燃料電池的電極反應(yīng)式書寫

李依峰

摘要：燃料電池的電極反應(yīng)式書寫是考試的重點(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)。文章結(jié)合燃料電池裝置的特點(diǎn)，依次分類歸納最典型、較復(fù)雜、較特殊的燃料電池的電極反應(yīng)式書寫方法，并介紹相關(guān)書寫技巧。

關(guān)鍵詞：燃料電池；電極反應(yīng)式；方法與技巧

文章編號：1008—0546（2016）07—0040-02

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：lO.3969/j.issn.1008—0546.2016.07.014

燃料電池以能量轉(zhuǎn)化率高、無污染、能長時(shí)間持續(xù)放電以及較為廣泛的適用性等優(yōu)點(diǎn)，成為新型電池研究的熱門方向。燃料電池電極反應(yīng)式書寫是近年來考試的重點(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)。

一、認(rèn)識燃料電池裝置特點(diǎn)

燃料電池裝置一般具備以下特點(diǎn)：

（1）有兩個(gè)電極，電極材料可以是鉑、鎳等金屬粉末壓制成表面多孔的物質(zhì)或是經(jīng)過處理表面粗糙多孔的石墨。

（2）電解質(zhì)溶液，可以是堿性溶液，例如氫氧化鉀溶液，或者是酸性電解質(zhì)溶液，例如磷酸溶液。也可以是非水溶液，例如熔融鹽作電解質(zhì)。

（3）燃料電池顧名思義，要有燃料氣與氧化劑。燃料氣最常見是氫氣，此燃料電池又稱為氫氧燃料電池，是目前最成熟的燃料電池之一。燃料氣除氫氣外，還可以是甲烷、肼（N₂H₄）、一氧化碳、乙炔、甲醇等物質(zhì)。氧化劑一般是氧氣。

二、燃料電池電極反應(yīng)式書寫方法

1.電極反應(yīng)式書寫一般步驟：

（1）首先判斷負(fù)極與正極。一般為通氧氣的電極為正極，通燃料氣的為負(fù)極。

（2）結(jié)合電極名稱或總反應(yīng)方程式，確定反應(yīng)過程中能得失電子的微粒。

（3）從微粒中元素化合價(jià)變化的角度，分析電子的得失及數(shù)目。

（4）考慮電解質(zhì)溶液中的離子是否參與反應(yīng)，寫出最終的電極產(chǎn)物。

（5）最后從原子守恒與電荷守恒的角度，檢查電極反應(yīng)式是否配平并書寫完整。

2.最典型氫氧燃料電池（如圖1所示）

（1）酸性電解質(zhì)（硫酸溶液）

負(fù)極：2H₂-4e=4H+

正極：O₂+4H++4e=2H₂O

總反應(yīng)：2H₂+O₂=2H₂O

（2）堿性電解質(zhì)（氫氧化鉀溶液）

負(fù)極：2H₂-4e+4OH=4H₂O

正極：O₂+2H₂O+4e=4OOH

總反應(yīng)：2H₂+O₂=2H₂O

（3）該電極反應(yīng)式書寫過程分析：

①由題意知，H₂在負(fù)極上發(fā)生失電子反應(yīng)，得到H+，H+在酸性電解質(zhì)溶液中可以穩(wěn)定存在，而在堿性電解質(zhì)溶液中則要考慮H+與OH-繼續(xù)反應(yīng)生成水。

②O₂在正極上發(fā)生得電子反應(yīng)，可以認(rèn)為生成O²，O²在水溶液中不能穩(wěn)定存在，如在酸性電解質(zhì)溶液中，則考慮與H+結(jié)合生成水，對應(yīng)正極反應(yīng)式為O₂+4H+4e=2H₂O；如在堿性電解質(zhì)溶液中，則考慮與H₂O結(jié)合生成OH，對應(yīng)正極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4e=4OH。

③注意一個(gè)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷，觀察電極反應(yīng)式是否配平。

④通常情況下，如果兩個(gè)電極反應(yīng)式同時(shí)書寫，考慮兩電極上電子得失數(shù)目相同，化學(xué)計(jì)量數(shù)可以不化簡，如果電極反應(yīng)式單獨(dú)書寫，化學(xué)計(jì)量數(shù)應(yīng)該化簡。

3，較復(fù)雜燃料電池電極反應(yīng)式書寫

對于比較復(fù)雜的燃料電池，一般會(huì)給出總反應(yīng)方程式（燃料電池總反應(yīng)方程式可以看作是對應(yīng)燃料燃燒的化學(xué)方程式，同時(shí)考慮電解質(zhì)溶液是否與生成物再繼續(xù)反應(yīng)所得的反應(yīng)式）。兩個(gè)電極反應(yīng)可以看成是總反應(yīng)的兩個(gè)“半反應(yīng)”，所以電極反應(yīng)式是“隱藏”在總反應(yīng)式中的。下面以甲烷燃料電池為例說明：

