制作綠色燃料電池的新實驗

袁青云

文章編號：1005－6629(2009)05－0014－02中圖分類號：G633.8文獻標識碼：C

1 設計意圖

本文設計的氫氧燃料電池，使用的電解能源來自太陽能電池，太陽能電池發電具有許多優點，如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得，不受地域限制，無須消耗燃料等，這些優點都是其它發電方式所不及的。使用的電極材料來自廢舊電池，實驗的容器選用三口燒瓶，因此材料容易取得，裝置容易制作、操作簡單、且具有環保理念，而且此裝置除了具有燃料電池的實驗功能外，還具有電解水的實驗功能，如應用于教學上，將成為教師教學的好幫手，可進一步提升學生學習的動機，促進課堂教學效果。

2 實驗用品

太陽能電池（12V）, 廢電池（1號）2個,三口燒瓶1個，電極座2個， 鱷魚夾4個， 掛鐘1個，音樂賀卡1個， 尖嘴鉗1把， 電線若干， 300瓦的碘鎢燈1只,鐵架臺(含鐵夾)3臺，多功能萬用表1只， 0.5%硝酸鉀溶液（或其他電解質溶液）500 mL

3實驗準備

3.1 電極的處理

用尖嘴鉗將兩個廢棄的1號電池撥開，取出中間兩個黑色的碳棒，在自來水籠頭下反復沖洗，然后擦干備用，用坩堝鉗夾住碳棒在酒精噴燈上加熱至紅熱，將其插入冷水中使其急劇冷卻，反復在酒精噴燈上加熱每個部位再急速冷卻，使碳棒表面活化，增強其吸附氣體能力。

3.2電解質溶液的選擇

離子在電場中運動的速率除了與離子本性（包括離子半徑，離子水化程度，所帶電荷等）以及溶劑的性質（如粘度等）有關以外，還與電場的電位梯度dE/dl 有關，顯然電位梯度越大，推動離子運動的電場力也越大。表1列出了在298 K無限稀釋時幾種離子的遷移率。

在以上知識的基礎上，選擇了三種溶液：稀硫酸、氫氧化鈉溶液、硝酸鉀溶液（濃度均為0.5 %）作為電解質溶液試驗，結果發現在12 V的太陽能電池下，硝酸鉀溶液作為電解質溶液電壓能達到2 V左右，而稀硫酸、氫氧化鈉溶液只能達到1.2 V左右。然后又試驗了不同濃度的硝酸鉀溶液，發現在較濃的溶液中效果不是很理想，主要原因是濃溶液中離子間相互引力較大，離子的速率均減慢。除了濃度之外，溫度對離子的遷移也有影響，這主要是影響離子的水合程度。在以上實驗和分析的基礎上，選用硝酸鉀溶液作為電解質溶液。

4 實驗裝置

5 實驗步驟

1. 將0.5 %硝酸鉀溶液加入三口燒瓶，待溶液加到瓶頸時，將兩根電極塞入左右兩個瓶孔中；

2. 將裝置左右傾斜，使兩側管內的空氣全移至管外，而后再將裝置正立，將約10厘米左右的塑料管塞入中間管口中；

3. 將電極與太陽能電池相連接，置于日光下，開始進行水的電解（如圖1）；

4. 通電一段時間，可觀察到三口燒瓶內兩側的氣柱高度約呈現1∶2的比例，當氣體體積接近碳棒末端時，停止通電；

5. 用多功能萬用表測量其電壓約為2伏，用耗電量較小的音樂賀卡、掛鐘，連接于電極上，可發現生日賀卡鈴響和掛鐘正常轉動（如圖2、圖3）。

6. 如遇天氣不好等因素，可用圖4所示裝置替代，圖4裝置中所用光源為300瓦的碘鎢燈，通過實驗發現其效果在一定程度上可代替太陽光源。

6實驗結論

利用上述改良式氫氧燃料電池，具有可作為水電解及燃料電池供電的雙重示范效果，改良后的實驗裝置兼具環保理念，因其所用材料－碳棒來自廢舊電池及使用的電解液也可回收供下次再使用，實驗成本低，環境污染小，安全系數高，儀器精巧，實驗更容易開展，節約時間，教學效果好，比起其他常規實驗更加簡單易行，安全可靠。

參考文獻：

[1]氫氧燃料電池之微型化設計及在電化學教學應用之研究[J] .CHEMISTRY（THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI）2004,12(62): 547~554.

[2]傅獻彩等編.物理化學(下冊)[M]. 北京:高等教育出版社，1990.10.