高中化学燃料电池题解题方法分析

摘 要：燃料电池题相关的重要知识点是“氧化还原反应”，同时，在实际解题中，燃料电池类型的不同，也会对具体解题思路产生较为直接的影响.由此也就能够看出，高中化学燃料电池题的求解，存在着较为灵活、多变的特点.

基于此，文章结合燃料电池的实际例题，对其具体解题方法及思路做出全面分析与探讨，以期为学生燃料电池题解题效率的提升提供支持与助力.

关键词：高考化学；燃料电池题；解题方法

中图分类号：G632"" 文献标识码：A"" 文章编号：1008-0333（2024）34-0130-03

收稿日期：2024-09-05

作者简介：陆惠（1979.10—），女，江苏省南通人，研究生，中学一级教师，从事化学教学研究.

在高中化学题目的设置中，燃料电池题也有多种类型的划分，如烃燃料电池、氢燃料电池等[1].不同类型燃料电池，会使用不同的燃料及电解质，但是基本原理几乎相同.基于此，本文将针对高中化学燃料电池题的创新解题思路，进行深入剖析与研究.

1 界定电池类型，明确反应原理

燃料电池本身属于不经过燃烧，经过电化学反应，直接转变为电能的“装置”，与其他电池的“氧化还原反应”原理一致，均属自发“化学反应”，废物排放量也较低.在燃料电池反应原理分析中，需明确不同类型燃料电池的反应原理各不相同，可作出如下划分.

1.1 甲醇燃料电池

甲醇燃料电池在电解质不同情况下，整体反应会发生不同变化.具体而言：（1）酸性电解质：电解液为H2SO4溶液、两极为铂的情况下，其正极反应式为：

3O2+12e-+12H+6H2O；

负极反应式为：

2CH3OH-12e-+2H2O12H++2CO2；

总反应方程式为：

2CH3OH+3O22CO2+4H2O；

（2）碱性电解质：电解液为KOH溶液、两极为铂的情况下，其正极反应式为：

3O2+12e-+6H2O12OH-；

负极反应式为：

2CH3OH-12e-+16OH-2CO2-3+12H2O；

总反应方程式为：

2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O.

1.2 氢氧燃料电池

氢氧燃料电池基本以石墨、惰性金属“如铂”作为电极材料，其中正负极会分别通入“O2”“H2”，总反应方程式为：2H2+O22H2O，而其正负极反应，也会因电解质的不同，而产生不同情况，具体可分为以下3种：（1）电解质为H2SO4溶液，其正极反应式为：O2+4H++4e-2H2O；负极反应式为：2H2-4e-4H+.（2）电解质为KOH溶液，其正极反应式为：O2+2H2O+4e-4OH-；负极反应式为：2H2-4e-+4OH-2H2O.（3）电解质为NaCl溶液，其正极反应式为：O2+2H2O+4e-4OH-；负极反应式为：2H2-4e-4H+[2].

需要明确的是：（1）氢氧燃料电池电解质为酸性溶液的情况下，无论是反应物、生成物中，都没有OH-；（2）氢氧燃料电池电解质为碱性溶液的情况下，无论是反应物、生成物中，都没有H+；（3）氢氧燃料电池电解质为中性溶液的情况下，反应物中没有H+、OH-；（4）氢氧燃料电池电解质为水溶液的情况下，不能出现O2-.

1.3 甲烷燃料电池

甲烷燃料电池在不同电解质溶液中的反应也各不相同，（1）电解质为酸性溶液（H2SO4溶液），而两极为铂的情况下，其正极反应式为：2O2+8e-+8H+4H2O；负极反应式为：CH4-8e-+2H2O8H++CO；总反应方程式为：CH4+2O2CO2+2H2O.（2）电解质为碱性溶液（KOH溶液），而两极为铂的情况下，其正极反应式为：2O2+2H2O+8e-8OH-；负极反应式为：CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O；总反应方程式为：CH4+2KOH+2O2K2CO3+3H2O.2 明晰反应方程，解答典型例题

虽然可燃性物质与氧气在不同的燃料电池中电极反应不同，但其总反应方程式一般都是可燃物在氧气中的燃烧反应方程式[3].因为涉及电解质溶液，所以燃烧产物还可能要与电解质溶液反应，然后再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式并相加，从而得到总反应方程式.2.1 燃料电池正、负极电极反应式

2.1.1 燃料电池正极电极反应式

因为燃料电池正极都是O2得到电子而产生还原反应，因此，其基础反应式均为O2+4e-2O2-，同时，需要注意的是，因为电解质状态、电解质溶液酸碱度等多方面的不同，燃料电池正极电极反应也各不相同.具体而言，可以划分为以下4种情况：（1）在电解质为酸性环境，正极电极反应式是：O2+4e-+4H+2H2O；（2）在电解质为中性环境、碱性环境，正极电极反应式是：O2+4e-+2H2O4OH-；（3）在电解质为熔融碳酸盐，正极电极反应式是：O2+2CO2+4e-2CO2-3；（4）在电解质为固体，在高温下其允许O2-在其间自由通过，但是O2-并不会和其他离子产生结合，这时正极电极反应式是：O2+4e-2O2-[4].

