漫話豐富多彩的燃料電池

福建 鄒 標

燃料電池，指將燃料燃燒的化學能直接轉化為電能的裝置。燃料電池是高中化學知識中的難點和熱點，學生對這類題型缺乏整體認知，沒有形成整體的知識網絡和思考方法，因此，學生覺得困難重重，得分率較低。本文通過對燃料電池進行較全面的歸納總結，多角度進行拓展、延伸，歸納整理了常見的燃料電池的裝置示意圖、總反應式、電極反應式、電解質等關聯信息。幫助學生建立燃料電池的解題思維模型，從而較好地理解、掌握、應用燃料電池相關原理，有效突破燃料電池的解題瓶頸并期望能培養學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、創新意識等化學核心素養，提升學生化學表征、模型認知、信息處理等核心關鍵能力。

一、燃料電池簡介

根據燃料電池的特點，一般在正極上發生還原反應的物質都是O2，O2得到電子后化合價降低，首先變為O2-，O2-能否存在要看電解質環境。由于電解質溶液的不同，電池中電解質可能為酸、堿或鹽，其電極反應也有所不同，下表為四種不同電解質環境中，氧氣得電子后生成O2-的存在形式：

電解質環境從電極反應式O2-的存在形式酸性溶液O2+4H++4e- 2H2O堿性溶液O2+2H2O+4e- 4OH-固體電解質(高溫下能傳導O2-)O2+4e- 2O2-熔融碳酸鹽(如:熔融K2CO3)O2+2CO2+4e- 2CO2-3

二、燃料電池分類

1.氧氣參與的燃料電池

(1)氫氧燃料電池(包括中性、酸性、堿性、高溫氧化物、高溫碳酸鹽等電解質參與反應的燃料電池)

(2)無機化合物燃料電池(包括N2H4、水煤氣、H2S、CO、NO2、NO、SO2等作為燃料的電池)

(3)有機化合物燃料電池(包括烴類、醇類、醛類、苯酚、糖類等作為燃料的電池)

(4)金屬空氣燃料電池(包括鎂-空氣、鋁-空氣、鋰-空氣、鋅-空氣、鐵-空氣、Na-CO2等燃料電池)

(5)微生物燃料電池

2.其他氧化性氣體參與的燃料電池

(1)氫氯燃料電池

(2)N2-H2燃料電池

(3)NO-CO燃料電池

3.液體燃料電池

(1)Mg-H2O2

(2)Mg-NaClO

(3)Zn-Br2

(4)NaBH4-H2O2燃料電池

4.固體燃料電池

煤燃料電池等

三、近五年高考化學試題中的燃料電池

在近5年內的高考試題中燃料電池知識點考查了9次(如下表)，由于形式新穎，難度較大，致學生得分率較低。

序號年份燃料電池內容12019年全國卷Ⅰ生物燃料電池22019年天津卷鋅碘溴液流電池32018年全國卷ⅡNaCO2燃料電池42018年全國卷Ⅲ鋰空氣電池52018年海南卷鎂氧電池62016年全國卷Ⅲ鋅空氣燃料電池72016年浙江卷金屬空氣電池82015年全國卷Ⅰ微生物電池92015年江蘇卷熔融碳酸鹽燃料電池

四、燃料電池的裝置示意圖與電極反應

有關燃料電池試題的解答是高中化學學習的難點，電極方程式的理解與正確書寫更是重難點，下表整理了燃料電池的類別、示意圖及電極反應式，通過學習不同燃料電池，幫助學生構建解答燃料電池的思維模型，提升學生的核心素養和解決問題的能力。

