王旭斌

一、氫能源小車制作背景

普通高中課程改革提出化學(xué)教育的目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生五大關(guān)鍵核心素養(yǎng)。其中培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神與社會責(zé)任”是指：具有終身學(xué)習(xí)的意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度;崇尚真理，形成真理面前人人平等的意識;關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會熱點問題，認(rèn)識環(huán)境保護和資源合理開發(fā)的重要性，具有可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學(xué)觀念;深刻理解化學(xué)技術(shù)、社會和環(huán)境之間的相互關(guān)系，贊賞化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，能運用已有知識和方法綜合分析化學(xué)過程對自然可能帶來的各種影響，權(quán)衡利弊，勇于承擔(dān)責(zé)任，積極參與有關(guān)化學(xué)問題的社會決策。很顯然這一素養(yǎng)不僅僅是停留在知識和技能、過程與方法等層面上，更多的是化學(xué)教育的意義。我們可以認(rèn)為“科學(xué)精神與社會責(zé)任”是其他四大核心素養(yǎng)的服務(wù)目標(biāo)，它是化學(xué)教育的“制高點”，因此如何在實踐教學(xué)中落實這一關(guān)鍵核心素養(yǎng)意義深遠(yuǎn)。

當(dāng)今社會，能源和環(huán)境是人類關(guān)注的兩大焦點。但石油等不可再生能源日漸枯竭，并且其下游產(chǎn)品燃燒生成的CO2和SO2等氣體，會導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨等環(huán)境問題，使人類面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以研究高效環(huán)保的新能源成為熱點。氫能作為一種無污染的能源，被公認(rèn)為人類未來可以大量使用的能源之一。世界各國在開發(fā)氫能方面投入了大量的人力、物力和財力，以期早日實現(xiàn)氫能的廣泛使用。汽車等人類生活必需的交通工具是耗能的主力軍，因此借助科學(xué)原理將氫能（化學(xué)能）轉(zhuǎn)化為電能作為汽車動力是未來汽車的一種發(fā)展趨勢。若氫能源汽車全面投入生產(chǎn)使用，定能大大緩解能源短缺和環(huán)境污染問題。在實踐教學(xué)中讓學(xué)生參與氫能源小車的研發(fā)不僅可以掌握理論知識而且可以真切地感受科學(xué)精神和社會責(zé)任。

二、氫能源小車教具的研制

1.了解氫能源小車的核心部件——質(zhì)子交換膜型的氫氧燃料電池

圖1所示的質(zhì)子交換膜型氫氧燃料電池的核心部分為膜電極組件（MEA），是在全氟磺酸質(zhì)子膜兩側(cè)涂有相應(yīng)催化劑的固體薄膜，起到催化反應(yīng)和轉(zhuǎn)移質(zhì)子的作用。當(dāng)MEA相應(yīng)兩側(cè)附有氫氣和氧氣時，就可以將兩者反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽c一般原電池的工作原理基本相同。氫氧燃料電池與普通電池主要區(qū)別在于：一般電池的活性物質(zhì)是預(yù)先放在電池內(nèi)部的，因而電池容量取決于貯存的活性物質(zhì)的量;而氫氧燃料電池的氫氣和氧氣是在反應(yīng)的同時源源不斷地輸入，因此，這類電池實際上只是一個能量轉(zhuǎn)換裝置。所以氫氧燃料電池接上負(fù)載工作時，需向負(fù)極、正極不斷地通入氫氣和氧氣，氫氣在負(fù)極催化劑的作用下失去電子形成氫離子，氫離子穿過固體電解質(zhì)全氟磺酸質(zhì)子膜進(jìn)入正極，正極上氧氣在催化劑的作用下得電子，結(jié)合轉(zhuǎn)移出來的氫離子最后變成水，這相當(dāng)于水的電解反應(yīng)的逆過程，而電子則沿外部電路由負(fù)極移向正極，用電的負(fù)載就能在外部電路中工作。工作時的電極反應(yīng)及總反應(yīng)：

