研制氢能源小车

王旭斌

一、氢能源小车制作背景

普通高中课程改革提出化学教育的目标为培养学生五大关键核心素养。其中培养学生“科学精神与社会责任”是指：具有终身学习的意识和严谨求实的科学态度;崇尚真理，形成真理面前人人平等的意识;关注与化学有关的社会热点问题，认识环境保护和资源合理开发的重要性，具有可持续发展意识和绿色化学观念;深刻理解化学技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的重大贡献，能运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响，权衡利弊，勇于承担责任，积极参与有关化学问题的社会决策。很显然这一素养不仅仅是停留在知识和技能、过程与方法等层面上，更多的是化学教育的意义。我们可以认为“科学精神与社会责任”是其他四大核心素养的服务目标，它是化学教育的“制高点”，因此如何在实践教学中落实这一关键核心素养意义深远。

当今社会，能源和环境是人类关注的两大焦点。但石油等不可再生能源日渐枯竭，并且其下游产品燃烧生成的CO2和SO2等气体，会导致温室效应和酸雨等环境问题，使人类面临严峻的挑战。所以研究高效环保的新能源成为热点。氢能作为一种无污染的能源，被公认为人类未来可以大量使用的能源之一。世界各国在开发氢能方面投入了大量的人力、物力和财力，以期早日实现氢能的广泛使用。汽车等人类生活必需的交通工具是耗能的主力军，因此借助科学原理将氢能（化学能）转化为电能作为汽车动力是未来汽车的一种发展趋势。若氢能源汽车全面投入生产使用，定能大大缓解能源短缺和环境污染问题。在实践教学中让学生参与氢能源小车的研发不仅可以掌握理论知识而且可以真切地感受科学精神和社会责任。

二、氢能源小车教具的研制

1.了解氢能源小车的核心部件——质子交换膜型的氢氧燃料电池

图1所示的质子交换膜型氢氧燃料电池的核心部分为膜电极组件（MEA），是在全氟磺酸质子膜两侧涂有相应催化剂的固体薄膜，起到催化反应和转移质子的作用。当MEA相应两侧附有氢气和氧气时，就可以将两者反应的化学能转变为电能，与一般原电池的工作原理基本相同。氢氧燃料电池与普通电池主要区别在于：一般电池的活性物质是预先放在电池内部的，因而电池容量取决于贮存的活性物质的量;而氢氧燃料电池的氢气和氧气是在反应的同时源源不断地输入，因此，这类电池实际上只是一个能量转换装置。所以氢氧燃料电池接上负载工作时，需向负极、正极不断地通入氢气和氧气，氢气在负极催化剂的作用下失去电子形成氢离子，氢离子穿过固体电解质全氟磺酸质子膜进入正极，正极上氧气在催化剂的作用下得电子，结合转移出来的氢离子最后变成水，这相当于水的电解反应的逆过程，而电子则沿外部电路由负极移向正极，用电的负载就能在外部电路中工作。工作时的电极反应及总反应：

负极：2H2-4e-==4H+

EH2=0.00V

正极：O2+4e-+4H+==2H2O

EO2=1.23V

电池反应：2H2+O2==2H2O

依据电极电势来看，氢氧燃料电池单电池空载输出电压理论值为1.23V，负载时输出电压取决于电流密度，通常在0.5-1V[1]。质子交换膜型氢氧燃料电池具有很多明显的优点：高效节能，实际能量转化效率达40%～50%，工作电流大（1～4A/em2，0.6V），比功率高（0.1～0.2kW/kg），比能量大;使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀;工作稳定可靠，常温下有80%的额定功率，可在低温（<100C）下运行;冷启动时间短，可在数秒内实现冷起动;环境友好，实现零排放（无SO2、NO2，产物为H2O），无噪声;燃料来源广，既可使用纯氢，又可使用转化燃料;设计简单、制造方便，体积、重量小，便于携带[2]。

2.组装普通质子交换膜型氢氧燃料单电池的基础材料及其作用[3]