類別電池名稱裝置示意圖反應式甲烷燃料電池甲烷酸性燃料電池正極O2+4H++4e- 2H2O負極CH4+2H2O-8e- CO2+8H+總反應CH4+2O2 CO2+2H2O電解質稀硫酸甲烷熔融碳酸鹽燃料電池正極O2+4e-+2CO2 2CO2-3負極CH4-8e-+4CO2-3 5CO2+2H2O總反應CH4+2O2 CO2+2H2O電解質熔融K2CO3/Li2CO3甲烷固體氧化物燃料電池正極O2+4e- 2O2-負極CH4+4O2--8e- CO2+2H2O總反應CH4+2O2 CO2+2H2O電解質固體氧化物甲醇燃料電池甲醇空氣燃料電池(酸性電解質)正極O2+4H++4e- 2H2O負極CH3OH+H2O-6e- CO2↑+6H+總反應2CH3OH+3O2 2CO2↑+4H2O電解質稀硫酸甲醇空氣燃料電池(堿性電解質)正極O2+2H2O+4e- 4OH-負極CH3OH+8OH--6e- CO2-3+6H2O總反應2CH3OH+3O2+4OH- 2CO2-3↑+6H2O電解質KOH溶液氫氧燃料電池聚合物電解質薄膜的燃料電池正極O2+4e-+4H+ 2H2O負極H2-2e- 2H+總反應2H2+O2 2H2O電解質聚合物電解質薄膜堿性氫氧燃料電池正極O2+4e-+2H2O 4OH-負極2H2+4OH--4e- 4H2O總反應2H2+O2 2H2O電解質NaOH

五、典型例題分析

【例1】下面是以熔融K2CO3和Li2CO3為電解質，天然氣經重整催化作用提供反應氣的燃料電池，裝置示意如圖，下列說法正確的是

( )

A.用此電池來電解精煉銅，當有0.1 mol電子轉移時，則有3.2 g銅溶解

C.該電池使用過程中需補充Li2CO3和K2CO3

【答案】D

【解析】題目提供的是實際生產中真實情景示意圖，解答此題需要對電化學有比較深入的理解，需要接受題干所給的信息，提取有用的關鍵信息，結合所學的知識，才能正確解答。

【例2】(2019·全國卷Ⅰ·12改編)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是

( )

A.相比現有工業合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

【答案】C

【解析】本題綜合考查電化學方面的知識，試題的難度比較大。正確理解電極反應和離子的流動方向是解答問題的關鍵，屬于真實情境問題解答，提供的是陌生的實際電化學裝置示意圖，考查學生信息理解能力和信息轉化能力。

六、建立燃料電池的思維模型

燃料電池的難點是書寫電極反應方程式。首先，根據是否有外加電源，判斷是電解池還是原電池，若沒有電源，就是原電池。其次，根據物質的氧化性和還原性判斷正極或負極反應物。氧化性氣體或氧化性強的物質(如氧氣、氯氣、空氣、雙氧水等為正極反應物)，得電子，化合價降低，被還原；還原性可燃氣體或還原性物質(如氫氣、有機氣體、有機物、金屬等)為負極反應物，失去電子，化合價升高，被氧化。最后結合提供的電解質，是否與產物發生反應，根據電荷守恒，寫出電極反應式。具體思路如下：

一般情況下，正極反應式的書寫比較容易；直接根據總反應式氧化還原反應的規律或題目所給的信息書寫；同時，根據電荷守恒，利用總反應式減去正極反應式，得到負極反應式。正確書寫電極反應方程式對解決此類電池問題至關重要。

七、試題考查趨勢預測與功能價值分析

1.試題的考查趨勢預測

通過總結近5年高考試題中的電化學試題，燃料電池類試題是高考的熱點和難點。同時，燃料電池與生活、生產緊密聯系，新型高效的燃料電池是科技創新的表現。因此，燃料電池特別是新型燃料電池將在今后成為高考試題的高頻考點。預計考查的難點問題可能會側重燃料電池的改進方面，比如“電極材料的改進”“反應原理的改進”“加工工藝的改進”“新材料的應用”“電池效率的提升”等。

2.試題的功能價值分析