教师自制教（玩）具作品申报表

作品名称	自制铅笔芯氢氧燃料电池动力小车
单位全称	许昌高级中学
第一作者姓名	李美霞	联系电话	15237426787
作品分类	中小学自制教具 创意制作（手工）	作品学科	化学
第二作者姓名	孙彦梅	第三作者姓名	杨莹莹
作品介绍	“制作简单的燃料电池”被列为2019年新版教材选择性必修一学生必做实验。教材中实验需要对碳棒进行特殊处理，操作麻烦，现象不明显。针对这些问题，着重从电极材料、储气物质、电解质浓度等问题进行研究改进。用疏松多孔的2B铅笔芯作为电池电极，用浸有高浓度Na2SO4溶液的纳米海绵作为电解质溶液和储气物质（电解获得的氧气和氢气可被有效地储存在储气物质中），将学生电源电压由3~6V提高到8V。 改进后的燃料电池的瞬时电压最高可达3.0 V以上，2V以上电压可维持2min，1.5 V以上电压可维持8min。用此搭建平台，制作动力小车，给燃料电池充电1min，小车可行驶10S以上。为响应国家碳中和要求，可将充电装置改为太阳能电板，充电一段时间后，可达到相同效果。【详细介绍可见附页】（可另附页）
所在单位 意 见	盖 章                                       年   月   日
县市区 评审意见	盖 章                                       年   月   日
市 级 评审意见	盖 章                                          年   月   日

作品介绍附页

燃料电池动力小车

“制作简单的燃料电池”被《普通高中化学课程标准（2017年版）》列为选择性必修课程学生必做实验。这是一个重要的实验，不但可以培养学生的动手能力，还能加深学生对化学能与电能相互转化的认识，了解电池和电解池的工作原理。

在2019年新版教材选择性必修一中，“制作简单的燃料电池”的实验装置如图1所示。 在实际的实验操作中发现，该装置产生的电流小，发光二极管很难发光或发光时间短，实验成功率不高。我组组员董晶亮老师在2017年省优质课上曾对该实验装置进行改良。如图2所示。

  

图 1图 2

在实际的操作中发现，需要对石墨棒淬火50min，然后还需要用导电胶将活性炭粘在石墨棒表面，然后再用布进行包裹。这样操作之后才能使二极管亮起来。如此繁琐，作为学生实验来说，操作复杂，而且效果不佳。不利于学生体验。

根据《普通高中化学课程标准(2017年版)》要求：一方面要“引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念；另一方面结合学生已有的经验和将要经历的社会生活实际，引导学生关注人类面临的与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力”。

氢氧燃料电池改进设计的论文很多，比如喻亮英《自制两款简易氢氧燃料电池实验教具》，杨辉琴《简单氢氧燃料电池实验的改进》等。笔者借鉴已有改进的优点，对该实验进行了进一步的改进，采用2B铅笔芯做电极，采用纳米海绵做储气材料，提高硫酸钠的浓度，同时提高充电电压和充电时间。改进后，氢氧燃料电池电流稳定，瞬时电压最高可达3.0V以上，2.0V以上电压可维持2min，1.5V以上电压可以维持8min。实验装置见图3。

图 3

用8V直流电源给该实验装置充电30s，发光二极管可持续亮2min以上，300马达的电机可持续空转30s。如此可观的实验数据，意味着玩具小车可以行驶起来。组装后的燃料电池小车如图4所示。

图 4

在整个测试实验过程中，石墨棒电极——尤其是负极，（负极产生的氢气的吸附能力较差），需要较多的2B铅笔芯做负极。在实验过程中，硫酸钠溶液的浓度从1mol/L可提高到饱和，充电时间从30s提高到1min，可维持动力小车持续行驶15s以上。

为响应国家努力争取2060年前实现碳中和的目标，将直流电源转为太阳能板，充电一段时间之后，动力小车可以达到相同行驶效果。充电装置如图5所示。

图 5

该实验装置简单易操作，如进行学生实验，可以提高学生的动手能力，让学生亲身感受能量之间的转换（太阳能——化学能——电能——动能），

引导学生关注与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。

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