臺灣化學教育

製作可逆式微型氫氧燃料電池並進行探索活動

游宗穎

高雄市立高雄女子高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  影片觀賞

可逆式微型燃料電池是教育部高中化學學科中心教學資源研發推廣小組2010年研發作品之一，本實驗幫助學生認識氫氧燃料電池，親手動手製作可逆式微型燃料電池，瞭解微型燃料電池如何對外作功。影片是由作者在高雄中學實驗室拍攝，本文提供其製作的詳細過程。

（影片網址：可逆式微型燃料電池，YouTube, https://youtu.be/VZqNHgObYtE.）

n  簡介

本實驗利用氫氣與氧氣透過此燃料發電元件，進行氧化還原作用而輸出電能的原理，設計一套可攜帶、實際可用，在高中教學上方便學生瞭解氫氧燃料電池的小型可逆式燃料電池。此自製「可逆式微型燃料電池」電解產生的氫氣與氧氣無須在鉑或鎳的催化下，進行逆向反應使電解出的氫氣和氧氣放電。

本實驗係透過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，以下說明氫氧燃料電池的製作過程以及涉及的原理和概念。

n  藥品與器材

一、藥品：硝酸鈉（NaNO₃）、硫酸鈉（Na₂SO₄）、硝酸鉀（KNO₃）、硫酸鉀（K₂SO4）

二、器材：市售廢棄乾電池（3號AA）、9 V電池、塑膠試管（10 mL）、塑膠筆蓋、鱷魚夾導線電池座、熱熔膠槍、瓦斯噴燈、三用電表。使用之器材如圖1所示。

圖1：製作氫氧燃料電池所需之器材

n  實驗步驟

一、石墨棒（電極）之活化處理

1.        以尖嘴鉗拆除一顆廢棄3號乾電池，取出石墨棒並留下電池的金屬墊片和石墨的固定環。

2.        將取出的石墨棒浸泡於乙醇1天，或以超音波震盪機清洗數次，清洗乾淨之後，烘乾備用。（此石墨棒會殘留乾電池的一些電解質和糊狀物質，必須清理。）

3.        以鉗子夾住石墨棒，分別將石墨棒的上、中、下三部分在高溫瓦斯噴槍之火焰上加熱至紅熱（溫度約為1300℃），約5分鐘後，將其迅速插入冷水中使其急速冷卻。

4.        重複步驟3三次以上，使整支石墨棒之每一部位皆達紅熱後再急速冷卻，使石墨棒表面充分活化，去除石墨間的膠結物和雜碳相，活化後的石墨棒表面會出現一些細微孔洞增加表面接觸面積。圖2為石墨棒處理過程。

 

圖2：廢電池之石墨棒、金屬墊片、固定環（左），石墨棒表面活化處理（右）

二、可逆式微型氫氧燃料電池組裝

可逆式微型氫氧燃料電池組裝的流程簡圖，如圖3所示。

圖3：微型氫氧燃料電池組裝流程簡圖

詳細的組裝步驟，如下步驟所示。

1.        取兩支透明塑膠筆蓋（內徑8 mm），切割長度為15 mm，並在底部鑽孔（直徑約3 mm的小圓孔）

2.        將已活化的石墨棒插入塑膠筆蓋之管口，然後蓋上廢棄乾電池之石墨的固定環，使石墨棒一端露出墊片約3 mm長。再用熱熔膠將石墨棒之上方固定在墊片和筆蓋口上，使其與管口密閉。重複製作，完成兩支相同電解管的製作。電解管完成圖如圖4所示。

  

圖4：組裝電解管（左），兩支燃料電池之電解管（右）

3.        取一支10 mL的塑膠試管，切成兩條長度約4 cm的塑膠管。

4.        將兩支燃料電池之電解管，經由步驟1的小圓孔，裝填1.0 M的NaNO₃。

5.        用熱熔膠先固定一支電解管在塑膠管的一端後，再裝填適量的1.0 M的NaNO₃後，再用熱熔膠封裝另一支電解管，如圖5所示。

 

圖5：封裝塑膠管（左）、裝填電解液（右）

6.        最後將廢棄乾電池之正負極金屬墊片各固定在露出石墨棒一端，便完成一套「可逆式微型氫氧燃料電池」，相關流程如圖6所示。

 

