燃料电池电极反应式的书写

燃料电池电极反应式的书写2021/5/91

燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化成电能的一类原电池。2021/5/92

1967年氢氧燃料电池首次被用作阿波罗宇宙飞船的电源。用两个多孔石墨电极（分别含有不同的催化剂）插入作为电解质的30%的KOH水溶液中，氧气和氢气分别不断通入正极和负极并不断被消耗。

氢氧燃料电池2021/5/93氧气氢气A氢氧燃料电池电极反应式的书写多孔电极多孔电极电解质电池总反应：2H2+O2=2H2O①KOH溶液液体电解质2021/5/94

总反应：O2+2H2=2H2O负极：2H2-4e+4OH-=4H2O正极：O2+4e+2H2O=4OH-2021/5/95氢氧燃料电池电极反应式的书写方法一：第一步判断原电池的正负极反应物；第二步根据电解质环境书写产物；第三步根据电子得失情况和电荷守恒配平反应式；第四步检查。

注意：适时运用”减法“2021/5/96当电解质溶液呈酸性时；负极：2H2-4e-=4H+

正极：O2+4e-+4H+=2H2O2021/5/97氧气氢气A

负极

正极氢氧燃料电池电极反应式的书写①KOH溶液多孔电极多孔电极电解质液体电解质②H2SO4溶液电池总反应：2H2+O2=2H2O2021/5/98(2010年安徽理综）某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H2+O2=2H2O，下列有关说法正确的是(

)A．电子通过外电路从b极流向a极B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

例1解析：首先明确a为负极，这样电子应该是通过外电路由a极流向b，A错；B选项反应应为O2+4e-+4H+=2H2O;C没有告知标准状况。D2021/5/99负极：2H2-4e-+2O2－=2H2O正极：O2+4e-=2O2－

负极：2H2-4e-=4H+

正极：O2+4H++4e-=2H2O氢氧燃料电池固体电解质下的电极反应③CsHSO4晶体（传导H+）④掺杂（Y2O3的氧化锆ZrO2晶体（传导O2-）2021/5/910燃料电池的电极规定燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应

2021/5/911燃料电池的分类

一、燃料电池的分类1、按燃料电池的运行机理分。

分为酸性燃料电池和碱性燃料电池

2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质

2.1碱性燃料电池（AFC）

2.3磷酸燃料电池（PAFC）

2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC）2.5固体氧化物燃料电池（SOFC）3.按燃料类型分。

3.1氢燃料电池

3.2甲烷燃料电池

3.3甲醇燃料电池

3.4乙醇燃料电池

2021/5/912燃料电池的种类碱性燃料电池（AFC）（alkalinefuelcell)磷酸型燃料电池(PAFC)(phosphorousacidfuelcell)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(moltencarbonatefuelcell)质子交换膜燃料电池(PEMFC)(protonexchangemembranefuelcell)固体氧化物燃料电池(SOFC)(solidoxidefuelcell)燃料电池类型碱性燃料电池磷酸型燃料电池质子交换膜燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池英文简称AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC电解质氢氧化钾溶液磷酸质子渗透膜碳酸钾固体氧化物燃料纯氢天然气，氢氢、甲醇、天然气天然气、煤气、沼气天然气、煤气、沼气氧化剂纯氧空气空气空气空气效率60%~90%37%~42%43%~58%50%~50%~65%使用温度60~120160~22060~120600~1000600~10002021/5/9132021/5/914燃料电池电极反应式的书写方法二

第一步，先写出燃料电池的总反应方程式

第二步，写出燃料电池的正极反应式；

第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。

2021/5/9151、燃料电池总反应方程式的书写因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。

氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O

含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关

如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。2021/5/9162、燃料电池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一般是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关的几种情况归纳如下。2021/5/917⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。2021/5/918例2、科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式是

。⑵此电池的正极发生的电极反应是

；负极发生的电极反应是

。⑶电解液中的H+离子向

极移动；向外电路释放电子的电极是

。2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O3O2＋12H++12e-=6H2O2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H+正负2021/5/919例2、科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：⑷比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是

。对空气的污染较小2021/5/920⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）

在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O+4e-=4OH-。例3、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是

（

）A、负极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2OB、正极反应式为O2＋2H2O+4e-=4OH-C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变D、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大C2021/5/921⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。2021/5/922⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。例4、某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：⑴写出该燃料电池的化学反应方程式。⑵写出该燃料电池的电极反应式。由于电解质为熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不会与CO32-反应生成HCO3-的

2C4H10+13O2=8CO2+10H2O正极 O2＋2CO2+4e-=2CO32-负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O2021/5/923⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。例3、某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：⑶为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入CO2，它从负极反应产物中来。正极：O2＋2CO2+4e-=2CO32-，负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O2021/5/924⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。例4、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说法正确的是

(

)A.在熔融电解质中，O2-由负极移向正极B.电池的总反应是：2C4H10＋13O2=8CO2＋10H2OC.通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e-＝2O2-D.通入丁