[摘 要]

燃料電池根據(jù)采用的電解質(zhì)不同可分為五種類型，是高考試題考查的熱點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生深入思考化學(xué)反應(yīng)原理的實(shí)質(zhì)，歸納總結(jié)五種類型燃料電池的總反應(yīng)式、正極反應(yīng)式、負(fù)極反應(yīng)式的書寫模式，提升燃料電池試題的解題技巧。

[關(guān)鍵詞]

高中化學(xué);燃料電池;反應(yīng)式

高三化學(xué)二輪復(fù)習(xí)，是高考總復(fù)習(xí)中一個(gè)關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。在復(fù)習(xí)相關(guān)化學(xué)知識(shí)時(shí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生深入思考化學(xué)反應(yīng)原理的實(shí)質(zhì)，總結(jié)出相關(guān)規(guī)律和解題技巧，以達(dá)到高效復(fù)習(xí)的目的。燃料電池是現(xiàn)代社會(huì)中具有廣闊發(fā)展前景的新能源，因其能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈無(wú)污染而頗受人們關(guān)注，成為高考試題考查的熱點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，對(duì)于燃料電池的工作原理特別是電極反應(yīng)式的書寫，學(xué)生往往感到比較困惑。如果能正確理解并寫出電極反應(yīng)式（尤其是燃料為有機(jī)物的負(fù)極反應(yīng)式），那么其他問(wèn)題依據(jù)原電池原理便可順利解決。下面筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐和對(duì)高考試題的研究，總結(jié)了不同類型燃料電池的電極反應(yīng)式書寫方法，并建立書寫模式，以提升解題技巧。

一、燃料電池基本原理

燃料電池是一種不經(jīng)燃燒便可將燃料的化學(xué)能經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。和其他電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，電化學(xué)反應(yīng)也是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)發(fā)出火焰，化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能。

燃料電池的基本結(jié)構(gòu)與一般化學(xué)電源相同，由正極（氧化劑電極）、負(fù)極（燃料電極）和電解質(zhì)構(gòu)成，但是電極本身僅起催化和集流作用。燃料電池工作時(shí)，活性物質(zhì)由外部供給，因此，原則上說(shuō)，只要燃料和氧化劑不斷地輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷地排出，燃料電池就可以連續(xù)放電，供應(yīng)電能。

燃料電池正極上的氧化劑僅限于氧氣或空氣。負(fù)極上的燃料主要為化石燃料以及由此得到的衍生物，如H2、CO、NH3、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H6、C3H4、CH3OH、C2H5OH等都可用作燃料。無(wú)論是什么類型的燃料電池，負(fù)極一定是燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極一定是氧氣（或空氣）得電子發(fā)生還原反應(yīng)。

燃料電池根據(jù)采用的電解質(zhì)不同可分為五種類型：①酸性燃料電池（電解質(zhì)溶液通常為濃H3PO4，導(dǎo)電離子為H+）;②質(zhì)子交換膜燃料電池（電解質(zhì)是由質(zhì)子導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的質(zhì)子交換膜，導(dǎo)電離子為H+）;③堿性燃料電池（電解質(zhì)溶液常為濃KOH溶液，導(dǎo)電離子為OH-）;④熔融碳酸鹽燃料電池（電解質(zhì)一般為L(zhǎng)i2CO3、K2CO3或Na2CO3的二元混合物，導(dǎo)電離子為CO32-）;⑤固體氧化物燃料電池（電解質(zhì)常為ZrO2、Y2O3，導(dǎo)電離子為O2-）。

二、燃料電池電極反應(yīng)式書寫方法

（一）總反應(yīng)式書寫方法

燃料電池雖然是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而轉(zhuǎn)化電能的裝置，但其在放電時(shí)發(fā)生的總反應(yīng)和燃料燃燒時(shí)的總反應(yīng)一樣（若生成物與電解液能繼續(xù)反應(yīng)的要考慮繼續(xù)反應(yīng)，總反應(yīng)式是離子反應(yīng)的最好寫離子方程式）。

五種類型燃料電池的總反應(yīng)式歸納如表1（以C2H5OH燃料電池為例）：

電池總反應(yīng)式（不寫點(diǎn)燃條件）除了堿性燃料電池要考慮生成物CO2繼續(xù)與OH-反應(yīng)生成CO32-外，其他的都是燃料與O2反應(yīng)生成CO2和H2O。

（二）正極反應(yīng)式書寫方法

燃料電池正極是O2得電子發(fā)生還原反應(yīng)，O2得電子生成O2-，O2-不是氧元素的穩(wěn)定產(chǎn)物，O2-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。

1.酸性燃料電池中，導(dǎo)電離子是H+，在酸性環(huán)境中，不穩(wěn)定的O2-與H+結(jié)合生成H2O（可理解為O2-帶負(fù)電，在電性力作用下，O2-結(jié)合H+生成H2O），即O2+4e-=2O2-，2O2-+4H+=2H2O，正極反應(yīng)式為O2+4H++4e-=2H2O。

