摘要：燃料电池是一种不经过燃烧，通过化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置。很多中学生对其电极方程式的书写有困难，文章按照电解质的不同，介绍了水性电解质、固体氧化物电解质和熔融碳酸盐电解质等类型的燃料电池的电极反应方程式的书写方法。

关键词：燃料电池；电极方程式；水性电解质；固体氧化物；熔融碳酸盐

文章编号：1008-0546（201１）０２-00７７-0２中图分类号：G63３．８文献标识码：Ｂ

doi：10.3９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０５４６．２０１１．０２．０３７

燃料电池是一种不经过燃烧，而通过化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置。其放电过程无污染、无噪音、高效率，是一种绿色电池。燃料电池虽然种类多样，但其基本结构类似：电极材料一般是惰性电极，具有很强的催化能力，如铂电极、活性炭电极等，还原剂（燃料）在电池的负极发生反应，氧化剂（通常是氧气或空气）在电池的正极发生反应，其组成一般可表示为：（－）燃料—电解质—Ｏ２（＋）。常见的电解质有水性电解质、固体氧化物电解质和熔融碳酸盐电解质等。以下根据燃料电池电解质的不同，介绍其电极反应方程式的书写方法：

一、水性电解质（酸性、中性或碱性的溶液）

燃料电池电极反应方程式的书写比较复杂，但有一定规律可循，通常按下述三个步骤可以顺利写出电极方程式：

１．写总反应：电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可以根据燃料的燃烧反应写出燃料电池的总反应。

２．写出正极反应：燃料电池的正极为Ｏ２得电子的反应，１个Ｏ２分子得到４个电子转变成２个Ｏ２－，但应注意Ｏ２－在电解质溶液中不能稳定存在，如果是酸性电解质，Ｏ２－要结合Ｈ＋生成Ｈ２Ｏ：Ｏ２＋４ｅ－＋４Ｈ＋＝２Ｈ２Ｏ；如果电解质溶液显碱性或中性，则Ｏ２－与Ｈ２Ｏ结合生成ＯＨ－：Ｏ２＋４ｅ－＋２Ｈ２Ｏ＝４ＯＨ－。

３．根据电池的总反应和正极反应凑出负极反应，要求正、负极反应相加能得到总反应。该步骤的技巧是要将总反应方程式和正极反应中Ｏ２前的计量数化为相同值，然后相减。

例１．写出氢氧燃料电池分别以稀Ｈ２ＳＯ４、ＮａＯＨ和Ｎａ２ＳＯ４溶液作电解质时的电极反应。

解析：氢氧燃料电池的组成可以表示为（－）Ｈ２—电解质—Ｏ２（＋），Ｈ２在负极参加反应被氧化为Ｈ＋，Ｈ＋在酸性或中性溶液中能稳定存在，但在碱性溶液中，Ｈ＋要与电解质溶液中的ＯＨ－结合生成Ｈ２Ｏ。Ｏ２在正极参加反应，根据前面的介绍，可以写出Ｏ２在不同电解质溶液中的电极反应。

答案为：Ｈ２ＳＯ４溶液：（－）Ｈ２－２ｅ－＝２Ｈ＋，（＋）Ｏ２＋４ｅ－＋４Ｈ＋＝２Ｈ２Ｏ；

ＮａＯＨ溶液：（－）Ｈ２－２ｅ－＋２ＯＨ－＝２Ｈ２Ｏ，（＋）Ｏ２＋４ｅ－＋２Ｈ２Ｏ＝４ＯＨ－；

Ｎａ２ＳＯ４溶液：（－）Ｈ２－２ｅ－＝２Ｈ＋， （＋）Ｏ２＋４ｅ－＋２Ｈ２Ｏ＝４ＯＨ－。

将这些正负极反应叠加起来，得到氢氧燃料电池的总反应都是２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ。

例２．写出甲烷燃料电池以ＫＯＨ为电解质的电极反应方程式。

解析：该电池的组成可以表示为（－）ＣＨ４—ＫＯＨ—Ｏ２（＋），第一步写出该电池的总反应，ＣＨ４的燃烧反应为：ＣＨ４＋２Ｏ２＝ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ，但注意生成的ＣＯ２要和电解质溶液ＫＯＨ发生反应：ＣＯ２＋２ＫＯＨ＝Ｋ２ＣＯ３＋Ｈ２Ｏ，将上述两方程式叠加，得到该燃料电池的总反应：ＣＨ４＋２Ｏ２＋２ＫＯＨ＝Ｋ２ＣＯ３＋３Ｈ２Ｏ。第二步写出Ｏ２在正极的反应，根据前面的介绍，可以写出Ｏ２在碱性溶液ＫＯＨ中的电极反应：Ｏ２＋４ｅ－＋２Ｈ２Ｏ＝４ＯＨ－。将正极反应和总反应中Ｏ２的计量数化为相同值，即为２Ｏ２＋８ｅ－＋４Ｈ２Ｏ＝８ＯＨ－。第三步凑出负极反应为：ＣＨ４－８ｅ－＋１０ＯＨ－＝ ＣＯ３２－＋７Ｈ２Ｏ，即ＣＨ４在负极被氧化成ＣＯ２，在碱性溶液中转变成ＣＯ３２－和Ｈ２Ｏ。

二、固体氧化物电解质

固体氧化物电池是一种新型的燃料电池，电解质在熔融状态下能传导Ｏ２－，通常是掺杂氧化钇（Ｙ２Ｏ３）的氧化锆（ＺｒＯ２）晶体。负极通入燃料，正极通入空气，正极反应为Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｏ２－，其电池组成可以表示为（－）燃料—ＺｒＯ２ 、Ｙ２Ｏ３—Ｏ２（＋）。

