Die Mikrobielle Brennstoffzelle in Theorie und Praxis

Die Mikrobielle Brennstoffzelle in Theorie und Praxis 

BG/BRG Stockerau 

Unter den Linden 16, 2000 Stockerau 

2009/2010 

Die Mikrobielle Brennstoffzelle in 

Theorie und Praxis 

vorgelegt bei 

Mag. Dr. Hafner-Trittinger 

von 

Ralf Jagenteufel, 8A 

Stockerau, am 12. Februar 2010 

1


Inhaltsverzeichnis 

Abstract ...........................................................................................................................3 

1. Vorwort ........................................................................................................................4 

2. Brennstoffzelle.............................................................................................................5 

3. Mikrobielle Brennstoffzelle...........................................................................................9 

3.1. Einleitung ..............................................................................................................9 

3.2. Die Mikrobielle Brennstoffzelle nach H. P. Bennetto...........................................11 

4. Komponenten der Mikrobiellen Brennstoffzelle .........................................................12 

4.1. Mikroorganismen ................................................................................................12 

4.2. Kohlenhydratabbau und Nährstoffe ....................................................................12 

4.3. Mediatoren ..........................................................................................................15 

4.4. Elektroden...........................................................................................................17 

4.5. Membranen.........................................................................................................17 

4.6. Kathodenkammer................................................................................................20 

4.7. Puffersystem .......................................................................................................20 

5. Versuchsplanung.......................................................................................................22 

5.1. Messeinrichtung:.................................................................................................22 

5.2. Konstruktionen ....................................................................................................22 

5.3. Mikroorganismen ................................................................................................23 

5.4. Temperatur .........................................................................................................23 

5.5. Membranen.........................................................................................................23 

5.6. Puffer ..................................................................................................................23 

5.7. Konzentrationen und Mengenverhältnisse ..........................................................24 

5.8. Lebensdauer und Langzeitmessungen ...............................................................24 

5.9. Fütterungen.........................................................................................................24 

5.10. Verbraucher ......................................................................................................24 

6. MFC in der Praxis: wichtigste Versuche und Ergebnisse ..........................................25 

6.1. Liste aller im Rahmen des MFC-Projektes durchgeführten Versuche.................25 

6.2. Konstruktionen ....................................................................................................26 

6.3. Membranen.........................................................................................................27 

6.4. Konzentrationen..................................................................................................27 

6.5. Puffer ..................................................................................................................28 

6.6. Lebensdauer .......................................................................................................29 

6.6.1. Kurzzeitmessungen bis 60 Minuten ..........................................................29 

6.6.2. Langzeitmessungen bis 24 Stunden .........................................................29 

6.7. Fütterung.............................................................................................................31 

6.8. Verbraucher: .......................................................................................................32 

7. Zusammenfassung ....................................................................................................34 

8. Schlusswort ...............................................................................................................36 

9. Anhang ......................................................................................................................37 

10. Quellenangaben ......................................................................................................53 

11. Abbildungsverzeichnis.............................................................................................54 

2

Abstract 


The main aim of this paper is to describe the operating principles and the usage of microbial fuel 

cells (MFC). In MFCs it is possible to generate current by directly converting organic substrate 

into electricity. This is achieved by using the metabolism of microorganisms. 

The experiments described by H.P. Bennetto (“Electricity generation by microorganisms” 1 ) and 

by W. Schatz („Bau einer bionischen Brennstoffzelle im Low-Cost-Verfahren“ 2 ) were carried 

out during a school program spanning a two year time period. Series of about 20 experiments 

were then conducted in the school laboratory to study these phenomena in greater detail. The aim 

was the construction of a set of MFCs which was capable of powering a consumer like a small 

light bulb, a motor or an LED. 

A description of what Fuel Cells and Microbial Fuel Cells are can be found in the accompanying 

document; how they work and where they can be used. Also included are the proposal of what 

was to be examined, a description of the most important experiments and a list of all the results. 

1 http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/materials/MICROBIOLOGY/PDF/bennetto.pdf (Stand: 20.3.08) 

2 „Bau einer bionischen Brennstoffzelle im Low-Cost-Verfahren“ 

Schatz, Wolfgang, Chemie und Schule (Salzburg) 22 (2007), Nr. 4, Seite 24 - 25 

3

1. Vorwort 


Meine Arbeit befasst sich mit der Mikrobiellen Brennstoffzelle, kurz MFC (Microbial Fuel Cell). 

Der Stoffwechsel von Mikroorganismen wird hierbei genützt, um aus organischen Substraten 

direkt elektrischen Strom zu erzeugen. 

Die Idee zu dieser Arbeit entwickelte sich eigentlich aus meinem Interesse an Brennstoffzellen 

und Wasserstoff-Autos. Im Rahmen des „Drehtürmodells“ (Schulversuch zur Förderung von 

Hochbegabten) hatte ich Zeit, Versuche dazu durchzuführen und theoretische Grundlagen zu 

erarbeiten. 

Im Zuge meiner Recherchen tauchte die Literaturstelle von H.P. Bennetto “Electricity generation 

by microorganisms” 3 auf. In ihr werden Schülerversuche und Vorführexperimente zur 

Mikrobiellen Brennstoffzelle beschrieben. Dieses Thema weckte mein besonderes Interesse, da 

es zurzeit stark erforscht wird und zukunftsweisende Ergebnisse bringen könnte. 

Für experimentelle Arbeit fand ich in dem Artikel „Bau einer bionischen Brennstoffzelle im 

Low-Cost-Verfahren“ 4 Anleitungen zum Selbstbau von Zellen. Mag. Dr. Maria Hafner- 

Trittinger bestellte die ergänzenden Materialien und die Plexiglaszelle nach H.P. Bennetto beim 

National Centre for Biotechnology Education 5 . 

Während des Schuljahres 2008/09 arbeitete ich nun, wann immer mir Zeit blieb, im Chemielabor 

und im Werksaal an meiner Versuchsserie zur MFC. 

Nach einigen Rückschlägen gelang es mir schlussendlich, mit meiner Versuchsanordnung eine 

Leuchtdiode zu betreiben. 



Schatz, Wolfgang, Chemie und Schule (Salzburg) 22 (2007), Nr. 4, Seite 24 - 25 

5 http://www.ncbe.reading.ac.uk/NCBE/MATERIALS/MICROBIOLOGY/fuelcell.html (Stand: 29.12.09) 

4

2. Brennstoffzelle 


Da mir die Definition der Brennstoffzelle aus Wikipedia sehr treffend erscheint, möchte ich sie 

hier anführen: Eine Brennstoffzelle, kurz FC (vom englischen Fuel Cell), ist eine galvanische 

Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und 

eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle 

meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. 6 

Ein erster Prototyp einer Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein 

gebaut, geriet aber durch die Erfindung des elektrischen Generators in Vergessenheit. Erst in den 

1950er Jahren gewann die Brennstoffzelle wieder an Bedeutung, weil sie seither als 

Energielieferant in der Raumfahrt (Apollo, Space Shuttle) eingesetzt wird. 

Heute gibt es Projekte für den Einsatz von Brennstoffzellen zur Stromversorgung von 

Mehrfamilienhäusern und für die Speicherung von in Kraftwerken überschüssig produzierter 

Energie, sowie in U-Booten, Flugzeugen ("Cryoplane") und Autos, um fossile Brennstoffe durch 

Wasserstoff zu ersetzen. 

Die Verwendung der Brennstoffzellen in Autos habe ich anhand eines Versuchsmodelles der 

Firma Kosmos selbst ausprobiert. 

Abbildung 1: Foto des Brennstoffzellen-Autos der Firma Kosmos 

6 http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle (Stand: 16.11.07) 

5


Die dort verwendete Polymer-Membran-Zelle, kurz PEM-FC, sieht folgendermaßen aus: 

Abbildung 2: Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle eines Versuchsautos 7 

Sie besteht aus Elektroden, deren Kammern durch eine Protonenaustauschermembran 

voneinander getrennt sind. Diese ist nur für Kationen, in dieser Anwendung für die Protonen 

bzw. Hydroniumionen durchlässig, was bewirkt, dass der Brennstoff (Wasserstoff) an der Anode 

räumlich von dem Oxidationsmittel (Sauerstoff) an der Kathode getrennt ist. 

An der mit einem Katalysator, meist Platin, beschichteten negativen Elektrode wird der 

Wasserstoff oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Hydronium-Ionen bzw. Protonen 

umgewandelt. Diese Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen 

elektrischen Verbraucher (z. B. eine Glühlampe oder einen Gleichstrommotor) zur positiven 

Elektrode. Dort wird der Sauerstoff durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert. 

Gleichzeitig bewegen sich die Hydronium-Ionen durch die Membran zur negativen Elektrode 

und reagieren gleichzeitig mit dem reduzierten Sauerstoff zu Wasser. 

7 Abbildung 2: Experimentieranleitung Kosmos Brennstoffzelle 

Franckh-Kosmos Verlag-GmbH & Co., Stuttgart/2000 

6


Abbildung 3: schematische Darstellung der Funktion einer Brennstoffzelle 8 

An den Elektroden finden folgende Reaktionen statt: 

negative Elektrode: 2 H2 + 4 H2O � 4 H3O + + 4 e - 

positive Elektrode: O2 + 4 H3O + + 4 e - � 6 H2O 

Wenn man die Teilreaktionen zusammensetzt, kommt man zu folgender Gesamtreaktion: 

2 H2 + O2 � 2 H2O 

Laut Wikipedia liegt die gelieferte Spannung bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer 

Temperatur von 25°C theoretisch bei 1,23V. 9 In der Praxis werden jedoch nur Spannungen von 

0,5 bis 1V erreicht, da Brennstoff, Qualität der Zelle und Temperatur dabei eine wesentliche 

Rolle spielen. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen zu einem Stack 

(engl. Stapel) in Reihe geschalten. 10 

8 

Abbildung 3: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/a/a2/Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png 

(Stand: 16.11.07) 

9 

Abbildung 3: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/a/a2/Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png 

(Stand: 16.11.07) 

10 

http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle (Stand: 16.11.07) 

7


Neben PEM-FCs sind zahlreiche andere Arten von Brennstoffzellen in Anwendung oder 

Erprobung, wie zum Beispiel die: 11 

• Alkalische Brennstoffzelle (AFC), bei der Kalilauge (KOH) als Elektrolyt dient. Der 

Brennstoff ist reiner Wasserstoff (H2). 

• Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), bei der eine Polymer-Membran als 

Elektrolyt dient. Der Brennstoff ist ebenfalls reiner Wasserstoff (H2). 

• Direktmethanol-Brennstoffzelle (DEMFC), bei der ebenfalls eine Polymer-Membran als 

Elektrolyt dient. Der Brennstoff ist jedoch Methanol (CH3OH). 

• Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), bei der Phosphorsäure (H3PO4) als Elektrolyt 

dient. Der Brennstoff ist reiner Wasserstoff (H2). 

• Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), bei der eine Alkali-Carbonat-Schmelze als 

Elektrolyt dient. Der Brennstoff ist entweder Wasserstoff (H2), Methan (CH4) oder 

Kohlegas. 

• Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), die einen oxid-keramischen Elektrolyten hat. Der 

Brennstoff ist entweder Wasserstoff (H2), Methan (CH4) oder Kohlegas. 

• Mikrobielle Brennstoffzelle (MFC) – Siehe nächstes Kapitel 

11 http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle (Stand: 16.11.07) 

8


3. Mikrobielle Brennstoffzelle 

3.1. Einleitung 

In der Mikrobiellen Brennstoffzelle wird der Stoffwechsel von Mikroorganismen zur 

Stromerzeugung genützt. Das Nährmittel der Organismen, meist ein Kohlenhydrat, hat die 

Funktion des Brennstoffs. 

Erste Forschungen zur MFC sind aus dem Jahre 1911 bekannt. M. C. Potter, Professor der 

Botanik an der Universität Durham, gelang es, mit den Kolibakterien Escherichia coli, kurz 

E.coli, Strom zu erzeugen. Er erregte damit allerdings nicht viel Aufsehen, da die Stromausbeute 

nicht besonders groß war. 

Durch die Serienschaltung mehrerer MFCs schaffte es Barnet Cohen im Jahre 1931, eine 

Spannung von 35V zu erzeugen. Die Stromstärke betrug jedoch nur 2mA. 12 

Erst im Jahre 1963 wurde der nächste Meilenstein in der Geschichte der MFC gesetzt. Del Duca 

et al. befassten sich genauer mit der Wasserstoff-Gewinnung aus der Gärung von Glucose durch 

Clostridium butyricum-Bakterien. 13 

Ein Konzept, wie es auch heute noch verwendet wird, erarbeitete Suzaki mit seinen Kollegen in 

den Jahren 1976 und 1977. 13 

Diese Ideen wurden von MJ Allen und H. Peter Bennetto vom King’s College London 

übernommen und genauer überprüft. Da Bennetto eine Anwendungsmöglichkeit in der Dritten 

Welt sah, begann er in den 1980ern mit seiner Arbeit, die maßgebend zum Verständnis des 

Funktionsprinzips der MFC beitrug. Somit galt er zu seiner Zeit als Begründer und weitester 

Vorreiter bei der Mikrobiellen Brennstoffzelle – nicht zuletzt durch seine für den Unterricht 

aufbereiteten Vorführexperimente. 13 

Seitdem die ersten Kläranlagenfirmen im Jahr 2002 und vor allem eine australische Brauerei 

Interesse an dieser Art der Stromerzeugung gezeigt hatten, wurde die genaue Erforschung dieses 

Gebietes intensiviert. 13 

Heute sind einige MFC-Systeme schon so weit ausgereift, dass deren Einsatz bereits in der 

Praxis erprobt wird. Einige dieser Verwendungsmöglichkeiten, die sich gerade im 

Versuchsstadium befinden, sind die Abwasserreinigung 14 , die Stromerzeugung für Klein- 

12 http://www.tech-faq.com/beer-battery.shtml (Stand: 29.12.09) 

13 http://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_fuel_cell#History (Stand: 23.6.09) und 

http://mfc-muri.usc.edu/public/mfc_history.htm (Stand: 29.12.09) 

14 http://www.greifswald-wieck.de/archiv/1004/strom.html (Stand: 31.3.09), 

http://science.orf.at/science/news/105777 (Stand: 31.3.09) und 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es034923g?journalCode=esthag (Stand: 31.3.09) 

9


verbraucher in der Dritten Welt 15 , die Stromerzeugung für Messgeräte im Meer 16 , im menschlichen 

Körper 17 und als Batterie-Ersatz 18 . (Details dazu finden sich in den Quellen.) 

Abbildung 4: schematische Darstellung der Funktion der MFC zur Abwasserreinigung 19 

Abbildung 5: schematische Darstellung der Funktion der MFC 

zur Stromerzeugung im Meer 20 

Seit Dezember 2008 gibt es auch eine eigene Homepage über Mikrobielle Brennstoffzellen: 

http://www.microbialfuelcell.org/www/ 

Eine weitere interessante Homepage ist die der Universität Greifswald, da sich dieses Institut 

sehr ausführlich mit der MFC beschäftigt. 

http://www.chemie.uni-greifswald.de/ 

15 http://www.toptarif.de/news/energie/20092008-mikroorganismen-erzeugen-strom-fuer-afrika (Stand: 31.3.09) und 

http://www.heise.de/tr/Mikroorganismen-erzeugen-Strom-fuer-die-Dritte-Welt--/artikel/116057 (Stand: 31.3.09) 

16 http://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/Nordbayern/YoungNetregional/Schuelerwettbewerb 

e/Schuelerforum/8%20Schuelerforum/Documents/MCMS/702ChristopherHaasStromerzeugungmitBakterien.pdf 

(Stand: 20.3.08), 

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-1322-2004-08-05.html (Stand: 31.3.09) und 

http://science.orf.at/science/news/39927 (Stand: 31.3.09) 

17 http://www.diebrennstoffzelle.de/nachrichten/MikrobielleBrennstoffzellefrmedizinischeAnwendungen.shtml 

(Stand: 20.3.08) 

18 http://science.orf.at/science/news/71230 (Stand: 1.4.09) 

19 Abbildung 4: http://science.orf.at/science/news/105777 (Stand: 31.3.09) 

20 Abbildung 5: 

http://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/Nordbayern/YoungNetregional/Schuelerwettbewerb 


(Stand: 20.3.08) 

10


3.2. Die Mikrobielle Brennstoffzelle nach H.P.Bennetto 

Eine der Grundlagen meiner Arbeit war die Microbial fuel cell nach H.P. Bennetto 21 , die beim 

National Centre for Biotechnology Education 22 , kurz NCBE, erhältlich ist. 

Sie besteht aus verschraubbaren Plexiglasscheiben. Die beiden Haupt-Zellkammern sind durch 

eine PEM (cation exchange membrane) getrennt, die durch Gummidichtungen an ihrem Platz 

gehalten wird. Als Elektroden dienen Streifen aus Karbonfasern. 

Abbildung 6: Schematische Darstellung der MFC 23 

Für die beiden Kammern werden zwei verschiedene Lösungen benötigt: 

Die Lösung für die positive Elektrode ist eine Lösung von Kaliumhexacyanoferrat (III) (rotes 

Blutlaugensalz K3[Fe 3+ (CN)6]) 0,01 – 0,10 Mol, in Kaliumphosphat-Puffer (pH 7). 

Die Flüssigkeit für die negative Elektrode besteht aus einer Pufferlösung pH 7 mit den 

Mikroorganismen, dem Mediator und eine kleine Menge Glucose. 

Abbildung 6 zeigt die Funktionsweise dieser Zelle. Die Mikroorganismen an der negativen Seite 

der Brennstoffzelle bauen Glucose im Zuge des normalen Stoffwechselkreislaufes ab, während 

ein Redox-Mediator, in meinem Fall Methylenblau, als Übermittler dient und Elektronen an die 

Elektrode überträgt. 

Durch die semipermeable PEM-Membran können die Wasserstoff-Ionen auf die Kathodenseite 

wandern. 

21 Bennettos Anleitung für die MFC: 

http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/materials/MICROBIOLOGY/PDF/bennetto.pdf (Stand: 20.3.08) 

22 http://www.ncbe.reading.ac.uk/NCBE/MATERIALS/MICROBIOLOGY/fuelcell.html (Stand 29.12.09) 

23 Abbildung 6: aus Grafik 3 aus Bennettos Anleitung für die MFC 

11


4. Komponenten der Mikrobiellen Brennstoffzelle 

4.1. Mikroorganismen 

Laut Bennetto ist E.coli ein geeigneter Organismus, dessen Verwendung von den Schulsicherheitsbestimmungen 

in den meisten Ländern zugelassen ist. 24 

Diese Lebewesen kommen auf der ganzen Welt in großer Zahl vor, weshalb man sich bei der 

Anwendung außerhalb des Labors nicht darum kümmern muss, wo man diese Mikroben 

herbekommt – sie sind überall in ausreichender Menge vorhanden, sei es in den Sedimenten am 

Meeresboden, im Abwasser, im menschlichen Körper oder in organischen Abfällen. 

Im Labor kann man auch gewöhnliche Backhefe verwenden, die man in jedem Lebensmittelgeschäft 

kaufen kann. Bennetto beschreibt jedoch als entscheidenden Nachteil, dass sie nicht so 

aktiv ist. Sie produziert weniger Reduktionsenergie, da sie schwerer ist und sich allmählich am 

Boden der Zelle absetzt. 25 

Bennetto meint weiters, dass Proteus vulgaris ein hervorragender Bakterienstamm für MFC- 

Versuche wäre. Dieser sei jedoch im Schullabor nicht zugelassen, da einige Stämme krankheitserregend 

sind. 

Uwe Schröder von der Universität Greifswald schreibt auch, dass auch der Meeresbewohner 

Rhodoferax ferrireducens oder einige Geobacter- und Shewanella- Arten gut geeignet sind. 26 

4.2. Kohlenhydratabbau und Nährstoffe 

Mikroorganismen können vielerlei Substrate als Nährstoffbasis nützen. 

Bei den Versuchen zur Abwasserreinigung 27 dienen die Schmutzstoffe, die abgebaut werden 

müssen, als Nahrung. Bei dem Projekt „Lebone Solutions“ 28 , das versucht, mit Hilfe von MFCs 

Dörfern in Entwicklungsländern Zugang zu Strom zu verschaffen, verwendet man einfach 

Schlamm, Kuhdung oder Abfall von Kaffeepflanzen. 

