例析高考化學中的燃料電池

嚴家衡

[摘要]高考中有關燃料電池的試題不斷推陳出新，備受命題者的青睞。高考中常見燃料電池的類型有氫燃料電池、烴燃料電池、醇燃料電池、金屬—空氣燃料電池等。只要掌握各類型燃料電池題型的解題技巧，該類題型便可迎刃而解。

[關鍵詞]燃料電池；電極反應；高考化學

[中圖分類號]G633.8[文獻標識碼]A[文章編號]16746058（2018）05005803

燃料電池是現(xiàn)代社會具有發(fā)展前景的新能源。傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊端：一是利用率低；二是會產(chǎn)生大量的廢氣、廢水、廢渣、廢熱和噪聲污染。燃料電池能高效利用能源且污染小，是社會和科技發(fā)展的產(chǎn)物。高考化學中有關燃料電池的試題不僅出現(xiàn)頻率高，而且題型不斷推陳出新，備受命題者的青睞。

一、燃料電池的概念、組成及工作原理

燃料電池是一種能夠持續(xù)通過發(fā)生在負極和正極的氧化還原反應將化學能轉化為電能的能量轉換裝置。燃料電池由負極、正極和離子導電的電解質構成，電極材料一般不參加反應，只起傳遞電子和反應催化劑的作用。其工作原理與普通電化學電池類似，燃料（H2、CH4、CO等）在負極氧化，氧化劑（O2、空氣等）在正極還原，電子從負極通過負載流向正極構成回路，產(chǎn)生電流。電解質中的陰離子移向負極，陽離子移向正極。

二、 高考化學燃料電池的常見類型

燃料電池有多種分類方法，可以按電解質的種類不同分類，或按燃料電池的工作溫度分類，或按燃料類型的不同分類等。下面就高考中常見的按燃料類型分類的燃料電池做如下介紹。

1. 氫燃料電池

氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，卻把氫氣和氧氣分別供給負極和正極，氫氣在負極被氧化失去電子，放出的電子通過外部的負載到達正極；在正極氧氣得到電子被還原；正、負極生成的離子與電解質發(fā)生反應。

【例1】（2010年安徽理綜，11）某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質傳遞H+，其基本結構如圖1所示，電池總反應可表示為：2H2 + O2 =2H2O，下列有關說法正確的是（ ）。

A.電子通過外電路從b極流向a極

B.b極上的電極反應式為：O2 + 2H2O + 4e-=4OH-

C.每轉移0.1mol電子，消耗1.12L的H2

D.H+由a極通過固體酸電解質傳遞到b極

【解題技巧】氫氧燃料電池總反應式在各種類型的介質中不變，為2H2 + O2 = 2H2O，負極是通氫氣的一極，正負極產(chǎn)生、消耗的離子種類和數(shù)量相同（得失電子相同）。

【解析】由圖可知，H2（還原劑）在負極失電子，O2（氧化劑）在正極得電子，因此a 為負極，b為正極。電子從負極（a）經(jīng)外電路流向正極（b），A錯誤；因為這是酸性電解質，不可能生成OH-，b極反應式為：O2 +4H+ + 4e-=2H2O，B錯誤；C項敘述氣體體積時，沒有指明溫度和壓強，錯誤；原電池中陽離子向正極移動，D正確。

【答案】D。

2.烴燃料電池

烴燃料電池是以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料

電池。利用原電池裝置使烴類燃料和氧氣分別在電池的負極、正極上發(fā)生氧化、還原反應而產(chǎn)生電能，其效率高、污染低，是一種很有前途的能源利用方式。

【例2】（2005年廣東單科高考，15）一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質是摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導O2-。下列對該燃料電池說法正確的是（）。

A.在熔融電解質中，O2-由負極移向正極

B.電池的總反應是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應為：O2+4e-=2O2-

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

【解題技巧】烴氧燃料電池在堿性電解質溶液中，負極消耗的OH-比正極產(chǎn)生的多，電池總反應式與燃燒反應式不同；其他介質中，正負極產(chǎn)生、消耗離子的種類和數(shù)量相同（得失電子相同），電池總反應式與燃燒反應式相同。

【解析】丁烷在空氣中燃燒的反應式是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，在熔融電解質中，氧化物能傳導O2-，正極反應式為：O2+4e-=2O2-，負極反應式為：C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O，所以O2-由正極移向負極，A錯誤，B、C正確；通丁烷的一極是負極，D錯誤。

【答案】B、C。

3.醇燃料電池

醇燃料電池是以甲醇為代表的可再生能源電池，以醇為燃料，以空氣或氧氣為氧化劑的化學能直接轉化為電能的一種發(fā)電裝置，在酸性條件下，生成CO2和H2O。

【例3】（2008年寧夏理綜，10）一種燃料電池中發(fā)生的化學反應為：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳。該電池負極發(fā)生的反應是（）。

