氫氧燃料電池的幾個延伸實驗

姜紹南

氫氧燃料電池的幾個延伸實驗

姜紹南

（江蘇省揚州市第一中學 江蘇揚州 225001）

文章對蘇教版《高中化學必修2》燃料電池的探究實驗進行商榷。通過四個額外增加的實驗來說明，在課本所示實驗中，在給多孔碳棒電極“充電”后，“蓄積”的電能有一部分來自兩根多孔碳棒形成的電雙層電容器的放電。

燃料電池；多孔碳棒；電雙層電容

由江蘇教育出版社出版的《普通高中課程·化學必修2》中的學生分組探究實驗——燃料電池的制作，實驗內容為：在一個燒杯中裝入0.5mol/L的Na2SO4溶液，用6V直流電源電解約半分鐘，兩根電極均為多孔碳棒，碳棒上產生明顯的氣泡。斷開連接電源的導線兩端，將原先接電源正、負極的導線兩端分別接到起輝電壓為1.7V的發光二極管的正、負極［1］，可以看到發光二極管有數秒乃至數十秒的發光，并逐漸變暗直至熄滅（如圖1）。

圖1

圖2

這個實驗給學生的印象，容易將燃料電池與蓄電池相混淆，似乎是先充電，后放電。為此，筆者設計了以下幾個延伸實驗，證明這個燃料電池不同于蓄電池。

實驗1.將兩根多孔碳棒電極緊密插入兩個單孔塞，安裝在兩根預先充滿0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用6V直流電源電解，保證H2柱的高度達到管內碳棒高度的60%左右，斷開連接電源的導線兩端，分別有序接到發光二極管的兩極，發光現象同上。這個延伸實驗的好處在于，H2和O2被封閉在兩玻璃管內，而不是像教材中的實驗，H2和O2在燒杯內混合。發光二極管熄滅后，兩玻璃管內的氣體體積并沒有明顯的變化，這說明，H2和O2作為發光二極管發光的氫氧燃料電池的原料所占的比例很小。

實驗2.將兩根較粗的鎳鉻絲緊密插入兩個橡膠塞，安裝在兩根預先充滿0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用6V直流電源電解，保證H2柱的高度達到管內電極高度的60%左右，斷開連接電源的導線兩端，分別有序接到發光二極管的兩極，發光二極管并不發光。這個延伸實驗說明，H2和O2作為氫氧燃料電池的原料，需要與合適的電極相匹配。

實驗3.如圖2所示,將上面實驗使用的兩組多孔碳棒和鎳鉻絲分組緊密平行插入兩個單孔塞，盡量保持每個橡膠塞上碳棒與鎳鉻絲之間有較大的間距，鎳鉻絲下端繞成螺旋狀，處于碳棒的下方，碳棒與鎳鉻絲互相不碰觸，并且相距越遠越好。將單孔塞安裝在兩根預先充滿0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用兩個橡膠塞上的一對鎳鉻絲做電極電解以產生純凈的H2和O2，電解開始時將兩根多孔碳棒用導線分別有序接入發光二極管的兩端。當電解電壓為6V時，此時或許可能看到1.7V發光二極管發出微弱的光，說明鎳鉻絲通電電解時對一組多孔碳棒的影響很小。迅速斷開與發光二極管連接電源的導線。當H2柱的高度達到管內碳棒高度的60%左右時，停止電解。同時，將與碳棒相連的導線與發光二極管分別有序連接，這時并沒有發光現象。這種情況與實驗1中發光二極管熄滅后的情況相同。可見，就此條件下，單純給多孔碳棒電極充入純凈的H2和O2，也不會形成有效的燃料電池。對比實驗1和實驗3，在多孔碳棒電極膜層與溶液同時緊密接觸的H2和O2分子才具有參加燃料電池電極反應的活化能，這也表明，要制造經濟實用的燃料電池，需要解決H2和O2分子到達電極時已經具備電池反應條件的問題。

由于多孔碳棒電極在電解質溶液存在的情況下，本身就是一個電容器。當一對這樣的固體電極浸在電解質溶液中，施加低于溶液的分解電壓時，在電極與溶液的不同兩相間，電荷會在極短距離內分布、排列，作為補償，帶正電荷的正極會吸引溶液中的負離子；相反，負極就會吸引正離子，從而形成緊密的電雙層在電極與電解液界面存儲電荷，形成電雙層電容［2］。為此，筆者又設計了下面一個實驗。

實驗4.取兩根同樣的多孔碳棒電極，將低于水的理論最低電解電壓1.23V的直流電源（如1節用舊的1號干電池，此電池已不能直接使發光二極管發光）接到平行插入0.5mol/L的Na2SO4溶液的這兩根電極上半分鐘之后，用靈敏檢流計檢測兩電極，可以看到數十秒的電流衰減。對比實驗1、實驗3和實驗4，可見，當電壓為6V時，兩根多孔碳棒電極作為電容器的功能是存在的，而這個電壓下給此電容器充電半分鐘，可使1.7V發光二極管發光。此時，電極膜層的復雜變化中也不排除與多孔碳棒電極膜層、溶液同時緊密接觸的電解水產生的H2和O2分子的逆反應。

綜合蘇教版教材中的實驗和以上4個延伸實驗，可見書中采用的燃料電池實驗是一個可逆程度很低的“蓄電池”。在燃料電池的教學中，筆者建議直接展示市場實用的燃料電池工作原理圖片能讓學生更好地理解燃料電池。

［1］ 王祖浩，普通高中課程標準實驗教科書·化學2［M］.南京：江蘇教育出版社,2016:42

［2］ 戴貴平,劉敏,王茂章,成會明.電化學電容器中炭電極的研究及開發 I.電化學電容器［J］.新型炭材料,2002（1）:71-79

1008-0546（2017）10-0089-01

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.029