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。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,如果电解质参与反应,应写最终产物。
2.写出正极反应:燃料电池的正极为O2得电子的反应,但不同电解质下氧气得电子后的产物不同。
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:一定要使得总反应方程式和正极反应中的电子数相同的情况下,再相减。
一、水性电解质(酸性、中性或碱性的溶液)
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:O2+4H++4e-→2H2O;如果电解质溶液显碱性或中性,则O2-与H2O结合生成OH-:O2+2H2O+4e-→4OH-。
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(如丁烷)则负极C4H10+13O2--26e-→4CO2+5H2O,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(+)。
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+2CO2+4e-=2CO32-,电池组成一般表示为(-)燃料|K2CO3|O2+2CO2(+)。
例: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。该电池工作时的总反应式为2CO+O2=2CO2,正极反应为O2+2CO2+4e-→2CO32-,由此可得负极反应为2CO+2CO32-→4CO2+4e-。
在教学过程中,笔者逐渐总结出另一种方法,更为简洁,更适合于高三复习用,可分为三步:
(1)先找出发生氧化反应(还原反应)的物质,一般规律:负极是燃料(可一种或多种)失电子,正极是O2得电子。再写出它们分别对应的氧化产物(还原产物),这点一定要考虑电解质是否参与反应。
(2)找对反应物和产物后,接着标上转移的电子数。
(3)利用电荷守恒,从电解质中找出符合客观实际的离子(注意是否共存),添加在电极反应式的两端。
(4)最后看是否符合质量守恒。
例如:若碱性条件下某燃料电池一极通入CO和H2,另一极通O2,写出正负电极反应:
第一步,负极燃料有两种CO和H2,因为是碱性溶液,所以负极产物是CO32-和H2O,而不是CO2和H2O,正极产物是OH-,负极:CO+H2→CO32-+H2O;正极:O2→OH-;
第二步,标上转移的电子数,负极:CO+H2→CO32-+H2O+4e-;正极:O2+4e-→4OH-;
第三步,负极应在左端加6OH-,而不是在右端加6H+,故负极:CO+H2+6OH-→CO32-+4e-;正极:O2+4e-→4OH-;第四步,符合质量守恒,负极:CO+H2+6OH-→CO32-+4H2O+4e-;正极:O2+2H2O+4e-→4OH-。