突破燃料电池电极反应式的写法:氢氧燃料电池电极反应式

　　 在学习原电池时，感觉最棘手的问题是电极反应式的书写，特别是燃料电池电极反应式的书写。下面把燃料电池电极反应式的书写方法给同学们作一总结介绍。 　　 一、燃料电池的基本知识
　　
　　 1.定义
　　 燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料化学能直接转变为电能的装置。它和其他电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会出现火焰。燃料电池的两电极都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气，工作时燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。化学能可以直接转化为电能，且废物排放量很低。燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，这是书写燃料电池总反应方程式的依据。
　　 2.电极
　　 燃料电池的电极材料是多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同。燃料电池的两电极都不参加反应，故燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应。
　　 3.电解质
　　 不同类型的燃料电池有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。不同的电解质中，燃料电池的电极反应式有不同的表示方法，在书写燃料电池电极反应式时，要特别注意电解质的种类。
　　 4.工作原理
　　 以氢氧燃料电池为例，其工作原理是：氢气（可燃物）在负极处失去电子（燃料被氧化掉），电子从外电路流到正极；同时，阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。在正极，阳离子与氧气发生反应，并从负极获得电子。
　　 5.优点
　　 （1）燃料电池是把化学能直接转化为电能，不经过热能这一中间形式，它的电效率比其他任何形式的发电技术的电效率都高。
　　 （2）燃料电池的废物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大减少了对环境的污染。
　　 （3）燃料电池中无运动部件，工作时不会造成噪音污染且无机械磨损。
　　 二、燃料电池电极反应式的书写方法
　　 燃料电池的工作原理是相同的，电极反应式的书写是有规律的。书写燃料电池电极反应式的一般步骤：一、写出燃料电池的总反应式；二、写出燃料电池的正极反应式；三、在电子守恒的基础上，用燃料电池的总反应式减去正极反应式，即得到负极反应式。下面对燃料电池电极反应式的书写步骤作一具体解释。
　　 1.总反应式的书写
　　 燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应式，但要注意燃料的种类。如果是氢氧燃料电池，其电池总反应式不会因电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O22H2O；如果燃料是含碳元素的可燃物，电池总反应式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，例如，甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO2-3离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2CO2-3+3H2O。
　　 2.正极反应式的书写
　　 燃料电池正极反应物都是氧气，正极都是氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式。正极反应的本质都是O2得电子生成O2-，正极反应式的基础都是O2+4e-2O2-。正极产生的O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系，这一步是非常重要的。现介绍与电解质有关的四种情况。
　　 （1）电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）
　　 在酸性环境中，O2-不能单独存在，O2-结合H+生成H2O。在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2+4H++4e-2H2O。
　　 （2）电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）
　　 在中性或碱性环境中，O2-不能单独存在，O2-只能结合H2O生成OH-。在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
　　 （3）电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐的混合物）
　　 在熔融的碳酸盐环境中，O2-不能单独存在，O2-可结合CO2生成CO2-3，则其正极反应式为O2+2CO2+4e-2CO2-3。
　　 （4）电解质为固体电解质（如固体氧化锆―氧化钇）
　　 固体电解质在高温下可允许O2-在其间通过，故其正极反应式应为O2+4e-2O2-。
　　 总之，燃料电池正极反应式本质都是O2+4e-2O2-，在不同电解质环境中，正极反应式的书写形式有所不同。在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
