Experimente:
Versuch: Brennstoffzelle im Zweikammersystem
Versuch: Herstellen einer kationenaktiven Membran aus Agar
Versuch: Zweikammer-Brennstoffzelle mit Agar-Membran (im U-Rohr)
Versuch: Herstellen einer anionenaktiven Membran aus Polypyrrol

Ionenaustauschermembranen sind dünne Folien aus Polymeren, die für bestimmte Ionen durchlässig sind. Sie eignen sich für Trennprozesse vieler Arten, da Kationenaustauschermembranen (KAM) nur für Kationen, Anionenaustauschermembranen (AAM) nur für Anionen permeabel sind. In der Technik ersetzt Membrantechnologie bereits das teure und umweltbelastende Amalgamverfahren bei der Chloralkalielektrolyse. Auch bei der elektrolytischen Entsalzung von Meerwasser kommen Ionenaustauschermembranen zum Einsatz. Zur Realisierung technischer Membranverfahren im Unterricht sind an anderer Stelle Versuche entwickelt worden.

Seit Jahren spielen Ionenaustauschermembranen in der Brennstoffzellentechnologie eine bedeutende Rolle. So entwickelte die Firma General Electric, USA, für das bemannte Raumfahrtprogramm Gemini eine Brennstoffzelle unter Membranbetrieb. Heute finden sich Membranen in den Brennstoffzellen der kanadischen Firma Ballard, die Mercedes-Benz in die NECAR-Reihe (New Energy Car) einsetzt. Nach den Vorbildern dieser technischen Brennstoffzellen wurden im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit Versuchsmodelle entwickelt.

Hier sollen vier Typen von Ionenaustauschermembranen vorgestellt werden.

1. Kationenaustauschermembranen
- Nafion®
- Agar

2. Anionenaustauschermembranen
- Thomapor®
- Polypyrrol

1. Kationenaustauschermembranen

Nafion®

Nafion® ist eine KAM von hoher industrieller Bedeutung. Sowohl in der Chloralkalielektrolyse als auch in modernen Brennstoffzellen wird sie eingesetzt. Sie hat strukturelle Ähnlichkeit mit Teflon. Für die Kationenpermeabilität sind zusätzliche Sulfonsäuregruppen verantwortlich. Nafion® hat folgende Struktur:

Nafion® ist hydrophil, in dünner Folie kationenpermeabel und dennoch - wie Teflon - chemisch äußerst widerstandsfähig (z. B. gegen Hitze bzw. Säuren und Laugen). Für die hier vorgestellten Versuche wurde die Nafion®-350-Membran verwendet, die die Firma DuPont dankenswerterweise zur Verfügung stellte.

Verwendung der Nafion®-Membran in einer Brennstoffzelle: Versuch 6

Agar

Agar ist ein aus Zellwänden bestimmter Rotalgen gewonnenes Heteropolysaccharid. Es besteht bis zu 70% aus Agarose und bis zu 30% aus Agaropektin. In saurer Lösung wirkt Agar wegen vorhandener Carboxylgruppen kationenpermeabel und kann deshalb als Ionenaustauschermembran eingesetzt werden. Man erhält aus Agar allerdings keine stabilen Membranen. Deshalb stellt man sich eine schmale Agar-Brücke in einem PE-Schlauch her: Versuch 1.
Aufbau einer Brennstoffzelle mit Agar-Membran: Versuch 5

2. Anionenaustauschermembranen

Thomapor®

Die Thomapor®-AAM war zu beziehen bei der Firma Reichelt Chemietechnik, Heidelberg. Sie wird eingesetzt für die Entsalzung von Meerwasser, für die Rückgewinnung von Schwefelsäure oder zur Aufkonzentrierung von Schwermetall-Salzlösungen. Thomapor® hat folgende Struktur:

Die Anionenpermeabilität kommt hier durch die positive Ladung am Stickstoff des Heterozyklus.

Polypyrrol

Pyrrol lässt sich durch anodische Oxidation zu Polypyrrol polymerisieren. Hierbei entsteht eine dünne Folie, die als Ionenaustauschermembran verwendet werden kann: Versuch 2.
Polypyrrol hat folgende Struktur:

Da im statistischen Mittel jeder dritte Pyrrolring eine positive Ladung enthält, kann Polypyrrol als anionenpermeable Ionenaustauschermembran verwendet werden. Durch das einfache Herstellungsverfahren eignet sich Polypyrrol als preiswerte Alternative zur industriell hergestellten Thomapor®-Membran.

Weitere Texte zum Thema „Brennstoffzellen“