研制氫能源小車

王旭斌

一、氫能源小車制作背景

普通高中課程改革提出化學教育的目標為培養學生五大關鍵核心素養。其中培養學生“科學精神與社會責任”是指：具有終身學習的意識和嚴謹求實的科學態度;崇尚真理，形成真理面前人人平等的意識;關注與化學有關的社會熱點問題，認識環境保護和資源合理開發的重要性，具有可持續發展意識和綠色化學觀念;深刻理解化學技術、社會和環境之間的相互關系，贊賞化學對社會發展的重大貢獻，能運用已有知識和方法綜合分析化學過程對自然可能帶來的各種影響，權衡利弊，勇于承擔責任，積極參與有關化學問題的社會決策。很顯然這一素養不僅僅是停留在知識和技能、過程與方法等層面上，更多的是化學教育的意義。我們可以認為“科學精神與社會責任”是其他四大核心素養的服務目標，它是化學教育的“制高點”，因此如何在實踐教學中落實這一關鍵核心素養意義深遠。

當今社會，能源和環境是人類關注的兩大焦點。但石油等不可再生能源日漸枯竭，并且其下游產品燃燒生成的CO2和SO2等氣體，會導致溫室效應和酸雨等環境問題，使人類面臨嚴峻的挑戰。所以研究高效環保的新能源成為熱點。氫能作為一種無污染的能源，被公認為人類未來可以大量使用的能源之一。世界各國在開發氫能方面投入了大量的人力、物力和財力，以期早日實現氫能的廣泛使用。汽車等人類生活必需的交通工具是耗能的主力軍，因此借助科學原理將氫能（化學能）轉化為電能作為汽車動力是未來汽車的一種發展趨勢。若氫能源汽車全面投入生產使用，定能大大緩解能源短缺和環境污染問題。在實踐教學中讓學生參與氫能源小車的研發不僅可以掌握理論知識而且可以真切地感受科學精神和社會責任。

二、氫能源小車教具的研制

1.了解氫能源小車的核心部件——質子交換膜型的氫氧燃料電池

圖1所示的質子交換膜型氫氧燃料電池的核心部分為膜電極組件（MEA），是在全氟磺酸質子膜兩側涂有相應催化劑的固體薄膜，起到催化反應和轉移質子的作用。當MEA相應兩側附有氫氣和氧氣時，就可以將兩者反應的化學能轉變為電能，與一般原電池的工作原理基本相同。氫氧燃料電池與普通電池主要區別在于：一般電池的活性物質是預先放在電池內部的，因而電池容量取決于貯存的活性物質的量;而氫氧燃料電池的氫氣和氧氣是在反應的同時源源不斷地輸入，因此，這類電池實際上只是一個能量轉換裝置。所以氫氧燃料電池接上負載工作時，需向負極、正極不斷地通入氫氣和氧氣，氫氣在負極催化劑的作用下失去電子形成氫離子，氫離子穿過固體電解質全氟磺酸質子膜進入正極，正極上氧氣在催化劑的作用下得電子，結合轉移出來的氫離子最后變成水，這相當于水的電解反應的逆過程，而電子則沿外部電路由負極移向正極，用電的負載就能在外部電路中工作。工作時的電極反應及總反應：

負極：2H2-4e-==4H+

EH2=0.00V

正極：O2+4e-+4H+==2H2O

EO2=1.23V

電池反應：2H2+O2==2H2O

依據電極電勢來看，氫氧燃料電池單電池空載輸出電壓理論值為1.23V，負載時輸出電壓取決于電流密度，通常在0.5-1V[1]。質子交換膜型氫氧燃料電池具有很多明顯的優點：高效節能，實際能量轉化效率達40%～50%，工作電流大（1～4A/em2，0.6V），比功率高（0.1～0.2kW/kg），比能量大;使用固體電解質膜，可以避免電解質腐蝕;工作穩定可靠，常溫下有80%的額定功率，可在低溫（<100C）下運行;冷啟動時間短，可在數秒內實現冷起動;環境友好，實現零排放（無SO2、NO2，產物為H2O），無噪聲;燃料來源廣，既可使用純氫，又可使用轉化燃料;設計簡單、制造方便，體積、重量小，便于攜帶[2]。

2.組裝普通質子交換膜型氫氧燃料單電池的基礎材料及其作用[3]

