燃料电池实验的改进

摘 要：  制作简易的燃料电池是高中化学学生必做实验之一。针对现行教材中该实验和文献中若干改进实验存在的不足，结合双液原电池相对于单液原电池，在能量转化效率和提供持续稳定电流方面具有的显著优势提出新的改进方案。通过调整盐桥中琼脂的黏稠度和盐桥的长度分别改进了氢氧燃料电池和乙醇燃料电池。新的改进实验装置简单、现象明显、电流持续且稳定。

关键词：  氢氧燃料电池； 乙醇燃料电池； 实验改进； 黏稠度

文章编号： 10056629（2024）12007303

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

氢氧燃料电池技术被认为是未来实现“双碳”目标的重要途径，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》也将制作简单的氢氧燃料电池列为学生必做实验之一［1］。但在实际教学中，“讲”燃料电池是十分普遍的教学现象，据了解，课堂演示该实验的学校少之又少，更不用说让学生自己动手制作燃料电池了。目前，电动车已较普及，但学生对燃料电池的构造和工作原理仍缺乏感性认知。从学生的视角看，电源的两个电极应是不同的导电材料，气体不是固体，不可能做电极材料，如何形成燃料电池；从教师的视角看，学生对燃料电池的认识是抽象的，且反应装置复杂，对实验的操作要求高，实验现象也不明显，课堂演示还有时不能达到预期效果；从教材层面看，有的教材中关于燃料电池的介绍也仅限于文字说明，未作实验安排。想消除学生对燃料电池的质疑，需要让学生亲身参与燃料电池的制备，通过明显的实验现象，明晰其科学原理，从而打消学生的疑虑。所以，燃料电池的改进应聚焦于高效化，让实验改进真正发挥实验的教学功能。

2 相关文献评析

查阅教学期刊，燃料电池中关于氢氧燃料电池的改进居多，其论文性质主要分为三类。

第一类为燃料的来源。一是由外部供应，其原理是用铂金做电极，将氢气和氧气直接由外部通入；二是由电解水获得燃料电池［2］。

第二类为电极的改进。Pt应是最理想的选择，但其价格昂贵，较难普及到普通高中的日常教学。张宝军采用废旧干电池的碳棒，不做任何处理的情况下直接用来做电极［3］；苏教版教材中对燃料电池的电极进行了活化处理，即将碳电极放在高温火焰上灼烧到红热，然后迅速浸入冷水中，制得多孔碳棒电极［4］。

第三类为电解质溶液的选择。查阅资料得知，电解质溶液对3mm LED发光二极管具有较大影响。H2SO4、 NaOH、 Na2SO4都是常见且常用的电解质溶液。因为电离出离子的种类和产生的离子数目不同，导致其导电能力也不同，最终二极管发光时间也不同。相同的通电时间，用Na2SO4溶液作为电解质体系支持LED二极管发光的时间更持久［5，6］。

还有一些改进则是针对氢氧燃料电池实验装置的微型化、高效化进行创新设计。每一个改进细节都体现了实验创新的真实意图，以达到最好的实验教学功能，改进后的实验现象明显，具有高效、趣味等优点［7，8］。