A.CH3OH（g）+O2（g）=H2O（l）+CO2（g）+2H+（aq）+2e-

B.O2（g）+4H+（aq）+4e-=2H2O（l）

C.CH3OH（g）+H2O（l）=CO2（g）+6H+（aq）+6e-

D.O2（g）+2H2O（l）+4e-=4OH-

【解題技巧】與烴燃料電池基本相同。

【解析】甲醇的燃燒反應式為：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O，在該反應中甲醇為還原劑，在負極發(fā)生氧化反應，氧氣為氧化劑，在正極發(fā)生還原反應。因此B和D可以排除。又因為O2在正極參加還原反應，不會在電池的負極參加反應，故A錯誤，通過排除法就可以得出正確選項是C。

【答案】C。

4.金屬-空氣燃料電池

金屬—空氣燃料電池是以金屬為負極燃料，空氣為正極氧化劑的發(fā)電裝置。特點是：能量密度高、電流與功率大、不受時間和空間的限制、對環(huán)境影響小，應用前景被廣泛看好。

【例4】（2016年浙江高考，11）金屬（M）-空氣電池（如圖2）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點，有望成為新能源汽車和移動設備的電源。該類電池放電的總反應方程式為：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n。已知：電池的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。下列說法不正確的是（）。

A.采用多孔電極的目的是提高電極與電解質溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴散至

電極表面

B.比較Mg、Al、Zn三種金屬-空氣電池，Al-空氣電池的理論比能量最高

C.M-空氣電池放電過程的正極反應式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-=4M（OH）n

D.在M-空氣電池中，為防止負極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質及陽離子

交換膜

【解題技巧】由電池總反應式可看出，介質可能是中性或堿性，負極金屬M-ne-=Mn+，具體以什么形式存在，要看離子種類和介質。

【解析】多孔電極可以增加氧氣與電極的接觸，使氧氣充分反應，A正確；24克鎂失去2摩爾電子，27克鋁失去3摩爾電子，65克鋅失去2摩爾電子，所以鋁-空氣電池的理論比能量最高，B正確；根據(jù)題給放電的總反應：4Mn++nO2+2nH2O=4M（OH）n，氧氣在正極得電子，由于有陰離子交換膜，正極反應式為：O2+2H2O+4e-=4OH-，C錯誤；負極是金屬失去電子生成金屬陽離子，因為鎂離子或鋁離子或鋅離子都可以和氫氧根離子反應生成氫氧化物沉淀，說明應采用中性電解質或陽離子交換膜，以防止正極產(chǎn)生的氫氧根到負極區(qū)反應，D正確。

【答案】C。

三、燃料電池問題的解題方略

1.燃料電池的負極一定是可燃性氣體，失電子，元素化合價升高，發(fā)生氧化反應；電池的正極一定是助燃性氣體，得電子，化合價降低，發(fā)生還原反應。

2.燃料電池兩電極材料一般都不參加反應，反應的是通到電極上的燃料和氧氣，兩電極只是起傳導電子和反應催化劑的作用。

3.電極反應式作為一種特殊的離子反應方程式，也必須遵循原子守恒、得失電子守恒、電荷守恒等規(guī)律。

4.寫電極反應時，一定要注意電解質是什么，當電解質參與反應時，電解質溶液中的離子要和電極反應中出現(xiàn)的離子相對應。如氫氧燃料電池（電解溶液為KOH溶液），正極反應式為：O2+2H2O+4e-=4OH-，負極反應式為：2H2+4OH--4e-=4H2O。

5.當電解質溶液不參與電極反應時，燃料電池的反應方程式就是燃料燃燒的化學方程式；當電解質參與電極反應時，燃料電池的反應方程式就是燃料燃燒反應和燃燒產(chǎn)物與電解質溶液反應的疊加反應式。

6.一般來說，在電極反應式中，一極消耗電解質溶液中的某種離子，則另一極生成相應的離子，但一極消耗的離子的量和另一極生成的相應離子的量不一定相等。根據(jù)兩極反應的得失電子數(shù)相等，合并兩電極反應式，消去得失電子數(shù)和兩邊電解質溶液的離子，得出燃料電池總反應方程式，由電極反應式和總的電池反應方程式確定其中電子轉移的量、產(chǎn)物的量、各電極周圍及整個電池的pH變化情況。

四、常見燃料電池反應式的書寫歸納總結

書寫燃料電池電極反應式的關鍵點是負極的燃料被氧化、正極的氧化劑被還原后在不同介質條件下的變化。關于燃料電池反應式的書寫，現(xiàn)根據(jù)電解質的類型

五、結語

縱觀近幾年全國各地的化學高考試題，燃料電池試題出現(xiàn)頻率較高，而且類型不斷發(fā)展變化，與科技新成果緊密相連，富有時代氣息。試題主要考查燃料電池的電極與溶液中離子移動方向的判斷；電極與電池總反應式的書寫；利用電子得失守恒的原理進行有關計算等。從試題考查內(nèi)容看，不僅符合新課改的方向，且很好地體現(xiàn)了對知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三維目標的考查，要求學生有扎實的基礎知識、理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)造性思維。集能源、環(huán)保、科技和社會發(fā)展于一身的燃料電池是高考命題永恒的話題。

（責任編輯羅艷）