2.質(zhì)子交換膜燃料電池中，電解質(zhì)是由質(zhì)子（H+）導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的質(zhì)子交換膜，導(dǎo)電離子為H+，不穩(wěn)定的O2-要結(jié)合H+生成H2O，即正極反應(yīng)式為O2+4H++4e-=2H2O。

3.堿性燃料電池中，導(dǎo)電離子是OH-，在堿性環(huán)境中，不穩(wěn)定的O2-會(huì)繼續(xù)與H2O反應(yīng)生成OH-（可理解為O2-帶負(fù)電，在電性力作用下與OH-相排斥，只能結(jié)合H2O生成OH-），即O2+4e-=2O2-，2O2-+2H2O=4OH-，正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-。

4.熔融碳酸鹽燃料電池中，導(dǎo)電離子是CO32-，電解質(zhì)中存在CO2，不穩(wěn)定的O2-會(huì)結(jié)合CO2生成CO32-（可理解為O2-帶負(fù)電，在電性力作用下與CO32-相排斥，只能結(jié)合CO2生成CO32-），即O2+4e-=2O2-，2O2-+2CO2=2CO32-，正極反應(yīng)式為O2+2CO2+4e-=2CO32-。

5.固體氧化物燃料電池中，導(dǎo)電離子是O2-，該固態(tài)電解質(zhì)是熔融氧化物，在高溫下可允許O2-在其間通過(guò)，O2-在該環(huán)境下可穩(wěn)定存在，正極反應(yīng)式為O2+4e-=2O2-。

五種類型燃料電池正極反應(yīng)式書寫方法歸納如表2。

上述固體氧化物和熔融碳酸鹽燃料電池，由于是非水體系，應(yīng)該用“查氧補(bǔ)氧”或“查氧補(bǔ)二氧化碳”的方法，而不是“查氧補(bǔ)水”。

（三）負(fù)極反應(yīng)式書寫方法

燃料電池總反應(yīng)式的書寫比較容易，正極反應(yīng)式的書寫形式變化不大，有規(guī)律可循，但負(fù)極反應(yīng)式的書寫難度較大。為了更好地突破負(fù)極反應(yīng)式的書寫難點(diǎn)，下面依次介紹三種書寫負(fù)極反應(yīng)式的方法。

1.相減法

先寫出總反應(yīng)式，再寫出正極反應(yīng)式，然后結(jié)合電子守恒和元素守恒，用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式，得到負(fù)極反應(yīng)式。

以C2H5OH燃料電池為例，五種類型燃料電池的總反應(yīng)式、正極反應(yīng)式、負(fù)極反應(yīng)式書寫歸納如表3。

用“總反應(yīng)式-正極反應(yīng)式×3”可得負(fù)極反應(yīng)式，另外質(zhì)子交換膜燃料電池與酸性燃料電池的反應(yīng)式相同。

這種寫法必須建立在兩個(gè)知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)之上：一是必須知道燃料電池的總反應(yīng)式，而題目中一般不會(huì)直接給出;二是需要明確正極反應(yīng)式的書寫會(huì)因電池電解質(zhì)的不同而不同。故上述書寫方法過(guò)程比較繁雜且耗時(shí)較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)錯(cuò)寫、漏寫等問(wèn)題，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)仍有很大難度。

2.零價(jià)法

燃料電池的負(fù)極是燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，燃料以有機(jī)物居多，其反應(yīng)后的產(chǎn)物通常為CO2和H2O（非堿性介質(zhì)）或CO32-和H2O（堿性介質(zhì)）。但無(wú)論上述哪種情況，產(chǎn)物中C、H、O的化合價(jià)均為+4、+1、-2，如果把原有機(jī)物CxHyOz中所有元素都看成0價(jià)，其中C和H的化合價(jià)升高，失去的電子總數(shù)為4x+y，而O的化合價(jià)降低，得到電子數(shù)為2z，可知整個(gè)反應(yīng)中失去的電子總數(shù)為4x+y-2z，即“碳四氫一氧減二”。若燃料有機(jī)物中不含氧元素，則負(fù)極反應(yīng)中失去的電子數(shù)為4x+y。

例如，CH3OH燃料電池中，負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)論是CO2還是CO32-，1 mol CH3OH反應(yīng)失去的電子數(shù)為（4×1+1×4-2×1）mol=6 mol，負(fù)極反應(yīng)式的書寫歸納如表4。

