新型燃料电池的分析与探讨

廉敬立

摘 要：化学与生活息息相关，燃料电池在高考试题中年年出现。结合我国开发新能源的要求，有必要分析探讨，提高学生的实际运用能力。

关键词：燃料电池；二甲醚；新型能源；酸性电解质溶液；碱性电解质溶液；熔融碳酸盐

2013陕西理综试题中28题（15分）是有关燃料电池的题，题中提到二甲醚（CH3OCH3）是无色气体，可作为一种新型能源。由合成气（组成为H2、CO和少量的CO2）直接制备二甲醚。因此，分析探讨燃料电池是很有必要的。

接着我们从化学电源构成、氢氧燃料电池以及燃料电池电极反应式的书写来谈一谈新型燃料电池。

一、化学电源构成

化学电源是将化学能转化为电能的装置即原电池。其构成条件是：

1.由两种金属活动性不同的金属或金属和其他导电的材料（非金属或某氧化物）组成的两个电极。即有活泼性不同的两个电极

2.两个电极必须浸在电解质溶液中自发地发生氧化-还原反应

3.两电极之间要接触或用导线相连形成闭合电路

活动性强的金属是原电池的负极，失去电子发生氧化反应。活动性较弱的金属（导电的非金属或氧化物）是原电池的正极，得到电子发生还原反应。

二、氢氧燃料电池

氢氧燃料电池是要求学生必须掌握的知识，其他燃料电池推断以氢氧燃料电池为基准。根据电解液写出的正负极电极反应式如下：

三、燃料电池书写

电池负极和正极的电极反应式是常用的化学用语，其正误判断是考试的热点，燃料电池的电极式书写更是难点，因此要熟练掌握燃料电池电极反应式的书写方法。

1.写

正确写出燃料燃烧的化学反应方程式，再分析其产物是否与电解液反应。若继续反应，写出其总反应式。若不发生反应，燃料燃烧的化学反应方程式就是总反应式。

2.定

标出总反应式中各元素的化合价，找出发生的氧化反应和还原反应，确定在负极和正极上发生反应的物质。

3.找

根据电解水溶液是酸性、碱性、中性或电解质是熔融盐、固体氧化物等，确定正极氧气放电情况，寻找得出正极反应式。有关电解质的四种情况归纳如下：

（1）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。

（2）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-。

（3）电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3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-。

（4）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-。

综上所述，燃料电池正极反应式本质都是O2+4e-=2O2-，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。

4.减

用总反应式减去正极反应式，得负极反应式。

5.查

查正极和负极得失电子数目是否相等。气体和沉淀符号是否标明。（或将正极和负极的电极式相加，看是否等于总反应式。若相等则正确。否则为错。）

注意：新型燃料电池的燃料很多，如：CO、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、CH3OH、CH3CH2OH、CH3OCH3、Al等都可用作燃料。条件也比较复杂，有的是酸、有的是碱、有的还可为盐溶液或熔融氧化物。写电极式时，遇具体问题要具体分析。

探讨燃料电池，是为了让学生在化学复课中充分理解掌握各种类型燃料电池，熟练运用相关知识解决实际问题，提高其综合应用能力。高考命题在不断向化学与技术方面倾斜，我们是否应该增开化学与技术这门选修课，让我们的学生在知识方面不要先输给其他地区的学生，使他们在高考中同其他地区学生能站在同一起跑线上去竞争。

（作者单位 陕西省韩城市象山中学）