燃料电池是一种不经过燃烧,将燃料的化学能经过化学反应直接转化为电能的装置,其放电过程无污染、无噪音、高效率,是二十一世纪的绿色电池.燃料电池虽然种类多样,但其基本结构类似:它的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)在电池的负极反应,氧化剂(通常是氧气或空气)在电池的正极反应,其组成一般可表示为:(-)燃料�电解质�O2(+).燃料电池的氧化剂和燃料不是全部储藏在电池内,而是在工作时不断从外界输入,同时将电极反应产物不断排出电池,因此燃料电池能连续不断地提供电能.常见的燃料电池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.以下根据燃料电池电解质的不同,介绍其电极反应方程式的书写方法.
一、水性电解质(酸性、中性或碱性溶液)
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.
2.写出正极反应:燃料电池的正极为O2得电子的反应,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H2O:O2+4e-+4H+2H2O;如果电解质溶液显碱性或中性,则O2-与H2O结合生成OH-:O2+4e-+2H2O4OH-.
3.根据电池的总反应和正极反应写出负极反应,要求正、负极反应相加能得到总反应.该步骤的技巧是要将正极反应和总反应方程式中O2的计量数化为相同值.
例1写出氢氧燃料电池分别以稀H2SO4、NaOH和Na2SO4溶液作电解质时的电极反应.
解析氢氧燃料电池的组成可以表示为(-)H2�电解质�O2(+),H2在负极参加反应被氧化为H+,H+可以在酸性或中性溶液中稳定存在,但在碱性溶液中,H+要与电解质溶液中的OH-结合生成H2O.O2在正极参加反应,根据前面的介绍,可以写出O2在不同电解质溶液中的电极反应.
解析该原电池的总反应为2CO+O22CO2,正极反应为O2+4e-+ 2CO22CO2-3,由此可得负极反应为2CO-4e-+2CO2-34CO2;根据电极反应方程式可见,负极消耗的CO2-3和正极生成的CO2-3的量是相等的,因而熔融盐中CO2-3的物质的量在工作时保持不变.
燃料电池是一种不经过燃烧,将燃料的化学能经过化学反应直接转化为电能的装置,其放电过程无污染、无噪音、高效率,是二十一世纪的绿色电池.燃料电池虽然种类多样,但其基本结构类似:它的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)在电池的负极反应,氧化剂(通常是氧气或空气)在电池的正极反应,其组成一般可表示为:(-)燃料�电解质�O2(+).燃料电池的氧化剂和燃料不是全部储藏在电池内,而是在工作时不断从外界输入,同时将电极反应产物不断排出电池,因此燃料电池能连续不断地提供电能.常见的燃料电池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.以下根据燃料电池电解质的不同,介绍其电极反应方程式的书写方法.
一、水性电解质(酸性、中性或碱性溶液)
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.
2.写出正极反应:燃料电池的正极为O2得电子的反应,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H2O:O2+4e-+4H+2H2O;如果电解质溶液显碱性或中性,则O2-与H2O结合生成OH-:O2+4e-+2H2O4OH-.
3.根据电池的总反应和正极反应写出负极反应,要求正、负极反应相加能得到总反应.该步骤的技巧是要将正极反应和总反应方程式中O2的计量数化为相同值.
例1写出氢氧燃料电池分别以稀H2SO4、NaOH和Na2SO4溶液作电解质时的电极反应.
解析氢氧燃料电池的组成可以表示为(-)H2�电解质�O2(+),H2在负极参加反应被氧化为H+,H+可以在酸性或中性溶液中稳定存在,但在碱性溶液中,H+要与电解质溶液中的OH-结合生成H2O.O2在正极参加反应,根据前面的介绍,可以写出O2在不同电解质溶液中的电极反应.
解析该原电池的总反应为2CO+O22CO2,正极反应为O2+4e-+ 2CO22CO2-3,由此可得负极反应为2CO-4e-+2CO2-34CO2;根据电极反应方程式可见,负极消耗的CO2-3和正极生成的CO2-3的量是相等的,因而熔融盐中CO2-3的物质的量在工作时保持不变.