燃料電池的工作原理

燃料電池是一種連續地將燃料和氧化劑的化學能直接轉化成電能的化學電池。

燃料電池是原電池中一種比較特殊的電池，它與原電池形成條件有一點相悖，就是不一定兩極是兩根活動性不同的電極，也可以用相同的兩根電極。燃料電池有很多，下面主要介紹幾種常見的燃料電池，希望達到舉一反三的目的。

一、氫氧燃料電池

氫氧燃料電池一般是以惰性金屬鉑(Pt)或石墨做電極材料，負極通入H₂，正極通入O₂，總反應為：2H₂＋O₂＝2H₂O

電極反應特別要注意電解質，有下列三種情況：

1．電解質是KOH溶液(堿性電解質)

負極發生的反應為：H₂＋2e^-＝2H^＋，2H^＋＋2OH^－＝2H₂O，所以：

負極的電極反應式為：H₂－2e^-＋2OH^－＝2H₂O；

正極是O₂得到電子，即：O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－在堿性條件下不能單獨存在，只能結合H₂O生成OH^－即：O^2－＋2H₂O＝4OH^－，因此，正極的電極反應式為：O₂＋H₂O＋4e^-＝4OH^－。

2．電解質是H₂SO₄溶液(酸性電解質)

負極的電極反應式為：H₂＋2e^-＝2H^＋

正極是O₂得到電子，即：O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－在酸性條件下不能單獨存在，只能結合H^＋生成H₂O即：O^2－＋2H^＋＝H₂O，因此

正極的電極反應式為：O₂＋4H^＋＋4e^-＝2H₂O(O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－＋4H^＋＝2H₂O)

3.電解質是N_ACl溶液(中性電解質)

負極的電極反應式為：H₂＋2e^-＝2H^＋正極的電極反應式為：O₂＋H₂O＋4e^-＝4OH^－

說明：1.堿性溶液反應物、生成物中均無H^＋；2.酸性溶液反應物、生成物中均無OH^－；

3.中性溶液反應物中無H^＋和OH^－；4.水溶液中不能出現O^2－。

二、甲醇燃料電池

甲醇燃料電池以鉑為兩極，用堿或酸作為電解質：

1．堿性電解質(KOH溶液為例)

總反應式：2CH₄O＋3O₂＋4KOH＝2K₂CO₃＋6H₂O

正極的電極反應式為：3O₂＋12e^-＋6H₂O＝12OH^－

負極的電極反應式為：CH₄O－6e^-＋8OH^－＝CO₃^2－＋6H₂O

2.酸性電解質(H₂SO₄溶液為例)

總反應：2CH₄O＋3O₂＝2CO₂＋4H₂O

正極的電極反應式為：3O₂＋12e^-＋12H^＋＝6H₂O

負極的電極反應式為：2CH₄O－12e^-＋2H₂O＝12H^＋＋2CO₂

說明：乙醇燃料電池與甲醇燃料電池原理基本相同

三、甲烷燃料電池

甲烷燃料電池以多孔鎳板為兩極，電解質溶液為KOH，生成的CO₂還要與KOH反應生成K₂CO₃，所以總反應為：CH₄＋2KOH＋2O₂＝K₂CO₃＋3H₂O。

負極發生的反應：CH₄－8e^-＋8OH^－＝CO₂＋6H₂OCO₂＋2OH^－＝CO₃^2－＋H₂O，所以：

負極的電極反應式為：CH₄＋10OH^－＋8e^-＝CO₃^2－＋7H₂O

正極發生的反應有：O₂＋4e^-＝O^2－和O^2－＋H₂O＝2OH^－所以：

正極的電極反應式為：O₂＋2H₂O＋4e^-＝4OH^－

說明：掌握了甲烷燃料電池的電極反應式，就掌握了其它氣態烴燃料電池的電極反應式

四、鋁—空氣—海水電池：我國首創以鋁－空氣－海水電池作為能源的新型海水標志燈，以海水為電解質，靠空氣中的氧氣使鋁不斷被氧化而產生電流。只要把燈放入海水中數分鐘，就會發出耀眼的白光。

電源負極材料為：鋁；電源正極材料為：石墨、鉑網等能導電的惰性材料。

負極的電極反應式為：4Al－12e^-＝4Al^3＋；正極的電極反應式為：3O₂＋6H₂O＋12e^-＝12OH^－

總反應式為：4Al＋3O₂＋6H₂O＝4Al(OH)₃

說明：鋁板要及時更換，鉑做成網狀是為了增大與氧氣的接觸面積.

 (1)氧氧燃料電池以氫氣為燃料(作負極)，以氧氣為氧化劑(作正極)，可用酸性電解質(如稀H2SO4)，也可用堿性電解質(如KOH)。

①若電解質是酸性的，在電極反應式中不能出現OH^-。

②若電解質是堿性的，在電極反應式中不能出現H⁺。

 (2)甲烷一氧氣燃料電池

若將金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，在兩極上分別通入甲烷和氧氣。

·  新型化學電源的考查及解題指導：

近幾年高考試題中出現的新型電池，有“氫鎳電池”“高鐵電池”“鋅一錳堿性電池”、我國首創的“海洋電池”“燃料電池”(如新型細菌燃料電池、CO燃料電池)、“鋰離子電池”“銀鋅電池～紐扣電池”等。這些電池一般具有高能環保、經久耐用、電壓穩定、比能量 (單位質量釋放的能量)高等特點。取材于這些知識點的試題，由于題材廣、信息新、陌生度大，所以，大多數考生認為這類試題難度大，而難在何處又十分迷茫。實際上這些題目主要考查的是學生對信息的遷移應用能力。具體有以下幾個考查角度：

1．新型電池“放電”時正、負極的判斷

 2．新型電池“放電”時，電極反應式的書寫首先根據電池反應分析物質得失電子情況，然后再考慮電極反應生成的物質是否跟電解質溶液巾的離子發生反應；對于較復雜的電極反應，可以利用總反幢方程式減去較簡單一極的電極反應式，從而得到較復雜一極的電極反應式。

3．新型電池“充電”時陰、陽極的判斷首先明確原電池放電時的正、負極，再根據充電時，陽極接正極、陰極接負極的原理進行分析。

4．新型電池充、放電時，電解質溶液中離子移動方向的判斷首先分清電池是放電還是充電；再判斷正、負極或陰、陽極，進而可確定離子的移動方向。