漫話豐富多彩的燃料電池

福建 鄒 標(biāo)

燃料電池，指將燃料燃燒的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池是高中化學(xué)知識(shí)中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，學(xué)生對(duì)這類題型缺乏整體認(rèn)知，沒有形成整體的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)和思考方法，因此，學(xué)生覺得困難重重，得分率較低。本文通過對(duì)燃料電池進(jìn)行較全面的歸納總結(jié)，多角度進(jìn)行拓展、延伸，歸納整理了常見的燃料電池的裝置示意圖、總反應(yīng)式、電極反應(yīng)式、電解質(zhì)等關(guān)聯(lián)信息。幫助學(xué)生建立燃料電池的解題思維模型，從而較好地理解、掌握、應(yīng)用燃料電池相關(guān)原理，有效突破燃料電池的解題瓶頸并期望能培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、創(chuàng)新意識(shí)等化學(xué)核心素養(yǎng)，提升學(xué)生化學(xué)表征、模型認(rèn)知、信息處理等核心關(guān)鍵能力。

一、燃料電池簡(jiǎn)介

根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是O2，O2得到電子后化合價(jià)降低，首先變?yōu)镺2-，O2-能否存在要看電解質(zhì)環(huán)境。由于電解質(zhì)溶液的不同，電池中電解質(zhì)可能為酸、堿或鹽，其電極反應(yīng)也有所不同，下表為四種不同電解質(zhì)環(huán)境中，氧氣得電子后生成O2-的存在形式：

電解質(zhì)環(huán)境從電極反應(yīng)式O2-的存在形式酸性溶液O2+4H++4e- 2H2O堿性溶液O2+2H2O+4e- 4OH-固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)O2+4e- 2O2-熔融碳酸鹽(如:熔融K2CO3)O2+2CO2+4e- 2CO2-3

二、燃料電池分類

1.氧氣參與的燃料電池

(1)氫氧燃料電池(包括中性、酸性、堿性、高溫氧化物、高溫碳酸鹽等電解質(zhì)參與反應(yīng)的燃料電池)

(2)無機(jī)化合物燃料電池(包括N2H4、水煤氣、H2S、CO、NO2、NO、SO2等作為燃料的電池)

(3)有機(jī)化合物燃料電池(包括烴類、醇類、醛類、苯酚、糖類等作為燃料的電池)

(4)金屬空氣燃料電池(包括鎂-空氣、鋁-空氣、鋰-空氣、鋅-空氣、鐵-空氣、Na-CO2等燃料電池)

(5)微生物燃料電池

2.其他氧化性氣體參與的燃料電池

(1)氫氯燃料電池

(2)N2-H2燃料電池

(3)NO-CO燃料電池

3.液體燃料電池

(1)Mg-H2O2

(2)Mg-NaClO

(3)Zn-Br2

(4)NaBH4-H2O2燃料電池

4.固體燃料電池

煤燃料電池等

三、近五年高考化學(xué)試題中的燃料電池

在近5年內(nèi)的高考試題中燃料電池知識(shí)點(diǎn)考查了9次(如下表)，由于形式新穎，難度較大，致學(xué)生得分率較低。

序號(hào)年份燃料電池內(nèi)容12019年全國卷Ⅰ生物燃料電池22019年天津卷鋅碘溴液流電池32018年全國卷ⅡNaCO2燃料電池42018年全國卷Ⅲ鋰空氣電池52018年海南卷鎂氧電池62016年全國卷Ⅲ鋅空氣燃料電池72016年浙江卷金屬空氣電池82015年全國卷Ⅰ微生物電池92015年江蘇卷熔融碳酸鹽燃料電池

四、燃料電池的裝置示意圖與電極反應(yīng)

有關(guān)燃料電池試題的解答是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，電極方程式的理解與正確書寫更是重難點(diǎn)，下表整理了燃料電池的類別、示意圖及電極反應(yīng)式，通過學(xué)習(xí)不同燃料電池，幫助學(xué)生構(gòu)建解答燃料電池的思維模型，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)和解決問題的能力。

