燃料电池电极反应式的书写 燃料电池是现代社会中具有广阔发展前景的新能源,具有能量转换效率高,洁净无污染等特点。燃 料电池依据电解质的不同,可以分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物 燃料电池及质子交换膜燃料电池等。 燃料电池电极反应式的书写是近年各省(区) 、市高考考查的热点,也是考生得分低的一个难点。笔 者拟通过以下例题与各位同行交流燃料电池电极反应式的书写及突破策略,敬请批评指正。 一、碱性燃料电池(AFC) 碱性燃料电池的电解质溶液常为 KOH 溶液,导电离子为 OH-。 例 1 用两根铂丝作电极插入 KOH 溶液中,再分别向两极通入 CH4 和 O2,可形成燃料电池,该电池 放电时负极发生的反应为__________________ 解析 甲烷与氧气反应的方程式为:CH4+2O2=CO2+2H2O,由于在碱性环境下 CO2 会与 OH-反应生成 CO32-,所以在 KOH 溶液中电池的总反应式为:CH4+2O2+2OH-= CO32-+3H2O(方程式的叠加结果) 。在碱 性或中性水溶液环境中电池正极反应式都为:2O2+4H2O+8e-=8OH-, 所以该电池在 KOH 溶液中负极反应式为:CH4+10OH--8e-=7H2O+CO32-(方程式的叠加结果) 。 答案:CH4+10OH--8e-=7H2O+CO32例 2 燃料电池是燃料(例如 CO、H2、CH4 等)跟氧气或空气起反应,将此反应的化学能转化为电能 的装置,电解质溶液通常是 KOH 溶液。下列关于 CO 燃料电池的说法不正确的是 ( A.负极反应式为:CO+4OH--2e=CO32-+2H2O B.正极反应式为: O2+4e+2H2O=4OHC.随着不断放电,电解质溶液碱性不变 D.甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大 解析 在碱性环境下,CO 燃料电池的总反应式为:2CO+O2+4OH-=2CO32-+2H2O;在碱性或中性溶液 环境下电池正极反应式都为:O2+2H2O+4e-=4OH-;所以负极反应式为:CO+4OH--2e-=CO32-+2H2O。依据 电极反应方程式,当转移 4mol 电子时,正极产生 4molOH-,负极消耗 8molOH-,所以随着电池不断放电, 电解质溶液碱性逐渐减弱。与燃料的直接燃烧相比较,燃料电池具有能量转换效率高、无污染等特点。 答案:C ) 二、磷酸型燃料电池(PAFC) 磷酸型燃料电池电解质为 H3PO4,导电离子为 H+。 例 3 科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机物转化为氢气,氢气进入以磷酸 为电解质的燃料电池发电,电池负极反应为 ( A.H2+2OH- =2H2O+2e) B.O2+4H++4e- =2H2O 第1页 C.H2=2H++2e- D.O2+2H2O+4e- =4OH- 解析 氢气在电池的负极失电子发生氧化反应,氧气在电池的正极得电子发生还原反应,在酸性或中 性溶液条件下负极反应式为:H2-2e-=2H+,酸性溶液条件下正极反应式为:O2+4H++4e-=2H2O,总反应 式为:2H2+O2=2H2O。 答案:C 三、熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC) 熔融碳酸盐燃料电池电解质一般为 Li2CO3、K2CO3 或 Na2CO3,导电离子为 CO32-。 例 4 燃料电池是一种利用能源物质的新的形式,比如我们可用熔融的 K2CO3 作电解质,惰性材料作 电极,一极通入 CH2=CH2,另一极通入 O2、CO2。下列说法不正确的是( A.通入乙烯的一极为正极 ) B.正极发生的电极反应为:3O2+6CO2+12e-=6CO32- C.负极发生的电极反应为:CH2=CH2+6CO32-=8CO2+2H2O+12eD.电池的总反应式为:CH2=CH2+3O2=2CO2+2H2O 解析 乙烯定在负极失电子发生氧化反应,氧气定在正极得电子发生还原反应, 由于是在熔融的 K2CO3 环境下,O2 与 CO2 一起通入在正极发生的反应为:3O2+6CO2+12e-=6CO32-,电池 的总反应为:CH2=CH2+3O2=2CO2+2H2O, 则电池的负极反应为:CH2=CH2+6CO32--12e- =8CO2+2H2O 答案:A 例5 某MCFC型燃料电池可同时供应电和水蒸气,其工作温度为600℃~700℃,所用燃料为H2,电解 质为熔融K2CO3,已知该电池的总反应为2H2+O2=2H2O(该电池放电过程中,CO2被循环利用),则下列 有关该电池的说法正确的是 A.放电时CO32-向正极移动 ( ) B.该电池的正极反应为:4OH-=2H2O+O2+4e- C.该电池负极反应为:H2+CO32--2e--=CO2+ H2O D.当电路中通过amol电子时,则该电池理论上可供应18ag水蒸气 解析 氢气定在负极失电子发生氧化反应,氧气定在正极得电子发生还原反应,CO2来自于氢气失电 子后与CO32-反应的产物,所以负极反应式为:2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O;在正极上O2得电子与CO2反应 生成CO32-,所以正极反应式为:O2+2CO2+4e-=2CO32-;总反应为:2H2+O2=2H2O。