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标题 绿色氢氧燃料电池实验的设计与优化
范文

    张宝军

    

    

    

    【摘 要】根据氢氧燃料电池的构造原理,以实验室常规仪器搭建、整合的氢氧燃料电池演示台,操作简单,现象明显,能较好提高高中化学课堂教学的效率,帮助学生提升对燃料电池的感性认识。

    【关键词】氢氧燃料电池;电解水;演示台

    1.问题的提出

    1839年,英国科学家William Grove设计出了第一款燃料电池,之后,燃料电池得到了广泛的研究。随着能源危机的出现,因具有能量转化效率高、产生污染物少等优势的燃料电池更得到了进一步的关注。

    目前氢氧燃料电池按电解质的种类不同,可分为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)五大类,广泛应用于航天、汽车等众多领域。

    生活中燃料电池并不常见,学生对其缺乏感性认识。现行人教版教材必修2尽管有对氢氧燃料电池原理的介绍,但缺少相关实验的设计、呈现。学生通常会错误的认为燃料电池就是通过燃料的燃烧而产生电流。笔者想若能让学生看到一个真实的、可以触及到的氢氧燃料电池,相信对调动他们学习化学热情,加深对原电池工作原理的认识应大有裨益。

    2.实验用品与原理

    2.1实验用品 U形管、36伏学生电源、双孔橡皮塞(2个)、多孔碳棒电极(2支)、30cm的玻璃管(2支)、导线若干(带有鳄鱼夹)、灵敏电流计、小闹钟、发光二极管、Na2SO4溶液(或稀硫酸、NaOH溶液)。

    2.2实验原理 利用电解产生的H2、O2(其中含有活性氢,活性氧)吸附的多孔碳棒电极表面构成简易氢氧燃料电池,产生的电能带动小型用电器工作。

    3.装置的设计与优化

    

    图I ? ? ? 图II ? ? ?图III

    在控制电解时的电压、电解时间及电解液一定的情况下,我们按图I~III装置进行实验,实验对应编号依次为1号、2号、3号,记录有关现象并对比分析如下。

     4.电解质溶液的选择

    受常见的几种燃料电池结构的启发,我们分别向图III装置U型管加入了相同浓度Na2SO4、H2SO4、NaOH溶液,在电解相同时间后,将产生气体构成燃料电池并使用电压表测量电压。实验数据显示,在Na2SO4溶液作为电解质时电池电压最大。

    实验中我们还从0.2mol/L~1.4mol/LNa2SO4溶液,每隔0.2mol/L做一个实验,发现电解质溶液浓度在0.8mol/L~1.1mol/L时电池工作时间最长(小闹钟持续运转的时间)。

     5.实验改进的优势

    ⑴实验中所需多孔碳棒电极来源广泛。从废旧的干电池中取出碳棒清洗洁净即可使用,无需另外进行淬火处理。

    ⑵实验装置的搭建均采用实验室常规仪器,搭建简单,可推广性强。实验研究的过程中也曾尝试使用了图V装置(山形管)进行实验,现象同样非常明显但考虑制作这样一种特殊仪器的成本较高,可推广性不强故选择了图IV装置。

     ⑶通过排水法收集H2、O2可大幅度提高电极周围气体的纯度,由于玻璃管中液体的压力更利于气体吸附在电极周围,延长了放电的时间。笔者曾用电解了3分钟产生的气体构成燃料电池,并与小闹钟相连,结果整整走了一节课。

    ⑷根据图III,我们把实验所需仪器合在一个平台上(如图V)。操作简单,只要将鳄鱼夹与电解相连,通过电键的断开和闭合就可以完成所有的检验。实验现象明显,实验成功率高、趣味性强,可推广为学生实验。同时也为农村中学老师的化学实验创新提供了一条新的思路。

    【参考文献】

    [1]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学2.南京:江苏教育出版社,2007:42~43

    [2]袁青云.制作绿色燃料电池的新实验.化学教学.2009年第5期

    (作者单位:江苏省如皋中学)

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更新时间:2025/3/10 6:27:33