燃料電池的電極反應反應式書寫

◎柴愛群

一、理解燃料電池的原理

燃料電池是一種不經燃燒，將燃料的化學能經過電化學反應直接轉變為電能的裝置。燃料為可燃氣體或液體，例如化石燃料，以及由此得到的衍生物，如氫氣、醇、烴、煤氣等液體和氣體燃料等；氧化劑僅限于氧氣和空氣。燃料電池基本結構與一般化學電源相同，由正極（氧化劑電極）、負極（燃料電極）和電解質構成，但其電極本身僅起催化和集流作用。燃料電池工作時，活性物質由外部供給，因此，原則上說，只要燃料和氧化劑不斷地輸入，反應產物不斷地排出，燃料電池就可以連續放電，供應電能。

二、燃料電池電極反應的關鍵點

所有的燃料電池的工作原理都一樣，其電極反應的書寫同樣是有規律可循的。書寫燃料電池電極反應式的步驟類似于普通原電池，在書寫時應注意以下幾點：

1.電池的負極一定是可燃性氣體，失電子，元素化合價升高，發生氧化反應；電池的正極一定是助燃性氣體，得電子，化合價降低，發生還原反應。

2.燃料電池兩電極材料一般都不參加反應，參與反應的是通到電極材料上的燃料和氧氣，兩電極只是傳導電子的作用。

3.電極反應式作為一種特殊的離子反應方程式，也必需遵循原子守恒，得失電子守恒，電荷守恒。

4.寫電極反應時，一定要注意電解質是什么，其中的離子要和電極反應中出現的離子相對應（在堿性電解質中，電極反應不能出現氫離子；在酸性電解質溶液中，電極反應不能出現氫氧根離子），即注意電極生成離子與電解質繼續反應。

三、燃料電池的書寫技巧

1.常規技巧 書寫燃料電池電極反應式難點就在負極反應上，所以我們可以先易后難，即先書寫總反應，再書寫正極反應，最后用總反應減正極反應即得負極反應。書寫時注意反應產物與電解質的繼續反應。

例1：氫氧燃料電池的電極書寫

氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑（Pt）或石墨做電極材料，負極通入H2，正極通入O2。

（1）電解質溶液選用KOH

第一步：先書寫總反應，總反應為：2H2+O2=2H2O（產物不與電解質反應）；

第二步：書寫正極反應，正極反應式為：O2+2H2O+4e-=4OH-（產物不與電解質反應）；

第三步：總反應減正極反應既得負極反應得負極反應

負極反應式為：2H2-4e-+4OH-=4H2O（產物不與電解質反應）；

（2）電解質溶液選用H2SO4

第一步：先書寫總反應，總反應為：2H2+O2=2H2O（產物不與電解質反應）；

第二步：書寫正極反應，正極反應有：O2+2H2O+4e-=4OH-；

產物與電解質反應：4OH-+4H+=4H2O；

總正極反應式：O2+4H++4e-=2H2O；

第三步：總反應減正極反應既得負極反應得負極反應

負極反應式為：H2-2e-=2H+

例2甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液）

第一步：書寫總反應，總反應為：CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O；

第二步：書寫正極反應，正極反應式為：O2+2H2O+4e-=4OH-；

第三步：總反應減正極反應既得負極反應得負極反應

負極反應式為：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O。

2.整合快速技巧 總結了以上電極反應后，我們可以總結出更簡便快速的書寫負極反應方法。綜合分析發現：燃料電池負極反應式的模式是很規律的，即：燃料-ne-→酸性條件碳生成CO2；氫生成H+

堿性條件碳生成CO32-；氫生成H2O

書寫步驟：

第一步：快算燃料轉移電子數

方法：碳四氫一氧減二（既：一個碳原子失去4個電子；一個氫原子失去1個電子；燃料在含一個氧原子失去電子總數減去2個，可數出該燃料的失電子總數。）

如：CH4失去4+4=8個電子；C2H6O失去8+6-2=12個電子；CO失去4-2=2個電子。

甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），負極：CH4+-8e-=CO32-

甲烷燃料電池（電解質溶液選用H2SO4），負極：CH4-8e-=CO2

第二步：電荷守恒配平兩邊電荷

方法：電解質溶液為酸性——用H+；電解質溶液堿性——用OH-；

電解質溶液為熔融氧化物——用O2-；

甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），負極：CH4+10OH--8e-=CO32-

甲烷燃料電池（電解質溶液選用H2SO4），負極：CH4-8e-=CO2+8H+

第三步：原子守恒完成負極反應式書寫

方法：補H2O配平氫氧原子

甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），負極：CH4+100H--8e-=CO32-+7H2O

甲烷燃料電池（電解質溶液選用H2SO4），負極：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+

四、習題專練

（1）乙烷燃料電池（酸性/堿性）的負極反應式

（2）乙醇燃料電池（酸性/堿性）的負極反應式

（3）葡萄糖燃料電池（酸性/堿性）的負極反應式

（4）CO燃料電池（酸性/堿性）的負極反應式

習題是鞏固的根本，只有通過習題的練習，學生才能得到鞏固和提高；只有通過習題的練習，學生才能將所學知識貫徹領悟；只有通過習題的練習，學生才能將所學的知識融入到日常的生活中。

五、結語

總之，對于原電池的電極反應式的書寫，最重要的是明白原電池的工作原理，這一點對學生來說不難理解，但是對于有電解質溶液參與的電極反應，學生們就不知如何是好。學生們能找到正負極，但寫不出電極反應式，也知道“負極失電子正極得電子”，卻忽略了得失電子變成離子后要進入溶液中。如果溶液中存在的離子與在正極、負極得失電子變成的離子不能共存，則要繼續反應，反之，不反應共存于溶液中。如果能分析清楚這些，那么難題也就迎刃而解了。