燃料電池電極方程式的書寫

沈小祥

燃料電池電極方程式的書寫

沈小祥

（江蘇省如東高級中學(xué)江蘇如東226401）

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，通過化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。很多中學(xué)生對其電極方程式的書寫有困難，文章按照電解質(zhì)的不同，介紹了水性電解質(zhì)、固體氧化物電解質(zhì)和熔融碳酸鹽電解質(zhì)等類型的燃料電池的電極反應(yīng)方程式的書寫方法。

燃料電池；電極方程式；水性電解質(zhì)；固體氧化物；熔融碳酸鹽

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，而通過化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其放電過程無污染、無噪音、高效率，是一種綠色電池。燃料電池雖然種類多樣，但其基本結(jié)構(gòu)類似：電極材料一般是惰性電極，具有很強(qiáng)的催化能力，如鉑電極、活性炭電極等，還原劑(燃料)在電池的負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，氧化劑(通常是氧氣或空氣)在電池的正極發(fā)生反應(yīng)，其組成一般可表示為：(-)燃料—電解質(zhì)—O2(+)。常見的電解質(zhì)有水性電解質(zhì)、固體氧化物電解質(zhì)和熔融碳酸鹽電解質(zhì)等。以下根據(jù)燃料電池電解質(zhì)的不同，介紹其電極反應(yīng)方程式的書寫方法：

一、水性電解質(zhì)(酸性、中性或堿性的溶液)

燃料電池電極反應(yīng)方程式的書寫比較復(fù)雜，但有一定規(guī)律可循，通常按下述三個(gè)步驟可以順利寫出電極方程式：

1.寫總反應(yīng)：電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可以根據(jù)燃料的燃燒反應(yīng)寫出燃料電池的總反應(yīng)。

2.寫出正極反應(yīng)：燃料電池的正極為O2得電子的反應(yīng)，1個(gè)O2分子得到4個(gè)電子轉(zhuǎn)變成2個(gè)O2-，但應(yīng)注意O2-在電解質(zhì)溶液中不能穩(wěn)定存在，如果是酸性電解質(zhì)，O2-要結(jié)合H+生成H2O：O2+4e-+4H+=2H2O;如果電解質(zhì)溶液顯堿性或中性，則O2-與H2O結(jié)合生成OH-：O2+4e-+ 2H2O=4OH-。

3.根據(jù)電池的總反應(yīng)和正極反應(yīng)湊出負(fù)極反應(yīng)，要求正、負(fù)極反應(yīng)相加能得到總反應(yīng)。該步驟的技巧是要將總反應(yīng)方程式和正極反應(yīng)中O2前的計(jì)量數(shù)化為相同值，然后相減。

例1.寫出氫氧燃料電池分別以稀H2SO4、NaOH和Na2SO4溶液作電解質(zhì)時(shí)的電極反應(yīng)。

解析：氫氧燃料電池的組成可以表示為(-)H2—電解質(zhì)—O2(+)，H2在負(fù)極參加反應(yīng)被氧化為H+，H+在酸性或中性溶液中能穩(wěn)定存在，但在堿性溶液中，H+要與電解質(zhì)溶液中的OH-結(jié)合生成H2O。O2在正極參加反應(yīng)，根據(jù)前面的介紹，可以寫出O2在不同電解質(zhì)溶液中的電極反應(yīng)。

將這些正負(fù)極反應(yīng)疊加起來，得到氫氧燃料電池的總反應(yīng)都是2H2+O2=2H2O。

例2.寫出甲烷燃料電池以KOH為電解質(zhì)的電極反應(yīng)方程式。

解析：該電池的組成可以表示為(-)CH4—KOH—O2(+)，第一步寫出該電池的總反應(yīng)，CH4的燃燒反應(yīng)為：CH4+2O2=CO2+2H2O，但注意生成的CO2要和電解質(zhì)溶液KOH發(fā)生反應(yīng)：CO2+2KOH=K2CO3+H2O，將上述兩方程式疊加，得到該燃料電池的總反應(yīng)：CH4+2O2+2KOH= K2CO3+3H2O。第二步寫出O2在正極的反應(yīng)，根據(jù)前面的介紹，可以寫出O2在堿性溶液KOH中的電極反應(yīng)：O2+ 4e-+2H2O=4OH-。將正極反應(yīng)和總反應(yīng)中O2的計(jì)量數(shù)化為相同值，即為2O2+8e-+4H2O=8OH-。第三步湊出負(fù)極反應(yīng)為：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，即CH4在負(fù)極被氧化成CO2，在堿性溶液中轉(zhuǎn)變成CO32-和H2O。

二、固體氧化物電解質(zhì)

固體氧化物電池是一種新型的燃料電池，電解質(zhì)在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-，通常是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體。負(fù)極通入燃料，正極通入空氣，正極反應(yīng)為O2+4e-=2O2-，其電池組成可以表示為(-)燃料—ZrO2、Y2O3—O2(+)。

