利用數字傳感器探究燃料電池的制作

耿亞萍

摘要：參照蘇教版化學教材簡易氮氧燃料電池的制作方法，結合已有文章再改進，制得了不同類別的燃料電池，且制作的簡易電池能使用電器工作較長時間，并用電壓傳感器測定使用過程的電壓變化，幫助學生進一步理解單液電池的放電原理。

關鍵詞：數字傳感器;燃料電池;放電原理

文章編號：1008-0546（2021）03-0080-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.019

一、問題的提出

燃料電池是科技行業的新興產品，每年的高考題均有新型燃料電池的考查。簡易燃料電池的制作是2017版普通高中化學課程標準規定的必修課程的必做學生實驗。直接按照蘇教版教材步驟制得的燃料電池很難使發光二極管亮起來，最多可以使電流計短暫偏移或者使音樂芯片發出微弱聲響，這樣實驗效果會使學生會對燃料電池的實際應用產生懷疑。許多教師在這部分教學時改用黑板實驗或者購買氫氧燃料電池教具進行演示，這樣的教學不利于培養學生的“科學探究與創新意識”這一核心素養。許多文章對燃料電池進行改進（表1），取得了不錯的效果，但這些實驗改進主要是關于氫氧燃料電池的制作，未涉及其他燃料電池的實驗，結合我校社團活動課“新型電池”的教學要求，筆者探究了不同類別燃料電池的制作，目的是讓每位同學依據探究問題，設計探究方案，親歷實驗探究過程并改進實驗方案，培養學生的科學探究與創新意識和交流合作的能力。

二、實驗原理

依據教材簡易氫氧燃料電池的反應原理，利用電解不同電解質溶液產生不同的燃料形成的電池反應原理見表2。

三、實驗用品

器材：100mL燒杯、海綿（孔徑35ppi，米色）、剪刀、石墨棒（12mm×70mm）2根、導線2根、3-9V電池均可、小風扇（工作電壓0.8V）、發光二極管（工作電壓1.5v）、音樂芯片（1.5V高聲快速響起，0.8V低聲緩慢發出聲音）、膠帶、濾紙、愛迪生電壓傳感器（VTS200）、數據采集器。

藥品：飽和NazSO4溶液、飽和KNO3溶液、飽和Na2CO3溶液、飽和NaCl溶液、2mol/L CUCl2溶液、飽和CuSO4溶液、淀粉碘化鉀試紙。

四、實驗裝置

實驗裝置圖及改進的過程如圖1所示。

五、實驗操作

（1）將石墨電極放酒精噴燈上灼燒到紅熱，迅速浸人冷水中，重復3次，使其表面變得疏松多孔得到多孔碳棒，以期吸附更多的氣體。

（2）用剪刀將海綿剪成直徑為5cm，高為7cm圓柱形，大概比100mL燒杯略小，用剪刀在海綿中心位置戳2個間距為2cm的圓孔，方便塞進石墨棒。將石墨棒放入海綿中，模擬多孔電極。

（3）往100mL燒杯中加入70-80mL電解質溶液，將塞有石墨棒的海綿塞入燒杯中，保證燒杯中填滿海綿沒有空隙，使海綿浸泡部分約占海綿體積的2/3。

（4）取2張濾紙，在濾紙中心位置剪2個距離約2cm的小孔，方便導線穿過，將濾紙蓋住燒杯，邊緣用膠布包在燒杯外壁，防止氣體泄漏。

（5）連接9V電池，進行電解，電解2min后，斷開電源，用電線將吸附有燃料的電極相連，形成簡易燃料電池。

（6）打開配套平板，打開Edislab Pro軟件，點擊“開始”菜單，用電壓傳感器通過數據采集器采集數據，設置“采集參數”為：頻率1點/秒，限定時間8min;“調零”之后，將小風扇、電壓傳感器并連接上燃料電池進行實驗，同時點擊“開始”按鈕，采集數據，繪制的放電電壓變化圖像。

