燃料电池电极反应式的书写

燃料电池电极反应式的书写

荆玉生

荆玉生（山东省平度市华侨中学266717）

[摘要]在高中阶段师生们一般把书写燃料电池电极反应式分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再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。这称为“加减法”。根据得失电子守恒，原子守恒，电荷守恒直接书写较复杂的负极电极反应式，简称“守恒法”。

[关键词]燃料电池

原电池知识是中学化学中的重要基本概念，在学习原电池时，学生感觉最困难的是电极反应式的书写，特别是燃料电池电极反应式的书写。为了帮助同学们准确把握燃料电池电极反应式的书写方法，笔者结合自己的教学体会谈谈这方面的问题，供大家参考。

一、有关燃料电池基本知识了解

1、定义。

燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料和氧化剂的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，这是我们书写燃料电池总反应方程式的依据。

2、燃料电池的分类。

目前，燃料电池按电解质划分为6个种类，即碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、固体聚合物燃料电池，又称为质子交换膜燃料电池、及生物燃料电池。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。

二、燃料电池电极反应式的书写方法

一般把书写燃料电池电极反应式分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再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。下面对书写燃料电池电极反应式“加减法”具体做一下解释。

1、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，但要注意燃烧产物与电解质的反应。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。

2、燃料电池正极反应式的书写。

因为燃料电池正极反应物一律是氧气，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。现将与电解质有关的四种情况归纳如下。

⑴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，O2-离子结合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。

⑵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-。

⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混合物）

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-。

⑷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，O2-离子能够单独存在，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。

综上所述，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

3、燃料电池负极反应式的书写.

（1）燃料电池的负极反应式一般采用间接方法书写，即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。

（2）根据得失电子守恒，原子守恒，电荷守恒直接书写较复杂的负极电极反应式。简称“守恒法”。如甲烷燃料电池负极中，甲烷被氧化为二氧化碳，二氧化碳在碱性条件不能存在，结合氢氧根生成碳酸根。甲烷中碳元素化合价由-4价升高到碳酸根中的+4价，故1mol甲烷失去8mol电子，结合OH-生成1molCO32-，再根据电荷守恒，电极反应式右侧CO32-带两个单位负电荷，故左侧应该有10molOH-,再根据原子守恒，电极反应式右侧加上7molH2O。即得CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O。

三、燃料电池电极反应式的书写应用举例

例:下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（）（1个电子所带电量为1.6*10-19C）

A、负极反应式为：CH4+10OH-—8e-=CO32-+7H2O

B、正极反O2+2H2O+4e-=4OH-

C、随着不断放电，电解质溶液的碱性不变

D、在标准状况下，每消耗5.6升O2,可向外提供约9.6*104C的电量

解析：该题根据“守恒法”可顺利写出原电池负极反应式为：CH4—8e-+10OH-=CO32-+7H2O；按上述燃料电池正极反应式的书写方法（2）知，在KOH溶液中，其正极反应式为：O2＋2H2O+4e-=4OH-。所以选项A、B都正确。又因负极消耗10molOH-,而正极生成8molOH-,所以OH-浓度减小2mol。随着不断放电，电解质溶液的碱性不变的说法是错误的。由正极反应式可知O2∽4e-,所以5.6升O2消耗时可向外提供电量=(5.6/22.4)*4*6.02*1023*1.6*104=9.6*104C,选项D也正确。故选（C）