燃料電池實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘 要： 制作簡(jiǎn)易的燃料電池是高中化學(xué)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一。針對(duì)現(xiàn)行教材中該實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)中若干改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在的不足，結(jié)合雙液原電池相對(duì)于單液原電池，在能量轉(zhuǎn)化效率和提供持續(xù)穩(wěn)定電流方面具有的顯著優(yōu)勢(shì)提出新的改進(jìn)方案。通過(guò)調(diào)整鹽橋中瓊脂的黏稠度和鹽橋的長(zhǎng)度分別改進(jìn)了氫氧燃料電池和乙醇燃料電池。新的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、電流持續(xù)且穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 氫氧燃料電池； 乙醇燃料電池； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 黏稠度

文章編號(hào)： 10056629（2024）12007303

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

氫氧燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》也將制作簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一［1］。但在實(shí)際教學(xué)中，“講”燃料電池是十分普遍的教學(xué)現(xiàn)象，據(jù)了解，課堂演示該實(shí)驗(yàn)的學(xué)校少之又少，更不用說(shuō)讓學(xué)生自己動(dòng)手制作燃料電池了。目前，電動(dòng)車已較普及，但學(xué)生對(duì)燃料電池的構(gòu)造和工作原理仍缺乏感性認(rèn)知。從學(xué)生的視角看，電源的兩個(gè)電極應(yīng)是不同的導(dǎo)電材料，氣體不是固體，不可能做電極材料，如何形成燃料電池；從教師的視角看，學(xué)生對(duì)燃料電池的認(rèn)識(shí)是抽象的，且反應(yīng)裝置復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作要求高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不明顯，課堂演示還有時(shí)不能達(dá)到預(yù)期效果；從教材層面看，有的教材中關(guān)于燃料電池的介紹也僅限于文字說(shuō)明，未作實(shí)驗(yàn)安排。想消除學(xué)生對(duì)燃料電池的質(zhì)疑，需要讓學(xué)生親身參與燃料電池的制備，通過(guò)明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，明晰其科學(xué)原理，從而打消學(xué)生的疑慮。所以，燃料電池的改進(jìn)應(yīng)聚焦于高效化，讓實(shí)驗(yàn)改進(jìn)真正發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。

2 相關(guān)文獻(xiàn)評(píng)析

查閱教學(xué)期刊，燃料電池中關(guān)于氫氧燃料電池的改進(jìn)居多，其論文性質(zhì)主要分為三類。

第一類為燃料的來(lái)源。一是由外部供應(yīng)，其原理是用鉑金做電極，將氫氣和氧氣直接由外部通入；二是由電解水獲得燃料電池［2］。

第二類為電極的改進(jìn)。Pt應(yīng)是最理想的選擇，但其價(jià)格昂貴，較難普及到普通高中的日常教學(xué)。張寶軍采用廢舊干電池的碳棒，不做任何處理的情況下直接用來(lái)做電極［3］；蘇教版教材中對(duì)燃料電池的電極進(jìn)行了活化處理，即將碳電極放在高溫火焰上灼燒到紅熱，然后迅速浸入冷水中，制得多孔碳棒電極［4］。

第三類為電解質(zhì)溶液的選擇。查閱資料得知，電解質(zhì)溶液對(duì)3mm LED發(fā)光二極管具有較大影響。H2SO4、 NaOH、 Na2SO4都是常見(jiàn)且常用的電解質(zhì)溶液。因?yàn)殡婋x出離子的種類和產(chǎn)生的離子數(shù)目不同，導(dǎo)致其導(dǎo)電能力也不同，最終二極管發(fā)光時(shí)間也不同。相同的通電時(shí)間，用Na2SO4溶液作為電解質(zhì)體系支持LED二極管發(fā)光的時(shí)間更持久［5，6］。

還有一些改進(jìn)則是針對(duì)氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)裝置的微型化、高效化進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。每一個(gè)改進(jìn)細(xì)節(jié)都體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的真實(shí)意圖，以達(dá)到最好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，具有高效、趣味等優(yōu)點(diǎn)［7，8］。

受教材和文獻(xiàn)中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，本文對(duì)燃料電池的教學(xué)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了改進(jìn)，以饗讀者。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 氫氧燃料電池的改進(jìn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

