氢氧燃料电池实验下的平衡气压U形管设计

周奋群

（贵州省都匀二中，贵州 都匀 558000）

摘 要：针对高职及同类化学教材中燃料电池工作原理实验可视化程度不高等问题，设计了一款用于平衡气压的具支U形管实验仪器。此仪器由透明玻璃浇筑成型，其结构包含U形管体、气体支管以及压力平衡支管等。运用该仪器开展了氢氧燃料电池工作原理实验。结果表明，该仅器实现了电解水与氢氧燃料电池的一体化操作，在实验过程中，电解所产生的气体得以有效收集，仅器安全可靠，放电过程中能够产生稳恒电流。该仪器的应用使实验过程中的气体体积与电流变化呈现的效果更为明显，加深了学生对燃料电池工作原理的理解。

关键词：平衡气压具支U形管;氢氧燃料电池；实验仪器改进

1 问题的提出

燃料电池作为一种先进的能源转换技术，其独特优势在于能够有效克服传统一次电池与二次电池存在的间断工作、环境污染等问题。该技术凭借其可持续运行能力、较高的能量转换效率以及环境友好特性，在高等职业教育“十三五”规划教材《基础化学》中被形象地称为“能量转换器”。然而，目前与之配套的实验实训内容较为缺乏，导致学生难以直观理解其工作原理。因此，如何在高职化学教学中通过实验方式清晰展示燃料电池的工作机制，已成为电池原理在实际应用教学中的一项关键问题。

而同类化学教材中的“氢氧燃料电池工作原理示意图”和“电解水及形成燃料电池示意图”，通过图示和详细的设计思路为学生提供了初步的感性认识，其可视化程度较高职教材有所提高。但通过实验验证发现，上述示意图所构建的燃料电池实验方案仍存在以下不足。

（1) 石墨棒在实验前的烘干活化处理等过程较为复杂，增加了实验操作的难度和不便性。

（2) 实验体系的设计存在不足：传统的U形管采用开放式设计，无法有效地收集和储存反应过程中产生的气体，如图1（a)所示；缺乏储气装置导致电流强度小，观察不到电流表指针偏转，因此无法清晰地展示燃料电池中燃料和氧化剂从外部持续输入的特征，难以帮助学生深入理解燃料电池的工作原理。

（3) 缺乏气压平衡机制：若试图通过橡皮塞封闭U形管管口以收集气体，由于普通U形管缺少必要的气压平衡装置，当两侧管口气体不断累积时，会导致气压失衡，从而使得实验液体沿管口与橡皮塞的缝隙泄漏，甚至可能引|起仪器损坏等安全隐患，如图1(b)所示。

……