Brennstoffzelle: Unterschied zwischen den Versionen

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== Zukunftstechnik Brennstoffzelle? ==
 
== Zukunftstechnik Brennstoffzelle? ==
  
 
Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt. Doch die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten Jahren interessant, da sie hinsichtlich des '''[[Treibhauseffekt]]es''' eine umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung aus [[fossile Brennstoffe|fossilen Brennstoffen]] wie [[Erdöl]] darstellt.
 
Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt. Doch die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten Jahren interessant, da sie hinsichtlich des '''[[Treibhauseffekt]]es''' eine umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung aus [[fossile Brennstoffe|fossilen Brennstoffen]] wie [[Erdöl]] darstellt.
  
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* Die Brennstoffzelle ist in Bezug auf [[Kohlenstoffdioxid|CO<sub>2</sub>]] emissionsfrei.
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* [[Wasserstoff]] als Brennstoff ist aus Wasser herstellbar, das unbegrenzt zur Verfügung steht.
 
* [[Wasserstoff]] als Brennstoff ist aus Wasser herstellbar, das unbegrenzt zur Verfügung steht.
 
* Als Endprodukt entsteht wiederum nur Wasser.
 
* Als Endprodukt entsteht wiederum nur Wasser.
 
* Die Brennstoffzelle arbeitet geräuschlos.
 
* Die Brennstoffzelle arbeitet geräuschlos.
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* Es erfolgt eine direkte Umwandlung chemischer [[Energie]] in elektrische [[Energie]], ohne Umwege über Wärme- und mechanische [[Energie]].
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* Es erfolgt eine direkte Umwandlung chemischer [[Energie]] in elektrische [[Energie]], ohne Umwege über [[Wärme]]- und mechanische [[Energie]].
 
* Die Brennstoffzelle unterliegt keinem mechanischen Verschleiß, da in der Zelle keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen.
 
* Die Brennstoffzelle unterliegt keinem mechanischen Verschleiß, da in der Zelle keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen.
 
* Der elektrische [[Wirkungsgrad]] kann bis zu 60 % betragen.
 
* Der elektrische [[Wirkungsgrad]] kann bis zu 60 % betragen.
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* Die Brennstoffzelle benötigt keine Ladezeiten. Bei Zufuhr von [[Wasserstoff]] und [[Sauerstoff]] liefert sie sofort eine Spannung.
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* Die Brennstoffzelle benötigt keine Ladezeiten. Bei Zufuhr von [[Wasserstoff]] und [[Sauerstoff]] liefert sie sofort eine [[Spannung]].
  
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* [[Wasserstoff]] als Brennstoff muss erst unter Energieaufwand erzeugt werden und ist damit kein auf der Erde vorhandener Primärenergieträger.
  
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Brennstoffzellen sind sehr einfach aufgebaut: Die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: Zwei gasführende Platten-Elektroden aus [[Platin]] und ein dazwischen liegender Feststoff-Elektrolyt.  
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Brennstoffzellen sind einfach aufgebaut, die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: zwei gasführende Platten-Elektroden aus [[Platin]] und ein dazwischen liegender Feststoff-Elektrolyt, der Protonen-Austausch-Membran (PEM).  
  
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Das [[Platin]] als Elektrodenmaterial wirkt gleichzeitig als [[Katalysator]] und ermöglicht den folgenden elektrochemischen Vorgang:
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Das [[Platin]] als Elektrodenmaterial wirkt gleichzeitig als [[Katalysator]] und ermöglicht die folgenden elektrochemischen Vorgänge:
  
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Befindet sich an der [[Anode]] [[Wasserstoff]] und an der [[Kathode]] [[Sauerstoff]], wird [[Wasserstoff]] unter Abgabe von [[Elektron]]en in [[Wasserstoff]]-[[Ionen]], also [[Proton]]en gespalten. Diese H<sup>+</sup>-[[Ionen]] wandern durch den für sie durchlässigen Elektrolyten zur [[Kathode]] und [[Oxidation|oxidieren]] mit [[Sauerstoff]] zu Wasser.
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=== [[Anode]]/Minuspol ===
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* [[Wasserstoff]] wird unter Abgabe von [[Elektron]]en in [[Wasserstoff]]-[[Ionen]], also [[Proton]]en gespalten (Elektronenabgabe, [[Oxidation]]).
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* Verbindet man die beiden Elektroden über einen elektrischen Verbraucher, so wandern die Elektronen durch diesen äußeren [[Stromkreis]] von der [[Anode]] zur [[Kathode]]: Es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom:<br />2[[Wasserstoff|H<sub>2</sub>]] [[Bild:Pt-Pfeil.gif]] 4H<sup>+</sup> + 4e<sup>–</sup> (Elektronenabgabe, [[Oxidation]])
  
