氢氧燃料电池“diy”设计与优化

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1、氢氧燃料电池“DIY”设计与优化临澧县第一中学肖修锋一、问题的提出当今世界能源问题是一个灸手可热的话题，而燃料电池的开发与利用无疑是解决这一问题的重要途径。人教版普通高中实验教科书《必修2》、《选修4》分别介绍了燃料电池特点、用途和原理，这部分内容理论性较强，而教材中没有安排相应的实验，很多学生还误认为燃料电池是可燃物燃烧后才会产生电流。同时由于没有现成的实验装置，很少有老师演示这个实验。二、实验目的利用生活常见物品组成燃料电池装置。先将电能转化为化学能，再将氢和氧的化学能转化成电能，将电解和燃料电池结合起来，直观的展示了水的电解和化学电源中燃料电池的工作原理，激发学生的学习兴趣，提高学生理论

2、联系实际的能力，为今后解决能源危机问题搭建平台。三、实验仪器及试剂仪器：玻璃杯、9V干电池、中华牌铅笔、5号干电池碳棒、20ml一次性注射器、音乐贺卡上的小喇叭、石英钟、发光二极管、导线、电压表等试剂：醋酸精，氢氧化钠溶液，碳酸钠溶液等四、实验装置示意图及原理小功率用电器KKO2H2Na2CO3溶液图1燃烧电池电解示意图图2燃烧电池放电示意图图3燃烧电池原理示意图图4自制燃烧电池实物图图5燃烧电池开路电压图图6燃烧电池电路中的石英钟1五、实验操作1、按图1组装好仪器。向烧杯中倒入2mol/LNa2SO4溶液，排出针筒内空气，让溶液浸没带木屑的铅笔芯。2、用导线将铅笔芯电极与9V干电池相连，电解

3、2分钟左右。可以观察到碳棒上出现大量气泡，同时针筒内液面下降，两极都有气体聚集。3、将导线与电源断开，直接与电压表相连，测出燃料电池的电压，再与石英钟、二极管、小喇叭等小用电器相连，观察现象。六、装置的设计与优化表1电解质种类与燃料电池放电能力研究电解质种类电解电压(V)电解时长(min)电极燃料电池开路电压（V）2mol/L醋酸溶液92带木屑铅笔芯2.02mol/L烧碱溶液92带木屑铅笔芯2.22mol/L苏打溶液92带木屑铅笔芯2.3结论：燃料电池的放电能力与电解质种类、酸碱性没有必然联系，鉴于物品腐蚀性、原料价格等因素，实验中选择苏打溶液为电解质。表2电解质浓度与燃料电池放电能力研究Na

4、2CO浓度燃料电池开路3电解电压(V)电解时长(min)电极（mol/L）电压（V）0.59V2带木屑铅笔芯1.219V2带木屑铅笔芯1.829V2带木屑铅笔芯2.3结论：燃料电池的放电能力与电解质中的离子浓度有关，在一定范围内，离子浓度越大，电池内阻越小，放电能力越强。实验中选择2mol/LNa2CO3为电解质。表3电解电压与燃料电池放电能力研究电解电压(V)电解时长(min)电解质电极燃料电池开路电压（V）622mol/LNa2CO3带木屑铅笔芯2.2922mol/LNa2CO带木屑铅笔芯2.231222mol/LNa2CO带木屑铅笔芯2.23结论：燃料电池的放电能力与电解电压的高低无关。

5、实验中选择9V双鹿电池为电解电源。表4电解时间与燃料电池放电能力研究2电解时长(min)电解电压(V)电解质溶液192mol/LNa2CO3292mol/LNa2CO3392mol/LNa2CO3电极燃料电池开路电压（V）带木屑铅笔芯2.1带木屑铅笔芯2.2带木屑铅笔芯2.2结论：在一定时间限度内，燃料电池的放电能力与电解时间无关。实验中选择电解2分钟。表5电解质种类与燃料电池放电能力研究电极材料电解电压(V)电解时长(min)电解液燃料电池开路电压（V）干电池碳棒922mol/LNa2CO31.6淬火后的干电922mol/LNa2CO3峰值2.0V,不稳池碳棒定铅笔芯922mol/LNa2

6、CO1.83带木料铅笔芯922mol/LNa2CO2.3，较稳定3分析：干电池中的碳棒经淬火处理后，表面积增大，使得电极吸附气体的表面积增大，因而电池的开路电压增大。带木料的铅笔芯也是增大了电极吸附气体的表面积，同时铅笔芯中粘土的某些稀土元素对气体的反应可能起到了催化作用，使得电池中的电压比较稳定。结论：带木料的铅笔芯是较理想的电极。通过以上探究，优化后的氢氧燃料电池参数为电极材料电解电压(V)电解时长(min)电解液燃料电池开路电压（V）带木料铅笔芯922mol/LNa2CO2.3，较稳定3七、实验改进意义1、取材方便，清洁环保。该装置全部取材于生活，便于学生开展课外探究，为学生参与解决能源

7、危机问题搭建了一个平台。2、设计巧妙，操作简单。该装置集电解池与原电池于一体，操作简单方便。3、方法科学，效果明显。实验中应用控制变量法，优化燃料电池的条件，显著的提高了电池的供电能力3