Zur Haupt­na­vi­ga­ti­on sprin­gen [Alt]+[0] Zum Sei­ten­in­halt sprin­gen [Alt]+[1]

Brenn­stoff­zel­le

In­fo­box

Diese Seite ist Teil einer Ma­te­ria­li­en­samm­lung zum Bil­dungs­plan 2004: Grund­la­gen der Kom­pe­tenz­ori­en­tie­rung. Bitte be­ach­ten Sie, dass der Bil­dungs­plan fort­ge­schrie­ben wurde.

Hin­weis

Es wird dar­auf hin­ge­wie­sen, dass für jedes Ex­pe­ri­ment ent­spre­chend der ei­ge­nen Durch­füh­rung vor der erst­ma­li­gen Auf­nah­me der Tä­tig­keit eine Ge­fähr­dungs­be­ur­tei­lung durch­ge­führt und do­ku­men­tiert wer­den muss. Jede fach­kun­di­ge Nut­ze­rin/jeder fach­kun­di­ge Nut­zer muss die auf­ge­führ­ten In­hal­te ei­gen­ver­ant­wort­lich prü­fen und an die tat­säch­li­chen Ge­ge­ben­hei­ten an­pas­sen.

Weder die Re­dak­ti­on des Leh­rer­fort­bil­dungs­ser­vers noch die Au­to­rin­nen und Au­to­ren der ver­öf­fent­lich­ten Ex­pe­ri­men­te über­neh­men jeg­li­che Haf­tung für di­rek­te oder in­di­rek­te Schä­den, die durch ex­ak­ten, ver­än­der­ten oder feh­ler­haf­ten Nach­bau und/oder Durch­füh­rung der Ex­pe­ri­men­te ent­ste­hen. Wei­ter­füh­ren­de In­for­ma­tio­nen er­hal­ten Sie unter www.​gef​ahrs​toff​e-​schu­le-​bw.​de

Bezug : Lehr­plan­ein­heit 8: Elek­tro­che­mie / Prin­zip einer Brenn­stoff­zel­le erste Brennstoffzelle
In­for­ma­ti­on :

Die erste Brenn­stoff­zel­le wurde 1839 von Sir Wil­li­am Ro­bert Grove (1811-1896)  ent­wi­ckelt. Vor­aus­ge­gan­gen war die Ent­de­ckung, dass die Elek­tro­ly­se um­kehr­bar ist.
Die Ab­bil­dung zeigt eine Brenn­stoff­zel­le von 1842, die Grove  aus vier hin­ter­ein­an­der ge­schal­te­ten Zel­len kon­stru­ier­te. In den vier un­te­ren Ge­fä­ßen be­fin­det sich ver­dünn­te Schwe­fel­säu­re, in die je zwei Glas­röh­ren mit Pla­tin-Elek­tro­den ein­tau­chen. Im obe­ren Teil der Glas­röh­ren be­fin­den sich ent­we­der Sau­er­stoff (Oxy­gen) oder Was­ser­stoff (Hy­dro­gen).
Der dabei er­zeug­te Strom ver­sorgt hier einen Elek­tro­ly­seur (obe­res Gefäß).

Ge­rä­te und Che­mi­ka­li­en :

Be­cher­glas (150 mL, h.F.), Se­pa­ra­tor (Trenn­wand), 2 Gra­phi­t­e­lek­tro­den, 2 Kabel, 2 Kro­ko­dil­klem­men, Trafo, Mul­ti­me­ter, Mi­kro­mo­tor, Sta­tiv­ma­te­ri­al, Ka­li­lau­ge (c(KOH) ≈ 1 mol·L -1 ).

Für V2: Gra­phi­t­e­lek­tro­den mit ge­eig­ne­ten Ka­ta­ly­sa­to­ren: C/Pd als Was­ser­stoffelek­tro­de und C/Ag als Sau­er­stoffelek­tro­de (Her­stel­lung, siehe unten).

Auf­ga­ben :
  • Be­stim­men Sie die Span­nung der Brenn­stoff­zel­le.
  • Wie lange läuft der Mi­kro­mo­tor?
  • For­mu­lie­ren Sie die Re­ak­ti­ons­glei­chun­gen der an den Elek­tro­den ab­lau­fen­den Re­ak­tio­nen.
  • Ver­glei­chen Sie die Wirk­sam­keit der Elek­tro­den ohne und mit ka­ta­ly­tisch wirk­sa­men Me­tal­len.


Abb1 Ver­such 1 :

Die Gra­phi­t­e­lek­tro­den wer­den in die Ka­li­lau­ge ge­taucht und an den Gleich­span­nungs­tra­fo an­ge­schlos­sen. Ein Se­pa­ra­tor ver­hin­dert, dass sich die Elek­tro­den be­rüh­ren. Für die kurz­zei­ti­ge (1-2 min) Elek­tro­ly­se wird die Span­nung so weit er­höht, dass an den Elek­tro­den eine ge­rin­ge Gasent­wick­lung er­folgt. Hier­bei be­la­den sich die Gra­phit­stä­be in ihrem fein­po­ri­gen Ge­fü­ge mit den ent­spre­chen­den Gasen. Nach der Elek­tro­ly­se wird die Span­nungs­quel­le durch ein Volt­me­ter und einen Mi­kro­mo­tor er­setzt.

