臺灣化學教育

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
*[email protected]

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。

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。

圖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。

 

圖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。

 

圖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。

圖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。

圖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。

圖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。

圖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。

 

圖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。

圖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。

 

圖10：小功率馬達（左）；嚙合馬達小齒輪與前輪大齒輪（右）

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。

圖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 atm、25℃、1 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^–     = 0.00 V    [1]

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

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

雖然ΔE⁰ = 1.23 V＞0，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

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 cm、15 cm、20 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，62（4），547~554。