Brennstoffzellen im Low-Cost-Experiment

Eine Versuchsanleitung, um Brennstoffzellen für ca. 2,50 € selber zu bauen. Die komplette Veröffentlichung ist als pdf-file herunterladbar.

Martin Sina, Die „echte“ low-cost-Brennstoffzelle. Aufbauten für SchülerInnenexperimente, die (fast) nichts kosten. in: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule 3/52 (15. April 2003) S. 24-27.

Mit den beschriebenen Aufbauten lassen sich schnell und problemlos kleine Brennstoffzellen realisieren, die SchülerInnen-Experimente ermöglichen. Gegenüber käuflichen Zellen haben diese den Vorteil, dass sie sehr viel preiswerter sind, durch die Klarheit des Aufbaus eine unmittelbare Einsicht ermöglichen und nur unwesentlich schlechtere Ergebnisse liefern. Die eingesetzten Stoffe und Stoffmengen sind unkritisch. Da nicht elektrolysiert werden muss ist für SchülerInnen das Prinzip der Brennstoffzelle gut erkennbar.

In meinen Augen ist die Methanol-Luft-Zelle mit Schwammtuchmembran und palladinierten Nickel-Elektroden ein sehr brauchbarer Aufbau, da hierbei keine Gase aus Stahlflaschen verwendet werden müssen und dennoch eine hinreichend hohe Spannung in sehr kurzer Zeit erreicht wird. Der Vorbereitungsaufwand hält sich in Grenzen, da nahezu alle Bauteile in der Chemie-Sammlung und im Haushalt der Lehrperson zur Verfügung stehen.

Mit diesem Versuch haben Schüler meines Leistungskurses Chemie 12 2001/02 den 1. Preis (2500 €) im Materialforschungswettbewerb der RWTH Aachen gewonnen. Die ganze Arbeit ist hier (Titel) und hier (Text) downloadbar (als Vorlage für Facharbeiten brauchbar)

Herstellung eines stromleitfähigen Kunststoffes

Die Versuchsanleitung ermöglicht im Gegensatz zu dem bekannten Versuch, bei dem Pyrrol und Eisen(III)-chlorid auf einem Filterpapier zu dotiertem Polypyrrol reagieren und eine (geringe) Lietfähigkeit nachgewiesen werden kann die Demonstartion der in der Technik wichtigeren Eigenschaft einer solchen Folie: die elektrostatische Wirkung. Diese Folien werden zur Beschichtung von professionellen photografischen Filmen verwendet und verhindern die elektrostatische Aufladung insbesondere bei Verwendung in schnellen Profikameras.

Mit diesem Versuch haben Schüler meines Leistungskurses Chemie 13 und ein Schüler des Lk Physik 12 2002/03 den 3. Preis im Materialforschungswettbewerb der RWTH Aachen gewonnen.

Versuchsvorschriften des Experimentalseminars am 4.5.2005

NiCd-Akku
NiMH-Akku

Versuchsvorschrift: Brennstoffzellen im Low-Cost-Experiment

Versuchsanleitung

Material

Luer-Lock-Spritze 50/60 mL
Luer-Lock-Dreiwegehahn
Adapterstück (z.B. aus Kanüle und Glasrohr)
Silikonschlauch 8 mm/10 cm
Schwammtuchstück, Büroklammer
Filmdöschen mit eingeklebter Schwammtuchmembran
2 gebrauchte Scherblätter (z.B. von Braun-Rasierer)
Kabelbinder (Kunststoff)
Stativmaterial
2 Krokodilklemmen, Kabel, Messgerät

Chemikalien

Methanol (T,F)
Kalilauge (c = 5 mol·L^-1) (C)
Luft

Aufbau

In die Filmdose wird mit einer Heißklebepistole ein Schwammtuch als Membran eingeklebt. Die Gaseinleitung wird wie unter 3.1 beschrieben zusammengebaut. Die Scherblätter werden gerollt und mit einem Kabelbinder gesichert. In eines der Scherblätter wird die Gaseinleitung gesteckt, so dass beim Gaseinleiten ein möglichst großer Kontakt hergestellt wird [Abb. 4], die Halbzelle mit Gaseinleitung wird mit Kalilauge, die andere Halbzelle mit einer Mischung aus 50% Kalilauge und 50% Methanol bis ca. 0,5 cm unter den Rand befüllt. Die Elektroden werden mit dem Messgerät verbunden.