　　 3.负极反应式的书写
　　 燃料电池负极的电极反应式的书写是一个难点。燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式是相当困难的。一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上，用总反应式减去正极反应式，即得负极反应式。但也可以直接书写，下面结合实例进行介绍。
　　 （1）加减法书写负极电极反应式
　　 以甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池为例，用加减法书写负极电极反应式。
　　 CH3OH+O2CO2+H2O
　　
　　①
　　 但是CO2在碱性环境中不能单独存在，会与OH-反应生成CO2-3：
　　 CO2+2OH-CO2-3+H2O
　　
　　②
　　 将①式加②式即可得到总反应式：
　　 2CH3OH+3O2+4OH-2CO2-3+6H2O
　　
　　③
　　 电解质溶液为碱性，正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-
　　
　　④
　　 负极的反应式为总反应式减去正极的反应式，即③式减去④式：
　　 2CH3OH+3O2+4OH--3O2-6H2O-12e-2CO2-3+6H2O-12OH-
　　 整理之后得负极反应式：CH3OH+8OH--6e-CO2-3+6H2O
　　 （2）直接法书写负极电极反应式
　　 以甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池为例，用直接法书写负极电极反应式。
　　 甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的总反应式为2CH3OH+3O2+4OH-2CO2-3+6H2O，有1mol氧气参加反应，转移4mol电子，2mol甲醇与3mol氧气转移12mol电子，可以看到1mol甲醇失去6mol电子，相当于带6mol的正电荷。1mol甲醇在强碱作电解质时生成1molCO2-3，带2mol的负电荷。根据电荷守恒，电极反应式的右边带2mol的负电荷，左边也要带2mol的负电荷。现在是电极反应式左边带6mol的正电荷，需要8mol的OH-使左边也带2mol的负电荷。综上可直接写出：CH3OH-6e-+8OH-CO2-3+6H2O
　　 三、几种常见燃料电池的电极反应式的书写
　　 1.氢氧燃料电池
　　 氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂（Pt）或石墨作电极材料，负极通入H2，正极通入O2，总反应式为2H2+O22H2O。
　　 电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况：
　　 （1）电解质是KOH溶液（碱性电解质）
　　 负极发生的反应为H2-2e-2H+、2H++2OH-2H2O，所以，负极的电极反应式为H2-2e-+2OH-2H2O；正极是O2得到电子，即O2+4e-2O2-，O2-在碱性条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH-，即2O2-+2H2O4OH-，因此，正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
　　 （2）电解质是H2SO4溶液（酸性电解质）
　　 负极的电极反应式为H2-2e-2H+。正极是O2得到电子，即O2+4e-2O2-，O2-在酸性条件下不能单独存在，只能结合H+生成H2O，即O2-+2H+H2O，因此，正极的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O(O2+4e-2O2-，2O2-+4H+2H2O)。
　　 （3）电解质是NaCl溶液（中性电解质）
　　 负极的电极反应式为H2-2e-2H+，正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
　　 说明：①碱性溶液反应物、生成物中均无H+。②酸性溶液反应物、生成物中均无OH-。③中性溶液反应物中无H+和OH-。④水溶液中不能出现O2-。
　　 2.甲醇燃料电池
　　 甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质。
　　 （1）碱性电解质（KOH溶液为例）
　　 总反应式：2CH4O+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O
　　 正极的电极反应式：3O2+12e-+6H2O12OH-
　　 负极的电极反应式：CH4O-6e-+8OH-CO2-3+6H2O
　　 （2）酸性电解质（H2SO4溶液为例）
　　 总反应式:2CH4O+3O22CO2+4H2O
　　 正极的电极反应式：3O2+12e-+12H+6H2O
　　 负极的电极反应式：2CH4O-12e-+2H2O12H++2CO2
　　 说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同。
　　 3.甲烷燃料电池
　　 甲烷燃料电池以多孔镍板为两极,电解质溶液为KOH，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，所以总反应式为CH4+2KOH+2O2K2CO3+3H2O。
