燃料电池原理_燃料电池原理方程式

　　燃料电池原理

　　燃料电池是一种能量转化装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构，以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路，电解质通常为致密结构。

　　燃料电池方程式知识汇总

　　燃料电池的电极反应（主要是负极的电极方程式）是一个难点。我们知道，一般的燃料电池大多是可燃性物质（主要是可燃性气体）与氧气及电解质溶液共同组成的原电池，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应，但其总反应方程式是可燃物在氧气中燃烧。

　　由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应，再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总反应方程式。由于在反应中氧气由0价变为－2价，所以肯定是O2得电子，即O2作氧化剂是正极，即可写出正极的电极反应式：O2+4e+2H2O=4OH_①（该反应式为常见的绝大多数燃料电池的正极反应式）。

　　若此时电解质溶液为酸性，则反应过程可以理解为：正极上首先发生：O2+4e-=2O2-由于在酸性环境中大量存在H+故O2-会与H+结合成H20，故正极反应式应为：O2+4e-＋4H+＝2H2O②

　　若电解质为中性或碱性时，则正极反应式就只是①。此时负极反应式就可由总电极方程式减去正极的电极方程式得到（注意要将方程式中的氧气抵消掉）。

　　（1）直接法书写电极反应式：（以氢氧燃料电池为例）

　　解析：H2、O2燃料电池中反应实质为：2H2+O2=2HO

　　电极上H2-2e-=2H+O2+4e-=2O2+

　　在不同环境中H+、O2-会与电解质发生不同的反应，故电极反应也相应不同：

　　①、酸性环境中：H+能稳定存在，O2-会与H+结合成H20，

　　负极：2H2-4e-=4H+正极：O2+4H++4e-=2H2O

　　②、碱性环境中：H+不能稳定存在会与OH-结合成水，而O2-也不能稳定存在会与水结合形成OH-

　　负极：2H2-4e-+4OH-=4H20正极：O2+2H2O+4e-=4OH-

　　③、中性环境中：H+能稳定存在：02-会与H20结合成OH-：

　　负极：2H2-4e-=4H+正极：O2+2H20+4e-=4OH-

　　④、在能传导O2-的固体电解质中：由于O2-能存在，而H+会与固体电解质中O2-结合形成水

　　负极：2H2-4e-+2O2-=2H2O正极：O2+4e-=2O2-

　　（2）加减法书写电极方程式：

　　由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池。

　　解析：CH3OH+O2→CO2+H2O……①

　　但：CO2在碱性环境中不存在，会与OH-反应生成CO32-

　　CO2+2OH-=CO32-+H2O……②

　　故将①、②式进行叠加即为总反应：

　　2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O……③

　　由于正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH_……④由于电解质溶液为碱性，所以正极的产物不再进一步反应，则负极的反应式为总反应方程式减去正极的反应式得到：

　　2CH3OH+3O2＋4OH--3O2-6H2O-12e-=2CO32-+6H2O-12OH-

　　调整之后得（负极）：CH3OH＋8OH-－6e-＝CO32-＋6H2O

　　几种常见的燃料电池

　　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：2O2+4e-=2O2-，O2-在碱性条件下不能单独存在，只能结合H2O生成OH-即：2O2-+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-=2O2-，O2-在酸性条件下不能单独存在，只能结合H+生成H2O即：O2-+2H+=H2O，因此正极的电极反应式为：O2+4H++4e-=2H2O

　　3.电解质是NaCl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O2-

　　二、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-=CO32-+H2O，所以：

　　负极的电极反应式为：CH4+10OH-+8e-=CO32-+7H2O

　　正极发生的反应有：O2+4e-=2O2-和O2-+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。

　　三、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：2CH3OH+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：CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O

　　2.酸性电解质（H2SO4溶液为例）

　　总反应：2CH3OH+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：2CH3OH-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

　　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－=4Al3+；

　　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。