Ein Chemikerteam um Shelley Minteer vom Department of Chemistry an der Saint Louis 

University soll laut ORF Science eine wenige Zentimeter große Bio-Brennstoffzelle entwickelt 

24 Bennettos Anleitung für die MFC Seite 2, Spalte 2, Zeilen 49-52 

25 Bennettos Anleitung für die MFC Seite 2, Spalte 2, Zeile 55-59 

26 http://www.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/wochenschau45b.html (Stand: 20.3.08) 

27 http://www.greifswald-wieck.de/archiv/1004/strom.html (Stand: 31.3.09), 

http://science.orf.at/science/news/105777 (Stand: 31.3.09) und 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es034923g?journalCode=esthag (Stand: 31.3.09) 

28 http://www.toptarif.de/news/energie/20092008-mikroorganismen-erzeugen-strom-fuer-afrika (Stand: 31.3.09) und 

http://www.heise.de/tr/Mikroorganismen-erzeugen-Strom-fuer-die-Dritte-Welt--/artikel/116057 (Stand: 31.3.09) 

12


haben, die mit Alkohol betrieben wird und als Ersatz für Akkus beispielsweise im Handy 

eingesetzt werden kann. 29 

Bei einer jetzt schon einsatzfähigen Anwendungsmöglichkeit der MFC, nämlich der 

Stromerzeugung für Messgeräte im Meer beziehungsweise am Meeresboden, bauen die 

Bakterien organischen Abfall und ähnliches ab. 30 

Im Labor wird häufig das Nährmittel Glucose eingesetzt. Der Mikroorganismus baut diese über 

viele Schritte im Kohlenhydratabbau zu Kohlendioxid und Wasser ab. 

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O 

Glucose + Sauerstoff → Kohlendioxid + Wasser 

Der erste Teilschritt ist die Glycolyse: 

In diesem anaeroben Teil entsteht durch enzymatische Umwandlungen unter nur geringfügigem 

Energiegewinn Pyruvat. 

Abbildung 7: Glucose-Abbau 31 

29 http://science.orf.at/science/news/71230 (Stand: 1.4.09) 

30 http://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/Nordbayern/YoungNetregional/Schueler 

wettbewerbe/Schuelerforum/8%20Schuelerforum/Documents/MCMS/702ChristopherHaasStromerzeugungmit 

Bakterien.pdf (Stand: 20.3.08), 

http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-1322-2004-08-05.html (Stand: 31.3.09) und 

http://science.orf.at/science/news/39927 (Stand: 31.3.09) 

13


Pyruvat tritt nun über die Umwandlung in Acetyl-Coenzym A in den aeroben Citratcyclus ein, 

der den Großteil der Energie liefert. 

Abbildung 8: Pyruvat 32 

Im Citratcyclus laufen zahlreiche Redoxreaktionen ab, wobei vor allem die energiereiche Form 

der Energieüberträgersubstanz NADH gebildet wird. An den rot markierten Stellen greift der 

Mediator ein und oxidiert diese wieder. 

31 Abbildung 7: Moleküle, Seite 128 


Abbildung 9: Citratcyclus 33 

14

4.3. Mediatoren 


In der Literatur werden Substanzen, die zugesetzt werden, um Elektronen zu übertragen, häufig 

als Mediatoren bezeichnet. 

In der MFC vermittelt er zwischen den Mikroorganismen und der Elektrode, indem er die 

Elektronen aus dem Kohlehydratabbau zur negativen Elektrode überträgt. Der Mediator wird 

durch die Umwandlung von NADH in NAD + reduziert, siehe Abbildung 9, rot umrandete 

Stellen, und gibt das so gewonnene Elektron durch Oxidation an der Anode ab. 

Abbildung 10: schematische Darstellung der Elektronenübertragung in einer 

mikrobiellen Brennstoffzelle mittels Mediator 34 

Das von Bennetto als Redoxmediator verwendete Methylenblau erfährt dabei die abgebildeten 

Umwandlungen. Durch Elektronenaufnahme wird es zum farblosen Leukomethylenblau 

reduziert, eine Oxidation erzeugt die blaue Form. 

Abbildung 11: farblose und blaue Form des Methylenblau 35 

Laut Bennetto eignen sich für den Laborversuch neben Methylenblau andere Redoxmediatoren 

wie Thionin oder Neutralrot. 


34 Abbildung 10: http://www.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/wochenschau45b.html (Stand: 20.3.08) 

35 Abbildung 11: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Methylenblau_Redox.png (Stand: 29.12.09) 

15


Bei der Anwendung außerhalb des Labors verzichtet man jedoch meist auf den Einsatz von 

Mediatoren, da eine Elektronenübertragung auch auf eine andere Weise möglich ist: 

Bei der mediatorlosen Elektronenübertragung 36 macht man sich das Bedürfnis der 

Mikroorganismen zu Nutze, Elektronen, die durch die Substratoxidation frei werden, abzugeben. 

Dabei können die Elektronen auf verschiedene Weise auf die Anode übertragen werden: 

(a) durch endogene mikrobielle Redoxmediatoren, also Phenazine, die von den Mikroorganismen 

ausgeschieden werden 

(b) durch membrangebundene Cytochrome, was soviel bedeutet wie ein direkter 

Elektronentransfer über bestimmte Membranproteine, wobei aber durch den erforderlichen 

direkten Kontakt der Zelle zur Elektrode die aktive Bakterienanzahl auf eine Monoschicht 

begrenzt ist 

(c) durch mikrobielle „nanowires“ (= elektrisch leitende Härchen) 

Diese Übertragungsart soll sogar über größere Entfernungen möglich sein. 

(d) durch die Oxidation energiereicher reduzierter Primärmetabolite, also Stoffwechselprodukte 

wie Wasserstoff, Formiat, Ethanol und Lactat 

Abbildung 12: Darstellung der unterschiedlichen Methoden der 

mediatorlosen Elektronenübertragung 37 

36 http://www.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/wochenschau45b.html (Stand: 20.3.08) 


16

4.4. Elektroden 


Als Elektrodenmaterial habe ich bei meinen Versuchen, wie von Bennetto vorgeschlagen, 

Streifen aus Karbonfasern verwendet. Dieses Fasermaterial besteht weitgehend aus reinem 

Kohlenstoff und bietet eine große Oberfläche für den Elektronentransport. 

Laut Bennetto eignen sich auch flache Graphit-Platten, Karbon-Platten oder „Glas“-Karbon- 

Platten als Elektroden für die MFC. 38 

Bei anderen Versuchsprojekten werden auch Platin-Elektroden verwendet. 39 

4.5. Membranen 

Abbildung 13: Karbonfaserelektrode 40 

Die Membran wird dazu verwendet, um die Anodenkammer von der Kathodenkammer zu 

trennen. Man nützt semipermeable Membranen, die vor allem für größere Moleküle nicht 

durchlässig sind. 

In meiner Versuchsreihe habe ich folgende Membranmaterialien benützt: 

Protonen-Austausch-Membran 

Eine solche technisch hergestellte Membran nennt man Protonen-Austausch-Membran, Proton 

Exchange Membrane oder Polymer Electrolyte Membrane, kurz PEM. 41 

Hergestellt werden diese Membranen entweder aus reinem Polymer- oder aus Komposit- 

Membranen, bei denen andere Materialien in eine Polymermatrix eingebettet werden. Laut 


39 http://www.greifswald-wieck.de/archiv/1004/strom.html (Stand: 31.3.09) 


41 http://de.wikipedia.org/wiki/Protonen-Austausch-Membran (Stand: 29.12.09) 

17


Wikipedia ist die kommerziell am weitesten verbreitete PEM aus dem fluorierten Polymer 

Nafion des Chemiekonzerns DuPont. Aufgrund der Sulfonsäuregruppe hat diese zudem auch die 

Eigenschaft, dass sie Anionen abblockt und nur Kationen durchlässt. 42 

Abbildung 14: Strukturformel des Nafion 43 

Cellophan 

Cellulosehydrat, allgemein bekannt als Cellophan, wird hergestellt durch Auflösen des 

Pflanzenbaustoff Cellulose zu Viskose, die man in ein Bad aus verdünnter Schwefelsäure gießt. 

Nach der Reinigung und Trocknung erhält man die durchsichtige, elastische Cellophanfolie. 

Diese war bis in die 1950er-Jahre praktisch die einzige Verpackungsfolie und wird heute noch 

aufgrund der Eigenschaft, dass sie Wasserdampf durchlässt, für Flüssigkeiten jedoch dicht ist, 

für die Verpackung spezieller Produkte verwendet. 

Cellpphan wird auch als Membran eingesetzt, zum Beispiel bei der Dialyse. 44 

Abbildung 15: Strukturformel des Cellulosehydrat 45 

42 http://de.wikipedia.org/wiki/Protonen-Austausch-Membran (Stand: 29.12.09) 

43 Abbildung 13: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Nafion2.svg (Stand 29.12.09) 

44 http://gruberscript.net/Zellstoffscript/07Cellulose.pdf (Stand 29.12.09) und 

http://de.wikipedia.org/wiki/Cellulosehydrat (Stand 29.12.09) 

45 Abbildung 15: http://gruberscript.net/Zellstoffscript/07Cellulose.pdf (Stand 29.12.09) 

18


Agar-Agar 

Wie das Cellophan ist auch das Agar-Agar ein Kohlenhydrat. Es wird aus den Zellwänden von 

Rotalgen mit Wasser herausgelöst, getrocknet und gerieben. 

Verwendet wird dieses rein pflanzliche Produkt als Geliermittel, vorwiegend in der japanischen 

und vegetarischen Küche. Auch findet es eine Anwendung in der Mikrobiologie bei der 

Herstellung von Nährböden für Mikroorganismen. 46 

Schweinsblase 

Die Schweinsblase zählt zu den Biomembranen. Im Lexikon von www.uni-protokolle.de findet 

man folgende Definition: „Biomembranen sind häutchenartige Abgrenzungsstrukturen des 

Cytoplasmas, die eine lebende Zelle von außen umgeben und auch ihr Inneres durchziehen.“ 47 

Sie ist jedoch nicht nur eine Trennschicht, sondern transportiert auch aktiv Moleküle und 

Informationen von einer Seite zur anderen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Membran aus 

einer Doppellipidschicht besteht, die durch Phospholipide wie Lecithin mit einem hydrophilen 

und hydrophoben Anteil gebildet wird. Auf dieser sind Transportproteine eingelagert, die 

Moleküle durchschleusen können. Somit ist diese Membran semipermeabel und kann 

Konzentrationsgefälle erzeugen oder aufrecht erhalten, wie es vom Diffusions- und 

Osmosezyklus bekannt ist. 48 

Abbildung 16: Aufbau einer Biomembran 49 

Ich habe in der Mikrobiellen Brennstoffzelle vor allem die Haut der Schweinsblase eingesetzt, da 

ich sie im Schullabor zur Verfügung hatte. 

