提升氫氧燃料電池演示效果的實驗改進

文章編號： 1005-6629（2025）07-0060-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出

在當今能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的大背景下，氫氧燃料電池憑借其卓越的高效能量轉(zhuǎn)換效率以及環(huán)境友好性，已然成為高中化學教學中極具價值的教學內(nèi)容。它巧妙地將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，為學生展現(xiàn)了新能源技術(shù)的前沿魅力，對培養(yǎng)學生的科學探究、創(chuàng)新意識以及社會責任素養(yǎng)具有深遠意義。

然而，深人剖析人教版選擇性必修1《化學反應原理（2019年版）》教材第123頁實驗活動5所介紹的簡易氫氧燃料電池（如圖1所示），不難發(fā)現(xiàn)其在實際教學應用中暴露出諸多亟待解決的問題，這些問題在一定程度上削弱了實驗教學的成效。

具體而言，該簡易燃料電池在實驗過程中存在以下明顯不足。

1.1 氫氣和氧氣附著量有限導致放電時間 短促

電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣附著量極為有限，導致燃料電池的放電時間顯著縮短，使發(fā)光二極管在短時間內(nèi)便迅速熄滅。這一現(xiàn)象嚴重影響了實驗的觀察效果，使學生難以觀察到燃料電池長時間穩(wěn)定運行的全過程。

1.2 重復電解過程增加實驗復雜性

每次演示實驗結(jié)束后，若需再次演示，必須重新啟動電解過程。這一繁瑣的重復操作流程，不僅增加了實驗的復雜性與耗時性，而且在一定程度上降低了教學的連貫性與演示的流暢性，使得教師在不同教學環(huán)節(jié)之間難以實現(xiàn)無縫銜接，影響了教學節(jié)奏與學生的學習體驗。

圖1教材中的氫氧燃料電池實驗裝置示意圖

1.3電解速率緩慢制約實驗效果

電解速率緩慢，成為制約實驗效果的關鍵瓶頸。緩慢的電解速率意味著在有限的教學時間內(nèi)，難以獲得足夠的氫氣和氧氣，從而無法滿足燃料電池長時間穩(wěn)定運行的需求。這不僅浪費了寶貴的教學時間，而且使得實驗教學的效果大打折扣。

1.4學生電源笨重影響便攜性

學生電源體積大、重量重，極大地限制了實驗裝置的便攜性。在實際教學場景中，不同班級的教室布局與教學設備配置往往存在差異，而笨重的學生電源使得實驗裝置難以在不同班級之間靈活轉(zhuǎn)移與展示。這在一定程度上阻礙了氫氧燃料電池實驗在更廣泛范圍內(nèi)的推廣與應用，不利于該教學活動的普及化開展，進而影響了氫氧燃料電池知識在學生群體中的廣泛傳播與深入理解。

鑒于上述種種不足，人教版教材未明確將燃料電池的演示實驗列為強制性教學要求。這一決策雖出于對現(xiàn)有實驗裝置局限性的考量，但在客觀上可能導致教師與學生對氫氧燃料電池實驗的重視程度有所減弱。

在氫氧燃料電池的研究與應用過程中，眾多學者致力于對其裝置進行優(yōu)化與改進，以期提升其性能。例如，林保萍[1]巧妙地將氫氧燃料電池的電源優(yōu)化為特斯拉線圈，為燃料電池的供電方式提供了新的思路；姜忠[2則將電極材料改為PAN基碳纖維氈，拓展了電極材料的選擇范圍;耿華田[3通過增加碳棒的數(shù)量，對燃料電池的結(jié)構(gòu)進行了有益的調(diào)整，等等。這些優(yōu)化與改進在一定程度上有效提升了氫氧燃料電池的性能，然而，仍存在不夠簡單輕便難以滿足實際演示對便捷性的要求。鑒于此，本研究聚焦于氫氧燃料電池的演示裝置優(yōu)化，針對性地開展以下改進工作，旨在攻克簡單輕便這一關鍵難題，為氫氧燃料電池的演示實驗提供更加高效、便捷的解決方案。

2改進后的實驗裝置

2.1 “山”形管的應用

將傳統(tǒng)的U形管改進為“山\"形管，如圖2所示，左側(cè)為精心繪制的“山”形管設計圖，右側(cè)為插入橡膠塞和石墨電極的裝置圖。優(yōu)化后的“山\"形管結(jié)構(gòu)巧妙地實現(xiàn)了氫氣與氧氣在兩極的分區(qū)儲存，這一獨特的設計極大地提升了電極對氣體的吸附量，進而為燃料電池的反應提供了更為充裕的反應物供應，從根本上有效延長了燃料電池的放電時長。這一關鍵性的結(jié)構(gòu)改進，使燃料電池能在更長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)，顯著增強了實驗過程中的觀察效果。