類別電池名稱裝置示意圖反應(yīng)式甲烷燃料電池甲烷酸性燃料電池正極O2+4H++4e- 2H2O負(fù)極CH4+2H2O-8e- CO2+8H+總反應(yīng)CH4+2O2 CO2+2H2O電解質(zhì)稀硫酸甲烷熔融碳酸鹽燃料電池正極O2+4e-+2CO2 2CO2-3負(fù)極CH4-8e-+4CO2-3 5CO2+2H2O總反應(yīng)CH4+2O2 CO2+2H2O電解質(zhì)熔融K2CO3/Li2CO3甲烷固體氧化物燃料電池正極O2+4e- 2O2-負(fù)極CH4+4O2--8e- CO2+2H2O總反應(yīng)CH4+2O2 CO2+2H2O電解質(zhì)固體氧化物甲醇燃料電池甲醇空氣燃料電池(酸性電解質(zhì))正極O2+4H++4e- 2H2O負(fù)極CH3OH+H2O-6e- CO2↑+6H+總反應(yīng)2CH3OH+3O2 2CO2↑+4H2O電解質(zhì)稀硫酸甲醇空氣燃料電池(堿性電解質(zhì))正極O2+2H2O+4e- 4OH-負(fù)極CH3OH+8OH--6e- CO2-3+6H2O總反應(yīng)2CH3OH+3O2+4OH- 2CO2-3↑+6H2O電解質(zhì)KOH溶液氫氧燃料電池聚合物電解質(zhì)薄膜的燃料電池正極O2+4e-+4H+ 2H2O負(fù)極H2-2e- 2H+總反應(yīng)2H2+O2 2H2O電解質(zhì)聚合物電解質(zhì)薄膜堿性氫氧燃料電池正極O2+4e-+2H2O 4OH-負(fù)極2H2+4OH--4e- 4H2O總反應(yīng)2H2+O2 2H2O電解質(zhì)NaOH

五、典型例題分析

【例1】下面是以熔融K2CO3和Li2CO3為電解質(zhì)，天然氣經(jīng)重整催化作用提供反應(yīng)氣的燃料電池，裝置示意如圖，下列說法正確的是

( )

A.用此電池來電解精煉銅，當(dāng)有0.1 mol電子轉(zhuǎn)移時(shí)，則有3.2 g銅溶解

C.該電池使用過程中需補(bǔ)充Li2CO3和K2CO3

【答案】D

【解析】題目提供的是實(shí)際生產(chǎn)中真實(shí)情景示意圖，解答此題需要對(duì)電化學(xué)有比較深入的理解，需要接受題干所給的信息，提取有用的關(guān)鍵信息，結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，才能正確解答。

【例2】(2019·全國卷Ⅰ·12改編)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯(cuò)誤的是

( )

A.相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時(shí)還可提供電能

D.電池工作時(shí)質(zhì)子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

【答案】C

【解析】本題綜合考查電化學(xué)方面的知識(shí)，試題的難度比較大。正確理解電極反應(yīng)和離子的流動(dòng)方向是解答問題的關(guān)鍵，屬于真實(shí)情境問題解答，提供的是陌生的實(shí)際電化學(xué)裝置示意圖，考查學(xué)生信息理解能力和信息轉(zhuǎn)化能力。

六、建立燃料電池的思維模型

燃料電池的難點(diǎn)是書寫電極反應(yīng)方程式。首先，根據(jù)是否有外加電源，判斷是電解池還是原電池，若沒有電源，就是原電池。其次，根據(jù)物質(zhì)的氧化性和還原性判斷正極或負(fù)極反應(yīng)物。氧化性氣體或氧化性強(qiáng)的物質(zhì)(如氧氣、氯氣、空氣、雙氧水等為正極反應(yīng)物)，得電子，化合價(jià)降低，被還原；還原性可燃?xì)怏w或還原性物質(zhì)(如氫氣、有機(jī)氣體、有機(jī)物、金屬等)為負(fù)極反應(yīng)物，失去電子，化合價(jià)升高，被氧化。最后結(jié)合提供的電解質(zhì)，是否與產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)電荷守恒，寫出電極反應(yīng)式。具體思路如下：

一般情況下，正極反應(yīng)式的書寫比較容易；直接根據(jù)總反應(yīng)式氧化還原反應(yīng)的規(guī)律或題目所給的信息書寫；同時(shí)，根據(jù)電荷守恒，利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式，得到負(fù)極反應(yīng)式。正確書寫電極反應(yīng)方程式對(duì)解決此類電池問題至關(guān)重要。

七、試題考查趨勢(shì)預(yù)測(cè)與功能價(jià)值分析

1.試題的考查趨勢(shì)預(yù)測(cè)

通過總結(jié)近5年高考試題中的電化學(xué)試題，燃料電池類試題是高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。同時(shí)，燃料電池與生活、生產(chǎn)緊密聯(lián)系，新型高效的燃料電池是科技創(chuàng)新的表現(xiàn)。因此，燃料電池特別是新型燃料電池將在今后成為高考試題的高頻考點(diǎn)。預(yù)計(jì)考查的難點(diǎn)問題可能會(huì)側(cè)重燃料電池的改進(jìn)方面，比如“電極材料的改進(jìn)”“反應(yīng)原理的改進(jìn)”“加工工藝的改進(jìn)”“新材料的應(yīng)用”“電池效率的提升”等。

2.試題的功能價(jià)值分析