甲烷燃料電池為酸性電解質(zhì)溶液時(shí)，總反應(yīng)為CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O。根據(jù)CH₄中碳的化合價(jià)一4價(jià)，CO₃中碳的化合價(jià)+4價(jià)，可知Lmol甲烷在負(fù)極上失去8mol電子，先寫出CH₄-8e=CO₂+H₂O，從原子守恒的角度發(fā)現(xiàn)反應(yīng)還需氧元素，在酸性溶液中，氧元素可考慮由H₂O來提供。所以負(fù)極反應(yīng)式可寫成：CH₄+2H₂O-8e=CO₂+8H+。根據(jù)O₂中氧的化合價(jià)O價(jià)，CO₂或H₂O中氧的化合價(jià)一2價(jià)，可知2mol O₂在正極上得到8mol電子，可寫出2o₂+8e=4o²，再考慮O²與H₂O合成H₂O，所以正極反應(yīng)式可寫成：2O₂+8H+8e=4H₂O。

甲烷燃料電池為堿性電解質(zhì)溶液時(shí)，總反應(yīng)為CH₄+2O₂+2OH=CO3²+3H₂O。參照上面酸性電解質(zhì)溶液時(shí)的寫法可知，當(dāng)負(fù)極寫出CH₄-8e=CO3²+H₂O時(shí)，所需氧元素可考慮由OH-來提供，所以該負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e+IOOH=CO3²+7H₂O。同樣的思路，當(dāng)正極反應(yīng)式寫出2O₂+8e=40²時(shí)，考慮O²與H₂O結(jié)合成OH-可得該正極反應(yīng)式為4H₂O+2O₂+8e=8OH-。

4.較特殊燃料電池電極反應(yīng)式書寫

有些新型燃料電池以非水溶液為電解質(zhì)，常見有固態(tài)氧化物、熔融碳酸鹽等類型。在該類試題中一般會(huì)給出新信息，來考查學(xué)生閱讀理解信息及創(chuàng)新思維能力。

（1）固態(tài)氧化物燃料電池

例如，美國Westinghouse公司研制開發(fā)一種燃料電池，該電池以固態(tài)氧化鋯一氧化釔為電解質(zhì)，高溫下該固態(tài)電解質(zhì)可允許O²通過。該電池的工作原理如圖2所示，其中多孔電極a、b均不參與電極反應(yīng)。請寫出相應(yīng)的電極反應(yīng)式。

解題思路簡析：

從電子流動(dòng)方向或者是H₂與O₂的性質(zhì)分析，可知通O₂的電極為正極，反應(yīng)式為：O₂+4e=2O²，從試題信息可知在該固態(tài)氧化物電解質(zhì)中O²可以穩(wěn)定存在。通H₂的電極為負(fù)極，反應(yīng)式為：H₂-2e=2H，又因O²一可以通過固體電解質(zhì)與H+接觸，所以負(fù)極反應(yīng)式也可寫為H₂-2e+O²=2H₂O。

（2）熔融碳酸鹽燃料電池

據(jù)報(bào)道，2000年美國能源部撥給固定式燃料電池的研究費(fèi)用達(dá)4420萬美元，其費(fèi)用的2/3用于熔融碳酸鹽燃料電池的開發(fā)。例如，有一種熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，請寫出相應(yīng)的電極反應(yīng)方程式。

解題思路簡析：

首先根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)圖，判斷電極A為負(fù)極，電極B為正極。通向負(fù)極的物質(zhì)為CO、H₂，生成物為CO₂、H₂O，其中H₂失電子變?yōu)镠+，H+與CO3²結(jié)合生成CO₂、H₂O，可得2H₂+2CO3²-4e=2CO₂+2H₂O；從裝置圖上分析CO也參與了反應(yīng)，所以可推斷CO與CO3²，發(fā)生失電子反應(yīng)生成CO₂，可得CO-2e+CO3²=2CO₂。同理推知，正極反應(yīng)式為O₂+2CO₂+4e=2CO3²。

三、燃料電池電極反應(yīng)式書寫技巧

因?yàn)槿剂想姵氐膬蓚€(gè)電極反應(yīng)式“加和”可得總反應(yīng)式，據(jù)此關(guān)系，我們可用總反應(yīng)式“減去”其中一個(gè)電極反應(yīng)式得到另一個(gè)電極反應(yīng)式。一般燃料電池的正極反應(yīng)式有兩種寫法：O₂+4H+4e=2H₂O（酸性電解質(zhì)溶液）；O₂+2H₂O+4e=4OH（堿性電解質(zhì)溶液）。

例如，甲醇燃料電池（以H₂SO₄溶液為電解質(zhì)溶液）：

總反應(yīng)：2CH₄O+3O₂=2CO₂+4H₂O，正極：3O₂+12e+12H=6H₂O。

-

兩式相減，可得負(fù)極反應(yīng)式：2CH₄O -12e+2H₂O=12H+2CO

請注意，兩式相減處理的目的是將總反應(yīng)式中在正極上反應(yīng)的相關(guān)物質(zhì)去掉，所以在進(jìn)行相減處理時(shí)，兩式中被去掉物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)須調(diào)至相同。掌握這種書寫技巧，能將燃料電池中較復(fù)雜的負(fù)極反應(yīng)式快捷地寫出。