有關燃料電池的化學試題

文章編號：1005－6629(2007)07－0064－04 中圖分類號：G632.479 文獻標識碼：B

隨著課程改革的逐步推進，化學新課程教材中的選修模塊《化學反應原理》成了高考必考模塊。由于國際市場原油價格居高不下，新型能源的研究迫在眉睫地擺在我們的面前。燃料電池因其能量利用率高而頗受人們關注，使它成為近一段時期高考熱點問題。那么什么是燃料電池，怎樣解決燃料電池問題呢？“燃燒總反應法”是一種非常好的解決燃料電池的方法。

1認識燃料電池

燃料電池是將燃料(如H2、CH4、乙醇等)氧化時，化學能直接轉變為電能的裝置。它由燃料、氧化劑、電極、電解質組成。在結構上和傳統的電池一樣具有正負電極，正負電極被電解質分隔。所有燃料電池的基本形式為：將燃料和氧氣(或空氣)分別充入負極和正極，兩者在電極的催化作用下進行化學反應，從而產生電流。在不斷補充燃料和氧氣(或空氣)的條件下，燃料電池可連續發電。因此，它不同于需要間斷充電的蓄電池，也不同于一次性電池。這種電池能量利用率可高達80%，(一般柴油發電機只有40%左右)，反應產物的污染也少。燃料電池根據采用的電解質不同分為：(1)堿性燃料電池(AFC， Alkaline Fuel Cell)；(2)熔融鹽燃料電池(MCFC， Molten Carbonate Fuel Cell)；(3)固體氧化物燃料電池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)；(4)磷酸燃料電池(PAFC， Phosphoric Acid Fuel Cell)；(5)質子交換膜燃料電池(PEMFC， Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。

2燃料電池的原理

燃料電池的原理并不復雜。以氫－氧燃料電池為例，當氫氣被送到負極通道，由于負極催化劑的作用，氫分子(H2)發生氧化反應，失去電子，生成帶正電荷的氫離子，電子(e-)則通過外電路流向正極，產生電流。正極區的氧氣和水，得到電子，發生還原反應而生成OH-，如右圖所示：

3 燃料電池的出題類型和解題方法

燃料電池雖然是不經過燃燒而轉化電能的一種裝置，但其在放電時發生的總反應和燃料燃燒時的總反應一樣。一般是O2作氧化劑，可燃物為還原劑。我們可以利用這一點進行解題。根據原電池的基本原理，負極發生氧化反應，正極發生還原反應，所以可燃物為負極反應物，O2為正極反應物。我們要特別注意在書寫電極反應時電解質會參與電極反應，如電解質溶液為KOH或NaOH，正極反應方程式為，O2＋2H2O＋4e- 4OH-；若電解質溶液為磷酸，正極反應式為O2+4H++4e-2H2O；若電解質溶液為固體氧化物，正極反應式就為O2+4e-

2O2-。然后利用燃燒反應的方程式分析解決。

現舉例說明：

(一)堿性燃料電池(電解質溶液為KOH)

堿性燃料電池是中學最常見的燃料電池，發電效率高，但是對CO2敏感，生成的碳酸鹽影響其導電效果。

[例1]氫氧燃料電池

美國阿波羅宇宙飛船上使用的氫氧燃料電池是一種新型的化學電源，其構造如下圖所示：a、b兩極均由多孔性炭制成，通入的氣體由孔隙中逸出，并在電極表面放電。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。