　　 负极发生反应：CH4-8e-+8OH-CO2+6H2O、CO2+2OH-CO2-3+H2O，所以，负极的电极反应式为CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O。正极发生反应：O2+4e-2O2-、O2-+H2O2OH-，所以，正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
　　 对于丙烷燃料电池的负极反应式也可以直接这样写：丙烷与氧气反应，1mol丙烷需要和5mol的氧气反应，说明转移20mol的电子，所以在写燃料电池的负极反应时，失去20e-相当于带20单位正电荷，而电极反应式的右边得到3CO2-3带6个单位负电荷，根据电荷守恒，电极反应式的左边需要带6个单位负电荷，需要26OH-，根据氢原子守恒配平水的化学计量数。
　　 说明：掌握了甲烷燃料电池的电极反应式，就掌握了其他气态烃燃料电池的电极反应式。
　　 4.铝―空气―海水电池
　　 我国首创以铝―空气―海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。
　　 电源负极材料为铝，电源正极材料为石墨、铂网等能导电的惰性材料。
　　 负极的电极反应式：4Al-12e-4Al3+
　　 正极的电极反应式：3O2+6H2O+12e-12OH-
　　 总反应式：4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3
　　 说明:铝板要及时更换,铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积。
　　 四、燃料电池电极反应式的书写应用举例
　　 1.电解质为酸性电解质溶液
　　 例1.生物燃料电池(BFC)是以有机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂的一类特殊的燃料电池，其能量转化效率高，是一种真正意义上的绿色电池，其工作原理如图所示。
　　 已知C2极的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O。下列有关说法不正确的是（ ）
　　 A．C1极为电池负极，C2极为电池正极
　　 B．电子由C2极经外电路导线流向C1极
　　 C．C1极的电极反应式为C2H5OH+3H2O-12e-2CO2+12H+
　　 D．该生物燃料电池的总反应式为C2H5OH+3O22CO2+3H2O
　　 解析：燃料电池中，通入燃料的一极为负极，发生失电子氧化反应，通入氧气的一极为正极，发生得电子还原反应，A项正确。根据题意知，总反应式为CH3CH2OH+3O22CO2+3H2O，D项正确。可以直接写负极反应式：总反应式中1molCH3CH2OH与3molO2反应，转移的电子数为12mol,也就是1molCH3CH2OH参加反应失去12mol的电子，相当于带12mol的正电荷；根据电荷守恒，反应式的右边也要带12mol的正电荷，即产生12molH+；根据H守恒，反应式的左边需要3mol的H2O；又根据C守恒，反应式的右边有2mol的CO2生成，C项正确。电子由负极经外电路流向正极，B项错误。答案为B。
　　 2.电解质为碱性电解质溶液
　　 例2.据报道，拥有我国完全自主产权的甲醇燃料电池车将在国家4A级以上风景区为游客提供服务。某种甲醇燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是（ ）
　　 A.正极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-
　　 B.工作一段时间后，电解液中的KOH的物质的量不变
　　 C.该燃料电池的负极反应式为CH3OH-6e-+8OH-CO2-3+6H2O
　　 D.该电池电解CuCl2溶液，产生2.24LCl2（标准状况）时，有0.2mol电子转移
　　 解析：本题综合考查碱性条件下氢氧燃料电池的相关问题。因甲醇燃料电池的电解质为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池发生的负极反应式是CH3OH-6e-+8OH-CO2-3+6H2O。从总反应式2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O可以看出，需消耗OH-，同时生成K2CO3，故KOH的物质的量减小，C错。在KOH溶液中，其正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-；甲醇的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式，为CH3OH-6e-+8OH-CO2-3+6H2O，选项A、B均正确。产生2.24LCl2（标准状况），即有0.1molCl2生成，Cl-由-1价变为0价，转移电子0.2mol，D项正确。故符合题意的是选项C。
　　 3.电解质为熔融碳酸盐
　　 例3.某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO-3）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题。
　　 （1）写出该燃料电池的化学反应方程式。
　　 （2）写出该燃料电池的电极反应式。
　　 （3）为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？
