燃料電池實驗的改進

摘 要： 制作簡易的燃料電池是高中化學學生必做實驗之一。針對現行教材中該實驗和文獻中若干改進實驗存在的不足，結合雙液原電池相對于單液原電池，在能量轉化效率和提供持續穩定電流方面具有的顯著優勢提出新的改進方案。通過調整鹽橋中瓊脂的黏稠度和鹽橋的長度分別改進了氫氧燃料電池和乙醇燃料電池。新的改進實驗裝置簡單、現象明顯、電流持續且穩定。

關鍵詞： 氫氧燃料電池； 乙醇燃料電池； 實驗改進； 黏稠度

文章編號： 10056629（2024）12007303

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

氫氧燃料電池技術被認為是未來實現“雙碳”目標的重要途徑，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》也將制作簡單的氫氧燃料電池列為學生必做實驗之一［1］。但在實際教學中，“講”燃料電池是十分普遍的教學現象，據了解，課堂演示該實驗的學校少之又少，更不用說讓學生自己動手制作燃料電池了。目前，電動車已較普及，但學生對燃料電池的構造和工作原理仍缺乏感性認知。從學生的視角看，電源的兩個電極應是不同的導電材料，氣體不是固體，不可能做電極材料，如何形成燃料電池；從教師的視角看，學生對燃料電池的認識是抽象的，且反應裝置復雜，對實驗的操作要求高，實驗現象也不明顯，課堂演示還有時不能達到預期效果；從教材層面看，有的教材中關于燃料電池的介紹也僅限于文字說明，未作實驗安排。想消除學生對燃料電池的質疑，需要讓學生親身參與燃料電池的制備，通過明顯的實驗現象，明晰其科學原理，從而打消學生的疑慮。所以，燃料電池的改進應聚焦于高效化，讓實驗改進真正發揮實驗的教學功能。

2 相關文獻評析

查閱教學期刊，燃料電池中關于氫氧燃料電池的改進居多，其論文性質主要分為三類。

第一類為燃料的來源。一是由外部供應，其原理是用鉑金做電極，將氫氣和氧氣直接由外部通入；二是由電解水獲得燃料電池［2］。

第二類為電極的改進。Pt應是最理想的選擇，但其價格昂貴，較難普及到普通高中的日常教學。張寶軍采用廢舊干電池的碳棒，不做任何處理的情況下直接用來做電極［3］；蘇教版教材中對燃料電池的電極進行了活化處理，即將碳電極放在高溫火焰上灼燒到紅熱，然后迅速浸入冷水中，制得多孔碳棒電極［4］。

第三類為電解質溶液的選擇。查閱資料得知，電解質溶液對3mm LED發光二極管具有較大影響。H2SO4、 NaOH、 Na2SO4都是常見且常用的電解質溶液。因為電離出離子的種類和產生的離子數目不同，導致其導電能力也不同，最終二極管發光時間也不同。相同的通電時間，用Na2SO4溶液作為電解質體系支持LED二極管發光的時間更持久［5，6］。

還有一些改進則是針對氫氧燃料電池實驗裝置的微型化、高效化進行創新設計。每一個改進細節都體現了實驗創新的真實意圖，以達到最好的實驗教學功能，改進后的實驗現象明顯，具有高效、趣味等優點［7，8］。

