Der Bau einer eigenen Brennstoffzelle

Fach Chemie

Klasse 11

Autor Wimmer96

Veröffentlicht am 01.11.2018

Schlagwörter

Brennstoffzelle

Zusammenfassung

Dieses Referat untersucht den Bau einer eigenen Brennstoffzelle im Labor. Dazu wird genau geschildert welche Schritte für den Aufbau nötig sind und welche Ergebnisse zu betrachten sind. Es handelt sich um eine Schritt für Schritt Anleitung.

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3.1 Herstellung einer Agar-Membran

Zu Beginn des Seminars wurde versucht eine Membran für die spätere Zweikammer-Brennstoffzelle herzustellen.

3.1.1 Versuchsaufbau
Die dazu benötigten Geräte und Chemikalien waren

  • 100 ml destilliertes Wasser,
  • 5g Agar
  • Ein etwa 3cm langer durchsichtiger PE-Schlauch
  • Spatel
  • Heizgerät
  • Becherglas (400 ml, breite Form)

3.1.2 Versuchsdurchführung und Betrachtungen
Das Wasser wurde in ein breites Becherglas gegeben und durch ein Heizgerät erwärmt. Nachdem das Wasser langsam zu dampfen begann und somit bis kurz vor den Siedepunkt von 100 Grad Celsius erhitzt worden war, wurden 5g Agar beigegeben und unter ständigem Rühren beobachtet. Man konnte sehen, dass das Agar, das zu Beginn noch ein Pulver war, beziehungsweise aus Pilzsporen bestand, nach einer Weile immer fester wurde. Nun musste man mit einem Spatel das Wasser und das Agar so lange rühren bis sich die Viskosität des Gemisches richtig entwickelte. Man konnte nun fast sekündlich eine Änderung der Konsistenz des Agar erkennen, das sich allmählich immer mehr in eine gelartige Substanz veränderte. Wenn die richtige Konsistenz erreicht ist, wird das Agar in das kurze Stück eines PE-Schlauches gegeben. Hierbei gab es einige Schwierigkeiten beim Befüllen des Schlauches mit Agar, da dieses aufgrund seines Zustandes sehr schwierig in dem Schlauch zu halten war. Es stellte sich heraus, dass es die beste Lösung ist, den PE-Schlauch in ein handelsübliches Reagenzglas zu geben und dieses danach mit dem Agar aufzufüllen, sodass der Schlauch komplett gefüllt ist. Nun ist es wichtig so lange zu warten, bis die Membran zu 100 Prozent ausgehärtet ist, da es sonst zu Löchern kommen kann oder die Membran gar ganz zerfällt, was einen Funktionsverlust zur Folge hätte und somit die ganze Arbeit zu Nichte machen würde. Allerdings darf man die Membran auch nicht zu lange in direkten Kontakt mit der Luft bringen , da dabei sofort die Flüssigkeit, die in der Membran enthalten ist, beginnt zu verdunsten und die Membran schlussendlich verfault. Nach optimaler Wartezeit von einem Tag löst man den Schlauch mit der enthaltenen Membran aus dem Reagenzglas und entfernt auf jeder Seite des Schlauches etwa 0,5-1 cm der Membran, um später diesen an den beiden Brennstoffkammern zu befestigen. Die Membran die man durch diesen Versuch gewonnen hat, ist wichtig für den Bau einer Brennstoffzelle, da Agar aufgrund der Carboxylgruppen kationenpermeabel wirken kann. Kationenpermeabilität heißt, dass durch das Agar nur Kationen, also positiv geladene Teilchen, durch die Membran und somit in die andere Kammer gelangen können. Dies hat zur Bedeutung, dass die Elektronen, die bei dieser Reaktion auch entstehen, nicht durch das Agar passen und somit gezwungen werden über die Stromkabel und den Verbraucher in die andere Kammer der Brennstoffzelle zu gelangen, was zur Folge hat, dass Strom fließt.

3.2 Bau einer Zweikammerbrennstoffzelle
Nachdem nun eine Membran hergestellt wurde, ist es möglich selbst eine Brennstoffzelle im Labor herzustellen, was nun und im Folgenden beschrieben wird.