46 http://www.naturgarten.com/index1.html (Stand 30.12.09), 

http://www.lebensmittellexikon.de/a0000120.php (Stand 30.12.09) und 

http://de.wikipedia.org/wiki/Agar (Stand 30.12.09) 

47 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Biomembran.html (Stand 30.12.09) 

48 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Biomembran.html (Stand 30.12.09), 

http://www.sn.schule.de/~biologie/lernen/zellbio/membran.html (Stand 30.12.09) und 

http://de.wikipedia.org/wiki/Biomembran (Stand 30.12.09) 

49 Abbildung 16: http://www.sn.schule.de/~biologie/lernen/zellbio/membran.html (Stand 30.12.09) 

19

4.6. Kathodenkammer 


H.P. Bennetto verwendet in der Kathodenkammer seiner Zelle eine Kaliumhexacyanoferrat (III)- 

Lösung (rotes Blutlaugensalz K3[Fe 3+ (CN)6]) 0,01 – 0,10 Mol, in Kaliumphosphat-Puffer (pH 7). 

Unter Elektronenaufnahme wird dieses 3-fach positiv geladene Eisen-Ion zum 2-fach positiv 

geladenen Kaliumhexacyanoferrat (II) (K4 [ Fe 2+ (CN)6 ]) reduziert.50 

Wie auf den Abbildungen 4 und 5 auf Seite 10 zu erkennen ist, wird in der Praxis an der Kathode 

oft Sauerstoff, entweder im reinen Zustand oder in Form von Luft, als Reduktionsmittel 

verwendet. Auch bei der MFC als Batterie-Ersatz bietet sich die Verwendung von Sauerstoff aus 

der Luft an. 51 

4.7. Puffersystem 

Eine Pufferlösung besteht aus einer schwachen Säure und einer schwachen Base und dient dazu, 

den pH-Wert bei Zugabe einer nicht allzu großen Menge Säure beziehungsweise Base konstant 

zu halten. 

Gemäß den unten angeführten Reaktionsgleichungen reagiert die Puffersäure mit den 

hinzugefügten Hydroxid-Ionen, während zusätzliche Hydronium-Ionen durch die Pufferbase 

gebunden werden. Dadurch verschiebt sich nur das Konzentrationsverhältnis zwischen 

Puffersäure und Pufferbase, was aber keine Auswirkung auf den pH-Wert hat. 

Anhand folgender Reaktionsgleichung kann man dies gut erkennen: 

Abbildung 17: Reaktionsgleichungen von Pufferlösungen 52 


51 http://science.orf.at/science/news/105777 (Stand: 31.3.09) und Abbildung 5: 

http://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/Nordbayern/YoungNetregional/Schuelerwettbewerb 


(Stand: 20.3.08) 

52 Abbildung 17: Elemente, Seite 68 

20


Puffer wirken aber nur für eine bestimmte Menge an zugefügter Säure beziehungsweise Base. 

Wenn man zu viel hinzufügt, ist die Pufferkapazität erschöpft und der pH-Wert ändert sich trotz 

der Pufferlösung. 

Besonders für den lebenden Organismus sind Puffersysteme besonders wichtig, da eine zu große 

Änderung des pH-Wertes aufgrund der Störung der enzymatischen Aktivität tödlich wäre. Der 

pH-Wert des Blutes wird durch die Systeme H2PO4 - /HPO4 2- und H2CO3/HCO3 - nahezu auf 

einem pH-Wert von 7,4 konstant gehalten. 

Der H2CO3/HCO3 - -Blutpuffer ist besonders wirksam, da es sich hier um ein offenes System 

handelt. H2CO3 ist kein stabiles Molekül; es zerfällt in Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die 

Puffersäure ist daher das gasförmige CO2, dessen Konzentration durch die Atmung geregelt 

wird. Bei diesem offenen System ist die pH-Wertänderung noch geringer als in einer „normalen“ 

Pufferlösung. 53 

Bei Laborversuchen mit der MFC wird der pH-Wert durch den Phosphatpuffer H2PO4 - /HPO4 2- 

auf etwa 7,2 gehalten, um den Mikroorganismus nicht zu schädigen. 

53 Vgl. Elemente, Seite 68 

21

5. Versuchsplanung 


Nach meinen ersten Versuchen mit der Zelle nach Bennetto und einer selbstgebauten im „Low- 

Cost-Verfahren“ 54 , begann ich, eine Versuchsserie zur Optimierung der Energieausbeute zu 

konzipieren, die auf die Möglichkeiten im Schullabor abgestimmt war. Ein wichtiges Ziel meiner 

Arbeit war es, einen Verbraucher mit geringem Strombedarf betreiben zu können. 

5.1. Messeinrichtung 

Zur Messung der Zell-Spannung, stand ein Spannungssensor der Fa. Vernier (Voltage Sensor 

-10V – +10V) zur Verfügung, der über das Messprogramm Logger Pro eine kontinuierliche 

Aufzeichnung der Werte ermöglichte. 

Die Stromstärke wurde punktuell mit einem Multimeter aus den Physik-Schülerversuchs-Kästen 

gemessen. 

5.2. Konstruktionen 

Die verschiedenen Konstruktionen sollten auf ihre Membran-Größe, die Größe der Kammern, 

die Beobachtungsmöglichkeiten und die Dichtheit überprüft werden, um herauszufinden, welche 

Zelle sich für die weiteren Versuche an der MFC gut eignet. 

Dabei untersuchte ich die folgenden drei Konstruktionsmöglichkeiten: 

• Die Plexiglas-Zelle von Bennetto 55 

• Die Filmdosen – Zelle mit Agar-Agar-Membran 56 

• Eine verklebte selbst entworfene Filmdosen-Zelle 57 


Schatz, Wolfgang, Chemie und Schule (Salzburg) 22 (2007), Nr. 4, Seite 24-25 

55 http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/materials/MICROBIOLOGY/PDF/bennetto.pdf 



57 Siehe Anhang, Protokoll 1 (Seite 39) 

22

5.3. Mikroorganismen 


Da aus der Literatur bekannt ist, dass jeder Mikroorganismen-Stamm eine andere Stoffwechselaktivität 

hat, wäre es interessant gewesen, die Versuche mit verschiedenen Mikroorganismen 

durchzuführen. 

Für meine Versuche verwendete ich jedoch ausschließlich Hefe, die im Supermarkt unter dem 

Namen Germ (z.B.: Fa. Dr.Oetker) erhältlich ist. 

5.4. Temperatur 

Wie man weiß, ändert sich die Stoffwechselaktivität mit der Temperatur. Somit sollte die 

Temperatur auch eine Auswirkung auf die Stromproduktion in der MFC haben. Da es im 

Schullabor keine Möglichkeiten zur Temperaturregulierung gibt, konnte ich die Auswirkung der 

Temperatur auf die MFC leider nicht untersuchen. 

Um die Ergebnisse miteinander vergleichen zu können, musste ich jedoch darauf achten, dass die 

Temperatur annähernd gleich blieb, zum Beispiel durch Beschattung der Fenster, um der 

Sonnenerwärmung vorzubeugen. 


Nachdem die Nafion-Membran, die zu Bennettos Zelle gehört, sehr teuer ist, wollte ich 

ausprobieren, ob eine natürliche Membran, wie die Haut einer Schweinsblase, die normalerweise 

für Osmose-Versuche in der Physik verwendet wird, genauso eingesetzt werden kann. Ebenso 

wollte ich ausprobieren, wie gut ein Agar-Agar-Gel bzw. eine Cellophan-Folie als Membran 

geeignet ist. 

5.6. Puffer 

Während in der Beschreibung der Agar-Agar-Zelle im Low-Cost-Verfahren nichts von einem 

Puffer an der Kathode erwähnt wird, puffert Bennetto die Kaliumhexacyanoferrat-Lösung sehr 

wohl. 

Aufgrund dieses Unterschiedes wollte ich ausprobieren, ob das System besser funktioniert, wenn 

der Plus-Pol gepuffert ist, oder, wenn er ungepuffert ist. 

23


5.7. Konzentrationen und Mengenverhältnisse 

Nachdem die ersten Versuche mit einer vorhandenen Methylenblau-Lösung von unbekannter 

Konzentration nicht sehr erfolgreich waren, testete ich die Konzentration nach Bennetto, mit der 

die Stromerzeugung gut funktionierte. 

Für die Mengenverhältnisse von Traubenzuckerlösung zu Hefe-Suspension zu Methylenblau- 

Lösung verwendete ich ausschließlich das Verhältnis 1:1:1. 

5.8. Lebensdauer und Langzeitmessungen 

Mit Hilfe des Programms Logger Pro stellte ich Kurzzeitmessungen bis zu 60 Minuten und 

Langzeitmessungen bis zu 24 Stunden an, um die Stabilität des Systems zu prüfen. 

Daraus konnte ich außerdem Schlüsse auf die Lebensdauer ziehen. 

5.9. Fütterungen 

Die Spannung brach am Ende meiner Langzeit-Betriebe ein. Daraufhin wollte ich herausfinden, 

ob sie durch Zufügen von Glucose wieder hergestellt werden kann. 

5.10. Verbraucher 

Ich wollte beobachten, was geschieht, wenn man einen Verbraucher an die Zelle anschließt. 

Weiters wollte ich versuchen, durch Serien- und Parallelschaltungen mehrerer Zellen eine 

ausreichende Spannung und Stromstärke zu erreichen, mit der ich einen Verbraucher, wie zum 

Beispiel einen Motor, ein Lämpchen oder eine Leuchtdiode, betreiben konnte. 

24


6. MFC in der Praxis: 

wichtigste Versuche und Ergebnisse 

6.1. Liste aller im Rahmen des MFC-Projektes 

durchgeführten Versuche 

Dies ist die Übersicht über die Protokolle aller durchgeführten Versuche. Die wichtigsten 

Versuche sind in diesem Kapitel kurz beschrieben, sämtliche Protokolle befinden sich im 

Anhang dieser Arbeit (siehe Seitenangabe). 

