1、简易氢氧燃料电池优化设计的科学探究策略 蔡武生 （湖北省咸宁市咸安区青龙山高中 湖北 咸宁 437000） 【摘要】简易氢氧燃料电池优化设计的思路：一是通过探究电解质溶液的浓度、电极间的距离、电极的吸附面积对氢氧燃料电池额定电压的影响，选择电解质溶液为2mol/L的Na2SO4溶液，两极间距离尽可能接近，使用吸附面积大的石墨电极等方法来增大氢氧燃料电池的电压二是通过在两个电极上各套一个饮料瓶，收集并存储大量的气体，达到增大燃料电池内能的目的。【关键词】燃料电池、优化再设计、实验探究、绿色环保一、基本设计（第一次设计）1、问题的提出新的高中化学课程标准阐述的课程目标中明确要求“提高学生的科学探究
2、能力”，要求学生在高中化学的学习中，提高科学探究体验，使学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三方面都得到发展。为此，我们几位化学教师结合我校的教学实际，利用第二课堂活动引导学生全面开展科学探究实践活动，做出了出色的成绩。尤其是在氢氧燃料电池优化设计方面最为突出，学生和教师科技制作、自制教具、学术论文等在省市级的科技竞赛中多次获奖。下面我们对氢氧燃料电池优化设计的科学探究策略进行详细介绍。2、基本原理与设计利用电解法在两极上分别产生氢气和氧气，然后使氢气和氧气在燃料电池中发生氧化还原反应而形成电流，电流流经外电路使电器工作。1）、器材：学生电源（6伏）、发光二极管（或石英钟、音乐贺卡、
3、小电风扇等）、开关（2个）、烧杯（250ml）、多孔石墨电极（2支）、多孔绝缘胶板、导线若干。2）、药品：0.5mol/L的Na2SO4溶液。3）、装置：如下图（图1）图1 第一次设计的实验装置3、工作原理：氢氧燃料电池的电极反应式如下1负极：2H2 4e- = 4H+正极：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O总反应方程式：2H2 + O2 = 2H2O4、操作方法：实验前，S1和S2均断开。当S2断开，S1闭合时，该装置为电解池（电能转化为化学能）；当S1断开，S2闭合时，该装置为氢氧燃料电池（化学能转化为电能）。实验时先闭合S1,接通直流电源（6伏），两电极分别产生H2和O2，当两电
4、极产生明显气泡时，再断开S1,闭合S2，发光二极管发光。二、优化设计的方法和过程（第二次设计）以上一种最简单氢氧燃料电池的设计方案，该燃料电池虽然结构简单 ，但是产生的电压偏低，通常只能达到1.5V左右，只能用仪器测量出较小的电流和电压数值，可驱动石英钟，较难使灯泡和发光二极管发光，实验效果欠佳。于是，我们就指导学生对传统的设计思路进行了改进，提出了新的设计要求，目的是要优化氢氧燃料电池的结构，扩大电池的内能，增强燃料电池的实验效果。- 3 -1、探究猜想：“燃料电池的额定电压与其内阻和电极的吸附面积有很大的联系，而内阻的大小与电解质溶液的浓度和电极间的距离有关”。 2、探究过程： 为了证明这
5、一猜想，学生分组设计了下列实验探究(测定数据取相同条件下多次试验的平均值，下同)。2、制作实验探究1：燃料电池的内阻与电极间距的关系2实验序号实验用品两极间的距离测定的内阻（）11mol/L的Na2SO4溶液；石墨电极规格1.0cm6.0cm10cm925cm731cm5实验结论：燃料电池的内阻与两极间的距离有关，间距越大，内阻越大。 实验探究2：燃料电池的内阻与电解质溶液浓度的关系实验序号电极规格与间距电解质溶液浓度测定的内阻（）1石墨电极规格1.0cm6.0cm；间距 5cm0.5mol/L1021.0mol/L731.5mol/L5实验结论：燃料电池的内阻与电解质溶液浓度有关，浓度越大，
