在“双碳”战略背景下，氢能已成为低碳减排的关键载体。氢燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells，以下简称PEMFC）已成为当前研究的热点之一，其优点是比功率高、启动快、构成简单。
以PEMFC为真实情境开展课堂教学具有重要意义。一方面，这种教学方式能够有效深化学生对原电池四要素的理解，使其对离子导体的内涵实质有更深刻的认知；另一方面，当学习目标紧密围绕解决真实世界的实际问题时，能够更加高效地培养学生的高阶思维能力，让学生学会像工程师一样分析参数、优化方案，进而能够为新能源汽车行业的发展积极建言献策。在此过程中，学生的科学探究和创新意识得以培养，科学态度与社会责任也能得到良好发展，既实现学科育人的价值功能，又助力核心素养的全面落实。
1 课标及教材分析
《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出：充分利用氢氧燃料电池等案例素材，组织学生开展分析解释、推理论证与预测、设计评价等学习活动，发展学生对原电池和电解池工作原理的认识，转变偏差认识，促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是电化学体系的基本要素
［1］。由于普通石墨电极对氢气或氧气的活化缺乏催化能力，所以现行高中教材中的学生实验常先电解硫酸钠或氢氧化钠溶液制取氢气和氧气，再将其导入含催化剂的燃料电池中完成电化学反应。这样既能降低实验难度、提高成功率，又能直观验证原电池原理，并帮助学生建立能量转化与绿色能源的真实联系。但教材的这种处理很容易给学生造成概念上的误解，他们常常认为燃料电池在使用前必须先通过电解水这种实验。如此一来，不但无法促进学生能量转化观念的建构，更无法理解氢储能技术在达成“双碳”战略目标中的重大意义，最终难以实现学科育人目标。
2 研究现状分析
以“氢氧燃料电池实验改进”为关键词在知网检索发现，学者大多围绕教材演示实验中的氢氧燃料电池模型，在电极材料选择上进行优化：或采用泡沫镍-石墨电极
［2］，或在石墨碳棒周围包裹碳纤维毡布
［3］，或对石墨电极进行高温活化处理以提高其催化活性
［4］，以增强实验现象的可见度，提高教学的有效性。
熊娟等
［5］于2016年提到成套氢氧燃料电池固然使用方便、效果好，但价格昂贵，一套装置需要500～800元。如今，国内交换膜的研发与生产技术已较为成熟，一个PEMFC模块仅需50元，尺寸为5 cm×5 cm，如
图1所示，且不含辅助设备。而且，其模块可无损拆解复原，方便师生研究燃料电池的工作原理。以“质子交换膜燃料电池实验改进”为关键词在知网检索，仅查得一篇利用液压储气式质子交换膜燃料电池整套装置的实验改进文章，说明相关研究仍较少
［6］。
杭进华等
［6］利用自制储气罐和PEMFC模块带动小风扇转动，但基于该储气罐的装置复杂，非但普通教师难以制作或复现，而且氢气或模拟气体易泄漏，存在安全隐患，实验结果不理想，实验现象不明显，缺乏趣味性和直观性，难以有效激发学生的学习热情。
基于此，笔者决定设计师生易制作的便携式整套装置，要求具备成本低、氢气泄漏风险小、实验操作简单、现象直观明显且富有趣味性等优点，能够激发学生主动参与探究。
3 PEMFC模块结构剖析
笔者网上购买的可拆卸自组装的PEMFC模块包括双电极、MEA（Membrane Electrode Assembly）、亚克力夹具，密封圈共4个部分，如
图2所示。虽然MEA集成度高、工艺复杂、不可再拆卸，但教师可结合实物对PEMFC的各核心部件及其工作原理进行介绍，以提高学生的感性认识；在教学中，提供可拆卸的PEMFC模块，让学生动手组装，加深其对PEMFC结构的认识，提高动手操作能力，以培养学生的高阶思维。
PEMFC的结构原理如
图3所示，其中核心部件是MEA，又称膜电极，它可以在一定温度和压力作用下，将PEM（Proton Exchange Membrane）、CL（Catalyst Layers）、GDL（Gas Diffusion Layers）热压成为三合一的组件。
质子交换膜（PEM）是燃料电池的核心部件，通常厚度为8～18 μm。其作用是作为电池的离子导体，传递质子并阻隔氢气和氧气。
催化剂（CL）是膜电极的关键材料之一，目前最优催化剂仍是Pt催化剂和Pt基催化剂，但使用Pt催化剂会受到资源与成本的限制。因此，如何降低催化剂的铂载量或寻找性能良好的低成本催化剂，是当前研究的热点之一。
