自制氫燃料電池

氫燃料電池能夠直接將氫氣和氧氣轉(zhuǎn)換成電能，副產(chǎn)品是純水，因此對(duì)環(huán)境沒有任何污染。目前氫燃料電池主要被應(yīng)用在需要高效、清潔的電能的高科技裝備，例如航天器上。

本期，介紹一種在家里就可以制作的簡易氫燃料電池模型，來了解這種裝置的原理。

材料和工具

15厘米長的鍍鉑鎳絲（實(shí)驗(yàn)室專用器材），1根木棒或類似大小的木片，1塊9伏干電池，以及專用電池夾，透明膠帶，萬用表，水杯和水。

制 作 過 程

1.制作電極。把2根鍍鉑鎳絲分別在萬用表的探針上繞成彈簧狀，作為氫燃料電池的2個(gè)電極（圖1）。

2.將電池夾2根導(dǎo)線的中間部位分別剝?nèi)ヒ恍《谓^緣外皮，但不要弄斷導(dǎo)線，然后把露出的金屬絲各與1個(gè)電極擰在一起。2個(gè)電極用透明膠帶分開固定在木棒上（圖2）。

3.用透明膠帶把木棒固定在水杯上，讓2個(gè)鉑絲電極完全浸入水中。萬用表調(diào)到電壓檔，測(cè)量2個(gè)電極之間的電壓。即萬用表的紅表筆接紅色導(dǎo)線的開放端，黑表筆接黑色導(dǎo)線開放端。此時(shí)萬用表的讀數(shù)是0伏（或者一個(gè)很小的讀數(shù)，如0.01伏），說明2個(gè)電極之間沒有電壓（圖3）。

4.準(zhǔn)備制造氫燃料電池的原料：氫氣和氧氣。把1塊9伏電池接在電池夾上，紅色導(dǎo)線對(duì)應(yīng)電池正極，黑色導(dǎo)線對(duì)應(yīng)負(fù)極。如圖4，萬用表測(cè)量出2個(gè)鉑絲電極之間存在9.19伏的電壓。

這是因?yàn)?個(gè)鉑電極浸沒在水中，通電以后開始電解水反應(yīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)2個(gè)電極上產(chǎn)生氣泡，其中在正極（紅色導(dǎo)線連接的鉑絲）上產(chǎn)生的是氧氣，負(fù)極產(chǎn)生的是氫氣（如圖5）。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)不需要太多氣體，因此電池并不需要真正安裝在電池夾上，只需要短暫接觸1～2秒鐘即可。

5.有了氫氣和氧氣，自制的氫燃料電池就可以工作，開始產(chǎn)生電能了！拿開干電池，可看到2個(gè)電極之間存在2.03伏的電壓（圖6）?；仡櫜襟E3，電極上沒有附著氫氣和氧氣的時(shí)候，兩者之間是不存在電壓的。這說明此時(shí)自制的氫燃料電池已經(jīng)開始工作，正在輸出電能。

在步驟4電解水的過程中，氫燃料電池消耗了電能，把水分解成氫氣和氧氣，相當(dāng)于給氫燃料電池充電；此時(shí)是電解水的逆過程，附著在電極上的氫氣和氧氣重新化合成水，產(chǎn)生電能。整個(gè)過程中電極上的金屬鉑必不可少，其起到了催化劑的作用，雖然它并不參與反應(yīng)，但是它能促使反應(yīng)的發(fā)生。正是由于鉑的稀缺與昂貴，才大大限制了燃料電池的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

觀察萬用表，可以發(fā)現(xiàn)自制的氫燃料電池輸出的電壓下降得很快，這是因?yàn)殡姌O上的氫氣和氧氣在快速減少——附著在電極上的氣泡里的氣體快速溶解到水里去了。大約1分鐘之后，電壓開始穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值，然后慢慢降低，因?yàn)榇藭r(shí)氫氣和氧氣不再溶解進(jìn)水里，只有氫燃料電池在緩慢消耗它們（圖7）。

自制的氫燃料電池結(jié)構(gòu)非常簡單，輸出的電力也非常微弱，但是足以說明它的工作原理了。在實(shí)驗(yàn)里，用干電池輸出的電能產(chǎn)生氫氣和氧氣，給氫燃料電池“充電”。