氢氧燃料电池实验改进

　　摘要：在教材实验的基础上，对氢氧燃料电池电极和电路进行了改进，PAN基碳纤维毡电极易加工制作，对气体吸附性能良好。线路板用泡沫板做基体制作而成，电路清晰明了，并在过程中加装升压模块，对二极管延时发光效果明显。改进后，电池在硫酸钠溶液中，分别负载风扇、喇叭、发光二极管、液晶显示器工作，都取得了非常好的效果，为中学开展这类实验提供了方向。

　　关键词：氢氧燃料电池;PAN基碳纤维毡;升压模块;实验改进

　　一、问题提出

　　作为高中化学教学中一项重要内容，氢氧燃料电池是电能和化学能的相互转化的重要实验之一。苏教版化学(必修2)教科书中设计了简易氢氧燃料电池装置(图1)，使学生直观地认识其构造，揭示其反应原理。其多孔碳棒电极是将普通的石墨碳棒放在高温火焰上灼烧至红热，迅速浸入冷水中，多次重复使之表面粗糙多孔。但电极制作时间长，与普通碳棒对比气体吸附效果不明显。该氢氧燃料电池电压低并且电压下降快，一般达不到二极管发光电压，即使能达到，发光二极管也是一亮即灭。

　　二、现状分析

　　现在已经有很多研究者对课本中的氢氧燃料电池进行改进，笔者搜索淘宝商城氢氧燃料电池成套设备从几十元到几百元不等，试用几款设备后感受是质量参差不齐，价格低的产品使用不便，价格高的结构比较复杂，不利于学生对于燃料电池原理的理解。一些教师也对氢氧燃料电池进行了改进，装置简单、实用，但对电极处理较复杂，再现效果不稳定。

　　三、实验改进

　　如何找到一种物美价廉的电极材料，笔者进行了一系列尝试。在研究中发现，利用PAN基碳纤维毡(图2)作为电极材料进行水的电解所需时间短，对生成气体吸附能力强，后续做氢氧燃料电池时电压高，放电持久，效果明显。PAN基碳纤维毡是采用聚丙烯腈基平板原毡，经过预氧化和碳化处理后而制的毯状碳毡。具有质地柔软、重量轻、表面积大、易于裁剪、操作方便的特点，在航空、电池电极、污水处理等行业应用广泛。

　　对于氢氧燃料电池电压较低、二极管不发光或者一闪即灭现象，笔者尝试在电路中加入升压模块(图3)，改进后发光二极管工作时间比原来有明显增加。

　　实验用品：9V电池，电池盒，2B铅笔芯，PAN基碳纤维毡，电解槽，饱和硫酸钠溶液，导线，鳄鱼夹，导电胶带，升压模块(升压芯片，电感，接线端子)，液晶显示器(儿童电子表)，喇叭(音乐贺卡机芯)，微动开关，发光二极管，风扇(716空心杯)，热熔胶枪，热熔胶，手工泡沫板。

　　四、实验步骤及现象

　　1.制作氢氧燃料电池线路演示板，将风扇、发光二极管、喇叭、液晶显示器按线路图并联安装在泡沫板上(图4)。

　　2.剪取3X4cm的PAN基碳纤维毡于电解槽中，向其中各插入一根2B铅笔芯，向电解池中加注饱和硫酸钠溶液。9v电池电源线分别连接两根2B铅笔芯，进行水的电解(图5)。由于PAN基碳纤维毡表面积大，对气体吸附能力强，需一段时间后才能看到PAN基碳纤维毡表面有气泡生成。

　　3.断开2B铅笔芯与9V电池导线的连接，将2B铅笔芯连接自制氢氧燃料电池演示板导线(过程中注意正负极连接方向)，閉合开关1，风扇转动;闭合开关2，二极管发光;闭合开关3，喇叭播放音乐;闭合开关4，液晶显示屏出现示数(图6)。

　　五、改进意义

　　自制氢氧燃料电池线路演示板集成了电扇、发光二极管、喇叭、液晶显示器等多个电子元件，使用过程中学生能够直观感受电能与化学能的相互转化，电能与声、光、动能的转化。演示板一次制作，长期使用。改进后的电极表面积大，吸附能力强，性能稳定;升压模块加入电路后，二极管亮度高，发光持久。

　　推荐阅读：《燃料与化工》(曾用刊名：炼焦化学)，1970年创刊，是科学技术刊物。报道方针是：“认真贯彻科学技术工作要面向经济建，为经济建设服务的方针，报道以煤为原料的煤炭高温干馏及煤炭气化的煤化工技术发展成果，以实用技术为主，辅以必要的理论性文章”。

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