyse tot waterstof en zuurstof. In de brandstofcel worden de gassen gebruikt om elektrische energie op te wekken die een motor aandrijft. De gedetailleerde kleur Instructieboek legt de technologie en alle werkstappen in detail uit.

vervolgens kunnen verschillende testopstellingen worden gebruikt om het voertuig op verschillende manieren in beweging te zetten – wat het sleutelinstinct zeker stimuleert. Het kan dus al met elektriciteit een batterij of door een zonnemodule, die ook beschikbaar is, waarmee het voertuig begint te rollen, zelfs in de lichte herfstzon. Maar de belangrijkste focus is Op de brandstofcel natuurlijk: Elektrolyse scheidt water in zuurstof en waterstof, die vervolgens de motor via verbranding aandrijft. In de instructies vindt u de details, waarin de functionaliteit in detail wordt beschreven – evenals die van de zonnecel.

Inleiding

Tijdens deze les ga je het volgde leren:

• Wat is waterstof
• Werking van een brandstofcel
• Verschil tussen energie opwekken met accu of zonnepaneel
• Metingen uitvoeren
• Voordelen van rijden op waterstof of elektriciteit

Doelstellingen

Aan deze competenties ga je werken:

• K 2.9 Materialen en middelen inzetten

• K 2.11  Onderzoeken
• K 2.16 Instructie en procedures opvolgen 

 

Competenties

Elektrolyse van water is het ontleden van water (H2O) in de componenten waterstof (H2) en zuurstof (O2) met behulp van een elektrische stroom.

• Wasserstoff = waterstof
• Sauerstoff = zuurstof
• Stromzufuhr = stroomtoevoer
• Wasser = water

Voor elektolyse heb je een elektroyt nodig, dit is een stof die stroom goed kan geleiden, in dit geval is dat gedestilleerdwater. In een vloeistof (water) kunnen de moleculen vrij bewegen. Bij stroomtoevoer kunnen de watermoleculen elektronen opnemen of afgeven, deze eigenschap maakt ze geschikt voor elektrolyse. Elektronen zijn negatief geladen deeltjes. Een elektron word aangegeven als e-. Als we zeggen dat er stroom loopt, Wil dat zeggen dat de elektonen lopen. Bij stroom toevoer word het water ontleed in elektrisch geladen atomen, deze deeltjes heten ionen. De stroom loopt via twee elektronen. Deze elektronen aan de minpool noemen we katoden, de elektronen aan de pluspool noemen we anode. De elektroden zijn van metaal gemaakt.  

Elektrolyse van water

Elektrolyse is het ontleden van water . Welke vergelijking hoort bij water?

1. H2O
2. CO2
3. N3
4. Zn

Wat is een elektrolyt?

Een voorbeeld van een elektrolyt is?

1. Hout
2. Zuurstof
3. Waterstof
4. Water

Elektronen zijn?

1. positief geladen deeltjes e+
2. Negatief geladen deeltjes e-

De elektronen aan de minpool noemen we?

De elektronen aan de plus pool noemen we?

1. Kathoden
2. Anoden

Brandstofcel

Ontstaan van waterstof en water

Voor de elektrolyse gebruiken we een gelijkstroombron. Bij ons model is dat de accu of zonnepaneel. De kathode is negatief en de anode is positief. Zodra we de spanning op de elektroden zetten word de kathode negatief, hier ontstaat een overvloed aan elektroden. De anode word positief en hier ontstaat een tekort aan elektroden. De chemische reactie loopt als volgt: Aan de kathode nemen twee watermoleculen twee elektronen op. De reactie die dan plaats vind levert waterstof (H2) en 2 hydroxide ionen (OH-)  

Reactie vergelijking: 2 H2O + 2e- -> H2 + 2 OH-

Het waterstofgas komt dus vrij aan de kathode. 

Aan de anode geven we 4OH- ionen hun lading af aan de anode,

Hierbij ontstaat water en zuurstof. 

Reactie vergelijking: 4OH- -> O2 +   H2O +e- 

Wat is een gelijkstroombron?

1. Gelijkstroom vloeit van de positieve (+) naar de negatieve pool (−). De elektronen vloeien overigens in de tegengestelde richting.
2. Gelijkstroombron vloeit van negatief - naar de positieve pool +. De elektronen vloeien overigens in de zelfde richting.

Aan welke zijde komt waterstofgas vrij?

Brandstofcel

Brandstofcel

Wasserstoffanschluss = waterstofaansluiting

Sauerstoffanschluss = zuurstofaansluiting

Membrane = membraam

System = systeem

Een brandstofcel genereert stroom door waterstof en zuurstof te gebruiken. De brandstofcel is een omgekeerde elektrolyse.

