自制液压储气式氢氧燃料电池

摘要： 为突破氢氧燃料电池的知识较为抽象这一教学难点，从制气、储气、用气的角度出发，借助简易启普发生器、塑料分装瓶、质子交换膜模块，鲁尔两通、三通阀塑料开关，小电风扇、氢动力小车等实验材料，设计出一套适合课堂演示且有趣味性的液压储气式氢氧燃料电池，有助于学生的学习。

关键词： 液压储气; 氢氧燃料电池; 质子交换膜; 实验探究

文章编号： 10056629（2022）04008704

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

氢氧燃料电池是化学电源中一种重要的绿色电池，它是以氢气（燃料）作为还原剂，氧气作为氧化剂，通过原电池反应，将化学能转化为电能的装置[1]。燃料电池因其具有能量转换效率高、污染小、燃料可更换等优点，已成为新能源发展的一大热点，具有广阔的发展前景。

教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中，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[2]。在上海市2021年秋季全面推进高中“双新”背景下，燃料电池必将在培养学生的科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等化学学科核心素养中发挥重要的作用。在借助实验装置开展教学时，为提升实验效果，不少一线教师对该实验做了改进与开发，提升了实验的成功率和实验效果[3，4]，实践证明教师如果能够课堂演示燃料电池实验，不仅可以融知识性与趣味性于一体，而且能够激发学生的求知欲与探究意识，提高教学质量[5]。为此，笔者设计了一套更有新意的液压储气式氢氧燃料电池用于燃料电池教学，以期更好地适应“双新”课程改革。

2 实验原理

氢氧燃料电池的工作原理如图1所示。为避免氧化剂和还原剂混合发生爆炸，应使用质子交换膜将两极隔开。

负极： H2-2e-2H+

正极： 1/2O2+2H++2e-H2O

总反应式： H2+1/2O2H2O

3 实验材料

3.1 实验仪器

简易启普发生器、50mL塑料分装瓶4个、质子交换膜模块3块、鲁尔两通阀塑料开关8个、鲁尔三通阀塑料开关2个、透明硅胶管若干、热熔胶枪（带胶棒）1个、恒温电烙铁1个、双头香蕉插导线2根、小电风扇1个、氢动力小车1辆、彩灯1件、音乐卡片1个、胶塞2个、雪弗板

3.2 实验药品

锌粒、稀硫酸、蒸馏水、紫红色颜料

4 实验装置

4.1 简易启普发生器

简易启普发生器是一种新型的改进的气体制备仪（如图2所示），可用于固液不加热型的气体制备，如氢气、二氧化碳、二氧化氮等，用于代替启普发生器。其体积小、造型美观，气密性好，既节约实验时间，也节省药品用量。

4.2 储气瓶

氢氧燃料电池装置需要解决的主要问题是储气。本实验只制备氢气，氧气不另外收集，只需在质子交换膜模块的一极直接通空气即可。因此，本实验储气装置的设计需要解决以下问题：

（1） 通过什么方式产生氢气？

（2） 将氢气储存在什么样的容器中？

（3） 如何将氢气通入质子交换膜模块的进气口？

本实验通过使用50mL塑料分装瓶、透明硅胶管、鲁尔两通阀塑料开关、热熔胶等材料，设计一套液压储气式装置（如图3所示）。

储气瓶的制作方式[6]如下：

（1） 将两个分装瓶的瓶盖中间用电烙铁各开一个小孔，趁热将瓶盖放在鲁尔两通阀塑料开关的两端，并用热熔胶枪密封。下端安装一段透明硅胶管（约5cm），上下两个分装瓶连通起来。

（2） 上面的分装瓶底部打一个小孔与大气相通，再在下面的分装瓶靠近瓶塞处对称位置打两个孔，各安装一个鲁尔两通阀塑料开关作为进气口和出气口，用热熔胶枪密封确保装置不漏气。

（3） 将下面的分装瓶装入蒸馏水（为了取得最佳的演示效果，可以加几滴紫红色颜料），液面略低于进气管和出气管管口。

4.3 质子交换膜模块

本实验选用的是质子交换膜模块（见图4）。质子交换膜模块由两个膜电极和质子交换膜组成，膜电极很薄（厚度一般小于1mm），是在质子交换膜的两侧分别涂覆一定载量的铂基催化剂以及导电多孔透气扩散层（多采用碳纤维纸或碳纤维布）所组成。当电池工作时，膜电极内反应气体在扩散层内扩散，反应气体在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应。通氢气的一极失去电子，发生氧化反应，生成的质子在固体电解质（质子交换膜）内传递到对侧，电子经外电路到达正极，与氧气反应生成水[7]。

4.4 用电器

为了取得比较明显、相对震撼的效果，本实验选择小电风扇、氢动力小车、彩灯和音乐卡片等，可以清晰地看到小电风扇转动、小车跑起来、彩灯亮起来以及音乐唱响起来的效果。当然，本实验也可用发光二极管、石英钟、交通信号灯等替代。

