簡易氫氧燃料電池的設計與教學應用
資料來源：http://chem.kshs.kh.edu.tw/teachshare/teach17-9608.pdf
吳萬隆* 黃寶鈿**
*台南縣私立昭明國中
**國立臺灣師範大學 化學系
一、前言
針對九年一貫新課程的教學目標，欲
讓學生將生活現象融入課本的概念之中，
啟發式的教學方法將是不可或缺的模式之
一。因此將課本中描述的現象以隨手可得
的材料製作成教學教具，是讓學生親身體
驗及引發學習動機最重要的途徑。
現行課本內容所提氫氧燃料電池所
需材料不易取得及製備，欲將其應用於教
學演示時，簡易氫氧燃料電池的教具研製
就顯得特別重要，方金祥(1994)研製一款
微型的氫氧燃料電池，但僅限於氫氧燃料
電池教學演示，並無附加水電解過程的演
示。而本文自行改良的簡易氫氧燃料電
池，使用的碳棒材料係來自廢棄電池、實
驗的容器來自針筒、及氣體收集裝置來自
滴管，因材料容易取得、裝置容易製作、
攜帶、操作簡便、且兼具環保概念、並且
此實驗裝置除了具有燃料電池的實驗功能
外，還具有水電解的實驗功能，如應用於
教學上，將成為教師教學的一大利器，又
因其生動有趣而容易引起學生學習的共
鳴，可進一步提升學生學習的動機。
二、目的
使用生活周遭容易取得之材料，製作
出簡易的化學實驗裝置，便於教師教學時
作示範實驗，將有助於學生對水電解、燃
料電池的運作及應用於能量轉換模式，例
如(電能→化學能→電能→光能)的現象觀
察，並進一步幫助學生對科學概念的原理
原則的瞭解，而達到教學的目的。
三、原理
由於電池中碳棒具導電性及本身不
起化學反應之特性，可作為水電解及燃料
電池的電極。關於本裝置在水的電解及氫
氧燃料電池的化學反應敘述如下：
（一）水電解：
水電解的過程中，電極的陽極部分發
生氧化作用(放出氧氣)，陰極部分則發生
還原作用(放出氫氣)，兩極產生的氣體體
積比為 1：2。因為溶有電解質的水溶液具
有導電的特性，可促進電解反應的進行。
其化學反應式表示如下：
陽極： 2H2O(l)→O2(g)+4H
+
(aq)+4e
-
陰極： 2H2O(l)+2e
-
→H2(g)+2OH
-
(aq)
全反應式： 2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)
（二）氫氧燃料電池：
燃料電池是一種將化學能直接轉變簡易氫氧燃料電池的設計與教學應用
- 37 -
成電能的裝置，不需充電，只要持續的補
充燃料及氧化劑，即可連續運轉發電。於
1893 年首先由威廉．羅伯特．葛羅夫爵士
（William Robert Grove）所發現，該實驗
是使用稀釋的硫酸作為液態電解質，於化
學反應過程中可獲得電能。燃料經電化學
反應後產生電子，電子再經由電極及外線
路流向另一電極與氧化劑反應，氧化劑接
受電子後，產生反應，並由電池內的電解
質傳導離子，形成電池運轉的迴路。燃料
電池的核心單元是由三個基本組件所構
成：一個陽極，一個陰極，以及兩個電極
之間的電解質。燃料電池具有能量轉換率
較高，電壓穩定，可持續供電的優點。
最 常 見 的 燃 料 電 池 是 氫 氧 燃 料 電
池，藉由氫氣與氧氣的化學反應，將化學
能直接轉變為電能，也就是一種水電解過
程的逆向化學反應。電池的基本構造為覆
蓋白金或鎳的多孔性碳板，在陽極部分通
入氫氣，陰極部分通入氧氣，並以高濃度
的氫氧化鉀水溶液作為電解質，其化學反
應式表示如下，作用示意圖如圖一：
陽極： H2(g)+2OH
-
(aq)→2H2O(l)+2e
-
陰極： O2(g)+2H2O(l)+4e
-
→4OH
-
(aq)
全反應式： 2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)
圖一 氫氧燃料電池之作用示意圖
四、材料及工具
3 號電池盒(6V、含開關) 1 個
乾電池(3 號) 4 個
針筒(50mL) 1 個
廢電池(3 號) 2 個
電極座 2 個
鱷魚夾 8 個
滴管(3mL) 2 支
