燃料電池問題的解題思路

【摘 要】由于燃料電池具有化學能高又不污染環境的特點，所以燃料電池成了科研的重點也成了高考的一個熱點。筆者從燃料電池的工作原理分析講解了有關不同類型的燃料電池問題的解題思路，從而幫助學生在解決燃料電池的問題中理清基本的解題思路和方法。

【關鍵詞】燃料電池 電極和電池反應 電子流向

【中圖分類號】G632 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）12-0132-01

燃料電池是1939年由英國科學家培根首先研制成功的，20世紀50年代后期宇航事業的發展使燃料電池的研究得到了快速的發展。人類為了開辟新能源，減少對環境的污染，加緊對燃料電池的研發和利用。

燃料電池是一種連續將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電池。它與一般的化學電池不同，一般化學電池的活潑性物質儲存在電池的內部，故而限制了電池的容量，而燃料電池本身不包含活性物質，只是一個催化元件。它工作時燃料和氧化劑連續地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排除，于是電池就連續不斷地提供電能。

燃料電池的負極通入燃料（如：H2、CO、CH4、CH3OH、N2H4、液化石油氣、液化丙烷氣、煤氣等），燃料電池放出電子，發生氧化反應，電子經外電路傳遞給正極并與通入的氧化劑氣體（如O2）結合，發生還原反應，兩極之間靠電解質導電，從而構成回路產生電流。電極可用表面上沉積了催化劑的多孔碳電極，也可用多孔的Ni和Ni-NiO分別作負極和正極，電極本身有催化性能。

根據電池中電解質的組成和特性對燃料電池進行分類，可分為堿性電池、酸性電池和固體熔融鹽電池。

燃料電池是燃料在電池中直接氧化產生電能而不經過熱能這一中間裝置，故能量的轉化率比普通的火力發電高得多，轉化率目前最高可達80%左右。普通火力發電，燃料燃燒時產生大量的煙塵和有害氣體，對環境污染嚴重，不符合綠色化學的要求，而燃料電池所用的燃料使用之前已經經過對有害物質的分離和處理，基本上不排放硫的氧化物和氮的氧化物。目前，發達國家加大對燃料電池的研究力度，一種10KW～20KW的堿性H2-O2電池已成功地使用于航天飛機。美國、日本等發達國家還有若干示范性的CH4-O2燃料電池發電站，但這類電池的成本很高，氣體凈化要求也高，普遍推廣使用還有困難，有待于通過研究進一步降低其成本。

燃料電池具有化學能高而不污染環境的特點，故成為新型化學電源的研發焦點，是這幾年高考和化學競賽命題的熱點，同時也是學生學習的難點。下面通過幾道以燃料電池為背景的試題的解題分析，理清解決這類問題的基本思路與方法。

例1，某種熔融鹽電池用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質，CO為負極燃氣，空氣和CO2混合氣為正極助燃氣，制得在650℃下工作的燃料電池，完成有關的電池反應式。（已知：負極反應為2CO+2CO32--4e-=4CO2）

正極反應為_____________；總反應為_____________。

解析：正極反應為O2+2CO2+4e-=2CO32-，總反應為O2+2CO=2CO2。

例2，以KOH溶液為電解質的高能甲醇電池是鋰或鎳電池能量的10倍，假設放電過程中甲醇完全氧化產生的CO2被充分吸收生成CO32-。

（1）該電池的總離子方程式為：__________________。

（2）甲醇在_________極發生（填“正”或“負”）電池放電過程中溶液PH將_________（填“升高”或“下降”或“不變”）；若有16g甲醇蒸氣被完全氧化產生電能，并利用該過程中釋放的電能電解足量的CuSO4溶液，假設整個過程中能量的利用為80%，則產生標況下的O2為_________L。

分析：（1）負極反應：2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H20；正極反應：3O2+6H2O+12e-=12OH-；故總離子方程式：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O。（2）甲醇在負極發生氧化反應，總反應消耗OH-故溶液的PH下降。電解CuSO4溶液，陽極反應為4OH--4e-=2H2O+O2，根據轉移電子守恒：V（O2）={[（16g/32g）×6×80%/4]/4}×22.4L/mol=13.44L。

例3，有人設計制造了一種燃料電池，一極通入空氣，另一極通入燃料汽油蒸氣，電池的電解質是摻雜了Y2O3的ZrO2晶體，它在高溫下能傳導O2-離子?；卮鹣铝袉栴}：（1）以丁烷代表汽油，則電池放電時總反應方程式為_________；（2）這個電池的正極發生的反應為_________；這個電池的負極發生的反應為_________；固體電解質里的O2-的移動方向是_________；向外電路釋放電子的電極是_________。（3）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內燃機里燃燒汽油產生動力的主要原因是_________。（4）你認為在ZrO2晶體摻雜了Y2O3，用Y3+代替Zr4+對提高固體電解質的導電能力會起什么作用？其可能原因是什么？（5）汽油燃料電池最大的障礙是氧化還原反應不完全而產生_________會堵塞電極的氣體通道。

解析：（1）2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。（2）正極反應：O2+4e-=2O2-；負極反應：C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O；固體中的O2-移向負極；向外電路釋放電子的是負極。（3）電池的能量利用率高。（4）由于Y2O3中Y∶O=1∶1.5，ZrO2中Zr∶O=1∶2，所以摻雜晶體中O2-比純ZrO2晶體中少，為維持電荷平衡，將導致O2-缺少，從而使O2-得以在電場作用下向負極移動。（5）汽油由于氧化不完全會產生碳粒。

上述試題以燃料電池為載體，主要考查電極與電子轉移方向的判斷；電極與電極總反應的書寫；電池優缺點的評價及利用電子守恒進行相關計算。

參考文獻

[1]宋天佑.無機化學[M].北京：高等教育出版社，2009

[2]虞琦.有關“化學電源”問題淺析[J].化學教學，2005（3）

〔責任編輯：林勁〕