氢氧燃料电池演示实验的改进

摘要： 制作简单的燃料电池是高中化学中一个重要的实验内容。在教材实验的基础上，从电极材料、实验装置、用电器等三个方面改进氢氧燃料电池实验，优化电解电压、电解质溶液的种类及浓度等实验条件。实验原理清晰明了，操作简单易行，实验效果显著，适合课堂演示实验。同时，利用生活中易得的物品开发镁燃料电池实验，实验设计新颖，实验现象直观。

关键词： 氢氧燃料电池实验; 镁燃料电池; 实验改进; 实验探究

文章编号： 10056629（2022）04007405

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

燃料电池是一种高效清洁的新型化学电源，能量转换率高、低排放、无污染。目前，燃料电池已在生产、生活、国防、科技等领域大显身手。燃料电池是高中化学教学的重要内容，《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确将制作简单的燃料电池列为选择性必修课程的学生必做实验[1]。以氢气为燃料的氢氧燃料电池是理想的化学电源。如何在课堂教学中演示氢氧燃料电池实验，帮助学生真实感受燃料电池的发电过程，认识燃料电池的工作原理呢？

经过一系列的探索，改进了氢氧燃料电池实验，优化了实验条件，实验原理清晰明了，操作简单易行，实验效果显著，适合课堂演示实验。同时，开发了镁燃料电池实验，实验设计新颖，现象生动有趣。在教学中不断探索前行，帮助学生建构原电池的认知模型，认识化学与人类生活的密切关系，感悟化学学科价值，增强科学探究能力与创新意识。

1 氢氧燃料电池改进实验

1.1 教材实验分析

氢氧燃料电池可以分为两种类型： 一种为人教版《化学（选择性必修1）》[2]的燃料氢气和氧化剂氧气连续地由外部供给并在电极上进行反应，于是就连续不断地提供电能。另一种为苏教版《化学（必修第二册）》[3]的电解水式的燃料电池，先电解水产生氢气和氧气，再断开电源，给用电器供电。

苏教版教材给出了实验方案： 使用多次淬火制得的多孔碳棒电极作为工作电极电解水，一段时间后断开外接直流电源，接入发光二极管（见图1）。然而，实际操作中发现该实验效果欠佳（灯亮时间太短等）。原因可能为： 多次淬火得到的多孔碳棒电极吸附气体效果不理想，且处理碳棒电极操作较为复杂;电解产生的气体易相互扩散或直接逸散到空气中，使两个电极附近氢气和氧气的浓度减小;

电池产生的电压小，不足以较长时间维持发光二极管的启辉电压1.7V。

1.2 对部分文献研究结果的评述

在中国知网上检索近十年来“氢氧燃料电池实验的改进”相关文献。对于电解水式的氢氧燃料电池，研究方案主要有改进电极材料、选择电解质溶液、选择合适的用电器和改进实验装置等。改进电极材料可以使用非碳棒材料（如2B铅笔芯、钢丝球以及PAN基碳纤维毡等）、在碳棒电极上包裹材料（如海绵、泡沫、2B铅笔芯粉末等）以及多孔碳棒电极（如通过多次淬火得到）;研究电解质溶液的种类、浓度等影响因素来优化实验条件;选择发光二极管、音乐贺卡以及小风扇等用电器以达到理想的实验效果;改进实验装置可以使用U型管、装置微型化以及制作燃料电池演示仪等[4～8]。

这些改进方案有许多值得借鉴、学习的地方，也有一些有待改进的地方。比如，有些方案实验操作较为复杂、实验现象不够明显，不太适合课堂演示实验;有些实验装置构造不清晰，不易帮助学生建构原电池的认知模型。而这些正是我们需要做深入研究的，以推动氢氧燃料电池实验能早日成功地走进课堂教学中。

1.3 氢氧燃料电池改进实验

1.3.1 实验用品

学生工作电源、石墨电极（直径5mm，长度10cm）、250mL三颈烧瓶、长玻璃管、药匙、纱布、棉线、导线（带鳄鱼夹）、小风扇、酒精灯、活性炭粉末、活性炭颗粒、0.5mol/L（以及1mol/L、 2mol/L） Na2SO4溶液、0.5mol/L H2SO4溶液、0.5mol/L KOH溶液、蒸馏水

1.3.2 实验改进思路

电解水式的氢氧燃料电池，先电解水产生氢气和氧气。对于涉及气体的半反应，气体必须吸附在电极上才能参加反应[9]。因此，实验成功的关键是寻找合适的电极材料来提高吸附气体的能力，增大电池的电压，延长放电时间。本实验利用活性炭颗粒具有较强的吸附作用，采用活性炭颗粒包埋的碳棒电极作为工作电极，提高对氢气和氧气的吸附能力，增大电极附近氢气和氧气的浓度（如图2所示）。同时，采用三颈烧瓶和长玻璃管组合作为实验装置，将两极产生的气体分隔开;采用工作电压较小的小风扇作为用电器，容易被氢氧燃料电池驱动。