（1）膜电极（电池核心部件），包括全氟磺酸型质子膜：供氢离子通过;铂碳催化剂：催化氢气、氧气反应产生电子。

（2）碳纸（气体扩散层）：支撑催化层、收集电流、传导气体和排水。

（3）导电布：集流导电及作电极。

（4）密封垫：防止泄露、串位。

（5）亚克力板模具：组装固定膜电极、形成氢气及氧气气流室。

3.所购置的质子交换膜型氢氧燃料电池的基本材料及其特性

（1）膜电极组件（MEA）：可适用于空冷与水冷燃料电池，较高的功率密度，夹具测试功率密度可到0.8W/cm2，较强的环境适应性，较低的性能衰减率。

（2）燃料电池气体扩散层YLS-30T导电碳纸：轻薄，气体扩散效果好，电阻率小，气阻>2.5mmH2O;柔韧性好。

（3）导电布：聚酯纤维表面镀上钛铜等合金，较好的导电、集流作用。

（4）密封垫：0.3mm硅胶材料，耐酸碱。

（5）亚克力板：透明平整，表面硬度高，耐酸碱，耐高温，良好的加工性能。

4.质子交换膜型氢氧燃料单电池的组装

通过对质子交换膜型氢氧燃料电池模块整合研究，确定组装顺序：氢气板端、内板、导电布、密封垫、导电碳纸.膜电极、导电碳纸、密封垫、导电布、氧气板端。氢气端利用亚克力板组合形成储气室，氧气端直接暴露在空气中（如图2）。

5.储氢设备的研究与设计

由于氢氧燃料电池实际上只是一个能量转换装置，工作时要求氢气源源不断地输入，因此需要设计简单有效的小型储氢设备。学生根据氢气的相关性质及质子交换膜型氫氧燃料单电池模块特点，进行分组讨论，提出相应的方案和需要的材料，分组设计储氢方案。

方案1：用30mL的塑料瓶与质子交换膜型氢氧燃料电池氢气板端粘合形成储氢室，用排空气法储存氢气，由于氢气密度小于空气，会流向上方的氢气端口，接通电路电池即可工作。

方案2：将氢气储存在注射器中，工作时只要将注射器中的氢气推入氢气端口，电池即可工作。

方案3：用一根硬质塑料管将两个30mL塑料瓶口对接联通，下瓶瓶体上方开口，从下口瓶口处接出一根带开关的软胶管。储氢时，下瓶装水，氢气从胶管口通入下瓶中，利用排水法将氢气储存在下瓶中，使用时只要将开关打开，上瓶中的水即可将储存在下瓶中的氢气排出，将气体通入氢气板端，电池即可工作。储氢设备如图3。

6.小车组装及数据、性能分析

（1）根据设计方案组装汽车模型实物

由查阅资料得知，质子交换膜型氢氧燃料单电池负载时，输出电压较小，通常在0.5-1v，因此选择微型电机（启动电压0.15v）驱动小车，配套减速齿轮转轴系统，小车轮子，固定螺丝等配件，组装图4-图6所示的三款氢能源小车模型。

（2）用传感器测试质子交换膜型氢氧燃料单电池空载及负载电压

（3）结果分析

從数据来看，研制的质子交换膜型氢氧燃料单电池实际空载电压一般在0.85V左右，不能达到理论值1.23V，查阅资料发现是由于过电位的原因[4];小车运行时，电压约为0.65V，电流约为0.08A，在氢气充足的情况下，电压相当稳定，电池工作时安静、无噪音，无污染，环境友好。测得质子交换膜型氢氧燃料双电池（串联）小车运行时电压在1.25V左右，电机转速明显加快;所以将单电池串联即可实现低电压到高电压，一定条件下完全可以满足真实汽车的动力。

三、学生自我评价与反思

通过制作氢能源小车教具，不仅理解、掌握了氢氧燃料电池的工作原理，同时也见证了化学学科知识应用到实际生活的鲜活案例，认识到了科学知识的魅力和学习科学知识的意义。而且在整个汽车模型的设计和组装过程中，深刻体会到动手能力、创新思维、思想交流以及团队力量的重要性，整个研究实践活动收获颇丰。当然在真实氢能源汽车制造过程中，还面临一些客观的问题，如储氢设备不可能像小车模型一样去设计，需要研发安全、高效、廉价的储氢材料;当前质子交换膜型氢氧燃料电池的催化剂比较稀少、昂贵，要寻找廉价、储量丰富的催化剂来代替等。全面推广氢能源汽车，还有许多技术需要攻坚，而这些艰巨的任务应该由我们新时代的接班人完成。

四、教学研究活动特色

结合学科知识开展与社会生活密切相关的实践活动，不局限于理论知识层面，更注重实践探索与反思。通过实践活动培养学生终身学习的意识和严谨求实的科学态度;引导学生感受学科知识的力量以及学科知识与社会、生活、环境之间的密切联系，最终懂得运用学科知识服务人类和回报社会，体现化学学科价值。

参考文献

[1]孙琮琮，王金全，徐晔.PEMFC氢能发电系统现在与展望[J].中国电力，2006，9：37-41

[2]李战国，朱红.质子交换膜燃料电池的研究进展[J].化学研究，2003，14（1）：69-73

[3]汪继强.离子交换膜燃料电池技术的发展和应用前景[J].电源技术，1995，19（4）：38-42

[4]徐敏，阮新波.质子交换膜燃料电池经验模型[J].太阳能学报，2010，27（7）：816-822