久考不衰的燃料電池

蘭建祥

隨著新型電池尤其是燃料電池的日益廣泛應(yīng)用，高考對(duì)新型電池的關(guān)注和考查也是經(jīng)久不衰，其中電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)是考生最重要的失分點(diǎn)。本文根據(jù)電解質(zhì)的不同，歸類分析了如何書(shū)寫(xiě)常見(jiàn)燃料電池的電極反應(yīng)式，借此突破教學(xué)難點(diǎn)。

一、燃料電池的類型

燃料電池按燃料狀態(tài)可分為液體型（如甲醇、乙醇、甲苯、汽油、柴油等）和氣體型（如氫氣、天然氣、乙烷、丙烯、丁烷、肼等），按工作溫度可分為低溫型（低于200℃）、中溫型（200℃～750℃）和高溫型（高于750℃）；按電解質(zhì)類型可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五種。

常見(jiàn)各種燃料電池列于表1。

表1

類型堿性燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池

電解質(zhì)KOHH3PO4碳酸鹽質(zhì)子交換膜復(fù)合氧化物（ZrO2-Y2O3）

傳導(dǎo)離子OH-H+CO2-3H+O2-

電極陽(yáng)極多孔鎳多孔質(zhì)石墨（Pt作催化劑）多孔質(zhì)鎳多孔質(zhì)石墨或鎳（Pt作催化劑）Co-ZrO2或Ni-ZrO2

陰極銀多孔質(zhì)石墨（Pt作催化劑）多孔NiO（摻鋰）多孔質(zhì)石墨或鎳（Pt作催化劑）添加Sr的LaMnO3

工作溫度/℃50～250180～210620～660800～100025～100

燃料純氫煤氣、天然氣、甲醇、氫氣等煤氣、天然氣、甲醇、氫氣等等 煤氣、天然氣、甲醇、氫氣等氫氣、重整氫、甲醇等

氧化劑純氧空氣空氣空氣純氧或空氣

發(fā)電效率70%高于40%60%～85%60%～85%32%～37%

二、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)規(guī)律

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）在負(fù)極反應(yīng)，氧化劑（氧氣或空氣）在正極反應(yīng)，其組成可表示為：（-）燃料│電解質(zhì)│O2（+）。燃料電池的氧化劑和燃料不是全部?jī)?chǔ)藏在電池內(nèi)，而是在工作時(shí)不斷從外界輸入，同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，從而使電池能連續(xù)不斷地提供電能。

燃料電池雖是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而轉(zhuǎn)化電能的裝置，但其在放電時(shí)發(fā)生的總反應(yīng)和燃料燃燒時(shí)的總反應(yīng)本質(zhì)相同，只是需要考慮生成物與電解液能否繼續(xù)反應(yīng)。燃料電池的工作原理基本上都是相似的，即可燃物為還原劑，氧氣為氧化劑，根據(jù)燃料電池的這一特點(diǎn)可知，正極上均發(fā)生反應(yīng)O2+4e-2O2-，只是O2-的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)、電解質(zhì)溶液的酸堿性密切相關(guān)，其正極反應(yīng)有所不同（如表2所示）。

根據(jù)“一池多變”的思維模式，通過(guò)分類可突破書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式的難點(diǎn)。

表2

介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)特點(diǎn)正極反應(yīng)式

水溶液型電解質(zhì)酸性環(huán)境傳導(dǎo)H+O2+4H++4e-2H2O

堿性環(huán)境傳導(dǎo)OH-O2+2H2O+4e-4OH-

熔融鹽型電解質(zhì)高溫下能傳導(dǎo)CO2-3O2+2CO2+4e-2CO2-3

固體型電解質(zhì)在高溫下能傳導(dǎo)O2-O2+4e-2O2-

質(zhì)子交換膜型電解質(zhì)傳導(dǎo)H+O2+4H++4e-2H2O

1.水溶液型電解質(zhì)

O2-不能存在于水溶液中，酸性環(huán)境中結(jié)合H+生成H2O，堿性或中性環(huán)境中結(jié)合H2O生成OH-。

例1 （2012年四川理綜）一種基于酸性燃料電池原理設(shè)計(jì)的酒精檢測(cè)儀，負(fù)極上的反應(yīng)為CH3CH2OH-4e-+H2OCH3COOH+4H+。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（ ）。