1.3.3 实验步骤

（1） 组装燃料电池装置： 取一药匙活性炭粉末或活性炭颗粒包埋的碳棒电极后，以纱布包裹、棉线缠绕，制得活性炭粉末或颗粒包埋的碳棒电极。将碳棒电极在高温火焰上灼烧到红热，迅速放入冷水中（淬火），反复多次操作，制得多孔碳棒电极。向三颈烧瓶中加入电解质溶液，直至三颈烧瓶颈部。向三颈烧瓶的中间颈部管口插入带有长玻璃管的橡胶塞，另外两端颈部管口塞入带有工作电极的橡胶塞。以学生工作电源为电源，以小风扇为用电器。将电源、工作电极、三颈烧瓶、长玻璃管和小风扇组装成简单的氢氧燃料电池装置。

（2） 电解水储存H2和O2： 接通学生工作电源，在选定的电压下，电解溶液30s。

（3） 氢氧燃料电池供电： 断开学生工作电源，接入连有小风扇的电路。

1.3.4 实验条件优化及结论

探究电解电压、电解质溶液的种类（酸性、中性、碱性）、电解质溶液的浓度对燃料电池工作效能的影响，以选择最佳的实验条件。

（1） 电解电压：

分别采用碳棒电极、多孔碳棒电极、活性炭粉末包埋的碳棒电极、活性炭颗粒包埋的碳棒电极作为工作电极，在不同电压下，电解0.5mol/L Na2SO4溶液30s，比较小风扇转动时间。对比发现，12V电压下使用活性炭颗粒包埋的碳棒电极，氢氧燃料电池工作时间最长（见表1）。因此，选择12V作为电解溶液的电压。

（2） 电解质溶液的种类：

分别采用四种不同的工作电极，在12V电压下，电解0.5mol/L Na2SO4溶液、H2SO4溶液、KOH溶液30s，比较小风扇转动时间。对比发现，使用活性炭颗粒包埋的碳棒电极，电解中性电解质溶液（0.5mol/L Na2SO4溶液），氢氧燃料电池工作时间最长（见表2）。这是因为电解Na2SO4溶液时，负极的氢气端处于碱性环境，正极的氧气端处于酸性环境，电池负极的电位更负，电池正极的电位更正，从而增大电池电动势。因此，选择Na2SO4溶液作为电解质溶液。

（3） Na2SO4溶液的浓度：

分别采用四种不同的工作电极，在12V电压下，电解0.5mol/L、1mol/L、 2mol/L Na2SO4溶液30s，比较小风扇转动时间。对比发现，使用活性炭颗粒包埋的碳棒电极，电解2mol/L Na2SO4溶液30s，氢氧燃料电池工作时间最长，长达16多分钟（1005s）（见表3）。但是，有研究表明，Na2SO4溶液浓度升高，溶液导电能力随之增强，当外接电源电压过高时，电源会过载而停止工作[10]。而本实验中电解0.5mol/L Na2SO4溶液30s，燃料电池的工作时间达4分钟左右（250s），足够满足课堂教学的需求。因此，选择0.5mol/L的Na2SO4溶液作为电解质溶液。

根据以上的实验探究，选用活性炭颗粒包埋的碳棒电极、12V电压下电解0.5mol/L Na2SO4溶液30s作为优化的实验条件制作氢氧燃料电池，能达到理想的实验效果。在该条件下实验，我们观察到： 电解时，电极表面均产生气泡，负极与正极产生的气体体积比约为2∶1，长玻璃管内的液面明显上升;氢氧燃料电池工作时，小风扇快速转动达4分钟左右，长玻璃管内液面逐渐下降。

1.3.5 实验优点

笔者从三个方面改进氢氧燃料电池实验，原理清晰明了、操作简单易行、实验效果显著，节时高效，极大地提高了实验的成功率，适合课堂演示实验。

（1） 使用活性炭颗粒包埋的碳棒电极作为工作电极。电解产生的气体被储存在活性炭的小孔中，增大了电极周围H2或O2的浓度，从而能产生足够的电压来驱动用电器工作，且能维持较长时间。活性炭颗粒不易流失，易于回收、重复使用。制作电极过程简便，不需多次淬火，减少了准备实验的时间。

