嚴(yán)家衡

[摘要]高考中有關(guān)燃料電池的試題不斷推陳出新，備受命題者的青睞。高考中常見(jiàn)燃料電池的類(lèi)型有氫燃料電池、烴燃料電池、醇燃料電池、金屬—空氣燃料電池等。只要掌握各類(lèi)型燃料電池題型的解題技巧，該類(lèi)題型便可迎刃而解。

[關(guān)鍵詞]燃料電池；電極反應(yīng)；高考化學(xué)

[中圖分類(lèi)號(hào)]G633.8[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]16746058（2018）05005803

燃料電池是現(xiàn)代社會(huì)具有發(fā)展前景的新能源。傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊端：一是利用率低；二是會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢水、廢渣、廢熱和噪聲污染。燃料電池能高效利用能源且污染小，是社會(huì)和科技發(fā)展的產(chǎn)物。高考化學(xué)中有關(guān)燃料電池的試題不僅出現(xiàn)頻率高，而且題型不斷推陳出新，備受命題者的青睞。

一、燃料電池的概念、組成及工作原理

燃料電池是一種能夠持續(xù)通過(guò)發(fā)生在負(fù)極和正極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池由負(fù)極、正極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，電極材料一般不參加反應(yīng)，只起傳遞電子和反應(yīng)催化劑的作用。其工作原理與普通電化學(xué)電池類(lèi)似，燃料（H2、CH4、CO等）在負(fù)極氧化，氧化劑（O2、空氣等）在正極還原，電子從負(fù)極通過(guò)負(fù)載流向正極構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。電解質(zhì)中的陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極。

二、 高考化學(xué)燃料電池的常見(jiàn)類(lèi)型

燃料電池有多種分類(lèi)方法，可以按電解質(zhì)的種類(lèi)不同分類(lèi)，或按燃料電池的工作溫度分類(lèi)，或按燃料類(lèi)型的不同分類(lèi)等。下面就高考中常見(jiàn)的按燃料類(lèi)型分類(lèi)的燃料電池做如下介紹。

1. 氫燃料電池

氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，卻把氫氣和氧氣分別供給負(fù)極和正極，氫氣在負(fù)極被氧化失去電子，放出的電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)正極；在正極氧氣得到電子被還原；正、負(fù)極生成的離子與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

【例1】（2010年安徽理綜，11）某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質(zhì)傳遞H+，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，電池總反應(yīng)可表示為：2H2 + O2 =2H2O，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（ ）。

A.電子通過(guò)外電路從b極流向a極

B.b極上的電極反應(yīng)式為：O2 + 2H2O + 4e-=4OH-

C.每轉(zhuǎn)移0.1mol電子，消耗1.12L的H2

D.H+由a極通過(guò)固體酸電解質(zhì)傳遞到b極

【解題技巧】氫氧燃料電池總反應(yīng)式在各種類(lèi)型的介質(zhì)中不變，為2H2 + O2 = 2H2O，負(fù)極是通氫氣的一極，正負(fù)極產(chǎn)生、消耗的離子種類(lèi)和數(shù)量相同（得失電子相同）。

【解析】由圖可知，H2（還原劑）在負(fù)極失電子，O2（氧化劑）在正極得電子，因此a 為負(fù)極，b為正極。電子從負(fù)極（a）經(jīng)外電路流向正極（b），A錯(cuò)誤；因?yàn)檫@是酸性電解質(zhì)，不可能生成OH-，b極反應(yīng)式為：O2 +4H+ + 4e-=2H2O，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)敘述氣體體積時(shí)，沒(méi)有指明溫度和壓強(qiáng)，錯(cuò)誤；原電池中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，D正確。

【答案】D。

2.烴燃料電池

烴燃料電池是以甲烷等碳?xì)浠衔餅槿剂系男滦碗姵兀涑杀敬蟠蟮陀谝詺錇槿剂系膫鹘y(tǒng)燃料

電池。利用原電池裝置使烴類(lèi)燃料和氧氣分別在電池的負(fù)極、正極上發(fā)生氧化、還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能，其效率高、污染低，是一種很有前途的能源利用方式。

