模组氢氧燃料电池教案.docx

模组氢氧燃料电池教案.docx

《模组氢氧燃料电池教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模组氢氧燃料电池教案.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

模组氢氧燃料电池教案

教学活动实施过程

课程模块二：

氢氧燃料电池－绿色能源开发实作

核心概念

氧化还原、化学电池、绿色能源

预计总实施课程时间

4周

基础实验

（一）：

简易铜蚀雕

1周

基础实验

（二）：

化学电池

1周

探究实作：

氢氧燃料电池

2周

（每周2堂课）

壹、基础实验

（一）：

简易铜蚀雕创作

一、实验目的

利用实验室里常当作电极的铜金属片，藉由氧化还原实验制作创意的铜蚀雕作品

二、实验原理

铜金属活性低，不易氧化，易溶于硝酸及浓硫酸等强酸，铜和硝酸的反应如下：

3Cu+8HNO3（稀）→3Cu（NO3）2+2NO↑+4H2O

Cu+4HNO3（浓）→Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O

利用此原理虽可将铜板制作出不同图案的铜蚀雕作品，但是反应的同时也产生刺激性且有毒的二氧化氮（NO2），所以我们改利用氯化铁溶液与部分裸露在外的铜板进行反应，使其呈现各种不同的铜文字或创意图案。

Cu+Fe3+→Cu++Fe2+E。

＝0.25V

三、实验器材与试药

器材（每人）

◎薄铜板3×8cm（厚度1mm）1块

◎卡点西得（自粘性透明胶布）1小片

◎美工刀1支

◎塑胶水槽（30×25×10cm）或250mL烧杯（1组共享）

◎砂纸1片

◎塑胶夹子1支（1组共享）

◎玻棒1支（1组共享）

试药（每组）

◎氯化铁熔液（FeCl3，1M）250mL（饱和溶液也可）

◎粘胶及透明喷漆各一罐（多组共享）

四、实验步骤

1.准备一块薄铜板3×8cm，先用细砂纸将表面磨光，去除铜锈或其他氧化物。

2.取一张3×8cm的自粘性卡点西得纸在电路板上黏牢，注意两面都需黏贴。

3.用粘胶或喷胶将自己画的创意图案黏贴在卡点西得纸上，并用美工刀将不需要的图案连同其下的卡点西得纸一起割除，使最底部的铜裸露出来，如图1所示。

图1：

学生在卡点西得纸上雕刻图案

4.将雕刻后的铜板浸泡至氯化铁溶液中，静置50~100分钟，时间愈久蚀刻痕愈清晰明显，如图2所示。

5.用塑胶夹取出蚀刻后的铜板，先以清水冲洗，再以卫生纸拭干。

6.均匀喷上一层透明喷漆，即可完成精致的铜蚀雕作品，如图3所示。

图3：

学生铜板蚀刻成品

7.想想看：

学生图案设计完后需注意哪些细节，否则美工刀刻出来的图案经由铜蚀后，图案会左右相反喔？

8.延伸探究实验：

除了铜金属以外，还有哪些金属（熔点低的金属较适合）也可以利用其物理及化学性质作艺术创作呢？

【老师与学生心得分享】

1.铜蚀雕制作过程容易上手，但是需注意卡点西得纸需将铜片黏牢，避免脱落，以免造成裸露出来的部分被氯化铁氧化，图案变成模糊。

2.铜片常应用在传统的电路板上，请问可能的原因为何？

【参考答案】因为铜金属是电的良导体

3.铜金属蚀刻后若未喷透明漆保护，极易在蚀刻处产生绿色的生成物，请问可能的原因为何？

【参考答案】

铜在干燥空气中稳定，可保持金属光泽。

但在潮溼空气中，表面会生成一层铜绿（硷式碳酸铜），分子式：

Cu2（OH）2CO3，保护内层的铜不再被氧化。

反应方程式：

2Cu+O2+CO2+H2O→Cu2（OH）2CO3

贰、基础实验

（二）化学电池

一、实验目的

本实验利用锌、镍、铜、银四种活性不同的金属及其盐类，任选两种组成电池，总共可以产生六种化学电池，分别是锌镍电池、锌铜电池、锌银电池、镍铜电池、镍银电池及铜银电池，藉由组成的化学电池了解电池的电压大小与阳极电极的种类有关，而与阴极电极种类无关。

二、实验原理

化学电池（简称电池）的反应与石油、天然气等化石燃料燃烧的过程相似，都是放热的氧化还原反应；在氧化还原反应中，氧化剂本身接受电子，进行还原反应；还原剂本身放出电子，进行氧化反应。

若使氧化反应在某一电极进行，而还原反应在另一电极进行，再以盐桥及导线连接电极形成通路，便是化学电池。

目前市面上贩售的电池种类繁多，大小形状也不尽相同。

电池的种类有抛弃式的干电池、碱性电池、充电式的铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池…等；就外观而言，有形状类似钮扣的电池，此类电池大多为锂电池；也有体积较占空间的铅蓄电池。