3.化合價(jià)法

運(yùn)用相對(duì)化合價(jià)法書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的關(guān)鍵是依據(jù)電負(fù)性的相對(duì)大小確定燃料物質(zhì)中各元素的相對(duì)化合價(jià)。一般來(lái)說(shuō)，如果燃料分子中只含C、H、O三種元素，則以O(shè)元素為-2價(jià)，H元素為+1價(jià)來(lái)確定C元素的相對(duì)化合價(jià)，計(jì)算出單位燃料被氧化后失去的電子總數(shù)，確定化學(xué)計(jì)量系數(shù)之比，再考慮電解質(zhì)環(huán)境，結(jié)合守恒原理直接書寫負(fù)極反應(yīng)式。

例如，在C6H12O6燃料電池中，C6H12O6中C的化合價(jià)為0價(jià)，1 mol C6H12O6發(fā)生反應(yīng)后的產(chǎn)物無(wú)論是CO2還是CO32-都失去24 mol電子，負(fù)極反應(yīng)式的書寫歸納如表5。

通過(guò)上面的分析可以看出，“零價(jià)法”“化合價(jià)法”與“相減法”相比，省去了比較繁瑣的書寫總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式的過(guò)程，具有簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，學(xué)生更易接受，也更易掌握。

為了方便理解，筆者把試題中常涉及到的其他幾種燃料的燃料電池負(fù)極反應(yīng)式歸類如表6，供學(xué)習(xí)者參考使用。教師可讓學(xué)生在閱讀理解后，根據(jù)表中信息在白紙上自行默寫這幾種燃料在不同電解質(zhì)環(huán)境下的負(fù)極反應(yīng)式，以便進(jìn)一步熟練掌握“化合價(jià)法”“零價(jià)法”書寫負(fù)極反應(yīng)式的具體步驟。

三、燃料電池高考考查例析

（一）酸性燃料電池

【例1】（2012年四川卷）一種基于酸性燃料電池原理設(shè)計(jì)的酒精檢測(cè)儀，負(fù)極上的反應(yīng)為CH3CH2OH-4e-+H2O=CH3COOH+4H+。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（? ）

A.檢測(cè)時(shí)，電解質(zhì)溶液中的H+向負(fù)極移動(dòng)

B.若有0.4 mol電子轉(zhuǎn)移，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下消耗4.48 L氧氣

C.電池反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O

D.正極上發(fā)生的反應(yīng)是：O2+4e-+2H2O=4OH-

【解析】本題考查了電池反應(yīng)原理、電極反應(yīng)式的書寫、離子移動(dòng)方向的判斷及電路中電子轉(zhuǎn)移情況分析。根據(jù)負(fù)極反應(yīng)CH3CH2OH-4e-+H2O=CH3COOH+4H+，且為酸性酒精燃料電池，所以得到電子的物質(zhì)是O2，正極反應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O，電池總反應(yīng)式為CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O。根據(jù)正負(fù)極反應(yīng)可知，負(fù)極生成H+，正極消耗H+，所以電解質(zhì)溶液中的H+向正極移動(dòng)。用電池總反應(yīng)式進(jìn)行判斷，有0.4 mol的電子轉(zhuǎn)移，消耗氧氣為0.1 mol。答案為C項(xiàng)。

（二）質(zhì)子交換膜燃料電池

【例2】（2015年全國(guó)新課標(biāo)卷Ⅰ）微生物電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖1所示。下列有關(guān)微生物電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（? ）

A.正極反應(yīng)中有CO2生成

B.微生物促進(jìn)了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移

C.質(zhì)子通過(guò)交換膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

D.電池總反應(yīng)為：C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O

【解析】本題通過(guò)給出以葡萄糖為燃料的質(zhì)子交換膜微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖，考查了電池反應(yīng)原理、電極反應(yīng)的書寫及離子移動(dòng)方向的判斷。電池的總反應(yīng)為C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O，正極反應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O，負(fù)極反應(yīng)為C6H12O6-24e-+6H2O=6CO2+24H+。放電過(guò)程中，H+從負(fù)極區(qū)向正極區(qū)遷移，結(jié)合O2-生成H2O。在微生物的作用下，原電池能加快氧化還原反應(yīng)速率，可以說(shuō)微生物促進(jìn)了電子的轉(zhuǎn)移。答案為A項(xiàng)。

（三）堿性燃料電池

【例3】（2008年北京卷）據(jù)報(bào)道，我國(guó)擁有完全自主產(chǎn)權(quán)的氫氧燃料電池車在奧運(yùn)會(huì)期間為運(yùn)動(dòng)員提供服務(wù)。某種氫氧燃料電池的電解液為KOH溶液。下列有關(guān)電池的敘述不正確的是（? ）