【例2】（2005年廣東單科高考，15）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)是摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對(duì)該燃料電池說(shuō)法正確的是（）。

A.在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極

B.電池的總反應(yīng)是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O

C.通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O2+4e-=2O2-

D.通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O

【解題技巧】烴氧燃料電池在堿性電解質(zhì)溶液中，負(fù)極消耗的OH-比正極產(chǎn)生的多，電池總反應(yīng)式與燃燒反應(yīng)式不同；其他介質(zhì)中，正負(fù)極產(chǎn)生、消耗離子的種類(lèi)和數(shù)量相同（得失電子相同），電池總反應(yīng)式與燃燒反應(yīng)式相同。

【解析】丁烷在空氣中燃燒的反應(yīng)式是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O，在熔融電解質(zhì)中，氧化物能傳導(dǎo)O2-，正極反應(yīng)式為：O2+4e-=2O2-，負(fù)極反應(yīng)式為：C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O，所以O(shè)2-由正極移向負(fù)極，A錯(cuò)誤，B、C正確；通丁烷的一極是負(fù)極，D錯(cuò)誤。

【答案】B、C。

3.醇燃料電池

醇燃料電池是以甲醇為代表的可再生能源電池，以醇為燃料，以空氣或氧氣為氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，在酸性條件下，生成CO2和H2O。

【例3】（2008年寧夏理綜，10）一種燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳。該電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是（）。

A.CH3OH（g）+O2（g）=H2O（l）+CO2（g）+2H+（aq）+2e-

B.O2（g）+4H+（aq）+4e-=2H2O（l）

C.CH3OH（g）+H2O（l）=CO2（g）+6H+（aq）+6e-

D.O2（g）+2H2O（l）+4e-=4OH-

【解題技巧】與烴燃料電池基本相同。

【解析】甲醇的燃燒反應(yīng)式為：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O，在該反應(yīng)中甲醇為還原劑，在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣為氧化劑，在正極發(fā)生還原反應(yīng)。因此B和D可以排除。又因?yàn)镺2在正極參加還原反應(yīng)，不會(huì)在電池的負(fù)極參加反應(yīng)，故A錯(cuò)誤，通過(guò)排除法就可以得出正確選項(xiàng)是C。

【答案】C。

4.金屬-空氣燃料電池

金屬—空氣燃料電池是以金屬為負(fù)極燃料，空氣為正極氧化劑的發(fā)電裝置。特點(diǎn)是：能量密度高、電流與功率大、不受時(shí)間和空間的限制、對(duì)環(huán)境影響小，應(yīng)用前景被廣泛看好。

【例4】（2016年浙江高考，11）金屬（M）-空氣電池（如圖2）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備的電源。該類(lèi)電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n。已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。下列說(shuō)法不正確的是（）。

A.采用多孔電極的目的是提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至

電極表面

B.比較Mg、Al、Zn三種金屬-空氣電池，Al-空氣電池的理論比能量最高

C.M-空氣電池放電過(guò)程的正極反應(yīng)式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne-=4M（OH）n

D.在M-空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質(zhì)及陽(yáng)離子

交換膜

【解題技巧】由電池總反應(yīng)式可看出，介質(zhì)可能是中性或堿性，負(fù)極金屬M(fèi)-ne-=Mn+，具體以什么形式存在，要看離子種類(lèi)和介質(zhì)。