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Verbindet man nun die beiden Elektroden mit einem elektrischen Leiter, so wandern die Elektronen durch diesen von der [[Anode]] zur [[Kathode]]: es fließt ein nutzbarer, elektrischer Strom.
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=== [[Kathode]]/Pluspol ===
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* [[Anode]]/Minuspol: 2[[Wasserstoff|H<sub>2</sub>]] [[Bild:Pt-Pfeil.gif]] 4H<sup>+</sup> + 4e<sup>–</sup>
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* Die über den äußeren Stromkreis zugeführten Elektronen reduzieren den [[Sauerstoff]] (Elektronenaufnahme, [[Reduktion]]), zeitgleich wandern die H<sup>+</sup>-[[Ionen]] durch die für sie durchlässige Membran zur [[Kathode]], es bildet sich Wasser:<br />4H<sup>+</sup> + [[Sauerstoff|O<sub>2</sub>]] + 4e<sup>–</sup> [[Bild:Pt-Pfeil.gif]] 2[[Wasser|H<sub>2</sub>O]] (Elektronenaufnahme, [[Reduktion]])
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* [[Kathode]]/Pluspol: 4H<sup>+</sup> + [[Sauerstoff|O<sub>2</sub>]] + 4e<sup>–</sup> [[Bild:Pt-Pfeil.gif]] 2[[Wasser|H<sub>2</sub>O]]
 
  
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Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen [[Reihenschaltung|in Reihe geschaltet]], d. h. aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack".
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=== Stacks ===
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Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen [[Reihenschaltung|in Reihe geschaltet]], d. h. aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack". Die Gesamtspannung des Stacks ist die Summe der Teilspamnnungen der einzelnen Brennstoffzellen.
  
 
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  |Die PEM-Brennstoffzelle ist das "Herzstück" unserer '''[[Modell]]anlage zur Veranschaulichung von [[Wasserstoff]]technologie''' in [http://www.bbs-winsen.de/bbs_dt/bbs-tour/eg/e26.html E26]
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  |Die PEM-Brennstoffzelle ist das "Herzstück" unserer '''[[Modell]]anlage zur Veranschaulichung von [[Wasserstoff]]technologie''' Raum E 26.
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Aufbau und Funktion findest Du auf der [http://www.h-tec.com/education/ger/?onload=dmlldygndGVjaG5vbG9neScpOwptYXVzKCk7CnNjaHJpZnQoJ2NfdGVjaG5vbG9neV9yZW5ld2FibGVlbmVyZ3knKTsK&content=technologie_brennstoffzelle Herstellerseite von H-Tec] eingehend erläutert.
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Aufbau und Funktion findest Du auf der [http://www.h-tec{{c}} Herstellerseite von H-Tec] eingehend erläutert.
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*[[Media:Brennstoffzelle AB.pdf|Arbeitsblatt zum Brennstoffzellen-Modell]]
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*[[Media:Brennstoffzelle-Bedienung.pdf|Bedienungsanleitung als PDF-Datei]]
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*[[Media:Brennstoffzelle.pdf|Bedienungsanleitung als PDF-Datei]]
 
 
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== Brennstoffzellen in der Fahrzeugtechnik ==
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== Anwendungsbeispiele ==
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=== Brennstoffzellen in der Fahrzeugtechnik ===
 
Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten zu Beginn der 90er Jahre verschiedene neue Konzepte und Technologien, mit denen es gelang, die Leistungsfähigkeit kontinuierlich zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen reichen die Einsatzmöglichkeiten bishin zu Fahrzeugantrieben mit mehreren 100 kW [[Leistung]].
 
Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten zu Beginn der 90er Jahre verschiedene neue Konzepte und Technologien, mit denen es gelang, die Leistungsfähigkeit kontinuierlich zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen reichen die Einsatzmöglichkeiten bishin zu Fahrzeugantrieben mit mehreren 100 kW [[Leistung]].
  
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http://www.hh2wasserstoff.de/_ZopeId/32200284A2Vh1YIVchE/CUTE/HH2/HH2_in_Hamburg/Fuel_Cell_Bus/index_html/HH2/HH2_in_Hamburg/Fuel_Cell_Bus/FuelCellBus_361.jpg<br>Bus der Hamburger Hochbahn mit Brennstoffzellenantrieb (DaimlerChrysler).  
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[[Bild:Citaro.jpg]]<br>Bus der Hamburger Hochbahn mit Brennstoffzellenantrieb.  
 