三通開關(醫療用) 1 個
音樂片 1 片
雙色 LED 燈 1 個
鬧鐘 1 個
計算機 1 台
電線 1 段
鋁箔紙 1 片
焊錫 1 段
熱融膠 1 支
熱融槍 1 支
美工刀 1 支
剪刀 1 支
尖嘴鉗 1 支
電烙鐵 1 支
線鋸 1 支
五、實驗藥品
飽和氫氧化鈉水溶液
（或其他電解質）
50 毫升
六、簡易氫氧燃料電池實驗裝置之
設計與製作：科學教育月刊 第 280 期 中華民國九十四年七月
- 38 -
（一）電極柱之製作：
1.使用美工刀及尖嘴鉗等工具將廢電池中
的碳棒取出。
2.將碳棒以鋁箔紙包覆以隔絕空氣，並於
火源上直接加熱，以便將碳棒上的雜質
(如乾電池封口時使用的瀝青)去除。
3.加熱一段時間後，將其迅速放入水中，
進行退火程序。
4.重複 2～3 步驟數次，提升碳棒的導電
性。
5.將碳棒與電極座以電線及銲錫連結後，
並以熱溶膠將連接部分包覆，防止使用
一段期間後，因接觸點短路而無法使
用，如圖二。
圖二 完成電極柱之俯視圖
（二）簡易燃料電池實驗裝置之製
作：
1.使用線鋸將針筒於 50mL 刻度處截成兩
半，及針筒塞截取約 1 公分大小，做為
電解槽使用。
2.利用電烙鐵於針筒熔出二個均勻分佈的
孔洞，如圖三。
圖三 針筒電解槽之俯視圖
3.以剪刀將 3mL 滴管底部剪除，並以熱融
膠固定於步驟 2 的孔洞上，完成後再將
滴管前端去除，以便安裝電極。
4.將上述完成的電極以熱融膠固定於滴
管，完成之電極固定裝置如圖四所示。
圖四 電極固定後之裝置側面圖
5.將三通開關安裝於針筒上，如相片一所
示。
6.電池盒的電線以鱷魚夾連接，方便與電
極連接。
7.應用燃料電池來供電的裝置配件： 將計簡易氫氧燃料電池的設計與教學應用
- 39 -
算機以電線及鱷魚夾連接(或鬧鐘、LED
燈與音樂片連結成一會發光及發聲的裝
置)成為一低耗電裝置，完成如圖五。
圖五 改裝之低耗電裝置
七、實驗步驟
（一）水的電解步驟(充電)：
1.將飽和氫氧化鈉水溶液置入針筒至刻度
40mL 處，此時三通開關應旋轉至關閉，
並將針筒塞塞入。
2.將裝置倒立，使試管內的空氣全移至試
管外，而後再將裝置正立。
3.將電極座與電池盒連接，並將開關切至
0N 位置，開始進行電解，此時三通開關
應旋轉至開啟，以達瓶內外之壓力平衡。
4.通電一段時間後，利用針筒塞將針筒內
的空氣擠出，即可觀察到試管內的氣柱
高度將呈現 1：2 比例。
（二）使用燃料電池步驟(放電)：(此
時三通開關應旋轉至開啟)
1.使用三用電表於電極座上量測燃料電池
之電壓大小。
2.以耗電量較小的計算機(或音樂鈴、時
鐘)，連接於電極座上(裝置正極接燃料電
池正極(氧電極)、裝置負極接燃料電池負
極(氫電極)。
3.裝置運作一段時間後，發現試管內的氣
柱高度亦將呈現 1：2 等速率減少。
八、結論
由廢電池的碳棒、針筒、滴管組合成
的改良式氫氧燃料電池，具有可作為水電
解及燃料電池供電的雙種示範效果，使得
老師於教學演示時，只要經由電池盒、耗
電量較小的裝置與電極座連接，便可完成
水電解過程及氫氣、氧氣發生反應產出電
能等理論的演示，並可進一步的運用此教
具解說一般化學反應中常伴隨著能量的轉
換模式，因此改良式的簡易教具所呈現的
現象可輕易來達到教學演示之目的，並引
起學生的學習興趣。
九、優點
1.改良後的實驗裝置兼具環保概念，因其
材料-碳棒出自於廢電池及使用的電解
液亦可回收供下次再使用。
2.使用材料及工具皆容易取得及操作，利
於教師使用，並且其製作成本較為低廉。
3.完成後的實驗裝置體積較小且為塑膠材
質，容易收藏、攜帶及不易損壞，便於
教師教學及學生操作使用。
4.實驗裝置於教師演示及學生實際操作
時，可隨即經由電池盒與電極座連接，
觀察水電解時，於兩極產生的氧氣、氫
氣，其氣體體積比例為 1：2。科學教育月刊 第 280 期 中華民國九十四年七月
- 40 -
5.經由試管收集的氫氣、氧氣經由化學反
應轉化成水及產生電能，其可由三用電
表量測出電壓大小及促使耗電量較低的
裝置之長時間運作。
