朱凤娟

【摘要】燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置。燃料电池能量转化效率高,污染小。有关燃料电池的原理、总反应式和电极反应式的书写是考试的热点，学生常因题中结合了一些新信息，在解题时感觉无从下手。本文结合教学实践和对近几年高考试题的研究，谈谈这类试题的解答方法。

【关键字】燃料电池   电极反应式

一、了解燃料电池基本知识

1、定义：

燃料电池是一种可燃物和氧气不直接接触、不经过燃烧，将化学能直接转变为电能的装置。和其它原电池一样，燃料电池中进行的也是自发的氧化还原反应。

2、燃料电池的电极规定

燃料电池的两极材料是用多孔碳、镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性导体，两电极的材料相同。燃料电池的电极由通入气体的成分来决定。通入可燃物发生氧化反应的一极为负极；通入空气或氧气发生还原反应的一极为正极。

3、燃料电池的电解质

不同类型的燃料电池有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）、熔融盐、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。

4、燃料电池的工作原理

以氢氧燃料电池为例，其工作原理是：氢气（可燃物）从负极处失去电子（燃料被氧化掉），电子从负极沿外电路移动到正极；氧气在正极获得电子发生还原反应；内电路电解质提供的离子定向移动形成闭合回路。

5、燃料电池的优点

作为二十一世纪改善人类生活的“绿色电源”——燃料电池，它具有以下优点：

（1）燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不经过热能这一种中间形式，所以它的发电效率比其它任何形式的发电技术效率都高。

（2）燃料电池的废物（如SO₂、CO、NO_x）排放量很低，大大减少了对环境的污染。

（3）燃料电池中无运动部件，工作时很安静且无机械磨损。

燃料电池的投入使用可有效解决能源危机、污染问题，是继水力、火力、核能发电后的第四类发电——化学能发电。

二、燃料电池电极反应式的书写方法

书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，写出燃料电池的总反应式，用双线桥法分析总反应，化合价升高失电子的物质在负极反应，化合价降低得电子的物质在正极反应；第二步，写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。

1、燃料电池总反应方程式的书写

燃料电池总反应的产物与燃料燃烧的产物相同。根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应式，注意燃料的种类和电解质溶液的酸碱性。若是氢氧燃料电池，其电池总反应式不随电解质状态的变化而变化，即2H₂+O₂=2H₂O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应式与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO₂和H₂O，即CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O；在碱性电解质中生成CO₃^2-和H₂O，即CH₄+2OH^-+2O₂=CO₃^2-+3H₂O。

2、燃料电池正极反应式的书写

燃料电池的正极反应物一般是氧气，所以先写出正极基础反应式O₂＋4e^-=2O^2-。正极产生的O^2-存在形式与电解质的状态和酸碱性有密切的关系。现将与电解质有关的几种情况归纳如下：

（1）酸性电解质溶液（如稀硫酸）

在酸性电解质溶液中， O^2-结合H⁺生成H₂O，正极反应式为O₂＋4H⁺+4e^-=2H₂O。

（2）中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）

在中性或碱性电解质溶液中， O^2-结合H₂O生成OH^-，正极反应式为 O₂＋2H₂O +4e^-=4OH^-。

（3）熔融的碳酸盐（如Li₂CO₃和Na₂CO₃熔融盐混和物）

在熔融的碳酸盐环境中， O^2-结合CO₂生成CO₃^2-，正极反应式为 O₂＋2CO₂+4e^-=2CO₃^2-。

（4）固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）

固体氧化物电解质在高温下允许O^2- 存在，正极反应式为 O₂＋4e^-=2O^2-。

综上所述，燃料电池在不同电解质环境中，正极反应式的书写形式不同。

3、燃料电池负极反应式的书写

燃料电池负极反应物种类比较多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。不同的可燃物失电子数不同，对于能力较强的学生，可根据总反应式中的双线桥分析、电解质类型、电荷守恒直接写。但大部分学生直接写出负极反应式较困难，一般采用间接方法书写，即按上述要求先写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。

三、燃料电池电极反应式的书写应用举例

1、电解质为酸性电解质溶液

例1、科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

试回答下列问题：

⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式是                        。

⑴ 电池的正极发生的电极反应是                    ；负极发生    的电极反应是                     。

⑶电解液中的H⁺离子向    极移动；向外电路释放电子的电极是     。

⑷比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是                        。

解析：电解质溶液为稀硫酸，电池反应式是2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O。正极反应式：3O₂＋12H⁺+12e^-=6H₂O，负极反应式：2CH₃OH+2H₂O－12e^-=2CO₂↑+12H⁺。由原电池原理知负极失电子后经导线转移到正极，所以正极上富集电子，根据电性关系知阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。故H⁺离子向正极移动，向外电路释放电子的电极是负极。

2、电解质为碱性电解质溶液

例2、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（   ）

A、负极反应式为CH₄+10OH^-－8e^-=CO₃^2-+7H₂O

B、正极反应式为O₂＋2H₂O +4e^-=4OH^-

C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变

D、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大

解析：电解质为KOH溶液，电池反应式是CH₄+2OH^-+2O₂=CO₃^2-+3H₂O。总反应要消耗OH^-，故电解质溶液的碱性减小，C错。正极反应式：O₂＋2H₂O +4e^-=4OH^-。负极反应式:CH₄+10OH^-－8e^-=CO₃^2-+7H₂O。选项A、B均正确。根据能量转化规律，燃烧时产生的热能是不可能全部转化为功的，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大的多，D项正确。故符合题意的是C。

3、电解质为熔融碳酸盐

例3、某燃料电池以熔融的K₂CO₃（其中不含O^2-和HCO₃^-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：

⑴写出该燃料电池的化学反应方程式。

⑵写出该燃料电池的电极反应式。

⑶为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？

解析：电解质为熔融的K₂CO₃，电池的总反应式： 2C₄H₁₀+13O₂=8CO₂+10H₂O。正极反应式:O₂＋2CO₂ +4e^-=2CO₃^2-。负极反应式:2C₄H₁₀+26CO₃^2-－52e^-=34CO₂+10H₂O。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入CO₂，它从负极反应产物中来。

4、电解质为固体氧化物

例4、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇（Y₂O₃）)的氧化锆（ZrO₂）晶体，在熔融状态下能传导O^2-。下列对该燃料电池说法正确的是（ ）( 

A、在熔融电解质中，O^2-由负极移向正极

B、电池的总反应是：2C₄H₁₀＋13O₂＝8CO₂＋10H₂O

C、通入空气的一极是正极，电极反应为：O₂＋4e^-＝2O^2--

D、通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C₄H₁₀＋26e^-＋13O^2--＝4CO₂＋5H₂O

解析：因正极上富集电子，根据电性关系，O^2--不可能移向正极，A错。电解质是熔融氧化物，电池的总反应式为2C₄H₁₀＋13O₂＝8CO₂＋10H₂O，B正确。正极反应式为O₂＋4e^-=2O^2-，C正确。通入丁烷的一极应为负极，D错。故符合题意的是B、C。