李聰芳

氫氧燃料電池是利用原電池的工作原理，將氫氣（燃料）和氧氣（氧化劑）反應(yīng)所放出的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。高中化學(xué)教材必修2第二章第二節(jié)中給出了氫氧燃料電池的構(gòu)造示意圖，課后題第5題以信息的形式給出了堿性電解質(zhì)溶液中氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式，使學(xué)生有一個(gè)大體的印象，選修4第四章第二節(jié)中簡單介紹了它的工作原理，但學(xué)生們還是搞不清是怎樣產(chǎn)生電流的，難以相信氫氣和氧氣不經(jīng)點(diǎn)燃就能反應(yīng)，還能產(chǎn)生電流。本文詳細(xì)探究了氫氧燃料電池的工作原理，設(shè)計(jì)了簡單的實(shí)驗(yàn)，以事實(shí)來說明，使學(xué)生心服口服。

一般原電池的工作原理是具有還原性的物質(zhì)在一個(gè)電極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，失去的電子通過導(dǎo)線流向另一個(gè)電極，在該電極上具有氧化性的物質(zhì)接受電子發(fā)生還原反應(yīng)，從而形成電子的定向移動，也就形成了電流。一般原電池的構(gòu)成條件是：兩個(gè)活性不同金屬或?qū)щ姷姆墙饘僮麟姌O，兩電極材料均插入電解質(zhì)溶液，電極相連形成閉合回路。

理論上任何一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的、放出能量的化學(xué)反應(yīng)均能設(shè)計(jì)為原電池，氫氣和氧氣反應(yīng)生成水就符合這一條件。將2H2+O2=2H2O?拆成兩個(gè)半反應(yīng)，氧化反應(yīng)為：H2-2e-=2H+?，還原反應(yīng)為：O2+4e-+2H2O=4OH-，可見，失去電子和得到電子的物質(zhì)是氣體，而氣體不能作為電極材料，必須有一個(gè)氣體可以依附的導(dǎo)電的載體。我選擇的是1號電池的碳棒：將一端磨尖（尖端放電，更有利于反應(yīng)），為了使碳棒表面吸附更多的氣體，將表面進(jìn)行一下處理，即在酒精噴燈上燒紅，然后迅速放入冷水，如此反復(fù)幾次，可使表面變得疏松，也可用熱的濃硝酸處理一下碳棒（不建議用，因會放出NO2氣體，有毒），效果也很好。碳棒處理好了，該選擇電解質(zhì)溶液了。由于該電池的電解質(zhì)溶液不參與反應(yīng)，所以電解質(zhì)溶液只要不影響電池的工作均可，酸性電解液如H2SO4溶液，堿性電解液如NaOH溶液，中性電解液如Na2SO4溶液均可。再有導(dǎo)線若干，裝置材料就完成了。

還有最重要的一個(gè)問題，即H2和O2的來源。實(shí)驗(yàn)室中做氫氧燃料電池的實(shí)驗(yàn)，若由外界通入H2和O2顯然比較復(fù)雜，所以我選用的是電解水產(chǎn)生H2和O2。生成的H2和O2吸附在碳棒上，利用碳棒上吸附的H2和O2構(gòu)成氫氧燃料電池，用生日蠟燭中的電子發(fā)聲元件檢驗(yàn)電流。為了快速的由電解水的電路轉(zhuǎn)化為燃料電池的電路，引入單刀雙擲開關(guān)，裝置見下圖

氫氧燃料電池電路圖

此氫氧燃料電池操作簡單：將裝置如上圖組裝好，打開電源，即可在兩極上觀察到明顯的氣泡產(chǎn)生，然后斷開電源，將單刀雙擲開關(guān)擲向另一端，馬上就能聽到生日歌，效果明顯，學(xué)生反響強(qiáng)烈。

這一實(shí)驗(yàn)由廢電池的碳棒、泡沫塑料和實(shí)驗(yàn)室中簡單的儀器制成氫氧燃料電池的裝置，具有電解水及燃料電池供電的雙重示范效果，是一套具有高效能和對環(huán)境友好的綠色實(shí)驗(yàn)裝置，適合于電化學(xué)教學(xué)演示及學(xué)生親手做實(shí)驗(yàn)，使我們在電化學(xué)的教與學(xué)上更為生動有趣，方便提高學(xué)生學(xué)習(xí)電化學(xué)這一知識板塊的興趣及學(xué)習(xí)成效。本專題通過對氫氧燃料電池工作原理的探究，使學(xué)生在自主的獲取知識、知識遷移、探索知識的形成過程等方面更為主動，符合新課程的教學(xué)理念。