Durchführung

Mit der Spritze wird Luft in die Apparatur eingeleitet. Der Vorgang kann wiederholt werden, indem über den Dreiwegehahn Luft angesaugt wird.

Beobachtung

Es ist eine Spannung U = 120 mV messbar, diese steigt auf U = 150 mV an, wenn man die Gaseinleitung beendet (restliche Luftblasen haften besser an der Elektrode an als die vorbeiströmende Luft).

Varianten

• Statt der Scherblätter lassen sich als Elektroden besser die palladinierten Nickelelektroden einsetzen, die messbare Spannung liegt dann bei U_max = 450 mV.
• Zur Herstellung der Elektroden werden Nickeldrahtnetze ca. 1 min in eine Palladiumsalz-Lösung (C) gelegt, z.B. eine wässrige Lösung von Palladium(II)nitrat-dihydrat (1 g kostet ca. 30 €). Die Lösung muss lichtgeschützt aufbewahrt werden, die Zersetzung ist zwar beobachtbar, aber offensichtlich hinreichend langsam, bei uns funktioniert nach vier Jahren für diesen Zweck immer noch, Nickel ist wegen möglicher Kontaktallergien bedenklich, aber erlaubt.
• Die Knallgaszelle lässt sich so ebenfalls realisieren, beide Halbzellen werden mit Kalilauge befüllt, die Gase werden auf beiden Seiten über Spritzen eingeleitet, so sind auch hier SchülerInnenversuche möglich.
• Statt in dem beschriebenen Aufbau lässt sich auch im Elektrochemie-Kasten arbeiten, als Elektroden dienen Nickel- oder Platinnetze, als Membran Filterpapier, die Gaseinleitung erfolgt wie beschrieben.
• Nachteilig ist dabei, dass die Zellen wegen der geringen Gesamtfüllmenge komplett befüllt werden müssen und somit die Gefahr des Überlaufens bei Gaseinleitung groß ist. Außerdem ist der Gaskontakt an der Elektrode bzw. den Elektroden schlechter, die Spannung ist deshalb etwas geringer.

(nach oben)

Versuchsvorschrift: Herstellung und Untersuchung einer Polypyrrol-beschichteten Folie

Chemikalien

Eisen-III-chlorid-Hexahydrat (FeCl₃ * 6 H₂O)
Pyrrol in 2-Propanol (1:1) (über Bayer AG zu beziehen)
2-Propanol
Aceton
UHU (Polyvinylharz in Aceton)
2 OHP-Folien

Materialien

2 Folienstreifen zum Ausstreichen
Becherglas 100 mL
Waage
Magnetrührer und Rührfisch
Kaltluftföhn

Durchführung

a. Vorbereitung der Matrix (ausreichend für zwei DIN A4-Folien)
5 g UHU werden unter Rühren in 15 g Aceton gelöst. In der homogenen Lösung werden 5 g Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat gelöst, dies entspricht einer Konzentration von ca. c(Fe³⁺) = 0,75 mol·L^-1.

b. Herstellung der Matrix
Die zähflüssige Lösung wird zügig auf die Folien ausgegossen und mit einem Folienstreifen dünn und gleichmäßig ausgestrichen. Die Matrix härtet wegen des hohen Dampfdrucks des Acetons zügig aus.

c. Vorbereitung der Pyrrol-Lösung
Eine halbe Pasteurpipette (ca. 0,5 mL) Pyrrol/2-Propanol-Lösung wird in 3 Pasteurpipetten (ca. 1,5 mL) 2-Propanol gelöst.

d. Reaktion zum dotierten Polypyrrol
Die verdünnte Pyrrol-Lösung wird auf eine der beiden Folien getropft und zügig mit einem weiteren Folienstreifen ausgestrichen.

e. Die Folie wird sorgfältig mit einem Kaltluftföhn getrocknet (Temperatur keinesfalls über 50°C).

Beobachtung

a. UHU löst sich problemlos in Aceton, die Lösung färbt sich gelb, wenn die Eisenionen zugegeben werden. Da dieser Lösevorgang schlechter verläuft, ist es sinnvoll, hierbei mit dem Magnetrührer zu arbeiten.

b. Es muss schnell gearbeitet werden, damit die Schicht homogen und hinreichend dünn wird.

c. Pyrrol ist dunkel gefärbt.

d. Beim Auftropfen kommt es zur sofortigen Schwarzfärbung.

