Kathodentester

Der Kathodentester ist ein Teilprojekt der Zn/O-Brennstoffzelle

Zunächst soll eine einfache Zelle als Testsystem für Gaskathoden entwickelt werden. Diese Zelle verfügt über keinerlei Zuführungen und Ableitungen für Zink, Elektrolyt und Luft sondern wird manuell von oben befüllt.

Der Kathodentester soll vor allem dazu dienen, eine kostengünstige und mit einfachen Mitteln zu bauende Testkammer für mehrere Entwickler verfügbar zu machen, so dass alle eine einheitliche und quasi standardisierte Testumgebung haben und die Testergebnisse quantitativ vergleichbar sind.

Getestet werden sollen damit vor allem:

Gaskathoden und zwar solche aus eigener Herstellung als auch im Vergleich kommerzielle Versionen

Anoden, z.B. einfache Zinkplatte vs. poröse Platte aus verpresstem Zinkpulver

Dichtungen, z.B. Flachdichtung aus EPDM

Bau des Kathodentester

Achtung, es gibt inzwischen noch eine neuere Bauanleitung, siehe hier: [1]

Anfertigung der Kammer aus einzelnen Platten

Der Kathodentester wird aus einfachem und in jedem Baumarkt für kleines Geld erhältlichem sogenannten Bastlerglas (Polystyrol) in 4mm Dicke hergestellt.

Man schneidet dieses zunächst in 4 Platten von 12 x 16 cm. (Aus einer 50 x 25cm Platte bekommt man demnach 6 solcher Stücke raus. 2 Platten in Reserve zu haben, falls bei der Bearbeitung eine kaputtgeht, ist sicher nicht ganz verkehrt, weil Bastlerglas ein Sauzeug ist, was die Bearbeitung angeht ;))

Dann werden darin am Rand umlaufend verschiedene Löcher von 5.5mm gebohrt, wobei die Verwendung einer Bohrlehre hilfreich ist und gewährleistet dass die Löcher der einzelnen Platten deckungsgleich zueinander sind.

Bild 1: Löcher vorgebohrt

Nun werden in 3 der Platten noch im mittleren Bereich vier Löcher gebohrt, zunächst auf 5,5mm, dann auf 10mm nachgebohrt, um dann anschliessend mit einer Stichsäge die Bereiche für die Kammern aussägen zu können.

Anschliessend werden die Kanten mit einer Feile etwas geglättet.

Bild 2: Fertige Einzelteile

Nun kann man schonmal testweise die einzelnen Teile zusammenschrauben um zu sehen, ob die Bohrungen für die Schrauben auch wirklich einigermaßen deckungsgleich sind oder ggflls. Bohrungen nachzubearbeiten.

Bild 3: Einzelteile zu einer Kammer zusammengesetzt

Dichtung aus EPDM

Von den 4 Elementen werden jeweils 2 miteinander verklebt, so dass man zwei Verbundelemente erhält: eines bestehend aus der (Haupt-)Kammer für die Anode und der Rückwand und ein zweites, welches einen Rahmen mit Falz zum einkleben der Gaskathode bildet. Zwischen diese beiden Elemente kommt eine Flachdichtung aus EPDM. (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk oder kurz EPDM = Ethylen-Propylen-Dien-Monomer ist ein terpolymeres Elastomer (Gummi) und somit ein synthetischer Kautschuk. vgl.[2] und [3] Wikipedia ). Das Material gibts im Baumarkt zu kaufen als Teichfolie, wir nehmen hier eine Stärke von 1.5mm.

EPDM-Dichtung
Ein Stück EPDM
Mit dem Cuttermesser wird die Dichtung passgenau ausgeschnitten...
... und zwischen die beiden Kamerhälften gelegt

Einkleben der Gaskathode

Die Gaskathode wird bei dem zweiten Verbundelement mit Silikon in den Falz eingebettet. Dabei wird in den Winkel von aussen und von innen das Silikon schräg beigeschmiert, damit eine möglichst gute Dichtwirkung erzielt wird. Immerhin muss hier verhindert werden, das hochprozentiges KOH (=Kalilauge) austritt.