3.2.1 Versuchsaufbau
Das Ziel ist es eine Zweikammerbrennstoffzelle herzustellen, die mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden soll und eine Membran besitzt. Also genau die Funktionsweise der PEM-Brennstoffzelle beschreibt, die bereits genau dargestellt wurde. Die dabei benötigten Geräte und Chemikalien werden unten angeführt.
Geräte:

  • 2 Behälter für Gaselektroden
  • 3 cm Verbindungsschlauch (transparent) mit Agar-Pfropf
  • 2 aktivierte Pt-Elektroden
  • 2 Gaseinleitungsrohre mit ausgezogener Spitze
  • Verbindungskabel
  • Voltmeter bzw. Amperemeter
    Chemikalien:
  • KOH (c = 1 mol/l) als Elektrolytlösung
  • Wasserstoff
  • Sauerstoff

Der Aufbau besteht, wie auf dem Bild zu sehen ist, aus einem U-Rohr, das in zwei voneinander unabhängige Kammern aufgeteilt ist, und jeweils mit der Ein-Molaren Kalilauge gefüllt ist. Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden sich 2 aktivierte Platinelektroden, die bei dieser Reaktion als Katalysatoren dienen und dafür sorgen, dass die Reaktion schneller abläuft. Am Ende einer jeden Platinelektrode befindet sich jeweils ein Stromkabel, hier mit den Farben rot und blau kenntlich gemacht. Diese Kabel sind mit dem Volt- bzw. Amperemeter verbunden, der hier im Hintergrund als grauer Kasten steht. Dieses dient sowohl zur Messung der Stromstärke als auch zur Spannungsmessung, die beim Betrieb der Zelle mit den Brennstoffen entstehen. Außerdem ist die Membran, die hier wie ein „gelber Fleck“ erscheint, zwischen den beiden Kammern der Zelle zu sehen. Dies ist wichtig, da es ohne Trennung der Räume zu der aus dem Unterricht bekannten Knallgasreaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff kommen kann. Diese beiden Gase werden zum Betrieb der Zelle gebraucht, da diese zur Elektronenaufnahme und -abgabe dienen, was später dazu führt, dass elektrischer Strom zwischen den Kammern fließt.

3.2.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
Nachdem die Apparatur aufgebaut worden ist und alle nötigen Vorkehrungen getroffen wurden, konnte der Versuch die Brennstoffzelle zu betreiben gestartet werden. Wenn man das Bild betrachtet und mit den vorher genannten, benötigten Chemikalien und Geräten vergleicht kann man erkennen, dass etwas fehlt, nämlich die Gaseinleitungsrohre. Diese konnten aber aufgrund des vorherrschenden Platzmangels nicht mit in die Apparatur eingebaut werden und der eigentliche Gedanke war, die beiden Brenngase durch die Öffnungen, die unterhalb des U-Rohres zu sehen sind, einzuleiten. Doch auch diese Idee wurde zu Nichte gemacht, da bei einer Öffnung dieser Ventile logischerweise die Elektrolytlösung austrat, ohne die ein Betrieb der Zelle aber unmöglich ist. Zudem gab es auch noch Probleme mit der gerade beschriebenen Herstellung der Membran, da das Agar, wie bereits erwähnt nicht zu einer stabilen Membran wurde, sondern nur zu einer Art Gel, das durch den Schlauch gestützt werden sollte. Jedoch lag genau bei diesem Schlauch das Problem, da sich Agar und Schlauch nicht richtig miteinander verbanden und so immer wieder kleine Lücken zwischen Membran und Schlauch entstanden, beziehungsweise die Membran nach der Aushärtung direkt wieder zerbröckelte, was einen Anschluss an die beiden getrennten Kammern der Zelle unmöglich machte. Genau aus diesem Grund wurde, wie auf dem Bild zu sehen ist, eine Tonscheidewand verwendet. Diese erfüllt allerdings genau den gleichen Effekt, wie die Agarmembran, die eigentlich verwendet werden sollte, denn auch die Tonscheidewand ist in der Lage die positiv geladenen Ionen in die andere Kammer der Zelle zu transportieren. Da nun auch noch das Problem mit der Einleitung der beiden Gase, Wasserstoff und Sauerstoff, bestand wurde hierbei zu einem kleinen Trick gegriffen. Abbildung 9: Elektrolyse des Wassers

Dieser bestand darin, die beiden Gase durch eine Elektrolyse, des in der Kalilauge enthaltenen Wassers, selbst herzustellen. Hierzu wurden die beiden Elektroden mit einem Stromwürfel verbunden und dann wurde der Zelle mehrere Minuten lang Gleichstrom zugeführt, bis an beiden Platinelektroden eine Blasenbildung zu sehen war. Die kleinen Blasen, die im vorherigen Bild zu sehen sind, sind die beiden gebildeten Gase Wasserstoff und Sauerstoff.
Um nun eine Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff zu erzeugen, wurde der Stromwürfel abgeschaltet und die beiden Elektroden, wie beim Aufbau zu sehen ist, mit dem Messgerät verbunden, um die Spannung und die Stromstärke, die in der Zelle vorherrschen, messen zu können und einen vollständigen Stromkreis zu erzeugen.
Nachdem sich nun die beiden Gase in der Zelle und somit direkt in der Platinelektrode befinden, laufen zwei Teilreaktionen ab.

