燃料電池原理及習(xí)題解答

1、燃料電池原理及習(xí)題解答在中學(xué)階段，掌握燃料電池的工作原理和電極反應(yīng)式的書寫是十分重要的。所有的燃料 電池的工作原理都是一樣的，其電極反應(yīng)式的書寫也同樣是有規(guī)律可循的。書寫燃料電池電 極反應(yīng)式一般分為三步：第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式；第二步，再寫出燃料電 池的正極反應(yīng)式；第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得 到負極反應(yīng)式。下面對書寫燃料電池電極反應(yīng)式竺步法”具體作一下解釋。1、燃料電池總反應(yīng)方程式的書寫因為燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng) 寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方

2、 程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷 燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O;在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和 H2O,即 CH4+2OH'+2O2=CO32'+3H2Oo2、燃料電池正極反應(yīng)式的書寫因為燃料電池正極反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以 可先寫出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成 O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是。2+ 4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子

3、的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸 堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步?，F(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供 O2-離子結(jié)合的微粒有 H+離子和H2O, O2-離子優(yōu) 先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2 + 4H+4e=2H2O。電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）在中性或堿性環(huán)境中，O2離子也不能單獨存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中 性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為O2+ 2H2O +4e-=4OH-。電解質(zhì)為熔融的碳酸

4、鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中， O2-離子也不能單獨存在，O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應(yīng)式為 。2 + 2CO2 +4e-=2CO32-。電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化錯一氧化鈕）該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為。2+ 4e-=2O2-。綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O2+ 4e-=2O2-,在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應(yīng)式時，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì) 溶液的酸堿性。3、燃料電池負極反應(yīng)式的書寫燃料電池負極反應(yīng)物種類比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲

5、烷、丁烷、甲醇、乙醇等可 燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負極反應(yīng)式相當困難。一般燃料電 池的負極反應(yīng)式都是采用間接方法書寫，即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應(yīng)式和正 極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負極反應(yīng)式。5下面主要介紹幾種常見的燃料電池。、氫氧燃料電池氫氧燃料電池一般是以惰性金屬伯（Pt）或石墨做電極材料，負極通入吒，正極通入。2,總反應(yīng)為：2H2 + O 2 = 2H 2。電極反應(yīng)特別要注意電解質(zhì)，有下列三種情況：1 .電解質(zhì)是KOHB液（堿性電解質(zhì)）負極發(fā)生的反應(yīng)為：H2 + 2e - = 2H + ,2H + + 2OH- = 2

6、H 2。,所以：負極的電極反應(yīng)式為：H2 - 2e- + 2OH- = 2H 2Q正極是Q得到電子，即：Q + 4e- = 2O 2- , C2-在堿性條件下不能單獨存在，只能結(jié)合H2O生成 OH即：2C2- + 2H2O = 4OH-,因此，正極的電極反應(yīng)式為：C2 + H 2O + 4e- = 4OH -。2 .電解質(zhì)是H2SO溶液（酸性電解質(zhì)）負極的電極反應(yīng)式為：H2 +2e - = 2H +正極是Q得到電子，即：Q + 4e- = 2O 2- , O2-在酸性條件下不能單獨存在，只能結(jié)合M生成 H2O 即：O2- + 2 H + = H 2Q 因此正極的電極反應(yīng)式為：Q + 4H +

7、+ 4e - = 2H 20。+ 4e - = 2O2- , 2O2- + 4H + = 2H 2O）3.電解質(zhì)是NaCl溶液（中性電解質(zhì)）負極的電極反應(yīng)式為：H2 +2e - = 2H +正極的電極反應(yīng)式為：Q + H 2O + 4e- = 4OH說明：1.堿性溶液反應(yīng)物、生成物中均無 目2. 酸性溶液反應(yīng)物、生成物中均無 OH3. 中性溶液反應(yīng)物中無 H和OH4. 水溶液中不能出現(xiàn) 3二、甲醇燃料電池甲醇燃料電池以伯為兩極，用堿或酸作為電解質(zhì)：1 .堿性電解質(zhì)（KOH§液為例）正極的電極反應(yīng)式為:總反應(yīng)式：2CHO + 3O2 +4KOH= 2K2CO + 6H 2O 3O2+1

8、2e- + 6H 20=12OH負極的電極反應(yīng)式為：CHO -6e -+8OH = CO32- + 6H2O2.酸性電解質(zhì)(HkSQ溶液為例)總反應(yīng)：2CH 4。+ 30 2 = 2CO2 + 4H2O正極的電極反應(yīng)式為：3Q+12e-+12H+ = 6H2O負極的電極反應(yīng)式為：2CHO-12e-+2H2O = 12H+ 2CO2說明：乙醇燃料電池與甲醇燃料電池原理基本相同三、甲烷燃料電池甲烷燃料電池以多孔鐐板為兩極，電解質(zhì)溶液為 KOH生成的CO還要與KOH反應(yīng)生成 &CO,所以總反應(yīng)為： CH + 2KOH+ 2O2 = K 2CO + 3H 2O。負極發(fā)生的反應(yīng)： CH - 8e

