简易氢氧燃料电池的制作及演示，本文主要内容关键词为：简易论文,演示论文,燃料电池论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
随着国际油价的不断上涨，开发新能源的问题倍受关注。这种关注意识同样也渗透到基础教育的教学内容之中。与旧教材相比，化学新教材中增加了有关“燃料电池”的内容，由于它在生活中并不常见，所以学生普通感到新鲜、好奇。但在介绍其工作原理时，教材中只有示意图而没有演示实验，所以学生较难理解，其好奇心也大打折扣。为此，需要设计出既符合学生认知水平，又生动、直观的演示实验来帮助学生理解其工作原理。由于介绍这方面内容的资料少有，所以我们进行了如下系统的实验探究，以探寻简易氢氧燃料电池制作及演示的最佳方法。
二、材料和实验方法
(1)仪器与试剂
仪器：低压直流电源（输出电流2A），石墨碳棒(6cm×1.5cm)，U型管（高10cm×宽12cm，口径3cm），150mL烧杯，万用电表，石英钟，小电风扇，小电珠(2.5V0.3 A)等。
(2)实验装置
图1
资料上介绍的实验如图1中装置1所示。我们自行设计的实验如图1中装置2和装置3所示，另有装置4（图略）是将两个碳棒电极平行地插入150mL烧杯中，以
溶液为电解液。
(3)实验方法
石墨碳棒的处理：将石墨碳棒插入红热的木炭中灼烧以除去其中的胶质，并淬火（烧至红热后迅速置于水中）3～4次，即形成多孔碳棒。
氢氧燃料电池的制作方法及测试：调节低压电源的电压到6V（经测量输出电压为7.2V），分别将正、负极与上述实验装置中的碳棒相连，通电一段时间后断电，此时的实验装置即成为一个简易的氢氧燃料电池。在保持其他变量不变的条件下，分别测试实验装置、电解时间、电极性能（多孔碳棒与普通碳棒）、电解液浓度等因素对制成燃料电池性能的影响，测量结果取平行三次测量的平均值。
氢氧燃料电池的演示方法及测试：将制成的燃料电池与各种负载相连（注意正、负极），负载包括小电风扇、石英钟、小电珠、导线圈与马蹄形磁铁等。测试这些负载是否运转以及运转时间的长短。
三、结果与分析
(1)实验装置的比较
实验条件：电解时间1min，使用同一对多孔碳棒，电解液为1 mol/L溶液，液面至刚好浸没碳棒，均使用同一小电风扇及电珠测试。
主要实验现象：电解时装置1的碳棒处液面略有下降，但放电后未见液面回升。
电池放电情况测试如表1所示。
由实验结果可以看出，电极间距最小的实验装置4放电效果最好，其次是电解后气体可被封闭而电极处液面又不降低的实验装置2。实验装置1放电后未见液面回升说明逸出液面的气体较难发生电极反应，同时电极与电解液接触面的减小也不利于电池放电。
表1 不同实验装置的电池放电情况测试结果
装置类型小电风扇运转时间(s)
小电珠测试
实验装置1125 不亮
实验装置2130 不亮
实验装置3105 不亮
实验装置4150 发亮并持续3 s
(2)电极性能的影响
实验条件：电解时间1 min，使用实验装置2，电解液为1 mol/L 溶液，使用同一小电风扇测试。
电池放电情况测试结果：使用未经处理的普通碳棒时，小电风扇运转30 s；使用多孔碳棒时，小电风扇运转130s。
结果表明，电极的内表面积越大，制成的电池电能越大。说明吸附在电极上的气体量越多，越有利于形成高能量电池。
鉴于上述原因，我们又尝试了用具有高吸附性能的木炭做电极的方法。木炭先在溶液中煮沸（排挤其中的空气，降低木炭的内阻），再安装在实验装置2上，电解时发现没有明显的气泡产生。后经测量，木炭的内阻比石墨碳棒大三个数量级，因此不能选用木炭做电极。
(3)其他因素的影响
实验条件：使用实验装置2，同一对多孔碳棒，同一小电风扇。分别改变电解时间、电解液浓度等变量，测试制成电池的有关性能。测试结果如表2所示。
表2 其他因素对电池性能的影响结果
*注：电压、电流、内阻的测量数据均为电池放电前测量。
分析表2中数据可以认为，延长电解时间并不能大幅度提高电池的电能，说明电极表面吸附的气量在电解1 min左右时已趋于饱和。电解液浓度的降低会使电池内阻显著增加，不利于电池高效率放电。
(4)电池供电能力的测试
电池制作条件：电解时间1 min，使用实验装置2、多孔碳棒、1 mol/L 溶液。
负载连接测试结果：可使普通石英钟运转2～5 min；可使导线圈做切割磁力线运动；可使小电风扇运转2 min；可使音乐卡片响起来。
四、教学建议
综合以上实验结果，可以认为制作简易氢氧燃料电池时：首先应挑选表面积较大的石墨碳棒，并经过淬火处理；选用装置时应尽量缩短两极间距离，并使电解时产生的气体既能被封闭（可延缓电极表面吸附气体的脱附），又不使液面降低；输入直流电压6V，电流2A，电解时间以1 min左右为宜；尽量选用浓度较大、腐蚀性小的溶液。另外，为了更加直观地向学生展示电解时产生的是氢气、氧气，宜使用U形管或三颈瓶、Y型管等器皿，并在电解液中滴入石蕊或酚酞试液。由此可见，上述实验装置2是较理想的选择。
在演示自制的燃料电池时，可选择较常见的石英钟、音乐卡片、导线圈与磁铁、小电珠等负载，其演示效果比使用检流计更生动、直观。
如果在电解液（溶液）中预先滴加指示剂，电解时电极附近溶液的颜色有明显变化，可表明发生的是水的电解反应；电池放电后颜色虽然变化不大（因化学能并不能完全转化为电能），但溶液经过搅拌后，颜色又恢复到电解前的状态，表明其中是氢气、氧气发生了电极反应。因此，加入适当的指示剂有利于显示实验过程中发生的相关电极反应。