6.可說明化學反應中伴隨的能量轉換模
式，水電解時為電能→化學能；燃料電
池為化學能→電能→光能。
十、參考資料
1.方金祥、游苑平 (2004) ：氫氧燃料電池
之微型化設計及在電化學教學應用之研
究。化學，62 (4)，547-554。
2.王蘊潔譯(2003)：66 個挑戰創意的科學
實驗 (瀧川洋二、山村紳一郎 原著)
( 156-159) 。台北：世茂出版社。
3.黃寶鈿、李詩閔 (2001) ：簡易電解示範
實驗裝置的改良與應用。科學教育月
刊，237，65-69。
4.黃朝榮、林修正 (2003) ：燃料電池的心
臟-電極膜組。科學發展，367，26-29。
5.許寧逸、顏溪成 (2003) ：由碳能朝向氫
能的燃料電池。科學發展，367，6-11。
6.彭立浩、鍾曉蘭 (2001) ：燃料電池。南
e 高中自然教學快訊，2。
十一、附圖
照片一 改良式氫氧燃料電池實驗裝置之
側面圖
照片二 改良式燃料電池裝置電解作用之
側面圖
照片三 改良式燃料電池裝置放電作用的
俯視
2011年2月4日 星期五
2011年2月3日 星期四
熱電效應裝置
多麼神奇的發電裝置，不需要動力也不需要太陽光照射，只要放上一杯熱咖啡就能發電！你知道它是如何辦到的嗎？
演示影片一（實驗演示影片）
演示影片二（實驗演示影片）
此實驗裝置中最主要的元件為熱電轉換器(圖一)，是由數個p型與n型半導體所串聯而成。當放上一杯熱咖啡時，熱電轉換器的兩端即有了溫差，根據熱平衡理論，高溫面(熱庫)之熱量將流向低溫面(冷庫)，此時n型半導體中的電子載子與p型半導體中的電洞載子便扮演傳遞熱量的角色，且此熱電轉換器有接上一風扇負載，於是電路因而產生直流電流(圖二)。 其電流的大小由高溫面與低溫面的溫差決定之，溫差越大產生的電流也越大。
此種由熱生電的現象，稱為賽貝克效應(Seebeck effect)，是西元 1822 年由德國物理學家 Seebeck 在烤麵包時所察覺。當時他將指南針放置在由兩種不同導體所組成的封閉迴路旁，同時在其中的一端接點處以烤爐加熱，而見到指針出現偏轉的現象。此處磁針的偏轉是由熱生電所致，此處磁針的偏轉是由電流所致。因此將兩種不同的金屬或半導體接合，只要兩端存在溫差便能產生電動勢，尤其是半導體材料引起的電位差比較大，成為熱電變換研究的主要材料。故依此原理，也許可以利用工廠所發出的廢熱和冷卻水之間的溫差來發電喔！
而賽貝克效應的逆方向亦可行，即直流電通過兩種不同導電材料所構成的迴路時，接點上將產生吸熱或放熱的現象。這是後來由法國人 Peltier 最早發現，因此這個現象稱帕爾帖效應(Peltier effect)。
1. 若在此實驗裝置上放杯冰開水，一樣能發電嗎？
2. 日常生活中有哪些電器可以運用熱電效應？
3. 某些生物體內也具備熱電效應的物質，你知道是什麼嗎？
熱電效應裝置
多麼神奇的發電裝置，不需要動力也不需要太陽光照射，只要放上一杯熱咖啡就能發電！你知道它是如何辦到的嗎？
演示影片一（實驗演示影片）
演示影片二（實驗演示影片）
此實驗裝置中最主要的元件為熱電轉換器(圖一)，是由數個p型與n型半導體所串聯而成。當放上一杯熱咖啡時，熱電轉換器的兩端即有了溫差，根據熱平衡理論，高溫面(熱庫)之熱量將流向低溫面(冷庫)，此時n型半導體中的電子載子與p型半導體中的電洞載子便扮演傳遞熱量的角色，且此熱電轉換器有接上一風扇負載，於是電路因而產生直流電流(圖二)。 其電流的大小由高溫面與低溫面的溫差決定之，溫差越大產生的電流也越大。
此種由熱生電的現象，稱為賽貝克效應(Seebeck effect)，是西元 1822 年由德國物理學家 Seebeck 在烤麵包時所察覺。當時他將指南針放置在由兩種不同導體所組成的封閉迴路旁，同時在其中的一端接點處以烤爐加熱，而見到指針出現偏轉的現象。此處磁針的偏轉是由熱生電所致，此處磁針的偏轉是由電流所致。因此將兩種不同的金屬或半導體接合，只要兩端存在溫差便能產生電動勢，尤其是半導體材料引起的電位差比較大，成為熱電變換研究的主要材料。故依此原理，也許可以利用工廠所發出的廢熱和冷卻水之間的溫差來發電喔！
