氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

孫濤 張春明

摘要：在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)氫氧燃料電池電極和電路進(jìn)行了改進(jìn)，PAN基碳纖維氈電極易加工制作，對(duì)氣體吸附性能良好。線路板用泡沫板做基體制作而成，電路清晰明了，并在過(guò)程中加裝升壓模塊，對(duì)二極管延時(shí)發(fā)光效果明顯。改進(jìn)后，電池在硫酸鈉溶液中，分別負(fù)載風(fēng)扇、喇叭、發(fā)光二極管、液晶顯示器工作，都取得了非常好的效果，為中學(xué)開(kāi)展這類實(shí)驗(yàn)提供了方向。

關(guān)鍵詞：氫氧燃料電池;PAN基碳纖維氈;升壓模塊;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）03-0094-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.03.031

一、問(wèn)題提出

作為高中化學(xué)教學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，氫氧燃料電池是電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化的重要實(shí)驗(yàn)之一。蘇教版化學(xué)（必修2）教科書(shū)中設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易氫氧燃料電池裝置（圖1），使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)其構(gòu)造，揭示其反應(yīng)原理。其多孔碳棒電極是將普通的石墨碳棒放在高溫火焰上灼燒至紅熱，迅速浸入冷水中，多次重復(fù)使之表面粗糙多孔。但電極制作時(shí)間長(zhǎng)，與普通碳棒對(duì)比氣體吸附效果不明顯。該氫氧燃料電池電壓低并且電壓下降快，一般達(dá)不到二極管發(fā)光電壓，即使能達(dá)到，發(fā)光二極管也是一亮即滅。

二、現(xiàn)狀分析

現(xiàn)在已經(jīng)有很多研究者對(duì)課本中的氫氧燃料電池進(jìn)行改進(jìn)，筆者搜索淘寶商城氫氧燃料電池成套設(shè)備從幾十元到幾百元不等，試用幾款設(shè)備后感受是質(zhì)量參差不齊，價(jià)格低的產(chǎn)品使用不便，價(jià)格高的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于學(xué)生對(duì)于燃料電池原理的理解。一些教師也對(duì)氫氧燃料電池進(jìn)行了改進(jìn)，裝置簡(jiǎn)單、實(shí)用，但對(duì)電極處理較復(fù)雜，再現(xiàn)效果不穩(wěn)定。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

如何找到一種物美價(jià)廉的電極材料，筆者進(jìn)行了一系列嘗試。在研究中發(fā)現(xiàn)，利用PAN基碳纖維氈（圖2）作為電極材料進(jìn)行水的電解所需時(shí)間短，對(duì)生成氣體吸附能力強(qiáng)，后續(xù)做氫氧燃料電池時(shí)電壓高，放電持久，效果明顯。PAN基碳纖維氈是采用聚丙烯腈基平板原氈，經(jīng)過(guò)預(yù)氧化和碳化處理后而制的毯狀碳?xì)?。具有質(zhì)地柔軟、重量輕、表面積大、易于裁剪、操作方便的特點(diǎn)，在航空、電池電極、污水處理等行業(yè)應(yīng)用廣泛。

對(duì)于氫氧燃料電池電壓較低、二極管不發(fā)光或者一閃即滅現(xiàn)象，筆者嘗試在電路中加入升壓模塊（圖3），改進(jìn)后發(fā)光二極管工作時(shí)間比原來(lái)有明顯增加。

實(shí)驗(yàn)用品：9V電池，電池盒，2B鉛筆芯，PAN基碳纖維氈，電解槽，飽和硫酸鈉溶液，導(dǎo)線，鱷魚(yú)夾，導(dǎo)電膠帶，升壓模塊（升壓芯片，電感，接線端子），液晶顯示器（兒童電子表），喇叭（音樂(lè)賀卡機(jī)芯），微動(dòng)開(kāi)關(guān)，發(fā)光二極管，風(fēng)扇（716空心杯），熱熔膠槍，熱熔膠，手工泡沫板。

四、實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

1.制作氫氧燃料電池線路演示板，將風(fēng)扇、發(fā)光二極管、喇叭、液晶顯示器按線路圖并聯(lián)安裝在泡沫板上（圖4）。

2.剪取3X4cm的PAN基碳纖維氈于電解槽中，向其中各插入一根2B鉛筆芯，向電解池中加注飽和硫酸鈉溶液。9v電池電源線分別連接兩根2B鉛筆芯，進(jìn)行水的電解（圖5）。由于PAN基碳纖維氈表面積大，對(duì)氣體吸附能力強(qiáng)，需一段時(shí)間后才能看到PAN基碳纖維氈表面有氣泡生成。

3.斷開(kāi)2B鉛筆芯與9V電池導(dǎo)線的連接，將2B鉛筆芯連接自制氫氧燃料電池演示板導(dǎo)線（過(guò)程中注意正負(fù)極連接方向），閉合開(kāi)關(guān)1，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng);閉合開(kāi)關(guān)2，二極管發(fā)光;閉合開(kāi)關(guān)3，喇叭播放音樂(lè);閉合開(kāi)關(guān)4，液晶顯示屏出現(xiàn)示數(shù)（圖6）。

五、改進(jìn)意義

自制氫氧燃料電池線路演示板集成了電扇、發(fā)光二極管、喇叭、液晶顯示器等多個(gè)電子元件，使用過(guò)程中學(xué)生能夠直觀感受電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，電能與聲、光、動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。演示板一次制作，長(zhǎng)期使用。改進(jìn)后的電極表面積大，吸附能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定;升壓模塊加入電路后，二極管亮度高，發(fā)光持久。