A.正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-

B.工作一段時(shí)間后，電解液中的KOH的物質(zhì)的量不變

C.該燃料電池的總反應(yīng)方程式為：2H2+O2=2H2O

D.用該電池電解CuCl2溶液，產(chǎn)生2.24 L Cl2（標(biāo)準(zhǔn)狀況）時(shí)，有0.1 mol電子轉(zhuǎn)移

【解析】本題考查了電極反應(yīng)式的書寫、電解液的變化情況及電路中電子轉(zhuǎn)移情況。據(jù)題意，氫氧燃料電池的總反應(yīng)式為2H2+O2=2H2O，其電解液為KOH溶液，故正極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-，負(fù)極反應(yīng)式為H2-4e-+4OH-=4H2O。反應(yīng)過(guò)程中，生成和消耗的OH-相等，KOH的物質(zhì)的量不變，KOH的物質(zhì)的量濃度變小。D項(xiàng)根據(jù)電解CuCl2時(shí)的放電順序可知，產(chǎn)生Cl2的電極反應(yīng)式為2Cl--2e-=Cl2，故產(chǎn)生2.24 L Cl2時(shí)，有0.2 mol電子轉(zhuǎn)移。答案為D項(xiàng)。

（四）熔融碳酸鹽燃料電池

【例4】（2015年江蘇卷）一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖2。下列有關(guān)該電池的說(shuō)法正確的是（? ）

A.反應(yīng)CH4+H2O[]3H2+CO，每消耗1 mol CH4轉(zhuǎn)移12 mol電子

B.電極A上H2參與的電極反應(yīng)為：H2+2OH--2e-=2H2O

C.電池工作時(shí)，CO32-向電極B移動(dòng)

D.電極B上發(fā)生的電極反應(yīng)為：O2+2CO2+4e-=2CO32-

【解析】本題考查了原電池的工作原理、電極反應(yīng)式的書寫、離子移動(dòng)方向的判斷及電路中電子轉(zhuǎn)移情況分析。熔融碳酸鹽燃料電池的總反應(yīng)式為CO+H2+O2=CO2+H2O，電極B的正極反應(yīng)式為O2+2CO2+4e-=2CO32-，電極A的負(fù)極反應(yīng)式為CO+H2-4e-+2CO32-=3CO2+H2O（CO-2e-+CO32-=2CO2和H2-2e-+CO32-=CO2+H2O）。A項(xiàng)1 mol CH4生成CO，化合價(jià)由-4價(jià)到+2價(jià)上升6價(jià)，1 mol CH4參加反應(yīng)共轉(zhuǎn)移6 mol電子。C項(xiàng)根據(jù)原電池工作原理，陰離子CO32-向負(fù)極（電極A）移動(dòng)。答案為D項(xiàng)。

（五）固態(tài)氧化物燃料電池

【例5】（2005年廣東卷）一種新燃料電池，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

【解析】本題以熔融狀態(tài)摻雜氧化釔的氧化鋯為電解質(zhì)，考查了電極反應(yīng)、總反應(yīng)的書寫及離子移動(dòng)方向的判斷。丁烷燃料電池的總反應(yīng)式為2C4H10+13O2=8CO2+10H2O，正極反應(yīng)式為O2+4e-=2O2-，負(fù)極反應(yīng)式為C4H10-26e-+13O2-=4CO2+5H2O。在熔融電解質(zhì)中，負(fù)離子O2-由正極移向負(fù)極，正離子由負(fù)極移向正極，完成電子運(yùn)動(dòng)的循環(huán)。答案為B、C項(xiàng)。

總之，無(wú)論是什么類型的燃料電池，只要抓住不變的核心原理，考慮所給電解質(zhì)類型，正確分析出電極反應(yīng)式，問(wèn)題便可解決。高考復(fù)習(xí)是一個(gè)系統(tǒng)工程，絕不是簡(jiǎn)單地拼時(shí)間、拼精力，漫無(wú)目標(biāo)地做題、解題的過(guò)程，而是科學(xué)、有計(jì)劃的復(fù)習(xí)過(guò)程。教師在強(qiáng)調(diào)刻苦學(xué)習(xí)的同時(shí)，要讓學(xué)生在深入思考化學(xué)反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，把握好化學(xué)反應(yīng)原理的實(shí)質(zhì)，總結(jié)出規(guī)律和解題技巧，使復(fù)習(xí)達(dá)到事半功倍的效果。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]高麗.燃料電池負(fù)極反應(yīng)書寫方法探析[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（16）：65.

[2]楊金才.淺析一種書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的新方法[J].化學(xué)教學(xué)，2016（4）：87-89.

[3]劉茜茜，楊金才，萬(wàn)嬌嬌.例析高考化學(xué)燃料電池電極反應(yīng)式的書寫[J].化學(xué)教學(xué)，2016（12）：77-79.

[4]劉三先.淺析一種書寫燃料電池電極反應(yīng)式的新方法[J].中學(xué)教學(xué)參考，2014（11）：80-81.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）

作者簡(jiǎn)介：劉鴻（1977-），男，云南富源人，高級(jí)教師，大學(xué)本科。