Aan de anode (minpool) word waterstof (H2) toegevoerd. Het waterstof word aan de anode direct gesplitst in 2 waterstofatomen (H+). De  

positief geladen waterstof-ionen gaan door het membraam naar de kathode zijde.

Reactie vergelijking anode: H2 -> 2H+ + 2e- 

Wat produceert een brandstof cel

1. Water
2. Zuurstof
3. waterstofgas
4. stroom

Welke ionen kunnen door het membraam van de brandstofcel?

1. O+
2. H+
3. H2O
4. Waterstofgas

Brandstofcel

Brandstofcel

Aan de katode kant word zuurstof toegevoegd. Elk zuurstofatoom

neemt direct  elektronen op van de kathode en reageert met 2 positief geladen waterstof ionen die door het membraam zijn gekomen. Het product is een watermolecuul (H2O). 

Reactievergelijking: O2 + 4H+ + 4E- -> H2O

Wat wordt er aan de kathode kant van de brandstofcel toegevoegd?

1. O+
2. H+
3. H2O
4. Waterstofgas

Brandstofcel

Brandstofcel

Aan de anode zijde geeft het waterstof zijn elektronen af aan de anode. Deze elektronen stromen naar de kathode. De ontstane protonen gaan door het membraam naar de zuurstofionen aam de katode-zijde. De elektronen kunnen niet door het membraan. De zuursto-ionen nemen daarom de elektronen van de anode op. Het stroomcircuit is gesloten en er loopt een stroom. Met deze stroom kunnen we een elektromotor gaan aansturen.

Bekijk nogmaals het introfilmpje van slide 7 Snap je nu beter hoe een auto op waterstofgas kan rijden?

Benodigdheden:

bouwpakket brandstofcel van kosmos

gedestilleerd water

batterijvoeding

zonnepaneel

multimeter

stopwacht

 

Praktijkopdracht

Opdracht 1 Auto rijd op accupakket

• Zorg dat de schakelaar van het accupakket op off staat.
• Koppel het accupakket aan de elektromotor.
•  Zet de schakelaar op on.

Je heb nu een auto die op elektriciteit rijd.

Wat is het belangrijkste voordeel van het rijden op een accupakket?

1. Geen vervuilende uitlaat gassen
2. Het is goedkoop
3. Je kan veel kilometers rijden
4. Accu kan je snel laden

Wat is het belangrijkste nadeel van het rijden op een accupakket?

1. Geen vervuilende uitlaat gassen
2. De accu laden, duurt lang
3. Je kan veel kilometers rijden
4. Het is een duur systeem

Opdracht 2 Auto rijd op zonnepaneel

• Koppel het zonnepaneel aan de elektromotor van de auto.

Je heb nu een auto die op zonlicht rijd.

Wat is het belangrijkste voordeel van het rijden op een zonnepaneel?

1. Geen vervuilende uitlaat gassen
2. Het is goedkoop
3. Je kan veel kilometers rijden
4. Je heb veel zonlicht nodig

Wat is het belangrijkste nadeel van het rijden op een zonnepaneel?

1. Geen vervuilende uitlaat gassen
2. Je heb veel zonlicht nodig
3. Je kan weinig kilometers rijden
4. Het oppervlak van de zonnepaneel moet groot zijn om de auto te kunnen laten rijden

Opdracht 3 opbouw van de brandstofcel op de auto

• Plaats de brandstofcel op de auto.
• Plaats de tank achter op de auto, de kant met grootste tankinhoud van achter

     gezien links.

• Sluit het slangetje van de grootste tankinhoud aan op de brandstofcel H2.
• Sluit het slangetje van de kleinste tankinhoud aan op de brandstofcel O2.

Opdracht 3.1 Vullen van de tank 

• Je mag voor deze opdracht alleen gedestilleerd water gebruiken.

     van kraanwater of mineraalwater gaat de brandstofcel stuk

• Neem de spuit en spuit deze vol met gedestilleerd water.
•  Vul de tank door het water in 1 van de vulopeningen te spuiten, het water zakt langzaam      weg. zie ook de video op de volgde slide.
• Vul het weer bij tot net onder de rand 

Opdracht 3.2 Ontluchten van het systeem 

• Omdat er lucht in het systeem zit, lucht kan je samen persen wat storting kan 

      veroorzaken daarom moeten we het lucht er uitzuigen.