Einbettung der Gaskathode in den Falz
Die Gaskathode wird in den Falz eingebettet. Hier die Innenseite mit dem Gitter
Hier die Aussenseite mit der PTFE-Folie
Statt Silikon wurde hier ein Cellulosenitrat-Kleber verwendet, der als laugenbeständig gilt. Aber anscheinend gibts eine Reaktion mit dem Polystyrol, oder vielleicht auch mit dem PTFE, welches zu einer starken Blasenbildung führt.
Daher musste der Aushärtungsvorgang überwacht und die entstehenden Blasen eingestochen werden, um zu einem akzeptablen Resultat zu gelangen.
Anschliessend wurde noch ein Silberdraht als Kontakt auf das Nickelgitter gelötet.
Sicherheitshalber wurde der Silberdraht an mehreren Punkten angelötet.

Zink-Anode als Taschenplatte

Die Zink-Anode für den Kathodentester sollte plattenförmig sein, d.h., eine Platte aus dünnem Zinkblech. Dünnes Zinkblech ist übrigens günstig verfügbar in Form von alten Dachrinnen, diese bestehen fast nahezu aus reinem Zink, mit einem ganz minimalen Anteil (< 1%) Titan. Für den ersten Test sollte eine Zinkanode in Form einer Taschenplatte zur Anwendung kommen, d.h., ein Zinkblech wird in der Mitte gefaltet, so dass eine doppelwandige Tasche entsteht. Die Intention dabei war, das man in einem weiteren Testlauf die Tasche mit feinem Zinkpulver füllen könnte, um somit die Oberfläche deutlich zu vergrößern und damit vielleicht auch die Amperezahl. In einem ersten Testlauf sollte die Anode jedoch ohne Füllung betrieben werden, so das man ggfll. einen Unterschied zwischender Variante mit und ohne Füllung erkennen und quantifizieren könnte.

Das Blech für die Taschenplatte wurde zunächst an den Seiten mit jeweils zwei Laschen versehen, welche man umbiegen kann um die Tasche zu formen. Dabei bleiben jedoch an den Schmalseiten große Öffnungen erhalten, welche mit Küchenpapier umklebt werden, damit das Zinkpulver einerseits nicht herausfallen kann, aber andererseits durch die groben Poren des Küchenpapiers eine Elektronenaustausch bzw - Fluß möglich ein sollte, das Küchenpapier entspricht hier also der sog. Separator-Membran.

Bei dem Versuch die Form der Tasche etwas nachjustieren und dabei eine Lasche vor und zurückzubiegen zeigte sich, das das Material schnell mürbe wird und die Lasche brach ab. Beim einpassen der Tasche in die Kammer zeigte sich, das die verbliebenen Laschen eher hinderlich waren, da sie etwas in der Dicke auftragen (die Kammer ist nur 4mm tief) und ausserdem auch das aufkleben des Küchenpapiers erschweren. Da sie andererseits nicht wirklich notwendig waren (das gefaltete Zinkblech behält auch ohne die Laschen seine Form) wurden die Laschen daraufhin entfernt. Anschliessend wurden die Schmalseiten auf ganzer Länge mit Küchenpapier umklebt und damit die Tasche auch zur Seite hin geschlossen.

Zum Schluss wurde noch ein dünnes Plastikgitter auf die Tasche geklebt. Da die Tasche in der Kammer relativ viel Spiel hat könnte sie sich darin bewegen und das Nickelgitter auf der anderen Seite berühren, was zu einem Kurzschluss führen würde. Durch das Plastikgitter wird aber jeder direkte Kontakt verhindert.

Taschenplatte
Stück Zinkblech mit Aufriss
Fertig ausgeschnitten. Das Schneiden des Zinkblechs erfolgte mit einer Stichsäge mit einem sehr feinen Metallsägeblatt, welche in einem Sägetisch eingespannt war.
Das Zinkblech wurde mit einem Bürstenaufsatz für eine Bohrmaschne gründlich gebürstet, so dass die Oxidationsschicht entfernt wurde.
Tasche fertiggefaltet
Ansicht der Schmalseiten. Der Abstand zwischen den Plattenhälften bzw. der Hohlraum der Tasche beträgt 1 bis 2 mm.
Die Seiten sind mit Küchenpapier verklebt und ein Gitter als Abstandshalter wurde flächig aufgeklebt.

Montage des Kathodentesters

Nachdem and die Taschenplatte noch ein Stück Silberdraht als Verlängerung des Kontaktes angelötet wurde ist nun alles bereit zur Endmontage. Die Taschenplatte wird in die eine der Hälfte der Kammer eingelegt und die Dichtung darauf plaziert. Nun wird die andere Hälfte der Kammer aufgelegt und beide Hälften durch Imbusschrauben miteinander verbunden.