負(fù)極：2H2-4e-==4H+

EH2=0.00V

正極：O2+4e-+4H+==2H2O

EO2=1.23V

電池反應(yīng)：2H2+O2==2H2O

依據(jù)電極電勢來看，氫氧燃料電池單電池空載輸出電壓理論值為1.23V，負(fù)載時輸出電壓取決于電流密度，通常在0.5-1V[1]。質(zhì)子交換膜型氫氧燃料電池具有很多明顯的優(yōu)點：高效節(jié)能，實際能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)40%～50%，工作電流大（1～4A/em2，0.6V），比功率高（0.1～0.2kW/kg），比能量大;使用固體電解質(zhì)膜，可以避免電解質(zhì)腐蝕;工作穩(wěn)定可靠，常溫下有80%的額定功率，可在低溫（<100C）下運行;冷啟動時間短，可在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)冷起動;環(huán)境友好，實現(xiàn)零排放（無SO2、NO2，產(chǎn)物為H2O），無噪聲;燃料來源廣，既可使用純氫，又可使用轉(zhuǎn)化燃料;設(shè)計簡單、制造方便，體積、重量小，便于攜帶[2]。

2.組裝普通質(zhì)子交換膜型氫氧燃料單電池的基礎(chǔ)材料及其作用[3]

（1）膜電極（電池核心部件），包括全氟磺酸型質(zhì)子膜：供氫離子通過;鉑碳催化劑：催化氫氣、氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電子。

（2）碳紙（氣體擴散層）：支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排水。

（3）導(dǎo)電布：集流導(dǎo)電及作電極。

（4）密封墊：防止泄露、串位。

（5）亞克力板模具：組裝固定膜電極、形成氫氣及氧氣氣流室。

3.所購置的質(zhì)子交換膜型氫氧燃料電池的基本材料及其特性

（1）膜電極組件（MEA）：可適用于空冷與水冷燃料電池，較高的功率密度，夾具測試功率密度可到0.8W/cm2，較強的環(huán)境適應(yīng)性，較低的性能衰減率。

（2）燃料電池氣體擴散層YLS-30T導(dǎo)電碳紙：輕薄，氣體擴散效果好，電阻率小，氣阻>2.5mmH2O;柔韌性好。

（3）導(dǎo)電布：聚酯纖維表面鍍上鈦銅等合金，較好的導(dǎo)電、集流作用。

（4）密封墊：0.3mm硅膠材料，耐酸堿。

（5）亞克力板：透明平整，表面硬度高，耐酸堿，耐高溫，良好的加工性能。

4.質(zhì)子交換膜型氫氧燃料單電池的組裝

通過對質(zhì)子交換膜型氫氧燃料電池模塊整合研究，確定組裝順序：氫氣板端、內(nèi)板、導(dǎo)電布、密封墊、導(dǎo)電碳紙.膜電極、導(dǎo)電碳紙、密封墊、導(dǎo)電布、氧氣板端。氫氣端利用亞克力板組合形成儲氣室，氧氣端直接暴露在空氣中（如圖2）。

5.儲氫設(shè)備的研究與設(shè)計

由于氫氧燃料電池實際上只是一個能量轉(zhuǎn)換裝置，工作時要求氫氣源源不斷地輸入，因此需要設(shè)計簡單有效的小型儲氫設(shè)備。學(xué)生根據(jù)氫氣的相關(guān)性質(zhì)及質(zhì)子交換膜型氫氧燃料單電池模塊特點，進(jìn)行分組討論，提出相應(yīng)的方案和需要的材料，分組設(shè)計儲氫方案。

方案1：用30mL的塑料瓶與質(zhì)子交換膜型氫氧燃料電池氫氣板端粘合形成儲氫室，用排空氣法儲存氫氣，由于氫氣密度小于空氣，會流向上方的氫氣端口，接通電路電池即可工作。

