探究氢氧燃料电池电极反应机理 准确书写其电极反应式

探究氢氧燃料电池电极反应机理 准确书写其电极反应式

廖逢聪

云南省思茅第一中学 云南 普洱 665000

摘要：氢氧燃料电池是高中化学中需要学习的最基础燃料电池，通过学习书写氢氧燃料电池中酸性环境（稀H₂SO₄溶液作电解质溶液）、碱性环境（KOH溶液作为电解质溶液）、熔融金属氧化物（可以传导O^2-）、熔融的碳酸盐四种环境中的正极和负极的电极反应式，可以建立起一种基础燃料电池电极反应式书写的思维模型，以致能够快速、准确的书写燃料电池电极反应式。

关键词：高中化学；思维建模；基元反应；燃料电池

燃料电池电极反应的书写因为环境的不同，所涉及的基元反应不同，结果也就不一样，但如果按照基元反应发生的先后顺序一步一步的书写，最后把这几个基元反应合起来，得到的最终反应式，就是该电极的电极反应式。即按反应先后顺序①A→B；②B→C；③C→D……,而①+②+③+……可得到最终反应式，该最终反应式就是该电极的电极反应式。利用这种方法可以较为快速和准确的书写燃料电池的电极反应式，可以更好的理解和掌握基础燃料电池的反应机理。

高中化学氢氧燃料电池常涉及酸性环境（稀H₂SO₄溶液作电解质溶液）、碱性环境（KOH溶液作为电解质溶液）、熔融金属氧化物（可以传导O^2-）环境、熔融的碳酸盐（如熔融K₂CO₃）环境等四种反应环境。氢氧燃料电池是高中化学中最基础燃料电池。通过氢氧燃料电池电极反应式的书写，可以建立起燃料电池电极反应式书写的思维模型。

一、酸性环境（稀H₂SO₄溶液）

燃料电池的中输入燃料的电极是负极，被氧化的物质当然是燃料本身，氢氧燃料电池中，负极发生反应的第一步应为：H₂-2e^-=2H⁺ ，然后利用产物H⁺进一步思考下一步的反应，但H⁺在酸性体系中不能和其它物质反应，所以，酸性环境下氢氧燃料电池的负极电极反应式书写为：H₂-2e^-=2H⁺。

而通入氧气的电极为电池的正极，正极的氧气被还原。第一步反应为O₂+4e^-=2O^2- ，而O^2-在酸性体系中（水溶液体系）不能独立存在，会继续和H⁺反应即O^2-+H⁺=OH^-，生成的OH^-接着能继续和溶液中的H⁺发生OH^-+H⁺=2H₂O反应，生成的H₂O在这个体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

相加得到的反应式O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O就是氢氧燃料电池在酸性环境中的正极电极反应式。所以在酸性环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2H₂-4e^-=4H⁺；

正极的电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；

原电池总反应为：2H₂+O₂=2H₂O。

二、碱性环境（稀KOH溶液）

负极发生反应的第一步为H₂-2e^-=2H⁺ ，H⁺在碱性体系中继续和OH^-反应：OH^-+H⁺=2H₂O，而H₂O在这个体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，这时把前面的几个基元反应相加得：

所以H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O是氢氧燃料电池碱性环境下的负极电极反应式。

正极反应发生的第一步为O₂+4e^-=2O^2- ，O^2-在酸性体系中（水溶液体系）不能独立存在，会继续和H⁺反应，而碱性环境中的H⁺是由水电离出来的，因为水是弱电解质，所以反应式为O^2-+H₂O =2OH^-，而OH^-在碱性体系中可以大量存在，不能和其它物质反应，反应式就写到此，这时把前面的几个基元反应相加得：

而O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-就是氢氧燃料电池在酸性环境中的正极电极反应式。所以在碱性环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O；

正极的电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；

原电池总反应为：2H₂+O₂=2H₂O。

三、熔融金属氧化物作介质（能传导O^2-）

该环境下的正极反应比较容易写，并且在书写负极电极反应式时需要结合正极反应转移的电子，按电子守恒来写较容易理解，所以先将书写的正极电极反应式。燃料电池正极上氧气发生还原反应，第一步反应为：O₂+4e^-=2O^2- ，而O^2-熔融金属氧化物介质中能独立存在，不能和其它物质反应，所以O₂+4e^-=2O^2- 就是氢氧燃料电池在熔融金属氧化物介质中的正极电极反应式。

若正极有1mol氧气被还原生成2molO^2-，要转移4mole^-，根据电子守恒，负极就应该有2molH₂被氧化，同时产生4molH⁺。在该环境下，负极发生反应的第一步为2H₂-4e^-=4H⁺ ，而H⁺在熔融金属氧化物作介质中继续与O^2-反应即2H⁺+2O^2-=2OH^-，而OH^-再与剩余的2mol H⁺反应生成2molH₂O，水不会再继续往下反应，达到链式反应的终点，这时把前面的几个基元反应相加得：

所得反应2H₂-4e^-+2O^2-=2H₂

O是氢氧燃料在熔融金属氧化物介质中的负极电极反应式。所以在熔融金属氧化物作介质环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2H₂-4e^-+2O^2-=2H₂O；

正极的电极反应式为：O₂+4e^-=2O^2-；

原电池总反应为：2H₂+O₂=2H₂O。

四、熔融碳酸盐作介质

在熔融碳酸盐作介质中，考虑到正极若有1mol O₂参与反应，则要转移4mole^-，根据电子守恒关系，则负极发生的第一步反应为：2H₂-4e^-=4H⁺，而H⁺接着和介质中的CO₃^2-反应即4H⁺+2CO₃^2-=2H₂O+CO₂↑，该反应式的产物H₂O和CO₂都不再与体系中的其它物质反应，达到链式反应的终点，将这两个反应式相加得：

就可以得到负极的电极反应式为：2H₂-4e^-+2CO₃^2-=2H₂O+2CO₂。

通常情况下，正极区通入的气体为CO₂和O₂混合气体。正极反应发生的第一步为O₂+4e^-=2O^2- ，产生的O^2-又和CO₂发生反应生成CO₃^2-，即2O^2-+2CO₂=2CO₃^2-。在正极区域，因电解质为熔融碳酸盐，CO₃^2-能独立存在，反应式不能继续往下写，将这两个反应式相加得：

反应式O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-就是氢氧燃料电池在熔融碳酸盐介质中的正极电极反应式。所以在熔融碳酸盐作介质环境中，氢氧燃料电池的电极反应式如下：

负极的电极反应式为：2H₂-4e^-+2CO₃^2-=2H₂O+2CO₂；

正极的电极反应式为：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；

原电池总反应为：2H₂+O₂=2H₂O。

通过以上探究氢氧燃料电池的四种环境中电极反应的机理，可以快速啊准确的书写燃料电池的电极反应式，同时，可以构建一种书写燃料电池的电极反应式思维模式，这种模式同样可以运用于其它基础燃料电池的电极反应式的书写，如甲烷、氧气燃料电池，甲醇、氧气燃料电池等。

参考文献

[1]黄卓等.质子交换膜燃料电池的研究开发和应用[M]. 冶金工业出版社，北京：2002 48～52，106～114

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