有關(guān)燃料電池的解題策略及應(yīng)用

楚漢強(qiáng)

摘 要：燃料電池作為新型化學(xué)電源而受到人們廣泛關(guān)注，使它成為近年來高考的高頻考點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)相關(guān)試題的仔細(xì)研究，就該類題型考點(diǎn)及解法進(jìn)行了分析歸納。

關(guān)鍵詞：燃料電池；解題策略；應(yīng)用

一、高考中燃料電池考點(diǎn)知識(shí)歸納

電極正負(fù)極性的判斷；電極反應(yīng)式的書寫及正誤判斷；電極周圍電解質(zhì)溶液的pH變化；列關(guān)系式運(yùn)用電子守恒進(jìn)行有關(guān)電化學(xué)計(jì)算等。

二、解答燃料電池題型必備知識(shí)總結(jié)

首先，要認(rèn)識(shí)燃料電池就是將燃料（如H2、CO、甲醇等）氧化時(shí)，把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池的基本構(gòu)成條件為：燃料和氧氣、金屬Pt或活性炭分別做負(fù)極和正極，電解質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)，離子交換膜等。

其次，還要正確認(rèn)識(shí)燃料電池的工作原理。燃料電池作為原電池在放電時(shí)發(fā)生的總反應(yīng)和燃料燃燒的總反應(yīng)一樣，一般是氧氣做氧化劑通入正極，發(fā)生還原反應(yīng)；可燃性物質(zhì)為還原劑通入負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)。電解質(zhì)內(nèi)部陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極，即遵循“負(fù)負(fù)正正”原則。電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和燃料燃燒方程式中實(shí)際參加反應(yīng)的氧氣得電子數(shù)相等。

三、燃料電池題型的解題策略

根據(jù)原電池總反應(yīng)來書寫電極反應(yīng)式。書寫時(shí)應(yīng)遵循原子守恒、電子守恒及電荷守恒，還須特別注意電解質(zhì)溶液是否參與電極反應(yīng)。對(duì)于較復(fù)雜的電極反應(yīng)式書寫，可先寫出較簡單的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，用總反應(yīng)式減去較易寫出的電極反應(yīng)式即可。各電極反應(yīng)式正確寫出后，根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，即可判斷電極的極性以及某電極是發(fā)生氧化還是還原反應(yīng)。

四、燃料電池考點(diǎn)在高考中的應(yīng)用

例1.一家公司研制了一種有甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿作電解質(zhì)的手機(jī)電池，電量可達(dá)到鎳氫電池的10倍，有關(guān)此電池的敘述錯(cuò)誤的是（ ）

A.溶液中的陽離子移向正極

B.負(fù)極反應(yīng)式：CH3OH+8OH--6e-=C+6H2O

C.電池在使用過程中，電解質(zhì)溶液的c（OH-）不變

D.當(dāng)外電路通過6 mol電子時(shí)，理論上消耗1.5 mol O2

解析：A項(xiàng)，溶液中的陽離子移向發(fā)生還原反應(yīng)的一極即正極；B項(xiàng)，負(fù)極CH3OH發(fā)生氧化反應(yīng)；C項(xiàng)，電池在使用過程中，電解質(zhì)溶液的c（OH-）減少；D項(xiàng)，1 mol O2消耗可轉(zhuǎn)移4 mol電子，外電路通過6 mol e-時(shí)，消耗1.5 mol O2。

點(diǎn)評(píng)：本題考查原電池的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，考查分析問題的能力。

例2.（2012·四川理綜，11）一種基于酸性燃料電池原理設(shè)計(jì)的酒精檢測(cè)儀，負(fù)極上的反應(yīng)為：CH3CH2OH-4e-+H2O=CH3COOH+4H+。下列有關(guān)說法正確的是（ ）

A.檢測(cè)時(shí)，電解質(zhì)溶液中的H+向負(fù)極移動(dòng)

B.若有0.4 mol電子轉(zhuǎn)移，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下消耗4.48 L氧氣

C.電池反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH3CH2OH+O2→CH3COOH+H2O

D.正極上發(fā)生的反應(yīng)為：O2+4e-+2H2O=4OH-

解析：結(jié)合題意，該電池總反應(yīng)即是乙醇的氧化反應(yīng)，不消耗H+，故負(fù)極產(chǎn)生的H+應(yīng)向正極移動(dòng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；酸性溶液中，正極電極反應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O，D項(xiàng)錯(cuò)誤；轉(zhuǎn)移0.4 mol電子時(shí)，消耗O2 0.1 mol，即標(biāo)準(zhǔn)狀況下為2.24 L，B項(xiàng)錯(cuò)誤；正極反應(yīng)與負(fù)極反應(yīng)相加可得電池反應(yīng)為CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O，C正確。

點(diǎn)評(píng)：本題主要考查考生利用原電池工作原理及書寫燃料電池電極反應(yīng)式的能力。

變式練習(xí)：美國加州Miramar海軍航空站安裝了一臺(tái)250 kW的MCFC型燃料電池，該電池可同時(shí)供應(yīng)電和水蒸氣，其工作溫度為600 ℃～700 ℃，所用燃料為H2，電解質(zhì)為熔融的K2CO3。該電池的總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O，負(fù)極反應(yīng)為：H2+C-2e-=H2O+CO2。則下列推斷中正確的是：

A.正極反應(yīng)：4OH--4e-=2H2O+O2↑

B.當(dāng)電池生成1 mol H2 O時(shí)，轉(zhuǎn)移4 mol電子

C.放電時(shí)C向負(fù)極移動(dòng)

D.放電時(shí)C向正極移動(dòng)

綜上所述，燃料電池相關(guān)題目的解答關(guān)鍵在于抓住“燃料燃燒反應(yīng)就是燃料電池的總反應(yīng)”，然后利用電解質(zhì)溶液的酸堿性及介質(zhì)的特殊性，運(yùn)用氧化還原反應(yīng)的基本原理進(jìn)行分析，就可以輕松解答此類問題。

（作者單位 陜西省漢中市漢臺(tái)中學(xué)）