利用數(shù)字傳感器探究燃料電池的制作

耿亞萍

摘要：參照蘇教版化學(xué)教材簡(jiǎn)易氮氧燃料電池的制作方法，結(jié)合已有文章再改進(jìn)，制得了不同類別的燃料電池，且制作的簡(jiǎn)易電池能使用電器工作較長(zhǎng)時(shí)間，并用電壓傳感器測(cè)定使用過程的電壓變化，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解單液電池的放電原理。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感器;燃料電池;放電原理

文章編號(hào)：1008-0546（2021）03-0080-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.019

一、問題的提出

燃料電池是科技行業(yè)的新興產(chǎn)品，每年的高考題均有新型燃料電池的考查。簡(jiǎn)易燃料電池的制作是2017版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的必修課程的必做學(xué)生實(shí)驗(yàn)。直接按照蘇教版教材步驟制得的燃料電池很難使發(fā)光二極管亮起來，最多可以使電流計(jì)短暫偏移或者使音樂芯片發(fā)出微弱聲響，這樣實(shí)驗(yàn)效果會(huì)使學(xué)生會(huì)對(duì)燃料電池的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生懷疑。許多教師在這部分教學(xué)時(shí)改用黑板實(shí)驗(yàn)或者購(gòu)買氫氧燃料電池教具進(jìn)行演示，這樣的教學(xué)不利于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”這一核心素養(yǎng)。許多文章對(duì)燃料電池進(jìn)行改進(jìn)（表1），取得了不錯(cuò)的效果，但這些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要是關(guān)于氫氧燃料電池的制作，未涉及其他燃料電池的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合我校社團(tuán)活動(dòng)課“新型電池”的教學(xué)要求，筆者探究了不同類別燃料電池的制作，目的是讓每位同學(xué)依據(jù)探究問題，設(shè)計(jì)探究方案，親歷實(shí)驗(yàn)探究過程并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)和交流合作的能力。

二、實(shí)驗(yàn)原理

依據(jù)教材簡(jiǎn)易氫氧燃料電池的反應(yīng)原理，利用電解不同電解質(zhì)溶液產(chǎn)生不同的燃料形成的電池反應(yīng)原理見表2。

三、實(shí)驗(yàn)用品

器材：100mL燒杯、海綿（孔徑35ppi，米色）、剪刀、石墨棒（12mm×70mm）2根、導(dǎo)線2根、3-9V電池均可、小風(fēng)扇（工作電壓0.8V）、發(fā)光二極管（工作電壓1.5v）、音樂芯片（1.5V高聲快速響起，0.8V低聲緩慢發(fā)出聲音）、膠帶、濾紙、愛迪生電壓傳感器（VTS200）、數(shù)據(jù)采集器。

藥品：飽和NazSO4溶液、飽和KNO3溶液、飽和Na2CO3溶液、飽和NaCl溶液、2mol/L CUCl2溶液、飽和CuSO4溶液、淀粉碘化鉀試紙。

四、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置圖及改進(jìn)的過程如圖1所示。

五、實(shí)驗(yàn)操作

（1）將石墨電極放酒精噴燈上灼燒到紅熱，迅速浸人冷水中，重復(fù)3次，使其表面變得疏松多孔得到多孔碳棒，以期吸附更多的氣體。

（2）用剪刀將海綿剪成直徑為5cm，高為7cm圓柱形，大概比100mL燒杯略小，用剪刀在海綿中心位置戳2個(gè)間距為2cm的圓孔，方便塞進(jìn)石墨棒。將石墨棒放入海綿中，模擬多孔電極。

（3）往100mL燒杯中加入70-80mL電解質(zhì)溶液，將塞有石墨棒的海綿塞入燒杯中，保證燒杯中填滿海綿沒有空隙，使海綿浸泡部分約占海綿體積的2/3。

（4）取2張濾紙，在濾紙中心位置剪2個(gè)距離約2cm的小孔，方便導(dǎo)線穿過，將濾紙蓋住燒杯，邊緣用膠布包在燒杯外壁，防止氣體泄漏。

（5）連接9V電池，進(jìn)行電解，電解2min后，斷開電源，用電線將吸附有燃料的電極相連，形成簡(jiǎn)易燃料電池。

（6）打開配套平板，打開Edislab Pro軟件，點(diǎn)擊“開始”菜單，用電壓傳感器通過數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，設(shè)置“采集參數(shù)”為：頻率1點(diǎn)/秒，限定時(shí)間8min;“調(diào)零”之后，將小風(fēng)扇、電壓傳感器并連接上燃料電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)點(diǎn)擊“開始”按鈕，采集數(shù)據(jù)，繪制的放電電壓變化圖像。

（7）平均每組5次實(shí)驗(yàn)，取平均值數(shù)據(jù)、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及繪制的圖像如下表3。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電解時(shí)間越長(zhǎng)，得到簡(jiǎn)易電池的電壓越高，考慮生成氣體的溶解度以及課堂教學(xué)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)將電解時(shí)長(zhǎng)定為2min，不會(huì)擠壓課堂時(shí)間，且放電效果明顯，可作為課堂分組實(shí)驗(yàn)和學(xué)生社團(tuán)實(shí)驗(yàn)。

（2）從數(shù)據(jù)可以看出，氫氯燃料電池放電時(shí)間最長(zhǎng)，銅氯氣燃料電池最短，猜測(cè)與氯氣溶解度大不易逸出有關(guān)。其次氫氧燃料電池的電解質(zhì)選用KNO3最佳，Na2SO4次之，故蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》教材的氫氧燃料電池制作改為KNO3做電解質(zhì)。此外純堿、小蘇打廚房常見物品，用海綿、2B鉛筆芯、Na2CO3溶液或者NaHCO3溶液進(jìn)行氫氧燃料電池的家庭實(shí)驗(yàn)。

七、注意點(diǎn)

（1）塞有海綿的燒杯溶液體積不要超過2/3，溶液體積太大，制作氫氯燃料電池，銅氯燃料電池容易有氯氣逸出。

（2）為何選用濃度低的氯化銅溶液，因?yàn)轱柡吐然~溶液中Cl-濃度過高，電解時(shí)產(chǎn)生大量氯氣逸出容器外，可以觀察到濾紙蓋上方濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)，能聞到氯氣的刺激性氣味。如果用9V電池做實(shí)驗(yàn)建議用2mol/L的氯化銅溶液，電解2min內(nèi)這樣不會(huì)有氯氣逸出。

（3）從風(fēng)扇運(yùn)行及圖像可以看出，電壓不穩(wěn)定，衰減過快是單液電池最大的缺點(diǎn)。

八、改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）燃料電池種類多樣。除了書本的氫氧電池，還有氫氯電池、銅氯電池、銅氧電池，使學(xué)生能從電極材料、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液這4個(gè)角度去認(rèn)識(shí)原電池，豐富了對(duì)電池的構(gòu)成要素的認(rèn)識(shí)，

（2）趣味性強(qiáng)。本文制作的電池可以使小風(fēng)扇、發(fā)光二極管、音樂芯片等工作較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)連接電壓傳感器可以讓學(xué)生直觀地感受單液電池電壓衰變很快。

（3）綠色環(huán)保。用海綿包裹氣體，用濾紙蓋住燒杯，可以減少氯氣的逸出，防止有毒氣體污染環(huán)境，并且使工作效率增強(qiáng)。

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