燃料电池的工作原理

燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电池。

燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池，它与原电池形成条件有一点相悖，就是不一定两极是两根活动性不同的电极，也可以用相同的两根电极。燃料电池有很多，下面主要介绍几种常见的燃料电池，希望达到举一反三的目的。

一、氢氧燃料电池

氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂(Pt)或石墨做电极材料，负极通入H₂，正极通入O₂，总反应为：2H₂＋O₂＝2H₂O

电极反应特别要注意电解质，有下列三种情况：

1．电解质是KOH溶液(碱性电解质)

负极发生的反应为：H₂＋2e^-＝2H^＋，2H^＋＋2OH^－＝2H₂O，所以：

负极的电极反应式为：H₂－2e^-＋2OH^－＝2H₂O；

正极是O₂得到电子，即：O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－在碱性条件下不能单独存在，只能结合H₂O生成OH^－即：O^2－＋2H₂O＝4OH^－，因此，正极的电极反应式为：O₂＋H₂O＋4e^-＝4OH^－。

2．电解质是H₂SO₄溶液(酸性电解质)

负极的电极反应式为：H₂＋2e^-＝2H^＋

正极是O₂得到电子，即：O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－在酸性条件下不能单独存在，只能结合H^＋生成H₂O即：O^2－＋2H^＋＝H₂O，因此

正极的电极反应式为：O₂＋4H^＋＋4e^-＝2H₂O(O₂＋4e^-＝O^2－，O^2－＋4H^＋＝2H₂O)

3.电解质是N_ACl溶液(中性电解质)

负极的电极反应式为：H₂＋2e^-＝2H^＋正极的电极反应式为：O₂＋H₂O＋4e^-＝4OH^－

说明：1.碱性溶液反应物、生成物中均无H^＋；2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH^－；

3.中性溶液反应物中无H^＋和OH^－；4.水溶液中不能出现O^2－。

二、甲醇燃料电池

甲醇燃料电池以铂为两极，用碱或酸作为电解质：

1．碱性电解质(KOH溶液为例)

总反应式：2CH₄O＋3O₂＋4KOH＝2K₂CO₃＋6H₂O

正极的电极反应式为：3O₂＋12e^-＋6H₂O＝12OH^－

负极的电极反应式为：CH₄O－6e^-＋8OH^－＝CO₃^2－＋6H₂O

2.酸性电解质(H₂SO₄溶液为例)

总反应：2CH₄O＋3O₂＝2CO₂＋4H₂O

正极的电极反应式为：3O₂＋12e^-＋12H^＋＝6H₂O

负极的电极反应式为：2CH₄O－12e^-＋2H₂O＝12H^＋＋2CO₂

说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同

三、甲烷燃料电池

甲烷燃料电池以多孔镍板为两极，电解质溶液为KOH，生成的CO₂还要与KOH反应生成K₂CO₃，所以总反应为：CH₄＋2KOH＋2O₂＝K₂CO₃＋3H₂O。

负极发生的反应：CH₄－8e^-＋8OH^－＝CO₂＋6H₂OCO₂＋2OH^－＝CO₃^2－＋H₂O，所以：

负极的电极反应式为：CH₄＋10OH^－＋8e^-＝CO₃^2－＋7H₂O

正极发生的反应有：O₂＋4e^-＝O^2－和O^2－＋H₂O＝2OH^－所以：

正极的电极反应式为：O₂＋2H₂O＋4e^-＝4OH^－

说明：掌握了甲烷燃料电池的电极反应式，就掌握了其它气态烃燃料电池的电极反应式

四、铝—空气—海水电池：我国首创以铝－空气－海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。

电源负极材料为：铝；电源正极材料为：石墨、铂网等能导电的惰性材料。

负极的电极反应式为：4Al－12e^-＝4Al^3＋；正极的电极反应式为：3O₂＋6H₂O＋12e^-＝12OH^－

总反应式为：4Al＋3O₂＋6H₂O＝4Al(OH)₃

说明：铝板要及时更换，铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积.

 (1)氧氧燃料电池以氢气为燃料(作负极)，以氧气为氧化剂(作正极)，可用酸性电解质(如稀H2SO4)，也可用碱性电解质(如KOH)。

①若电解质是酸性的，在电极反应式中不能出现OH^-。

②若电解质是碱性的，在电极反应式中不能出现H⁺。

 (2)甲烷一氧气燃料电池

若将金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通入甲烷和氧气。

·  新型化学电源的考查及解题指导：

近几年高考试题中出现的新型电池，有“氢镍电池”“高铁电池”“锌一锰碱性电池”、我国首创的“海洋电池”“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、CO燃料电池)、“锂离子电池”“银锌电池～纽扣电池”等。这些电池一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量 (单位质量释放的能量)高等特点。取材于这些知识点的试题，由于题材广、信息新、陌生度大，所以，大多数考生认为这类试题难度大，而难在何处又十分迷茫。实际上这些题目主要考查的是学生对信息的迁移应用能力。具体有以下几个考查角度：

1．新型电池“放电”时正、负极的判断

 2．新型电池“放电”时，电极反应式的书写首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液巾的离子发生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反幢方程式减去较简单一极的电极反应式，从而得到较复杂一极的电极反应式。

3．新型电池“充电”时阴、阳极的判断首先明确原电池放电时的正、负极，再根据充电时，阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。

4．新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断首先分清电池是放电还是充电；再判断正、负极或阴、阳极，进而可确定离子的移动方向。