非水燃料电池例析

◇ 江苏 邵晓华

燃料电池是一种通过电极反应直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置:燃料电池技术是继水力、火力和核能之后的新一代发电技术.如将燃料和空气分别送进燃料电池,中间不经过燃烧过程,燃料中化学能转化为电能,就产生了电流.燃料电池中通入空气的是正极,氧气发生还原反应;通入燃料的是负极,发生氧化反应.非水燃料电池是以熔融金属氧化物或碳酸盐为电解质的燃料电池.

1 固态金属氧化物燃料电池

固态金属氧化物燃料电池以金属氧化物为电解质,金属氧化物中只能通过氧离子(O2－),O2在正极得到电子生成O2－,燃料在负极失去电子,结合O2－生成CO2和H2O.

例1直接煤—空气燃料电池原理如图1所示,下列说法错误的是( ).

图1

A.随着反应的进行,氧化物电解质的质量不断减少

B.负极的电极反应式为

C.电极X为负极,O2－向X极迁移

D.直接煤—空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高

分析燃料电池中O2是正极,得到电子生成O2－通过金属氧化物电解质移向负极,燃料在负极失去电子结合O2－生成CO2和H2O.氧化物电解质的质量不会减少,在电极Y上O2得到电子生成O2－不断再补充,选项A错误;由原理图分析可知,其负极反应式为,选项B正确;原电池内部的阴离子向负极移动,选项C正确;直接煤—空气燃料电池是把化学能直接转化为电能,而煤燃烧发电是把化学能转化为热能,再转化为电能,其中能量损耗较大,选项D正确.

2 熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池是一种以熔融碳酸盐为电解质的燃料电池,电解质中可以通过,O2在正极得到电子生成O2－,再结合CO2生成,燃料在负极失去电子,生成CO2.

例2科学家设计的以熔融碳酸盐为电解质,C4H10为燃料的电池工作原理如图2,下列说法正确的是( ).

图2

A.a为C4H10,b为CO2

C.此电池在常温下也能工作

D.通入丁烷的一极是负极,电极反应式为

C4H10－26e－＋13＝17CO2↑＋5 H2O

分析熔融碳酸盐电解质中只允许通过,因此正极通入O2的同时还要通入CO2,使O2得到电子生成O2－,再结合CO2生成.燃料电池中通入燃料的电极是负极,通入氧化剂的电极是正极,根据电子流向,左边电极是负极,右边是正极,所以a为C4H10,b为O2,选项A错误;原电池放电时,阴离子移向负极,即向负极移动,选项B错误;碳酸盐需要在高温条件下才能熔化,选项C错误;通入丁烷的一极是负极,发生失电子的氧化反应,电极反应式为C4H10－26e－＋13＝17CO2↑＋5 H2O,选项D正确.答案为D.

总之,非水燃料电池中一定要明确电解质中能通过什么离子,再确定正极O2得电子生成什么粒子,负极燃料失去电子生成什么粒子,同时要结合示意图中物质转化进行回答.