吴明
西安外国语大学附属西安外国语学校 710018
一、问题的提出
燃料电池是高中化学教学的重要内容，也是高考重点考查的主干知识点之一。在教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》中，明确将制作简单的燃料电池列为学生必做实验。必修第二册(2019版)中仅用简单文字介绍了氢氧燃料电池的特点、构造及用途。选择性必修1中，对其工作原理进行了深入探讨，章末的实验活动要求学生用U形管、烘干活化处理的石墨棒、直流电源等电解水，然后制作氢氧燃料电池。
在实际教学过程中，受学生认知水平局限性的影响，只通过教师的理论讲解，学生较难理解氢氧燃料电池不通过燃烧且不接触就能相互反应，甚至会怀疑它究竟能不能向外界提供电能。因此教师在课堂上进行相关的实验演示就显得很有必要。目前市面上的几款氢氧燃料电池演示器体积小，维护费用高，而且不适合教师演示，为此，笔者设计了一套氢氧燃料电池展板式教具，可供中学化学教学演示反复使用。装置简单直观、科学实用、现象明显，学生可真实感受燃料电池的发电过程从而理解和掌握燃料电池的结构和原理。
二、实验装置
所需实验用品有：支管U型管、橡胶塞（打孔）、橡胶管、玻璃导管、3节电池、3M魔术贴、2B铅笔芯、两端带鳄鱼夹的导线、废旧展板一张、贺卡模块、稀硫酸溶液。该装置如图1所示。
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三、使用方法
1. 向支管U型管中注入稀硫酸溶液，通过调节两侧支管中的止水夹排出空气，注满液体，塞上橡胶塞，将橡胶管插入塑料瓶中。
2. 用导线分别将两个橡胶塞上的电极和电源的正负极相连，即可观察到两电极上有气泡产生，排出的液体可通过玻璃导管由橡胶管导入塑料瓶中。
3. 一段时间后，取下电源两端的鳄鱼夹，连接贺卡模块，可观察到贺卡灯亮，同时有音乐产生。根据电极长短不同、电解时间不同、产生气体量不同，贺卡声光现象持续几分钟甚至十几分钟，完全够课堂演示实验用。
4. 也可将电极和演示用的电流表连接，能观察到电流表指针明显偏转。
5．演示结束，可将塑料瓶取下，将里面的液体倒回U型管，无需清洗即可在下一个班级继续使用，特别适合连着几个班上课。
四、装置优点
1.电极材料直接由2B铅笔剥出一个完整的笔芯，无需进行复杂的淬火活化过程，替换方便，成本低。
2. 电源、塑料瓶和U型管都用3M魔术贴固定，取下清洗和更换材料都很方便，实现装置的重复利用。
3. 声光结合，可以满足教室各个方位的学生观察到实验现象。
4. 装置密闭，可以进行有毒、污染体系的电解。符合绿色化学的环保理念，倡导了清洁能源的时代主题。
5. 实现原电池和电解池的整合，根据实验需求，可更换不同的电解质溶液和电极材料，例如电解饱和食盐水、电解氯化铜溶液等，可满足不同的实验要求。
五、实验反思
1. 利用热熔胶在橡胶塞上固定电极时，露出1cm左右即可。
2. 电解时阳极产生氧气，会和铅笔芯中的碳反应，因此铅笔芯会逐渐变细，要适时更换。笔芯对比如下图所示。上方为正常铅笔芯，下方为被氧气氧化后的笔芯。
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3. 将所有材料固定在大小合适的展板背面，再用热熔胶粘上底座，注意防止底座不稳导致装置前倾。
4. 下一步设想是通过U型管两侧的支管分别通入气体，用该装置模拟外加燃料实现燃料电池的原理，由于受膜电极材料的限制，该实验装置的改进还在进一步研究中。