1. Erste Versuche................................................................................................................ Seite 37 

2. Anfertigung der Bauteile für die Plexiglas-MFC........................................................... Seite 39 

3. Zusammenbau der Plexiglas-MFC................................................................................. Seite 40 

4. Befüllung der MFC ........................................................................................................ Seite 42 

5. Membranvergleich ......................................................................................................... Seite 44 

6. Untersuchung der Mediator-Konzentration ................................................................... Seite 45 

7. 30-Minuten-Messung ..................................................................................................... Seite 45 

8. 60-Minuten-Messung ..................................................................................................... Seite 46 

9. 24-Stunden-Messung...................................................................................................... Seite 46 

10. 60-Minuten-Messung nach Fütterung ............................................................................ Seite 47 

11. Pufferung der Kathode ................................................................................................... Seite 48 

12. 22-Stunden-Messung einer Serienschaltung .................................................................. Seite 48 

13. 60-Minuten-Messung der Serienschaltung nach Fütterung ........................................... Seite 49 

14. Serienschaltungen........................................................................................................... Seite 50 

15. 30-Minuten-Messung der Serienschaltung mit LED ..................................................... Seite 51 

16. Serienschaltung von 5 Zellen + 4 Zellen parallel mit LED............................................ Seite 51 

17. 20-Stunden-Messung dieser Schaltung .......................................................................... Seite 52 

18. Durchmischen und Füttern............................................................................................. Seite 52 

19. Serienschaltung aller neun Zellen .................................................................................. Seite 52 

25

6.2. Konstruktionen 


Nach dem Aufbauen der Plexiglas-Zelle und dem Durchführen der ersten Experimente probierte 

ich die Zelle nach „Low-Cost“ aus und entwarf nach diesem Vorbild eine eigene Apparatur. Als 

Folge daraus hatte ich dann drei Konstruktionen zur Verfügung, von denen zwei aus Filmdosen 

und Heißkleber bestanden: 

Abbildung 18: Zelle nach Bennetto Abb. 19: Agar-Agar-Zelle nach „Low-Cost“ Abb. 20: Filmdosenzelle 

Die Filmdosen-Konstruktionen hatten aber einige Nachteile: 

• Aufgrund der runden Form der Filmdosen war die Membranfläche im Verhältnis zum 

Fassungsvolumen sehr klein. Durch diese kleine Membranfläche waren auch der 

Elektronentransport und somit die Ausbeute nicht so hoch. 

• Aufgrund der großen Kammern war der Flüssigkeitsverbrauch unnötig hoch. 

• Durch die Verklebung waren die Zelle nach „Low-Cost“ und die selbst konstruierte Filmdosen- 

Zelle unzerlegbar und dadurch schwer zu säubern. 

• Die Zellen waren nicht komplett dicht, was durch das Austreten der Flüssigkeiten an den 

Klebestellen bemerkbar wurde. Der Heißkleber dürfte für diese Anwendung nicht optimal 

geeignet sein. 

• Ich hatte nur schwarze und milchige Filmdosen zur Verfügung, was die Beobachtung 

erschwerte. 

Aus diesen Gründen setzte sich bei mir die Zelle nach Bennetto durch und ich baute dann auch 

acht Stück dieser Konstruktion nach. 

26



Bei den Versuchen am 5. März 08 mit der Agar-Agar-Zelle (Abb. 19) und am 14. mit der 

Serienschaltung von zwei MFCs mit der Haut einer Schweinsblase als Membran, zwei Zellen 

mit einer Cellophan-Folie als Membran und einer Zelle mit der Nafion-Membran (Abb. 21) 

konnte ich feststellen, dass die Diffusionsvorgänge bei den Zellen mit der Haut einer 

Schweinsblase als Membran und der Nafion-Membran am geringsten waren. Deshalb 

verwendete ich nach dieser Versuchsreihe ausschließlich diese beiden Membranmaterialien. 

6.4. Konzentrationen 

Abbildung 21: Serienschaltung der oben beschriebenen Zellen 

Die meisten Konzentrationen konnte ich aus den Angaben von Bennetto und der Beschreibung 

für die Zelle im Low-Cost-Verfahren übernehmen: 

Somit arbeitete ich mit folgenden Konzentrationen: 

• Kaliumhexacyanoferrat(III): 0,02 molar 

• Traubenzuckerlösung: 1 molar (= 9g auf 50 ml) 

• Hefe–Suspension: 25ml H2O + 25ml Puffer ph=7 + 3g Germ (Dr.Oetker) 

27


Über die Hefekonzentration schreibt Bennetto: „Die Menge an benötigten Mikroorganismen ist 

zirka 50mg Trockengewicht pro ml – die Suspension sollte eine trübe, milchig-weiße Farbe 

haben.“ 58 Dies würde 2,5g auf 50ml bedeuten, daher verwendete ich 3g Germ der Fa. Dr.Oetker. 

Nachdem die ersten Versuche mit einer vorhandenen Methylenblau-Lösung von unbekannter 

niedriger Konzentration nicht sehr erfolgreich waren, startete ich am 20. Juni 08 eine 

Versuchsreihe zur Untersuchung des Methylenblaus. Dabei kam ich zu folgenden Ergebnissen: 

• Wenn man Methylenblau hinzufügt, dann steigt die Spannung. 

• Die Spannung ist stark von der Methylenblau-Konzentration abhängig. 

• Eine gute Methylenblau-Konzentration ist 5 mmolar. 

6.5. Puffer 

Da Spannung und Stromstärke der Zelle, die nach dem Low-Cost-Verfahren befüllt war, also mit 

nicht gepufferter Kathode, beim Anhängen eines Verbrauchers oft zusammengebrochen sind, 

versuchte ich, den Plus-Pol zu puffern, wie es Bennetto beschreibt. 

Damit die 0,02 molare Konzentration der Kaliumhexacyanoferrat-Lösung etwa gleich blieb, 

fügte ich den Phosphatpuffer (ph=7) in Form von 1g Puffersalzen (H2PO4 - /HPO4 2- ) zur Lösung 

hinzu. 

Erfreulicherweise stabilisierte dies die Zelle sehr. 

Hier lässt sich folgende Vermutung anstellen: Durch die Pufferung beider Kammern ist die 

Migration der Protonen bzw. der Hydroniumionen nicht mehr von Bedeutung, da ihre 

Konzentration (der pH-Wert) auf beiden Seiten konstant bleibt. Die semipermeable Membran 

dient vermutlich nur mehr der Trennung von Kathode und Anode. Dies könnte auch begründen, 

warum die beiden völlig unterschiedlichen Membranmaterialien Nafion und Schweinsblase 

gleichermaßen eingesetzt werden können. 


28

6.6. Lebensdauer 


6.6.1. Kurzzeitmessungen bis 60 Minuten 

Über eine Dauer von 30-60 Minuten blieb sowohl die Spannung einer einzelnen Zelle als auch 

die Spannung einer Serienschaltung von fünf Zellen mit Verbraucher konstant. 

Abbildung 22: 60-min-Messung einer einzelnen Zelle 

Abbildung 23: 30-min-Messung einer Serienschaltung von 5 Zellen mit Verbraucher 

6.6.2. Langzeitmessungen bis 24 Stunden 

Bei einer Langzeitmessung von 20-24 Stunden konnte ich sowohl bei einer einzelnen Zelle als 

auch bei der Serienschaltung von vier Zellen ohne Verbraucher feststellen, dass die 

Ausgangsspannung für ca. fünf Stunden aufrechterhalten wurde. In den folgenden 15 Stunden 

sank die Spannung dann langsam kontinuierlich ab. Erst nach 20 Stunden wurde ein Punkt 

erreicht, an dem die Spannung innerhalb relativ kurzer Zeit stark abnahm. 

29


Abbildung 24: 24-Stunden-Messung einer einzelnen Zelle 

Abbildung 25: 22-Stunden-Messung einer Serienschaltung von 4 Zellen ohne Verbraucher 

nach 80 min kam es zu einer Störung 

Bei der Serienschaltung von fünf Zellen mit einer leuchtenden LED als Verbraucher begann die 

Spannung von Anfang an kontinuierlich zu sinken, dafür sank sie aber insgesamt nicht ganz so 

stark. Nach der 20. Stunde war die LED schon ausgegangen. 

Abbildung 26: 20-Stunden-Messung einer Serienschaltung von 5 Zellen mit 4 parallel geschalteten Zellen 

und einer Low Current LED als Verbraucher 

30

6.7. Fütterung 


Bei der einzelnen Zelle schien die Fütterung nach der 24-Stunden-Messung zu helfen, die 

endgültig erreichte Spannung lag jedoch nur bei 0,25V, dem Punkt, ab dem nach 20 Stunden die 

Spannung rasch fast auf Null abgesunken ist. 

Abbildung 27 60-min-Messung einer einzelnen Zelle nach der Fütterung 

Bei der Serienschaltung sieht man jedoch, dass die Fütterung nicht viel geholfen hat: Nach dem 

Durchmischen (� Spannungseinbruch) stieg die Spannung kurz, sank dann aber wieder fast auf 

den Ausgangswert zurück. 

Abbildung 28: 60-min-Messung der Serienschaltung von 4 Zellen nach der Fütterung 

Die Fütterung mit Glucose steigerte die Spannung nur geringfügig. Daraus lässt sich vermuten, 

dass der Glucosemangel für den raschen Spannungsabfall zum Schluss verantwortlich war. Für 

den Spannungsabfall zuvor musste es jedoch andere Gründe geben, wie etwa, dass sich die 

Lösungen der beiden Pole durch Diffusionsprozesse etwas vermischt haben, oder, dass der 

Puffer aufgebraucht ist. 

31

6.8. Verbraucher 


Beim ersten Versuch am 23. Juni 08, einen kleinen Motor als Verbraucher an eine Parallelschaltung 

von zwei Serienschaltungen mit jeweils zwei Zellen anzuschließen, sanken Spannung 

und Stromstärke sofort auf Null. Eine mögliche Ursache könnte der fehlende Puffer am Plus-Pol 

gewesen sein. 

Beim zweiten Versuch am 25. Juni 08 waren die Kathoden gepuffert. Somit blieb die Spannung 

der Serienschaltung von 1,3V konstant. Der Verbraucher, ein Lämpchen mit 1V; 0,1A leuchtete 

aber trotzdem nicht. Die Mindeststromstärke von 0,1A dieses Verbrauchers war einfach zu hoch. 

Daher suchte ich nach einem Verbraucher mit noch geringerem Kennwert und kaufte einige Low 

Current LEDs, die mit 1,6-2V und 2mA zu betreiben sind. 

