燃料电池原理及习题解答

燃料电池原理及习题解答
燃料电池原理及习题解答
在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。

所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。

书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再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
因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。

若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H+O=2HO。

若燃料是含碳元222素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃2-离子和
COO=CO+2H；在碱性电解质中生成和HO，即CH+2O料电池在酸性电解质中生成CO32242222-- O。

，即CH+2OH+2O=CO+3HHO222432、燃料电池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以
O可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O得电子生成22-2-2-离子，故正极反应式的基础都是
离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

正极产生OO＋4e-=2O2有着密切的关系。

这是非常重要的一步。

现将与电解质有关的五种情况归纳如下。

⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）2-2-2-+离子优先，O离子结合的微粒有H离子和HOO 在酸性环境中，离子不能单独存在，可供O2-++。

=2HO结合H离子生成H。

这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O＋
4H+4eO222⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）
故在中性O生成OH离子只能结合在中性或碱性环境中，O离子也不能单独存在，OH2--或-2-2-离子，
碱性电解质溶液中，正极反应式为O＋2H=4OH。

O +4e22 NaCO熔融盐混和物）和⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3322-2-2-离子，则其正CO离子可结合离子也不能单独存在，在熔融的碳酸盐环境中，O OCO生成322-- +4eO极反应式为＋2CO。

=2CO322⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）该固体电解质在高温下可允许离子在其间通过，故其正极反应式应为=2O＋O4e。

22--，在不2-2-- O
同电解质环境中，其正极反应式4eO综上所述，燃料电池正极反应式本质都是=2O＋2的书写形式有所不同。

因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

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繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可
燃性物质。

不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式相当困难。

一般燃料电
池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先正确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。

下面主要介绍几种常见的燃料电池。

一、氢氧燃料电池
氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂（Pt）或石墨做电极材料，负极通入H，正极通入O，22总反应为：2H + O === 2HO222电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况：
1．电解质是KOH溶液（碱性电解质）
+ 2e === 2H ,2H + 2OH === 2HO,负极发生的反应为：H22--– 2e + 2OH === 2HO；-++-所以：
负极的电极反应式为：H 222-
，OO正极是得到电子，即：O + 4e- === 2O22--2-HO生成
2-在碱性条件下不能单独存在，只能结合
OH即：，因此， + 2HO === 4OH 2O22-。

正极的电极反应式为：O + HO + 4e- === 4OH22SO溶
液（酸性电解质） 2．电解质是H42+- H +2e === 2H负极的电极反应式为：22-
正极是O得到电子，即：O + 4e- === 2O，O22++2- + 2 H，2-在酸性条件下不能单独存在，只能结合
因此 === HOOH生成H即：O22+-+-2-2- === 2H O(O + 4H 正极的电极反应式为：O + 4e === 2H + 4e === 2O，2O + 4HO) 2222NaCl溶液（中性电解质）3. 电解质是+-负极的电极反应式为：H +2e === 2H2- O + 4e- === 4OHO正极的电极反应式为：+ H22+1.说明：碱性溶液反应物、生成物中均无H- 2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH
中性溶液反应物中无和OH 3.2- 4.水溶液中不能出现O
+ - H
二、甲醇燃料电池甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质：
1．碱性电解质（KOH溶液为例）
总反应式：2CHO + 3O+4KOH=== 2KCO+ 6HO224 2 3
--
0===12OH正极的电极反应式为：3O+12e + 6H 222- -- O 负极的电极反应式为：CHO -6e+8OH=== CO+ 6H2 43溶液为例）2. 酸性电解质（HSO42+ 4H总反应: 2CHO + 3O=== 2COO22 42 正极的电极反应式为：22+-+ 2COO-12e负极的电极反应式为：2CH+2HO === + -O 3O+12e+12H=== 6H
12H242说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同三、甲烷燃料电池
反应生成电解质溶液为KOH，生成的CO还要与KOH甲烷燃料电池以多孔镍板为两极 ,2 OCO + 3H。

