綠色氫氧燃料電池實驗的設(shè)計與優(yōu)化

張寶軍

【摘 要】根據(jù)氫氧燃料電池的構(gòu)造原理，以實驗室常規(guī)儀器搭建、整合的氫氧燃料電池演示臺，操作簡單，現(xiàn)象明顯，能較好提高高中化學(xué)課堂教學(xué)的效率，幫助學(xué)生提升對燃料電池的感性認(rèn)識。

【關(guān)鍵詞】氫氧燃料電池;電解水;演示臺

1.問題的提出

1839年，英國科學(xué)家William Grove設(shè)計出了第一款燃料電池，之后，燃料電池得到了廣泛的研究。隨著能源危機的出現(xiàn)，因具有能量轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)生污染物少等優(yōu)勢的燃料電池更得到了進一步的關(guān)注。

目前氫氧燃料電池按電解質(zhì)的種類不同，可分為堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）五大類，廣泛應(yīng)用于航天、汽車等眾多領(lǐng)域。

生活中燃料電池并不常見，學(xué)生對其缺乏感性認(rèn)識。現(xiàn)行人教版教材必修2盡管有對氫氧燃料電池原理的介紹，但缺少相關(guān)實驗的設(shè)計、呈現(xiàn)。學(xué)生通常會錯誤的認(rèn)為燃料電池就是通過燃料的燃燒而產(chǎn)生電流。筆者想若能讓學(xué)生看到一個真實的、可以觸及到的氫氧燃料電池，相信對調(diào)動他們學(xué)習(xí)化學(xué)熱情，加深對原電池工作原理的認(rèn)識應(yīng)大有裨益。

2.實驗用品與原理

2.1實驗用品 U形管、36伏學(xué)生電源、雙孔橡皮塞（2個）、多孔碳棒電極（2支）、30cm的玻璃管（2支）、導(dǎo)線若干（帶有鱷魚夾）、靈敏電流計、小鬧鐘、發(fā)光二極管、Na2SO4溶液（或稀硫酸、NaOH溶液）。

2.2實驗原理 利用電解產(chǎn)生的H2、O2（其中含有活性氫，活性氧）吸附的多孔碳棒電極表面構(gòu)成簡易氫氧燃料電池，產(chǎn)生的電能帶動小型用電器工作。

3.裝置的設(shè)計與優(yōu)化

圖I ? ? ? 圖II ? ? ?圖III

在控制電解時的電壓、電解時間及電解液一定的情況下，我們按圖I～III裝置進行實驗，實驗對應(yīng)編號依次為1號、2號、3號，記錄有關(guān)現(xiàn)象并對比分析如下。

4.電解質(zhì)溶液的選擇

受常見的幾種燃料電池結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，我們分別向圖III裝置U型管加入了相同濃度Na2SO4、H2SO4、NaOH溶液，在電解相同時間后，將產(chǎn)生氣體構(gòu)成燃料電池并使用電壓表測量電壓。實驗數(shù)據(jù)顯示，在Na2SO4溶液作為電解質(zhì)時電池電壓最大。

實驗中我們還從0.2mol/L～1.4mol/LNa2SO4溶液，每隔0.2mol/L做一個實驗，發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)溶液濃度在0.8mol/L～1.1mol/L時電池工作時間最長（小鬧鐘持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間）。

5.實驗改進的優(yōu)勢

⑴實驗中所需多孔碳棒電極來源廣泛。從廢舊的干電池中取出碳棒清洗潔凈即可使用，無需另外進行淬火處理。

⑵實驗裝置的搭建均采用實驗室常規(guī)儀器，搭建簡單，可推廣性強。實驗研究的過程中也曾嘗試使用了圖V裝置（山形管）進行實驗，現(xiàn)象同樣非常明顯但考慮制作這樣一種特殊儀器的成本較高，可推廣性不強故選擇了圖IV裝置。

⑶通過排水法收集H2、O2可大幅度提高電極周圍氣體的純度，由于玻璃管中液體的壓力更利于氣體吸附在電極周圍，延長了放電的時間。筆者曾用電解了3分鐘產(chǎn)生的氣體構(gòu)成燃料電池，并與小鬧鐘相連，結(jié)果整整走了一節(jié)課。

⑷根據(jù)圖III，我們把實驗所需儀器合在一個平臺上（如圖V）。操作簡單，只要將鱷魚夾與電解相連，通過電鍵的斷開和閉合就可以完成所有的檢驗。實驗現(xiàn)象明顯，實驗成功率高、趣味性強，可推廣為學(xué)生實驗。同時也為農(nóng)村中學(xué)老師的化學(xué)實驗創(chuàng)新提供了一條新的思路。

【參考文獻】

[1]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2.南京：江蘇教育出版社，2007：42～43

[2]袁青云.制作綠色燃料電池的新實驗.化學(xué)教學(xué).2009年第5期

（作者單位：江蘇省如皋中學(xué)）