綠色氫氧燃料電池實驗的設計與優化

張寶軍

【摘 要】根據氫氧燃料電池的構造原理，以實驗室常規儀器搭建、整合的氫氧燃料電池演示臺，操作簡單，現象明顯，能較好提高高中化學課堂教學的效率，幫助學生提升對燃料電池的感性認識。

【關鍵詞】氫氧燃料電池;電解水;演示臺

1.問題的提出

1839年，英國科學家William Grove設計出了第一款燃料電池，之后，燃料電池得到了廣泛的研究。隨著能源危機的出現，因具有能量轉化效率高、產生污染物少等優勢的燃料電池更得到了進一步的關注。

目前氫氧燃料電池按電解質的種類不同，可分為堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）五大類，廣泛應用于航天、汽車等眾多領域。

生活中燃料電池并不常見，學生對其缺乏感性認識。現行人教版教材必修2盡管有對氫氧燃料電池原理的介紹，但缺少相關實驗的設計、呈現。學生通常會錯誤的認為燃料電池就是通過燃料的燃燒而產生電流。筆者想若能讓學生看到一個真實的、可以觸及到的氫氧燃料電池，相信對調動他們學習化學熱情，加深對原電池工作原理的認識應大有裨益。

2.實驗用品與原理

2.1實驗用品 U形管、36伏學生電源、雙孔橡皮塞（2個）、多孔碳棒電極（2支）、30cm的玻璃管（2支）、導線若干（帶有鱷魚夾）、靈敏電流計、小鬧鐘、發光二極管、Na2SO4溶液（或稀硫酸、NaOH溶液）。

2.2實驗原理 利用電解產生的H2、O2（其中含有活性氫，活性氧）吸附的多孔碳棒電極表面構成簡易氫氧燃料電池，產生的電能帶動小型用電器工作。

3.裝置的設計與優化

圖I ? ? ? 圖II ? ? ?圖III

在控制電解時的電壓、電解時間及電解液一定的情況下，我們按圖I～III裝置進行實驗，實驗對應編號依次為1號、2號、3號，記錄有關現象并對比分析如下。

4.電解質溶液的選擇

受常見的幾種燃料電池結構的啟發，我們分別向圖III裝置U型管加入了相同濃度Na2SO4、H2SO4、NaOH溶液，在電解相同時間后，將產生氣體構成燃料電池并使用電壓表測量電壓。實驗數據顯示，在Na2SO4溶液作為電解質時電池電壓最大。

實驗中我們還從0.2mol/L～1.4mol/LNa2SO4溶液，每隔0.2mol/L做一個實驗，發現電解質溶液濃度在0.8mol/L～1.1mol/L時電池工作時間最長（小鬧鐘持續運轉的時間）。

5.實驗改進的優勢

⑴實驗中所需多孔碳棒電極來源廣泛。從廢舊的干電池中取出碳棒清洗潔凈即可使用，無需另外進行淬火處理。

⑵實驗裝置的搭建均采用實驗室常規儀器，搭建簡單，可推廣性強。實驗研究的過程中也曾嘗試使用了圖V裝置（山形管）進行實驗，現象同樣非常明顯但考慮制作這樣一種特殊儀器的成本較高，可推廣性不強故選擇了圖IV裝置。

⑶通過排水法收集H2、O2可大幅度提高電極周圍氣體的純度，由于玻璃管中液體的壓力更利于氣體吸附在電極周圍，延長了放電的時間。筆者曾用電解了3分鐘產生的氣體構成燃料電池，并與小鬧鐘相連，結果整整走了一節課。

⑷根據圖III，我們把實驗所需儀器合在一個平臺上（如圖V）。操作簡單，只要將鱷魚夾與電解相連，通過電鍵的斷開和閉合就可以完成所有的檢驗。實驗現象明顯，實驗成功率高、趣味性強，可推廣為學生實驗。同時也為農村中學老師的化學實驗創新提供了一條新的思路。

【參考文獻】

[1]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書·化學2.南京：江蘇教育出版社，2007：42～43

[2]袁青云.制作綠色燃料電池的新實驗.化學教學.2009年第5期

（作者單位：江蘇省如皋中學）