Konzeption der Zweikammer-PEM-Biobrennstoffzelle

Überlegungen: Elektrische Leistungen aus der Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen können nur über ein Zweikammersystem erreicht werden, in dem Anoden- und Kathodenraum getrennt sind. Die Trennung muss durch eine selektiv permeable Membran erfolgen, die zwar trennt aber dünn und damit gut permeabel  und mit den Elektroden direkt verwoben ist. Dies ist ein wesentlicher Faktor für den Innenwiderstand der Zelle. Das Elektrodenmaterial auf der Anodenseite darf weder Graphit noch irgend ein Metall sein, da diese Materialien nicht biologisch kompatibel sind und kein effektiver Elektronenaustausch erfolgt. Die Mikroorganismen an der Anode müssen anaerob leben, ihre direkt an der Elektrode abgreifbare Stoffwechselleistung besteht im Wesentlichen aus der Produktion von "Reduktionsäquivalenten", die diese zum Betreiben der Glykolyse wie bei jeder Gärung erzeugen müssen. Die direkt wirksamen Stoffwechselprodukte sind alle reduzierten organischen Verbindungen. Bei den Coli-Bakterien in den hier durchgeführten Experimenten wird wahrscheinlich der sekundär gebildete Wasserstoff stark wirksam. Als biologisch kompatibel hat sich dotiertes Polypyrrol erwiesen, welches ein organischer Leiter (Polymer) ist und leicht durch anodische Oxidation in Gegenwart von Toluolsulfonsäure herzustellen ist. Positiv dotiertes Polypyrrol wird als Anodenmaterial verwendet und hat etwa 1/10 der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer. Das Kathodenmaterial ist platiniertes Graphit.

 Ausschnitt aus der Strukturformel von Polypyrrol - jedes dritte Pyrrol ist positiv geladen, das Gegenion ist das Toluolsulfonsäureanion.

Die Polymerelektrolytmembran (PEM) ist eine perfluorierte Polysulfonsäure, die aufgrund Ihrer festen Anionen nur für Kationen (Protonen) permeabel ist.

            Explosionszeichnung PEM Brennstoffzelle                            Mikrostrukturen an der Grenzfläche

Polypyrrolseite einer Brennstoffzelle

Stimulation einer Zelle mit hochfrequenter Wechselspannung von 80 kHz beschleunigt den Aufbau einer Spannung und ergibt Leistungen im Milliwattbereich, welche zum Betrieb eines kleinen Elektromotors ausreichen.

Kennlinie der Biobrennstofzelle, die maximale Leistung ist 1,2 mW. Man sieht deutlich die Diffusionshemmung bei höheren Stromstärken.

Laborbank mit Brennstoffzellen