而賽貝克效應的逆方向亦可行，即直流電通過兩種不同導電材料所構成的迴路時，接點上將產生吸熱或放熱的現象。這是後來由法國人 Peltier 最早發現，因此這個現象稱帕爾帖效應(Peltier effect)。
1. 若在此實驗裝置上放杯冰開水，一樣能發電嗎？
2. 日常生活中有哪些電器可以運用熱電效應？
3. 某些生物體內也具備熱電效應的物質，你知道是什麼嗎？
2011年1月31日 星期一
主旨：「環境教育、關懷台灣」教案徵選成績公佈
 內容： 恭喜獲獎學校、老師： 優勝：頭城國中／慟山濯濯之公民行動（黃琬雯老師） 優勝：岳明國小／海岸天使國際淨灘行動-海洋廢棄物監測（張素珍、 林靜樺、陳怡玲） 甲等：大進國小／從「看河」到「減碳」-拯救大地，你我有責（汪俊良老師） 甲等：南屏國小／九芎城的守護天使（朱家正老師） 甲等：學進國小／再見．福爾摩沙（連輝煌老師） 甲等：清溝國小／水精靈大進擊（何佩娟老師） 甲等：清溝國小／家鄉水資源的探索－孩子對社區環境初體驗（黃麗卿老師） 甲等：三民國小／「手」護地球，這ㄍ丫是愛台灣啦! 相關獲獎訊息可參閱: http://environmentaledu.cw.com.tw/page2.html |
2011年1月30日 星期日
能源國家型科技人才培育計畫中小學能源科技教育推動中心種子教師教案設計與競賽辦法
壹、 緣起
教育部自99年9月起補助成立大專能源科技人才培育資源中心（以下簡稱資源中心）及縣市國中小與地區高中職能源科技教育推動中心（以下簡稱推動中心），由各推動中心選派種子教師至資源中心參加培訓課程。為結合培訓課程產出可實際應用在中小學的能源科技教育教案，以裨益能源科技教育之推動，特由能源國家型科技人才培育計畫（以下簡稱本計畫）規劃本辦法。
貳、 教案目的
透過教案將能源科技融入課程：
一、 培養K-12教育階段之幼稚園與中小學生能源素養及高職學生能源科技關鍵能力。
二、 推廣能源科技教育，以有效達成節能減碳，提升低碳生活素養之目標。
參、 參加對象
各推動中心選派種子教師參加資源中心舉辦種子教師培訓課程。採個別參加。
肆、 繳交日期
能源國家型科技人才培育計畫（以下簡稱本計畫）之教案設計須在培訓課程「專題製作」單元中完成，由資源中心收齊後，於100年2月28日前繳交至大專人才培育計畫辦公室。
伍、 教案內容
一、 教案適用場合：K-12階段之能源科技教育課程，並鼓勵參加同期培訓種子教師一同規劃整體性或系列性單元後，再各就分工單元進行設計。
二、 教案內容型式：
1. 教案格式及內容需符合本辦法之教案設計格式。
2. 教案內容長度4-8堂課，設計之教案應含必要之教材。
3. 教案（請以MSWord直立橫書繕打在A4列印紙上，中文請用新細明體，英文請用Times New Roman字體，字體大小為12點字，單行行距，左緣留邊3.0 cm ，上左右緣留邊各2.5c m）及內容（請用PowerPoint製作）；若有其他教材，亦可附加。
三、 繳交型式
繳交之作品須同時提供紙本及儲存作品光碟各一份，並填附基本資料表、設計教案（含必要教材）、切結書及授權書各一份。
陸、 審查重點
能源科技教育教案內容，應依下列各項原則進行設計：
一、 教學活動設計（含必要教材）
1. 完整適切：包括教案內容及教材結構之完整性、內容正確性。
2. 實用可行：具體明確主題及教學目標，兼顧認知、技能及情意等範疇，確實可運用於教學活動者。
3. 創意思考：啟發多元認知、多元智慧及多元發展之新式教學策略。
4. 生動活潑：有效運用圖表、照片、插圖及網路資源傳遞知識，以善用學生多元感官，並儘可能促進學生手腦並用，從體驗中學習。
二、 學習成效評量（含學習單）
評量方式及內容符合學習目標與教材內容。
三、 教材設計
1. 教學資源與課程內容相關，用途分類恰當。
2. 媒體選用適當。
3. 相關參考資源規劃使用，如軟體、書籍及網址等參考資源適切。
柒、 獎勵名額及獎項
所有教案均納入競賽。
一、 獎項及名額
