※十二年國教素養導向綱要

【自然科學-第四學習階段-學習表現】

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能從學習活動、日常經驗及科技運用自然環境書刊網路媒體中，進行各種有計畫的觀察而能查覺問題。

pa-Ⅳ-2 能運用科學原理、思考智能、數學等方法，從（所得的）資訊或數據，形成解釋、發現新知、獲知因果關係、解決問題或是發現新的問題。

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動手實作解決問題或驗證自己想法，而獲得成就感。

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透過與同儕的討論，分享科學發現的樂趣。 

1、  將收集到的氫氣和氧氣，置入透明空心塑膠管中，兩端密閉。以壓電素子撞擊產生的火花，點燃氫氣和氧氣；快速燃燒，產生高壓，管壁上附著少量的水霧。

二、燃料電池是一種能源直接轉換裝置(化學能🡪電能)，運作原理為水電解的逆反應。通常陽極(氧化反應)為可被氧化的燃料(例如:氫氣、甲烷、甲醇、酒精、沼氣…)，陰極(還原反應) 為氧氣，屬於自發反應。燃料電池完全無污染，也無傳統電池充電耗時的問題，是目前最具發展前景的新能源。  

三、1839年William R. Grove 爵士「氣體電池」實驗，將兩條白金分別放入二個密封瓶中(氫氣、氧氣)，同時將二密封瓶放入稀硫酸溶液內，電流便在兩個電極之間傳遞，裝有氧氣瓶中產生水，為了提高電壓，分別串連相同的裝置，這種方式的電池稱作為「氣體電池」。在1889年 Ludwig Mond和 Charles Langer化學家分別以多孔性非傳導電解質，鉑黑當作電催化劑，以鑽孔的鉑金或者金片為集電器組裝為氣體電池。利用工業煤氣和空氣取代氫氣與氧氣，當時工作電流密度3.5mA/cm2時，電池輸出電壓為0.73V，首次製造出實用性燃料電池，將其命名為「Fuel Cell」。

燃料電池含有陰陽兩電極，分別充滿電解液，而兩電極間為具滲透性的薄膜所組成。燃料電池的基本元件包括電極(electrode)、電解質薄膜(electrolyte membrane)以及集電器(current collector)/ 雙極板(bipolar plate)。電極是燃料氧化與氧化劑還原的電化學反應發生的場所，電解質可分隔氧化劑與還原劑並同時傳導質子，集電器可收集電流、疏導反應氣體以及分隔氧化劑與還原劑。當燃料以氫氣由陽極進入，氫氣被觸媒分解成為氫質子與電子，電子的流動即產生電力。氫質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流後，到達陰極。在陰極催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發生反應形成水分子，水是燃料電池唯一的排放物。燃料電池使用的「氫」燃料可來自碳氫化合物，例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…等。

陽極(負極)：2H2(g) +4OH-(aq)→4H2O(l)+ 4e-
陰極(正極)：O2(g)+2H2O(l)+4e-→4OH-(aq)
全反應：2H2(氫氣)＋ O2(氧氣) → 2H2O(水)

　(負/陽極)　　 (正/陰極)
　氣體體積比 　　  2 　　：  1

　氣體質量比 　　  1 　　：  8

四、應用

依據燃料電池發電量，分為可攜式電源、交通運輸、住宅用電、定置型發電機、垃圾掩埋場及廢水處理廠。
優勢：

安全性(能源、國防)、可靠度(供電穩定、免充電)、多樣性(多種燃料、多用途)、高效能、

環境親和性(低汙染、低噪音、無廢棄物)

劣勢：

成本高、啟動速度慢、氫氣儲存/傳輸/儲存/轉換能量技術/充氣站…待改善。 

點火後，為何海綿塞被噴出? 如何觀察霧狀的水氣?

參考答案：

氫氣是燃料，氧氣助燃，密閉空間內，燃燒瞬間產生大量熱能並推動海綿塞。水變成水蒸汽體積大約增大為1600倍。

在爆炸前塞住塑膠管，會看到塑膠管中呈現霧狀的水氣。

2. 如何控制海綿塞的飛行距離?  

參考答案：

調整氫氣及氧氣用量，但是維持氫氣:氧氣=2:1。

3. 為何改用酒精? 

參考答案：

以手溫加熱酒精後，約1∼2滴酒精液體可產生100cc酒精氣體，足夠推動活塞。

實驗安全事項

控制氫氣、氧氣或酒精用量，發射時請朝向牆壁或面板。

實驗廢棄物處理

回收可利用材料。

教學心得

以簡易材料自製微型裝置，可操作，少藥品，易觀察，能協助學生認識燃料電池反應，並兼具綠色化學及環保概念。 

科技專題：燃料電池的應用與優缺點

http://www.epochtimes.com/b5/6/12/11/n1553614.htm

燃料電池：燃料電池的發展現況

https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sWU5.htm 

壹、準備活動

★教師準備：

一、闖關地點預先放置長桌子。

二、實驗準備材料：如上述。必須先完成實驗材料預作。

三、製作工具：如上述。

四、預先製作一件作品當範本。

五、闖關卡。

六、說明板(一)：原理、說明板(二)：製作步驟及注意事項。

★學生準備：

一、預先分組。每組5-6人。

貳、闖關之前

一、闖關負責關主及學生就位。約需兩人，關主負責解說指導，副關主負責指導與通過與不通過判定。

二、預先集合參加同學，以小組隊伍排列。

三、說明關卡配置與發下小組闖關卡。

四、安全宣導，請小朋友注意安全，不可以在場地內奔跑。

五、請學生注意禮貌，進入關關卡和離開關卡都要跟關主問好。

参、進入關卡

1、  關主利用說明板(一)說明實驗原理。

2、  關主利用說明板(二)說明製作步驟及注意事項。

3、  學生實作。關主要掌握時間和隨時給予指導、提醒。

4、  完成作品的學生可以測試，視通過人數給予集點小貼紙。

5、  若尚有時間，可請未通過學生參考組員或請組員幫忙，改進錯誤後，再試一下。

6、  請未通過組員及通過組員說明製作的訣竅或有什麼新發現。

7、  關主總結實驗概念及生活應用。

8、  關主在闖關卡上簽名或蓋通過章。

伍、闖關結束

一、鼓勵學生繼續闖下一關，或到服務台交回闖關集點卡。

二、請學生說明參加闖關的心得感想與各關卡的相關科學原理。

三、鼓勵學生設計與製作更多有創意的DIY玩具。