气体扩散层（GDL）位于电极板与催化剂层之间，其核心功能是气体分配与传输，确保反应气能均匀地接触到催化剂表面，此外还起到及时排走正极生成的水分的功能。通常，GDL厚度为100～400 μm。双极板是燃料电池的正极板和负极板。
4 储氢供氢思路分析
PEMFC对氢气纯度要求较高，但通过金属与酸反应制备的氢气含有较多杂质，易使催化剂中毒。对此，可利用如
图4所示的霍夫曼水电解装置制取氢气。
制备的氢气可以用排水法收集，但收集的氢气如何通过管道以恒定流量方式输送到燃料电池模块中，并实现自由调节氢气流量大小呢？另外，氢气分子小，易泄漏，如何保证制备的氢气可以一直保存而不泄漏呢？围绕上述两个难点，笔者首先想到的是目前新能源车采用的氢燃料电池在储氢安全与供氢控制方面的成熟方法。
【难点一的解决】检索相关资料可知，丰田第二代Mirai燃料电池使用的是压缩氢气，气罐最大压强为70 MPa，当储氢量低于10 MPa时就需要及时加氢，而低于2 MPa时就无法加氢。
笔者所在学校实验室所收集的氢气压力很小，靠减压阀来调节出气量显然是无法实现的，且所用的演示实验教具必须体积小巧、方便携带。经过多次尝试与比较，笔者决定用300 mL的塑料可乐瓶作为储氢罐。由于燃料电池模块的进气端接口直径是3 mm，而医用输液软管内径也是3 mm，且医用输液软管性能优良、不易老化、价廉易购买，可作为氢气导气管的首选。利用医用输液软管自带的软管流量调节器任意调节出气量。
由于水笔芯细头塑料处直径也是3 mm，可用已耗尽油墨的废弃ST按压式中性笔笔芯插入可乐瓶盖（预先打好孔）来实现可乐瓶与医用输液软管的连接。
【难点二的解决】收集在可乐瓶中的氢气如何抽出来使用且保证气流恒定？靠人工挤压可乐瓶肯定是不行的。
笔者想到，既然可以利用排水法收集氢气，那何不用同样的方法（用水）把氢气排出来呢？只要把排出的水盛在第二个可乐瓶内的水悬于高处，再利用重力作用把储存在第一个瓶内的氢气挤出来不就可以了吗？而且可像打点滴一样，通过观察高处可乐瓶水中气泡逸出的快慢，调节阀门控制氢气进入水中的速度，不仅使供气稳定、安全，而且直观易操作。原理如
图5所示，电解水制备的氢气利用短进长出的两根导管把A瓶的水排出并流入B瓶中，从而顺利地完成氢气的收集。当需要使用氢气时，利用高处的水把储氢瓶内的氢气逐滴排出；当不需要使用氢气时，把两个瓶子都倒转（储水瓶挂上，储气瓶挂下），并关闭两瓶间的流量调节器和出气软管的流量调节阀，即可使瓶中未使用完的氢气通过液封的方法长时间储存，不会从瓶口处泄漏。
5 DIY装置
5.1 器材准备
该套装置主要由3个部分组成，即：储氢、PEMFC模块和电路部分。
（1） 实验材料。①电源与电路组件：学生电源1台，导线若干，圆形开关（型号DS-211）1个；②电解与储氢组件：电解水装置1套，300 mL可乐瓶2个（作为储氢罐），废弃ST按压式中性笔芯4支，医用输液软管2包（内径约3 mm）；③燃料电池与负载组件：氢燃料电池模块1个，直流电机（型号R300C）1台，风扇叶片1片；④测量仪表：直流电压表（型号85C1，量程1 V）1个，直流电流表（型号85C1，量程30 mA）1个；⑤结构与支撑件：木板（20 cm×40 cm×1 cm）1块，木板（22 cm×11 cm×1 cm，作为底座）1块，内径约5 cm铁圈2个（可用粗铁丝或铜丝绕制替代）。材料清单如
图6所示。
（2）工具。手电钻、不同规格的钻头（3 mm、5 mm、10 mm、25 mm）、801氯丁胶水一小支。
5.2 制作步骤
（1） 用5 mm钻头的手电钻将2个瓶盖分别打2个孔和1个孔，备用。
（2） 拔除4支笔芯的金属部分，其中1支截取2 cm长度的一段作为A瓶短进长出的短管；将第二支笔芯的尾部连接到第三支笔芯的细头，并接上一定长度的医用输液软管，作为A瓶的导气长管；将2支笔芯均插入瓶盖，并在接缝处涂抹一定量的801氯丁胶水进行密封处理。
（3） 用实验室的橡胶导气管将电解水装置阴极的玻璃出口与A瓶的短管连接起来。因为橡胶导气管内径和笔芯外径均为5 mm，所以可以用第四支笔芯作为3 mm和5 mm的变径转接头。
（4） 取下输液管三通处的塑料配件，将其尖头插入第二个瓶盖的孔中，并在接缝处涂抹一定量的801氯丁胶水进行密封处理；给A、B两瓶连接1根20 cm软管并套上流量调节器。
（5） 取1块20 cm×40 cm×1 cm木板，在其长边左侧适当位置钻2个10 mm孔，并在两孔中各插入1个铁圈，作为倒挂A、B瓶的挂环；在木板右侧顶部钻1个25 mm孔，将R300C直流电机塞入其中；从上往下的适当位置依次在木板上钻几个3 mm孔，借此再将电流表、电压表和燃料电池模块固定于木板上；在电流表旁边再钻1个10 mm孔，将DS-211圆形开关塞入其中。
