燃料電池的工作原理

燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)電池。

燃料電池是原電池中一種比較特殊的電池，它與原電池形成條件有一點(diǎn)相悖，就是不一定兩極是兩根活動(dòng)性不同的電極，也可以用相同的兩根電極。燃料電池有很多，下面主要介紹幾種常見的燃料電池，希望達(dá)到舉一反三的目的。

一、氫氧燃料電池

氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑(Pt)或石墨做電極材料，負(fù)極通入H₂，正極通入O₂，總反應(yīng)為：2H₂＋O₂＝2H₂O

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KOH溶液(堿性電解質(zhì))

負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為：H₂＋2e^-＝2H^＋，2H^＋＋2OH^－＝2H₂O，所以：

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H₂－2e^-＋2OH^－＝2H₂O；

正極是O₂得到電子，即：O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－在堿性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合H₂O生成OH^－即：O^2－＋2H₂O＝4OH^－，因此，正極的電極反應(yīng)式為：O₂＋H₂O＋4e^-＝4OH^－。

2．電解質(zhì)是H₂SO₄溶液(酸性電解質(zhì))

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H₂＋2e^-＝2H^＋

正極是O₂得到電子，即：O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－在酸性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合H^＋生成H₂O即：O^2－＋2H^＋＝H₂O，因此

正極的電極反應(yīng)式為：O₂＋4H^＋＋4e^-＝2H₂O(O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－＋4H^＋＝2H₂O)

3.電解質(zhì)是N_ACl溶液(中性電解質(zhì))

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H₂＋2e^-＝2H^＋正極的電極反應(yīng)式為：O₂＋H₂O＋4e^-＝4OH^－

說明：1.堿性溶液反應(yīng)物、生成物中均無H^＋；2.酸性溶液反應(yīng)物、生成物中均無OH^－；

3.中性溶液反應(yīng)物中無H^＋和OH^－；4.水溶液中不能出現(xiàn)O^2－。

二、甲醇燃料電池

甲醇燃料電池以鉑為兩極，用堿或酸作為電解質(zhì)：

1．堿性電解質(zhì)(KOH溶液為例)

總反應(yīng)式：2CH₄O＋3O₂＋4KOH＝2K₂CO₃＋6H₂O

正極的電極反應(yīng)式為：3O₂＋12e^-＋6H₂O＝12OH^－

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₄O－6e^-＋8OH^－＝CO₃^2－＋6H₂O

2.酸性電解質(zhì)(H₂SO₄溶液為例)

總反應(yīng)：2CH₄O＋3O₂＝2CO₂＋4H₂O

正極的電極反應(yīng)式為：3O₂＋12e^-＋12H^＋＝6H₂O

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH₄O－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鎳板為兩極，電解質(zhì)溶液為KOH，生成的CO₂還要與KOH反應(yīng)生成K₂CO₃，所以總反應(yīng)為：CH₄＋2KOH＋2O₂＝K₂CO₃＋3H₂O。

負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)：CH₄－8e^-＋8OH^－＝CO₂＋6H₂OCO₂＋2OH^－＝CO₃^2－＋H₂O，所以：

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₄＋10OH^－＋8e^-＝CO₃^2－＋7H₂O

正極發(fā)生的反應(yīng)有：O₂＋4e^-＝O^2－和O^2－＋H₂O＝2OH^－所以：

正極的電極反應(yīng)式為：O₂＋2H₂O＋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)烴燃料電池的電極反應(yīng)式

四、鋁—空氣—海水電池：我國(guó)首創(chuàng)以鋁－空氣－海水電池作為能源的新型海水標(biāo)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(huì)發(fā)出耀眼的白光。

電源負(fù)極材料為：鋁；電源正極材料為：石墨、鉑網(wǎng)等能導(dǎo)電的惰性材料。

負(fù)極的電極反應(yīng)式為：4Al－12e^-＝4Al^3＋；正極的電極反應(yīng)式為：3O₂＋6H₂O＋12e^-＝12OH^－

總反應(yīng)式為：4Al＋3O₂＋6H₂O＝4Al(OH)₃

說明：鋁板要及時(shí)更換，鉑做成網(wǎng)狀是為了增大與氧氣的接觸面積.

 (1)氧氧燃料電池以氫氣為燃料(作負(fù)極)，以氧氣為氧化劑(作正極)，可用酸性電解質(zhì)(如稀H2SO4)，也可用堿性電解質(zhì)(如KOH)。

①若電解質(zhì)是酸性的，在電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH^-。

②若電解質(zhì)是堿性的，在電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)H⁺。

 (2)甲烷一氧氣燃料電池

若將金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，在兩極上分別通入甲烷和氧氣。

·  新型化學(xué)電源的考查及解題指導(dǎo)：

近幾年高考試題中出現(xiàn)的新型電池，有“氫鎳電池”“高鐵電池”“鋅一錳堿性電池”、我國(guó)首創(chuàng)的“海洋電池”“燃料電池”(如新型細(xì)菌燃料電池、CO燃料電池)、“鋰離子電池”“銀鋅電池～紐扣電池”等。這些電池一般具有高能環(huán)保、經(jīng)久耐用、電壓穩(wěn)定、比能量 (單位質(zhì)量釋放的能量)高等特點(diǎn)。取材于這些知識(shí)點(diǎn)的試題，由于題材廣、信息新、陌生度大，所以，大多數(shù)考生認(rèn)為這類試題難度大，而難在何處又十分迷茫。實(shí)際上這些題目主要考查的是學(xué)生對(duì)信息的遷移應(yīng)用能力。具體有以下幾個(gè)考查角度：

1．新型電池“放電”時(shí)正、負(fù)極的判斷

 2．新型電池“放電”時(shí)，電極反應(yīng)式的書寫首先根據(jù)電池反應(yīng)分析物質(zhì)得失電子情況，然后再考慮電極反應(yīng)生成的物質(zhì)是否跟電解質(zhì)溶液巾的離子發(fā)生反應(yīng)；對(duì)于較復(fù)雜的電極反應(yīng)，可以利用總反幢方程式減去較簡(jiǎn)單一極的電極反應(yīng)式，從而得到較復(fù)雜一極的電極反應(yīng)式。

3．新型電池“充電”時(shí)陰、陽極的判斷首先明確原電池放電時(shí)的正、負(fù)極，再根據(jù)充電時(shí)，陽極接正極、陰極接負(fù)極的原理進(jìn)行分析。

4．新型電池充、放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中離子移動(dòng)方向的判斷首先分清電池是放電還是充電；再判斷正、負(fù)極或陰、陽極，進(jìn)而可確定離子的移動(dòng)方向。