液压储气式质子交换膜燃料电池的创新实验

杭进华 黄晓琴

摘要：氢氧燃料电池实验是高中化学的重要实验之一，但是传统实验方法的效果不够理想。作者从储气瓶的设计、电解质模块的选择、用电器的选择三个角度出发，设计了一套氢氧燃料电池装置，具有结构简洁、成本低廉、现象明显等优点。

关键词：液压储气瓶;燃料电池;质子交换膜;实验改进

文章编号：1008-0546（2020）10-0096-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

氢氧燃料电池是一种常见的燃料电池，它是以氢气（燃料）作为还原剂，氧气作为氧化剂，通过原电池反应，将化学能转变为电能的装置。虽然《普通高中化学课程标准（2017年版）》将“制作简易的燃料电池”列为学生必做实验[1]，但是现行高中教材《化学2》（苏教版）没有呈现氢氧燃料电池的实验，仅仅是对其原理作了介绍[2]。由于没有直观现象证明电流的产生，学生可能会对此产生怀疑和困惑。

本文从教学实际出发，设计了氢氧燃料电池的创新实验，将氢气预先储存在储气瓶中，通过质子交换膜模块将化学能转化为电能，使小电扇工作。

一、实验材料

30mL塑料分装瓶4个（每个0.25元）、质子交换膜模块（淘宝购买，100元）、亚克力板底座（淘宝上定制，12元）、小电机1个（1元）、乳胶管以及接头若干（15元）、小风扇叶片1个（0.5元）、鳄鱼嘴电线4根（1.2元）、开关1个（2元）、AB胶1支（2元）等，整套装置材料成本在150元以内。

二、实验装置

1.储气瓶

对于以气体为反应物的实验而言，氢气、氧气的储存问题是实验成功的关键所在。本实验储气装置的设计需要解决以下问题：

（1）通过什么方式产生氢气和氧气？

（2）将氢气和氧气储存在什么样的容器中？

（3）如何把氢气和氧气通人燃料电池模块的进气口？

普通中学化学实验室中很难找到现成的、适用的储气装置，大部分玻璃仪器也不适合打孔操作，难以达到我们教学或实验中所需要的模型。因此，本文通过使用30mL的塑料分装瓶、乳胶管、AB胶等材料，设计了一套液压储气式装置（如图1）。

储气瓶的制作方法如下：

（1）将两个分装瓶用AB胶连接在一起，在两个瓶盖中间打一个孔，安装一个ImL注射器外壳，使上下两个分装瓶连通起来。

（2）上面的分装瓶底部打一个孔与大气相通，再在下面的分装瓶靠近瓶塞处对称位置打两个孔，安装进气管和出气管（强调：一定要注意不能漏气）。

（3）将下面的分装瓶装水，不能装满，液面要低于出气管管口，否则实验中会导致水进入出气管。

2.电解质模块

本实验选用的是质子交换膜模块（见图2）。质子交换膜模块由两个电极和质子交换膜组成，通氢气的一极失去电子，发生氧化反应，通氧气的一极得到电子，发生还原反应，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。

3.用电器

虽然大多数老师在做这个实验过程中用到了所需电压较低的音乐卡片、发光二极管作为用电器，但效果不太震撼，而且學生可能会因此怀疑是由电容或其他原因产生了微弱的电流[3]。故本实验最终选择了低功率的小电机，并配了叶片，可以清晰地看到小电机的转动的效果。

三、实验步骤与现象

1.将储气罐、质子交换膜、用电器等部件组装，即可得到实验所需的完整实验装置（见图3）。注意液压式质子交换膜燃料电池装置在使用过程中一定要注意装置的气密性，如果漏气，可能导致整个实验失败。

2.制取氢气和氧气。可供选择的方式有很多，例如可以通过电解水的方式制取氢气和氧气，或用锌与稀硫酸反应制得氢气，亦可用过氧化氢溶液催化分解的方法制取氧气。还可以只制备氢气，氧气不另外收集，在另一极直接通空气即可。

3.先向2个储气瓶中分别通入一定量的氢气和氧气，再将出气管用弹簧夹夹紧，这样可排除瓶中的少量空气。由于氢气和氧气难溶于水，就会把水压到上面的分装瓶中，当液面接近下面的管口时停止通气，并将进气管用胶塞塞紧，这样氢气和氧气就分别被储存在2个分装瓶中。

4.气体进入质子交换膜模块，通氢气的一极失去电子发生氧化反应，通氧气的一极得到电子发生还原反应，质子交换膜作为传递H十的介质，只允许H+通过。

负极：2H2-4e-=4H+

正极：02+4e-+4H+= 2H2O

5.电流产生，带动小电扇开始旋转。

6.如果将小电扇换成电压传感器，还可以测定电极两端的电压。结果表明，随着氢气通人质子交换膜模块，电压值在不断上升，最终稳定在0.856V左右。

四、实验优点

1.用自制的储气瓶收集并储存气体，不用电解装置，避免了学生以为小风扇转动是因为通电导致的。

2.小电扇工作时，可以同时观察到储气瓶中的气体慢慢消耗的过程;当氢气或氧气被完全消耗后，小电扇便停止工作，这证明了氢气与氧气的反应（化学能）是导致小电扇转动的能量来源。同时，本实验消除了学生“氢氧需要燃烧产生热能发电”的误解。

3.其他的同类研究装置复杂，体积较大，操作繁琐。而本装置可以固定在亚克力板上，简洁明了。

4.宏观上，学生看到小电扇转动，说明电路中有电流产生，有利于学生从微观上电子转移的角度认识燃料电池的原理。

参考文献

[1] 肖芮，万莉，徐波，等.氢氧燃料电池实验的改进[J].化学教育（中英文），2019，40（21）：74-76

[2]于缇缇，高洪芳.“自制氢氧燃料电池”实验拓展活动[J].中学化学教学参考，2018（20）：39-40

[3] 陈斯林，吴文中.氢氧燃料电池实验的科学性探讨与优化[J].中学化学教学参考，2018（9）：36-38