Am 30. Juni 09 bereitete ich die Zellen wie folgt für den Betrieb mit diesen LEDs vor: 

Inhalt Konzentration Menge 

Pluspol: Kaliumhexacyanoferrat 0,02 molar + Puffer (pH=7) 12ml 

Membran: Schweinsblase 

Traubenzuckerlösung 1 molar (9g auf 50ml) 4ml 

Minuspol: Hefe-Suspension 

5ml H2O + 25ml Puffer ph=7 

+ 3g Germ 

4ml 

Methylenblau 5 mmolar (0,16g auf 100ml) 4ml 

Zuerst baute ich fünf Zellen mit der Haut einer Schweinsblase als Membran zusammen, befüllte 

sie wie beschrieben und schaltete sie dann in Serie. 

Zelle Membran Spannung Stromstärke 

1 Haut einer Schweinsblase 0,37V nicht gemessen 





1-5 Serienschaltung 1,813V 2,2mA 

Abbildung 29: Foto der Serienschaltung von 5 Zellen mit leuchtender LED als Verbraucher 

32


Sobald die Leuchtdiode angesteckt wurde, sank die Spannung auf ~1,6V und blieb konstant. Die 

LED leuchtete schwach, dies konnte man jedoch nur bei absoluter Dunkelheit sehen. 

Abbildung 30: Foto der leuchtenden LED des Abbildung 31: Foto der leuchtenden LED des 

ersten Versuches bei Verdunklung und 

Beleuchtung durch eine Taschenlampe 

zweiten Versuches ohne Verdunklung 

Um die Leuchtkraft zu steigern, war es notwendig, die Stromstärke zu erhöhen. Deshalb baute 

ich dann auch noch die übrigen vier Zellen zusammen und schloss sie einzeln zu je einer Zelle 

der Serienschaltung parallel an. Die sah dann folgendermaßen aus: 

Abbildung 32: Foto der Serienschaltung von 5 Zellen mit 4 parallel geschalteten Zellen 

und leuchtender LED als Verbraucher 

Nun leuchtete die LED so hell, dass man das Licht auch ohne abzudunkeln erkennen konnte. 

33


7. Zusammenfassung 

In der nachfolgenden Tabelle sind die wichtigsten Ergebnisse meiner Versuche nochmals kurz 

zusammengestellt. 

Nummer Optimierungsziel Bemerkung Spannung Ergebnis 

1 Konstruktion 

5 Membran 

6, 7 

Mediator- 

Konzentration 

11 Puffer 

8, 9, 

12, 17 

Lebensdauer 

10, 13 Fütterung 

große Membranfäche 

zerlegbar, reinigbar 

durchsichtig => gute 

Beobachtung 

möglich 

Nafion/Blase 

Cellophan 

Agar-Agar 

niedrig (unbekannt) 

hoch (5mmolar) 

Kathode ungepuffert 

Kathode gepuffert 

ersten 5 Stunden 

5.-20. Stunde 

nach 20. Stunde 

steigert Spannung 

nur geringfügig 

0,4V 

0,45V 

0,30V 

0,42V 

labil 

stabil 

labil 

stabil 

hoch 

sinkt 

fast 0 

Anstieg = 

geringfügig 

11, 14-19 Verbraucher bei Belastung konstant 

Die Konstruktion der 

Plexiglaszelle nach 

Bennetto eignet sich 

besser als die selbst 

kreierten Filmdosen- 

Zellen. 

Die Haut einer 

Schweinsblase und die 

Nafion-Membran eignen 

sich gut für die 

MFC. 

Die Mediator-Konzentration 

ist wichtig für 

die Spannung. 

Die Pufferung ist nicht 

nur für die Mikroben 

an der Anode, sondern 

auch für die Stabilität 

der Kathode wichtig. 

Die maximale Stromerzeugungsdauer 

liegt 

bei zirka 20 Stunden. 

Der Glucosemangel 

scheint den Spannungsabfall 

nach der 20. 

Stunde zu verursachen. 

Der Verbraucher darf 

nur einen minimalen 

Verbrauch haben, 

maximal 2mA. 

34


Nach all meinen Versuchen kam ich zu dem Schluss, dass Spannung und Stromstärke der MFC 

von folgenden Aspekten abhängig sind: 

• Konstruktion 

• Membran 

• Konzentrationen der Substanzen 

• pH-Wert 

• Verbraucher 

Als beste Konstruktion zur Erforschung erwies sich für mich die Plexiglas-Zelle, da sie eine sehr 

große Membranfläche zur Verfügung stellt, wenn man bedenkt, dass man nur wenig Flüssigkeit 

benötigt, um die Kammern zu füllen. Außerdem ist sie durchsichtig, was eine gute Beobachtung 

ermöglicht, und sie ist sowohl dicht als auch zerlegbar und somit einfach zu reinigen. 

Bei der Membran habe ich von Anfang an vermutet, dass die technisch hergestellte Nafion- 

Membran die beste sein würde, da diese speziell entwickelt wurde, um genau die nötigen 

Eigenschaften zu erfüllen. Deshalb war ich erstaunt festzustellen, dass die Haut einer 

Schweinsblase ebenso gut funktionierte. 

Neben den von Bennetto vorgegebenen Konzentrationen der Kaliumhexacyanoferrat-Lösung 

(0,02molar), der Traubenzuckerlösung (1molar) und der Hefe-Suspension erwies sich bei mir die 

Methylenblau-Konzentration von 5mmolar als gut geeignet. 

Die Pufferung ist nicht nur für die Mikroben an der Anode wichtig, sondern trägt auch zur 

Stabilität der Kathode bei. 

Für die Anwendung in der Praxis ist es besonders wichtig zu wissen, wie sich die Zelle verhält, 

wenn man einen Verbraucher anschließt. Deshalb waren diese Experimente für mich besonders 

interessant. Leider musste ich feststellen, dass die Kapazität des Systems, so wie ich es aufgebaut 

hatte, nur so groß war, dass ich ausschließlich einen Kleinstverbraucher, also eine LED mit 

2mA, betreiben konnte. Für die Praxisanwendung ist dieser Aufbau also noch nicht geeignet. 

Ein erfreuliches Ergebnis war die lange Lebensdauer von etwa 20 Stunden. Eine Fütterung mit 

Glucose hatte jedoch nur eine geringfügige Auswirkung. 

35

8. Schlusswort 


Bei der Arbeit an diesem Projekt habe ich nicht nur gelernt, wie man ein Thema wissenschaftlich 

behandelt und eine Arbeit verfasst, sondern sie bot mir auch die Gelegenheit, viele interessante 

Experimente durchzuführen und etliche spannende Stunden der Forschung zu verbringen. 

Dadurch konnte ich ein wenig in den Ablauf der chemischen Forschung hineinschnuppern, was 

in mir den Wunsch erweckt hat, nach der Matura ein Chemie-Studium zu absolvieren. 

Weiters war es sehr interessant, bei der Erforschung eines so aktuellen Fachgebietes dabei zu 

sein, und es gibt noch viele Versuche, die ich nicht durchführen konnte, die ich aber noch gerne 

realisiert hätte. 

Etwas traurig bin ich darüber, dass die Stromstärke meiner Zellen nie hoch genug war, um einen 

kleinen Elektromotor (1V; 0,1A) zu betreiben. 

Mich fasziniert es auch, welche Ideen für den Einsatz der Mikrobiellen Brennstoffzelle die 

Forscher auf der ganzen Welt haben, und ich freue mich schon darauf, in ein paar Jahren zu 

erfahren, welche der heutigen Prototypen ihre Praxistauglichkeit beweisen und im Alltag 

Verwendung finden. 

Ich würde mich freuen, wenn es mir mit dieser Arbeit gelungen wäre, nicht nur mich selbst 

weiterzubilden und die Mikrobielle Brennstoffzelle, ihre Funktion und Anwendungsmöglichkeit 

verständlich zu erklären, sondern auch den einen oder anderen ebenfalls für dieses Thema zu 

begeistern. 

Herzlich bedanken möchte ich mich bei meiner Betreuerin, Mag. Dr. Maria Hafner-Trittinger, 

die mir bei der Arbeit jederzeit mit Rat und Tat zur Seite gestanden ist und mir über manche 

Hürde geholfen hat. 

36

9. Anhang 


Protokoll 1: Erste Versuche, am 5.3.08 

Zelle nach Bennetto mit Nafion-Membran 

Die Teile der Originalzelle baute ich wie von Bennetto beschrieben 59 zusammen und befüllte sie 

folgendermaßen: 

Inhalt Konzentration Menge Spannung 

Pluspol: Kaliumhexacyanoferrat 0,02 molar ungepuffert 12ml 

Membran: Nafion 

Minuspol: 

Traubenzuckerlösung 

Hefe-Suspension 

1 molar (9g auf 50ml) 

25ml H2O + 25ml Puffer pH=7 

+ 3g Germ 

5ml 

5ml 

0,4-0,45V 

Methylenblau unbekannt (niedrig) 2ml 

Zelle nach Bennetto mit Schweinsblasen-Membran 



Membran: Haut einer Schweinsblase 






+ 3g Germ 

5ml 

5ml 

0,4-0,45V 


Selbstgebaute Zell mit Cellophanfolien-Membran 

In zwei Filmdosen (eckige Behälter würden sich besser eignen) schnitt ich auf gleicher Höhe je 

einen schmalen langen Schlitz und dichtete diesen dann jeweils mit einem Stück Cellophanfolie 

mit Hilfe von Heißkleber ab. Nach dem Überprüfen der Dichtheit klebte ich die beiden Behälter 

so zusammen, dass die beiden Spalten genau gegenüber lagen. 

Danach wurden die beiden Kammern befüllt: 



Membran: Cellophanfolie 






+ 3g Germ 

8ml 

8ml 

0,4-0,45V 



37


Agar-Agar-Zelle nach Low-Cost 

Die Apparatur baute ich wie beschrieben 60 durch Verbinden zweier Filmdosen mit einem 

Schlauch und Abdichten mit Heißkleber auf. (Siehe Abbildung 34) 

Danach brachte ich eine Agar-Agar-Lösung zum Kochen und goss sie in die Filmdosen- 

Vorrichtung. Sobald die Lösung erkaltet und geliert war, entfernte ich das nicht benötigte Gel 

aus den beiden Filmdosen, sodass nur noch die Schlauchverbindung gefüllt war. 