A.檢測(cè)時(shí)，電解質(zhì)溶液中的H+向負(fù)極移動(dòng)

B.若有0.4 mol電子轉(zhuǎn)移，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下消耗4.48 L氧氣

C.電池反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH3CH2OH+O2CH3COOH+H2O

D.正極上發(fā)生的反應(yīng)為O2+4e-+2H2O4OH-

解析在原電池中，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，A錯(cuò)；因電解質(zhì)溶液是酸性的，則正極的反應(yīng)式為O2+4H++4e-2H2O，轉(zhuǎn)移0.4 mol電子時(shí)消耗2.24 L O2，B、D錯(cuò)；電池反應(yīng)式即正負(fù)極反應(yīng)式之和，將兩極的反應(yīng)式相加可知C正確。選C。

2.熔融鹽型電解質(zhì)

通常是熔融碳酸鹽如熔融K2CO3或Li2CO3或K2CO3-Li2CO3，高溫下能傳導(dǎo)CO2-3；O2-在熔融碳酸鹽中也不能單獨(dú)存在，需結(jié)合CO2生成CO2-3，故正極除通入O2外還需要通入輔助氣體CO2。

圖1

例2 （2013年安徽理綜）熱激活電池可用作火箭、導(dǎo)彈的工作電源。一種熱激活電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中作為電解質(zhì)的無(wú)水LiCl-KCl混合物受熱熔融后，電池即可瞬間輸出電能。該電池總反應(yīng)為PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（ ）。

A.正極反應(yīng)式：Ca+2Cl--2e-CaCl2

B.放電過(guò)程中，Li+向負(fù)極移動(dòng)

C.每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，理論上生成20.7 g Pb

D.常溫時(shí)，在正負(fù)極間接上電流表或檢流計(jì)，指針不偏轉(zhuǎn)

解析正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，A錯(cuò)誤；放電時(shí)為原電池，陽(yáng)離子移向正極，B錯(cuò)誤；每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，根據(jù)電子守恒，應(yīng)生成0.05 mol Pb，質(zhì)量為10.35 g，C錯(cuò)誤；常溫下，電解質(zhì)不能熔融形成自由移動(dòng)的離子，所以不能導(dǎo)電，故指針不偏轉(zhuǎn)，D正確。選D。

3.固體型電解質(zhì)

固體電解質(zhì)又稱快離子導(dǎo)體，主要有鈉離子導(dǎo)體、鋰離子導(dǎo)體、氧離子導(dǎo)體、質(zhì)子導(dǎo)體等，應(yīng)用最廣泛的固體電解質(zhì)是氧離子導(dǎo)體，它以氧化鋯為基體，摻雜以7%～20%的二價(jià)或三價(jià)氧化物（如CaO、MgO、Y2O3和其他稀土氧化物）燒結(jié)制成固體陶瓷電解質(zhì)。摻雜Y2O3的ZrO2固體作電解質(zhì)，在高溫下能傳導(dǎo)正極生成的O2-。

例3 （2005年廣東）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(duì)該燃料說(shuō)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-+13O24CO2+5H2O

解析在熔融的電解質(zhì)中，O2-應(yīng)由正極移向負(fù)極，A錯(cuò)誤；由丁烷的燃燒反應(yīng)及電解質(zhì)的特性可知電池的總反應(yīng)是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，B正確；電解質(zhì)能傳導(dǎo)O2-，正極反應(yīng)為：O2+4e-2O2-，C正確；通入丁烷的一極是負(fù)極，D錯(cuò)誤。選BC。

4.質(zhì)子交換膜型電解質(zhì)

質(zhì)子交換膜燃料電池（又稱固體聚合物電解膜燃料電池）是以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì)，是一種固體有機(jī)膜，在增濕情況下，只傳導(dǎo)質(zhì)子。質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o電解質(zhì)腐蝕問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)污染，可室溫快速啟動(dòng)。

圖2

例4 （2009年江蘇）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。關(guān)于該電池的敘述正確的是

（ ）。

A.該電池能夠在高溫下工作

B.電池的負(fù)極反應(yīng)為C6H12O6+