Reaktion auf der Wasserstoffseite (Anodenseite):
Die Wasserstoffmoleküle (H2), die sich in der Kalilauge befinden, werden durch den Katalysator, der bei dieser Versuchsanordnung aus den beiden aktivierten Platinelektroden besteht, in zwei positiv geladene Wasserstoff-Ionen aufgespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab. Die Elektronen, die wie ihr Name schon sagt, negativ geladen sind, sind nicht in der Lage durch die Agarmembran beziehungsweise die Tonscheidewand zu gelangen, da diese wie bereits erwähnt, nur eine Permeabilität für Kationen aufweist. Genau aus diesem Grund werden die Elektronen gezwungen sich in den Leiter, in diesem Falle ein Stromkabel, zu bewegen. Nachdem die negativ geladenen Teilchen genau dies machen, fließen sie nun von der Anodenseite, die mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben wird, über einen äußeren Stromkreis zur Kathodenseite, in der sich der zweite Brennstoff, der Sauerstoff, befinden. Diese Reaktion läuft solange ab, wie die Brennstoffzelle mit den Brennstoffen versorgt wird. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen, die in der Lage sind durch die Membran zu gelangen, diffundieren auch in die zweite Kammer. Dort kommt es dann zur nachfolgenden Reaktion auf der Seite der Kathode.

Reaktion auf der Sauerstoffseite (Kathodenseite):
In dieser Kammer reagieren die Sauerstoffmoleküle mit den Elektronen, die über den äußeren Stromkreis in die Zellenkammer gelangt sind. Hierbei verbinden sich jeweils 4 Elektronen mit einem Sauerstoffmolekül, wobei zwei negativ geladene Sauerstoff-Ionen entstehen. Hierbei verbindet sich ein Sauerstoff-Ion dann wiederum mit zwei positiv geladenen Wasserstoff-Ionen. Bei dieser letzten Reaktion entsteht Wasser.

Nachdem diese beiden Teilreaktionen abgelaufen sind, kann man einen Stromfluss und somit auch einen Ausschlag auf dem Messgerät feststellen. Aufgrund der Fläche der Elektroden und der Menge des Gases liegt der Stromfluss in einem geringen Bereich, ist allerdings messbar und sichtbar, wie diese Bilder belegen. Es wurde eine Stromstärke von circa 0,9 Volt gemessen und eine sehr geringe Spannung von 0,01 Milliampere. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Funktionsweise einer Brennstoffzelle in Praxis funktioniert, wenn auch nur im Kleinen.

Quellenangaben

Angelika Heinzel, Falko Mahlendorf, Jürgen Roes,  Brennstoffzellen , Entwicklung, Technolo    gie, Anwendung , Auflage 3.,völlig überarbeitete und erweiterte Auflage, 2006 Heidelberg, C.F. Müller

- Dagmar Oertel, Torsten Fleischer, Brennstoffzellen-Technologie, Beiträge zur Umweltgestaltung A; Bd. 146, 2001 Berlin, Erich Schmidt Verlag

- http://www.chemieunterricht.de/dc2/fc/

- http://www.chempage.de/theorie/bz.htm   

- http://protectfuture.wordpress.com/2012/04/29/der-klimawandel-und-seine-probleme/

- http://schmidt-walter.eit.h-da.de/WBZ/afc2.pdf

-https://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab051.pdf

gema.jimdo.com/app/download/7665134086/Pr%25C3%25A4sentation%2BDer%2BTreibhauseffekt.pdf%3Ft%3D1401979286+&cd=5&hl=de&ct=clnk&gl=de&client=firefox-a

- Paschen von Flotow, Ulrich Steger, Die Brennstoffzelle – Ende des Verbrennungsmotors ?: Automobilhersteller und Stakeholder im Vergleich, 2000 Wien, Stuttgart, Bern, Paul Haupt, Umwelt und Verkehr; Band3

- Peter Kurzweil, Brennstoffzellentechnik Grundlagen, Komponenten Systeme, Anwendungen, 2003 Wiesbaden, Vieweg