（2） 使用三颈烧瓶和长玻璃管组合的实验装置。将两极产生的气体分隔开，便于气体吸附在相应的电极上。明显观察到负极与正极产生的气体体积比约为2∶1。整个实验过程中，长玻璃管内液面有明显的升降，直观体现气体的生成和消耗。

（3） 利用工作电压较小的小风扇作为用电器，易于被氢氧燃料电池驱动。只需电解30s后，氢氧燃料电池工作即能使小风扇快速转动，且持续4分钟左右。

2 镁燃料电池实验

镁燃料电池主要由镁、中性盐电解质和空气（O2或其他氧化剂如H2O2）三部分组成[11]。电池工作时，Mg失去电子被氧化，O2或H2O2得到电子被还原。镁燃料电池具有放电电压稳定、高能量密度、原料来源丰富、使用安全以及无生态污染等特点，是近年来开发的一种新型水下化学电源。笔者尝试利用生活中的物品开发镁燃料电池实验，具有微型化、趣味化等特点[12]。

2.1 实验用品

镁条、2B铅笔芯（直径1mm，长度5cm）、砂纸、导线（带鳄鱼夹）、细铜线（直径0.5mm）、果冻杯、音乐闪灯贺卡、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、酒精灯、琼脂、饱和食盐水、30% H2O2溶液、4mol/L稀硫酸、酚酞、湿润的淀粉碘化钾试纸

2.2 实验设计： 如图3、图4所示（略去鳄鱼夹）。

2.3 实验说明

2.3.1 镁空气盐水燃料电池（果冻电池）

1L饱和食盐水中加入7g琼脂粉，不断搅拌、煮沸，将其倒入果冻杯内，冷却、凝固为胶状物质，模拟海水作为电解质溶液。将一根经砂纸打磨后的镁条和一支2B铅笔芯插入其中，连接音乐闪灯贺卡（如图3所示）。立即听到音乐声响起，闪灯随音乐而闪烁。用万用表测定该电池的工作电压为1.80V左右。

2.3.2 镁过氧化氢盐水燃料电池

向上述电池中的2B铅笔芯附近滴加几滴30%双氧水溶液和1滴4mol/L稀硫酸，立即听到更响亮、更流畅的音乐声，闪灯也更明亮。用万用表测定该电池的工作电压为2.13V左右。

2.3.3 镁燃料电池组电解饱和食盐水

采用前述方法，利用琼脂制作含有饱和食盐水的凝胶状电解液的果冻杯，插入两支2B铅笔芯作为工作电极，接入外接电源即可作为电解池使用。利用细铜丝将4个果冻电池（镁燃料电池）串联得到电池组，电解前述制得的果冻杯内的饱和食盐水（如图4所示）。1分钟内即有明显现象： 阴极区电极附近由于有OH-产生，滴加酚酞后该区域明显变红;阳极区电极附近由于有Cl2生成，放置在该区域的湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝。

2.4 实验优点

（1） 取材简易： 实验中使用的2B铅笔芯、果冻杯等为来源于生活中的物品，简便易得;利用琼脂制作的凝胶状电解液不易流失，可用于固定电极。

（2） 装置微型： 实验装置小巧，如果在果冻杯上方覆膜，撕开即可用，便于携带;电极和电解液均可替换，可开发系列化的金属燃料电池。

（3） 富有趣味： 两种镁燃料电池分别接入音乐闪灯贺卡电路，实验现象有显著差别，生动有趣;变换不同的电极，果冻电池既可以作为原电池又可以作为电解池使用。

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）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学（选择性必修1化学反应原理）（第1版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 98.

[3]王祖浩主编. 普通高中教科书·化学（必修第二册）（第1版）[M]. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 23.

[4]孙涛， 张春明. 氢氧燃料电池实验的改进[J]. 化学教与学， 2019， （3）： 94～95.

[5]徐慧虹， 陈迪妹. 氢氧燃料电池实验中塑料泡沫的使用[J]. 中学化学教学参考， 2015， （2）： 58.

[6]耿亚萍. 化学能与电能相互转化的实验改进[J]. 化学教与学， 2015， （4）： 92～93.

[7]

[10]梁秋婵， 陈博莉. 氢氧燃料电池实验的装置改进与实验条件优化[J]. 化学教育， 2019， 40（21）： 70～73.

[8]戴乐. 氢氧燃料电池演示仪的开发与使用[J]. 化学教学， 2010， （11）： 7～8.

[9]北京师范大学， 华中师范大学， 南京师范大学. 无机化学（下册）（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2010： 358.

[11]于永民. 简易镁燃料电池教具的制作与应用[J]. 化学教学， 2016， （1）： 61～63.

[12]于永民. 若干电化学微型实验的设计[J]. 化学教学， 2013， （7）： 44～47.