利用数字传感器探究燃料电池的制作

2021-11-24耿亚萍

化学教与学 2021年3期

关键词：燃料电池

耿亚萍

摘要：参照苏教版化学教材简易氮氧燃料电池的制作方法，结合已有文章再改进，制得了不同类别的燃料电池，且制作的简易电池能使用电器工作较长时间，并用电压传感器测定使用过程的电压变化，帮助学生进一步理解单液电池的放电原理。

关键词：数字传感器;燃料电池;放电原理

文章编号：1008-0546（2021）03-0080-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.019

一、问题的提出

燃料电池是科技行业的新兴产品，每年的高考题均有新型燃料电池的考查。简易燃料电池的制作是2017版普通高中化学课程标准规定的必修课程的必做学生实验。直接按照苏教版教材步骤制得的燃料电池很难使发光二极管亮起来，最多可以使电流计短暂偏移或者使音乐芯片发出微弱声响，这样实验效果会使学生会对燃料电池的实际应用产生怀疑。许多教师在这部分教学时改用黑板实验或者购买氢氧燃料电池教具进行演示，这样的教学不利于培养学生的“科学探究与创新意识”这一核心素养。许多文章对燃料电池进行改进（表1），取得了不错的效果，但这些实验改进主要是关于氢氧燃料电池的制作，未涉及其他燃料电池的实验，结合我校社团活动课“新型电池”的教学要求，笔者探究了不同类别燃料电池的制作，目的是让每位同学依据探究问题，设计探究方案，亲历实验探究过程并改进实验方案，培养学生的科学探究与创新意识和交流合作的能力。

二、实验原理

依据教材简易氢氧燃料电池的反应原理，利用电解不同电解质溶液产生不同的燃料形成的电池反应原理见表2。

三、实验用品

器材：100mL烧杯、海绵（孔径35ppi，米色）、剪刀、石墨棒（12mm×70mm）2根、导线2根、3-9V电池均可、小风扇（工作电压0.8V）、发光二极管（工作电压1.5v）、音乐芯片（1.5V高声快速响起，0.8V低声缓慢发出声音）、胶带、滤纸、爱迪生电压传感器（VTS200）、数据采集器。

药品：饱和NazSO4溶液、饱和KNO3溶液、饱和Na2CO3溶液、饱和NaCl溶液、2mol/L CUCl2溶液、饱和CuSO4溶液、淀粉碘化钾试纸。

四、实验装置

实验装置图及改进的过程如图1所示。

五、实验操作

（1）将石墨电极放酒精喷灯上灼烧到红热，迅速浸人冷水中，重复3次，使其表面变得疏松多孔得到多孔碳棒，以期吸附更多的气体。

（2）用剪刀将海绵剪成直径为5cm，高为7cm圆柱形，大概比100mL烧杯略小，用剪刀在海绵中心位置戳2个间距为2cm的圆孔，方便塞进石墨棒。将石墨棒放入海绵中，模拟多孔电极。

（3）往100mL烧杯中加入70-80mL电解质溶液，将塞有石墨棒的海绵塞入烧杯中，保证烧杯中填满海绵没有空隙，使海绵浸泡部分约占海绵体积的2/3。

（4）取2张滤纸，在滤纸中心位置剪2个距离约2cm的小孔，方便导线穿过，将滤纸盖住烧杯，边缘用胶布包在烧杯外壁，防止气体泄漏。

（5）连接9V电池，进行电解，电解2min后，断开电源，用电线将吸附有燃料的电极相连，形成简易燃料电池。

（6）打开配套平板，打开Edislab Pro软件，点击“开始”菜单，用电压传感器通过数据采集器采集数据，设置“采集参数”为：频率1点/秒，限定时间8min;“调零”之后，将小风扇、电压传感器并连接上燃料电池进行实验，同时点击“开始”按钮，采集数据，绘制的放电电压变化图像。

（7）平均每组5次实验，取平均值数据、记录实验现象以及绘制的图像如下表3。

六、实验结论

（1）通过实验发现，电解时间越长，得到简易电池的电压越高，考虑生成气体的溶解度以及课堂教学时间，本实验将电解时长定为2min，不会挤压课堂时间，且放电效果明显，可作为课堂分组实验和学生社团实验。

（2）从数据可以看出，氢氯燃料电池放电时间最长，铜氯气燃料电池最短，猜测与氯气溶解度大不易逸出有关。其次氢氧燃料电池的电解质选用KNO3最佳，Na2SO4次之，故苏教版《实验化学》教材的氢氧燃料电池制作改为KNO3做电解质。此外纯碱、小苏打厨房常见物品，用海绵、2B铅笔芯、Na2CO3溶液或者NaHCO3溶液进行氢氧燃料电池的家庭实验。

七、注意点

（1）塞有海绵的烧杯溶液体积不要超过2/3，溶液体积太大，制作氢氯燃料电池，铜氯燃料电池容易有氯气逸出。

（2）为何选用浓度低的氯化铜溶液，因为饱和氯化铜溶液中Cl-浓度过高，电解时产生大量氯气逸出容器外，可以观察到滤纸盖上方湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，能闻到氯气的刺激性气味。如果用9V电池做实验建议用2mol/L的氯化铜溶液，电解2min内这样不会有氯气逸出。

（3）从风扇运行及图像可以看出，电压不稳定，衰减过快是单液电池最大的缺点。

八、改进的优点

（1）燃料电池种类多样。除了书本的氢氧电池，还有氢氯电池、铜氯电池、铜氧电池，使学生能从电极材料、电子导体、离子导体、电解质溶液这4个角度去认识原电池，丰富了对电池的构成要素的认识，

（2）趣味性强。本文制作的电池可以使小风扇、发光二极管、音乐芯片等工作较长时间，同时连接电压传感器可以让学生直观地感受单液电池电压衰变很快。

（3）绿色环保。用海绵包裹气体，用滤纸盖住烧杯，可以减少氯气的逸出，防止有毒气体污染环境，并且使工作效率增强。

参考文献

[1][13]赵会科.对氢氧燃料电池实验的研究与改进[J].化学教育，2009，30（6）：49-50

[2]王立超.氢氧燃料电池演示实验的探究与改进[J].实验教学与仪器，2011，28（3）：23-24

[3][18]耿亞萍北学能与电能相互转化实验的改进[J].实验教学与仪器，2015，32（6）：28-29