簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動 / 張志聰

星期四 , 23, 六月 2016 Leave a comment

簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動

張志聰

屏東縣立大同高級中學
教育部高中化學學科中心
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e8322033@msn.com

n  影片觀賞

雖然燃料電池是大學學測考題的常客,但是在高中化學課本中卻僅針對方程式介紹以及電壓、電解液等簡略介紹,並強調其在運作上需高溫、昂貴的貴金屬電極等缺點,讓人覺得燃料電池都是極其複雜且昂貴的裝置,僅能在實驗影片中才能看到。本實驗分享一種可以在一般教室中進行的簡易燃料電池車實驗,並可以讓學生進行一系列能源動力相關的實驗。

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影片網址:https://goo.gl/lrCeBH, YouTube.

n  簡介

氫氧燃料電池是直接將化學能轉變為電能的氧化還原裝置,主要燃料以氫氣為主,透過氫氣與氧氣的電化學反應產生電能與熱能,且熱能遠低於一般燃燒石油所產生的熱值,過程中節省了轉換為機械能所需要的能量損耗,因此展現出比內燃機更高能量轉換率。

本實驗利用包覆不織布的碳棒作為電極,使用直流電(3 V)電解食鹽水取得氫氣和氧氣,而包覆在電極上的不織布可減緩氣體自水中逸出的速率;約電解3~5分鐘,即可累積足量的氫氣和氧氣吸附在電極之上。移除直流電源後,充滿氣體的碳棒即可組成簡易的燃料電池,接上裝有低電流馬達的小車後,可使其穩定行進約4公尺的距離,電池放電完畢後,只需再度以直流電進行電解,即可重複使用。

燃料電池之實作與探索活動,幫助學生認識「燃料電池」與其運作原理、能量轉換等有關能源議題,以下說明簡易氫氧燃料電池車的原理及製作過程。

n  藥品與器材

(一)藥品:氯化鈉(NaCl)、氫氧化鈉(NaOH)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、醋酸(CH3COOH)自來水。

(二)器材:飽和食鹽水、膠帶、4 cm × 10 cm塑膠底板、輪胎組、鱷魚夾、3號電池座、快乾膠、馬達、不織布、碳棒、泡棉、長25 cm粗塑膠管、9 cm細塑膠管大齒輪、小齒輪、三用電表,如圖1所示。

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1:製作簡易氫氣燃料電池車所需之器材

n  實驗步驟

一、氫氣燃料電池組裝

1.        利用不織布將碳棒包覆起來,多餘的不織布反摺後,以膠帶固定使其不會鬆脫,如圖2所示。

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2:利用不織布包覆碳棒,並以膠帶固定不織布使不脫落

2.        取一塊泡棉,將包覆有不織布的碳棒穿過泡棉,如圖3所示。

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3兩根電極穿過事先鑽好小洞的泡棉

3.        取長25 cm的粗塑膠管底部以泡棉塞緊使不會漏水為原則,注入10%(重量百分比)食鹽水,食鹽水的高度離上方管口約2 cm,再塞入穿有電極的泡棉固定備用,即完成一個簡易的燃料電池,如圖4所示。※安全提醒:食鹽水濃度不可過高,否則電解可能產生有毒的氯氣,危害身體健康。

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4燃料電池組完成圖

二、電解食鹽水收集氫氣及氧氣

1.        組裝完成的燃料電池並沒有正負極之分,需視電解後收集的氣體種類來決定正負極。預先將頂端泡棉上的碳棒調成一長一短,長端接電池正極進行電解,短端接電池負極電解,方便辨識電解完成後的正負極辨識,如圖5所示。

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5調整碳棒長短方便辨識充電後的正負極

2.        將電池盒上的黑色線路鱷魚夾(負極)與短端碳棒接上,再將紅色線路鱷魚夾(正極)與長端碳棒接上,打開開關進行電解食鹽水,觀察有何現象,如圖6所示

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6:電解食鹽水進行氣體收集

3.        電解約5分鐘後關閉電源,移除兩極的鱷魚夾後,以三用電表量測燃料電池兩極的電壓,如圖7所示。

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7:測量燃料電池電壓約1.65 V

三、燃料電池車組裝

1.        將透明細塑膠管剪成長兩段,取其中一段塑膠管套入鐵質軸心,再套入大齒輪,輪胎固定在左右兩側,即完成前輪,如圖8左所示。然後,組裝另一段塑膠管形成另一輪胎套件,即完成後輪,再將2組輪胎套件分別使用快乾膠固定於塑膠底板備用,如圖8右所示。

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8:組裝前輪(左);組裝後輪(右)

