燃料電池電極反應(yīng)式的書寫

1、 燃料電池燃料電池是利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料是利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料與氧氣或空氣進(jìn)行反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成與氧氣或空氣進(jìn)行反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一類原電池。電能的一類原電池。 19671967年氫氧燃料電池首次被用作阿波羅宇宙飛船的年氫氧燃料電池首次被用作阿波羅宇宙飛船的電源。用兩個(gè)多孔石墨電極（分別含有不同的催化電源。用兩個(gè)多孔石墨電極（分別含有不同的催化劑）插入作為電解質(zhì)的劑）插入作為電解質(zhì)的30%30%的的KOHKOH水溶液中，氧氣和水溶液中，氧氣和氫氣分別不斷通入正極和負(fù)極并不斷被消耗。氫氣分別不斷通入正極和負(fù)極并不斷被消耗。氫氧燃料電池氫氧燃料電池氧氣氧氣氫氣氫氣

2、A氫氧燃料電池電極反應(yīng)式的書寫多多孔孔電電極極多多孔孔電電極極電解質(zhì)電解質(zhì)電池總反應(yīng)：電池總反應(yīng)：2H2+O2=2H2OKOHKOH溶液溶液液體電解質(zhì)液體電解質(zhì)總反應(yīng)：總反應(yīng)：O2+2H2=2H2O負(fù)極：負(fù)極：2H2-4e+4OH-=4H2O正極：正極：O2+4e+2H2O=4OH-當(dāng)電解質(zhì)溶液呈酸性時(shí)；負(fù)極：負(fù)極：2H2-4e-=4H+正極：正極：O2+4e-+4H+=2H2O氧氣氧氣氫氣氫氣A 氫氧燃料電池電極反應(yīng)式的書寫KOHKOH溶液溶液多多孔孔電電極極多多孔孔電電極極電解質(zhì)電解質(zhì)液體電解質(zhì)液體電解質(zhì)H H2 2SOSO4 4溶液溶液電池總反應(yīng)：電池總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O解析：

3、首先明確解析：首先明確a為負(fù)極，這樣電子應(yīng)該是通過外為負(fù)極，這樣電子應(yīng)該是通過外電路由電路由a極流向極流向b，A錯(cuò)；錯(cuò)；B選項(xiàng)反應(yīng)應(yīng)為選項(xiàng)反應(yīng)應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O ; C沒有告知標(biāo)準(zhǔn)狀況。沒有告知標(biāo)準(zhǔn)狀況。D燃料電池的電極規(guī)定燃料電池的電極規(guī)定燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負(fù)極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或一極為負(fù)極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng) 燃料電池的分類 一、一、燃料電池的分類燃料電

4、池的分類 1、按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分。 分為酸性燃料電池和堿性燃料電池 2. 按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)按電解質(zhì)的種類不同，有酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì) 2.1堿性燃料電池（AFC） 2.3磷酸燃料電池（PAFC） 2.4熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 2.2質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 2.5固體氧化物燃料電池（SOFC） 3. 按燃料類型分。按燃料類型分。 3.1氫燃料電池 3.2甲烷燃料電池 3.3甲醇燃料電池 3.4乙醇燃料電池 燃料電池的種類o 堿性燃料電池（AFC）（alkaline fuel cell)o 磷酸型燃料電

5、池(PAFC) (phosphorous acid fuel cell)o 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) (molten carbonate fuel cell)o 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) (proton exchange membrane fuel cell)o 固體氧化物燃料電池(SOFC) (solid oxide fuel cell)燃料電池燃料電池類型類型堿性燃料堿性燃料電池電池磷酸型燃磷酸型燃料電池料電池質(zhì)子交換質(zhì)子交換膜燃料電膜燃料電池池熔融碳酸熔融碳酸鹽燃料電鹽燃料電池池固體氧化固體氧化物燃料電物燃料電池池英文簡稱英文簡稱AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC電解