Dann befüllte ich die beiden Kammern und befestigte die Karbonfaserelektroden mit Krokodilklemmen 

am Rand der Dose. 









+ 3g Germ 

8ml 

8ml 

0,4-0,45V 


Abbildung 33: Zelle nach Bennetto Abbildung 34: Agar-Agar-Zelle nach Low-Cost Abbildung 35: Filmdosenzelle (fix) 

Serienschaltung der drei Zellen 

Zelle Membran Spannung 

1 Haut einer Schweinsblase 0,42V 

2 Agar-Agar-Gele 0,40V 

3 Cellophanfolie 0,38V 

1-3 Serienschaltung 1,20V 

1-3 Serienschaltung nach 5 min 0,58V 



38


Protokoll 2: Anfertigung der Bauteile für die 

Plexiglas-MFC, am 13.3.08 

Für die Herstellung der Deckplatten fertigte ich zwei 

ca. 3mm dicke, durchsichtige Plexiglasscheiben mit 

einer Laubsäge in den Maßen 7 x 6 cm an und schliff 

die Kanten ab. Damit man sich nicht an den Ecken 

verletzt, rundete ich diese ab und bohrte danach mit 

einem Bohrer der Stärke 5 5mm von allen Rändern 

entfernt vier Löcher. 

Für die beiden Kammern, im weiteren als Kammerteile 

bezeichnet, schnitt ich ca. 1cm dicke Plexiglasplatten 

ebenfalls mit einer Laubsäge in den Maßen 

6 x 5 cm zu und flachte die Ecken ca. 5mm ab. 

Danach bohrte ich zuerst mit einem Bohrer der Stärke 

3,5 zwei ca. 1cm tiefe Löcher, die später zur 

Befüllung dienten, in eine der schmalen Oberseiten, 

und erweiterte die Öffnungen danach mit einem 

Bohrer der Stärke 5. 

Abbildung 36: fertige Deckplatte 

Abbildung 37: Kammer außen zugeschnitten 

Abbildungen 38+39: Löcher in Kammer bohren 

Die nächsten Schritte waren das Einzeichnen eines Rechteckes mit 5mm Abstand vom Rand und 

das Bohren eines kleinen Loches in der Mitte zum Einspannen des Sägeblattes. Dann schnitt ich 

das Rechteck entlang der Linien mit einer elektrischen Laubsäge heraus. 

Abbildung 40-43: Aussägen des Innenteiles der Kammer 

39


Zum Abschluss schliff ich noch die Schnittstellen an der Innenseite ab und entfernte die Schutzfolie. 

Abbildung 44: Schleifen Abbildung 45: Schutzfolie entfernen 

Für die Dichtungen verwendete ich an Stelle von Gummi alte dünne Mousepads, die ich mit 

einem Stanleymesser in der Größe und Form der Kammern zuschnitt. 

Protokoll 3: Zusammenbau der MFC, am 13.3.08 

Materialliste: 

• 2 dünne, passend zugeschnittene, Plexiglasscheiben mit 4 Löchern 

• 2 Kammerteile 

• 4 Dichtungen aus Gummi oder Mousepads 

• 2 Karbonfaserelektroden 

• 1 Semipermeable Membran 

• 4 Schrauben 

• 4 Schraubenmuttern 

• eventuell 4 Beilagscheiben 

40


Die Zelle wird in folgender Reihenfolge aufgebaut: 

1. Deckplatte 

2. Elektrode 

3. Dichtung 

Achtung: 

Elektrode unten bei der 

Dichtung einklemmen! 

4. Kammerteil 

5. Dichtung 

Achtung: 

Löcher müssen 

oben sein! 

6. Membran 

7. Dichtung 

Achtung: 

Membran befeuchten! 

8. Kammerteil 

Achtung: 

Löcher müssen 

oben sein! 

9. Dichtung 

10. Elektrode 

Achtung: 

Elektrode unten bei der 

Dichtung einklemmen! 

11. Deckplatte + Schrauben 

12. Beilagscheiben + Muttern 

13. Festschrauben 

Abbildungen 46-51: Zusammenbau 

41


Protokoll 4: Befüllung der MFC, am 14.3.08 

Materialliste: 

(K3[Fe 3+ • Kaliumhexacyanoferrat (III)-Lösung (CN)6]) 

• Pufferlösung (ph=7) 

• Germ (z.B.: Fa Dr. Oetker) 

• Traubenzucker 

• entionisiertes Wasser 

• Methylenblau 

• 2 Einwegspritzen 12ml 

• 3 Einwegspritzen 5ml 

• 2 große Schalen 

• 2 kleine Schalen 

• 1 Becherglas 

• 2 Messgläser 

• 2 Messkolben 100ml 

• 1 Spatellöfferl 

• eine genaue Waage 

Abbildung 54: Übersicht über alle hergerichteten Utensilien 

Abbildung 52: Materialien für den Plus-Pol 

Abbildung 53: Materialien für den Minus-Pol 

42


Für die Anoden-Seite stellte ich drei Lösungen her: 

Lösung 1 bestand aus 3g Trockengerm in einem Gemisch aus 25ml Pufferlösung (pH=7) und 

25ml entionisiertem Wasser. 

Für Lösung 2 musste ich 9g Traubenzucker in 50ml entionisiertem Wasser auflösen um eine 

einmolare Lösung zu erhalten. 

Lösung 3 war eine 5 mmolare Mediator-Lösung. Diese erhielt ich durch Auflösen von 0,16g 

Methylenblau in 100ml entionisiertem Wasser. 

Diese drei Lösungen mischte ich im Verhältnis 1:1:1 und füllte davon dann 12ml mit einer 

Einwegspritze in die Minus-Pol-Seite der Mikrobiellen Brennstoffzelle. 

Abbildungen 55 + 56: Befüllung der Anodenkammer 

Für die Kathoden-Seite brauchte ich eine 0,02 molare Kaliumhexacyanoferrat (III)-Lösung 

(rotes Blutlaugensalz K3[Fe 3+ (CN)6]) 

Davon nahm ich ebenfalls 12ml und füllt sie mit einer Einwegspritze in die Plus-Pol-Seite der 

MFC. 

Abbildungen 57-59: Befüllung der Anodenkammer 

43


Protokoll 5: Membranvergleich, am 14.3.08 

Für den Membranvergleich befüllte ich 5 Zellen wie folgt und schaltete sie in Serie: 

Inhalt Konzentration Menge 


Membran: Schweinsblase / Nafion / Cellophan 




+ 3g Germ 

4ml 


Zelle Membran Spannung Bemerkung 

1 Nafion 0,45V keine Diffusion 

2+3 Haut einer Schweinsblase 0,45V geringe Diffusion 

4+5 Cellophanfolie 0,30V geringe Diffusion 

1-5 Serienschaltung 1,20V 

1-5 Serienschaltung nach 1 min 0,50V 

Abbildung 60: die oben beschriebene Serienschaltung 

Betrieb eines 1V, 0,1A 

Lämpchens nicht möglich 

44


Protokoll 6: Untersuchung der Mediator-Konzentration, 

am 20.6.08 







+ 3g Germ 

4ml 


0,2V (nach 

Messpause 

kurz 0,4V) 

Nach dem Hinzufügen von 1ml stark konzentrierter Methylenblau-Lösung und Durchmischen 

der Anodenlösung, damit sich das Methylenblau gleichmäßig verteilt, stieg die Spannung kurz 

auf 0,366V und blieb dann konstant auf 0,35V. 

Weiters konnte ich beobachten, dass das Methylenblau fast vollständig in den farblosen Zustand 

über ging, und, dass die Spannung stieg, wenn ich Methylenblau hinzufügte. 

Daraus schloss ich, dass die Spannung stark von der Methylenblau-Konzentration abhängig ist. 

Protokoll 7: 30-Minuten-Messung, am 20.6.08 

Nachdem ich den Minuspol derselben Zelle neu befüllt hatte, wobei ich diesmal 4ml einer 

5 mmolaren Methylenblau-Lösung verwendete, startete ich eine 30-Minuten-Messung: 

Abbildung 61: 30-min-Messung der beschriebenen Zelle 

Anhand dieses Diagramms konnte ich feststellen, dass sich die Methylenblau-Konzentration von 

5 mmol/l gut eignete. 

45


Protokoll 8: 60-Minuten-Messung, am 20.6.08 

Nach dem Ende der 30-Minuten-Messung startete ich sofort eine 60-Minuten-Messung, ohne 

irgendetwas an der Zelle zu ändern. 

Ich konnte beobachten, dass die Farb-Intensität des Methylenblaus am Ende der Messung 

deutlich nachgelassen hatte, was bewies, dass der Mediator großteils in den farblosen Zustand 

übergegangen war. Außerdem zeigte mir das Diagramm,durch die konstante Spannung, dass die 

Zelle stabil war. 

Abbildung 62: 60-min-Messung der beschriebenen Zelle 

Protokoll 9: 24-Stunden-Messung, am 20.6.08 

Im Anschluss an die oben angeführte 60-Minuten-Messung führte ich vom 20.6. 14 Uhr bis 21.6. 

14 Uhr eine 24-Stunden-Messung derselben Zelle durch, ohne irgendetwas zu verändern. 

Abbildung 63: 24-Stunden-Messung der beschriebenen Zelle 

Nach dem Ende der Messung betrug die Spannung um 15:00 0,15V, die Lösungen waren etwas 

vermischt und das Methylenblau war wieder in den blauen Zustand übergegangen. 

46


Protokoll 10: 60-Minuten-Messung nach Fütterung, 

am 20.6.08 

Nach Beendigung der 24-Stunden-Messung fügte ich 1ml Glucoselösung zur Anode hinzu und 

führte von 15:15 bis 16:15 eine 60-Minuten-Messung durch, um festzustellen, wie die Zelle auf 

die Fütterung reagierte. 

Abbildung 64: 60-min-Messung der beschriebenen Zelle nach der Fütterung 

Obwohl die Spannung aufgrund der Fütterung sichtlich wieder anstieg, half die Zugabe von 

Glucose nicht viel, da die endgültig erreichte Spannung um 16:45 lediglich bei 0,24V lag. Dies 

entsprach dem Punkt, ab dem die Spannung bei der 24-Stunden-Messung rasch zu sinken 

begonnen hatte. 

Protokoll 11: Pufferung der Kathode, am 25.6.08 

Bei dem Versuch, ob die Zellen stabiler sind, wenn man den Pluspol puffert, wie es Bennetto 

beschreibt, fügte ich zur Kaliumhexacyanoferrat-Lösung 1g Puffersalze pH=7 hinzu und befüllte 

vier Zellen wie folgt. 