5 实验步骤与现象

（1） 将简易启普发生器、储气瓶、质子交换膜模块、用电器等部件通过鲁尔两通、三通阀塑料开关和透明硅胶管组装起来，并固定在雪弗板上，即可得到本实验的完整装置（见图5）。

（2） 检查装置气密性。打开所有鲁尔两通阀、三通阀通道，用胶塞分别堵住2块质子交换膜模块通氢气这一电极的出气口，向简易启普发生器的漏斗中注入蒸馏水至漏斗中水与容器中的水形成液面差，静置观察一段时间后，若液面差保持不变，表明装置气密性良好。该装置在使用过程中一定要注意气密性，如果漏气，可能导致整个实验失败。

（3） 制取氢气。在简易启普发生器中添加锌粒和稀硫酸，通过反应制得氢气。

（4） 取下胶塞，先向装置中通入一定量的氢气，排出装置中的少量空气。再次堵上胶塞，由于氢气难溶于水，就会把蒸馏水（加了紫红色颜料）压到上面的分装瓶中，当液面接近下面的管口处时关闭3号和4号鲁尔两通阀，这样氢气就储存在分装瓶中。

（5） 打开胶塞（0.5s）后迅速堵上胶塞（防止由于储气瓶上方液体压力导致氢气逸出造成燃料浪费），气体进入质子交换膜模块，通氢气的一极失去电子，发生氧化反应，通氧气的一极得到电子，发生还原反应，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。电流产生，小电风扇开始转动、氢动力小车指示灯亮。

（6） 关闭鲁尔三通阀，取下2号储气瓶并固定于氢动力小车尾部，拨动开关，氢动力小车跑动起来（见图6）。经测试，储存小半瓶（约20mL）氢气，可供氢动力小车持续跑动约30min。

（7） 如果将小电风扇换成双差电压传感器（威尼尔），还可以测定电极两端的电压。测试结果表明，随着氢气通入质子交换膜模块，电压值可上升至0.808V，最终稳定在0.700V左右（见图7）。若在1号储气瓶的一端改用鲁尔三通阀，串联一个升压模块电极，电压可升至6.250V左右，接上彩灯和音乐卡片后可同时让彩灯亮起、音乐卡片唱响，此时电压降低并稳定在3.000V（见图8，双差电压传感器数据）。

6 设计特点

（1） 利用该装置可以帮助学生复习初中曾学的启普发生器制氢气的相关知识，同时可做到随开随用、随关随停，方便控制以节约药品。

（2） 用自制的储气瓶收集并储存气体，不用电解装置，避免了学生误以为小电风扇转动、氢动力小车跑动、彩灯亮起以及音乐唱响是因为通电导致的。

（3） 操作方便、现象明显、成功率高。能帮助学生理解和巩固原电池的相关知识，适合在课堂上演示。

（4） 装置拆解方便。该装置实现了制气、储气、用气于一体，借助鲁尔两通、三通阀塑料开关，可进行拆解、组装及独立使用各装置，亦可进行储气装置、用电器的自由替换以及二次加氢（相当于加油站），安全、环保、可靠，又有趣味性。

（5） 有助于培养学生的化学学科核心素养。通过实验装置拆解、组装，实现装置重复使用，培养了学生的科学探究与创新意识;利用实验装置产生的实验现象以及电极电压的测试，有助于学生形成用实验证实和证伪的证据推理意识;装置系统凸显了微型化和绿色化，可培养学生的社会责任感和环保意识[8]。

7 结语

化学是一门以实验为基础的学科，“双新”课程改革更加重视学生动手能力与创新能力的培养，所以将氢氧燃料电池带入课堂，让学生体验、感受或者亲身体验制作氢氧燃料电池，能够更好地践行“双新”课改理念。通过对氢氧燃料电池的体验、感受，再结合教师的引导，学生能更好地了解这种电池的结构、工作原理、优点和不足，同时也能使学生对未来能量利用率更高、更环保的电池产生兴趣，从而更好地培养学生关注科技、关心环境的科学素养。此外，笔者希望借助氢氧燃料发电装置激发起学生对未来清洁新能源的无限畅想。

参考文献：

[1]黄义丽， 许燕红. 氢氧燃料电池装置的设计[J]. 实验教学与仪器， 2017， 34（1）： 37.

[2]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.

[3]朱心奇. 氢氧燃料电池的制作[J]. 化学教学， 1999， （1）： 8～10.

[4]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.

[5][6]杭进华， 黄晓琴. 液压储气式质子交换膜燃料电池的创新实验[J]. 化学教与学， 2020， （10）： 96～97.

[7]梁宝臣， 田建华. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的原理及应用[J]. 天津理工学院学报， 2001， （3）： 21～24.

[8]龚贤， 刘和平. 自制“绿色化氢氧燃料电池简易装置”[J]. 实验教学与仪器， 2020， 37（Z1）： 103～104.