　　 解析：由于电解质为熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO-3，生成的CO2不会与CO2-3反应生成HCO-3的，故该燃料电池的总反应式为2C4H10+13O28CO2+10H2O。按上述燃料电池正极反应式的书写方法（3）知，在熔融碳酸盐环境中，其正极反应式为O2+2CO2+4e-2CO2-3。通入丁烷的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式求得，应为2C4H10+26CO2-3-52e-34CO2+10H2O。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入CO2，它从负极反应产物中来。
　　 答案：（1）2C4H10+13O28CO2+10H2O （2）正极：O2+2CO2+4e-2CO2-3，负极：2C4H10+26CO2-3-52e-34CO2+10H2O （3）CO2 从负极反应产物中来
　　 4.电解质为固体氧化物
　　 例4.一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池的说法正确的是( )
　　 A.在熔融电解质中，O2-由负极移向正极
　　 B.电池的总反应式为2C4H10+13O28CO2+10H2O
　　 C.通入空气的一极是正极，电极反应式为O2+4e-2O2-
　　 D.通入丁烷的一极是正极，电极反应式为C4H10+26e-+13O2-4CO2+5H2O
　　 解析：本题以丁烷燃料电池为载体，综合考查了原电池原理涉及的有关“电子流向、电极反应式、总反应式”等内容。因正极上富集电子，根据电性关系，O2-不可能移向正极，A错。由丁烷的燃烧反应及电解质的特性，知该电池的总反应式为2C4H10+13O28CO2+10H2O，B正确。按上述燃料电池正极反应式的书写方法（4）知，在熔融状态下允许O2-在其间通过，故其正极反应式为O2+4e-2O2-，C正确。通入丁烷的一极应为负极，D错。故符合题意的是选项B、C。
　　 五、快乐体验
　　 1.（2009年广东）可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是（ ）
　　 A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应式都为O2+2H2O+4e-4OH-
　　 B.以NaOH溶液为电解液时，负极反应式为Al+3OH--3e-Al(OH)3
　　 C.以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变
　　 D.电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极
　　 2.据媒体报道：以氢氧燃料电池为动力的公交车即将在北京试运行。质子交换膜燃料电池（PEMFC）常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢为燃料，空气为氧化剂，铂作催化剂，导电离子是H+。下列对该燃料电池的描述中正确的是（ ）
　　 ①正极反应式为O2+4H++4e-2H2O ②负极反应式为2H2-4e-4H+ ③总的化学反应式为2H2+O2点燃2H2O ④氢离子通过电解质向正极移动
　　 A．①②④B．②③④
　　 C．①②③D．①②③④
　　 3.上海世博会期间，氢氧燃料电池车进入世博园，园区内实现了公共交通“二氧化碳零排放”。下列说法中正确的是( )
　　 A．CH4燃料电池车也能实现“二氧化碳零排放”
　　 B．燃料电池正极发生氧化反应
　　 C．通入氢气的一极为燃料电池的负极
　　 D．氢氧燃料电池把H2和O2燃烧放出的热能转化为电能
　　 4.下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是( )
　　 A．a电极是负极
　　 B．b电极的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑
　　 C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
　　 D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
　　 5.固体氧化物燃料电池(SOFC)以固体氧化物作为电解质，其工作原理如下图所示。下列关于固体燃料电池的有关说法正确的是（ ）
　　 A．电极b为电池负极，电极反应式为2O2+4e-4O2-
　　 B．固体氧化物的作用是让电子在电池内通过
　　 C．若H2作为燃料气，则接触面上发生的反应为H2+2OH--4e-2H++H2O
　　 D．若C2H4作为燃料气，则接触面上发生的反应为C2H4+6O2--12e-2CO2+2H2O
　　 6.科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题。
　　 （1）这种电池放电时发生的化学反应方程式是 。
　　 （2）此电池的正极发生的电极反应式是 ，负极发生的电极反应式是 。
　　 （3）电解液中的H+向 极移动，向外电路释放电子的电极是 。
　　 （4）比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是 。
　　 参考答案：1.A 2.A 3.C 4.B 5.D 6.（1）2CH3OH+3O22CO2+4H2O （2）3O2+12H++12e-6H2O 2CH3OH+2H2O-12e-2CO2↑+12H+ （3）正 负 （4）对空气的污染较小

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