9、- + 8OH - =CO2 + 6H 2O CO 2 + 2OH- = CO32-+ H 2O,所以： 負極的電極反應(yīng)式為： CH + 10 OH - + 8e- = CO 32- + 7H 2O正極發(fā)生的反應(yīng)有：Q + 4e- = 2O 2-和O2- + H 2O = 2OH-所以：正極的電極反應(yīng)式為：Q + 2H 2O + 4e- = 4OH -說明：掌握了甲烷燃料電池的電極反應(yīng)式，就掌握了其它氣態(tài)燒燃料電池的電極反應(yīng)式四、鋁-空氣-海水電池我國首創(chuàng)以鋁-空氣-海水電池作為能源的新型海水標志燈，以海水為電解質(zhì)，靠空氣 中的氧氣使鋁不斷被氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，就會發(fā)出耀

10、眼的白光。電源負極材料為：鋁；電源正極材料為：石墨、鉗網(wǎng)等能導(dǎo)電的惰性材料。負極的電極反應(yīng)式為：4AI 12e =4Al3+;正極的電極反應(yīng)式為：3Q+6H2O+12e =12OH總反應(yīng)式為：4AI+3O2+6HO=4AI(OH) 3說明：鋁板要及時更換，鉗做成網(wǎng)狀是為了增大與氧氣的接觸面積燃料電池電極反應(yīng)式的書寫應(yīng)用舉例1、電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液例1、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是21世紀獲得電力的重要途徑，美國已計劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉗或碳化鴇作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時向一個電極通入空氣。試回答下列問題：這種電池放電時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式

11、是。此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)是；負極發(fā)生的電極反應(yīng)是。電解液中的H+離子向 極移動；向外電路釋放電子的電極是。比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力，使用燃料電池有許多優(yōu)點，其中主要有兩點：首先是燃料電 池的能量轉(zhuǎn)化率高，其次是。答案： 2CH 3OH+3O 2=2CO 2+4H 2O正極 3O2 + 12H+12e-=6H2O;負極 2CH3OH+2H2O 12e-=2CO2? +12H正；負對空氣的污染較小2、電解質(zhì)為堿性電解質(zhì)溶液例2、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，下列關(guān)于甲烷燃料電池的說法不正確的是()A、負極反應(yīng)式為 CH4+10OH- 8e-=CO32-+7H2OB、正極反應(yīng)式為 O2

12、 + 2H2O +4e-=4OH-C、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變D、 甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量利用率大答案：Co3、電解質(zhì)為熔融碳酸鹽例3、某燃料電池以熔融的 K2CO (其中不含C2-和HCO)為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空 氣為氧化劑，以具有催化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題：寫出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式。寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通 入的空氣中加入一種物質(zhì)，加入的物質(zhì)是什么，它從哪里來？解析：由于電解質(zhì)為熔融的 &CO，且不含O2-和HCO,生成的CO不會與CO2-

13、反應(yīng)生成HCO' 的，故該燃料電池的總反應(yīng)式為：2C4H0+13O=8CO+10HQ按上述燃料電池正極反應(yīng)式的書寫方法3知，在熔融碳酸鹽環(huán)境中，其正極反應(yīng)式為Q+ 2CO +4e-=2CO2-。通入丁烷的一極為負極，其電極反應(yīng)式可利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式求得，應(yīng)為2GHw+26CO2- 一52e-=34CO+10HO。從上述電極反應(yīng)式可看出，要使該電池的電解質(zhì)組成保持穩(wěn)定，在通入的 空氣中應(yīng)加入CO,它從負極反應(yīng)產(chǎn)物中來。答案： 2GH0+13Q=8CO+10RO正極：Q+ 2CO +4e-=2CO2-，負極：2GHw+26CO2- 52e-=34CO+10HOCO從負極反應(yīng)產(chǎn)物中來4、電解質(zhì)為固體氧化物例4、一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化鈕(Y2O3) 的氧化錯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)S。下列對該燃料電池說法正確的是A, 在熔融電解質(zhì)中，O-由負極移向正極B, 電池的總反應(yīng)是： 2C4Hw+ 13O2 = 8CO2+ 10H2OC. 通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：Q+ 4e-= 2C2-D. 通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：GH0+ 26e- + 13O2- = 4CO+ 5H2O解析：本題以丁烷