燃料電池原理
燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它是按電化學(xué)原理，即原電池工作原理，等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質(zhì)遷移到陽極上，與燃料氣反應(yīng)，構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。同時，由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻，燃料電池還會產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(dǎo)電子外，也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r，陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(jié)構(gòu)，以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路，電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。
燃料電池方程式知識匯總
燃料電池的電極反應(yīng)（主要是負(fù)極的電極方程式）是一個難點(diǎn)。我們知道，一般的燃料電池大多是可燃性物質(zhì)（主要是可燃性氣體）與氧氣及電解質(zhì)溶液共同組成的原電池，雖然可燃性物質(zhì)與氧氣在不同的電極反應(yīng)，但其總反應(yīng)方程式是可燃物在氧氣中燃燒。
由于涉及電解質(zhì)溶液，所以燃燒產(chǎn)物可能還要與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，再寫出燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的方程式，從而得到總反應(yīng)方程式。由于在反應(yīng)中氧氣由0價變?yōu)椋?價，所以肯定是O2得電子，即O2作氧化劑是正極，即可寫出正極的電極反應(yīng)式：O2+4e+2H2O=4OH_①（該反應(yīng)式為常見的絕大多數(shù)燃料電池的正極反應(yīng)式）。
若此時電解質(zhì)溶液為酸性，則反應(yīng)過程可以理解為：正極上首先發(fā)生：O2+4e-=2O2-由于在酸性環(huán)境中大量存在H+故O2-會與H+結(jié)合成H20，故正極反應(yīng)式應(yīng)為：O2+4e-＋4H+＝2H2O②
若電解質(zhì)為中性或堿性時，則正極反應(yīng)式就只是①。此時負(fù)極反應(yīng)式就可由總電極方程式減去正極的電極方程式得到（注意要將方程式中的氧氣抵消掉）。
?。?）直接法書寫電極反應(yīng)式：（以氫氧燃料電池為例）
解析：H2、O2燃料電池中反應(yīng)實(shí)質(zhì)為：2H2+O2=2HO
電極上H2-2e-=2H+O2+4e-=2O2+
在不同環(huán)境中H+、O2-會與電解質(zhì)發(fā)生不同的反應(yīng)，故電極反應(yīng)也相應(yīng)不同：
?、佟⑺嵝原h(huán)境中：H+能穩(wěn)定存在，O2-會與H+結(jié)合成H20，
負(fù)極：2H2-4e-=4H+正極：O2+4H++4e-=2H2O
?、?、堿性環(huán)境中：H+不能穩(wěn)定存在會與OH-結(jié)合成水，而O2-也不能穩(wěn)定存在會與水結(jié)合形成OH-
負(fù)極：2H2-4e-+4OH-=4H20正極：O2+2H2O+4e-=4OH-
?、?、中性環(huán)境中：H+能穩(wěn)定存在：02-會與H20結(jié)合成OH-：
負(fù)極：2H2-4e-=4H+正極：O2+2H20+4e-=4OH-
?、堋⒃谀軅鲗?dǎo)O2-的固體電解質(zhì)中：由于O2-能存在，而H+會與固體電解質(zhì)中O2-結(jié)合形成水
負(fù)極：2H2-4e-+2O2-=2H2O正極：O2+4e-=2O2-
?。?）加減法書寫電極方程式：
由甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿作電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池。
解析：CH3OH+O2→CO2+H2O……①
但：CO2在堿性環(huán)境中不存在，會與OH-反應(yīng)生成CO32-
CO2+2OH-=CO32-+H2O……②
故將①、②式進(jìn)行疊加即為總反應(yīng)：
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O……③
由于正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH_……④由于電解質(zhì)溶液為堿性，所以正極的產(chǎn)物不再進(jìn)一步反應(yīng)，則負(fù)極的反應(yīng)式為總反應(yīng)方程式減去正極的反應(yīng)式得到：
2CH3OH+3O2＋4OH--3O2-6H2O-12e-=2CO32-+6H2O-12OH-
調(diào)整之后得（負(fù)極）：CH3OH＋8OH-－6e-＝CO32-＋6H2O
幾種常見的燃料電池
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(fù)極通入H2，正極通入O2，總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。電極反應(yīng)特別要注意電解質(zhì)，有下列三種情況：
1．電解質(zhì)是KOH溶液（堿性電解質(zhì)）
負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)為：H2–2e-=2H+，2H++2OH-=2H2O，所以：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H2–2e-+2OH-=2H2O；
正極是O2得到電子，即：2O2+4e-=2O2-，O2-在堿性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合H2O生成OH-即：2O2-+2H2O=4OH-，因此，正極的電極反應(yīng)式為：O2+H2O+4e-=4OH-。
2．電解質(zhì)是H2SO4溶液（酸性電解質(zhì)）
負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H2–2e-=2H+
正極是O2得到電子，即：O2+4e-=2O2-，O2-在酸性條件下不能單獨(dú)存在，只能結(jié)合H+生成H2O即：O2-+2H+=H2O，因此正極的電極反應(yīng)式為：O2+4H++4e-=2H2O
3.電解質(zhì)是NaCl溶液（中性電解質(zhì)）
負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H2–2e-=2H+
正極的電極反應(yīng)式為：O2+H2O+4e-=4OH-
說明：
1.堿性溶液反應(yīng)物、生成物中均無H+
2.酸性溶液反應(yīng)物、生成物中均無OH-
3.中性溶液反應(yīng)物中無H+和OH-
4.水溶液中不能出現(xiàn)O2-
二、甲烷燃料電池
甲烷燃料電池以多孔鎳板為兩極，電解質(zhì)溶液為KOH，生成的CO2還要與KOH反應(yīng)生成K2CO3，所以總反應(yīng)為：CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O。
負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)：CH4–8e-+8OH-=CO2+6H2OCO2+2OH-=CO32-+H2O，所以：
負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH4+10OH-+8e-=CO32-+7H2O
正極發(fā)生的反應(yīng)有：O2+4e-=2O2-和O2-+H2O=2OH-所以：
正極的電極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-
說明：掌握了甲烷燃料電池的電極反應(yīng)式，就掌握了其它氣態(tài)烴燃料電池的電極反應(yīng)式。
三、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(zhì)：
1．堿性電解質(zhì)（KOH溶液為例）
總反應(yīng)式：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O
正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+6H2O=12OH-
負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O
2.酸性電解質(zhì)（H2SO4溶液為例）
總反應(yīng)：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+12H+=6H2O
負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH3OH-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
四、鋁–空氣–海水電池
我國首創(chuàng)以鋁–空氣–海水電池作為能源的新型海水標(biāo)志燈，以海水為電解質(zhì)，靠空氣中的氧氣使鋁不斷被氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，就會發(fā)出耀眼的白光。
電源負(fù)極材料為：鋁；電源正極材料為：石墨、鉑網(wǎng)等能導(dǎo)電的惰性材料。
負(fù)極的電極反應(yīng)式為：
4Al－12e－=4Al3+；
正極的電極反應(yīng)式為：
3O2+6H2O+12e－=12OH－
總反應(yīng)式為：4Al+3O2+6H2O=4Al（OH）3
說明：鋁板要及時更換，鉑做成網(wǎng)狀是為了增大與氧氣的接觸面積。