6、質(zhì)電解質(zhì)氫氧化鉀氫氧化鉀溶液溶液磷酸磷酸質(zhì)子滲透質(zhì)子滲透膜膜碳酸鉀碳酸鉀固體氧化固體氧化物物燃料燃料純氫純氫天然氣，天然氣，氫氫氫、甲醇?xì)?、甲醇、天然氣、天然氣天然氣、天然氣、煤氣、沼煤氣、沼氣氣天然氣、天然氣、煤氣、沼煤氣、沼氣氣氧化劑氧化劑純氧純氧空氣空氣空氣空氣空氣空氣空氣空氣效率效?0%90%37%42%43%58%50%50%65%使用溫度使用溫度60120 16022060120 60010006001000燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法二燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法二 第一步第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式 第二步第二步，寫出燃料電池的正極反應(yīng)式

7、；，寫出燃料電池的正極反應(yīng)式； 第三步第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的，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(fù)極反應(yīng)式。總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負(fù)極反應(yīng)式。 1 1、燃料電池總反應(yīng)方程式的書寫、燃料電池總反應(yīng)方程式的書寫因?yàn)槿剂想姵匕l(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相因?yàn)槿剂想姵匕l(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。注意燃料的種類。 氫氧燃料氫氧燃料電池，其電池，其電池總反應(yīng)方程式電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解不隨電解質(zhì)的

8、狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O 含碳元素的可燃物含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)與電解質(zhì)的狀態(tài)和和電解質(zhì)溶液的酸堿性電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)有關(guān) 如甲烷燃料電池在如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中酸性電解質(zhì)中生成生成COCO2 2和和H H2 2O O，即，即CHCH4 4+2O+2O2 2=CO=CO2 2+2H+2H2 2O O；在；在堿性電解質(zhì)堿性電解質(zhì)中生成中生成COCO3 32-2-離子和離子和H H2 2O O，即，即CHCH4 4+2OH+2OH- -+2O+2O2 2=CO=CO3 32

9、-2-+3H+3H2 2O O。2 2、燃料電池正極反應(yīng)式的書寫、燃料電池正極反應(yīng)式的書寫因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一般是氧氣，正極都是氧化劑氧氣因?yàn)槿剂想姵卣龢O反應(yīng)物一般是氧氣，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)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)都是的本質(zhì)都是O O2 2得電子生成得電子生成O O2-2-離子，故離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O O2 24e4e- -=2O=2O2-2-。正極產(chǎn)生正極產(chǎn)生O O2-2-離子的存在形式與燃料電池的電離子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。

10、這是非解質(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)的幾種情況歸納如下。常重要的一步。現(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的幾種情況歸納如下。電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫（如稀硫酸酸）在酸性環(huán)境中，在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨(dú)存在，可供離子不能單獨(dú)存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有離子結(jié)合的微粒有H+離子和離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)離子優(yōu)先結(jié)合合H+離子生成離子生成H2O。這樣，在。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液酸性電解質(zhì)溶液中，中，正極反應(yīng)式為正極反應(yīng)式為O24H+4e-=2H2O。例例2 2、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是2121世

11、紀(jì)獲得電力的重要世紀(jì)獲得電力的重要途徑，美國已計(jì)劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇途徑，美國已計(jì)劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時(shí)向一個(gè)電極通入空解液中直接加入純化后的甲醇，同時(shí)向一個(gè)電極通入空氣。試回答下列問題：氣。試回答下列問題：這種電池放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式這種電池放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是是 。此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)是是 ；負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)；負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是是 。電解液中的電解液中的H H+ +離子向離子向 極移動(dòng)；向

12、外電路釋放電子極移動(dòng)；向外電路釋放電子的電極是的電極是 。2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O3O212H+12e-=6H2O2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+正正負(fù)負(fù)例例2 2、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是、科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是2121世紀(jì)獲得電力的重要世紀(jì)獲得電力的重要途徑，美國已計(jì)劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇途徑，美國已計(jì)劃將甲醇燃料用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時(shí)向一個(gè)電極通入空解液中直接加入純化后的甲醇，同時(shí)向一個(gè)電極通入空氣。試回答下列問題