例3.一種新燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體;電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對該燃料電池說法正確的是()

A.在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極

B.電池的總反應(yīng)是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O2+4e-= 2O2-

D.通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O

解析：該電池的組成為(-)C4H10—ZrO2、Y2O3—O2(+)。總反應(yīng)為C4H10的燃燒反應(yīng)：2 C4H10+13O2=8CO2+ 10H2O，正極反應(yīng)為O2+4e-=2O2-，O2-為陰離子，在原電池裝置中向負(fù)極移動(dòng)，將正極反應(yīng)系數(shù)調(diào)整，得到13O2+ 52e-=由總反應(yīng)和正極反應(yīng)，湊出負(fù)極反應(yīng)為2 C4H10-52e-+26O2-=8CO2+10H2O。本題應(yīng)選BC。

三、熔融碳酸鹽電解質(zhì)

熔融碳酸鹽電池的電解質(zhì)通常為熔融K2CO3、Na2CO3等，其負(fù)極通入CO，正極通入的是空氣和CO2的混合氣體，O2先得電子后變成O2-，繼而O2-會(huì)與CO2結(jié)合成，因而正極反應(yīng)方程式為O2+4e-+2CO2=，電池組成一般表示為(-)燃料|K2CO3|O2、CO2(+)。

例4.一種新型的熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率而備受重視?，F(xiàn)用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物做電解質(zhì)，一極通入CO氣體，另一極通入空氣與CO2的混合氣體，制得燃料電池。請回答：

(1)該電池工作時(shí)的負(fù)極反應(yīng)式為：_________________;

(2)熔融鹽中?的物質(zhì)的量在工作時(shí)_______(填“增大”、“減少”、“不變”)。

解析：該原電池的總反應(yīng)為2CO+O2=2CO2，正極反應(yīng)為O2+4e-+2CO2=，由此可得負(fù)極反應(yīng)為2CO-4e-+=4CO2;根據(jù)電極反應(yīng)方程式可見，負(fù)極消耗的和正極生成的的量是相等的，因而熔融鹽中的物質(zhì)的量在工作時(shí)保持不變。

反饋練習(xí)：

1.［水性電解質(zhì)（酸性、中性或堿性的溶液）]下圖是某筆記本電腦用甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。甲醇在催化劑作用下提供質(zhì)子和電子，電子經(jīng)外電路、質(zhì)子經(jīng)內(nèi)電路到達(dá)另一極與氧氣反應(yīng)，電池總反應(yīng)為：則c電極是_______ (填“正極”或“負(fù)極”)，c電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是______。

參考答案：負(fù)極;CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+

2.（固體氧化物電解質(zhì)）固體氧化物燃料電池(SOFC)以固體氧化物作為電解質(zhì)。其工作原理如下圖所示：下列關(guān)于固體燃料電池的有關(guān)說法正確的是()

A.電極b為電池負(fù)極，電極反應(yīng)式為O2+4e-=4O2-

B.固體氧化物的作用是讓電子在電池內(nèi)通過

C.若H2作為燃料氣，則接觸面上發(fā)生的反應(yīng)為

D.若C2H4作為燃料氣，則接觸面上發(fā)生的反應(yīng)為C2H4+6O2--12e-=2CO2+2H2O

答案為D

3.（熔融碳酸鹽電解質(zhì)）不久前，美國一個(gè)海軍航空站安裝了一臺(tái)250kW的MCFC型燃料電池，該電池可同時(shí)供應(yīng)電和水蒸氣，其工作溫度為600℃～700℃，所用燃料為H2，電解質(zhì)為熔解的K2CO3，已知該電池的總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O，負(fù)極反應(yīng)為：H2+-2e-=H2O+ CO2，則下列推斷中正確的是()

A.正極反應(yīng)為4OH-=O2+2H2O+4e-

B.該電池的電極沒有參加反應(yīng)

C.電池供應(yīng)1mol水蒸氣，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)4mol

D.O2從正極通入，發(fā)生氧化反應(yīng)

答案：B

以上分別介紹了以水性、固體氧化物和熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)的燃料電池的書寫方法，概括起來說，燃料電池電極反應(yīng)方程式的書寫有以下技巧：(1)結(jié)合燃料的燃燒方程式寫出總反應(yīng);(2)氧氣作為正極方程式的反應(yīng)物，得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，再結(jié)合電解質(zhì)(介質(zhì))寫出正極反應(yīng)方程式;(3)根據(jù)總反應(yīng)方程式和正極方程式可推出負(fù)極反應(yīng)方程式;(4)注意燃料電池內(nèi)部即電池的內(nèi)電路，電流的方向(正電荷的移動(dòng)方向)是負(fù)極指向正極。

1008-0546（2011）02-0077-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2011.02.037