6、内阻越小。 实验探究3：燃料电池的电压与电极吸附面积的关系实验序号电解质与电极间距石墨电极规格工作电压（V）11mol/L的Na2SO4溶液；电极间距5cm1.0cm6cm1.221.5cm6cm1.732.4cm15cm2.5实验结论：燃料电池的电压与石墨电极的吸附面积有关，吸附面积越大，产生的电压越高。S1+_带孔胶板多孔碳棒大电极电解质溶液发光二极管S2直流电源3、实验装置：结合探究的结果，我们设计了下列装置（如图2，操作方法同图1）。图2 第二次改进的实验装置实验探究4：优化设计前后氢氧燃料电池的实验效果对比实验电解时间主要变量放电电压石英钟运转时间1.改进前的装置（图1）3min石墨
7、电极 1.0cm6cm，间距 5 cm；1mol/L的Na2SO4溶液。1.2V12min2.改进后的装置（图2）3min石墨电极2.4cm15cm，间距0.1cm；2mol/L的Na2SO4溶液。3.0V50min实验结论：数据显示，优化后的氢氧燃料电池产生的电压可达3.0伏以上，大于第一次设计的氢氧燃料电池的电压。4、活动总结： 通过上面的实验探究可知，氢氧燃料电池的电压与电解质的浓度、电极间的距离、电极的吸附面积有极大的关系，选择合适浓度的电解质溶液，合适规格的电极以及最小的间距，能够有效的提高燃料电池的工作电压。实验中，我们常常选择电解质溶液为2mol/L的Na2SO4溶液；两极间距离
8、尽可能接近（两极间用带孔胶板隔开）；电极使用大石墨电极（规格为2.4cm15cm，使用前要灼烧、淬火，以增大其吸附面积）。三、优化再设计的探究过程与方法（第三次设计） 实验改进的成功，使学生沉浸于喜悦之中。上述优化设计的优点很明显，但也有一些不足之处，教师要求学生发现问题，并提出合理的解决方案。一个星期以后，同学们设计出了多种改进方案，其中，有一种方案得到了师生的一致认可，该方案是：在电极上各倒扣一个饮料瓶，将气体收集起来。这样既节约了气体，又增大了电池的内能。 1、实验设计：根据该方案，同学们设计了如下装置:+_小饮料瓶碳棒大电极电解质溶液小石英钟S1S2直流电源 图3 第三次改进的实验装置
9、 2、操作方法： 该装置设计的理念和操作方法与第二次设计的基本相同，不同之处是在气体收集装置设计上有独到之处。饮料瓶倒扣在电极上的操作方法是：瓶盖用单孔橡皮塞代替，电极上的铜棒可插入其中。先将两支电极放入容器之中，将底部开口的饮料瓶开启瓶盖，倒扣在两组电极上，向容器中加入电解质溶液至瓶口处，盖紧橡皮塞（铜棒应避免与电解质溶液接触）。3、科学探究：为了验证该设计的效果，同学们设计了以下探究内容。 实验探究5：优化再设计前后氢氧燃料电池的实验效果对比实验电解时间主要变量放电电压小电风扇运转时间1.第二次设计的装置（图2）5min石墨电极 2.4cm15cm，间距0.1 cm；2mol/L的Na2S
10、O4溶液。3.0V60min2.第三次设计的装置（图3）5min石墨电极2.4cm15cm，间距0.2cm；2mol/L的Na2SO4溶液。2.8V90min4、实验结论：数据显示，优化再设计后的氢氧燃料电池产生的电压虽然略有降低，但电风扇运转时间更长，该设计方案的猜想得到了验证。通过师生的科学探究制得的氢氧燃料电池装置集教学、科研、科普于一身，有很大的推广价值。作品已在以下几个方面得到应用：1）用于氢氧燃料电池原理和电解原理的教学和研究，加强了原理的直观性。2）用于燃料电池的制作研究，作为学生第二课堂活动的研究课题，具有较高的科研价值。（3）宣讲环境保护，提倡绿色化学，用于宣传环境保护教育。（4）作为科学技术推广教育的素材，也作为教具在教学中推广使用。- 7 -参考文献1宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书化学（选修4）M.北京：人民教育出版社，2007:772郑晓红,李莉,简易氢氧燃料电池的制作及演示J.中学化学教与学,2006(7):34-35
