氫氧燃料電池演示儀

背景

高中化學(xué)教材（蘇教版）設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)氫氣與氧氣（均由電解產(chǎn)生）間不接觸、無(wú)燃燒的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，模擬再現(xiàn)氫氧燃料電池工作過(guò)程。雖然該實(shí)驗(yàn)取材簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，但存在氣體散逸和發(fā)光二極管不工作或工作時(shí)間極短等缺點(diǎn)，課堂演示的效果不盡如人意。

早期的二次改進(jìn)

基于對(duì)燃料電池原理和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置缺點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，我們對(duì)電極進(jìn)行了改造，采用將短玻璃管（長(zhǎng)60mm，直徑20mm）和膠塞套住石墨的方法制作成電極，以克服原來(lái)裝置中的氣體散逸問(wèn)題。用改造后的裝置，可以完成電解產(chǎn)生氫氣分別與電解產(chǎn)生氧氣或外界通入氧氣構(gòu)成電池的2組實(shí)驗(yàn)。

然而，應(yīng)用這個(gè)裝置，整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在燒杯中完成的，雖具有明顯的聲、光效果，但卻很難觀察到反應(yīng)過(guò)程中的氣體消耗現(xiàn)象，再加上外接氧氣的充入、電極組合的切換等操作在課堂上演示時(shí)不利于學(xué)生觀察，這就促使我們對(duì)燃料電池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了第二次改進(jìn)。

我從物理學(xué)科的毛細(xì)管和連通器原理中得到啟發(fā)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的嘗試和摸索，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置。由電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣在U型管內(nèi)形成氣室，提高了電極周圍的氣體濃度，同時(shí)電解質(zhì)溶液被壓入儲(chǔ)液球泡和其上方的毛細(xì)管中。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以明顯觀察到毛細(xì)管內(nèi)的液面緩緩地下降，說(shuō)明氫氣被氧氣緩慢氧化而減少，同時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

這次改進(jìn)很好地解決了氫氧燃料電池工作時(shí)，氣體消耗的可視化問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)毛細(xì)管中液面的下降間接地觀察到氫氧燃料電池工作時(shí)氣體的消耗。這次改進(jìn)的不足也顯而易見(jiàn)：沒(méi)能夠把第一次改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)保留下來(lái)是其一大缺憾。

最終設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的思索，借鑒前2次改進(jìn)的思路，設(shè)計(jì)并制作了如圖2和圖3所示的氫氧燃料電池演示儀。

該裝置是由4支帶刻度的玻璃管組合成底部相通的連通器，每支玻璃管中分別插入電極1、2、3、4，見(jiàn)圖2在連通器中部接入1根玻璃管，上置儲(chǔ)液球泡，球泡上接毛細(xì)管；其中2根玻璃管（電極3、4）分別與2根導(dǎo)氣管連接，導(dǎo)氣管管口略高于玻璃管；電極是在膠塞中的多孔碳棒。

課堂演示時(shí)，通過(guò)電極3、4的導(dǎo)氣管向其中通入外界制備好的約10mL氧氣（電極3）、約20mL氫氣（電極4）；再將電極1、2分別接上直流電源正負(fù)極，進(jìn)行電解，約10min后，能夠產(chǎn)生約10mL氧氣（電極1）、20mL氫氣（電極2）。然后，將4個(gè)電極兩兩相連，逐一向?qū)W生展示氫氧燃料電池的工作原理。同時(shí)，毛細(xì)管中的液面會(huì)在電池工作時(shí)，緩慢地下降，說(shuō)明氣體正在被消耗。

如果在課堂上，用同一個(gè)DIS傳感器連接不同的電極組合采集電流數(shù)據(jù)，并用專用程序處理，還可以直觀地利用圖像向?qū)W生呈現(xiàn)不同電極組合產(chǎn)生電流的不同，從而揭示出氫氧燃料電池本質(zhì)及其發(fā)展。

特點(diǎn)討論

該燃料電池演示儀適用于課堂教學(xué)演示的優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)突出的，主要體現(xiàn)如下幾方面。

由于固定了電極位置，所以電解產(chǎn)生氣體、由外界充入氣體、演示時(shí)電極組合的切換過(guò)程均可以清晰展示在學(xué)生面前，課堂演示效果好。

4個(gè)電極的組合切換將原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)變成一個(gè)具有探究性的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在不斷地思維沖突中深刻理解燃料電池的工作原理，體驗(yàn)化學(xué)變化的條件。

通過(guò)毛細(xì)管中液面的變化，在讓學(xué)生間接看到了燃料電池工作魅力（連通器原理的巧妙運(yùn)用）。

穩(wěn)定性好。只要定期更換多孔碳棒電極，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的重現(xiàn)率為100%。

該項(xiàng)目獲得第27屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類二等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)了氫氧燃料電池演示儀，通過(guò)4種電極探究電流產(chǎn)生的核心技術(shù)，直觀顯示氫氧產(chǎn)生和消耗過(guò)程，實(shí)驗(yàn)效果較好。該項(xiàng)目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思較為巧妙，設(shè)計(jì)比較合理，作品有一定的教育性，項(xiàng)目具有一定創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有改進(jìn)，作品制作規(guī)范具有一定的示范推廣價(jià)值。