（7） 用2个L形角码将面板与底座木板连接并固定好，以方便携带和展示。整套装置的正面和背面如
图8所示。
5.3 实验过程
（1） 用
图4所示的装置电解NaOH或硫酸钠溶液制氢，由于该装置自带的两电极是铁丝，电解速率慢且易腐蚀，所以可剪1片10 cm×3 cm泡沫镍绕铁丝电极并卷成圆柱作阴极，阳极换为惰性材料，再用8 V、3 A电流电解2 h，可在标准状态下制得约300 mL氢气，并注意通风防爆。
建议：A瓶水不要全部排空，可以保留一部分水，因倒转A瓶时可以起到液封作用。
（2） 将B瓶倒转悬挂于高处，A瓶正放，调节A、B瓶流量调节阀和A瓶短管的氢气出口的流量调节阀，以每秒冒1个气泡的流速将氢气输入燃料电池模块；随后，观察到电压表指针缓缓上升到0.85 V左右，打开开关，观察到风扇转动，电流表读数为15 mA，电压表迅速下降至0.50 V。
说明：因为电机的启动电流大于20 mA，所以应选用30 mA量程的电流表。
5.4 效果评价
（1） 该套装置制作简单、成本低廉（电流表和电压表各7元、电机2元、开关1元、输液管3元、胶水2元、燃料电池模块50元）、现象明显；储氢、用氢装置实现一体化，密闭不易泄漏，携带方便，消耗的氢气流速可视可控；1瓶300 mL氢气可以供4～6个班级进行演示实验。
（2） 实验时间短，可以用于学生分组实验；学生可以反复操作，闭合或断开开关，调整进气阀大小，直观感受氢气进气量与电流电压大小的关系，从而提高对氢氧燃料电池结构的认识与原理的理解。
（3） 值得一提的是，除了在制氢储氢装置和电路部分进行DIY外，教师可以购买MEA等材料指导学生开展跨学科项目式学习，通过实验装置的设计、改装、重组等环节，培养学生的工程思维和动手能力，提升“科学探究与创新意识”核心素养，深化其对原电池要素模型内涵的理解，从而建立电化学模型要素之间的关联。
5.5 自制装置的拓展
可以将该套装置置于自制的小车上，不仅增加课堂的趣味性，提高学生的学习兴趣和动手能力，而且能够让学生亲身体验到化学知识在实际应用中的魅力和价值。通过亲手组装小车、优化储氢供氢系统，学生将深刻体会到理论知识与实践操作之间的紧密联系，加深对能量转化的理解。
由于原储氢供氢系统体积庞大，不便于在小车上悬挂，且会显著增加小车自身重量，因此需对其进行改进。笔者的改进方案是采用注射器抽取约10 mL氢气，关闭阀门后，利用橡皮筋提供拉力，使活塞缓慢后退以控制气体流出。通过调节阀门开度，可以改变氢气流量，从而调节小车的运行速度。该方案的缺点是供气时间较短，仅能维持1～2 min。小车的正面与背面结构如
图9所示。
6 课堂实施设计
鲁科版高中化学选择性必修一第1章安排有微项目“设计载人航天器用化学电源与氧气再生方案——利用化学反应中能量及物质的转化”
［7］，目的是尝试引导学生调用已有电化学认知模型，在电极材料选择、离子导体选择上进行优化，深化对原电池要素模型内涵的理解，体会电化学知识的实际应用价值。这是一个复杂情境下的真实问题解决的项目式学习，可以激发学生的学习兴趣，增强其化学思维的系统性。但整个项目式学习仅停留在理论层面，缺少亲身实践、实物观摩与操作的机会，学生难以经历一个自我发现与知识建构的过程。因此，经历了该节课的学习后，学生对离子导体的内涵仍然比较模糊，难以运用燃料电池模型对PEMFC在载人航天器中的重要应用进行有效认识和分析。
基于此，笔者在该微项目中添加了将PEMFC装置置于自制小车上等环节，设计并实施了以“氢动力，圆‘双碳’”为主题的项目式学习，让学生在动手实践中深化对氢能转化的理解。其教学设计如
表1所示。
7 结语
在新材料、新技术层出不穷的今天，教师只有勇于尝试，才能带领学生实施创新。信息时代更要求一种“精准”的教育，今天的教育更要关注学生未来所要面对的真实世界，而人工智能恰恰不具备以创新为特征的专家思维
［8］。在开展项目式学习的过程中，笔者和一些学生进行了沟通，大多数学生都认为收获较多。有学生说：“原来化学课堂上也可以应用很多物理知识，原来我们真的可以依靠所学的知识不断优化化学电源的设计，并将之应用于真实案例。”多年以后，也许课堂上的化学知识他们都忘记了，但这节课学到的可迁移的专家思维和创新精神将伴随他们成长。
2024年古田县基础教育科研课题“基于科学探究和创新意识核心素养的高中化学实验改进的教学实践研究”(GTJYKT2024-22)
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