（7）平均每組5次實驗，取平均值數據、記錄實驗現象以及繪制的圖像如下表3。

六、實驗結論

（1）通過實驗發現，電解時間越長，得到簡易電池的電壓越高，考慮生成氣體的溶解度以及課堂教學時間，本實驗將電解時長定為2min，不會擠壓課堂時間，且放電效果明顯，可作為課堂分組實驗和學生社團實驗。

（2）從數據可以看出，氫氯燃料電池放電時間最長，銅氯氣燃料電池最短，猜測與氯氣溶解度大不易逸出有關。其次氫氧燃料電池的電解質選用KNO3最佳，Na2SO4次之，故蘇教版《實驗化學》教材的氫氧燃料電池制作改為KNO3做電解質。此外純堿、小蘇打廚房常見物品，用海綿、2B鉛筆芯、Na2CO3溶液或者NaHCO3溶液進行氫氧燃料電池的家庭實驗。

七、注意點

（1）塞有海綿的燒杯溶液體積不要超過2/3，溶液體積太大，制作氫氯燃料電池，銅氯燃料電池容易有氯氣逸出。

（2）為何選用濃度低的氯化銅溶液，因為飽和氯化銅溶液中Cl-濃度過高，電解時產生大量氯氣逸出容器外，可以觀察到濾紙蓋上方濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍，能聞到氯氣的刺激性氣味。如果用9V電池做實驗建議用2mol/L的氯化銅溶液，電解2min內這樣不會有氯氣逸出。

（3）從風扇運行及圖像可以看出，電壓不穩定，衰減過快是單液電池最大的缺點。

八、改進的優點

（1）燃料電池種類多樣。除了書本的氫氧電池，還有氫氯電池、銅氯電池、銅氧電池，使學生能從電極材料、電子導體、離子導體、電解質溶液這4個角度去認識原電池，豐富了對電池的構成要素的認識，

（2）趣味性強。本文制作的電池可以使小風扇、發光二極管、音樂芯片等工作較長時間，同時連接電壓傳感器可以讓學生直觀地感受單液電池電壓衰變很快。

（3）綠色環保。用海綿包裹氣體，用濾紙蓋住燒杯，可以減少氯氣的逸出，防止有毒氣體污染環境，并且使工作效率增強。

參考文獻

[1][13]趙會科.對氫氧燃料電池實驗的研究與改進[J].化學教育，2009，30（6）：49-50

[2]王立超.氫氧燃料電池演示實驗的探究與改進[J].實驗教學與儀器，2011，28（3）：23-24

[3][18]耿亞萍北學能與電能相互轉化實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2015，32（6）：28-29

[4][14]盛榮.對簡易氫氧燃料電池實驗的商榷及重制[J].北學教學，2017（5）：56-59

[5]孫濤，張春明.氫氧燃料電池實驗改進[J].化學教與學，2019（3）：94-95

[6]肖芮，萬莉，徐波，時亦敏，袁敏.氫氧燃料電池實驗的改進[J].化學教育（中英文），2019，40（21）：74-76

[7][19]卞海燕.氫氧燃料電池的微型化改進[J].化學教與學，2014（3）：85

[8]肖修鋒.氫氧燃料電池“DIY”的設計與優化[J].實驗教學與儀器，2018，35（9）：36-37

[9][15]熊娟，王偉朋.氫氧燃料電池實驗改進[J].中學化學教學參考，2016（9）：60-61

[10][16]王堅.氫氧燃料電池實驗的改進[J].化學教與學，2017（9）：96+95

[11][17]戴樂，趙志明.八年磨一器凝練終非常——氛氧燃料電池演示儀的研制歷程與反思仁J].教學月刊（中學版），2012（2）：7a-72

[12]周路平.利用3D打印技術制作微型高效電化學裝置的實踐與研究[Il北學教與學，2918（6）：85-87