氢氧燃料电池演示仪的开发与使用

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1、氢氧燃料电池演示仪的开发与使用戴乐（淮安市清河中学，江苏淮安，223300）摘要：笔者针对普通高中课程标准实验教科书（苏教版）—化学（必修2，第二版，P39）氢氧燃料电池实验在演示中存在的问题，通过文献检索和多次的试验，开发出可以从多角度演示氢氧燃料电池工作的氢氧燃料电池演示仪。关键词：氢氧燃料电池演示实验1．问题的提出图1燃料电池（尤其是氢氧燃料电池）以其能量转换效率高、污染小，已然成为未来电池的主角。由于燃料电池在电极制作和燃料的储存、携带方面技术要求很高，目前尚未得到普及。在倡导节能减排、低碳生活的今天，中学化

2、学教科书对于燃料电池的介绍仅限于文字和示意图是不够的，这使得学生对燃料电池认识有如纸上谈兵。通过实验引导学生认识和理解氢氧燃料电池的构造、原理和发展（如右图1），这是普通高中课程标准实验教科书（苏教版）—化学（必修2，第二版，P39）的一大特色与创新。但是学生针对这套装置提出两点疑问：（1）燃料电池要求从外界通入燃料，而该装置先充电，后放电，从能量转化的角度来讲能叫做燃料电池吗？（2）燃料电池放电时要消耗燃料气体，而该装置中无法看不到气体的消耗，如何来理解燃料电池呢？2．文献检索图2燃料电池装置图笔者查阅了大量文献资

3、料，从由P.W.阿特金斯、M.J.克吕斯顿著庄宏鑫、王和春译的《物理化学原理》（化学工业出版社，1990年）书中的一幅插图引起了笔者的思考。（如右图2）在这个燃料电池装置图中只有通入氢气的那个电极是碳极＋铂催化剂，而通入氧气的那个电极却没有催化剂。书中另一句话“整个操作的关键在于如何引发氢气在电极上放出电子。”使笔者恍然大悟。在中学化学实验室里，我们虽然无法实现工业上的操作，但是我们却可以通过电解水时阴极发生2H++2e-→H2的反应，使多孔碳电极吸附大量还原性强、易失去电子的活性氢而得到活化的氢电极（相当于工业上使

4、用了催化剂）。而氧气则可以由外界直接通入。那么电解水时阳极产生O2如何处理呢？笔者在短暂的兴奋之后又陷入困境，只好4埋头钻进图书馆，继续查阅文献资料。笔者在《化学与社会》（化学工业出版社，2008）中发现最近发展的具有实用前景的PEM燃料电池装置图中，通入O2的电极也使用了催化剂——目的在于活化O2，增强其氧化性，以获得作为实用的燃料电池所需要的较高电压和电流。我们电解水时阳极发生4OH-－4e-→2H2O＋O2的反应，使多孔碳电极吸附大量氧化性强，易得到电子的活性氧，这就得到活化的氧电极（相当于工业上使用了催化剂）

5、。笔者就想如何把由外界通入氧气和氢气形成的电极与由电解产生的氢气和氧气形成的电极（相当于工业上使用了催化剂）在放电效果上有什么差异？同时，我们又想能不能在氢氧燃料电池工作时看到气体的消耗——如气体体积的减少？基于上述疑问与思考，我们设计并制作了一个氢氧燃料电池演示仪来解决上述问题。内径为1mm的毛细管，用于显示电池工作时气体体积变化。内径为18~20mm的，用于贮存通入气体和电解产生气体排开的溶液。向电极内注入气体的导管口由外界通入O2的电极管编号：电极2与电源负极相连，电解产生H2的电极管编号：电极3多孔碳电极由外

6、界通入H2的电极管。编号：电极1与电源正极相连，电解产生O2的电极管。编号：电极43．实验仪器的制作注：该仪器已申报国家发明专利。4．实验操作步骤4.1．电极的制作：①从一号电池中拆取两根碳棒，用水洗净，用坩埚钳夹住碳棒置于酒精喷灯的火焰上灼烧至红后迅速投入冷水中，反复多次，使碳棒表面变得粗糙多孔。②将制好的电极塞入单孔塞。4.2．电池的组装：向上述演示仪中注入硫酸钠溶液直至电极管口，同时塞上插有多孔碳电极的橡胶塞，并使得电极管口没有空气残留。此时管中的硫酸钠溶液就被排入演示仪中间的贮液球泡内，但液面未能进入贮液球泡

7、上方的毛细管中。4.3．将电极3、4接在直流电源上，在电压8－12V下电解，收集一定量的氧气和氢气4后，停止电解。同时在电极1、2处导入收集好的氢气和氧气，直至贮液球泡中的液体进入毛细管一段高度。4.4．将电极1、2接上灵敏电流计，指针发生偏转（有微电流产生）。将电极2、3接上音乐贺卡，发现发光二极管不亮（此时电池的电压低于1.7V），扬声器传出动听的音乐。将电极3、4接上音乐贺卡，可以看到发光二极管亮（电池电压超过其启辉电压1.7V），扬声器传出动听的音乐。将电极4、1接上灵敏电流计，指针发生偏转（有微电流产生）。

8、同时我们还能看见毛细管中的液面缓缓下降。5．装置改进的意义5.1．将电极放入装置中，通过排液法收集一定量的氢气和氧气，增加了电极周围气体的浓度，提高了电压，延长了放电时间，使得实验效果更加明显，且成功率100%。5.2．利用电解产生氢气、氧气与外界制备好的氢气、氧气的不同组合说明氢氧燃料电池技术的关键是活性氢电极（即电解产生的氢气中有活性氢）的