+ 2KOH+ 2OKCO，所以总反应为：CH === K22233422---， O + HO CO + 2OH == CO + 6H–
负极发生的反应：CH 8e- + 8OH ==CO224223所以：2--O + 8e- === CO + 7H负极的电极反应式为：CH + 10 OH243 - 2-2-所以：O + HO === 2OH + 4e- === 2O正极发生的反应有：O 和22-正极的电极反
应式为： + 2HO + 4e- === 4OHO22说明：掌握了甲烷燃料电池的电极反应式，就掌握了其它气
态烃燃料电池的电极反应式四、铝–空气–海水电池我国首创以铝–空气–海水电池作为能
源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。

只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。

电源负极材料为：铝；电源正极材料为：石墨、铂网等能导电的惰性材料。

3+－；===4Al4Al－12e负极的电极反应式为：－－3O正极的电极反应
式为：+6H===12OHO+12e22+6HO===4Al(OH)4Al+3O总反应式为：322, 铝板要及时更换铂做成网状
是为了增大与氧气的接触面积.:说明
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。

⑵此电池的正极发生的电极反应是；负极发生的电极反应是。

H离子向极移动；向外电路释放电子的电极是。

+⑶电解液中的
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。

答案：⑴2CHOH+3O=2CO+4HO
⑵正极3O ＋12H+12e-=6HO ；负极2CHOH+2HO －12e-=2CO ↑+12H 22322
⑶正；负⑷对空气的污染
较小
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（）
-2-A 、负极反应式为CH+10OH －8e-=CO+7HO
243-
B 、正极反应式为O ＋2HO +4e-=4OH 22
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答案：C 。

3、电解质为熔融碳酸盐
2--）为电解质，以丁烷为燃料，以空HCO （其中不含O 和例3、某燃料电池以熔融的KCO 332
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？
--2-2-HCO 不会与COCO 反应生成解析：由于电解质为熔融的KCO ，且不含O 和HCO ，生成的
323233
的，
故该燃料电池的总反应式为： 2CH+13O=8CO+10HO 。

按上述燃料电池正极反应式的书
221024-2-
丁烷的一极=2CO +4e 知，在熔融碳酸盐环境中，其正极反应式为O ＋2CO 写方法33222-
－为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式求得，应为2CH+26CO 3104-。

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+10H=34COO52e 22
，它从负极反应产物中来。

空
气中应加入CO 2
O +13O 答案：⑴2CH=8CO+10H
210242-2--2-
－，负极：＋2CO
+4e=2CO2CH+26CO52e=34CO+10HO ⑵正极：O
221032234
从负极反应产物中来⑶CO 2
、电解质为固体
氧化物4)电解质是掺杂氧化钇(YO 另一极通入丁烷气体；4例、一种新型燃料电池，一极通入空气，322- (ZrO 的氧化锆)晶体，在熔融状态下能传导 O 。

下列对该燃料电池说法正确的是22- OA. 在
熔融电解质中，由负极移向正极
H2CB. 电池的总反应是：＋O = 8CO13O ＋10H
210422
-2-
e 2O ＋通入空气的一极是正极，电极反应为：O4 ＝C. 22--
e O ＋5H 通入丁烷的一极是正极，电
极反应为：CH ＋26＋13O ＝4COD.
22410
本题以丁烷燃料电池为载体综合考查了原电池原理涉及的有
关“电子流向、电极反应解析：2-
错。

由丁A 不可能移向正极，式、总反应式”等内容，因正极上富集电子，根据电性关系，O 正确。

按10HBO ，＋＋2C 烷的燃烧反应及电解质的特性知该电池的总反应式为H13O =8CO 2242102- 在其间通过，故其正极反应知，在熔融状态下允许O 上述燃料电池
正极反应式的书写方法52--
错。

故符合题意的是正确。

通入丁烷的一极应为负极，，4e ＋式为
O=2OCDBC 、。

2。