圖2“山”形管的設計和實驗裝置示意圖

2.2 電壓數(shù)字化傳感器與數(shù)據(jù)顯示模塊的引人

將傳統(tǒng)的發(fā)光二極管升級為電壓數(shù)字化傳感器搭配數(shù)據(jù)顯示模塊。借助先進的電壓數(shù)字化傳感器與直觀的數(shù)據(jù)顯示模塊，燃料電池的電壓變化能夠?qū)崟r、精準地呈現(xiàn)于學生眼前，徹底改變了以往僅通過發(fā)光二極管亮度變化來粗略判斷電壓輸出的傳統(tǒng)模式，學生能夠清晰地觀察到燃料電池的電壓輸出情況，增強了實驗數(shù)據(jù)的可視化效果。同時，傳感器的靈敏度高，能夠準確捕捉到微小的電壓變化，為學生分析燃料電池的工作性能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，有助于學生更深入地理解燃料電池的工作原理。

2.3電解質(zhì)溶液的優(yōu)化

硫酸鈉在水中的溶解度如表1所示。常溫下其溶解度相對較低，當溫度進一步降低時，硫酸鈉的溶解度減小更為明顯，導致飽和硫酸鈉溶液中離子濃度不高，溶液導電能力較弱，從而使得電解速率難以提升。為了解決這一問題，本研究經(jīng)過多次實驗探索發(fā)現(xiàn)，在飽和硫酸鈉溶液中加人等物質(zhì)的量的硫酸，可以促使硫酸鈉轉(zhuǎn)化為硫酸氫鈉。此轉(zhuǎn)化過程顯著提高了溶液中的離子濃度，大幅增強了溶液的導電性，進而加快了電解過程中電子的遷移速率，有效提升了電解反應的效率。這一改進措施使得氫氣和氧氣的生成速率顯著加快，能夠更好地滿足燃料電池快速放電的需求，顯著縮短了實驗時間，提高了實驗效果。這使得學生能夠在有限的課堂時間內(nèi)充分觀察和理解燃料電池的工作過程，為燃料電池相關教學活動的開展提供了有力支持。

表1硫酸鈉的溶解度、質(zhì)量分數(shù)和物質(zhì)的量濃度表

2.4 電源的改進

在日常生活中，充電寶是一種穩(wěn)定且便攜的電源設備，本研究創(chuàng)新性地將學生電源替換為充電寶，旨在提升實驗的便攜性和安全性。具體操作流程如下：首先，準備一根USB公頭線，將USB公頭線正負兩極分別接上鱷魚夾，將連接好鱷魚夾的USB公頭線插入充電寶即可利用充電寶作為電源開展電解實驗。

充電寶以其體積小巧、重量輕便的特性，極大地便利了實驗設備的攜帶與移動，顯著增強了實驗的靈活性與適用范圍。

3改進后的實驗測試

改進后的氫氧燃料電池裝置如圖3所示。

圖3改進后的氫氧燃料電池

3.1 電壓穩(wěn)定性測試

為了精確評估改進后燃料電池裝置的電壓穩(wěn)定性，本研究借助先進的電壓數(shù)字化傳感器對其進行了全方位的細致測試。測試結(jié)果顯示，在實驗初始階段，

燃料電池的輸出電壓呈現(xiàn)出較為明顯的波動特征；然而，隨著實驗的持續(xù)進行，經(jīng)過一定時間的運行后，其輸出電壓逐漸趨于穩(wěn)定，且后續(xù)電壓波動范圍顯著縮小。

3.2 放電時間測試

本研究對燃料電池實驗裝置進行了結(jié)構(gòu)性改進，成功引人了獨特的“山\"形管設計。這一巧妙的結(jié)構(gòu)變革不僅顯著增加了氣體儲存量，還有效擴大了電極吸附面積，從而促使更多的氫氣和氧氣能夠高效地參與到放電反應中。經(jīng)過嚴謹?shù)膶嶒烌炞C，改進后的燃料電池放電時間顯著延長，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2改進后氫氧燃料電池放電時間與電壓數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果表明，改進后的燃料電池不僅在放電時間上實現(xiàn)了大幅增長，而且能夠持續(xù)穩(wěn)定地輸出電壓，這一特性極大地增強了實驗的直觀性和說服力。

3.3實驗演示效率提升測試

通過對電解質(zhì)溶液進行優(yōu)化，本研究成功實現(xiàn)了電解速率的顯著提升。氫氣和氧氣的生成速率隨之加快，進而促使燃料電池能夠更迅速地進入工作狀態(tài)。這一改進有效地縮短了實驗的準備時間，大幅度提高了實驗效率。

4結(jié)語

本課題針對教材中傳統(tǒng)氫氧燃料電池實驗在教學中存在的問題，提出了一系列創(chuàng)新性的改進方案。通過將U形管改為“山\"形管、升級發(fā)光二極管改為電壓數(shù)字化傳感器、在飽和硫酸鈉溶液中添加硫酸以及使用充電寶替代學生電源，顯著提升了燃料電池的性能和便攜性。實驗結(jié)果表明，改進后的裝置在電壓穩(wěn)定性、放電時間、操作便捷性和攜帶方便性等方面均有顯著提升，非常適合課堂教學演示。

參考文獻：

[1］林保萍.對氫氧燃料電池實驗的改進[J]．中國現(xiàn)代教育裝備，2023，（18）：21～22.

［2］姜忠.氫氧燃料電池改進探究[J]．中學化學教學參考，2023，（13）：54～56.

［3］耿華田.氫氧燃料電池的改進[J].實驗教學與儀器，2024，41（8）：63～64.