器材：9V方塊電池、9V電池扣、小風(fēng)扇、兩個(gè)碳棒、U型管

藥品：Na2SO4固體、10%硫酸溶液、飽和KCl溶液、瓊脂

3.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

（1） 將飽和KCl溶液浸泡的瓊脂混合液置于U型管底部。

（2） 用絕緣膠布固定石墨電極和9V電池扣。

（3） 在10%硫酸溶液中加入Na2SO4固體，直至Na2SO4固體不再溶解。

（4） U型管兩邊注入上述硫酸和Na2SO4的混合液。

（5） 將9V的方塊電池連接到電路上，兩支碳棒都產(chǎn)生大量的氣泡，與電源負(fù)極相連的一端產(chǎn)生的氣體比另一端產(chǎn)生的氣體多。

（6） 當(dāng)氣體非常多的時(shí)候，取下方塊電池。

（7） 迅速將小風(fēng)扇連接到電路中，小風(fēng)扇可轉(zhuǎn)約50秒。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） U型管兩邊不要注滿硫酸和Na2SO4的混合液，防止電極放入時(shí)液體溢出。

（2） 鹽橋中瓊脂的黏稠度要低點(diǎn)，離子濃度要高些。

（3） 電解時(shí)間5分鐘為宜。

（4） 移走電池后，要迅速連接好小風(fēng)扇。

3.2 乙醇燃料電池的改進(jìn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

器材：兩個(gè)礦泉水瓶、小刀、熱熔膠、粗吸管、電流計(jì)、兩根碳棒

藥品：無(wú)水乙醇、6mol/L氫氧化鈉溶液、27.5%雙氧水、硫酸鈉固體、二氧化錳、瓊脂、KCl、絕緣膠布、導(dǎo)線若干

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

（1） 吸管剪成5cm長(zhǎng)，裝滿用飽和KCl溶液浸泡的瓊脂混合液。

（2） 取兩個(gè)空的礦泉水瓶，用小刀在距離底部大約8cm處割開(kāi)。

（3） 取礦泉水瓶的下半部，在距離底部大約2cm處打孔，裝上上述5cm長(zhǎng)的吸管，用熱熔膠粘牢，見(jiàn)圖2。

（4） 用絕緣膠布固定碳棒和導(dǎo)線，將導(dǎo)線連接到電流計(jì)上。

（5） 將25mL6mol/L的氫氧化鈉溶液倒進(jìn)一個(gè)礦泉水瓶中，再倒入15mL無(wú)水乙醇。

（6） 在另一個(gè)礦泉水瓶中先加二氧化錳，再加硫酸鈉固體，最后加入30mL 27.5%的雙氧水，迅速產(chǎn)生大量氣泡。

（7） 插入石墨電極，如圖2。

（8） 電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)到145μA，7分鐘后開(kāi)始回落，下降的幅度小，經(jīng)過(guò)70分鐘，電流降低到100μA。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 加氫氧化鈉、硫酸鈉是為了增強(qiáng)溶液的導(dǎo)電性。

（2） 導(dǎo)線連接處要確保充分接觸。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要倒出溶液。

（4） 將吸管插進(jìn)用KCl溶液浸泡的瓊脂，就可以制得簡(jiǎn)易的鹽橋。

4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 電流穩(wěn)定，放電久。相對(duì)于單液原電池，雙液原電池產(chǎn)生的電流持續(xù)且穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)一中放電的時(shí)長(zhǎng)取決于電解時(shí)間的長(zhǎng)短，但電解同等時(shí)間，雙液原電池的小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)可增加一倍多。實(shí)驗(yàn)二中電流計(jì)的指針最初偏轉(zhuǎn)到145μA，7分鐘后才開(kāi)始減弱，70分鐘后電流指針才回落到100μA。

（2） 現(xiàn)象明顯，反應(yīng)快。實(shí)驗(yàn)一中當(dāng)9V方塊電池連接到電路中，立即產(chǎn)生大量氣泡。電解4～5分鐘后迅速連接好小風(fēng)扇，小風(fēng)扇立即轉(zhuǎn)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)二的電流計(jì)一旦插入石墨電極能發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)。

（3） 裝置簡(jiǎn)單，易操作。若要實(shí)驗(yàn)一的小風(fēng)扇轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)點(diǎn)，可以延長(zhǎng)電解水的時(shí)間；實(shí)驗(yàn)二的電流小了，可以適當(dāng)添加無(wú)水乙醇或27.5%的雙氧水。

（4） 實(shí)驗(yàn)便捷，用時(shí)短。兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)都可在短時(shí)間內(nèi)完成，非常適合課堂演示或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)。

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