新型燃料電池的分析與探討

廉敬立

摘 要：化學與生活息息相關，燃料電池在高考試題中年年出現(xiàn)。結合我國開發(fā)新能源的要求，有必要分析探討，提高學生的實際運用能力。

關鍵詞：燃料電池；二甲醚；新型能源；酸性電解質溶液；堿性電解質溶液；熔融碳酸鹽

2013陜西理綜試題中28題（15分）是有關燃料電池的題，題中提到二甲醚（CH3OCH3）是無色氣體，可作為一種新型能源。由合成氣（組成為H2、CO和少量的CO2）直接制備二甲醚。因此，分析探討燃料電池是很有必要的。

接著我們從化學電源構成、氫氧燃料電池以及燃料電池電極反應式的書寫來談一談新型燃料電池。

一、化學電源構成

化學電源是將化學能轉化為電能的裝置即原電池。其構成條件是：

1.由兩種金屬活動性不同的金屬或金屬和其他導電的材料（非金屬或某氧化物）組成的兩個電極。即有活潑性不同的兩個電極

2.兩個電極必須浸在電解質溶液中自發(fā)地發(fā)生氧化-還原反應

3.兩電極之間要接觸或用導線相連形成閉合電路

活動性強的金屬是原電池的負極，失去電子發(fā)生氧化反應。活動性較弱的金屬（導電的非金屬或氧化物）是原電池的正極，得到電子發(fā)生還原反應。

二、氫氧燃料電池

氫氧燃料電池是要求學生必須掌握的知識，其他燃料電池推斷以氫氧燃料電池為基準。根據(jù)電解液寫出的正負極電極反應式如下：

三、燃料電池書寫

電池負極和正極的電極反應式是常用的化學用語，其正誤判斷是考試的熱點，燃料電池的電極式書寫更是難點，因此要熟練掌握燃料電池電極反應式的書寫方法。

1.寫

正確寫出燃料燃燒的化學反應方程式，再分析其產(chǎn)物是否與電解液反應。若繼續(xù)反應，寫出其總反應式。若不發(fā)生反應，燃料燃燒的化學反應方程式就是總反應式。

2.定

標出總反應式中各元素的化合價，找出發(fā)生的氧化反應和還原反應，確定在負極和正極上發(fā)生反應的物質。

3.找

根據(jù)電解水溶液是酸性、堿性、中性或電解質是熔融鹽、固體氧化物等，確定正極氧氣放電情況，尋找得出正極反應式。有關電解質的四種情況歸納如下：

（1）電解質為酸性電解質溶液（如稀硫酸）

在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質溶液中，正極反應式為O2+4H++4e-=2H2O。

（2）電解質為中性或堿性電解質溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）

在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質溶液中，正極反應式為O2+2H2O+4e-=4OH-。

（3）電解質為熔融的碳酸鹽（如Li2CO3和Na2CO3熔融鹽混合物）

在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子可結合CO2生成CO32-離子，則其正極反應式為O2+2CO2+4e-=2CO32-。

（4）電解質為固體電解質（如固體氧化鋯—氧化釔）

該固體電解質在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應式應為O2+4e-=2O2-。

綜上所述，燃料電池正極反應式本質都是O2+4e-=2O2-，在不同電解質環(huán)境中，其正極反應式的書寫形式有所不同。

4.減

用總反應式減去正極反應式，得負極反應式。

5.查

查正極和負極得失電子數(shù)目是否相等。氣體和沉淀符號是否標明。（或將正極和負極的電極式相加，看是否等于總反應式。若相等則正確。否則為錯。）

注意：新型燃料電池的燃料很多，如：CO、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、CH3OH、CH3CH2OH、CH3OCH3、Al等都可用作燃料。條件也比較復雜，有的是酸、有的是堿、有的還可為鹽溶液或熔融氧化物。寫電極式時，遇具體問題要具體分析。

探討燃料電池，是為了讓學生在化學復課中充分理解掌握各種類型燃料電池，熟練運用相關知識解決實際問題，提高其綜合應用能力。高考命題在不斷向化學與技術方面傾斜，我們是否應該增開化學與技術這門選修課，讓我們的學生在知識方面不要先輸給其他地區(qū)的學生，使他們在高考中同其他地區(qū)學生能站在同一起跑線上去競爭。

（作者單位 陜西省韓城市象山中學）