液壓儲氣式質(zhì)子交換膜燃料電池的創(chuàng)新實驗

杭進(jìn)華 黃曉琴

摘要：氫氧燃料電池實驗是高中化學(xué)的重要實驗之一，但是傳統(tǒng)實驗方法的效果不夠理想。作者從儲氣瓶的設(shè)計、電解質(zhì)模塊的選擇、用電器的選擇三個角度出發(fā)，設(shè)計了一套氫氧燃料電池裝置，具有結(jié)構(gòu)簡潔、成本低廉、現(xiàn)象明顯等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：液壓儲氣瓶;燃料電池;質(zhì)子交換膜;實驗改進(jìn)

文章編號：1008-0546（2020）10-0096-02

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.026

氫氧燃料電池是一種常見的燃料電池，它是以氫氣（燃料）作為還原劑，氧氣作為氧化劑，通過原電池反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。雖然《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將“制作簡易的燃料電池”列為學(xué)生必做實驗[1]，但是現(xiàn)行高中教材《化學(xué)2》（蘇教版）沒有呈現(xiàn)氫氧燃料電池的實驗，僅僅是對其原理作了介紹[2]。由于沒有直觀現(xiàn)象證明電流的產(chǎn)生，學(xué)生可能會對此產(chǎn)生懷疑和困惑。

本文從教學(xué)實際出發(fā)，設(shè)計了氫氧燃料電池的創(chuàng)新實驗，將氫氣預(yù)先儲存在儲氣瓶中，通過質(zhì)子交換膜模塊將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，使小電扇工作。

一、實驗材料

30mL塑料分裝瓶4個（每個0.25元）、質(zhì)子交換膜模塊（淘寶購買，100元）、亞克力板底座（淘寶上定制，12元）、小電機(jī)1個（1元）、乳膠管以及接頭若干（15元）、小風(fēng)扇葉片1個（0.5元）、鱷魚嘴電線4根（1.2元）、開關(guān)1個（2元）、AB膠1支（2元）等，整套裝置材料成本在150元以內(nèi)。

二、實驗裝置

1.儲氣瓶

對于以氣體為反應(yīng)物的實驗而言，氫氣、氧氣的儲存問題是實驗成功的關(guān)鍵所在。本實驗儲氣裝置的設(shè)計需要解決以下問題：

（1）通過什么方式產(chǎn)生氫氣和氧氣？

（2）將氫氣和氧氣儲存在什么樣的容器中？

（3）如何把氫氣和氧氣通人燃料電池模塊的進(jìn)氣口？

普通中學(xué)化學(xué)實驗室中很難找到現(xiàn)成的、適用的儲氣裝置，大部分玻璃儀器也不適合打孔操作，難以達(dá)到我們教學(xué)或?qū)嶒炛兴枰哪Ｐ?。因此，本文通過使用30mL的塑料分裝瓶、乳膠管、AB膠等材料，設(shè)計了一套液壓儲氣式裝置（如圖1）。

儲氣瓶的制作方法如下：

（1）將兩個分裝瓶用AB膠連接在一起，在兩個瓶蓋中間打一個孔，安裝一個ImL注射器外殼，使上下兩個分裝瓶連通起來。

（2）上面的分裝瓶底部打一個孔與大氣相通，再在下面的分裝瓶靠近瓶塞處對稱位置打兩個孔，安裝進(jìn)氣管和出氣管（強(qiáng)調(diào)：一定要注意不能漏氣）。

（3）將下面的分裝瓶裝水，不能裝滿，液面要低于出氣管管口，否則實驗中會導(dǎo)致水進(jìn)入出氣管。

2.電解質(zhì)模塊

本實驗選用的是質(zhì)子交換膜模塊（見圖2）。質(zhì)子交換膜模塊由兩個電極和質(zhì)子交換膜組成，通氫氣的一極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，通氧氣的一極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，質(zhì)子交換膜作為傳遞H+的介質(zhì)，只允許H+通過。

3.用電器

雖然大多數(shù)老師在做這個實驗過程中用到了所需電壓較低的音樂卡片、發(fā)光二極管作為用電器，但效果不太震撼，而且學(xué)生可能會因此懷疑是由電容或其他原因產(chǎn)生了微弱的電流[3]。故本實驗最終選擇了低功率的小電機(jī)，并配了葉片，可以清晰地看到小電機(jī)的轉(zhuǎn)動的效果。

三、實驗步驟與現(xiàn)象

1.將儲氣罐、質(zhì)子交換膜、用電器等部件組裝，即可得到實驗所需的完整實驗裝置（見圖3）。注意液壓式質(zhì)子交換膜燃料電池裝置在使用過程中一定要注意裝置的氣密性，如果漏氣，可能導(dǎo)致整個實驗失敗。

2.制取氫氣和氧氣。可供選擇的方式有很多，例如可以通過電解水的方式制取氫氣和氧氣，或用鋅與稀硫酸反應(yīng)制得氫氣，亦可用過氧化氫溶液催化分解的方法制取氧氣。還可以只制備氫氣，氧氣不另外收集，在另一極直接通空氣即可。

3.先向2個儲氣瓶中分別通入一定量的氫氣和氧氣，再將出氣管用彈簧夾夾緊，這樣可排除瓶中的少量空氣。由于氫氣和氧氣難溶于水，就會把水壓到上面的分裝瓶中，當(dāng)液面接近下面的管口時停止通氣，并將進(jìn)氣管用膠塞塞緊，這樣氫氣和氧氣就分別被儲存在2個分裝瓶中。

4.氣體進(jìn)入質(zhì)子交換膜模塊，通氫氣的一極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，通氧氣的一極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，質(zhì)子交換膜作為傳遞H十的介質(zhì)，只允許H+通過。

負(fù)極：2H2-4e-=4H+

正極：02+4e-+4H+= 2H2O

5.電流產(chǎn)生，帶動小電扇開始旋轉(zhuǎn)。

6.如果將小電扇換成電壓傳感器，還可以測定電極兩端的電壓。結(jié)果表明，隨著氫氣通人質(zhì)子交換膜模塊，電壓值在不斷上升，最終穩(wěn)定在0.856V左右。

四、實驗優(yōu)點

1.用自制的儲氣瓶收集并儲存氣體，不用電解裝置，避免了學(xué)生以為小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動是因為通電導(dǎo)致的。

2.小電扇工作時，可以同時觀察到儲氣瓶中的氣體慢慢消耗的過程;當(dāng)氫氣或氧氣被完全消耗后，小電扇便停止工作，這證明了氫氣與氧氣的反應(yīng)（化學(xué)能）是導(dǎo)致小電扇轉(zhuǎn)動的能量來源。同時，本實驗消除了學(xué)生“氫氧需要燃燒產(chǎn)生熱能發(fā)電”的誤解。

3.其他的同類研究裝置復(fù)雜，體積較大，操作繁瑣。而本裝置可以固定在亞克力板上，簡潔明了。

4.宏觀上，學(xué)生看到小電扇轉(zhuǎn)動，說明電路中有電流產(chǎn)生，有利于學(xué)生從微觀上電子轉(zhuǎn)移的角度認(rèn)識燃料電池的原理。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖芮，萬莉，徐波，等.氫氧燃料電池實驗的改進(jìn)[J].化學(xué)教育（中英文），2019，40（21）：74-76

[2]于緹緹，高洪芳.“自制氫氧燃料電池”實驗拓展活動[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（20）：39-40

[3] 陳斯林，吳文中.氫氧燃料電池實驗的科學(xué)性探討與優(yōu)化[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（9）：36-38