Es war hierbei die spannende Frage, ob die vielen Schrauben zusammen mit der EPDM-Dichtung wirklich die Kammer abdichten könnten. Beim anziehen der Schrauben zeigte sich im Bereich der Löcher eine Verdunklung die darauf schliessen lässt, dass zumindest in diesen Bereichen der Anpressdruck hoch genug sein würde.

Obwohl es nahe liegt, durch weiteres zudrehen der Schrauben die Dichtigkeit zu erhöhen, muss man hier Vorsicht walten lassen, denn das Material der Platten, das Bastlerglas (Polystyrol) ist sehr spröde und es besteht die Gefahr von Rissbildung, wenn man die Schrauben zu doll anzieht. Andererseits dient der Kathodentester nur für erste einfache (und kostengünstige) Tests, wo die Dichtigkeit erstmal keine große Rolle spielt (gegen eventuell austretende KOH empfiehlt es sich, eine wannenartige Unterlage zu verwenden), spätere Prototypen werden aus Plexiglas erstellt, welches eine größere Elastizität aufweist.

Die Kammer weist oben eine Öffnung auf, durch die die Silberdrahtkontakte geführt werden und auch die KOH-Lösung eingefüllt werden kann. (6-molare KOH-Lösung: bei 56,11 g/mol ==> 336,66g/L, oder auch 168,33g pro 0.5L)

Endmontage
Die beiden Kammerhälften, mit eingelegter Taschenplatte
Die Dichtung wird auf die Hälfte mit der Anode aufgelegt, so sieht die Kammer von Innen aus.
Die Kammerhälfte mit der Gaskathode wird aufgelegt und die Schrauben durch die Löcher gesteckt ...
... und mit Muttern auf der Rückseite verschraubt.
Vorsichtig anziehen! Die dunklen Bereiche deuten auf einen guten Anpressdruck hin.

Abschliessende Bemerkungen und Tips zum Nachbau

Hier noch eine Art Fazit zum Bau des Testers und einige handwerkliche Tips, falls jemand den Tester nachbauen möchte.

1. Polystyrol / Bastlerglas

Das Material hat den Vorteil das es in jedem Baumarkt verfügbar ist und ausserdem ist es sehr billig. Der Nachteil ist, das es ein Sch**sszeug ist, was die Verarbeitung angeht. ;)

Das Hauptproblem ist, das es schon ab ca. 50° C anfängt zu schmelzen, was sowohl beim bohren, als auch beim zuschneiden bzw. sägen enorme Probleme mit sich bringt. Ich habe für letzteres eine große massive Tischkreissäge mit einem feinen Blatt sowie eine in einen Sägetisch eingespannte Stichsäge mit einem groben Blatt benutzt. Beim Sägen, vor allem mit der Stichsäge, erhitzt sich das Material und fängt an zu schmelzen, was bewirkt, dass sich der Schnitt hinter dem laufenden Sägeblatt mit dem geschmolzenen Material zusetzt und dieses quasi wieder zusammenklebt ... ein faszinierender Vorgang: Man sägt sich einmal quer durch die Platte und hat am Ende statt zwei Hälften eine geschlossene Platte ;) Ähnlich ist es mit der großen Tischkreissäge, wobei es hier ein kleines bischen besser geht, weil das Sägeblatt wesentlich größer ist und daher die Wärme in sich rstmal etwas besser ableiten kann, so dass es länger dauert, bis das Blatt heiss wird, aber ab dannbesteht das Problem hier prinzipiell auch.

Das einzige Mittel, was hierbei etwas hilft, das sind viele Pausen in denen sich das Sägeblatt wieder abkühlen kann, sowie und vor allem aktive Kühlung, indem man Spiritus auf den Sägeschnitt, die zu sägende Platte und das jeweilige Sägeblatt kippt, und das sozusagen ständig und immer wieder , während dem Sägen. Keine ganz leicht zu händelnde Aufgabe, eine weitere Person die die Kühlung übernimmt ist sinnvoll. Die Spirituskühlung ,uss übrigens auch beim Bohren der Löcher erfolgen, ansonsten schmilzt sich ab der zweiten Bohrung der Bohrung durch das Loch, anstatt es zu bohren und man erhält kein sauberes Loch. Das ausgebohrte Material bleibt am Bohrer kleben und muss nach jeder einzelnen Bohrung entfernt werden, ansonsten Schmelzbohrung ;)