13、：氣。試回答下列問題：比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力，使用燃料電池有許多優(yōu)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(diǎn)，其中主要有兩點(diǎn)：首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高，點(diǎn)，其中主要有兩點(diǎn)：首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高，其次是其次是 。對(duì)空氣的污染較小對(duì)空氣的污染較小電解質(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） 在在中性或堿性環(huán)境中性或堿性環(huán)境中，中，O O2-2-離子也不能單獨(dú)存在，離子也不能單獨(dú)存在，O O2-2-離子只離子只能結(jié)合能結(jié)合H H2 2O O生成生成OHOH- -離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正正極反應(yīng)式為極反應(yīng)式為O O2 22

14、H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- -。例例3 3、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOHKOH溶液，下列關(guān)于甲溶液，下列關(guān)于甲烷燃料電池的說法不正確的烷燃料電池的說法不正確的是是 （ ）A A、負(fù)極反應(yīng)式為、負(fù)極反應(yīng)式為CHCH4 4+10OH+10OH- -8e8e- -=CO=CO3 32-2-+7H+7H2 2O OB B、正極反應(yīng)式為、正極反應(yīng)式為O O2 22H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- -C C、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變D D、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量

15、利用率大、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量利用率大C電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如（如LiCOLiCO3 3和和NaNa2 2COCO3 3熔融鹽混和物）熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O O2-2-離子也不能單獨(dú)存在，離子也不能單獨(dú)存在， O O2-2-離子可離子可結(jié)合結(jié)合COCO2 2生成生成COCO3 32-2-離子離子，則其，則其正極反應(yīng)式為正極反應(yīng)式為O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-。電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如（如LiCOLiCO3 3和和NaNa2 2COCO3 3熔

16、融鹽混和物）熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O O2-2-離子也不能單獨(dú)存在，離子也不能單獨(dú)存在， O O2-2-離子可離子可結(jié)合結(jié)合COCO2 2生成生成COCO3 32-2-離子離子，則其，則其正極反應(yīng)式為正極反應(yīng)式為O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-。例例4 4、某燃料電池以、某燃料電池以熔融的熔融的K K2 2COCO3 3（其中不含（其中不含O O2-2-和和HCOHCO3 3- -）為）為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作電解質(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

17、材料為電極。試回答下列問題：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。寫出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式。寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。由于電解質(zhì)為熔融的由于電解質(zhì)為熔融的K2CO3，且不含，且不含O2-和和HCO3-，生成的，生成的CO2不會(huì)與不會(huì)與CO32-反應(yīng)生成反應(yīng)生成HCO3-的的 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O正極正極 O22CO2+4e-=2CO32-負(fù)極負(fù)極：2C2C4 4H H1010+26CO+26CO3 32-2-52e52e- -=34CO=34CO2 2+10H+10H2 2O O電解質(zhì)為熔融

18、的碳酸鹽電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如（如LiCOLiCO3 3和和NaNa2 2COCO3 3熔融鹽混和物）熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O O2-2-離子也不能單獨(dú)存在，離子也不能單獨(dú)存在， O O2-2-離子可離子可結(jié)合結(jié)合COCO2 2生成生成COCO3 32-2-離子離子，則其，則其正極反應(yīng)式為正極反應(yīng)式為O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-。例例3 3、某燃料電池以、某燃料電池以熔融的熔融的K K2 2COCO3 3（其中不含（其中不含O O2-2-和和HCOHCO3 3- -）為）為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為

19、氧化劑，以具有催化作電解質(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：用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題：為了使該燃料電池長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成為了使該燃料電池長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)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)，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？加入的物質(zhì)是什么，它從哪里來？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)加入持穩(wěn)定，在通入的空氣中應(yīng)加入COCO2 2，它從負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)，它從負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物中來。物中來。正極正極：O22CO2+4e-=2CO32-，負(fù)極負(fù)極：2C4H10+26CO32-52e-=34CO2+10H2O電解質(zhì)為固體電解質(zhì)電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯（如固體氧化鋯氧化釔）氧化釔）該固體電解質(zhì)在高溫下可允許該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O O2-2-離子在其間通過，故其正極反應(yīng)離子在其間通過，故其正極反應(yīng)式應(yīng)為式應(yīng)為O O2 24e4e