（1）膜電極（電池核心部件），包括全氟磺酸型質子膜：供氫離子通過;鉑碳催化劑：催化氫氣、氧氣反應產生電子。

（2）碳紙（氣體擴散層）：支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排水。

（3）導電布：集流導電及作電極。

（4）密封墊：防止泄露、串位。

（5）亞克力板模具：組裝固定膜電極、形成氫氣及氧氣氣流室。

3.所購置的質子交換膜型氫氧燃料電池的基本材料及其特性

（1）膜電極組件（MEA）：可適用于空冷與水冷燃料電池，較高的功率密度，夾具測試功率密度可到0.8W/cm2，較強的環境適應性，較低的性能衰減率。

（2）燃料電池氣體擴散層YLS-30T導電碳紙：輕薄，氣體擴散效果好，電阻率小，氣阻>2.5mmH2O;柔韌性好。

（3）導電布：聚酯纖維表面鍍上鈦銅等合金，較好的導電、集流作用。

（4）密封墊：0.3mm硅膠材料，耐酸堿。

（5）亞克力板：透明平整，表面硬度高，耐酸堿，耐高溫，良好的加工性能。

4.質子交換膜型氫氧燃料單電池的組裝

通過對質子交換膜型氫氧燃料電池模塊整合研究，確定組裝順序：氫氣板端、內板、導電布、密封墊、導電碳紙.膜電極、導電碳紙、密封墊、導電布、氧氣板端。氫氣端利用亞克力板組合形成儲氣室，氧氣端直接暴露在空氣中（如圖2）。

5.儲氫設備的研究與設計

由于氫氧燃料電池實際上只是一個能量轉換裝置，工作時要求氫氣源源不斷地輸入，因此需要設計簡單有效的小型儲氫設備。學生根據氫氣的相關性質及質子交換膜型氫氧燃料單電池模塊特點，進行分組討論，提出相應的方案和需要的材料，分組設計儲氫方案。

方案1：用30mL的塑料瓶與質子交換膜型氫氧燃料電池氫氣板端粘合形成儲氫室，用排空氣法儲存氫氣，由于氫氣密度小于空氣，會流向上方的氫氣端口，接通電路電池即可工作。

方案2：將氫氣儲存在注射器中，工作時只要將注射器中的氫氣推入氫氣端口，電池即可工作。

方案3：用一根硬質塑料管將兩個30mL塑料瓶口對接聯通，下瓶瓶體上方開口，從下口瓶口處接出一根帶開關的軟膠管。儲氫時，下瓶裝水，氫氣從膠管口通入下瓶中，利用排水法將氫氣儲存在下瓶中，使用時只要將開關打開，上瓶中的水即可將儲存在下瓶中的氫氣排出，將氣體通入氫氣板端，電池即可工作。儲氫設備如圖3。

6.小車組裝及數據、性能分析

（1）根據設計方案組裝汽車模型實物

由查閱資料得知，質子交換膜型氫氧燃料單電池負載時，輸出電壓較小，通常在0.5-1v，因此選擇微型電機（啟動電壓0.15v）驅動小車，配套減速齒輪轉軸系統，小車輪子，固定螺絲等配件，組裝圖4-圖6所示的三款氫能源小車模型。

（2）用傳感器測試質子交換膜型氫氧燃料單電池空載及負載電壓

（3）結果分析

從數據來看，研制的質子交換膜型氫氧燃料單電池實際空載電壓一般在0.85V左右，不能達到理論值1.23V，查閱資料發現是由于過電位的原因[4];小車運行時，電壓約為0.65V，電流約為0.08A，在氫氣充足的情況下，電壓相當穩定，電池工作時安靜、無噪音，無污染，環境友好。測得質子交換膜型氫氧燃料雙電池（串聯）小車運行時電壓在1.25V左右，電機轉速明顯加快;所以將單電池串聯即可實現低電壓到高電壓，一定條件下完全可以滿足真實汽車的動力。

三、學生自我評價與反思

通過制作氫能源小車教具，不僅理解、掌握了氫氧燃料電池的工作原理，同時也見證了化學學科知識應用到實際生活的鮮活案例，認識到了科學知識的魅力和學習科學知識的意義。而且在整個汽車模型的設計和組裝過程中，深刻體會到動手能力、創新思維、思想交流以及團隊力量的重要性，整個研究實踐活動收獲頗豐。當然在真實氫能源汽車制造過程中，還面臨一些客觀的問題，如儲氫設備不可能像小車模型一樣去設計，需要研發安全、高效、廉價的儲氫材料;當前質子交換膜型氫氧燃料電池的催化劑比較稀少、昂貴，要尋找廉價、儲量豐富的催化劑來代替等。全面推廣氫能源汽車，還有許多技術需要攻堅，而這些艱巨的任務應該由我們新時代的接班人完成。

四、教學研究活動特色

結合學科知識開展與社會生活密切相關的實踐活動，不局限于理論知識層面，更注重實踐探索與反思。通過實踐活動培養學生終身學習的意識和嚴謹求實的科學態度;引導學生感受學科知識的力量以及學科知識與社會、生活、環境之間的密切聯系，最終懂得運用學科知識服務人類和回報社會，體現化學學科價值。

參考文獻

[1]孫琮琮，王金全，徐曄.PEMFC氫能發電系統現在與展望[J].中國電力，2006，9：37-41

[2]李戰國，朱紅.質子交換膜燃料電池的研究進展[J].化學研究，2003，14（1）：69-73

[3]汪繼強.離子交換膜燃料電池技術的發展和應用前景[J].電源技術，1995，19（4）：38-42

[4]徐敏，阮新波.質子交換膜燃料電池經驗模型[J].太陽能學報，2010，27（7）：816-822