奇妙的「節能」單極馬達

 

壹、活動目標  Goal 

大概念 Big Idea 

無

核心問題(探究問題) Essential Question 

無

教學對象

教學時間

作者(服務單位) 

退休

通訊作者e-mail 

t401201@gmail.com

貳、課程綱要對照 Course Outline 

2-4-1-1 由探究的活動，嫻熟科學探討的方法，並經由實作過程獲得科學知識和技能。 

2-4-5-4 瞭解化學電池與電解的作用。 

2-4-8-8 認識水、陸及空中的各種交通工具。 

3-4-0-1 體會「科學」是經由探究、驗證獲得的知識。 

8-4-0-6 執行製作過程中及完成後的機能測試與調整。

參、活動原理 Theory 

 1839 年，英國科學家葛洛夫利用白金當電極，製造了人類第一個燃料電池。 1960 年，美國 NASA 利用燃料電池為太空船供電。2009 年，日本推出配備燃料電池的綠色能源住宅 10 萬戶，預計 2030 年增至 530 萬戶，開啟了大規模「分散式發電」契機。2015 年，世界各大車廠開始量產或準備量產氫汽車。 

從上述發展軌跡，顯示以氫(或含氫化合物)為能源的燃料電池，可能逐漸取代熱機(內燃機與外燃機)，成為發電及運輸動力的主流。主要原因在於其「電化學」過程，熱耗損極低，不受卡諾循環等熱機定律限制，能源效率可高達 60%以上。反觀汽油車的能源效率約僅 25%，柴油車 35%，油電混合車 40%。若從「總效率」的觀點來看(從油井、氣井或煤礦場開始計算)：汽油車的總效率是 15%，氫汽車可達 40%。 

因此，無論如何計算，氫汽車的效率，都是汽油車的二倍多。只要氫汽車售價能逐漸降低，在數十年後，可能預見「氫汽車滿街跑」的光景。我們當然樂觀其成，因為氫汽車的汙染極低(不排放 PM10、PM2.5)，有利於環境及人體健康。(在日本，不含政府補貼的 70 萬，氫汽車的售價約台幣 140 萬。) 

目前我國的氫氣製程，大部分以天然氣為原料，利用蒸氣重組法或甲烷水合法製氫。中國是世界產氫第二大國，大部分由煤炭製氫。德國巴斯夫化學公司

（BASF），正在研究一種高效率的氫氣製程──在超高溫下，讓甲烷直接脫氫，此技術如果成熟，將使目前氫氣價格大幅降低一半以上，更有利於氫能源之發展。綜上所述，「燃料電池」由於其高效率，已逐漸顯現其「未來可能的重要性」，因此讓學生認識與瞭解它，實有其必要。唯目前市售燃料電池教具，價格偏高。「完全看不清楚」內部構造的，約要數千元；「看不太清楚」的，則高達數萬元，一般中小學，無能力購買此昂貴教具。 

本教案製作的「安全燃料電池」，是以備長炭為電極，以小蘇打為電解質，取代傳統的氫氧化鈉(強鹼)，使教具十分安全。學生親自透過燃料電池的製作，可完全瞭解其發電原理。每組「燃料電池」材料成本約僅 500 元，使教具與教案推廣容易。(如果部分材料使用回收物，則每組不到 300 元) 

肆、活動材料 Material 

每組(約 4 至 8 人)共同合作，製作 1 組燃料電池，1 組的材料如下： 

伍、活動步驟 Step 

第一部分時間：10分鐘

教師講解： 

第二部分時間：25分鐘

學生實作燃料電池，並進行發電功能測試。

以備長炭(照片左上)及不織布製作電極，電極製作完成如照片右上。不織布包覆電極，其作用在於增加氫的捕獲量，並有效隔開兩極。

把2支電極至於重量百分濃度 5% 小蘇打水溶液內（照片上）

製作直流電源供應器（照片上）

製作馬達風扇（照片上）

進行電解2分鐘，使水分解為氫、氧

電解2分鐘，所產生的氫氣，足以讓風扇旋轉10幾分鐘喔

第三部分 時間：10分鐘

綜合活動：問題探究與思考

教案學習單

（待調整）

(1)略述燃料電池的發電原理。

(2)燃料電池與乾電池(鋰電池、鉛蓄電池)有何不同？

(3)查一下網路資料，請您評估2030年人類的「能源組合」。

(4)熱機的功用？

(5)熱機包括哪幾種？

(6)常見的內燃機有哪幾種？

(7)常聽說的外燃機有哪幾種？

(8)想像一下，300年後，熱機會絕跡嗎？為什麼？ 

實作注意事項 

實驗安全事項

無

實驗廢棄物處理

無(此教具可永久使用，如功能退化，請拆洗晾乾即可恢復) 

教學心得(本活動之效益)

(1)   從動手做活動，體會人類能源科技、環保科技的發展。

(2)   燃料電池經歷 170 年的研究，才在 21 世紀落實到人類實際生活。學生可以體

會「科學」是經由長期探究、驗證、累積，而獲得的知識，不是一蹴可及。

(3)   本活動可培養學生「精密確實」的科學態度。例如，鱷魚夾與電線的壓接，必須十分完善（照片下），否則，即使是微小細節，也會導致實驗失敗。

(4)  本活動使用小蘇打做為電解質，不使用傳統的氫氧化鈉(強鹼)，安全 100%，使教師更能放心推廣本活動。 

鱷魚夾與電線的壓接，必須十分確實與完善（照片上），否則，微小細節也會導致實驗失敗。 

參考資料 

 使用不織布包覆電極的原創者：林宣安老師

闖關活動(十分鐘) ：勾接法製作單極馬達 

壹、準備活動

★教師準備：活動材料 

把 2 支電極置於重量百分濃度 5%小蘇打水溶液內 

組裝完善的直流電源供應器

已製作完成的馬達與風扇

貳、闖關之前

(1)學生請參閱下列「能源科學動手做」PPT 第42-48頁，以了解燃

料電池概況。

http://creative-science.hlc.edu.tw/ifile_dwif.asp?id=67&vid=120379

(2)學生請上網搜尋燃料電池的基本原理。

参、進入關卡

參加活動者首先向關主致意，並簡單自我介紹。再進行下列活動：

(1)進行電解 2 分鐘，使水分解為氫、氧。(照片左下)

(2)電解 2 分鐘所產生的氫氣，足以讓風扇旋轉 10 幾分鐘喔。(照片右下)

(3)口述燃料電池的基本原理或發展現況 

伍、闖關結束

(一)過關最低標準：能說出以下任何一項概念，可視為通過。

(1)燃料電池是水電解的逆反應。氫+氧=電+水。 

(2)燃料電池是一種電化學發電機，只要不斷提供氫或含氫化合物，它就能持續發電。

(3)燃料電池能夠有效的、全天候的「分散式發電」。例如，2009年，日本推出配備燃料電池的綠能住宅10萬戶，預計2030年增至530 萬戶。

(二)學習單做為回家作業 

預算表

每人次／每組的材料及預算（*以一組為單位）

項目 .材料 / 數量 /金額 (元) 

以上每組材料，共計$532元 


如果電源供應器使用回收物，斜口鉗使用學校公物，每組材料共計$232元 

附件