Ver­such 2 :

Wie Ver­such 1, aber statt der nor­ma­len Gra­phi­t­e­lek­tro­den wer­den fol­gen­de, mit ka­ta­ly­tisch wirk­sa­men Me­tal­len aus­ge­stat­te­te Gra­phi­t­e­lek­tro­den ein­ge­setzt:

  • Sau­er­stoffelek­tro­de (blau mar­kiert):Gra­phit / Sil­ber
  • Was­ser­stoffelek­tro­de (rot mar­kiert): Gra­phit / Pal­la­di­um

Bitte Po­lung be­ach­ten!

Aus­wer­tung:

Her­stel­lung der ka­ta­ly­tisch wirk­sa­men Gra­phi­t­e­lek­tro­den : < 1

  • Sau­er­stoffelek­tro­de: Die Gra­phi­t­e­lek­tro­de wird als Ka­tho­de in eine Sil­ber­ni­trat­lö­sung (w≈2 %) ge­stellt. Als Anode dient eine wei­te­re Gra­phi­t­e­lek­tro­de. Bei U ≈ 3 V wird ca. 10 Mi­nu­ten lang elek­tro­ly­siert. Die Elek­tro­de wird ge­trock­net und mit blau­er Mar­kie­rung z.B. in einem Re­agenz­glas auf­be­wahrt.
  • Was­ser­stoffelek­tro­de: Die Gra­phi­t­e­lek­tro­de wird als Ka­tho­de in eine Pal­la­di­um­chlo­ridlö­sung (w ≈ 0,2 %) ge­stellt. Als Anode dient wie­der eine Gra­phi­t­e­lek­tro­de. Bei U ≈ 3 V wird 0,5 bis 1 Stun­de lang elek­tro­ly­siert. Die Elek­tro­de wird ge­trock­net und mit roter Mar­kie­rung z.B. in einem Re­agenz­glas auf­be­wahrt.

Ver­such 3 : Mem­bran-Brenn­stoff­zel­le

( PEMFC = pro­ton ex­ch­an­ge mem­bra­ne fuel cell)

Versuch
Die Schläu­che enden in Be­cher­glä­sern mit dest. Was­ser. Nach An­schluss eines Volt­me­ters oder eines Mi­kro­mo­tors wer­den die Gas­ven­ti­le vor­sich­tig (!) so weit ge­öff­net, dass ein wenig über­schüs­si­ges Gas über die Schläu­che ins Was­ser ent­weicht. Es ge­nügt, wenn etwa alle 10 Se­kun­den eine Glas­bla­se aus­tritt.

 


Prin­zip : Siehe Skiz­ze (rechts)
(1) ist eine Pro­to­nen­aus­tauschmem­bran (PEM).
Sie über­nimmt fol­gen­de Auf­ga­ben:

  • Elek­tro­lyt
  • Ka­ta­ly­tisch wirk­sa­me Gas­dif­fu­si­ons-elek­tro­den (Ge­we­be aus pla­ti­nier­ten Koh­le­fa­sern)

 

 

Ver­such 4 : Brenn­stoff­zel­len-Stack

Brennstoffzelle

Um hö­he­re Leis­tun­gen zu er­zie­len, wer­den viele Ein­zel­zel­len zu einem Brenn­stoff­zel­len-Stack (-Sta­pel) in Reihe ge­schal­tet (Bild).

Be­triebs­be­reit­schaft her­stel­len :

  • FC-Stack so auf­stel­len, dass die Luft­ka­nä­le senk­recht nach oben und unten zei­gen.
  • Kurz­zei­tig die Gum­mi­kap­pe ab­neh­men, um den FC-Stack kom­plett mit Was­ser­stoff zu durch­strö­men (z.B. 100 mL H 2 aus Kol­ben-pro­ber). Gum­mi­kap­pe wie­der auf­set­zen.
Durch­füh­rung :
  • Schlie­ßen Sie einen Mi­kro­mo­tor an.
  • Geben Sie aus dem Kol­ben­pro­ber ca. 10 mL Was­ser­stoff zu. Wenn die Mo­tor­leis­tung nach­lässt, fügen Sie die nächs­te klei­ne H 2 -Por­ti­on zu, usw.

 

Ver­such 5 : Di­rekt-Me­tha­nol-Brenn­stoff­zel­le (DMFC)


Ana­lo­ger Auf­bau wie Mem­bran-Brenn­stoff­zel­le.
Un­ter­schied: Als Brenn­stoff dient Me­tha­nol an­stel­le von Was­ser­stoff.

Anode: CH 3 OH  +  H 2 O  →  CO 2  +  6 e -  +  6 H   | ·2
Ka­tho­de: O 2   +  4 e -  +  4 H +  →  2 H 2 O                | ·3
  2 CH 3 OH  +  3 O2 →  2 CO 2   +   4 H 2 O

 


1   W. Jan­sen, M. Kenn, B. Flint­jer, R. Peper: Elek­tro­che­mie, Aulis Ver­lag, ISBN 3-7614-0603-7, 3. Aufl., 1985, S. 58/59, ver­än­dert

Brenn­stoff­zel­le: Her­un­ter­la­den [doc] [93 KB]

Brenn­stoff­zel­le: Her­un­ter­la­den [pdf] [209 KB]