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臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan
創意微型實驗—微型氫能燃料電池
方金祥
創意微型科學工作室
[email protected]
本文作者先前曾設計兩套微型燃料電池（microscale fuel cell）第一代與第二代，第二代微型燃料電池發表於中國化學會之化學季刊，並榮獲當年度的化學論文獎（如附錄一所示），微型燃料電池係利用廢棄乾電池之碳棒經高溫加熱後急速冷卻以除掉碳棒上之雜質及成為多孔性碳棒作為電極，經加入適當的電解質溶液後進行電解（充電）產生氫氣與氧氣，然後在氫電極（陽極、負極）上之氫氣和氧電極（陰極、正極）上之氧氣化合成水並放出電能（放電）。燃料電池（又稱氫能燃料電池或氫氧燃料電池）是日後零汙染的能源應用在市售汽車上（如附錄二所示）。本文將介紹第三代的微型氫能燃料電池之設計與製作，以供電化學實驗教學之參考與應用，使其在電化學教學上更為生動活潑有趣，以提高學生學習電化學之興趣。
n 燃料電池之原理
燃料電池的原理是利用水電解後在負極（陽極，又稱氫電極）產生的氫氣與在正極（陰極，又稱氧電極）產生之氧氣化合成水時產生的電流可做電功，其反應後之唯一產物只有水而已，因此燃料電池可說是最乾淨且為零無污染的能源。
n 微型氫能燃料電池與一般燃料電池之比較
燃料電池係由電極、電解質、燃料以及氧化劑等所組成，微型氫能燃料電池與一般氫能燃料電池之燃料都是利用電解水產生的氫氣作為燃料，以電解水產生的氧氣作為氧化劑，其比較如表一所列。第一代、第二代及第三代微型燃料電池之比較如表二所列和相片一所示。
表一：微型氫能燃料電池與一般氫能燃料電池之比較
表二：三代微型氫能燃料電池之比較
*燃料：利用電解產生之氫氣H2。
**氧化劑：利用電解產生之氧氣O2。
相片一：第一代微型燃料電池
相片二：第二代微型燃料電池
相片三：第三代微型氫能燃料電池
n 材料與藥品
乾電池（9 V） 1粒、塑膠培養皿 1個、2B鉛筆筆芯（長4.2 cm，直徑0.2 cm） 2支、音樂盒（生日快樂歌） 1組、電子鐘 1個、透明塑膠滴管（3 mL） 2支、熱熔膠槍 1組、飽和硫酸鉀（K2SO4）溶液 5 mL。
n 微型氫能燃料電池之設計與組合
一、 鉛筆筆芯（電極）之處理
1. 將市售兩2支2B鉛筆筆芯（相片四左），用稀鹽酸溶液及清水清洗數次後備用。
2. 截取2支長4.2cm，直徑0.2 cm之鉛筆筆芯作為電極，如相片四（右）所示。
相片四：市售兩2B鉛筆筆芯（左），長4.2 cm直徑0.2 cm之鉛筆筆芯（右）
二、電解管與電解槽之設計組合
1. 取2支3 mL之透明塑膠小滴管，將其底部剪掉，使底部形成一個約3 mm直徑的小圓孔作為電解管，另在其上方挖一小孔以方便鉛筆筆芯插入，供作電極之用，如相片五所示。
相片五：以滴管頭作為電解管（左、中），以鉛筆筆芯作為電極（右）
2. 在鉛筆筆芯上方用導線接出來，並用熱熔膠固定之以方便充電與放電時之用。
3. 將鉛筆筆芯從上述透明塑膠小滴管上方小孔插入，使鉛筆筆芯底端與小滴管管口齊，然後用熱熔膠將鉛筆筆芯之上方固定在塑膠小滴管上，並使其與管口密閉，供作電解管，如相片六所示。
相片六：微型氫能燃料電池之電解管
4. 取一小塑膠盒子，用熱熔膠固定在一個塑膠蓋子上作為電解槽，另再用熱熔膠將其固定在一個塑膠培養皿上，使其能穩穩地置放於桌面上以方便操作，如相片七所示。
相片七：微型氫能燃料電池之電解槽
5. 將電解管、電解槽與9 V乾電池組合起來，便完成一套「微型氫能燃料電池」，如相片八所示。
相片八：微型氫能燃料電池
三、微型氫能燃料電池車製作
1. 將市售迷你太陽能車（相片九左）上的太陽能板取下來，而成迷你車體，如相片九（右）所示。
相片九：迷你太陽能車（左），迷你車體（右）
2. 用熱熔膠將一小塑膠槽固定在迷你車體上方作為電解槽，如相片十所示。
相片十：迷你車體上之電解槽
3. 將2支電解管插入電解槽中即组成微型氫能燃料電池車，如相片十一所示。
相片十一：微型氫能燃料電池車
n 實驗操作
微型氫能燃料電池經電解充電後再令其放電，其充電過程和放電過程如下：
一、充電過程
1. 在小電解槽內放入約2 mL的飽和硫酸鉀（K2SO4）溶液。
2. 在2支電解管內分別加入飽和硫酸鉀溶液至滿為止，每支電解管加滿時約需要1 mL左右的飽和硫酸鉀溶液。
3. 小心地將電解管與小電解槽組合起來，並使電解管的底部浸入小電解槽內之飽和硫酸鉀溶液中。
4. 將9 V乾電池之正、負極之鱷魚夾分別夾在電解管上之導線，以進行水的電解而將微型氫能燃料電池加以充電之，充電1分鐘後切掉直流電源並用三用電表測量充電後之電壓，如相片十二所示。