| 獎項 | 獎狀及獎勵（元） | 名額 |
| 第一名 | 10,000 | 1 |
| 第二名 | 5,000 | 3 |
| 第三名 | 3,000 | 5 |
| 佳作 | 1,000 | 21 |
二、 各獎項名額，若因作品未達標準得從缺。
三、 得獎者頒給獎狀及獎勵。
四、 預計100年3月份本計畫期中成果展前完成評審作業，並於網站（http://www.energyedu.ncu.edu.tw/unitplan/）公布得獎名單。
捌、 附則
一、 繳交之作品恕不退還。
二、 設計作品之著作權屬創作者所有，但須授權予教育部或教育部指定之第三人得無償、不限時間、次數、地域或方法非營利之推廣使用，著作人並應承諾對教育部及教育部所指定之人不行使著作人格權。
三、 設計作品如經人檢舉或告發為他人代勞或違反本辦法相關規定，且有具體事實者，則追回原發給之獎狀及獎勵。
四、 設計作品須依智慧財產權、專利權等規定辦理，須為親作，教案之研發請勿抄襲或複製他人作品。引用資源或圖片等應特別注意智慧財產權相關規定，註明資料出處或來源，如有涉及使用智慧財產權之糾紛或任何權利之侵害時，由法院判決屬實者，則追回原發給之獎狀及獎勵，並應自負責任，主辦單位不負任何法律責任。
五、 本辦法、基本資料表、教案格式、切結書及授權書均可自國家型科技人才培育計畫網站http://www.energyedu.ncu.edu.tw/unitplan/下載。
六、 其餘未盡事宜及其他注意事項，依教育部及能源國家型科技人才培育計畫辦公室相關函文、公告辦理。
七、 本辦法須知經由籌備委員會同意後施行，修正時亦同。
八、 獎勵將依稅法規定扣稅。
附件一
中小學能源科技教育推動中心種子教師教案設計
基本資料表
| 學習領域或學科 | |
| 單元名稱 | |
| 學習階段 | □幼稚園 □國小 □國中 □高中 □高職： 科 |
| 作者姓名 | |
| 性別 | |
| 服務學校（全銜） | |
| 任教科目（領域） | |
| 聯絡電話 | |
| 行動電話 | |
| 傳真 | |
| email | |
| 通訊地址 | |
親筆簽名： 日期：
附件二
中小學能源科技教育推動中心種子教師教案設計格式
| 學習領域或學科 | |
| 單元名稱 | |
| 學習階段 | □幼稚園 □國小 □國中 □高中 □高職： 科 |
| 學習領域 或學科 | | 教學時間 | 節 （合計 分鐘） | ||||
| 主題 (單元名稱) | | 設計者 | | ||||
| 適用年級 | | ||||||
| 先備知能 | | ||||||
| 對應之課綱指標或目標 | | ||||||
| 學習目標 | | ||||||
| 設計理念 | | ||||||
| 主題架構 | | ||||||
| 相關資源 | | ||||||
| 評量方式 | | ||||||
| 必要教材 | | ||||||
| 參考資料 | | ||||||
| 能力指標 | 教學活動 | 教學時間 | 教學資源 情境佈置 | 教學評量 | |||
| | 【準備活動】 【發展活動】 【綜合活動】 | | | | |||
附件三
切 結 書
立切結書人 所創作
教案（含必要教材）乙式依「能源國家型科技人才培育計畫-中小學能源科技教育推動中心種子教師教案設計與競賽辦法」之規定參與教案設計，此作品未曾參與其他競賽獲獎，並無抄襲、侵害他人權利之情事。
此致
教育部
立切結書人： （親筆簽名）
身分證字號：
戶籍地址：
聯絡電話：
E-mail：
中華民國 年 月 日
附件四
能源國家型科技人才培育計畫
中小學能源科技教育推動中心種子教師教案設計授權書
本人 所創作
教案（含必要教材）乙式，同意作品經審查獲獎後，為能獲得更為廣泛教育資源共享與經驗傳承，著作權同意由教育部取得，得無償、不限時間、次數、地域或方法非營利之推廣使用。
立授權書人 （親筆簽名）
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