學習園地多種燃料電池電極反應式的書寫

燃料電池是原電池知識的具體應用，是應用前景非常廣闊的綠色化學能源，在近幾年的高考試卷中相關內容的考查也頗受青睞，尤其是不同環境中電極反應式的書寫讓很多學生傷透腦筋。為了幫助學生準確把握常見燃料電池電極反應式的書寫方法，筆者結合個人的教學實踐經驗談談這方面的問題。

一、常見燃料電池的種類

燃料電池種類繁多，除了氫氧燃料電池，還有熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、金屬空氣電池等。隨著研究的深入還會有新的燃料電池出現。

二、燃料電池電極反應式的書寫

1.總反應式的書寫

一般可根據燃料的燃燒反應寫出燃料電池的總反應式，如氫氧燃料電池的總反應式為2H2+O22H2O。但要注意電解質環境，如在堿性環境中，甲烷燃料電池的總反應式為CH4+2O2+2OH-CO2-3+3H2O。

2.正極反應式的書寫

燃料電池的工作原理遵循氧化還原反應的有關規律，即負極失電子，化合價升高，正極得電子，化合價降低。因此一般正極反應式的書寫基礎都是O2+4e-2O2-，而O2-的何去何從與電解質環境有關，現將常見四種電解質環境中正極反應式的書寫歸納如下。

（1）酸性溶液（如稀硫酸）

在正極O2+4e-2O2-，酸性溶液中2O2-+4H+2H2O，因此正極反應式為O2+4e-+4H+2H2O。

（2）堿性溶液（如氫氧化鉀溶液）

在正極O2+4e-2O2-，堿性溶液中2O2-+2H2O4OH-，因此正極反應式為O2+4e-+2H2O4OH-。

這里注意（1）、（2）兩種情況均為含水環境。

（3）熔融的碳酸鹽為電解質（如熔融K2CO3）

說明：熔融鹽燃料電池具有高的發電效率，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質，CO為燃氣，空氣與CO2的混合氣體為助燃氣，制得在650℃下工作的燃料電池。

在正極O2+4e-2O2-，熔融的碳酸鹽中2O2-+2CO22CO2-3，因此正極反應式為O2+4e-+2CO22CO2-3。

（4）固體氧化物為電解質（如固體氧化鋯-氧化釔，可傳導O2-）

說明：固體氧化物燃料電池是美國西屋（Westinghouse）公司研制開發的。它以固體氧化鋯-氧化釔為電解質，這種固體電解質在高溫下允許氧離子（O2-）在其間通過，該電池的工作原理如圖1所示，其中多孔電極a、b均不參加電極反應。

正極反應式應為O2+4e-2O2-。

這里注意（3）、（4）兩種情況均為非含水環境。

3.負極反應式的書寫

負極反應物較簡單時負極反應式可直接書寫，較復雜時一般采用電極反應加減法。如甲醇燃料電池，電解質為氫氧化鉀溶液。總反應式：2CH3OH+3O2+4OH-2CO2-3+6H2O， 正極反應式：O2+4e-+2H2O4OH-。

用總反應式-正極反應式×3=負極反應式，可得負極反應式為2CH3OH-12e-+

16OH-2CO2-3+12H2O

三、難點突破

1.抓住核心

氧氣在正極得電子，發生還原反應，燃料在負極失電子，發生氧化反應。

2.重點訓練電極反應式書寫

（1）確定燃料電池電解質類型。

（2）寫出電池總反應式。總反應式可能是燃料燃燒的方程式，也可能是燃料燃燒的方程式和燃燒產物與電解質溶液中某種微粒反應方程式疊加后的式子，但無論哪種情況，都不寫點燃條件。

（3）確定氧氣在給定環境下正極的反應式。

（4）利用電極反應加減法，寫出負極的反應式。

（收稿日期：2014-11-10）