2.1.2 燃料电池负极电极反应式

因为原电池是将氧化还原反应中的“氧化反应”和“还原反应”，分开在两极（负、正两极）上发生，故燃料电池负极的电极反应式＝燃料电池总反应式-燃料电池正极的电极反应式.在利用此法写出燃料电池负极的电极反应式时，需注意以下两点：（1）注意消去总反应和正极反应中的O2；（2）注意两极反应式和总反应式电子转移相同.

2.2 典型例题剖析

例1 如图1所示，是一种熔融碳酸盐燃料电池原理，下列关于该电池说法正确的选项是（" ）.

A.电池在工作过程中，CO2-3向电极B移动

B.反应CH4+H2O催化剂3H2+CO，每消耗1 mol CH4会转移12 mol电子

C.电极B上发生的电极反应为：O2+2CO2+4e-2CO2-3

D.电极A上H2参与的电极反应为：H2+2OH--2e-2H2O

解析 A选项中，原电池工作过程中，阴离子会移向负极，但是电极B本身为正极，所以A选项判断错误；B选项中，C-4H4→C+2O，所以这一反应中，每消耗1 mol CH4会转移12 mol电子的判断错误；C选项中，电极B为正极，因此其上发生的电极反应为：O2+2CO2+4e-2CO2-3正确；D选项中，因电池本身的传导介质是熔融的碳酸盐，因此电极A上H2参与的电极反应为：H2-2e-+CO2-3CO2+H2O，所以D选项不正确.综上解析，本题正确答案为C.

3 界定题目详情，做好题目详解

在高中化学题目的设置中，燃料电池题的考查，一直是各省高考的重点内容，在具体解答过程中，需要对题目详情做出明确界定，以便做好题目详解.

例2 如图2所示，其所展现的是某一生物燃料电池作用原理，请根据图2回答如下问题：（1）写出电池负极反应式；（2）在该电池放电过程中，其阳离子（H+）应从（" ）极向（" ）极移动；（3）燃料电池能量转化主要形式；电流方向为；（4）该生物燃料电池如果在反应过程中消耗1mol氧气，那么在标准情况下其CO2体积是；（5）生物燃料电池不能够于高温下工作的原因.

解析 （1）对于该生物燃料电池而言，其负极主要是葡萄糖发生反应，在负极失电子被氧化，所以可写出该电池负极反应式为：C6H12O6-24e-+6H2O6CO2+24H+；（2）在原电池作业过程中，电解质中的阳离子，基本向正极移动，而阴离子则与之相反，向负极移动，这样才能够构成一个闭合回路，因此可得出阳离子（H+）应从负极向正极移动；（3）原电池本身是把化学能转化为电能的装置，在原电池工作时，电流一般从正极经过外电路，流向负极，a端氧气会在发生反应后变成水，这时的电极反应式为：O2+4e-+4H+2H2O，其中a代表正极，因此可得出燃料电池能量转化主要形式是从化学能转变为电能，电流方向为从a到b；（4）正极反应的方程式是：O2+4e-+4H+2H2O，那么该生物燃料电池如果在反应过程中，消耗1 mol氧气，就会转移4 mol e-，基于C6H12O6-24e-+6H2O6CO2+24H+能够得出，4 mol e-的转移，能够生成1 mol CO2，这就说明，可生成标准情况下的CO2是22.4 L；（5）如图2所示，燃料电池是微生物燃料电池，因此其不能够在高温条件下工作，主要是因为高温条件下，微生物的蛋白质会产生凝固变性[5].

4 结束语

综上所述，解决高中化学燃料电池题的关键，在于对电池工作原理的有效理解.燃料电池题在高中化学中属于高频考点之一，文章通过对燃料电池总反应式、两极反应式的书写判断、典型例题的分析，深入探讨了如何通过创新解题方法、举措的应用，提升燃料电池题的解题效率与质量.其中包含的创新解题方法有“界定电池类型，明确反应原理”“明晰反应方程，解答典型例题”“界定题目详情，做好题目详解”，将上述创新解题方式，应用至高考化学燃料电池题解答中，对学生解题速度、质量、水平提升均有较为明显的促进作用，进而学生的数学核心素养也得到了显著提升.

参考文献：

［1］龚亭亭.高中化学试题对燃料电池的考查例析[J].高中数理化，2021（4）：59.

[2] 王志庚.由2019年高考全国Ⅰ卷电化学试题说起：兼谈Minteer教授的生物燃料电池设计思路[J].中学化学教学参考，2019（21）：69-70.

[3] 黄颖.解答新型电池五类题目的“必杀技”[J].中学生数理化（高考理化），2024（6）：6-10.

[4] 李春燕，李家欢.化学高考热点题型：电化学专题突破[J].广东教育（高中版），2019（7）：119-121.

[5] 郭慧芳.2022年高考化学电池考点盘点[J].高中数理化，2022（24）：55-56.

［责任编辑：季春阳］