绿色氢氧燃料电池实验的设计与优化

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学的效率，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、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I       图II      图III

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I～III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。

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/L～1.4mol/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/L～1.1mol/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

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

【参考文献】

[1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学2.南京：江苏教育出版社，2007：42～43

[2]袁青云.制作绿色燃料电池的新实验.化学教学.2009年第5期

（作者单位：江苏省如皋中学）