2.        將圓形馬達的軸心套入小齒輪,塞到與馬達軸心切齊即可,如圖9右所示

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9:前後輪以快乾膠固定位置

3.        將馬達與前步驟的套件組合,使馬達的小齒輪與前輪的大齒輪可以嚙合,形成之前輪驅動車,如圖10所示

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10:小功率馬達(左);嚙合馬達小齒輪與前輪大齒輪(

4.        將電解充電完成的燃料電池放上電池車,並將馬達上的正負極線路接上電池,即完成燃料電池車,如圖11所示

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11完成燃料電池車

n  原理與概念

電化學的領域中,標準狀況下(1 atm251 M),氫氧燃料電池的反應式及其對應的電位如式[1]~[3]所示:

陽極:2H2(g) → 4H(aq) + 4e    clip_image034 = 0.00 V    [1]

陰極:O2(g) + 4H(aq) + 4e→ 2H2O(l)    clip_image036 = 1.23 V    [2]

全反應:2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)    ΔE0 = clip_image036clip_image036 = 1.23V    [3]

雖然ΔE0 = 1.23 V0,表示這是一個可以自發的反應,但是這個反應的活化能很高,在一般不使用任何的催化劑或點火的情況下,氫氣與氧氣反應將很難進行反應。經實驗量測兩極的電位差約1.65 V,較氫氧燃料電池的理論值為高;電流強度約35 mA

電解稀的氯化鈉水溶液時(硫酸鈉亦可),水中不停有氣泡發生,此氣泡為氫氣與氧氣,其正負極的反應式如下所示:

陰極(負極):2H2O(l) + 2e → H2(g) + 2OH(aq)    [4]

陽極(正極):H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e + 2H(aq)    [5]

全反應:H2O(l) → 1/2O2(g) + H2(g)    [6]

當電解時,電子從電池的負極流出,水分子在陰極得到電子,發生還原反應;另一極,水分子發生氧化反應產生氧氣及氫離子,並放出電子,流回電池的正極。通電約5分鐘後,隨即將充滿氣體的兩碳電極與馬達連接,溶液中的氫氣在鹼性環境中發生氧化反應,失去電子,進入馬達,電能轉換程機械能,使馬達轉動 ;此時溶液中的的氧氣在酸性環境中得到電子發生還原反應,生成水。如此週而復始,直至氣體耗盡後,馬達隨即停止轉動。

n  探索活動學習單

活動(一):組裝燃料電池並觀察充電和放電時的變化

拍下你的燃料電池裝置照片,觀察電池充電和放電前後電極與電解液的現象,並說明其原因

(插入照片)

 

 

 

(說明原因)

活動(二):燃料電池放電的電壓和電流的測定

停止電解後,氫氣和氧氣在電解液中放電,即有電壓。此反應的反應式:2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)。再利用伏特計測量每30秒的電壓,連續5分鐘。測量初始電壓和電流詳細紀錄於表一。

表一:燃料電池放電的電壓和電流的測定

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活動(三):電解不同電解質和不同材質

1.        準備醋酸(CH3COOH)、氫氧化鈉(NaOH)、碳酸氫鈉(NaHCO3等不同酸鹼性電解質溶液,改變不同的電解質,測量並找出何種電解質溶液有最佳起始電壓。

2.        嘗試改變不同種類的碳棒電極,觀察不同種類的碳棒導電度及對氣體吸附的效果,例如:鉛筆芯、2B鉛筆、炭筆、備長炭等,進行相同燃料電池的操作,探究是否與碳棒有相同效果。

3.        如果上述電壓數值不佳,想想看是什麼原因造成這些影響?有什麼方法可以改善?

活動四:不同長度塑膠管對燃料電池電壓及續航力的影響

1.        準備10 cm15 cm20 cm等不同長度的塑膠管,製作燃料電池,找出何種長度的塑膠管有最佳起始電壓。

2.        將不同長度塑膠管製作的燃料電池接上電池車,測量電池車行進的距離,找出最佳電池重量與電壓的比例。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用完畢之電池車及電解液可重複使用,如長期不使用,可將電解液倒出後,按實驗室規定回收。

l  電解食鹽水的濃度不可過高,否則可能產生有毒的氯氣而危害身體健康。

n  參考資料

1.      氫氧電池,https://www.youtube.com/watch?v=0mxzbRqkAiA

2.      高雄女中化學科主編(民98年)【能源的明日之星 燃料電池】高雄市:高雄女中。

3.      方金祥(2004年)氫氧燃料電池之微型化設計及在電化學教學應用之研究,化學624547~554

 

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