•  We gaan eerst de kant van H2 ontluchten, zwarte aansluiting 
• Zorg dat de spuitje leeg is en helemaal is ingedrukt.
• Haal het zwarte afsluitdopje van het slangetje er af en sluit de lege spuit hierop aan.
• Trek de spuit uit totdat er geen luchtbelletjes meer door het slangetje komen.
• Knijp het slangetje tussen twee vingers dicht, maak de spuit los en druk het zwarte afsluitdopje terug op het slangetje. Spuit het water wat nu in de spuit zit terug in de tank.

• Herhaal het ontluchten voor de O2 kant van de brandstofcel met rode aansluiting. 
• Zuig zoveel water uit de brandstofcel dat het het water 1cm onder de rand staat. Als er meer water in de tank zit zal deze overlopen bij de productie van gassen waterstof en zuurstof.   Zie ook afbeeldingen op de volgde slide.

Opdracht 3.2 afbeeldingen ontluchten van het systeem

Opdracht 4.1 Elektrolyse met accu pakket

• Zorg dat de batterijvoeding op off staat.
• Sluit de zwarte draad van de batterijvoeding aan op de H2 kant.
• Sluit de rode draad van de batterijvoeding aan op de O2 kant.

•  Neem de tijd op
• Zet de schakelaar van de batterijvoeding op on, het elektrolyse proces is begonnen

De binnenste tanks zullen nu gevuld worden met gassen H2 en O2 en drukken het hierbij aanwezige water er uit. Als gevolg hiervan zal het waterniveau in de buitenste tank stijgen.

Als het water helemaal tot aan de rand staat is de brandstofproductie klaar.

Hoeveel seconden duurt de brandstof productie met batterijpakket?

Opdracht 4.2 elektrolyse met accu pakket

• Zorg dat de batterijvoeding op off staat.
• Ontkoppel de batterijvoeding.

We gaan bepalen hoe lang en hoe ver de auto is gekomen, noteer deze gegevens op de volgde slide. Dit gaat beginnen zodra de brandstofcel is aangesloten.

• Sluit de zwarte draad van de elektromotor aan op de H2 kant.
• Sluit de rode draad van de elektromotor aan op de O2 kant.

•  Neem de tijd op

Hoeveel seconden en meter rijd de auto op de geproduceerde brandstof?

Wat is het belangrijkste voordeel van het rijden op waterstof?

1. Geen vervuilende uitlaat gassen
2. Het is goedkoop
3. Je kan veel kilometers rijden
4. Je staat niet lang bij de pomp

Wat zijn nog meer voordelen om een auto op waterstof te laten rijden?

Opdracht 5.1 Elektrolyse met zonnepaneel

• Herhaal de opdrachten 3.1 en 3.2

• Sluit de zwarte losse draad aan op zonnepaneel en de andere kant aan op 

     de H2 kant van de brandstofcel.

• Sluit de rode losse draad aan op zonnepaneel en de andere kant aan op de O2 kant van 

     de brandstofcel.

•  Neem de tijd op
• Zodra er voldoende licht op het zonnepaneel schijnt begint het elektrolyse proces.

De binnenste tanks zullen nu gevuld worden met gassen H2 en O2 en drukken het hierbij aanwezige water er uit. Als gevolg hiervan zal het waterniveau in de buitenste tank stijgen.

Als het water helemaal tot aan de rand staat is de brandstofproductie klaar.

Hoeveel seconden duurt de brandstof productie met een zonnepaneel?

Opdracht 5.2 Elektrolyse met zonnepaneel

• Ontkoppel het zonnepaneel.

We gaan bepalen hoe lang en hoe ver de auto is gekomen, noteer deze gegevens op de volgde slide. Dit gaat beginnen zodra de brandstofcel is aangesloten.

• Sluit de zwarte draad van de elektromotor aan op de H2 kant.
• Sluit de rode draad van de elektromotor aan op de O2 kant.

•  Neem de tijd op

Hoeveel seconden en meter rijd de auto op de geproduceerde brandstof?

Wat is het belangrijkste voordeel van het rijden op waterstof met een zonnepaneel?

1. Je bent onafhankelijke van een laadstation
2. Het is goedkoop
3. Je kan veel kilometers rijden
4. Het laden gaat snel

Wat is groot nadeel van het rijden op waterstof met een zonnepaneel?

1. Slecht voor de economie
2. Het is goedkoop
3. Je kan weinig kilometers rijden
4. Het laden duurt zeer lang

Zelfbeoordeling van de competenties:
K.2.9 Materialen en middelen inzetten
Hoe zet je materialen en middelen in
Waaom heb je deze materialen gebruikt/ op welke veiligheids punten met je letten bij deze materialen en middelen

Zelfbeoordeling van de competenties:
K.2.11 Onderzoeken
Welke verschillende onderzoeken heb jij uitgevoerd?
Welke verschillen heb je waargenomen?

