绿色氢氧燃料电池实验的设计方案与优化

1、绿色氢氧燃料电池实验的设计与优化绿色氢氧燃料电池实验的设计与优化文张宝军【摘要】根据氢氧燃料电池的构造原理，以实验室常规仪器搭建、整合的氢 氧燃料电池演示台，操作简单，现象明显，能较好提高高中化学课堂教案的效 率，帮助学生提升对燃料电池的感性认识。关键词 氢氧燃料电池；电解水；演示台1问题的提出1839年，英国科学家 William Grove设计出了第一款燃料电池，之后，燃 料电池得到了广泛的研究。随着能源危机的出现，因具有能量转化效率高、产 生污染物少等优势的燃料电池更得到了进一步的关注。目前氢氧燃料电池按电解质的种类不同，可分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷

2、酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）五大类，广泛应用于航天、汽车等 众多领域。生活中燃料电池并不常见，学生对其缺乏感性认识。现行人教版教材必修2尽管有对氢氧燃料电池原理的介绍，但缺少相关实验的设计、呈现。学生通常 会错误的认为燃料电池就是通过燃料的燃烧而产生电流。笔者想若能让学生看 到一个真实的、可以触及到的氢氧燃料电池，相信对调动他们学习化学热情， 加深对原电池工作原理的认识应大有裨益。2实验用品与原理2.1实验用品U形管、36伏学生电源、双孔橡皮塞（2个）、多孔碳棒电极（2支）、30cm的玻璃管（2支）、导线若干（带有鳄鱼夹）、灵敏电流计、

3、小闹钟、发光二极管、Na2SO4溶液（或稀硫酸、NaOH溶液）。2.2实验原理 利用电解产生的H2、O2 （其中含有活性氢，活性氧）吸附的 多孔碳棒电极表面构成简易氢氧燃料电池，产生的电能带动小型用电器工作。3.装置的设计与优化图f图II图IIII在控制电解时的电压、电解时间及电解液一定的情况下，我们按图IIII装置进行实验，实验对应编号依次为1号、2号、3号，记录有关现象并对比分 析如下123电解选捋液2m戒LN述6潔晦电瞬时直12kH陆发載图1屯岂戏取 蛍茴圾气体；图m与图e相 比堪极是旗来 的萌條卿之 极产生競体用隆川与图】桁比球换成2根30cm 长旳殊璃诗.电啞 二匸世趾至空叟匪裁均排

4、戒法收集 气障I负 截流 计指针发生融小 的惊转措针偏转的幅 度略大于实验 1扌帯境生垃扁转唄 大发光 二极 管不磁光左尤仮足瘁续持轼览比巧仔嗣左右小更秒针在克世陷 微晃动例下秒针持续走动20s指封持续走动45 分钟左右从上述实验结果可推知在实卷1、 的像因在于所用發3无法收集到 圈也无法吸附足够的岂匕所月 君洎丿4号表血瓯L杲烏申总 m足藉T络的选择2 中 EE/js.j_L/h Fh O- lb/. 誠険电.咸2向岔距 J弋打斗s劃4.电解质溶液的选择受常见的几种燃料电池结构的启发，我们分别向图III装置U型管加入了相同浓度Na2SO4、H2SO4、NaOH溶液，在电解相同时间后，将产生气

5、体构成燃料电池并使用电压表测量电压。实验数据显示，在Na2SO4溶液作为电解 质时电池电压最大。实验中我们还从0.2mol L1.4mol LNa2SO4 溶液，每隔0.2mol L做一个 实验，发现电解质溶液浓度在 0.8mol L1.1mol L时电池工作时间最长（小闹 钟持续运转的时间）。5.实验改进的优势实验中所需多孔碳棒电极来源广泛。从废旧的干电池中取出碳棒清洗洁净 即可使用，无需另外进行淬火处理。实验装置的搭建均采用实验室常规仪器，搭建简单，可推广性强。实验研 究的过程中也曾尝试使用了图 V装置（山形管）进行实验，现象同样非常明显 但考虑制作这样一种特殊仪器的成本较高，可推广性不强故选择了图IV装置。通过排水法收集H2、O2可大幅度提高电极周围气体的纯度，由于玻璃管 中液体的压力更利于气体吸附在电极周围，延长了放电的时间。笔者曾用电解 了3分钟产生的气体构成燃料电池，并与小闹钟相连，结果整整走了一节课。图IV族电f 时图V504030200 0.： 0-4 0.61/ 1.2 1.4 dSd SI h)根据图III，我们把实验所需仪器合在一个平台上（如图 V）。操作简单,只要将鳄鱼夹与电解相连，通过电键的断开和闭合就可以完成所有的检验。实 验现象明显，实验成功率高、趣味性强，可推广为学生实验。同时也为农村中 学老师的化学实验创新提供了一条新的思路。