2. Die Löcher, ihr Sinn, und Bohrhilfe

Um die Löcher passgenau hinzubekommen macht es Sinn, sich vorher eine Bohrlehre aus Holz und/oder Spanplatte anzufertigen. Allerdings stellt sich die Frage, inwieweit das überhaupt Sinn macht und vonnöten ist. Die ursprüngliche Intention dabei war, das man die eine Kammerhälfte (die mit der Anode) immer wieder verwenden kann und nur die Kammerhälfte mit der Gaskathode für jede einzelne zu testende Kathode neu macht, also quasi als Rahmen für die Kathode. Ausserdem sollte hier ja auch gezielt die Möglichkeit der EPDM-Dichtung getestet werden. In Anbetracht des erheblichen Arbeitsaufwands, insbesondere beim Bohren, empfiehlt es sich jedoch für einen Nachbau, auf die ganzen Löcher zu verzichten und die beiden Kammerhälften lediglich temporär mit Zwingen zusammenzuhalten, oder auch die EPDM-Dichtung ganz wegzulassen und einfach die beidenKammerhälften miteinander zu verkleben, zB. mit Silikon.

3. Sägen des Zinkbleches

Da das Blech sehr dünn ist dürfte ein komplett freihändiges Sägen mit einer Stichsäge schlecht möglich sein, im vorliegenden Falle wurde die Säge in einen Sägetisch eingespannt, so das das Blech beidhändig geführt und nahe am Sägeblatt fest runtergedrückt werden konnte. Eine Alternative könnte darin bestehen, das Bleck zwischen zwei dünne Sperrholzplatten zu klemmen und samt diesen auszusägen, wobei in kleinen Etappen gearbeitet werden müsste.

4. Abmessungen

Der Sinn des Kathodentesters besteht vor allem darin, Tests verschiedener Entwickler untereinander vergleichbar zu machen, darum wäre es sehr wichtig, jeweils identische Abmessungen zu verwenden. Die Aussenmaße betragen 160 x 120mm. Die innere Kammer ist 100 x 60mm. Das "Fenster" für die Gaskathode beträgt 80 x 40mm. Die Gaskathode selbst beträgt 100 x 50mm oder 100 x 55mm. Das ist insofern wichtig, weil zumindest kommerzielle Gaskathoden üblicherweise als Rollenware mit 10cm Breite hergestellt werden.

Erster Testlauf

Ablauf

Die Zelle wurde mittels einfacher Halter aus Pappe aufrechtgestellt, mit einer Art flacher Wanne als Unterlage falls etwas KOH austritt. Die Kontakte aus Silberdraht wurden mit Krokodilklemmen ans Messgeraät angeschlossen. Dann wurde mittels einer Spritzflasche die KOH-Lösung durch die obere Öffnung eingefüllt.

Es zeigten sich anfangs ca. 3,32 Ampere und 1.38 Volt.

Bei einer aktiven Kathodenfläche von 8 x 4 = 32cm^2 wären das immerhin rund 104 Milliampere pro Quadratzentimeter !

Die Amperezahl ging dann nach etwa einer Stunde stark runter bis auf 2,3 Ampere und im weiteren Verlauf des Experiments über 4 Stunden etwa um die Hälfte zurück, auf 1,66 Ampere.

Danach wurde der Versuch abgebrochen, die Zelle ausgespült und mit frischer KOH-Lösung befüllt und erneut in Gang gesetzt.

Nun zeigte sich ein interessanter Effekt: Die Amperezahl betrugt zunächst rund 1,8 Ampere und ging nach einigen Minuten schlagartig auf 3.2 Ampere hoch, verharrte dann einige Minuten bei diesem Wert und ging dann ebenfalls schlagartig wieder runter auf 1,8 Ampere. Dieser Vorgang wiederholte sich etliche Male, wobei tendenziell die Dauer der hohen Amperzahl kürzer war als die der niedrigen.

Die Voltzahl blieb die ganze Zeit relativ konstant bei knapp über 1.3V. Zwischendurch würde übrigens auch mal der Motor aus dem Versuch mit der Zink-Luft-Batterie angeklemmt und gemessen, die Amperezahl betrug dabei 20 mA.

Testlauf 1
Fertiger Versuchsaufbau vor dem Befüllenmit KOH, Kathodenseite
Anodenseite, KOH ist jetzt eingefüllt.
Messgerät zeigt Amperezahl
Messgerät zeigt Voltzahl

Auswertung und Interpretation

Bezüglich des Rückgangs der Amperezahl kamn zunächst Befürchtungen auf, das könnte vielleicht etwas mit dem verwendeten Klebstoff zu tun haben, wie etwa eine chemische Reaktion mit der KOH.