【解析】多孔電極可以增加氧氣與電極的接觸，使氧氣充分反應(yīng)，A正確；24克鎂失去2摩爾電子，27克鋁失去3摩爾電子，65克鋅失去2摩爾電子，所以鋁-空氣電池的理論比能量最高，B正確；根據(jù)題給放電的總反應(yīng)：4Mn++nO2+2nH2O=4M（OH）n，氧氣在正極得電子，由于有陰離子交換膜，正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-，C錯(cuò)誤；負(fù)極是金屬失去電子生成金屬陽(yáng)離子，因?yàn)殒V離子或鋁離子或鋅離子都可以和氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化物沉淀，說(shuō)明應(yīng)采用中性電解質(zhì)或陽(yáng)離子交換膜，以防止正極產(chǎn)生的氫氧根到負(fù)極區(qū)反應(yīng)，D正確。

【答案】C。

三、燃料電池問(wèn)題的解題方略

1.燃料電池的負(fù)極一定是可燃性氣體，失電子，元素化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)；電池的正極一定是助燃性氣體，得電子，化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)。

2.燃料電池兩電極材料一般都不參加反應(yīng)，反應(yīng)的是通到電極上的燃料和氧氣，兩電極只是起傳導(dǎo)電子和反應(yīng)催化劑的作用。

3.電極反應(yīng)式作為一種特殊的離子反應(yīng)方程式，也必須遵循原子守恒、得失電子守恒、電荷守恒等規(guī)律。

4.寫(xiě)電極反應(yīng)時(shí)，一定要注意電解質(zhì)是什么，當(dāng)電解質(zhì)參與反應(yīng)時(shí)，電解質(zhì)溶液中的離子要和電極反應(yīng)中出現(xiàn)的離子相對(duì)應(yīng)。如氫氧燃料電池（電解溶液為KOH溶液），正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-，負(fù)極反應(yīng)式為：2H2+4OH--4e-=4H2O。

5.當(dāng)電解質(zhì)溶液不參與電極反應(yīng)時(shí)，燃料電池的反應(yīng)方程式就是燃料燃燒的化學(xué)方程式；當(dāng)電解質(zhì)參與電極反應(yīng)時(shí)，燃料電池的反應(yīng)方程式就是燃料燃燒反應(yīng)和燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的疊加反應(yīng)式。

6.一般來(lái)說(shuō)，在電極反應(yīng)式中，一極消耗電解質(zhì)溶液中的某種離子，則另一極生成相應(yīng)的離子，但一極消耗的離子的量和另一極生成的相應(yīng)離子的量不一定相等。根據(jù)兩極反應(yīng)的得失電子數(shù)相等，合并兩電極反應(yīng)式，消去得失電子數(shù)和兩邊電解質(zhì)溶液的離子，得出燃料電池總反應(yīng)方程式，由電極反應(yīng)式和總的電池反應(yīng)方程式確定其中電子轉(zhuǎn)移的量、產(chǎn)物的量、各電極周?chē)罢麄€(gè)電池的pH變化情況。

四、常見(jiàn)燃料電池反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)歸納總結(jié)

書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)式的關(guān)鍵點(diǎn)是負(fù)極的燃料被氧化、正極的氧化劑被還原后在不同介質(zhì)條件下的變化。關(guān)于燃料電池反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)，現(xiàn)根據(jù)電解質(zhì)的類(lèi)型

五、結(jié)語(yǔ)

縱觀近幾年全國(guó)各地的化學(xué)高考試題，燃料電池試題出現(xiàn)頻率較高，而且類(lèi)型不斷發(fā)展變化，與科技新成果緊密相連，富有時(shí)代氣息。試題主要考查燃料電池的電極與溶液中離子移動(dòng)方向的判斷；電極與電池總反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)；利用電子得失守恒的原理進(jìn)行有關(guān)計(jì)算等。從試題考查內(nèi)容看，不僅符合新課改的方向，且很好地體現(xiàn)了對(duì)知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三維目標(biāo)的考查，要求學(xué)生有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)、理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)造性思維。集能源、環(huán)保、科技和社會(huì)發(fā)展于一身的燃料電池是高考命題永恒的話題。

（責(zé)任編輯羅艷）