例３． 一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇（Ｙ２Ｏ３）的氧化锆（ＺｒＯ２）晶体，在熔融状态下能传导Ｏ２－。下列对该燃料电池说法正确的是 （ ）

Ａ．在熔融电解质中，Ｏ２－由负极移向正极

Ｂ．电池的总反应是：２Ｃ４Ｈ１０＋１３Ｏ２→８ＣＯ２＋１０Ｈ２Ｏ

Ｃ．通入空气的一极是正极，电极反应为：Ｏ２＋４ｅ－＝ ２Ｏ２－

Ｄ．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：Ｃ４Ｈ１０＋２６ｅ－ ＋１３Ｏ２－＝４ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ

解析：该电池的组成为（－）Ｃ４Ｈ１０—ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３—Ｏ２（＋）。总反应为Ｃ４Ｈ１０的燃烧反应：２ Ｃ４Ｈ１０＋１３Ｏ２＝８ＣＯ２＋１０Ｈ２Ｏ，正极反应为Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｏ２－，Ｏ２－为阴离子，在原电池装置中向负极移动，将正极反应系数调整，得到１３Ｏ２＋５２ｅ－＝２６Ｏ２－，由总反应和正极反应，凑出负极反应为２ Ｃ４Ｈ１０－５２ｅ－＋２６Ｏ２－＝８ＣＯ２＋１０Ｈ２Ｏ。本题应选ＢＣ。

三、熔融碳酸盐电解质

熔融碳酸盐电池的电解质通常为熔融Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３等，其负极通入ＣＯ，正极通入的是空气和ＣＯ２的混合气体，Ｏ２先得电子后变成Ｏ２－，继而Ｏ２－会与ＣＯ２结合成ＣＯ３２－，因而正极反应方程式为Ｏ２＋４ｅ－＋２ＣＯ２＝２ＣＯ３２－，电池组成一般表示为（－）燃料｜ Ｋ２ＣＯ３｜Ｏ２、ＣＯ２（＋）。

例４．一种新型的熔融盐燃料电池具有高发电效率而备受重视。现用Ｌｉ２ＣＯ３和Ｎａ２ＣＯ３的熔融盐混合物做电解质，一极通入ＣＯ气体，另一极通入空气与ＣＯ２的混合气体，制得燃料电池。请回答：

（１）该电池工作时的负极反应式为：；

（２）熔融盐中ＣＯ３２－的物质的量在工作时（填“增大”、“减少”、“不变”）。

解析：该原电池的总反应为２ＣＯ＋Ｏ２＝２ＣＯ２，正极反应为Ｏ２＋４ｅ－＋２ＣＯ２＝２ＣＯ３２－，由此可得负极反应为２ＣＯ－４ｅ－＋２ＣＯ３２－＝４ＣＯ２；根据电极反应方程式可见，负极消耗的ＣＯ３２－和正极生成的ＣＯ３２－的量是相等的，因而熔融盐中ＣＯ３２－的物质的量在工作时保持不变。

反馈练习：

１． ［水性电解质（酸性、中性或碱性的溶液）］下图是某笔记本电脑用甲醇质子交换膜燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为：２ＣＨ３ＯＨ＋３Ｏ２＝２ＣＯ２＋４Ｈ２Ｏ。则ｃ电极是

（填“正极”或“负极”），ｃ电极上发生的电极反应是。

参考答案：负极；ＣＨ３ＯＨ－６ｅ－＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋６Ｈ＋

２． （固体氧化物电解质）固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）以固体氧化物作为电解质。其工作原理如下图所示：下列关于固体燃料电池的有关说法正确的是（）

Ａ．电极ｂ为电池负极，电极反应式为Ｏ２＋４ｅ－＝４Ｏ２－

Ｂ．固体氧化物的作用是让电子在电池内通过

Ｃ．若Ｈ２作为燃料气，则接触面上发生的反应为

Ｈ２＋２ＯＨ－－４ｅ－＝２Ｈ＋＋Ｈ２Ｏ

Ｄ．若Ｃ２Ｈ４作为燃料气，则接触面上发生的反应为Ｃ２Ｈ４＋６Ｏ２－－１２ｅ－＝２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ

答案为 Ｄ

３． （熔融碳酸盐电解质）不久前，美国一个海军航空站安装了一台２５０ｋＷ的ＭＣＦＣ型燃料电池，该电池可同时供应电和水蒸气，其工作温度为６００℃～７００℃，所用燃料为Ｈ２，电解质为熔解的Ｋ２ＣＯ３，已知该电池的总反应为：２Ｈ２＋Ｏ２＝２Ｈ２Ｏ，负极反应为：Ｈ２＋ＣＯ３２－－２ｅ－＝Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２，则下列推断中正确的是（ ）

Ａ．正极反应为４ＯＨ－＝Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－

Ｂ．该电池的电极没有参加反应

Ｃ．电池供应１ｍｏｌ水蒸气，转移的电子数４ｍｏｌ

Ｄ．Ｏ２从正极通入，发生氧化反应

答案：Ｂ

以上分别介绍了以水性、固体氧化物和熔融碳酸盐作为电解质的燃料电池的书写方法，概括起来说，燃料电池电极反应方程式的书写有以下技巧：（１）结合燃料的燃烧方程式写出总反应；（２）氧气作为正极方程式的反应物，得电子，发生还原反应，再结合电解质（介质）写出正极反应方程式；（３）根据总反应方程式和正极方程式可推出负极反应方程式；（４）注意燃料电池内部即电池的内电路，电流的方向（正电荷的移动方向）是负极指向正极。