方案2：將氫氣儲存在注射器中，工作時只要將注射器中的氫氣推入氫氣端口，電池即可工作。

方案3：用一根硬質(zhì)塑料管將兩個30mL塑料瓶口對接聯(lián)通，下瓶瓶體上方開口，從下口瓶口處接出一根帶開關(guān)的軟膠管。儲氫時，下瓶裝水，氫氣從膠管口通入下瓶中，利用排水法將氫氣儲存在下瓶中，使用時只要將開關(guān)打開，上瓶中的水即可將儲存在下瓶中的氫氣排出，將氣體通入氫氣板端，電池即可工作。儲氫設(shè)備如圖3。

6.小車組裝及數(shù)據(jù)、性能分析

（1）根據(jù)設(shè)計方案組裝汽車模型實物

由查閱資料得知，質(zhì)子交換膜型氫氧燃料單電池負(fù)載時，輸出電壓較小，通常在0.5-1v，因此選擇微型電機（啟動電壓0.15v）驅(qū)動小車，配套減速齒輪轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，小車輪子，固定螺絲等配件，組裝圖4-圖6所示的三款氫能源小車模型。

（2）用傳感器測試質(zhì)子交換膜型氫氧燃料單電池空載及負(fù)載電壓

（3）結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)來看，研制的質(zhì)子交換膜型氫氧燃料單電池實際空載電壓一般在0.85V左右，不能達(dá)到理論值1.23V，查閱資料發(fā)現(xiàn)是由于過電位的原因[4];小車運行時，電壓約為0.65V，電流約為0.08A，在氫氣充足的情況下，電壓相當(dāng)穩(wěn)定，電池工作時安靜、無噪音，無污染，環(huán)境友好。測得質(zhì)子交換膜型氫氧燃料雙電池（串聯(lián)）小車運行時電壓在1.25V左右，電機轉(zhuǎn)速明顯加快;所以將單電池串聯(lián)即可實現(xiàn)低電壓到高電壓，一定條件下完全可以滿足真實汽車的動力。

三、學(xué)生自我評價與反思

通過制作氫能源小車教具，不僅理解、掌握了氫氧燃料電池的工作原理，同時也見證了化學(xué)學(xué)科知識應(yīng)用到實際生活的鮮活案例，認(rèn)識到了科學(xué)知識的魅力和學(xué)習(xí)科學(xué)知識的意義。而且在整個汽車模型的設(shè)計和組裝過程中，深刻體會到動手能力、創(chuàng)新思維、思想交流以及團隊力量的重要性，整個研究實踐活動收獲頗豐。當(dāng)然在真實氫能源汽車制造過程中，還面臨一些客觀的問題，如儲氫設(shè)備不可能像小車模型一樣去設(shè)計，需要研發(fā)安全、高效、廉價的儲氫材料;當(dāng)前質(zhì)子交換膜型氫氧燃料電池的催化劑比較稀少、昂貴，要尋找廉價、儲量豐富的催化劑來代替等。全面推廣氫能源汽車，還有許多技術(shù)需要攻堅，而這些艱巨的任務(wù)應(yīng)該由我們新時代的接班人完成。

四、教學(xué)研究活動特色

結(jié)合學(xué)科知識開展與社會生活密切相關(guān)的實踐活動，不局限于理論知識層面，更注重實踐探索與反思。通過實踐活動培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度;引導(dǎo)學(xué)生感受學(xué)科知識的力量以及學(xué)科知識與社會、生活、環(huán)境之間的密切聯(lián)系，最終懂得運用學(xué)科知識服務(wù)人類和回報社會，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價值。

參考文獻(xiàn)

[1]孫琮琮，王金全，徐曄.PEMFC氫能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)在與展望[J].中國電力，2006，9：37-41

[2]李戰(zhàn)國，朱紅.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究進(jìn)展[J].化學(xué)研究，2003，14（1）：69-73

[3]汪繼強.離子交換膜燃料電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景[J].電源技術(shù)，1995，19（4）：38-42

[4]徐敏，阮新波.質(zhì)子交換膜燃料電池經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚J].太陽能學(xué)報，2010，27（7）：816-822