电池的种类虽然多，但其基本结构原理是相同的，每个电池都有电池槽（一个或数个）以及正负电极（或阴阳极）。

　　电池的电压大小与电极材质、电解质种类、相关离子浓度以及温度有关，当电解质的浓度或温度改变时，电池的电压就会改变。

本实验目的在于测定由不同金属电极所组成的化学电池电压，因此浓度、温度等条件均应维持一致。

本实验利用锌、镍、铜、银四种活性不同的金属及其盐类，任选两种组成电池，总共可以产生六种化学电池，分别是锌镍电池、锌铜电池、锌银电池、镍铜电池、镍银电池及铜银电池。

　　此四种金属释出电子的倾向大小依次为：

锌＞镍＞铜＞银；以铜银电池为例。

反应式如下：

Cu（s）＋2Ag＋（aq）－→Cu2＋（aq）＋2Ag（s）

　　从上面的反应式中，可以发现反应物是银离子而不是银，因此可以用碳棒取代银棒。

三、实验器材与试药

器材（每组）

◎数位式三用电表（含红黑二色探棒）1个

◎砂纸1小张

◎烧杯（50mL）4个

◎U形管2个

◎脱脂棉2团

◎标签纸数张

◎签字笔1支

试药（每组）

◎硫酸锌（ZnSO4）溶液（1M）

约15mL

◎硫酸镍（II）（NiSO4）溶液（1M）

约15mL

◎硫酸铜（CuSO4）溶液（1M）

约15mL

◎硝酸银（AgNO3）溶液（1M）

约15mL

◎硝酸钾（KNO3）溶液（1M）

约40mL

◎碳棒（直径约0.5cm，长10cm）

1根

◎镍片（厚约0.5mm，长10cm，

宽2cm）1片

◎铜片（厚约0.5mm，长10cm，

宽2cm）1片

◎锌片（厚约0.5mm，长10cm，

宽2cm）1片

　※注硝酸银水溶液有腐蚀性，且部分溶液含金属离子，因此实验过程应戴上橡皮手套。

四、实验步骤

A.三用电表的使用

1.三用电表可测量电流、电压及电阻，常见的三用电表有指针式及数位式两种（指针式的面板及功能选择板如图4所示）。

图4：

指针式三用电表

2.使用数位式三用电表测量化学电池电压时，须将功能旋钮转至直流电压档（DCV档）适当的范围（200mV～1000mV），使用共享接头（COM）及电压和电阻测量接头（VΩ）（如图E4-2所示）。

并将三用电表的正极（红色探棒）及负极（黑色探棒）与电池的电路并联，即红色探棒与电池中的正极（阴极）相接，黑色探棒与电池中的负极（阳极）相接，最后由液晶显示屏读取数值，如图5所示。

数位式三用电表功能选择板

图5：

数位式三用电表

B.改变电极材质测量电池电压

1.用细砂纸轻拭金属片及碳棒，将固体表面之污染物或氧化物磨干净。

2.将1M的KNO3水溶液装满U形管，取脱脂棉二团，先用KNO3溶液浸溼，随后塞在U形管两端，制成盐桥。

3.取50mL烧杯4个，分别标示为A、B、C、D。

在各杯内倒入溶液15mL，并置入电极，如图6所示。

烧杯

溶液（1M）

电极

A

硫酸锌

锌片

B

硫酸镍（II）

镍片

C

硫酸铜

铜片

D

硝酸银

碳棒

图6：

溶液中置入电极

4测量锌镍电池电压：

将三用电表的红色探棒接触B杯上的镍电极（正极），并将黑色探棒接触A杯上的锌电极（负极），观察三用电表上的读数。

5.把盐桥的两端分别放入烧杯A、B中（如图7所示），重复步骤4，并且记录三用电表的电压读数。

使电池连续作用3分钟～5分钟后，再观察三用电表的电压读数变化以及烧杯内的溶液颜色变化。

6.将探棒接触A、C二杯的电极（如图8所示），重复步骤4、5，测量锌铜电池电压。

7.重复步骤4、5，测量锌银电池电压、镍银电池电压及镍铜电池的电压。

参、探究实作－氢氧燃料电池

一、实验目的

近年来油价不断飙高，全球能源面临枯竭危机，另一方面化石燃料燃烧产生之废气，如二氧化碳、氮氧化物及燃烧未完全产生的有机化合物等所致的温室效应，造成全球暖化等环境浩劫。

世界为达成后京都议定书时代温室气体减量的目标，科技大国纷纷寻求洁净且具经济效益的替代性能源。

其中以氢气为燃料的燃料电池（FuelCell），具有零污染、高电能转换效率、低噪音及可再生性等特点，已成为为全球寄予厚望的绿色能源。

本实验主要是利用日常生活中随手可以取得的器材及废弃不用的手机充电整流器改装成简易氢氧燃料电池，以绿色环保为出发点，利用电解水得到氢气及氧气（化学能转成电能）；再由氢气与氧气产生水（电能释放），而形成无污染之氢氧环保电池。