受教材和文献中改进实验的启发，本文对燃料电池的教学实验也进行了改进，以飨读者。

3 实验改进

3.1 氢氧燃料电池的改进

3.1.1 实验用品

器材：9V方块电池、9V电池扣、小风扇、两个碳棒、U型管

药品：Na2SO4固体、10%硫酸溶液、饱和KCl溶液、琼脂

3.1.2 实验装置

改进后的实验装置如图1所示。

3.1.3 实验步骤和现象

（1） 将饱和KCl溶液浸泡的琼脂混合液置于U型管底部。

（2） 用绝缘胶布固定石墨电极和9V电池扣。

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

（4） U型管两边注入上述硫酸和Na2SO4的混合液。

（5） 将9V的方块电池连接到电路上，两支碳棒都产生大量的气泡，与电源负极相连的一端产生的气体比另一端产生的气体多。

（6） 当气体非常多的时候，取下方块电池。

（7） 迅速将小风扇连接到电路中，小风扇可转约50秒。

3.1.4 实验注意事项

（1） U型管两边不要注满硫酸和Na2SO4的混合液，防止电极放入时液体溢出。

（2） 盐桥中琼脂的黏稠度要低点，离子浓度要高些。

（3） 电解时间5分钟为宜。

（4） 移走电池后，要迅速连接好小风扇。

3.2 乙醇燃料电池的改进

3.2.1 实验用品

器材：两个矿泉水瓶、小刀、热熔胶、粗吸管、电流计、两根碳棒

药品：无水乙醇、6mol/L氢氧化钠溶液、27.5%双氧水、硫酸钠固体、二氧化锰、琼脂、KCl、绝缘胶布、导线若干

3.2.2 实验装置

改进后的实验装置如图2所示。

3.2.3 实验步骤和现象

（1） 吸管剪成5cm长，装满用饱和KCl溶液浸泡的琼脂混合液。

（2） 取两个空的矿泉水瓶，用小刀在距离底部大约8cm处割开。

（3） 取矿泉水瓶的下半部，在距离底部大约2cm处打孔，装上上述5cm长的吸管，用热熔胶粘牢，见图2。

（4） 用绝缘胶布固定碳棒和导线，将导线连接到电流计上。

（5） 将25mL6mol/L的氢氧化钠溶液倒进一个矿泉水瓶中，再倒入15mL无水乙醇。

（6） 在另一个矿泉水瓶中先加二氧化锰，再加硫酸钠固体，最后加入30mL 27.5%的双氧水，迅速产生大量气泡。

（7） 插入石墨电极，如图2。

（8） 电流计的指针偏转到145μA，7分钟后开始回落，下降的幅度小，经过70分钟，电流降低到100μA。

3.2.4 实验注意事项

（1） 加氢氧化钠、硫酸钠是为了增强溶液的导电性。

（2） 导线连接处要确保充分接触。

（3） 实验结束后，要倒出溶液。

（4） 将吸管插进用KCl溶液浸泡的琼脂，就可以制得简易的盐桥。

4 改进实验的优点

（1） 电流稳定，放电久。相对于单液原电池，双液原电池产生的电流持续且稳定。实验一中放电的时长取决于电解时间的长短，但电解同等时间，双液原电池的小风扇转动的时长可增加一倍多。实验二中电流计的指针最初偏转到145μA，7分钟后才开始减弱，70分钟后电流指针才回落到100μA。

（2） 现象明显，反应快。实验一中当9V方块电池连接到电路中，立即产生大量气泡。电解4～5分钟后迅速连接好小风扇，小风扇立即转动；实验二的电流计一旦插入石墨电极能发生明显的偏转。

（3） 装置简单，易操作。若要实验一的小风扇转的时间长点，可以延长电解水的时间；实验二的电流小了，可以适当添加无水乙醇或27.5%的双氧水。

（4） 实验便捷，用时短。两个改进实验都可在短时间内完成，非常适合课堂演示或学生分组实验。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 6.

［2］梁秋婵， 陈博. 氢氧燃料电池实验改进的研究综述［J］. 教育与装备研究， 2020， （4）： 44～48.

［3］张宝军. 绿色氢氧燃料电池实验的设计与优化［J］. 文理导航（中旬）， 2015， （1）： 54～55.

［4］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学2（必修）［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 23.

［5］盛荣. 对简易氢氧燃料电池实验的商榷及重制［J］. 化学教学， 2017， （5）： 56～57.

［6］陈静， 陈懿. 氢氧燃料电池演示实验的改进［J］. 化学教学， 2022， （4）： 74～75.

［7］朱明建. 自制液压储气式氢氧燃料电池［J］. 化学教学， 2022， （4）： 87～88.

［8］王新福. 用多孔泡沫金属改进中学化学实验的若干案例［J］. 化学教学， 2024， （1）： 71～73.