液壓儲氣式質子交換膜燃料電池的創新實驗

杭進華 黃曉琴

摘要：氫氧燃料電池實驗是高中化學的重要實驗之一，但是傳統實驗方法的效果不夠理想。作者從儲氣瓶的設計、電解質模塊的選擇、用電器的選擇三個角度出發，設計了一套氫氧燃料電池裝置，具有結構簡潔、成本低廉、現象明顯等優點。

關鍵詞：液壓儲氣瓶;燃料電池;質子交換膜;實驗改進

文章編號：1008-0546（2020）10-0096-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.026

氫氧燃料電池是一種常見的燃料電池，它是以氫氣（燃料）作為還原劑，氧氣作為氧化劑，通過原電池反應，將化學能轉變為電能的裝置。雖然《普通高中化學課程標準（2017年版）》將“制作簡易的燃料電池”列為學生必做實驗[1]，但是現行高中教材《化學2》（蘇教版）沒有呈現氫氧燃料電池的實驗，僅僅是對其原理作了介紹[2]。由于沒有直觀現象證明電流的產生，學生可能會對此產生懷疑和困惑。

本文從教學實際出發，設計了氫氧燃料電池的創新實驗，將氫氣預先儲存在儲氣瓶中，通過質子交換膜模塊將化學能轉化為電能，使小電扇工作。

一、實驗材料

30mL塑料分裝瓶4個（每個0.25元）、質子交換膜模塊（淘寶購買，100元）、亞克力板底座（淘寶上定制，12元）、小電機1個（1元）、乳膠管以及接頭若干（15元）、小風扇葉片1個（0.5元）、鱷魚嘴電線4根（1.2元）、開關1個（2元）、AB膠1支（2元）等，整套裝置材料成本在150元以內。

二、實驗裝置

1.儲氣瓶

對于以氣體為反應物的實驗而言，氫氣、氧氣的儲存問題是實驗成功的關鍵所在。本實驗儲氣裝置的設計需要解決以下問題：

（1）通過什么方式產生氫氣和氧氣？

（2）將氫氣和氧氣儲存在什么樣的容器中？

（3）如何把氫氣和氧氣通人燃料電池模塊的進氣口？

普通中學化學實驗室中很難找到現成的、適用的儲氣裝置，大部分玻璃儀器也不適合打孔操作，難以達到我們教學或實驗中所需要的模型。因此，本文通過使用30mL的塑料分裝瓶、乳膠管、AB膠等材料，設計了一套液壓儲氣式裝置（如圖1）。

儲氣瓶的制作方法如下：

（1）將兩個分裝瓶用AB膠連接在一起，在兩個瓶蓋中間打一個孔，安裝一個ImL注射器外殼，使上下兩個分裝瓶連通起來。

（2）上面的分裝瓶底部打一個孔與大氣相通，再在下面的分裝瓶靠近瓶塞處對稱位置打兩個孔，安裝進氣管和出氣管（強調：一定要注意不能漏氣）。

（3）將下面的分裝瓶裝水，不能裝滿，液面要低于出氣管管口，否則實驗中會導致水進入出氣管。

2.電解質模塊

本實驗選用的是質子交換膜模塊（見圖2）。質子交換膜模塊由兩個電極和質子交換膜組成，通氫氣的一極失去電子，發生氧化反應，通氧氣的一極得到電子，發生還原反應，質子交換膜作為傳遞H+的介質，只允許H+通過。

3.用電器

雖然大多數老師在做這個實驗過程中用到了所需電壓較低的音樂卡片、發光二極管作為用電器，但效果不太震撼，而且學生可能會因此懷疑是由電容或其他原因產生了微弱的電流[3]。故本實驗最終選擇了低功率的小電機，并配了葉片，可以清晰地看到小電機的轉動的效果。

三、實驗步驟與現象

1.將儲氣罐、質子交換膜、用電器等部件組裝，即可得到實驗所需的完整實驗裝置（見圖3）。注意液壓式質子交換膜燃料電池裝置在使用過程中一定要注意裝置的氣密性，如果漏氣，可能導致整個實驗失敗。

2.制取氫氣和氧氣。可供選擇的方式有很多，例如可以通過電解水的方式制取氫氣和氧氣，或用鋅與稀硫酸反應制得氫氣，亦可用過氧化氫溶液催化分解的方法制取氧氣。還可以只制備氫氣，氧氣不另外收集，在另一極直接通空氣即可。

3.先向2個儲氣瓶中分別通入一定量的氫氣和氧氣，再將出氣管用彈簧夾夾緊，這樣可排除瓶中的少量空氣。由于氫氣和氧氣難溶于水，就會把水壓到上面的分裝瓶中，當液面接近下面的管口時停止通氣，并將進氣管用膠塞塞緊，這樣氫氣和氧氣就分別被儲存在2個分裝瓶中。

4.氣體進入質子交換膜模塊，通氫氣的一極失去電子發生氧化反應，通氧氣的一極得到電子發生還原反應，質子交換膜作為傳遞H十的介質，只允許H+通過。

負極：2H2-4e-=4H+

正極：02+4e-+4H+= 2H2O

5.電流產生，帶動小電扇開始旋轉。

6.如果將小電扇換成電壓傳感器，還可以測定電極兩端的電壓。結果表明，隨著氫氣通人質子交換膜模塊，電壓值在不斷上升，最終穩定在0.856V左右。

四、實驗優點

1.用自制的儲氣瓶收集并儲存氣體，不用電解裝置，避免了學生以為小風扇轉動是因為通電導致的。

2.小電扇工作時，可以同時觀察到儲氣瓶中的氣體慢慢消耗的過程;當氫氣或氧氣被完全消耗后，小電扇便停止工作，這證明了氫氣與氧氣的反應（化學能）是導致小電扇轉動的能量來源。同時，本實驗消除了學生“氫氧需要燃燒產生熱能發電”的誤解。

3.其他的同類研究裝置復雜，體積較大，操作繁瑣。而本裝置可以固定在亞克力板上，簡潔明了。

4.宏觀上，學生看到小電扇轉動，說明電路中有電流產生，有利于學生從微觀上電子轉移的角度認識燃料電池的原理。

參考文獻

[1] 肖芮，萬莉，徐波，等.氫氧燃料電池實驗的改進[J].化學教育（中英文），2019，40（21）：74-76

[2]于緹緹，高洪芳.“自制氫氧燃料電池”實驗拓展活動[J].中學化學教學參考，2018（20）：39-40

[3] 陳斯林，吳文中.氫氧燃料電池實驗的科學性探討與優化[J].中學化學教學參考，2018（9）：36-38