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2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，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CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。

2、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，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。正极产生O2-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）

在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。

⑵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）

在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。

⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）

在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在， O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。

⑷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O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。

综上所述，燃料电池正极反应式本质都是O2＋4e-=2O2-，在不同电解质环境中，其正极反应式

v1.0 可编辑可修改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H2，正极通入 O2，总反应为：2H2 + O2 === 2H2O

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）

负极发生的反应为：H2+ 2e- === 2H+ ,2H+ + 2OH- === 2H2O,所以：

负极的电极反应式为：H2– 2e- + 2OH- === 2H2O；

正极是O2得到电子，即：O2 + 4e- === 2O2-，O2- 在碱性条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH-即：2O2- + 2H2O === 4OH-，因此，

正极的电极反应式为：O2 + H2O + 4e- === 4OH-。

2．电解质是H2SO4溶液（酸性电解质）

负极的电极反应式为：H2 +2e- === 2H+

正极是O2得到电子，即：O2 + 4e- === 2O2-，O2- 在酸性条件下不能单独存在，只能结合H+生成H2O即：O2- + 2 H+ === H2O，因此

正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O(O2 + 4e- === 2O2-，2O2- + 4H+ === 2H2O)

3. 电解质是NaCl溶液（中性电解质）

负极的电极反应式为：H2 +2e- === 2H+

正极的电极反应式为：O2 + H2O + 4e- === 4OH-

说明：1.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-

3.中性溶液反应物中无H+ 和OH-

4.水溶液中不能出现O2-

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：2CH4O + 3O2 +4KOH=== 2K2CO3 + 6H2O

正极的电极反应式为：3O2+12e- + 6H20===12OH-

负极的电极反应式为：CH4O -6e-+8OH- === CO32-+ 6H2O

2. 酸性电解质（H2SO4溶液为例）

总反应: 2CH4O + 3O2 === 2CO2 + 4H2O

正极的电极反应式为：3O2+12e-+12H+ === 6H2O

负极的电极反应式为：2CH4O-12e-+2H2O === 12H++ 2CO2

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

甲烷燃料电池以多孔镍板为两极,电解质溶液为KOH，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，所以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2 === K2CO3 + 3H2O。

负极发生的反应：CH4– 8e- + 8OH- ==CO2 + 6H2O CO2 + 2OH- == CO32- + H2O，所以：

负极的电极反应式为：CH4 + 10 OH- + 8e- === CO32- + 7H2O

正极发生的反应有：O2 + 4e- === 2O2-和O2- + H2O === 2OH- 所以：

正极的电极反应式为：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-

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。