受教材和文獻中改進實驗的啟發，本文對燃料電池的教學實驗也進行了改進，以饗讀者。

3 實驗改進

3.1 氫氧燃料電池的改進

3.1.1 實驗用品

器材：9V方塊電池、9V電池扣、小風扇、兩個碳棒、U型管

藥品：Na2SO4固體、10%硫酸溶液、飽和KCl溶液、瓊脂

3.1.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖1所示。

3.1.3 實驗步驟和現象

（1） 將飽和KCl溶液浸泡的瓊脂混合液置于U型管底部。

（2） 用絕緣膠布固定石墨電極和9V電池扣。

（3） 在10%硫酸溶液中加入Na2SO4固體，直至Na2SO4固體不再溶解。

（4） U型管兩邊注入上述硫酸和Na2SO4的混合液。

（5） 將9V的方塊電池連接到電路上，兩支碳棒都產生大量的氣泡，與電源負極相連的一端產生的氣體比另一端產生的氣體多。

（6） 當氣體非常多的時候，取下方塊電池。

（7） 迅速將小風扇連接到電路中，小風扇可轉約50秒。

3.1.4 實驗注意事項

（1） U型管兩邊不要注滿硫酸和Na2SO4的混合液，防止電極放入時液體溢出。

（2） 鹽橋中瓊脂的黏稠度要低點，離子濃度要高些。

（3） 電解時間5分鐘為宜。

（4） 移走電池后，要迅速連接好小風扇。

3.2 乙醇燃料電池的改進

3.2.1 實驗用品

器材：兩個礦泉水瓶、小刀、熱熔膠、粗吸管、電流計、兩根碳棒

藥品：無水乙醇、6mol/L氫氧化鈉溶液、27.5%雙氧水、硫酸鈉固體、二氧化錳、瓊脂、KCl、絕緣膠布、導線若干

3.2.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖2所示。

3.2.3 實驗步驟和現象

（1） 吸管剪成5cm長，裝滿用飽和KCl溶液浸泡的瓊脂混合液。

（2） 取兩個空的礦泉水瓶，用小刀在距離底部大約8cm處割開。

（3） 取礦泉水瓶的下半部，在距離底部大約2cm處打孔，裝上上述5cm長的吸管，用熱熔膠粘牢，見圖2。

（4） 用絕緣膠布固定碳棒和導線，將導線連接到電流計上。

（5） 將25mL6mol/L的氫氧化鈉溶液倒進一個礦泉水瓶中，再倒入15mL無水乙醇。

（6） 在另一個礦泉水瓶中先加二氧化錳，再加硫酸鈉固體，最后加入30mL 27.5%的雙氧水，迅速產生大量氣泡。

（7） 插入石墨電極，如圖2。

（8） 電流計的指針偏轉到145μA，7分鐘后開始回落，下降的幅度小，經過70分鐘，電流降低到100μA。

3.2.4 實驗注意事項

（1） 加氫氧化鈉、硫酸鈉是為了增強溶液的導電性。

（2） 導線連接處要確保充分接觸。

（3） 實驗結束后，要倒出溶液。

（4） 將吸管插進用KCl溶液浸泡的瓊脂，就可以制得簡易的鹽橋。

4 改進實驗的優點

（1） 電流穩定，放電久。相對于單液原電池，雙液原電池產生的電流持續且穩定。實驗一中放電的時長取決于電解時間的長短，但電解同等時間，雙液原電池的小風扇轉動的時長可增加一倍多。實驗二中電流計的指針最初偏轉到145μA，7分鐘后才開始減弱，70分鐘后電流指針才回落到100μA。

（2） 現象明顯，反應快。實驗一中當9V方塊電池連接到電路中，立即產生大量氣泡。電解4～5分鐘后迅速連接好小風扇，小風扇立即轉動；實驗二的電流計一旦插入石墨電極能發生明顯的偏轉。

（3） 裝置簡單，易操作。若要實驗一的小風扇轉的時間長點，可以延長電解水的時間；實驗二的電流小了，可以適當添加無水乙醇或27.5%的雙氧水。

（4） 實驗便捷，用時短。兩個改進實驗都可在短時間內完成，非常適合課堂演示或學生分組實驗。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 6.

［2］梁秋嬋， 陳博. 氫氧燃料電池實驗改進的研究綜述［J］. 教育與裝備研究， 2020， （4）： 44～48.

［3］張寶軍. 綠色氫氧燃料電池實驗的設計與優化［J］. 文理導航（中旬）， 2015， （1）： 54～55.

［4］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學2（必修）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 23.

［5］盛榮. 對簡易氫氧燃料電池實驗的商榷及重制［J］. 化學教學， 2017， （5）： 56～57.

［6］陳靜， 陳懿. 氫氧燃料電池演示實驗的改進［J］. 化學教學， 2022， （4）： 74～75.

［7］朱明建. 自制液壓儲氣式氫氧燃料電池［J］. 化學教學， 2022， （4）： 87～88.

［8］王新福. 用多孔泡沫金屬改進中學化學實驗的若干案例［J］. 化學教學， 2024， （1）： 71～73.