Zelfbeoordeling van de competenties:
K.2.16 Instructies en procedures opvolgen
Welke instructies waren belangrijk?
Op welke voorschriften moest je letten?

Bekijk op de volgde slide het filmpje en kijk goed welke beroepen er allemaal in zitten verwerkt. 

LOB

Welke beroepen heb je allemaal kunnen zien in het filmpje?

Sleep de afbeelding naar de juiste naam, je houd vier woorden over

Huiswerkopdracht 

Multimeter

Spuitje

Accu

Tank

Electromotor

Zonnepaneel

Frame

Gedestileerdwater

Brandstofmotor

Zoutwater oplossing

Brandstof

Brandstofcel

Rooster

A	Accu Een product om elektriciteit in op te slaan.
	Annode Een anode is de pluspool ook wel positieve pool genoemd in een elektrisch apparaat of component waar elektronen naar binnen gaan.
B	Battery Een product om elektriciteit in op te slaan.
	Brandstofcel en brandstofcel is een apparaat dat op basis van een elektrolyse reactie waterstof en zuurstof omzet in elektriciteit en restwarmte.
C	Chemicus Waar het bij Chemie draait om moleculen, draait het bij Chemische Technologie om processen waarin kilogrammen of zelfs tonnen worden geproduceerd.
D	Driving Is de gecontroleerde bediening en beweging van een voertuig.
E	Electromotor Een elektromotor is een apparaat dat elektrische stroom omzet in mechanische rondgaande beweging.

Begrippenlijst

E	Elektrolyse Elektrolyse, het splitsen van water in zuurstof en waterstof, met elektriciteit uit wind en zon is de belangrijkste optie.
	Elektroyt en elektrolyt is een vloeistof die ionen bevat en hierdoor geleidend is. We spreken meestal van een elektrolyt bij elektrochemische cellen en elektrolyse.
F	Frame Een frame is het dragende onderdeel (chassis) van een fiets, bromfiets of auto.
	Fullcell Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat chemische energie direct omzet in elektrische energie.
G	Gedestileerdwater Is zeer zuiver water. Door destillatie zijn alle anorganische zouten en veel organische stoffen verdwenen.
	Gelijkstroombron Bij gelijkstroom lopen de ladingsdragers steeds in dezelfde richting door de stroomkring.
	Genereert Genereren is het voortbrengen van iets, zoals bijvoorbeeld stroom.
	Greenenergie Groene energie die wordt opgewekt uit natuurlijke hulpbronnen, zoals zonlicht, wind of water.
H
I	ICT Informatie communicatie technologie.

J
K	Kathode Een kathode is de minpool in een elektrisch apparaat of component waar elektronen naar binnen gaan.
	Kraanwater Het water dat uit je kraan komt.
L	Luchtbelletjes lucht of gas die als rond bolletje waarneembaar is in een vloeistof.
M	Mineraalwater Mineraalwater is water dat mineralen bevat die het een specifieke smaak geven.
	Molecuul Een molecuul is het kleinste deeltje van een moleculaire stof dat nog de chemische eigenschappen van die stof bezit.
	Multimeter Een multimeter of universeelmeter is een elektrisch meetinstrument waar mee gemeten kunnen worden zoals spanning, stroomsterkte.
N
O	Ontluchten Ontluchten is het verwijderen van lucht uit een systeem dat met vloeistof is gevuld.
	Ontleden Water kun je door een elektrische stroom ontleden in waterstof en zuurstof.

P
Q
R
S	Spanning De hoeveelheid energie die wordt meegegeven aan de elektrische lading is de spanning (U).
	Stopwatch is een instrument om nauwkeurig de verstreken tijd te registreren.
	Storage Opslag van stroom.
	Storing Een storing is een afwijking in het normale gedrag van een systeem of onderdeel daarvan.
	Systeem Een systeem die is samengesteld uit meerdere kleinere, met elkaar samenhangende, of op elkaar inwerkende onderdelen.
T	Tank Opslag voor vloeistoffen.
	Transport Het verplaatsen van goederen of stoffen.
U

W	Waterstof Waterstof (H2) is een brandbaar gas.
X
Y
Z	Zonlicht Zonlicht is het zichtbare deel van de elektromagnetische straling dat door de zon wordt uitgestraald.
	Zoutwateroplossing In water zijn zoutstofen opgelost.
	Zonnepaneel Zijn panelen die zonne-energie kunnen omzetten in elektriciteit.

Brandstofcel

Controleer of je alle vragen en opdrachten heb gemaakt