*[[Brennstoffzelle: Prüfen und Instandsetzung]] ([[:Kategorie:Fahrzeugtechnik|Fahrzeugtechnik]])
 
*[[Brennstoffzelle: Prüfen und Instandsetzung]] ([[:Kategorie:Fahrzeugtechnik|Fahrzeugtechnik]])
  
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[[Bild:BZHneu_190.jpg|thumb|Brennstoffzellen-Heizgerät der Fa. Vaillant|95px]]
 
[[Bild:BZHneu_190.jpg|thumb|Brennstoffzellen-Heizgerät der Fa. Vaillant|95px]]
  
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== Brennstoffzellen in der Haustechnik ==
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=== Brennstoffzellen in der Haustechnik ===
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Die Firma Vaillant entwickelt ein Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH), das bis zu 50% weniger [[Kohlendioxid|CO<sub>2</sub>]] erzeugt und etwa 25% weniger Primärenergie benötigt, um im Vergleich zu heutiger Technik die gleiche Menge an Heizwärme und elektrischem Strom in einem Mehrfamilienhaus bereitzustellen. Ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz bei wirtschaftlicher Verwendung wertvoller Ressourcen.
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Die Firma Vaillant hat ein Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) entwickelt, das bis zu 50% weniger [[Kohlendioxid|CO<sub>2</sub>]] erzeugt und etwa 25% weniger Primärenergie benötigt, um im Vergleich zu heutiger Technik die gleiche Menge an Heizwärme und elektrischem Strom in einem Mehrfamilienhaus bereitzustellen. Ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz bei wirtschaftlicher Verwendung wertvoller Ressourcen.
  
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== Alkalische Brennstoffzelle ==
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Referat über die alkalische Brennstoffzelle (AFC - alkaline fuel cell):
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* [[Media:Die_alkalische_Brennstoffzelle.pdf|Alkalische Brennstoffzelle]] (PDF-Datei, 6 MB)
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{{AB}}
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{{www}}
 
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* [http://www.hh2wasserstoff.de Das Hamburger Wasserstoffprojekt HH<sub>2</sub>] mit [http://www.hh2wasserstoff.de/_ZopeId/82701034A2s7EYx2YYg/CUTE/HH2/Schulmaterialien umfangreichem Zusatzmaterial] (Video-Dokumentation, [http://www.hh2wasserstoff.de/CUTE/HH2/Schulmaterialien/HH2_Gesamtordner.pdf Arbeitsblätter, Folien, Übungsaufgaben])
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{{blume|fc}}
 
* [http://www.pemfc.de www.pemfc.de]
 
* [http://www.pemfc.de www.pemfc.de]
 
* [http://www.diebrennstoffzelle.de www.diebrennstoffzelle.de].
 
* [http://www.diebrennstoffzelle.de www.diebrennstoffzelle.de].
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* [http://www.vaillant.de/Privatkunden/Regenerative_Energien/Entwicklung/Brennstoffzelle/ Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerät]
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* [http://www.vaillant.de/Warum-Vaillant/Forschung-Entwicklung/Brennstoffzelle/ Vaillant Brennstoffzellen-Heizgerät]
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* [http://www.h-tec.com/education/sub_service/servicebereich_downloads/Folienordner.pdf Fa. H-Tec: umfangreiches Infomaterial mit OHP-Folien]
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* [http://www.h-tec{{c}}fileadmin/content/edu/Lehrmaterialien/Praesentation.pdf Fa. H-Tec: umfangreiches Infomaterial mit OHP-Folien]
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* [http://www.enviam-welt.de/welt/energie_und_wissen/energie_erzeugung/brennstoffzelle_pem-brennstoffzelle.html www.enviam.de] - Animierte Darstellung des Funktionsprinzips
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{{cona|Chemie_Brennstoffzelle.pdf}}
  
 
[[Kategorie:Chemie]]
 
[[Kategorie:Chemie]]
 
[[Kategorie:Fahrzeugtechnik]]
 
[[Kategorie:Fahrzeugtechnik]]
 
[[Kategorie:Lernfeld 5: Prüfen und Instandsetzen der Energieversorgungs- und Startsysteme]]
 
[[Kategorie:Lernfeld 5: Prüfen und Instandsetzen der Energieversorgungs- und Startsysteme]]
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[[Kategorie:Lerngebiet 12.17: Energieressourcen schonen]]

Aktuelle Version vom 2. August 2018, 18:29 Uhr

„Ich glaube, dass Wasser eines Tages als Brennstoff genutzt wird. Wasser, in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wird zur unerschöpflichen Energiequelle werden.“
Jules Verne

Brennstoffzelle
vernetzte Artikel
Treibhauseffekt Elektrolyse

Zukunftstechnik Brennstoffzelle?

Bereits im Jahre 1839 wurde der Grundstein für die heutige Brennstoffzellentechnik gelegt. Doch die zivile Nutzung der Brennstoffzelle wurde erst in den letzten Jahren interessant, da sie hinsichtlich des Treibhauseffektes eine umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl darstellt.

