燃料電池的電極反應式書寫

李依峰

摘要：燃料電池的電極反應式書寫是考試的重點，也是教學的難點。文章結合燃料電池裝置的特點，依次分類歸納最典型、較復雜、較特殊的燃料電池的電極反應式書寫方法，并介紹相關書寫技巧。

關鍵詞：燃料電池；電極反應式；方法與技巧

文章編號：1008—0546（2016）07—0040-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：lO.3969/j.issn.1008—0546.2016.07.014

燃料電池以能量轉化率高、無污染、能長時間持續放電以及較為廣泛的適用性等優點，成為新型電池研究的熱門方向。燃料電池電極反應式書寫是近年來考試的重點，也是教學的難點。

一、認識燃料電池裝置特點

燃料電池裝置一般具備以下特點：

（1）有兩個電極，電極材料可以是鉑、鎳等金屬粉末壓制成表面多孔的物質或是經過處理表面粗糙多孔的石墨。

（2）電解質溶液，可以是堿性溶液，例如氫氧化鉀溶液，或者是酸性電解質溶液，例如磷酸溶液。也可以是非水溶液，例如熔融鹽作電解質。

（3）燃料電池顧名思義，要有燃料氣與氧化劑。燃料氣最常見是氫氣，此燃料電池又稱為氫氧燃料電池，是目前最成熟的燃料電池之一。燃料氣除氫氣外，還可以是甲烷、肼（N₂H₄）、一氧化碳、乙炔、甲醇等物質。氧化劑一般是氧氣。

二、燃料電池電極反應式書寫方法

1.電極反應式書寫一般步驟：

（1）首先判斷負極與正極。一般為通氧氣的電極為正極，通燃料氣的為負極。

（2）結合電極名稱或總反應方程式，確定反應過程中能得失電子的微粒。

（3）從微粒中元素化合價變化的角度，分析電子的得失及數目。

（4）考慮電解質溶液中的離子是否參與反應，寫出最終的電極產物。

（5）最后從原子守恒與電荷守恒的角度，檢查電極反應式是否配平并書寫完整。

2.最典型氫氧燃料電池（如圖1所示）

（1）酸性電解質（硫酸溶液）

負極：2H₂-4e=4H+

正極：O₂+4H++4e=2H₂O

總反應：2H₂+O₂=2H₂O

（2）堿性電解質（氫氧化鉀溶液）

負極：2H₂-4e+4OH=4H₂O

正極：O₂+2H₂O+4e=4OOH

總反應：2H₂+O₂=2H₂O

（3）該電極反應式書寫過程分析：

①由題意知，H₂在負極上發生失電子反應，得到H+，H+在酸性電解質溶液中可以穩定存在，而在堿性電解質溶液中則要考慮H+與OH-繼續反應生成水。

②O₂在正極上發生得電子反應，可以認為生成O²，O²在水溶液中不能穩定存在，如在酸性電解質溶液中，則考慮與H+結合生成水，對應正極反應式為O₂+4H+4e=2H₂O；如在堿性電解質溶液中，則考慮與H₂O結合生成OH，對應正極反應式為O₂+2H₂O+4e=4OH。

③注意一個電子帶一個單位的負電荷，觀察電極反應式是否配平。

④通常情況下，如果兩個電極反應式同時書寫，考慮兩電極上電子得失數目相同，化學計量數可以不化簡，如果電極反應式單獨書寫，化學計量數應該化簡。

3，較復雜燃料電池電極反應式書寫

對于比較復雜的燃料電池，一般會給出總反應方程式（燃料電池總反應方程式可以看作是對應燃料燃燒的化學方程式，同時考慮電解質溶液是否與生成物再繼續反應所得的反應式）。兩個電極反應可以看成是總反應的兩個“半反應”，所以電極反應式是“隱藏”在總反應式中的。下面以甲烷燃料電池為例說明：

