Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Der Betrieb einer selbstgebastelten Brennstoffzelle macht in der Schule erfahrungsgemäß oftmals Schwierigkeiten. Denn es gelingt nicht so richtig, Gaselektroden herzustellen, in denen die Gase ausreichend lange zur Redoxreaktion verweilen.
In unserer Webseite zur Brennstoffzelle zeigten wir einen Versuch (4a), in dem wir als Reduktionsmittel anstelle von Wasserstoffgas Glucose oder Alkohole einsetzten. Als Oxidationsmittel diente Sauerstoff, den wir einer Gasdruckflasche entnahmen.
Heute wissen wir: Zur Demonstration des Effekts reicht schon der Sauerstoff aus, der in der als Elektrolyt benutzten Kalilauge gelöst ist.
Leider ist jedoch wegen der geringen Sauerstoffmenge der Versuch rasch beendet: Wenn man einen Propellermotor damit betreibt, sieht man nur ein paar Umdrehungen; dann ist Schluss. Schön wäre es, wenn man auch hier einen längeren Vorgang demonstrieren kann. Das ist möglich - mit Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel.

Wir wandeln dazu den Versuch wie folgt ab:

Versuch 4a: Betrieb von Brennstoffzellen mit Glucose und Wasserstoffperoxid Schülerversuch; 10 min. Wir arbeiten mit konzentrierter Kalilauge. Schutzbrille und Handschuhe erforderlich! Geräte U-Rohr mit Diaphragma, Multimeter, niederohmiger Elektromotor, Gerät zur Spannungsmessung, 2 Wäscheklammern. Elektroden Am besten geht der Versuch mit elektrolytisch platinierten Platinelektroden. Man kann aber auch blanke Platinelektroden verwenden. Mit Graphitelektroden geht der Versuch nicht. An den Elektroden befestigen wir Wäscheklammern. Dann können wir die Elektroden gut in das U-Rohr einhängen (siehe Bild). Chemikalien Kalilauge (w = 25 %) (C), Glucose, Methanol (F, T), Ethanol (F), Wasserstoffperoxid (w = 30 %) (C), konz. Salzsäure (C), konz. Salpetersäure (C). Königswasser (C): Man mischt 1 Teil Salpetersäure mit 3 Teilen Salzsäure. Durchführung Zur Vorbereitung muss das U-Rohr mit Glasfritte unbedingt einen Tag lang mit Königswasser behandelt werden, denn die Glasfritte enthält erfahrungsgemäß von anderen Elektrochemie-Versuchen Schwermetalle, die H2O2 zersetzen. Nach dem Versuch sollte das U-Rohr ausdrücklich nur für Brennstoffzellenversuche benutzt werden. Die verwendete Kalilauge muss kalt sein! Zuerst bereiten wir eine Mischung von Wasserstoffperoxid und Kalilauge zu, indem wir 20 ml Wasserstoffperoxidlösung und 80 ml Kalilauge zusammengeben. Die Lösung muss anschließend gekühlt werden. Dann stellen wir kurz vor dem Versuch eine 10%ige Glucoselösung in der Kalilauge her. Dazu mischen wir 10 g Glucose mit 90 g Kalilauge. Von den beiden Lösungen geben wir gleiche Mengen in je einen Schenkel des U-Rohrs. Dann tauchen wir die Elektroden ein. Ergebnis Wir messen eine Spannung von ca. 0,9 Volt. Der Propeller läuft mehrere Stunden lang. Ab und zu müssen die Elektroden jedoch gerüttelt werden.

Aufbau der Brennstoffzelle (Foto: Blume)

Die chemischen Vorgänge sind:

1 Anodenraum (Minuspol)
Oxidation: R-CHO + 3 OH^- ———> R-COO^- + 2 H₂O + 2 e^-

Zu dieser Oxidationsgleichung ist anzumerken, dass sie für schulische Zwecke modellhaft verkürzt ist. Denn unter den beschriebenen Reaktionsbedingungen bilden sich durch Mehrfachoxidation und Umlagerungen komplizierte Abbauprodukte der Glucose. Darauf weist auch die zunehmende Gelbfärbung der Lösung im Anodenraum hin.

2 Kathodenraum (Pluspol)
Reduktion: H₂O₂ + 2 e^- ———> 2 OH^-

Anstelle dieser direkten Reaktion kann sich zunächst auch H₂O₂ unter dem katalytischen Einfluss des Elektrodenmaterials zersetzen:

2 H₂O₂ ———> 2 H₂O + O₂

Der so gebildete Sauerstoff reagiert an der Elektrode wie bekannt weiter:

O₂ + 2 H₂O + 4 e^- ———> 4 OH^-

Das Ergebnis ist also letztlich gleich: Pro Mol H₂O₂ werden 2 Mol Elektronen verbraucht.

Anstelle von Glucose können auch Methanol oder Ethanol eingesetzt werden.

Leider kann der technisch interessante Aspekt von Brennstoffzellen, nämlich dass sie aufgrund ihrer Konstruktion die kontinuierliche Zufuhr der Edukte und die Abfuhr der Reaktionsprodukte erlauben, mit der beschriebenen Versuchsanordnung nicht gezeigt werden.
Aber es wird ein anderer wichtiger Aspekt der Brennstoffzellentechnologie deutlich: Bei den Edukten von Reaktionen in Brennstoffzellen handelt es sich um nichtionische Substanzen. Das Experiment zeigt weiter, dass man auch Alkohole als Brennstoff nutzen kann - wie es in der Realität schon der Fall ist. Klicke hier.

Zur Chemie mit Wasserstoffperoxid haben wir eine große Webseitengruppe.

Rüdiger Blume

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