氫氧燃料電池演示儀

背景

高中化學教材（蘇教版）設計了圖1所示的實驗。該實驗通過氫氣與氧氣（均由電解產生）間不接觸、無燃燒的化學反應，實現化學能向電能的轉化，模擬再現氫氧燃料電池工作過程。雖然該實驗取材簡單、操作簡便，但存在氣體散逸和發光二極管不工作或工作時間極短等缺點，課堂演示的效果不盡如人意。

早期的二次改進

基于對燃料電池原理和現有實驗裝置缺點的認識，我們對電極進行了改造，采用將短玻璃管（長60mm，直徑20mm）和膠塞套住石墨的方法制作成電極，以克服原來裝置中的氣體散逸問題。用改造后的裝置，可以完成電解產生氫氣分別與電解產生氧氣或外界通入氧氣構成電池的2組實驗。

然而，應用這個裝置，整個實驗是在燒杯中完成的，雖具有明顯的聲、光效果，但卻很難觀察到反應過程中的氣體消耗現象，再加上外接氧氣的充入、電極組合的切換等操作在課堂上演示時不利于學生觀察，這就促使我們對燃料電池實驗進行了第二次改進。

我從物理學科的毛細管和連通器原理中得到啟發，經過較長時間的嘗試和摸索，改進了實驗裝置。由電解產生的氫氣和氧氣在U型管內形成氣室，提高了電極周圍的氣體濃度，同時電解質溶液被壓入儲液球泡和其上方的毛細管中。在實驗過程中，可以明顯觀察到毛細管內的液面緩緩地下降，說明氫氣被氧氣緩慢氧化而減少，同時將化學能轉化為電能。

這次改進很好地解決了氫氧燃料電池工作時，氣體消耗的可視化問題。實驗時，學生可以通過毛細管中液面的下降間接地觀察到氫氧燃料電池工作時氣體的消耗。這次改進的不足也顯而易見：沒能夠把第一次改進的優點保留下來是其一大缺憾。

最終設計

經過一段時間的思索，借鑒前2次改進的思路，設計并制作了如圖2和圖3所示的氫氧燃料電池演示儀。

該裝置是由4支帶刻度的玻璃管組合成底部相通的連通器，每支玻璃管中分別插入電極1、2、3、4，見圖2在連通器中部接入1根玻璃管，上置儲液球泡，球泡上接毛細管；其中2根玻璃管（電極3、4）分別與2根導氣管連接，導氣管管口略高于玻璃管；電極是在膠塞中的多孔碳棒。

課堂演示時，通過電極3、4的導氣管向其中通入外界制備好的約10mL氧氣（電極3）、約20mL氫氣（電極4）；再將電極1、2分別接上直流電源正負極，進行電解，約10min后，能夠產生約10mL氧氣（電極1）、20mL氫氣（電極2）。然后，將4個電極兩兩相連，逐一向學生展示氫氧燃料電池的工作原理。同時，毛細管中的液面會在電池工作時，緩慢地下降，說明氣體正在被消耗。

如果在課堂上，用同一個DIS傳感器連接不同的電極組合采集電流數據，并用專用程序處理，還可以直觀地利用圖像向學生呈現不同電極組合產生電流的不同，從而揭示出氫氧燃料電池本質及其發展。

特點討論

該燃料電池演示儀適用于課堂教學演示的優點是相當突出的，主要體現如下幾方面。

由于固定了電極位置，所以電解產生氣體、由外界充入氣體、演示時電極組合的切換過程均可以清晰展示在學生面前，課堂演示效果好。

4個電極的組合切換將原來的驗證性實驗，轉變成一個具有探究性的實驗，讓學生在不斷地思維沖突中深刻理解燃料電池的工作原理，體驗化學變化的條件。

通過毛細管中液面的變化，在讓學生間接看到了燃料電池工作魅力（連通器原理的巧妙運用）。

穩定性好。只要定期更換多孔碳棒電極，實驗現象的重現率為100%。

該項目獲得第27屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類二等獎。

專家評語

該項目研究設計了氫氧燃料電池演示儀，通過4種電極探究電流產生的核心技術，直觀顯示氫氧產生和消耗過程，實驗效果較好。該項目原理科學，概念清晰，構思較為巧妙，設計比較合理，作品有一定的教育性，項目具有一定創新，對傳統方法有改進，作品制作規范具有一定的示范推廣價值。