Vorteile der Brennstoffzelle

Xco2.gif
  • Die Brennstoffzelle ist in Bezug auf CO2 emissionsfrei.
  • Wasserstoff als Brennstoff ist aus Wasser herstellbar, das unbegrenzt zur Verfügung steht.
  • Als Endprodukt entsteht wiederum nur Wasser.
  • Die Brennstoffzelle arbeitet geräuschlos.
  • Es erfolgt eine direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, ohne Umwege über Wärme- und mechanische Energie.
  • Die Brennstoffzelle unterliegt keinem mechanischen Verschleiß, da in der Zelle keine beweglichen Teile zum Einsatz kommen.
  • Der elektrische Wirkungsgrad kann bis zu 60 % betragen.
  • Die Brennstoffzelle benötigt keine Ladezeiten. Bei Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff liefert sie sofort eine Spannung.

Nachteil

  • Wasserstoff als Brennstoff muss erst unter Energieaufwand erzeugt werden und ist damit kein auf der Erde vorhandener Primärenergieträger.

Aufbau und Funktion der PEM-Brennstoffzelle

PEM-Brennstoffzelle
 FuelCellAnimation.gif

Brennstoffzellen sind einfach aufgebaut, die eigentliche Zelle besteht aus drei übereinander liegenden Schichten: zwei gasführende Platten-Elektroden aus Platin und ein dazwischen liegender Feststoff-Elektrolyt, der Protonen-Austausch-Membran (PEM).

Das Platin als Elektrodenmaterial wirkt gleichzeitig als Katalysator und ermöglicht die folgenden elektrochemischen Vorgänge:

Anode/Minuspol

Kathode/Pluspol

  • Die über den äußeren Stromkreis zugeführten Elektronen reduzieren den Sauerstoff (Elektronenaufnahme, Reduktion), zeitgleich wandern die H+-Ionen durch die für sie durchlässige Membran zur Kathode, es bildet sich Wasser:
    4H+ + O2 + 4e– Pt-Pfeil.gif 2H2O (Elektronenaufnahme, Reduktion)

Stacks

Da eine einzelne Zelle nur eine sehr geringe Spannung erzeugt, werden je nach benötigter Spannung einzelne Zellen in Reihe geschaltet, d. h. aufeinander gestapelt. Solch ein Stapel nennt sich "Stack". Die Gesamtspannung des Stacks ist die Summe der Teilspamnnungen der einzelnen Brennstoffzellen.

bzelle2.gif stack.gif Stack

Modell Wasserstofftechnologie

Modellanlage Wasserstofftechnologie mit Brennstoffzelle
Skizze: Miriam de la Cruz, FOS-G
Modell Wasserstofftechnologie.jpg Die PEM-Brennstoffzelle ist das "Herzstück" unserer Modellanlage zur Veranschaulichung von Wasserstofftechnologie Raum E 26.

Aufbau und Funktion findest Du auf der Herstellerseite von H-Tec eingehend erläutert.

Anwendungsbeispiele

Brennstoffzellen in der Fahrzeugtechnik

Wissenschaftler und Ingenieure entwickelten zu Beginn der 90er Jahre verschiedene neue Konzepte und Technologien, mit denen es gelang, die Leistungsfähigkeit kontinuierlich zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Inzwischen reichen die Einsatzmöglichkeiten bishin zu Fahrzeugantrieben mit mehreren 100 kW Leistung.

Citaro.jpg
Bus der Hamburger Hochbahn mit Brennstoffzellenantrieb.


Weitere Informationen als PDF-Dateien zum Download:

Brennstoffzellen-Heizgerät der Fa. Vaillant

Brennstoffzellen in der Haustechnik

Die Firma Vaillant hat ein Brennstoffzellen-Heizgerät (BZH) entwickelt, das bis zu 50% weniger CO2 erzeugt und etwa 25% weniger Primärenergie benötigt, um im Vergleich zu heutiger Technik die gleiche Menge an Heizwärme und elektrischem Strom in einem Mehrfamilienhaus bereitzustellen. Ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz bei wirtschaftlicher Verwendung wertvoller Ressourcen.

Alkalische Brennstoffzelle

Referat über die alkalische Brennstoffzelle (AFC - alkaline fuel cell):

Arbeitsblatt zum Thema Brennstoffzelle

Hier kannst Du das Arbeitsblatt zum Thema Brennstoffzelle herunterladen:

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen
zum Thema Brennstoffzelle:
Chemie FOS-T

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-

Chemie heute

auf Seite
164

Elemente Chemie

auf Seite
273

Weblinks

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