剖析燃料电池解题方法

王明哲

（重庆南开中学重庆400000）

摘要：燃料电池题型是高中化学考试中经常出现的考题类型，其解题方法基本大同小异。先确定出给定燃料电池的正、负极，然后根据得失电子情况写出正、负极的电极反应式，结合电解质的状态与酸碱性进行电极反应式的更正，最后合并正、负极反应式即可得到总反应式。本文通过分析燃料电池的几种类型，简单剖析燃料电池解题的基本思路，从而为以燃料电池为背景的题型提供方法。

关键词：中学化学；电化学；燃料电池；解题方法

1前言

燃料电池是原电池中的一种，其实际发生的反映总是一个氧化还原反应，其电池的总反应式应满足化学方程式的得失电子守恒、电荷守恒等基本要求。在写出电极反应式之前，应首先确定电极的正、负极，然后根据正、负电极的得失情况以及电解质的离子共存原则，分别写出正、负电极的电极反应式，最后可将正、负极反应式合并成的一个总反应式与之前写好的总反应式进行对比，以检查正、负极反应式的书写是否正确。在书写中需要注意正、负极得失电子是否守恒、给定电解质下的离子是否不能继续发生反应等问题。同时，除常规的以溶液形式出现的电解质外，电解质还可以为熔融状态，这种情况下的电极反应可通过先确定电极总反应式，后确定较易书写的正极或负极反应式，两者相减得出另一个电极的反应式。

2正、负电极的确定

燃料电池正负极的确定是根据电极的得失电子情况来确定的，若电极失去电子，则该电极为负极，发生氧化反应；反之，若电极得到电子，则该电极为正极，发生还原反应。依据正负极的基本确定原则，可按照下列几种方式确定燃料电池的正、负极。

（1）当电极的两端均为金属时，根据金属活动性的强弱，活动性较强的金属为负极，活动性较弱的正极；

（2）当电极的两端为金属和非金属时，金属为负极，非金属为正极；

（3）当电极的两端为金属和化合物时，金属为负极，化合物为正极；

（4）当燃料电池两端电极为相同的惰性电极时，则通常根据氧气发生反应位置区分正负极，通常氧气在正极得到电子，另一种气体充当负极失去电子；

（5）当上述方式均无法确定电池的正、负极时，可根据定义确定。根据已有的信息确定各电极物质的化合价升降情况，据此确定电极处发生的是氧化反应还是还原反应，从而确定电池的正、负极。

3溶液电解质下的电极反应式的书写

确定燃料电池的正、负电极之后，根据电子的得失情况可分别确定出电极的正、负极的电极反应式，再结合电解质的离子状况可确定正、负极的最终的电极反应式，两者合并即可得到电极的总反应式。电极式的正确书写，是燃料电池解题过程中最关键的步骤。实际书写时，往往并不能直接确定正、负极的电子得失情况与生成物，而常规的燃料电池中，氧气基本都充当正极反应物，因此可以通过正极反应式入手。氧气在正极发生还原反应，得到电子，变成O2-，但O2-在电解质溶液中极不稳定，不能单独存在，只能与水或者氢离子结合生成OH-或H2O，因此，要正确书写正极的电极反应式，必须明确电解质溶液的酸碱性。在酸性溶液下，正极发生的反应为：O2+4e-+4H+→2H2O；在碱性或中性溶液下，正极发生的反应为：O2+4e-+2H2O→4OH-。确定了正极发生的电极反应式后，根据总反应的生成物的元素的化合价的变化，结合电解质溶液的酸碱性，可确定出电池的总反应式，最后将两者相减即可得到电池负极的总反应式。

例1甲烷燃料电池的两极通常为多孔镍板，假设电解质溶液为碱性溶液，写出该燃料电池的正、负极反应式及总反应式。

解：根据上述理论，先确定较易书写的正极反应式，由于该电解质溶液为碱性溶液，因此正极的反应为：O2+4e-+2H2O→4OH-，然后考虑电池的总反应式，甲烷燃烧在常规情况下生成物为CO2和H2O，但在碱性环境下，CO2将继续与OH-反应生成CO32-，因此，电池的总反应式为CH4+2OH-+202→CO32-+3H2O，将总反应式减去正极反应式，即可得到负极反应式：CH4+100H--8e-→CO32-+7H2O。

分析：倘若该电解质溶液为酸性溶液，则根据上述理论，先确定的正极反应式为：O2+4e-+4H+→2H2O，考虑电池的总反应，由于生成的CO2在酸性溶液中不能继续发生反应，因此最后的生成物即为CO2和H2O。电池的总反应式为：CH4+2O2→CO2+2H2O，将总反应式减去正极反应式，即可得到负极反应式：CH4-8e-+2H20→CO2+8H+。从该分析可知，电解质溶液的酸碱性对电极反应式的正确书写有着重要的影响，其影响的主要是H+和O2-在溶液中的赋存状态。此外，在书写电极反应式时，一定要注意原子守恒、电荷守恒原则。

4熔融态电解质下的电极反应式的书写

高温熔融状态下的固体电解质，与溶液电解质的最大不同在于O2-能在高温熔融状态下存在，因而其正极反应式为：O2+4e-→2O2-，而在电解质为碳酸盐的环境下，正极的反应式为：O2+4e-+2CO2→2CO32-。再根据燃料电池的总反应式，将两者相减，即可确定负极的反应式。

例2假设甲烷燃料电池的电解质为熔融的Na2CO3，写出其燃料电池的正、负极反应式及总反应式。

解：根据上述理论，直接写出该燃料电池在碳酸盐电解质环境下的正极反应：O2+4e-+2CO2→2CO32-，分析该燃料电池的总反应，即甲烷燃烧反应，即CH4+2O2→CO2+2H2O，将两者相减，即可得到该甲烷燃料电池的负极反应式为：CH4-8e-+4CO32-→5CO2+2H2O。

例3固体氧化物燃料电池以固体氧化锆-氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许负二价的氧离子在其间通过。该电池的工作原理如图1所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应．写出该燃料电池的正、负极反应式及总反应式。

图1

解：该燃料电池看似复杂，但根据题意，多孔电极a、b均不发生反应，根据图像，实际发生反应的为氧气与氢气，生成物为水，因此，可确定出该燃料电池的总反应式为O2+2H2→2H2O，根据得失电子情况,氧气应在正极发生反应，由于在高温熔融态下，反应式为：O2+4e-→2O2-，将两者相减，即得到负极反应式为：H2-2e-→2H+。

分析：该燃料电池中需要注意的是电解质为高温固体电解质，在该状态下负二价阳离子得以存在，切不可与溶液电解质混淆，写出O2-还将与H20继续反应的错误反应式。

5结论

根据上述四个燃料电池步骤方法可知，在解燃料电池相关问题时，应根据题意首先确定出电池的正、负极，然后正确写出正、负极反应式以及电池的总反应式，在这一步中，一定要注意电解质的状态，确定是水溶液状态还是固体熔融态，水溶液状态还需注意溶液的酸碱性，电解质的状态以及酸碱性的差异会对电极的反应式产生影响，因此一定要特别注意电解质的状态及酸碱性。此外，书写时也一定要注意符合离子反应方程式的电荷守恒、元素守恒、原子守恒等原则。正确写出电极的反应式后方可对更进一步的溶液PH值变化、相关电极材料消耗的计算、能量转换率等问题进行更深一步的探讨。

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