燃料電池問(wèn)題的解題思路

【摘 要】由于燃料電池具有化學(xué)能高又不污染環(huán)境的特點(diǎn)，所以燃料電池成了科研的重點(diǎn)也成了高考的一個(gè)熱點(diǎn)。筆者從燃料電池的工作原理分析講解了有關(guān)不同類型的燃料電池問(wèn)題的解題思路，從而幫助學(xué)生在解決燃料電池的問(wèn)題中理清基本的解題思路和方法。

【關(guān)鍵詞】燃料電池 電極和電池反應(yīng) 電子流向

【中圖分類號(hào)】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2015）12-0132-01

燃料電池是1939年由英國(guó)科學(xué)家培根首先研制成功的，20世紀(jì)50年代后期宇航事業(yè)的發(fā)展使燃料電池的研究得到了快速的發(fā)展。人類為了開(kāi)辟新能源，減少對(duì)環(huán)境的污染，加緊對(duì)燃料電池的研發(fā)和利用。

燃料電池是一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。它與一般的化學(xué)電池不同，一般化學(xué)電池的活潑性物質(zhì)儲(chǔ)存在電池的內(nèi)部，故而限制了電池的容量，而燃料電池本身不包含活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化元件。它工作時(shí)燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能。

燃料電池的負(fù)極通入燃料（如：H2、CO、CH4、CH3OH、N2H4、液化石油氣、液化丙烷氣、煤氣等），燃料電池放出電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電子經(jīng)外電路傳遞給正極并與通入的氧化劑氣體（如O2）結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)，兩極之間靠電解質(zhì)導(dǎo)電，從而構(gòu)成回路產(chǎn)生電流。電極可用表面上沉積了催化劑的多孔碳電極，也可用多孔的Ni和Ni-NiO分別作負(fù)極和正極，電極本身有催化性能。

根據(jù)電池中電解質(zhì)的組成和特性對(duì)燃料電池進(jìn)行分類，可分為堿性電池、酸性電池和固體熔融鹽電池。

燃料電池是燃料在電池中直接氧化產(chǎn)生電能而不經(jīng)過(guò)熱能這一中間裝置，故能量的轉(zhuǎn)化率比普通的火力發(fā)電高得多，轉(zhuǎn)化率目前最高可達(dá)80%左右。普通火力發(fā)電，燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的煙塵和有害氣體，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，不符合綠色化學(xué)的要求，而燃料電池所用的燃料使用之前已經(jīng)經(jīng)過(guò)對(duì)有害物質(zhì)的分離和處理，基本上不排放硫的氧化物和氮的氧化物。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家加大對(duì)燃料電池的研究力度，一種10KW～20KW的堿性H2-O2電池已成功地使用于航天飛機(jī)。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家還有若干示范性的CH4-O2燃料電池發(fā)電站，但這類電池的成本很高，氣體凈化要求也高，普遍推廣使用還有困難，有待于通過(guò)研究進(jìn)一步降低其成本。

燃料電池具有化學(xué)能高而不污染環(huán)境的特點(diǎn)，故成為新型化學(xué)電源的研發(fā)焦點(diǎn)，是這幾年高考和化學(xué)競(jìng)賽命題的熱點(diǎn)，同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。下面通過(guò)幾道以燃料電池為背景的試題的解題分析，理清解決這類問(wèn)題的基本思路與方法。

例1，某種熔融鹽電池用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)?，空氣和CO2混合氣為正極助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式。（已知：負(fù)極反應(yīng)為2CO+2CO32--4e-=4CO2）

正極反應(yīng)為_(kāi)____________；總反應(yīng)為_(kāi)____________。

解析：正極反應(yīng)為O2+2CO2+4e-=2CO32-，總反應(yīng)為O2+2CO=2CO2。

例2，以KOH溶液為電解質(zhì)的高能甲醇電池是鋰或鎳電池能量的10倍，假設(shè)放電過(guò)程中甲醇完全氧化產(chǎn)生的CO2被充分吸收生成CO32-。

（1）該電池的總離子方程式為：__________________。

（2）甲醇在_________極發(fā)生（填“正”或“負(fù)”）電池放電過(guò)程中溶液PH將_________（填“升高”或“下降”或“不變”）；若有16g甲醇蒸氣被完全氧化產(chǎn)生電能，并利用該過(guò)程中釋放的電能電解足量的CuSO4溶液，假設(shè)整個(gè)過(guò)程中能量的利用為80%，則產(chǎn)生標(biāo)況下的O2為_(kāi)________L。

分析：（1）負(fù)極反應(yīng)：2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H20；正極反應(yīng)：3O2+6H2O+12e-=12OH-；故總離子方程式：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O。（2）甲醇在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，總反應(yīng)消耗OH-故溶液的PH下降。電解CuSO4溶液，陽(yáng)極反應(yīng)為4OH--4e-=2H2O+O2，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒：V（O2）={[（16g/32g）×6×80%/4]/4}×22.4L/mol=13.44L。

例3，有人設(shè)計(jì)制造了一種燃料電池，一極通入空氣，另一極通入燃料汽油蒸氣，電池的電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O2-離子?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）以丁烷代表汽油，則電池放電時(shí)總反應(yīng)方程式為_(kāi)________；（2）這個(gè)電池的正極發(fā)生的反應(yīng)為_(kāi)________；這個(gè)電池的負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為_(kāi)________；固體電解質(zhì)里的O2-的移動(dòng)方向是_________；向外電路釋放電子的電極是_________。（3）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內(nèi)燃機(jī)里燃燒汽油產(chǎn)生動(dòng)力的主要原因是_________。（4）你認(rèn)為在ZrO2晶體摻雜了Y2O3，用Y3+代替Zr4+對(duì)提高固體電解質(zhì)的導(dǎo)電能力會(huì)起什么作用？其可能原因是什么？（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化還原反應(yīng)不完全而產(chǎn)生_________會(huì)堵塞電極的氣體通道。

解析：（1）2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。（2）正極反應(yīng)：O2+4e-=2O2-；負(fù)極反應(yīng)：C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O；固體中的O2-移向負(fù)極；向外電路釋放電子的是負(fù)極。（3）電池的能量利用率高。（4）由于Y2O3中Y∶O=1∶1.5，ZrO2中Zr∶O=1∶2，所以摻雜晶體中O2-比純ZrO2晶體中少，為維持電荷平衡，將導(dǎo)致O2-缺少，從而使O2-得以在電場(chǎng)作用下向負(fù)極移動(dòng)。（5）汽油由于氧化不完全會(huì)產(chǎn)生碳粒。

上述試題以燃料電池為載體，主要考查電極與電子轉(zhuǎn)移方向的判斷；電極與電極總反應(yīng)的書寫；電池優(yōu)缺點(diǎn)的評(píng)價(jià)及利用電子守恒進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

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[2]虞琦.有關(guān)“化學(xué)電源”問(wèn)題淺析[J].化學(xué)教學(xué)，2005（3）

〔責(zé)任編輯：林勁〕