藉由简易的实验装置让学生学习氧化还原反应、电解、充电及放电之原理，并加入不同电解质，对氢氧电池之电压、充电效果及持久性做更进一步之探讨。

二、实验原理

1.定义：

凡是利用燃料与氧化剂反应而放出电能的电化学装置，均可称为燃料电池。

燃料电池放电后，通常直接补充燃料，而不进行充电。

2.氢燃料电池：

（1）电极：

负极──可用白金；正极──可用白金。

（2）电解质：

可采用质子交换膜，因其耐热及机械性质稳定。

　（3）放电过程：

由两片薄的多孔电极构成阳极与阴极，两极之间以固态聚合物隔膜电解质隔离。

①每片电极的其中一面镀有触媒，以铂

为主成分。

②氢气进入电池后，经阳极触媒分解为

电子与质子。

③电子沿着外部电路流动，供电给驱动

马达。

④质子同时透过隔膜抵达阴极。

⑤阴极侧的触媒则将质子及回流的电子

与空气中的氧结合，而生成水与热。

⑥欲提高电压，则将多组电池集结成电

池组即可。

　（4）电极反应：

①负极：

H2（g）→2H＋（aq）＋2e－

②正极：

1／2O2（g）＋2e－＋2H＋（aq）→H2O（l）

③总反应：

H2（g）＋1／2O2（g）→H2O（l）

　（5）特性：

①以氢燃料电池为动力的汽车，可达零碳排放，较符合环保的要求。

②氢气体积庞大不便贮存，需经低温高压处理以减小其体积。

③需克服三相接触技术困难（气态燃料、液态电解质与固态电极），且以白金或贵金属为触媒，成本较高。

注：

碱性氢氧燃料电池是以覆盖铂或镍的多孔性碳板为电极、30％KOH为电解质，其电池内部的反应式如下：

负极：

H2（g）＋2OH－（aq）→2H2O（l）＋2e－

正极：

1／2O2（g）＋H2O（l）＋2e－→2OH－（aq）

总反应：

H2（g）＋1／2O2（g）→H2O（l）

发电效率比一般的火力发电大。

3.直接甲醇燃料电池：

（补充资料）

（1）直接甲醇燃料电池也为常见的一种燃料电池，其全反应为：

CH3OH（l）＋

O2（g）→CO2（g）＋2H2O（l）

（2）直接甲醇燃料电池的能量密度比氢燃料电池高出许多，且液态甲醇比氢气方便贮存。

其缺点是反应产物为二氧化碳，较不符合环保概念，且甲醇有毒易燃，有危险性。

三、实验器材与试药

器材（每组）

◎废弃不用的手机充电整流器

IMPUT：

110VAC60Hz

OUTPUT：

9~12VDC500mA

◎鳄鱼夹红色及黑色各1包

◎剪刀1把

◎粗铅笔心2B以上2支

◎保丽龙胶1罐

◎不锈钢钻子1支

◎酒精灯1只

◎保丽龙一小块或洗碗用的高科技泡棉

◎宝特瓶1罐

◎绝缘胶布1卷

◎烧杯250mL1个

◎红色LED灯5RW（3V）数个

◎三用电表1个

◎手机码表

试药（每组）

◎氢氧化钠（NaOH）1M50mL

◎氯化钠（NaCl）1M50mL

◎广用试剂5mL

四、实验步骤

1.将手机充电器的圆形插孔剪掉，并将电线分成两条，依下列图示9及图10的方式进行改装成直流电充电装置，当鳄鱼夹与电线连接完成后要用绝缘胶布包裹，避免通电后电线过热，使用者被烫伤。

包裹完后再将鳄鱼夹上方的塑胶套套在电线与鳄鱼夹相接的部分，如图10所示。

2.宝特瓶盖钻3个孔，孔洞大小以可以穿过铅笔心为准，并以保丽龙胶粘紧，如图11、及图12所示。

3.将改装后的充电器与保特瓶装置相连接，进行电解水反应（加入少量电解质如NaOH帮助导电）得到氢气及氧气，也可以加入少量广用试剂，观察两电极的酸碱度变化，如图13所示。

4.观察电解时两电极中产生气泡较多的电极为氢气（阴极，负极），气泡少的电极为氧气（阳极，正极），一开始时电解时间不宜过长（1分钟以内），以免宝特瓶内产生气体累积太多发生危险，电解完成后，将鳄鱼夹及充电装置卸下，以三用电表测宝特瓶内的氢氧燃料电池电压，如图14及图15所示。

5.以红色LED灯测试此氢氧燃料电池是否可以使灯泡发亮并记录发亮时间。

6.更换不同的电解质（NaOH、H2SO4、NaOH）等，重复上述之实验，并记录实验结果

4.与其他组别之燃料电池，以串联或并联方式再次检测，并纪录实验结果。

6.实验注意事项：

（1）强碱电解质如不小心接触，需以大量清水清洗。

（2）装入电解质时，务必将笔心洗净并将保特瓶内气体全清除。