放电时负极消耗CO32,所以放电时CO32-向负极移动。依据电子转移与生成水的关系,当电路中通过amol电子时,该电池理论上 可供应9ag水蒸气。 答案: C 四、质子交换膜燃料电池(PEMFC) 质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜,导电离子为 H+。 例 6 如图是 2004 年批量生产的笔记本电脑所用的甲醇燃料电池的结构示意图。 甲醇在催化剂作用下 第2页 提供质子(H+)和电子。电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应。电池总反应式为:2CH3OH +3O2=2CO2+4H2O。 下列说法中正确的是 ( ) A.左边的电极为电池的负极,a 处通入的是甲醇 B.右边的电极为电池的负极,b 处通入的是空气 C.电池负极的反应式为:CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+ D.电池的正极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH解析 根据图中电子移动方向,左边的电极为电池的负极,a 处通入的是甲醇;右边的电极为电池的 正极,b 处通入的是空气;H+通过质子交换膜进入右边,所以电池的正极发生的反应为:O2+4H++4e- = 2H2O;电池总反应式为:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O,所以电池的负极反应为: CH3OH+H2O- 6e-=CO2+6H+ 答案:A、C 五、固态氧化物燃料电池(SOFC) 固态氧化物燃料电池电解质常为 ZrO2、Y2O3,导电离子为 O2-。 例 7 固体氧化物燃料电池是美国西屋(Westinghous)公司研制开发的。它以固体氧化锆一氧化钇 2? 为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子( O )在 其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极 a 、b 均不参与电极反反应。下列判断正确的是 ( A.有 O 2 参加反应的 a 极为电池的负极 反应的 b 极为电池的正极 C. a 极对应的电极反应式为: O2 ? 2H 2 O ? 4e ? ? 4OH? D.该电池的总反应方程式为: 2H 2 ? O 2 ? 2H 2 O 解析 根据电子的转移方向,有 H 2 参加反应的 b 极为电池的负极;有 O 2 参加反应的 a 极为电池 ) B.有 H 2 参加 的正极。 由于是在无水环境下, O2-可向负极发生定向移动, 且 所以负极反应式为: 2 + 2O2--4e- = 2H2O, 2H 正极反应式为:O2 +4e- = 2O2-,总反应式为:2H2 + O2 = 2H2O。 答案:D 例 8 一种新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入 C4H10 气体;电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧 化锆(ZrO2)晶体,在熔融状态下能传导 O2-。下列对该燃料电池说法正确的是 A.在熔融电解质中,O2- 由负极移向正极 B.电池的总反应是:2C4H10 + 13O2= 8CO2 + 10H2O C.通入空气的一极是正极,电极反应为:O2 + 4e- = 2O2D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为:C4H10 + 26e- + 13O2-== 4CO2 + 5H2O ( ) 第3页 解析 通入空气的一极定是正极, 通入丁烷的一极定是负极, 该电池的总反应为: 4H10 + 13O2=8CO2 2C + 10H2O(生成的水不断从体系中撤离) ,在无水环境下正极反应式为:O2 + 4e- = 2O2-,所以负极反应为: C4H10 + 13O2--26e-=4CO2 + 5H2O。由于负极不断消耗 O2-,正极不断产生 O2-,所以 O2- 由正极移向负极。 答案:B、C 突破策略 1.核心原理不变:无论是什么类型的燃料电池,燃料(H2、CH4、CH3OH、CO 等)定在负极失电子 发生氧化反应,氧气或空气定在正极得电子发生还原反应。 2.书写步骤: (1)确定燃料电池电解质的类型。 (2)写出电池的总反应式。电池的总反应式可能为燃料燃烧的方程式,也可能为燃烧方程式和某一燃 烧产物与电解质溶液中某种微粒反应式的叠加结果(无论是哪一种都不写点燃条件) 。 (3)确定 O2 在给定环境下得电子的正极反应式。 (4)满足电子得失守衡,利用方程式的叠加,写出电池的负极反应式。 总之,无论是什么类型的燃料电池,只要抓住不变的核心原理,考虑所给电解质类型,利用方程式的 叠加就会很快写出电极反应式。 第4页