久考不衰的燃料電池

蘭建祥

隨著新型電池尤其是燃料電池的日益廣泛應用，高考對新型電池的關注和考查也是經久不衰，其中電極反應式的書寫是考生最重要的失分點。本文根據電解質的不同，歸類分析了如何書寫常見燃料電池的電極反應式，借此突破教學難點。

一、燃料電池的類型

燃料電池按燃料狀態可分為液體型（如甲醇、乙醇、甲苯、汽油、柴油等）和氣體型（如氫氣、天然氣、乙烷、丙烯、丁烷、肼等），按工作溫度可分為低溫型（低于200℃）、中溫型（200℃～750℃）和高溫型（高于750℃）；按電解質類型可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等五種。

常見各種燃料電池列于表1。

表1

類型堿性燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池質子交換膜燃料電池

電解質KOHH3PO4碳酸鹽質子交換膜復合氧化物（ZrO2-Y2O3）

傳導離子OH-H+CO2-3H+O2-

電極陽極多孔鎳多孔質石墨（Pt作催化劑）多孔質鎳多孔質石墨或鎳（Pt作催化劑）Co-ZrO2或Ni-ZrO2

陰極銀多孔質石墨（Pt作催化劑）多孔NiO（摻鋰）多孔質石墨或鎳（Pt作催化劑）添加Sr的LaMnO3

工作溫度/℃50～250180～210620～660800～100025～100

燃料純氫煤氣、天然氣、甲醇、氫氣等煤氣、天然氣、甲醇、氫氣等等 煤氣、天然氣、甲醇、氫氣等氫氣、重整氫、甲醇等

氧化劑純氧空氣空氣空氣純氧或空氣

發電效率70%高于40%60%～85%60%～85%32%～37%

二、電極反應式的書寫規律

燃料電池雖然種類多樣，但其基本結構類似：電極材料一般是惰性電極，具有很強的催化能力，如鉑電極、活性炭電極等；還原劑（燃料）在負極反應，氧化劑（氧氣或空氣）在正極反應，其組成可表示為：（-）燃料│電解質│O2（+）。燃料電池的氧化劑和燃料不是全部儲藏在電池內，而是在工作時不斷從外界輸入，同時將電極反應產物不斷排出，從而使電池能連續不斷地提供電能。

燃料電池雖是一種不經過燃燒而轉化電能的裝置，但其在放電時發生的總反應和燃料燃燒時的總反應本質相同，只是需要考慮生成物與電解液能否繼續反應。燃料電池的工作原理基本上都是相似的，即可燃物為還原劑，氧氣為氧化劑，根據燃料電池的這一特點可知，正極上均發生反應O2+4e-2O2-，只是O2-的存在形式與燃料電池的電解質的狀態、電解質溶液的酸堿性密切相關，其正極反應有所不同（如表2所示）。

根據“一池多變”的思維模式，通過分類可突破書寫電極反應式的難點。

表2

介質環境介質特點正極反應式

水溶液型電解質酸性環境傳導H+O2+4H++4e-2H2O

堿性環境傳導OH-O2+2H2O+4e-4OH-

熔融鹽型電解質高溫下能傳導CO2-3O2+2CO2+4e-2CO2-3

固體型電解質在高溫下能傳導O2-O2+4e-2O2-

質子交換膜型電解質傳導H+O2+4H++4e-2H2O

1.水溶液型電解質

O2-不能存在于水溶液中，酸性環境中結合H+生成H2O，堿性或中性環境中結合H2O生成OH-。

例1 （2012年四川理綜）一種基于酸性燃料電池原理設計的酒精檢測儀，負極上的反應為CH3CH2OH-4e-+H2OCH3COOH+4H+。下列有關說法正確的是（ ）。

A.檢測時，電解質溶液中的H+向負極移動

B.若有0.4 mol電子轉移，則在標準狀況下消耗4.48 L氧氣

C.電池反應的化學方程式為CH3CH2OH+O2CH3COOH+H2O

D.正極上發生的反應為O2+4e-+2H2O4OH-

解析在原電池中，陽離子向正極移動，A錯；因電解質溶液是酸性的，則正極的反應式為O2+4H++4e-2H2O，轉移0.4 mol電子時消耗2.24 L O2，B、D錯；電池反應式即正負極反應式之和，將兩極的反應式相加可知C正確。選C。

2.熔融鹽型電解質

通常是熔融碳酸鹽如熔融K2CO3或Li2CO3或K2CO3-Li2CO3，高溫下能傳導CO2-3；O2-在熔融碳酸鹽中也不能單獨存在，需結合CO2生成CO2-3，故正極除通入O2外還需要通入輔助氣體CO2。

圖1

例2 （2013年安徽理綜）熱激活電池可用作火箭、導彈的工作電源。一種熱激活電池的基本結構如圖1所示，其中作為電解質的無水LiCl-KCl混合物受熱熔融后，電池即可瞬間輸出電能。該電池總反應為PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。下列有關說法正確的是（ ）。

A.正極反應式：Ca+2Cl--2e-CaCl2

B.放電過程中，Li+向負極移動

C.每轉移0.1 mol電子，理論上生成20.7 g Pb

D.常溫時，在正負極間接上電流表或檢流計，指針不偏轉

解析正極得電子發生還原反應，A錯誤；放電時為原電池，陽離子移向正極，B錯誤；每轉移0.1 mol電子，根據電子守恒，應生成0.05 mol Pb，質量為10.35 g，C錯誤；常溫下，電解質不能熔融形成自由移動的離子，所以不能導電，故指針不偏轉，D正確。選D。

3.固體型電解質

固體電解質又稱快離子導體，主要有鈉離子導體、鋰離子導體、氧離子導體、質子導體等，應用最廣泛的固體電解質是氧離子導體，它以氧化鋯為基體，摻雜以7%～20%的二價或三價氧化物（如CaO、MgO、Y2O3和其他稀土氧化物）燒結制成固體陶瓷電解質。摻雜Y2O3的ZrO2固體作電解質，在高溫下能傳導正極生成的O2-。

例3 （2005年廣東）一種新燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質是摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）晶體，在熔融狀態下能傳導O2-。下列對該燃料說法正確的是（）。

A.在熔融電解質中，O2-由負極移向正極

B.電池的總反應是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應為：O2+4e-2O2-

D.通入丁烷的一極是正極，電極反應為：C4H10+26e-+13O24CO2+5H2O

解析在熔融的電解質中，O2-應由正極移向負極，A錯誤；由丁烷的燃燒反應及電解質的特性可知電池的總反應是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，B正確；電解質能傳導O2-，正極反應為：O2+4e-2O2-，C正確；通入丁烷的一極是負極，D錯誤。選BC。

4.質子交換膜型電解質

質子交換膜燃料電池（又稱固體聚合物電解膜燃料電池）是以磺酸型質子交換膜為固體電解質，是一種固體有機膜，在增濕情況下，只傳導質子。質子交換膜燃料電池無電解質腐蝕問題，能量轉換效率高，無污染，可室溫快速啟動。

圖2

例4 （2009年江蘇）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結構示意圖如圖2所示。關于該電池的敘述正確的是

（ ）。

A.該電池能夠在高溫下工作

B.電池的負極反應為C6H12O6+