Aber ein Blick auf die Zinkanode nach dem Experiment unterstützt die These, dass sich der Ampere-Rückgang möglicherweise mit Oxidation der Zinkanode erklären lässt. Es ist deutlich erkennbar, das Zinkmaterial umgewandelt wurde in Zinkoxid. Insbesondere durch das aufgeklebte Plastikgitter wird dies erkennbar, denn an den Stellen wo das Gitter war und die KOH nicht angreifen konnte ist das Zinkblech noch blank und unoxidiert. In den Zwischenräumen ist es dagegen stark angegriffen, so dass eine Reliefartige Struktur entsteht.

Eine sehr interessante Feststellung: Die Rückseite der Taschenplatte war ebenfalls blank und nicht oxidiert, ausser ein bischen am Rande. Und die Flächen innendrin waren ebenfalls nur am Rande leicht oxidiert, aber ansonsten größtenteils noch blank.

Dies bedeutet, das die Richtung des Elektronenflusses eine wichtige Rolle spielt, sowie auch etwaige Hindernisse. Anscheinend ist es nicht so, dass die Elektronen gut fliessen solange nur durch den Elektrolyt eine Verbindung zwischen Anode und Kathode besteht. Oder man kann zumindest sagen, solange eine Fläche der Anode direkt der Kathode zugewandt ist und ein kurzer Weg dazwischen besteht, wird diese Fläche als erstes und massiv angegriffen, diese Fläche fungiert dann anscheinend ähnlich wie eine Opferanode.

Daraus ergibt sich direkt schon eine Konsequenz für den nächsten Testlauf: Es macht unter diesen Umständen wenig Sinn, einfach die Tasche mit Zinkpulver zu füllen, das Pulver würde wahrscheinlich nicht angegriffen. Der Anodenaufbau muss anders strukturiert werden, z.B. käme eine Anode aus gepresstem Zinkpulver in Betracht oder eine Variante, wo das Zinkpulver mittels Separator sozusagen wie eine Bauchtasche auf der Anodenfläche die der Kathode zugewandt ist, festgeklebt wird, o.ä.

Die Betrachtung der abgenutzten bzw. reliefartigen Anodenfläche liefert auch einen Erklärungsansatz für die im zweitenDurchgang beobachteten Sprünge der Amperezahlen. Das oxidierte Material liess sich, soweit es sich noch an der Anode befand, anschliessend leicht entfernen, wobei es abbröckelte oder abblätterte. Die Vermutung wäre jetzt, dass dies, insbesondere in Gegenwart frischer und noch nicht mit ZnO gesättigter KOH-Lösung, auch im Betrieb im inneren der Zelle abspielt, d.h., die Amperezahl ist relativ niedrig, weil die Anode bereits stark oxidiert ist. Aber von Zeit zu Zeit löst sich das Zinkoxid in größeren Brocken oder Flocken und hinterlässt eine frische bzw. blanke Stelle im Zinkblech, woraufhin die Amperezahl wieder kurzfristig hochgeht bis auch diese blanke Stelle wieder oxidiert ist.

Übrigens liessen sich kurz vor Ende des ersten Durchlaufes auch im unteren Bereich der Zelle graue Schlieren beobachten, möglicherweise handelt es sich hierbei um ausgefälltes oder noch nicht gelöstes Zinkoxid.

Desweiteren liess sich eine ganz leichte Blasenbildung beobachten, wirklich nur sehr gering, aber am Ende des Versuchs akkumulierten sich die Blasen zu einem bischen Schaum in der Nähe der Wasseroberfläche. Ev. hängt dies zusammenmit dem Vorhandensein weiterer und unedlerer Metalle wie etwa dem Lötzinn (welches wahrscheinlich noch etwas Blei enthält).

Testlauf 1 Auswertung
Zelle anodenseitig, kurz vor Versuchsende, links unten graue Schlieren, rechts oben etwas Schaumbildung
Anode, stark oxidiert, reliefartige Gitterstruktur erkennbar.
Anode, vergrößerte Darstellung zeigt, wie tief das Relief ist, d.h., es wurde schon einiges an Material abgetragen bzw. umgewandelt.
Rückseite der Tasche, noch völlig blank, wie auch die Innenseiten.

TODO:

Testlauf 2, Anwendung von Zinkpulver zur Anodenherstellung