氢氧燃料电池的几个延伸实验

姜绍南

（江苏省扬州市第一中学 江苏扬州 225001）

摘要：文章对苏教版《高中化学必修2》燃料电池的探究实验进行商榷。通过四个额外增加的实验来说明，在课本所示实验中，在给多孔碳棒电极“充电”后，“蓄积”的电能有一部分来自两根多孔碳棒形成的电双层电容器的放电。

关键词：燃料电池；多孔碳棒；电双层电容

由江苏教育出版社出版的《普通高中课程·化学必修2》中的学生分组探究实验——燃料电池的制作，实验内容为：在一个烧杯中装入0.5mol/L的Na2SO4溶液，用6V直流电源电解约半分钟，两根电极均为多孔碳棒，碳棒上产生明显的气泡。断开连接电源的导线两端，将原先接电源正、负极的导线两端分别接到起辉电压为1.7V的发光二极管的正、负极［1］，可以看到发光二极管有数秒乃至数十秒的发光，并逐渐变暗直至熄灭（如图1）。

图1

图2

这个实验给学生的印象，容易将燃料电池与蓄电池相混淆，似乎是先充电，后放电。为此，笔者设计了以下几个延伸实验，证明这个燃料电池不同于蓄电池。

实验1.将两根多孔碳棒电极紧密插入两个单孔塞，安装在两根预先充满0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用6V直流电源电解，保证H2柱的高度达到管内碳棒高度的60%左右，断开连接电源的导线两端，分别有序接到发光二极管的两极，发光现象同上。这个延伸实验的好处在于，H2和O2被封闭在两玻璃管内，而不是像教材中的实验，H2和O2在烧杯内混合。发光二极管熄灭后，两玻璃管内的气体体积并没有明显的变化，这说明，H2和O2作为发光二极管发光的氢氧燃料电池的原料所占的比例很小。

实验2.将两根较粗的镍铬丝紧密插入两个橡胶塞，安装在两根预先充满0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用6V直流电源电解，保证H2柱的高度达到管内电极高度的60%左右，断开连接电源的导线两端，分别有序接到发光二极管的两极，发光二极管并不发光。这个延伸实验说明，H2和O2作为氢氧燃料电池的原料，需要与合适的电极相匹配。

实验3.如图2所示,将上面实验使用的两组多孔碳棒和镍铬丝分组紧密平行插入两个单孔塞，尽量保持每个橡胶塞上碳棒与镍铬丝之间有较大的间距，镍铬丝下端绕成螺旋状，处于碳棒的下方，碳棒与镍铬丝互相不碰触，并且相距越远越好。将单孔塞安装在两根预先充满0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用两个橡胶塞上的一对镍铬丝做电极电解以产生纯净的H2和O2，电解开始时将两根多孔碳棒用导线分别有序接入发光二极管的两端。当电解电压为6V时，此时或许可能看到1.7V发光二极管发出微弱的光，说明镍铬丝通电电解时对一组多孔碳棒的影响很小。迅速断开与发光二极管连接电源的导线。当H2柱的高度达到管内碳棒高度的60%左右时，停止电解。同时，将与碳棒相连的导线与发光二极管分别有序连接，这时并没有发光现象。这种情况与实验1中发光二极管熄灭后的情况相同。可见，就此条件下，单纯给多孔碳棒电极充入纯净的H2和O2，也不会形成有效的燃料电池。对比实验1和实验3，在多孔碳棒电极膜层与溶液同时紧密接触的H2和O2分子才具有参加燃料电池电极反应的活化能，这也表明，要制造经济实用的燃料电池，需要解决H2和O2分子到达电极时已经具备电池反应条件的问题。

由于多孔碳棒电极在电解质溶液存在的情况下，本身就是一个电容器。当一对这样的固体电极浸在电解质溶液中，施加低于溶液的分解电压时，在电极与溶液的不同两相间，电荷会在极短距离内分布、排列，作为补偿，带正电荷的正极会吸引溶液中的负离子；相反，负极就会吸引正离子，从而形成紧密的电双层在电极与电解液界面存储电荷，形成电双层电容［2］。为此，笔者又设计了下面一个实验。

实验4.取两根同样的多孔碳棒电极，将低于水的理论最低电解电压1.23V的直流电源（如1节用旧的1号干电池，此电池已不能直接使发光二极管发光）接到平行插入0.5mol/L的Na2SO4溶液的这两根电极上半分钟之后，用灵敏检流计检测两电极，可以看到数十秒的电流衰减。对比实验1、实验3和实验4，可见，当电压为6V时，两根多孔碳棒电极作为电容器的功能是存在的，而这个电压下给此电容器充电半分钟，可使1.7V发光二极管发光。此时，电极膜层的复杂变化中也不排除与多孔碳棒电极膜层、溶液同时紧密接触的电解水产生的H2和O2分子的逆反应。

综合苏教版教材中的实验和以上4个延伸实验，可见书中采用的燃料电池实验是一个可逆程度很低的“蓄电池”。在燃料电池的教学中，笔者建议直接展示市场实用的燃料电池工作原理图片能让学生更好地理解燃料电池。

参考文献

［1］ 王祖浩，普通高中课程标准实验教科书·化学2［M］.南京：江苏教育出版社,2016:42

［2］ 戴贵平,刘敏,王茂章,成会明.电化学电容器中炭电极的研究及开发 I.电化学电容器［J］.新型炭材料,2002（1）:71-79