氫氧燃料電池演示儀的開發與使用

摘要：針對普通高中課程標準實驗教科書氫氧燃料電池實驗在演示中存在的問題，開發出可以從多角度演示氫氧燃料電池工作的氫氧燃料電池演示儀。

關鍵詞：氫氧燃料電池；演示實驗

文章編號：1005－6629(2010)11－0007－02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

通過實驗引導學生認識和理解氫氧燃料電池的構造、原理和發展（如圖1），這是普通高中課程標準實驗教科書（蘇教版）—化學（必修2，第二版，P 39）的一大特色與創新。但是學生針對這套裝置提出兩點疑問：（1）燃料電池要求從外界通入燃料，而該裝置先充電，后放電，從能量轉化的角度來講能叫做燃料電池嗎？（2）燃料電池放電時要消耗燃料氣體，而該裝置中看不到氣體的消耗，如何來理解燃料電池呢？

2文獻調研

筆者查閱了大量文獻資料，從由P.W.阿特金斯、M.J.克呂斯頓著 莊宏鑫、王和春譯的《物理化學原理》（化學工業出版社， 1990年）書中的一幅插圖引起了筆者的思考（如圖2）。在這個燃料電池裝置圖中只有通入氫氣的那個電極是碳極＋鉑催化劑，而通入氧氣的那個電極卻沒有催化劑。書中另一句話“整個操作的關鍵在于如何引發氫氣在電極上放出電子”。在中學化學實驗室里，我們雖然無法實現工業上的操作，但是我們卻可以通過電解水時陰極發生2H++2e-→H2的反應，使多孔碳電極吸附大量還原性強、易失去電子的活性氫而得到活化的氫電極（相當于工業上使用了催化劑）。

電解水時陽極發生4OH-－4e-→2H2O＋O2的反應，使多孔碳電極吸附大量氧化性強，易得到電子的活性氧，這就得到活化的氧電極（相當于工業上使用了催化劑）。

由外界通入氧氣和氫氣形成的電極與由電解產生的氫氣和氧氣形成的電極（相當于工業上使用了催化劑）在放電效果上有什么差異呢？同時，能不能在氫氧燃料電池工作時看到氣體的消耗——如氣體體積的減少呢？基于上述疑問與思考，筆者設計并制作了一個氫氧燃料電池演示儀(如圖3所示)來解決上述問題。

3實驗儀器的制作

4實驗操作步驟

(1)電極的制作： ①從一號電池中拆取兩根碳棒，用水洗凈，用坩堝鉗夾住碳棒置于酒精噴燈的火焰上灼燒至紅后迅速投入冷水中，反復多次，使碳棒表面變得粗糙多孔。②將制好的電極塞入單孔塞。

(2)電池的組裝：向上述演示儀中注入硫酸鈉溶液直至電極管口，同時塞上插有多孔碳電極的橡膠塞，并使得電極管口沒有空氣殘留。此時管中的硫酸鈉溶液就被排入演示儀中間的貯液球泡內，但液面未能進入儲液球泡上方的毛細管中。

(3)將電極3、4接在直流電源上，在電壓8－12V下電解，收集一定量的氧氣和氫氣后，停止電解。同時在電極1、2處導入收集好的氫氣和氧氣，直至儲液球泡中的液體進入毛細管一段高度。

(4)將電極1、2接上靈敏電流計，指針發生偏轉（有微電流產生）。將電極2、3接上音樂賀卡，發現發光二極管不亮（此時電池的電壓低于1.7V），揚聲器傳出動聽的音樂。將電極3、4接上音樂賀卡，可以看到發光二極管亮（電池電壓超過其啟輝電壓1.7V），揚聲器傳出動聽的音樂。將電極4、1接上靈敏電流計，指針發生偏轉（有微電流產生）。同時我們還能看見毛細管中的液面緩緩下降。

5裝置改進的意義

(1)將電極放入裝置中，通過排液法收集一定量的氫氣和氧氣，增加了電極周圍氣體的濃度，提高了電壓，延長了放電時間，使得實驗效果更加明顯，且成功率100 %。

(2)利用電解產生氫氣、氧氣與外界制備好的氫氣、氧氣的不同組合說明氫氧燃料電池技術的關鍵是活性氫電極（即電解產生的氫氣中有活性氫）的產生。（如圖4所示）

同時貯液雙球泡上的毛細管中液面緩緩下降，說明氫氣、氧氣在被消耗。利用該裝置幫助學生進一步認識電極上使用催化劑和不使用催化劑的差異。

(3)該裝置的靈活性強，可以根據教學需要，有步驟、階段性的向學生逐步展示氫氧燃料電池的特點及化學能轉化為電能的本質。

參考文獻：

[1]化學教學編輯部．化學活動課及微型實驗設計與實踐[M]． 北京：民主與建設出版社，1999：42.

[2]P.W.阿特金斯， M.J.克呂斯頓著．莊宏鑫， 王和春譯．物理化學原理[M]．北京：化學工業出版社，1990：354.

[3]段連運等譯．化學與社會[M]．北京：化學工業出版社，2008：327.