7 Galvanische Zellen, Brennstoffzellen

10 Galvanische Zellen, Brennstoffzellen
Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis
(http://www.chemieunterricht.de/gefahr/warnhinweis-1.htm) unbedingt
beachten.
Versuch 1: Demonstration einer PEMFC; Aufnahme der Kennlinien
Informieren Sie sich über das
Polymerelektrolyt-Membran (PEMFC).
Funktionsprinzip
einer
Brennstoffzelle
mit
Geräte:
Bausatz: Brennstoffzelle.
Chemikalien:
Destilliertes Wasser.
Durchführung:
Aufnahme der Spannungs-Strom-Kennlinie
Die Geräte werden entsprechend der dem Bausatz beiliegenden Anleitung für den
Versuch vorbereitet und aufgebaut. (Entlüften nicht vergessen!)
Die Ableitungsstutzen der Brennstoffzelle werden mit Gummikappen abgeschlossen,
damit die Gase nicht entweichen können.
Füllen Sie den Gasspeicher durch Elektrolyse mit Gas. Dazu wird die Strombox auf
Maximum gestellt. Außerdem sollte noch kein Verbraucher an die Brennstoffzelle
angeschlossen sein, da sonst das Gas schon verbraucht wird. Während der Messungen
kann der Elektrolyseur weiterarbeiten.
Als erstes wird die Leerlaufspannung (I = 0) gemessen. Erst danach wird das
Stromstärkemessgerät angeschlossen. Als Verbraucher nehmen wir nicht die Messbox,
sondern Schiebewiderstände (siehe Bild).
Stellen Sie nun Über den Widerstand die Stromstärke ein. Beginnen Sie mit einem
großen Widerstand und reduzieren ihn so, dass Sie etwa alle 0,2 A einen Messpunkt
erhalten. Notieren Sie zu der jeweils eingestellten Stromstärke die zugehörige
Spannung.
Tragen Sie in einem Diagramm die Spannung U und die Leistung P gegen die Stromstärke
I auf. (Hinweis: P = U · I)
Versuch 2: Demonstration des Prinzips der Opferanode
Geräte:
U-Rohr, Kabel, Krokodilklemmen, Motor.
Chemikalien:
Leitungswasser, Magnesiumband, Eisennagel.
Durchführung:
In ein U-Rohr, das Leitungswasser enthält, hängt man ein Magnesiumband sowie einen
sauberen Eisennagel und verbindet sie über ein Kabel. Die Krokodilklemmen dürfen nicht
ins Wasser tauchen!
Gas, das sich kurz nach dem Eintauchen am Magnesiumband bildet, ist im allgemeinen
gelöste Luft; man klopft sie ab. Man beobachtet nach kurzer Zeit, da sich der
Eisennagel mit Wasserstoffgas überzieht (wie das Cu in Versuch 1b). Der Nagel bleibt
blank. Das Mg-Band verfärbt sich langsam, da es beginnt, sich aufzulösen.
Zum Vergleich stellt man einen zweiten Nagel in ein Becherglas mit Leitungswasser. Der
Nagel läuft rasch an und ist bereits nach einigen Stunden mit Rost überzogen.
Stehenlassen. Nach einigen Tagen hat sich das Mg-Band, die Opferanode, zersetzt.
Es empfiehlt sich auch hier eine Spannungs- und Strommessung sowie der Betrieb eines
Motors.
Versuch 3: Bau und Funktion einer Na/S-Batterie
Geräte:
Becherglas (50 ml), kleines Reagenzglas, sauberer, entfetteter Eisennagel, Graphitstab,
Heizplatte, Brenner, Kabelmaterial, Spannungsmessgerät, Leuchtdiode, Stativmaterial.
Chemikalien:
Schwefelblüte, Graphitpulver, Natrium (F, C), festes Paraffin oder Kerzenwachs.
Sicherheitshinweis:
Das Glasmaterial muss absolut sprungfrei sein. Schutzbrille tragen. Das Natrium wird
bei diesem Versuch mit Paraffin abgedeckt. Bis auf die Vorbereitung des Minuspols
keine offenen Flammen verwenden. Überhitzung der Heizplatte vermeiden. Genau die
Durchführungsanweisungen beachten.
Durchführung:
a) Aufbau des Elements
Minuspol: Das kleine Reagenzglas füllt man zu etwa einem Viertel mit festem Paraffin
und schmilzt dieses. Dann wirft man etwa 1 cm3 sauberes, frisch entrindetes
Natriummetall hinein. (Wenn man ein größeres Reagenzglas einsetzt, wird die
Menge entsprechend erhöht.) Das Natrium sinkt durch das flüssige Paraffin
auf den Boden des Gläschens. Man erhitzt weiter, bis auch das Natrium
schmilzt. Der entfettete Eisennagel wird hineingesteckt.
Pluspol:
Man mischt 16 g Schwefelblume sowie 8 g Graphitpulver und gibt die Mischung
in das feuerfeste Becherglas. Man steckt den Graphitstab hinein.
b) Betrieb des galvanischen Elements
Man steckt das Reagenzglas mit dem Natrium in die Schwefel-Graphitmischung. Das
Voltmeter (sowie gegebenenfalls eine Leuchtdiode) wird hinzugeschaltet.
Anschließend stellt man das Becherglas auf die Heizplatte und fixiert den Aufbau mit
Stativmaterial. Man regelt die Heizplatte auf volle Leistung. Nach kurzer Zeit steigt
die Spannung auf etwa 2,5 V an. Ab und zu sollte man den Eisennagel richtig in das
Natrium hineinschieben. Die Heizplatte wird bald ausgestellt, da sie noch lange
nachheizt.
Bau einer Na/S-Batterie
Hinweis:
Die Batterie kann jederzeit wieder genutzt werden.
Entsorgung:
Das Natriummetall nach Abkühlen mit Methanol versetzen. Die Graphit/Schwefelmasse
in den Hausmüll geben.