师：同学们，今天我们一起来学习高二化学选择性必修一第四章实验活动五，制作一个简单的燃料电池。希望通过本节课，大家能理解燃料电池的工作原理，设计并制作一个氢燃料电池。生活中到处是化学电源，它是将化学能转变为电能的装置。与其他能源相比，化学电源有三个显著特点：一是方便携带、易于维护；二是能量转化效率较高，供电稳定可靠；三是可制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组。不过，一次电源不可充电，部分会废弃，二次电源则可能污染环境。而燃料电池能量转化率能达到80%以上，具备清洁、安全、高效、可持续等特性。
同学们，我们此前学过原电池和电解池相关知识。谁来说说，原电池的组成和工作原理是什么？电解池的组成和工作原理又是什么？
生：工作原理是阳离子往正极方向移动，阴离子往负极方向移动。负极处反应物会失电子，发生氧化反应。正极处反应物会得电子，发生还原反应。电子通过导线从负极流向正极。
师：很好。燃料电池属于原电池的一种，那它具体的工作原理有什么特点呢？两个石墨电极不参与反应，在负极通入氢气、甲烷、甲醇等燃料，发生氧化反应；在正极通入氧气等氧化剂，发生还原反应。两电极间构成闭合回路。工作原理是阳离子往阴极方向移动，阴离子往阳极方向移动。阳极处反应物失电子发生氧化反应，阴极处反应物得电子发生还原反应。电子通过导线从阳极流向正极，从负极流向正极。
现在，我们利用已学知识，依据上述提供的实验用品进行实验设计。思路是根据电极反应写出电极反应式，确定电极材料，确定电解质溶液，构成闭合回路。请大家按照这个思路，有步骤地设计实验装置，认真填写下面表格并绘制实验装置图。
氢燃料电池是氢气和氧气反应生成水，从反应物分析，氢元素化合价升高，被氧化，氢气应在负极做反应物；氧元素化合价降低，被还原，氧气应在正极做反应物。因电极材料不参与反应，我们选择石墨棒作为两个电极，电解质溶液则选硫酸钠溶液。那如何验证产生了电流呢？可以使用电流表或者发光二极管、音乐盒等装置，就像右图所示。
那如何同时获得氢气和氧气呢？可以利用初中学习的电解水装置获取。电解水就是水通电分解得到氢气和氧气。从反应物分析，氧元素化合价升高，被氧化，那么水分子电离出的氢氧根应在阳极做反应物；氢元素化合价降低，被还原，水分子电离出的氢离子应在阴极做反应物。同样，因电极材料不参与反应，选择石墨棒作为两个电极，电解质溶液选硫酸钠溶液，装置如右图所示。
现在，我们把两个装置图整合成一个装置图。请大家对所设计的实验进行分析和预测。电解水时可以滴加酚酞验证生成的产物。电解水原理是水在通电情况下生成氢气和氧气。因此可以预测两极都会看到产生气泡，生成的氢气和氧气附着在石墨电极上，可继续作为氢燃料电池的反应物。氢燃料电池能自发进行氧化还原反应。预测使用电流表检测时，指针会发生偏转。接通直流电源开始电解，观察现象。请分析氢气和氧气分别在哪个电极产生，并分别写出电极反应式。请观看实验视频。
本实验用到的试剂有1摩尔每升硫酸钠溶液、酚酞溶液。在U型管中注入1摩尔每升硫酸钠溶液，然后向其中滴入几滴酚酞溶液。用鳄鱼夹导线将直流电源和两根石墨棒连在一起，并将两根石墨棒分别插入U型管的两边。接通直流电源，闭合开关，观察现象。通过电解水获得燃料氢气和氧气，为燃料电池提供原料。
实验可见，阳极产生气泡，阴极也产生气泡，而且阴极附近溶液变红色。工作原理是电解质溶液中阴离子硫酸根和水分子电离出的氢氧根向阳极移动，放电顺序为氢氧根优先于硫酸根，水分子电离出的氢氧根在阳极失电子生成氧气，余下水分子电离出来的氢离子；阳离子钠离子和水分子电离出的氢离子向阴极移动，放电顺序为氢离子优先于钠离子，水电离出的氢离子在阴极得电子生成氢气，余下水分子电离出的氢氧根。电子通过导线从阳极流向正极、从负极流向阴极。将其与音乐盒等相连，闭合开关，观察现象。请分析氢燃料电池工作原理，并分别写出电极反应式。请观看实验视频。
当上述电解过程进行1到2分钟后，打开开关，断开直流电源，将两根石墨棒用导线分别与电流表相连，闭合开关，观察现象。石墨电极表面吸附的氧气和氢气在构成闭合电路时满足原电池构成要素，实现了化学能转化为电能，这种电池称为氢氧燃料电池。