燃料電池電極反應式的書寫及應用

原電池知識是高中化學中重要的基本概念之一，也是近幾年高考的熱點。在實際教學中，對于燃料電池的工作原理及電極反應式的書寫，學生往往感到比較困惑。那么，如何理解燃料電池的工作原理，掌握電極反應式正確的書寫方法，下面筆者就結合教學經驗，借助例題來談談這類試題的解答方法。

一、有關燃料電池基本知識

1.燃料電池的電極規定

燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負極，可燃物在該電極上發生氧化反應;通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發生還原反應。

2.燃料電池的電質

不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質，其電解質通常有水劑體系(酸性、中性或堿性)電解質、熔融鹽電解質、固體(氧化物或質子交換膜)電解質等。在不同的電解質中，燃料電池的電極反應式有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應式時要特別注意電解質的種類。

3.燃料電池的工作原理

以氫氧燃料電池為例，其工作原理是:在負極，氫氣失去電子發生氧化反應;在正極，氧氣得到電子發生還原反應。

二、燃料電池電極反應式的書寫方法

1.若已知原電池的總反應式

書寫規律:抓正極，減一減。

“抓正極”:因為燃料電池正極反應物一般是氧氣，正極都是氧氣得到電子發生還原反應，所以可先寫出正極反應式。正極反應的本質都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應式的基礎都是:O2+4e-=2O2-。正極產生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質的狀態和電解質溶液的酸堿性有著密切的關系。

“減一減”:在電子守恒的基礎上，用燃料電池的總反應式減去正極反應式，即得到負極反應式。

下面以CH4、O2燃料電池以碳棒做電極材料，在幾種不同環境下的電極反應式寫法為例，具體加以說明。

總反應式:CH4+2O2=CO2+2H2O

(1)電解質為酸性電解質溶液(如稀硫酸)

在酸性環境中，O2-離子不能單獨存在，O2-離子結合H+離子生成H2O，即:2O2+8e-=4O2-，4O2-+8H+=4H2O，這樣，在酸性電解質溶液中:

正極反應式為:2O2+8H++8e-=4H2O

“減一減”得負極反應式:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+

(2)電解質為堿性電解質溶液(如氫氧化鈉溶液)

由于堿性溶液中OH-參加反應，CO2轉化為CO32-，總反應式:CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。在堿性環境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結合H2O生成OH-離子，即:2O2+8e-=4O2-，4O2-+4H2O=8OH-，故在堿性電解質溶液中:

正極反應式為:2O2+4H2O+8e-=8OH-

“減一減”得負極反應式:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

(3) 電解質為熔融的碳酸鹽

在熔融的碳酸鹽環境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子可結合CO2生成CO32-離子，即:O2+4e-=2O2-，2O2-+2CO2=2CO32-，則其正極反應式為:O2+2CO2+4e-=2CO32-

“減一減”得負極反應式:CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O

(4) 電解質為熔融氧化物

該固體電解質在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應式應為:2O2+8e-=4O2-

減一減得負極反應:CH4+4O2-8e-=CO2+2H2O

綜上所述，燃料電池正極反應式本質都是O2+4e-=2O2-，在不同電解質環境中，其正極反應式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應式時，要特別注意所給電解質的狀態和電解質溶液的酸堿性。

2.若不知原電池的總反應式

書寫規律:定、算、補、配。

“定”:先確定原電池的正負極，然后確定正負極參與反應的物質及對應產物;

“算”:由化合價升降數計算電子轉移數;

“補”:由電荷守恒，結合電解質環境，判斷是否補離子、補何種離子;

“配”:由質量守恒配平電極反應方程式。

下面以乙醇—空氣燃料電池在堿性環境下的電極反應式寫法為例具體加以說明。

(1)據化合價升、降分別列出含變價元素的物質

負極:C2H5OH—2CO32-

正極:O2—OH-

(2) 1molC2H5OH失去12mol電子，1molO2得到4mol電子，所以得到:

負極:C2H5OH-12e-—2CO32-

正極:O2+4e-—OH-

(3) 若是酸性溶液，通常用H+或H2O來平衡電荷;若是堿性溶液，通常用OH-或H2O來平衡電荷。這里是堿性電池，應以OH-或H2O來平衡電荷數。

負極:C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正極:O2+4e-+2H2O=4OH-

(4) 據質量守恒，配平方程式中各原子數，并調整系數使正負兩極得失電子數相等。

負極:C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

正極:3O2+12e-+6H2O=12OH-

所以，該燃料電池的總反應為:C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2O

當然，如果題目給定的是圖示裝置，應先分析正負極，再根據書寫規律寫電極反應式。

三、燃料電池電極反應式的書寫應用舉例

1. 電解質為酸性電解質溶液

例1:氫氧燃料電池是一種高效低污染的新型電池，其反應式為:2H2+O2=2H2O，主要用于航空領域。它的電極材料一般具有很強的催化活性，如鉑電極、活性炭電極等。電解質溶液可用40%的NaOH溶液或稀硫酸。請寫出電解質溶液用稀硫酸時的電極反應式。

解析:按上述燃料電池電極反應式的書寫方法1(1)可知，酸性條件下，O2-離子結合H+離子生成H2O，故正極反應式為:O2+4H++4e-=2H2O;由總反應“減一減”得負極反應式:

2H2-4e-=4H+。

2.電解質為堿性電解質溶液

例2(09廣東):可用于電動汽車的鋁-空氣燃料電池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液，鋁合金為負極，空氣電極為正極。下列說法正確的是()

A.以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時，正極反應都為:O2+2H2O+4e-=4OH-

B.以NaOH溶液為電解液時，負極反應為:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓

C.以NaOH溶液為電解液時，電池在工作過程中電解液的PH保持不變

D.電池工作時，電子通過外電路從正極流向負極

解析:本題考查原電池的構成、電極反應方程式的書寫及電解質溶液的影響，意在考查考生的遷移能力。按上述燃料電池電極反應式的書寫方法1(2)可知，O2在以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時形成OH-，故A正確;以NaOH溶液為電解液時，Al形成AlO2-，B錯;以NaOH溶液為電解液時，根據書寫方法2可以寫出總反應式為:4Al+3O2+4NaOH=4NaAlO2+2H2O，C錯;原電池工作時外電路電子由負極流向正極，D錯。故符合題意的是A。

3.電解質為熔融碳酸鹽

例3:某燃料電池以熔融的K2CO3(其中不含O2-和HCO3-)為電解質，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題:

⑴寫出該燃料電池的化學反應方程式;

⑵寫出該燃料電池的電極反應式。

解析:由于電解質為熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，所以生成的CO2不會與CO32-反應生成HCO3-，故該燃料電池的總反應式為:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料電池電極反應式的書寫方法1(3)可知，在熔融碳酸鹽環境中，其正極反應式為:O2+2CO2+4e-=2CO32-，“減一減”得負極反應為:2C4H10+26CO32--52e-=34CO2+10H2O。

4.電解質為固體氧化物

例4(05廣東):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

解析:本題以丁烷燃料電池為載體綜合考查了原電池原理涉及的有關“電子流向、電極反應式、總反應式”等內容，根據電性關系，O2-由正極移向負極，A錯。由丁烷的燃燒反應及電解質的特性知該電池的總反應式為:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O，B正確。按上述燃料電池“抓正極”的書寫方法1(4)可知，在熔融狀態下允許O2-在其間通過，故其正極反應式為O2+4e-=2O2-，C正確。通入丁烷的一極應為負極，D錯。故符合題意的是B、C。