Chemie | Biochemie | Medizin
Levi Laun, 2008 | Büron, LU
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines modularen Wasser-Elektrolyseurs, der mittels additiver Fertigung aus Polylactid (PLA) realisiert wurde. Zur Kompensation der materialspezifischen Permeabilität und der begrenzten chemischen Beständigkeit von PLA wurden alle funktionalen Komponenten mit einer Epoxidharzschicht gasdicht versiegelt. Untersucht wurden die Einflüsse von Elektrolyt, Elektrodenabstand sowie Elektrodenmaterial und -oberfläche auf Stromfluss, Gasproduktion und Effizienz. Kaliumcarbonat in Kombination mit minimalen Elektrodenabständen und einer mechanisch bearbeiteten Nickelelektrode erzielte aufgrund der hohen Leitfähigkeit der Lösung und des geringen ohmschen Widerstands die höchsten Produktionsraten. Die Verwendung von Nickelelektroden sowie eine mechanische Oberflächenvorbehandlung verbesserten die elektrochemische Leistung messbar. Da die berechneten Faraday-Effizienzen über 100 Prozent lagen, wurden systematische Fehlerquellen wie thermische Gasexpansion, Wasserdampfsättigung und CO2-Entwicklung identifiziert. Die Arbeit zeigt das Potenzial kostengünstiger Elektrolysesysteme auf, weist jedoch auf die thermischen Limitationen von PLA hin. Für künftige Optimierungen werden chemisch beständigere Materialien wie PETG sowie der Einsatz einer Anion-Exchange-Membran zur effektiven Gastrennung empfohlen.
Fragestellung
Im Fokus dieser Arbeit steht die Entwicklung eines modular aufgebauten Wasser-Elektrolyseurs, der durch additives Fertigungsverfahren (3D-Druck) kosteneffizient realisiert wurde und dessen Bauweise ihn insbesondere für experimentelle und didaktische Anwendungen prädestiniert. Die Untersuchung konzentrierte sich dabei sowohl auf die computergestützte konstruktive Systementwicklung (mittels CAD-Software) als auch auf die experimentelle Analyse des Einflusses verschiedener Elektrolyte, Elektrodenabstände und Elektrodenkonfigurationen auf Stromfluss, Gasproduktion sowie die Gesamteffizienz der Elektrolyse.
Methodik
Der Reaktor wurde im FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) aus PLA gefertigt. Da dieses eine materialspezifische Permeabilität und begrenzte chemische Beständigkeit aufweist, wurden alle Komponenten mit zwei Schichten Epoxidharz in einer Dicke von ca. 0,5 mm überzogen, um die Gasdichtigkeit und chemische Stabilität zu erhöhen. Als Elektrodenmaterialien dienten Edelstahl und Nickel, wobei Vergleichsmessungen zwischen unbehandelten Elektroden und mechanisch durch Schleifen vorbehandelten Oberflächen stattfanden. Als Elektrolyte wurden Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Weinsäure und Essigsäure in 0,5 M Konzentration untersucht. Die Datenerfassung erfolgte über digitale Multimeter. Die Gasproduktion wurde volumetrisch in Kolbenprobern gesammelt und qualitativ mittels Knallgas- und Glimmspanprobe verifiziert.
Ergebnisse
Die Versuchsreihen belegten, dass Kaliumcarbonat in Verbindung mit einem möglichst geringen Elektrodenabstand die höchsten Stromstärken und damit die höchsten Gasproduktionsraten ermöglichte. Im Vergleich zeigten Weinsäure und Essigsäure aufgrund ihrer geringen Dissoziation deutlich niedrigere Stromstärken. Es wurde nachgewiesen, dass die Verwendung von Nickel sowie das Anschleifen der Elektroden die Überspannung messbar reduzierten. Die Gasnachweise bestätigten die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff, wobei es Hinweise auf eine partielle Gasvermischung während des Elektrolysevorgangs gab.
Diskussion
Der höhere Stromfluss bei geringerem Elektrodenabstand lässt sich durch den reduzierten ohmschen Widerstand innerhalb der Elektrolytlösung erklären. Theoretische Berechnungen verdeutlichen zudem, dass eine weitere Verringerung des Abstands zu deutlichen Leistungssteigerungen führen könnte, sofern praktische Einschränkungen wie die Gasblasenbildung und zusätzliche Grenzflächenwiderstände berücksichtigt werden. Die berechneten Faraday-Effizienzen von über 100 % wurden als physikalisch nicht plausibel eingestuft und auf systematische Fehler wie die Elektrolyterwärmung und thermische Gasexpansion zurückgeführt. Die beobachtete Gasvermischung unterstreicht die Notwendigkeit einer optimierten räumlichen Trennung der Elektrodenräume.
Schlussfolgerungen
Trotz der identifizierten Einschränkungen zeigt das entwickelte System ein hohes Potenzial für experimentelle Anwendungen im kleinen Massstab. Für zukünftige Entwicklungen werden temperatur- und chemikalienbeständigere Materialien wie PETG oder Polypropylen sowie der Einbau einer Anion-Exchange-Membran (AEM) zur strikten Gastrennung empfohlen. Weiterführende Untersuchungen sollten zudem eine aktive Temperaturkontrolle sowie präzisere Messmethoden zur Effizienzbestimmung integrieren.
Würdigung durch die Expertin
Dr. Lucy Kind
Diese Arbeit überzeugt durch die Kombination von konstruktiver Eigenleistung und systematischer Analyse. Levi Laun hat einen modularen Wasserelektrolyseur als CAD-Modell entworfen und aus verfügbaren Materialien kostengünstig mittels 3D-Druck realisiert. Mit grossem Engagement hat er das Design optimiert und theoretisches Wissen gezielt in leistungstechnische Verbesserungen übersetzt. Die fundierten Testreihen und reflektierte kritische Auswertung zeugen von echter wissenschaftlicher Neugier, eine Leistung, die handwerkliches Geschick mit einem klaren Blick für technische Lösungen verbindet.
Prädikat:
Silber
Sonderpreis von SimplyScience
Kantonsschule Sursee
Lehrer: Dr. Stefan Mundwiler