化学教学论实验报告——氢氧燃料电池的制作

化学教学论实验报告——氢氧燃料电池的制作

化学系2011级化学2班罗晗 10111550218

一、实验方程式、装置：

1、电解水时，选用1mol/L硫酸钠溶液作为电解质溶液，两极发生如下反应：

阳极：2H2O =O2+4H++4e-

阴极：4H2O +4e- =2H2+4OH-

2、两极吸附满气体后，拆去外电源，使燃料电池放电，两极发生如下反应：

正极：O2+4H++4e- =2H2O

负极：2H2+4OH-=4H2O +4e-

3、实验装置：

二、实验注意事项：

1、在实验过程中，燃料电池具有正负极，应当正确判断其正负极，防止二极管的电极接反，最终导致其不能发光。发光二极管灯脚有正、负极之分，长脚为正极，短脚为负极。如不能识别，可直接用燃料电池接试，如不发光，说明接反了，交换一下电极即可。

2、由于普通碳棒表面较为光滑，所以在电解过程中难以吸附较多的氢气和氧气，导致发光二极管发光时间较短，实验效果不明显，所以要把普通炭棒置于高温火焰上灼烧到发红，立即投入冷水中使其表面变得粗糙多孔，使其在电解水时可吸附较多的氢、氧气体。

三、实验思考：

1、电解质溶液的种类对最终发光二极管的发光时间有何影响？

答：经过查阅资料得知，电解质溶液的种类对最终发光二极管的发光时间具有较大影响，设计实验分析其影响大小，实验结果如下表：

由此可知，电解质溶液的种类对二极管发光时间具有较大影响，因为不同种溶液电离出的离子种类不同，其最终产生的离子数目也不同，从而导致其导电能力不同，最终的二极管发光时间也就不同了。如上面实验可以看出，硫酸与氢氧化钠的导电能力相似，其电解出的离子数目相近；而硫酸钠电离出的离子出较多，导电能力较强。

2、为何要将碳棒进行淬火？是否淬火次数越多越好？

答：由于普通碳棒表面较为光滑，所以在电解过程中难以吸附较多的氢气和氧气，即最终成为燃料电池所能储存的电能较少，最终的发光二极管发光时间较短，实验效果不明显。而把普通炭棒置于高温火焰上灼烧到发红，立即投入冷水中使其表面变得粗糙多孔，则会使其在电解水时可吸附较多的氢、氧气体，最终储存的电能较多，发光二极管的发光时间也较长。但是并不是淬火次数越多越好，因为淬火次数越多，消耗的炭就越多，则更容易使得碳棒断裂，所以淬火的次数应根据实际情况判断，使得碳棒能负载的气体最多为最佳。

3、燃料电池的工作原理是什么？有什么优缺点？

答：燃料电池是很有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、甲醇、硼氢化物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧作为正极．和一般电池的主要区别在于一般电池的活性物质是预先放在入的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量；而燃料电池的活性物质（燃料和氧化剂）是在反应的同时源源不断地输入的，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置，这类电池具有转换效

率高、容量大、比能量高、功率范围广、不用充电等优点，但由于成本高，系统比较复杂，仅限于一些特殊用途，如飞船、潜艇、军事、电视中转站、灯塔和浮标等方面。燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锌锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作时需要连续地向其供给反应物质——燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，2013年正发展为直接使用固体的电解质。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。当氢离子进入电解液中，而电子就沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。此过程水可以得到重复利用，发电原理与可夜间使用的太阳能电池有异曲同工之妙。燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等。燃料电池的优势，科技手段中，尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸多优点集合于一身，它具有：能源安全性、国防安全性、高可靠度、供电燃料多样性、高效能、环境亲和性、可弹性设置、用途广等有点。但是燃料电池也有很多缺点是现在的科技难以克服的，如：燃料电池造价偏高、反应启动性能较差、反应性与稳定性常是不可兼得、碳氢燃料无法直接利用、氢气储存技术较差、氢燃料基础建设不足等。

4、本实验有何缺陷？应当如何改进本实验？

答：在本实验中，选用了发光二极管作为燃料电池存在电势差和放电的指示灯，起着反映电池制作实验成功与否的直观指示作用，为了便于实验，可以用敷铜板制作了印刷电路板当作“指示灯座”，将发光二极管焊接到电路板上，并标出正、负极，再在线路板上焊上导线，由该导线进行连接，这样既可以使发光二极管相对固定，便于观察发光情况，又可以有效避免发光二极管在实验中管脚折断或连

接中短路等情况的发生。在进行实验时,可以采用独股铜芯的胶皮电线拧成“麻花”状将碳棒电极固定于其中，然后架在小烧杯口上，用焊有导线的鳄鱼夹直接夹住碳棒上端，正极的都用红色导线连接，负极的都用黑色导线连接，进行电路连接时，改用一个双刀双掷开关，当开关铡刀合向 A 侧时是电解装置，制得实验所需的“燃料”氢气和氧气，当开关铡刀合向B 侧时就是制得燃料电池的工作电路，这样就使电路连接简化，也使得实验操作更为方便和简捷。在整个过程中，发生了电能转变为化学能—化学能又转变成电能—电能转变为光能等一系列的变化，而其中由化学能又转变成电能的过程正是制作的简易燃料电池的实现。