久考不衰的燃料电池

兰建祥

随着新型电池尤其是燃料电池的日益广泛应用，高考对新型电池的关注和考查也是经久不衰，其中电极反应式的书写是考生最重要的失分点。本文根据电解质的不同，归类分析了如何书写常见燃料电池的电极反应式，借此突破教学难点。

一、燃料电池的类型

燃料电池按燃料状态可分为液体型（如甲醇、乙醇、甲苯、汽油、柴油等）和气体型（如氢气、天然气、乙烷、丙烯、丁烷、肼等），按工作温度可分为低温型（低于200℃）、中温型（200℃～750℃）和高温型（高于750℃）；按电解质类型可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五种。

常见各种燃料电池列于表1。

表1

类型碱性燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池质子交换膜燃料电池

电解质KOHH3PO4碳酸盐质子交换膜复合氧化物（ZrO2-Y2O3）

传导离子OH-H+CO2-3H+O2-

电极阳极多孔镍多孔质石墨（Pt作催化剂）多孔质镍多孔质石墨或镍（Pt作催化剂）Co-ZrO2或Ni-ZrO2

阴极银多孔质石墨（Pt作催化剂）多孔NiO（掺锂）多孔质石墨或镍（Pt作催化剂）添加Sr的LaMnO3

工作温度/℃50～250180～210620～660800～100025～100

燃料纯氢煤气、天然气、甲醇、氢气等煤气、天然气、甲醇、氢气等等 煤气、天然气、甲醇、氢气等氢气、重整氢、甲醇等

氧化剂纯氧空气空气空气纯氧或空气

发电效率70%高于40%60%～85%60%～85%32%～37%

二、电极反应式的书写规律

燃料电池虽然种类多样，但其基本结构类似：电极材料一般是惰性电极，具有很强的催化能力，如铂电极、活性炭电极等；还原剂（燃料）在负极反应，氧化剂（氧气或空气）在正极反应，其组成可表示为：（-）燃料│电解质│O2（+）。燃料电池的氧化剂和燃料不是全部储藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出，从而使电池能连续不断地提供电能。

燃料电池虽是一种不经过燃烧而转化电能的装置，但其在放电时发生的总反应和燃料燃烧时的总反应本质相同，只是需要考虑生成物与电解液能否继续反应。燃料电池的工作原理基本上都是相似的，即可燃物为还原剂，氧气为氧化剂，根据燃料电池的这一特点可知，正极上均发生反应O2+4e-2O2-，只是O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态、电解质溶液的酸碱性密切相关，其正极反应有所不同（如表2所示）。

根据“一池多变”的思维模式，通过分类可突破书写电极反应式的难点。

表2

介质环境介质特点正极反应式

水溶液型电解质酸性环境传导H+O2+4H++4e-2H2O

碱性环境传导OH-O2+2H2O+4e-4OH-

熔融盐型电解质高温下能传导CO2-3O2+2CO2+4e-2CO2-3

固体型电解质在高温下能传导O2-O2+4e-2O2-

质子交换膜型电解质传导H+O2+4H++4e-2H2O

1.水溶液型电解质

O2-不能存在于水溶液中，酸性环境中结合H+生成H2O，碱性或中性环境中结合H2O生成OH-。

例1 （2012年四川理综）一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH-4e-+H2OCH3COOH+4H+。下列有关说法正确的是（ ）。

A.检测时，电解质溶液中的H+向负极移动

B.若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气

C.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH+O2CH3COOH+H2O

D.正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O4OH-

解析在原电池中，阳离子向正极移动，A错；因电解质溶液是酸性的，则正极的反应式为O2+4H++4e-2H2O，转移0.4 mol电子时消耗2.24 L O2，B、D错；电池反应式即正负极反应式之和，将两极的反应式相加可知C正确。选C。

2.熔融盐型电解质

通常是熔融碳酸盐如熔融K2CO3或Li2CO3或K2CO3-Li2CO3，高温下能传导CO2-3；O2-在熔融碳酸盐中也不能单独存在，需结合CO2生成CO2-3，故正极除通入O2外还需要通入辅助气体CO2。

图1

例2 （2013年安徽理综）热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图1所示，其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是（ ）。

A.正极反应式：Ca+2Cl--2e-CaCl2

B.放电过程中，Li+向负极移动

C.每转移0.1 mol电子，理论上生成20.7 g Pb

D.常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转

解析正极得电子发生还原反应，A错误；放电时为原电池，阳离子移向正极，B错误；每转移0.1 mol电子，根据电子守恒，应生成0.05 mol Pb，质量为10.35 g，C错误；常温下，电解质不能熔融形成自由移动的离子，所以不能导电，故指针不偏转，D正确。选D。

3.固体型电解质

固体电解质又称快离子导体，主要有钠离子导体、锂离子导体、氧离子导体、质子导体等，应用最广泛的固体电解质是氧离子导体，它以氧化锆为基体，掺杂以7%～20%的二价或三价氧化物（如CaO、MgO、Y2O3和其他稀土氧化物）烧结制成固体陶瓷电解质。掺杂Y2O3的ZrO2固体作电解质，在高温下能传导正极生成的O2-。

例3 （2005年广东）一种新燃料电池，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.电池的总反应是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O

C.通入空气的一极是正极，电极反应为：O2+4e-2O2-

D.通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10+26e-+13O24CO2+5H2O

解析在熔融的电解质中，O2-应由正极移向负极，A错误；由丁烷的燃烧反应及电解质的特性可知电池的总反应是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，B正确；电解质能传导O2-，正极反应为：O2+4e-2O2-，C正确；通入丁烷的一极是负极，D错误。选BC。

4.质子交换膜型电解质

质子交换膜燃料电池（又称固体聚合物电解膜燃料电池）是以磺酸型质子交换膜为固体电解质，是一种固体有机膜，在增湿情况下，只传导质子。质子交换膜燃料电池无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。

图2

例4 （2009年江苏）以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图2所示。关于该电池的叙述正确的是

（ ）。

A.该电池能够在高温下工作

B.电池的负极反应为C6H12O6+