甲烷燃料電池為酸性電解質溶液時，總反應為CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O。根據CH₄中碳的化合價一4價，CO₃中碳的化合價+4價，可知Lmol甲烷在負極上失去8mol電子，先寫出CH₄-8e=CO₂+H₂O，從原子守恒的角度發現反應還需氧元素，在酸性溶液中，氧元素可考慮由H₂O來提供。所以負極反應式可寫成：CH₄+2H₂O-8e=CO₂+8H+。根據O₂中氧的化合價O價，CO₂或H₂O中氧的化合價一2價，可知2mol O₂在正極上得到8mol電子，可寫出2o₂+8e=4o²，再考慮O²與H₂O合成H₂O，所以正極反應式可寫成：2O₂+8H+8e=4H₂O。

甲烷燃料電池為堿性電解質溶液時，總反應為CH₄+2O₂+2OH=CO3²+3H₂O。參照上面酸性電解質溶液時的寫法可知，當負極寫出CH₄-8e=CO3²+H₂O時，所需氧元素可考慮由OH-來提供，所以該負極反應式為CH₄-8e+IOOH=CO3²+7H₂O。同樣的思路，當正極反應式寫出2O₂+8e=40²時，考慮O²與H₂O結合成OH-可得該正極反應式為4H₂O+2O₂+8e=8OH-。

4.較特殊燃料電池電極反應式書寫

有些新型燃料電池以非水溶液為電解質，常見有固態氧化物、熔融碳酸鹽等類型。在該類試題中一般會給出新信息，來考查學生閱讀理解信息及創新思維能力。

（1）固態氧化物燃料電池

例如，美國Westinghouse公司研制開發一種燃料電池，該電池以固態氧化鋯一氧化釔為電解質，高溫下該固態電解質可允許O²通過。該電池的工作原理如圖2所示，其中多孔電極a、b均不參與電極反應。請寫出相應的電極反應式。

解題思路簡析：

從電子流動方向或者是H₂與O₂的性質分析，可知通O₂的電極為正極，反應式為：O₂+4e=2O²，從試題信息可知在該固態氧化物電解質中O²可以穩定存在。通H₂的電極為負極，反應式為：H₂-2e=2H，又因O²一可以通過固體電解質與H+接觸，所以負極反應式也可寫為H₂-2e+O²=2H₂O。

（2）熔融碳酸鹽燃料電池

據報道，2000年美國能源部撥給固定式燃料電池的研究費用達4420萬美元，其費用的2/3用于熔融碳酸鹽燃料電池的開發。例如，有一種熔融碳酸鹽燃料電池的結構示意圖如圖3所示，請寫出相應的電極反應方程式。

解題思路簡析：

首先根據裝置結構圖，判斷電極A為負極，電極B為正極。通向負極的物質為CO、H₂，生成物為CO₂、H₂O，其中H₂失電子變為H+，H+與CO3²結合生成CO₂、H₂O，可得2H₂+2CO3²-4e=2CO₂+2H₂O；從裝置圖上分析CO也參與了反應，所以可推斷CO與CO3²，發生失電子反應生成CO₂，可得CO-2e+CO3²=2CO₂。同理推知，正極反應式為O₂+2CO₂+4e=2CO3²。

三、燃料電池電極反應式書寫技巧

因為燃料電池的兩個電極反應式“加和”可得總反應式，據此關系，我們可用總反應式“減去”其中一個電極反應式得到另一個電極反應式。一般燃料電池的正極反應式有兩種寫法：O₂+4H+4e=2H₂O（酸性電解質溶液）；O₂+2H₂O+4e=4OH（堿性電解質溶液）。

例如，甲醇燃料電池（以H₂SO₄溶液為電解質溶液）：

總反應：2CH₄O+3O₂=2CO₂+4H₂O，正極：3O₂+12e+12H=6H₂O。

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兩式相減，可得負極反應式：2CH₄O -12e+2H₂O=12H+2CO

請注意，兩式相減處理的目的是將總反應式中在正極上反應的相關物質去掉，所以在進行相減處理時，兩式中被去掉物質的化學計量數須調至相同。掌握這種書寫技巧，能將燃料電池中較復雜的負極反應式快捷地寫出。