Deutung

a. Polyvinylharz ist sehr gut in aprotischen Lösungsmitteln wie Aceton löslich. Eisen(III)-ionen sind hydratisiert gelb gefärbt, dies ist auch das Salz schon, da hier das Hydrat verwendet wurde. Da das Lösemittel polar ist, vermag es ebenfalls die Eisenionen zu solvatisieren.

d. Pyrrol reagiert unter diesen Bedingungen mit den Eisen(III)-ionen unmittelbar zum Polypyrrol, was an der sofort einsetzenden Schwarzfärbung zu erkennen ist. Durch das ausgedehnte p-System vermag das Polymer im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts zu absorbieren und erscheint somit schwarz.

Messung der Leitfähigkeit

Um die Leitfähigkeit zu messen legen wir eine Spannung von 12 V an zwei Stellen der Folie an und messen die Stromstärke die durch die Folie fließt. Mit der Spannung und der Stromstärke kann mit Hilfe des Ohmschen Gesetz den Widerstand der Folie berechnet werden:
Die Messung der Stromstärke ergab mit der besten Folie, die nach der oben angeführten Vorschrift hergestellt wurde, eine maximale Stromstärke von I = 0,5 mA.
Daraus ergibt sich der Widerstand R = 12 V/0,5 mA = 24 kW
Dieser wurde auf ungefähr s = 4 cm gemessen, daraus ergibt sich ein spezifischer Widerstand von ca. R = 6 kW·cm^-1
Die Leitfähigkeit ist definiert als Kehrert des Widerstandes/cm, die Messwerte ergeben für unsere Probe eine Leitfähigkeit von s = 1,66·10^-4 S^-1·cm^-1.

Messung der elektrostatischen Eigenschaften

Material und Chemikalien

drei Folien, jeweils ca. 5x5 cm groß: OHP-Folie / mit Matrix (Eisen(III)chlorid in Polystyrol (UHU)) beschichtete Folie / mit Polypyrrol beschichtete Folie
Kunststoffstab
Katzenfell

Durchführung

Die Folien werden durch Berührung mit einem Erdungskabel geerdet.
Der Kunststoffstab wird an dem Katzenfell gerieben, der Stab wird vorsichtig an die Folienstücke geführt, bis diese schließlich mit dem aufgeladenen Stab berührt werden.

Beobachtung

• Die unbeschichtete Folie wird vom geladenen Stab angezogen und bewegt sich schon bei einem Abstand von ca. 5 cm. Bei Berührung bleibt die Folie an dem Stab hängen.
• Bei der mit der Matrix beschichteten Folie konnte man denselben Effekt feststellen.
• Bei der mit Polypyrrol beschichteten Folie gab es diesen Effekt nicht. Die Folie bewegte sich, bei Berührung reagiert sie gar nicht und wird dann auch nicht mehr angezogen. Der Stab vermag nach dieser Berührung auch die anderen Folien nicht mehr anzuziehen.

Deutung

Durch die Ladung des Stabes wirkt eine Kraft auf die Folie. Für diese Wirkung gibt es folgende Erklärung:

• Wenn sich der Stab der Folie nähert werden die negativen Ladungen (Elektronen) der Folie von der negativen Ladung des Stabes abgestoßen. So entsteht eine positive Ladung auf der Oberfläche der Folie und eine negative Ladung auf der Rückseite der Folie. Diesen Effekt nennt man Influenz. Nun ziehen sich die positive Ladung der Folie und die negative Ladung des Stabes an, so dass sich die Folie anfängt zu bewegen. Wenn sich die Folie und der Stab berühren kann es keinen Ladungsausgleich geben, da die Folie ein Isolator ist und keine Ladungen leitet.
• Bei der zweiten Folie zeigt sich derselbe Effekt, da sich auch bei dieser die Ladung der Folie und die Ladung des Stabes anziehen. Auch ist diese Folie ein Isolator.
• Bei Polypyrrol ist auch der Influenz-Effekt wirksam, das heißt, auch die mit Polypyrrol beschichtete Folie bewegt sich, wenn man sich ihr mit dem aufgeladenem Stab nähert. Es kann keine Ladung vom Tisch kommen, weil die Folie mit der unbeschichteten, isolierenden Seite auf dem Tisch liegt. Sonst würde es über den Tisch zu einem Ladungsausgleich kommen. Wenn man die Folie mit dem Stab berührt, kommt es zum Ladungsausgleich. Dadurch sind die Folie und der Stab gleich geladen und ziehen sich nicht mehr an.

(nach oben)