相片十二：微型氫能燃料電池充電（左）及電壓測量（右）
5. 電解充電約1分鐘後，在2支電解管中分別收集到氫氣約1 mL及氧氣約0.5 mL，其反應如式[1]所示：
2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g) [1]
6. 關掉電源以終止電解，即完成微型氫能燃料電池之充電過程。
二、放電過程
1. 微型燃料電池上原來接在9 V乾電池之負極即為微型氫能燃料電池之負極（氫電極），而接在9 V乾電池之正極者即為微型氫能燃料電池之正極（氧電極），分別與市售電子鐘或生日音樂組等電器之負極與正極連接起來。
2. 線路接通之後即可由微型氫能燃料電池之正極（氧電極）所收集到的氧氣與及由負極（氫電極）所收集到的氫氣化合成水，而產生電流，此即為微型氫能燃料電池放電的原理，理論上產生之電壓為1.23 V。其反應如式[2]~[4]所示：
負極（陽極）：2H2(g) → 4H+(aq) + 4e– Eox0 = + 0.00 V [2]
正極（陰極）：O2(g) + 4H+(aq) + 4e– → 2H2O(g) Ered0 = + 1.23 V [3]
總反應：2H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) Ecell = + 1.23 V [4]
三、微型氫能燃料電池在電化學上之應用
1. 微型氫能燃料電池經充電1分鐘後，將充電電源切斷準備進行放電，將原充電時之正極與電子鐘之正極連接，原充電時之負極與電子鐘之負極連接後，觀察電子鐘之運轉情形。
2. 微型氫能燃料電池經充電1分鐘後，將充電電源切斷準備進行放電，將原充電時之正極與音樂盒之正極連接，原充電時之負極與音樂盒之負極連接後，觀察音樂盒之運轉情形。
3. 在微型氫能燃料電池車上之電解槽放入2 mL的飽和硫酸鉀電解液，然後再將裝滿電解液之2支電解管插入電解槽中，經充電1分鐘後將微型氫能燃料電池之正極與微型氫能燃料電池車之正極連接，另將微型氫能燃料電池之負極與微型氫能燃料電池車之負極連接，觀察微型氫能燃料電池車之運轉情形。
n 實驗結果
1. 充電1分鐘後切掉直流電源並用三用電表測量充電後之電壓達1.11 V左右，如相片十三所示。
相片十三：微型氫能燃料電池充電後之電壓達1.11 V
2. 微型氫能燃料電池之電能可使電子鐘運轉，亦可作為計數器使用，如相片十四所示。
相片十四：微型氫能燃料電池使電子鐘運轉
3. 微型氫能燃料電池之電能可使生日音樂盒唱出生日快樂歌，如相片十五所示。
相片十五：微型氫能燃料電池使生日音樂盒唱出生日快樂歌
4. 市售迷你太陽能車之太陽能板測出之電壓為0.54 V （相片十六左）和電流為0.065 A（相片十六中），可使迷你太陽能車行走（相片十六右）。
相片十六：市售迷你太陽能車之太陽能板測出之電壓（左）電流（中）及迷你太陽能車（右）
5. 微型氫能燃料電池經充電1分鐘後測出電壓為1.11 V（相片十七左），可使微型氫能燃料電池車行走（相片十七右）。
相片十七：微型氫能燃料電池經充電1分鐘後測出電壓（左），微型氫能燃料電池行走（右）
n 微型氫能燃料電池之特點
l 用藥少且可回收重複使用，只需飽和硫酸鉀溶液5 mL。
l 體積小操作容易又安全方便，極適合於電化學教學演示及學生親自做實驗。
l 充電時間很短，只需約1 分鐘的充電時間，即可使電子鐘、音樂組及微型氫能燃料電池車等電器運轉。
l 微型氫能燃料電池之充電及放電過程簡便且具趣味性，頗能引起學生學習電化學之興趣。
l 微型氫能燃料電池可以單獨使用，亦可經兩組或兩組以上串聯使用以增強電壓。
l 放電後唯一產物為水，堪稱零污染能源的發電方式。
n 微型氫能燃料電池使用時應注意之事項
l 電解管底部需浸入小電解槽中，使電極與飽和硫酸鉀溶液接觸，電解管與電解槽間才能溝通電路以進行充電。
l 電解充電時必須特別注意在終止充電時，電解管內之電極需與電解槽中之飽和硫酸鉀溶液接觸，以保持良好的放電通路。
n 結語
本文中所設計的微型氫能燃料電池經充電1分鐘後，放電時可使鬧鐘、音樂盒及微型氫能燃料電池車等運轉。微型氫能燃料電池在電化學之教學準備及整理時可節省很多時間，並且在教學演示及學生實驗之過程皆非常方便，在電化學實驗教學上可得到明確的結果。由於微型氫能燃料電池放電時之產物只有水而已，是一種零污染之綠能，因此其應用將更能引起學生的學習興趣，使電化學之教學過程更生動、活潑、有趣，俾使教與學達到最佳的效果。
n 附錄
附錄一：第二代微型燃料電池發表於中國化學會化學季刊（化學，第六十二卷，第四期，2004年，12月），並榮獲九十三年度化學論文獎（93.11）。
附錄二：市售燃料電池車（fuel cell car）