Zellen Nr. Inhalt Konzentration Menge 


Membran: Haut einer Schweinsblase / Nafion 

1-4 






+ 3g Germ 

4ml 

4ml 


47


Zelle Membran Verbraucher Spannung Stromstärke 

1 Nafion ohne 0,35V 0,30mA 

2 Haut einer Schweinsblase ohne 0,38V 0,45mA 



1-4 Serienschaltung ohne 1,50V 

1-4 Serienschaltung nach 5 min ohne 1,30V 

1-4 Serienschaltung Lämpchen (1V; 0,1A) 0,35V 0,80mA 

Dank der Pufferung war es mir möglich, ein Lämpchen anzuschließen, ohne, dass die Spannung 

komplett einbrach, was bewies, dass die Pufferung die Zelle stabilisierte. 

Protokoll 12: 22-Stunden-Messung einer Serienschaltung, 

am 25.6.08 

Nach den oben angeführten Messungen führte ich mit denselben Zellen vom 25.6. 11:00 bis 

26.6. 8:40 eine 22-Stunden-Messung durch, ohne etwas zu verändern: 

Abbildung 65: 22-Stunden-Messung einer Serienschaltung von 4 Zellen ohne Verbraucher; 

nach 80 min kam es zu einer Störung 

48


Protokoll 13: 60-Minuten-Messung der Serienschaltung 

nach Fütterung, am 26.6.08 

Die Zellen des Vorigen Versuches lieferten nach der Fütterung mit jeweils 2ml 1 molarer 

Traubenzuckerlösung (10ml H2O + 1,8 g C6H12O6) alleine ohne Verbraucher folgende Einzel- 

Messdaten. 


1 Nafion 0,30V 0,35mA 

2 Haut einer Schweinsblase 0,31V 0,50mA 



Daraufhin führte ich von 9:00 bis 10:00 eine 60-Minuten-Messung durch, um die Auswirkung 

der Fütterung zu beobachten. 

Abbildung 66: 60-min-Messung der Serienschaltung von 4 Zellen nach der Fütterung 

Da die Lösung nur oben hinzugefügt wurde, habe ich nach acht Minuten alle Lösungen nochmals 

kräftig umgerührt. Dadurch kam es zu einem Spannungseinbruch, danach stieg die Spannung 

jedoch über ihren Ausgangswert hinaus. 

49


Protokoll 14: Serienschaltungen, am 30.6.09 

Zellen Nr. Inhalt Konzentration Menge 


Membran: Haut einer Schweinsblase / Nafion 

1-4 





25ml H2O + 25ml Puffer ph=7 

+ 3g Trockengerm 

4ml 

4ml 


Nach der Befüllung der Zellen Nr. 1-4 maß ich ohne Verbraucher folgende Einzeldaten: 


1 Nafion 0,37V 





Die Spannung der Serienschaltung der vier Zellen des vorigen Versuches war zu gering, um die 

Low Current LED, die mit 1,6-2V und 2mA zu betreiben ist, zum Leuchten zu bringen. Deshalb 

baute ich noch eine fünfte Zelle zusammen, befüllte sie genauso wie die Zellen Nr. 1-4 und 

schaltete sie in Serie dazu. 


1 Nafion 0,37V 






Mit der Serienschaltung dieser fünf Zellen war 

die Spannung endlich so hoch, dass die Low 

Current LED zumindest so schwach leuchtete, 

dass das Licht bei Verdunkelung zu sehen war. 

Sobald die Leuchtdiode angesteckt war, sank 

die Spannung auf ~ 1,6V und blieb konstant. 

Abbildungen 67+68: Die Low Current LED leuchtet durch die Serienschaltung von 5 MFCs 

50


Protokoll 15: 30-Minuten-Messung der Serienschaltung 

mit LED, am 30.6.09 

Bei der 30-Minuten-Messung des oben beschriebenen unveränderten Aufbaus ist kaum eine 

Spannungsänderung zu bemerken 

Abbildung 69: 30-min-Messung der Serienschaltung von 5 Zellen mit LED 

Protokoll 16: Serienschaltung von 5 Zellen 

+ 4 Zellen parallel mit LED, am 30.6.09 

Nachdem ich für den folgenden Versuch zusätzlich zu den acht nachgebauten Zellen die 

Originalzelle aufgebaut hatte, standen mir neun MFCs für meine Schaltung zur Verfügung 

Durch die zusätzliche Parallelschaltung von weiteren vier Zellen war es möglich die Stromstärke 

so stark zu erhöhen, dass man das Leuchten der LED sogar ohne Verdunklung sehen konnte. 

Abbildung 70: Schematische Darstellung der Schaltung: 5 MFCs Abbildungen 71: Die LED leuchtet! 

in Serie mit 4 weiteren parallel geschaltet. 

51


Protokoll 17: 20-Stunden-Messung dieser 

Schaltung, am 30.6.09 

Im Anschluss an den vorhergehenden Versuch führte ich vom 30.6. 12:00 bis zum 1.7. 8:00 eine 

20-Stunden-Messung der zuvor beschriebenen Schaltung von neun Zellen durch: 

Abbildung 72: 20-Stunden-Messung der Serienschaltung von 5 Zellen mit 4 parallel geschalteten Zellen 

und einer Low Current LED als Verbraucher 

Um 9:00 am nächsten Tag, also nach 21 Stunden, war die LED bereits erloschen, da die 

Spannung mittlerweile auf 1,289V abgefallen war. 

Protokoll 18: Durchmischen und Füttern, am 1.7.09 

Mit Durchmischen der Kathoden-Lösungen konnte ich die Spannung wieder auf 1,369V 

steigern. Dies reichte jedoch nicht aus, um die LED erneut zum Leuchten zu bringen. 

Die Fütterung der Zellen hatte auch wenig Auswirkung. 

Protokoll 19: Serienschaltung aller neun Zellen, am 1.7.09 

Durch die Serienschaltung aller neun Zellen des vorigen Versuches erreichte ich nochmals eine 

Spannung von 1,606V, was sehr wohl ausreichte um die LED erneut wie in Versuch 14 schwach 

zum Leuchten zu bringen. Daraus lässt sich schließen, dass die Stromstärke nach 21 Stunden 

Betrieb noch etwa gleich geblieben war, während die Spannung abgefallen ist. 

52

10. Quellenangaben 


o Elemente: Schulbuch-11. Schuljahr (978-3-209-04924-7) Verlag: öbv/hpt Pädagogischer 

Verlag 

Autoren: Magyar, Roderich; Liebhart, Wolfgang; Jelinek, Gabriela 

o Moleküle: Schulbuch-12. Schuljahr (978-3-209-05285-8) Verlag: öbv/hpt Pädagogischer 

Verlag 

Autoren: Magyar, Roderich; Liebhart, Wolfgang; Jelinek, Gabriela 

o Biologie 1: Schulbuch-9. Schulstufe (3-7055-0357-X) Verlag: E.Dorner 

Autoren: Hofer, Hans; Miram, Wolfgang; Scharf, Karl-Heinz u.a. 

o Biolology: Schulbuch 9-12. Schulstufe (0-521-45618-5) Verlag: Cambridge University Press 

Autoren: Jones, Mary; Jones, Geoff; 

o „Bau einer bionischen Brennstoffzelle im Low-Cost-Verfahren“ 


o Anleitung und Beschreibung für die MFC: Electricity generation by microogranisms 

H.P. Bennetto Department of Chemistry, King’s College (Kensington Campus), Camped Kill 

Road, London W8 7AH, UK. 

• http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/materials/MICROBIOLOGY/PDF/bennetto.pdf 

(Stand: 20.3.08) 

o “Challenges and Constraints of Using Oxygen Cathodes in Microbial Fuel Cells“ 

Zhao, F.; Harnisch, F.; Schröder, U.*; Scholz, F.; Bogdanoff, P.; Herrmann, I. 

Environ. Sci. Technol. 2006, 40, (17), 5191-5199 

• http://www.chemie.uni-greifswald.de/~analytik/Pdf%20MFC/2006_EnvSciTechnol_ 

Cathode.pdf (Stand 29.12.09) 

53


11. Abbildungsverzeichnis 

Abbildung 1 selbst fotografiert Seite 5 

Abbildung 2 Experimentieranleitung Kosmos Brennstoffzelle 

Franckh-Kosmos Verlag-GmbH & Co., Stuttgart/2000 

Seite 6 

Abbildung 3 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/a/a2/ 

Brennstoffzelle_funktionsprinzip.png (Stand: 16.11.07) 

Seite 7 

Abbildung 4 http://science.orf.at/science/news/105777 (Stand: 31.3.09) Seite 10 

Abbildung 5 http://www.vde.com/de/Regionalorganisation/Bezirksvereine/ 

Nordbayern/YoungNetregional/Schuelerwettbewerbe/ 

Schuelerforum/8%20Schuelerforum/Documents/MCMS/ 

Seite 10 

702Christopher HaasStromerzeugungmitBakterien.pdf (Stand: 20.3.08) 

Abbildung 6 aus Grafik 3 aus Bennettos Anleitung für die MFC 

http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/materials/ 

MICROBIOLOGY/PDF/bennetto.pdf (Stand: 20.3.08) 

Seite 11 

Abbildung 7 Moleküle, Seite 128 Seite 13 



Abbildung 10 http://www.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/ 

wochenschau45b.html (Stand: 20.3.08) 

Seite 15 

Abbildung 11 http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Methylenblau_Redox.png 

(Stand: 29.12.09) 

Seite 15 

Abbildung 12 http://www.aktuelle-wochenschau.de/2006/woche45b/ 

wochenschau45b.html (Stand: 20.3.08) 

Seite 16 


Abbildung 14 http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/ 

mac/netzwerke/vernetzung/nafion.gif (Stand: 29.12.09) 

Seite 18 

Abbildung 15 http://gruberscript.net/Zellstoffscript/07Cellulose.pdf (Stand: 29.12.09) Seite 18 

Abbildung 16 http://www.sn.schule.de/~biologie/lernen/zellbio/membran.html 

(Stand: 30.12.09) 

Seite 19 

Abbildung 17 Elemente, Seite 68 Seite 20 









54









Anhang: 

Abbildung 34-72 selbst fotografiert Seite 37-52 

55

Die Mikrobielle Brennstoffzelle in Theorie und Praxis

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