氫氧燃料電池的幾個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)

姜紹南

氫氧燃料電池的幾個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)

姜紹南

（江蘇省揚(yáng)州市第一中學(xué) 江蘇揚(yáng)州 225001）

文章對(duì)蘇教版《高中化學(xué)必修2》燃料電池的探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行商榷。通過四個(gè)額外增加的實(shí)驗(yàn)來說明，在課本所示實(shí)驗(yàn)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(xué)必修2》中的學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)——燃料電池的制作，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：在一個(gè)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(chǎn)生明顯的氣泡。斷開連接電源的導(dǎo)線兩端，將原先接電源正、負(fù)極的導(dǎo)線兩端分別接到起輝電壓為1.7V的發(fā)光二極管的正、負(fù)極［1］，可以看到發(fā)光二極管有數(shù)秒乃至數(shù)十秒的發(fā)光，并逐漸變暗直至熄滅（如圖1）。

圖1

圖2

這個(gè)實(shí)驗(yàn)給學(xué)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(shè)計(jì)了以下幾個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)，證明這個(gè)燃料電池不同于蓄電池。

實(shí)驗(yàn)1.將兩根多孔碳棒電極緊密插入兩個(gè)單孔塞，安裝在兩根預(yù)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(dá)到管內(nèi)碳棒高度的60%左右，斷開連接電源的導(dǎo)線兩端，分別有序接到發(fā)光二極管的兩極，發(fā)光現(xiàn)象同上。這個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)的好處在于，H2和O2被封閉在兩玻璃管內(nèi)，而不是像教材中的實(shí)驗(yàn)，H2和O2在燒杯內(nèi)混合。發(fā)光二極管熄滅后，兩玻璃管內(nèi)的氣體體積并沒有明顯的變化，這說明，H2和O2作為發(fā)光二極管發(fā)光的氫氧燃料電池的原料所占的比例很小。

實(shí)驗(yàn)2.將兩根較粗的鎳鉻絲緊密插入兩個(gè)橡膠塞，安裝在兩根預(yù)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(dá)到管內(nèi)電極高度的60%左右，斷開連接電源的導(dǎo)線兩端，分別有序接到發(fā)光二極管的兩極，發(fā)光二極管并不發(fā)光。這個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)3.如圖2所示,將上面實(shí)驗(yàn)使用的兩組多孔碳棒和鎳鉻絲分組緊密平行插入兩個(gè)單孔塞，盡量保持每個(gè)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(yuǎn)越好。將單孔塞安裝在兩根預(yù)先充滿0.5mol/L的Na2SO4溶液的玻璃管上，用兩個(gè)橡膠塞上的一對(duì)鎳鉻絲做電極電解以產(chǎn)生純凈的H2和O2，電解開始時(shí)將兩根多孔碳棒用導(dǎo)線分別有序接入發(fā)光二極管的兩端。當(dāng)電解電壓為6V時(shí)，此時(shí)或許可能看到1.7V發(fā)光二極管發(fā)出微弱的光，說明鎳鉻絲通電電解時(shí)對(duì)一組多孔碳棒的影響很小。迅速斷開與發(fā)光二極管連接電源的導(dǎo)線。當(dāng)H2柱的高度達(dá)到管內(nèi)碳棒高度的60%左右時(shí)，停止電解。同時(shí)，將與碳棒相連的導(dǎo)線與發(fā)光二極管分別有序連接，這時(shí)并沒有發(fā)光現(xiàn)象。這種情況與實(shí)驗(yàn)1中發(fā)光二極管熄滅后的情況相同?？梢姡痛藯l件下，單純給多孔碳棒電極充入純凈的H2和O2，也不會(huì)形成有效的燃料電池。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3，在多孔碳棒電極膜層與溶液同時(shí)緊密接觸的H2和O2分子才具有參加燃料電池電極反應(yīng)的活化能，這也表明，要制造經(jīng)濟(jì)實(shí)用的燃料電池，需要解決H2和O2分子到達(dá)電極時(shí)已經(jīng)具備電池反應(yīng)條件的問題。

由于多孔碳棒電極在電解質(zhì)溶液存在的情況下，本身就是一個(gè)電容器。當(dāng)一對(duì)這樣的固體電極浸在電解質(zhì)溶液中，施加低于溶液的分解電壓時(shí)，在電極與溶液的不同兩相間，電荷會(huì)在極短距離內(nèi)分布、排列，作為補(bǔ)償，帶正電荷的正極會(huì)吸引溶液中的負(fù)離子；相反，負(fù)極就會(huì)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(chǔ)電荷，形成電雙層電容［2］。為此，筆者又設(shè)計(jì)了下面一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)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(jié)用舊的1號(hào)干電池，此電池已不能直接使發(fā)光二極管發(fā)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(jì)檢測(cè)兩電極，可以看到數(shù)十秒的電流衰減。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4，可見，當(dāng)電壓為6V時(shí)，兩根多孔碳棒電極作為電容器的功能是存在的，而這個(gè)電壓下給此電容器充電半分鐘，可使1.7V發(fā)光二極管發(fā)光。此時(shí)，電極膜層的復(fù)雜變化中也不排除與多孔碳棒電極膜層、溶液同時(shí)緊密接觸的電解水產(chǎn)生的H2和O2分子的逆反應(yīng)。

綜合蘇教版教材中的實(shí)驗(yàn)和以上4個(gè)延伸實(shí)驗(yàn)，可見書中采用的燃料電池實(shí)驗(yàn)是一個(gè)可逆程度很低的“蓄電池”。在燃料電池的教學(xué)中，筆者建議直接展示市場(chǎng)實(shí)用的燃料電池工作原理圖片能讓學(xué)生更好地理解燃料電池。

［1］ 王祖浩，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2［M］.南京：江蘇教育出版社,2016:42

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

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