氫氧燃料電池實驗改進

孫濤 張春明

摘要：在教材實驗的基礎(chǔ)上，對氫氧燃料電池電極和電路進行了改進，PAN基碳纖維氈電極易加工制作，對氣體吸附性能良好。線路板用泡沫板做基體制作而成，電路清晰明了，并在過程中加裝升壓模塊，對二極管延時發(fā)光效果明顯。改進后，電池在硫酸鈉溶液中，分別負載風(fēng)扇、喇叭、發(fā)光二極管、液晶顯示器工作，都取得了非常好的效果，為中學(xué)開展這類實驗提供了方向。

關(guān)鍵詞：氫氧燃料電池;PAN基碳纖維氈;升壓模塊;實驗改進

文章編號：1008-0546（2019）03-0094-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.03.031

一、問題提出

作為高中化學(xué)教學(xué)中一項重要內(nèi)容，氫氧燃料電池是電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化的重要實驗之一。蘇教版化學(xué)（必修2）教科書中設(shè)計了簡易氫氧燃料電池裝置（圖1），使學(xué)生直觀地認識其構(gòu)造，揭示其反應(yīng)原理。其多孔碳棒電極是將普通的石墨碳棒放在高溫火焰上灼燒至紅熱，迅速浸入冷水中，多次重復(fù)使之表面粗糙多孔。但電極制作時間長，與普通碳棒對比氣體吸附效果不明顯。該氫氧燃料電池電壓低并且電壓下降快，一般達不到二極管發(fā)光電壓，即使能達到，發(fā)光二極管也是一亮即滅。

二、現(xiàn)狀分析

現(xiàn)在已經(jīng)有很多研究者對課本中的氫氧燃料電池進行改進，筆者搜索淘寶商城氫氧燃料電池成套設(shè)備從幾十元到幾百元不等，試用幾款設(shè)備后感受是質(zhì)量參差不齊，價格低的產(chǎn)品使用不便，價格高的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于學(xué)生對于燃料電池原理的理解。一些教師也對氫氧燃料電池進行了改進，裝置簡單、實用，但對電極處理較復(fù)雜，再現(xiàn)效果不穩(wěn)定。

三、實驗改進

如何找到一種物美價廉的電極材料，筆者進行了一系列嘗試。在研究中發(fā)現(xiàn)，利用PAN基碳纖維氈（圖2）作為電極材料進行水的電解所需時間短，對生成氣體吸附能力強，后續(xù)做氫氧燃料電池時電壓高，放電持久，效果明顯。PAN基碳纖維氈是采用聚丙烯腈基平板原氈，經(jīng)過預(yù)氧化和碳化處理后而制的毯狀碳氈。具有質(zhì)地柔軟、重量輕、表面積大、易于裁剪、操作方便的特點，在航空、電池電極、污水處理等行業(yè)應(yīng)用廣泛。

對于氫氧燃料電池電壓較低、二極管不發(fā)光或者一閃即滅現(xiàn)象，筆者嘗試在電路中加入升壓模塊（圖3），改進后發(fā)光二極管工作時間比原來有明顯增加。

實驗用品：9V電池，電池盒，2B鉛筆芯，PAN基碳纖維氈，電解槽，飽和硫酸鈉溶液，導(dǎo)線，鱷魚夾，導(dǎo)電膠帶，升壓模塊（升壓芯片，電感，接線端子），液晶顯示器（兒童電子表），喇叭（音樂賀卡機芯），微動開關(guān)，發(fā)光二極管，風(fēng)扇（716空心杯），熱熔膠槍，熱熔膠，手工泡沫板。

四、實驗步驟及現(xiàn)象

1.制作氫氧燃料電池線路演示板，將風(fēng)扇、發(fā)光二極管、喇叭、液晶顯示器按線路圖并聯(lián)安裝在泡沫板上（圖4）。

2.剪取3X4cm的PAN基碳纖維氈于電解槽中，向其中各插入一根2B鉛筆芯，向電解池中加注飽和硫酸鈉溶液。9v電池電源線分別連接兩根2B鉛筆芯，進行水的電解（圖5）。由于PAN基碳纖維氈表面積大，對氣體吸附能力強，需一段時間后才能看到PAN基碳纖維氈表面有氣泡生成。

3.斷開2B鉛筆芯與9V電池導(dǎo)線的連接，將2B鉛筆芯連接自制氫氧燃料電池演示板導(dǎo)線（過程中注意正負極連接方向），閉合開關(guān)1，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動;閉合開關(guān)2，二極管發(fā)光;閉合開關(guān)3，喇叭播放音樂;閉合開關(guān)4，液晶顯示屏出現(xiàn)示數(shù)（圖6）。

五、改進意義

自制氫氧燃料電池線路演示板集成了電扇、發(fā)光二極管、喇叭、液晶顯示器等多個電子元件，使用過程中學(xué)生能夠直觀感受電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，電能與聲、光、動能的轉(zhuǎn)化。演示板一次制作，長期使用。改進后的電極表面積大，吸附能力強，性能穩(wěn)定;升壓模塊加入電路后，二極管亮度高，發(fā)光持久。