圖6：電池型微型氫氧燃料電池半成品（左）與金屬墊片之封裝（右）

n  原理與概念

氫氧燃料電池是一種燃料放電元件，燃料直接進行氧化還原反應且反應熱以直流電能輸出的裝置。構成燃料電池的主要組成有電解質和電極，在陽極處使還原劑（氫氣）發生氧化反應；在陰極使氧化劑（氧氣）發生還原反應。其電極特性需包含使氣體能夠均勻分佈擴散的氣體擴散層，以及促使燃料電池氧化還原反應能發生的催化劑或稱觸媒。燃料電池的發電原理就是這樣，還原劑除了是「氫」以外，也可以是其它的「氫」燃料，例如天然氣（甲烷）、沼氣（甲烷）、甲醇、酒精（乙醇）…等。

在電化學的領域中，標準狀況（1 atm，25℃，1 M）下，氫氧燃料電池之反應與電位如式[1]-[3]所示：

陽極：2H₂(g) → 4H^＋(aq) + 4e^–                      E_ox^º = 0.00 V    [1]

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

全反應：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)                △E^º = E_ox^º + E_red^º = 1.23 V    [3]

雖然△E^º = 1.23 V > 0，表示這是一個自發的反應，但是這個反應的活化能很高，所以在一般不使用任何的催化劑或點火的情況下，這個氫氧反應很難進行。

n  探索活動與學習單範例

活動一：組裝並認識可逆式微型氫氧燃料電池

請繪出你的燃料電池裝置圖或相機拍攝下來，並說明主要部分的名稱及功用。

活動二：微型燃料電池之電解

以9 V電池電解充電約2～3分鐘後，在兩支電解管中分別收集電解的氫氣和氧氣。特別叮嚀：電解時燃料電池必須平放，利用排除電解管內之液體，達成收集氣體並避免氫氣和氧氣混合的疑慮。圖7為利用9 V電池進行電解氫氣和氧氣。

圖7：9 V電池進行電解製備氫氣和氧氣

活動三：微型燃料電池之放電和電壓的測定

在停止電解後，氫氣和氧氣在電解管中，若給予放電，發生氧化還原反應，如式[3]所示，即有電壓。

全反應：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)              △E^º = 1.23 V    [3]

再利用伏特計，每30秒測量電壓一次，連續10分鐘。將測量數據詳細紀錄於表1，並畫出時間與電壓的關係圖。

表1 微型燃料電池放電時間與電壓

活動四：微型燃料電池與不同負載

1.        嘗試連接不同負載，例如：小風扇、鬧鐘、LED、閃爍燈…等，並觀察運轉情形。

2.        繪出你的電池與負載連接的裝置圖，並用相機拍攝下來。

活動五：挑戰不同的情況

1.        準備硝酸鈉、硫酸鈉、硝酸鉀、硫酸鉀…等低污染鹽類電解質溶液，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和穩定度的電壓。

2.        嘗試改變石墨棒電極，利用生活中的導電材料，例如：不鏽鋼釘、銅釘、鐵釘等，進行相同燃料電池的操作，探究是否與碳棒有相同效果。電壓與負載的連接如圖8所示。

圖8：電壓與負載連接裝置

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？

活動六：共同討論

1.        透過此次活動，您對「燃料電池」認識了多少，試描述什麼是Fuel？什麼是Cell？

2.        試說明燃料電池的運作原理及其優點？

3.        請想想看除氫氣還有什麼燃料可做為燃料電池？

4.        實驗過程中遇到覺得哪一步驟最困難需要克服？還可以如何改進？

 

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗拆解乾電池後，不要的鋅金屬外殼可回收，統一回收後請專業人員處理。

l  含有錳氧化物的電解質請以倒入重金屬廢液桶中，統一回收後請專業人員處理。

l  硝酸鈉、硫酸鈉、硝酸鉀、硫酸鉀低污染鹽類電解質溶液用大量水稀釋後放流。

n  參考資料

1.        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。

2.        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。

3.        王曉紅、黃宏（民97）燃料電池基礎，台北縣：全華圖書股份有限公司。