摘要：氫氧燃料電池是高中化學(xué)中需要學(xué)習(xí)的最基礎(chǔ)燃料電池，通過學(xué)習(xí)書寫氫氧燃料電池中酸性環(huán)境(稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液)、堿性環(huán)境(KOH溶液作為電解質(zhì)溶液)、熔融金屬氧化物(可以傳導(dǎo)O2-)、熔融的碳酸鹽四種環(huán)境中的正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式，可以建立起一種基礎(chǔ)燃料電池電極反應(yīng)式書寫的思維模型，以致能夠快速、準(zhǔn)確的書寫燃料電池電極反應(yīng)式。

　　關(guān)鍵詞：高中化學(xué);思維建模;基元反應(yīng);燃料電池

　　燃料電池電極反應(yīng)的書寫因為環(huán)境的不同，所涉及的基元反應(yīng)不同，結(jié)果也就不一樣，但如果按照基元反應(yīng)發(fā)生的先后順序一步一步的書寫，最后把這幾個基元反應(yīng)合起來，得到的最終反應(yīng)式，就是該電極的電極反應(yīng)式。即按反應(yīng)先后順序①A→B;②B→C;③C→D……,而①+②+③+……可得到最終反應(yīng)式，該最終反應(yīng)式就是該電極的電極反應(yīng)式。利用這種方法可以較為快速和準(zhǔn)確的書寫燃料電池的電極反應(yīng)式，可以更好的理解和掌握基礎(chǔ)燃料電池的反應(yīng)機(jī)理。

　　高中化學(xué)氫氧燃料電池常涉及酸性環(huán)境(稀H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液)、堿性環(huán)境(KOH溶液作為電解質(zhì)溶液)、熔融金屬氧化物(可以傳導(dǎo)O2-)環(huán)境、熔融的碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境等四種反應(yīng)環(huán)境。氫氧燃料電池是高中化學(xué)中最基礎(chǔ)燃料電池。通過氫氧燃料電池電極反應(yīng)式的書寫，可以建立起燃料電池電極反應(yīng)式書寫的思維模型。

　　一、酸性環(huán)境(稀H2SO4溶液)

　　燃料電池的中輸入燃料的電極是負(fù)極，被氧化的物質(zhì)當(dāng)然是燃料本身，氫氧燃料電池中，負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步應(yīng)為：H2-2e-=2H+ ，然后利用產(chǎn)物H+進(jìn)一步思考下一步的反應(yīng)，但H+在酸性體系中不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，所以，酸性環(huán)境下氫氧燃料電池的負(fù)極電極反應(yīng)式書寫為：H2-2e-=2H+。

　　而通入氧氣的電極為電池的正極，正極的氧氣被還原。第一步反應(yīng)為O2+4e-=2O2- ，而O2-在酸性體系中(水溶液體系)不能獨(dú)立存在，會繼續(xù)和H+反應(yīng)即O2-+H+=OH-，生成的OH-接著能繼續(xù)和溶液中的H+發(fā)生OH-+H+=2H2O反應(yīng)，生成的H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：

　　相加得到的反應(yīng)式O2+4e-+4H+=2H2O就是氫氧燃料電池在酸性環(huán)境中的正極電極反應(yīng)式。所以在酸性環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：

　　負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-=4H+;

　　正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+4H+=2H2O;

　　原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。

　　二、堿性環(huán)境(稀KOH溶液)

　　負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步為H2-2e-=2H+ ，H+在堿性體系中繼續(xù)和OH-反應(yīng)：OH-+H+=2H2O，而H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：

　　所以H2-2e-+2OH-=2H2O是氫氧燃料電池堿性環(huán)境下的負(fù)極電極反應(yīng)式。

　　正極反應(yīng)發(fā)生的第一步為O2+4e-=2O2- ，O2-在酸性體系中(水溶液體系)不能獨(dú)立存在，會繼續(xù)和H+反應(yīng)，而堿性環(huán)境中的H+是由水電離出來的，因為水是弱電解質(zhì)，所以反應(yīng)式為O2-+H2O =2OH-，而OH-在堿性體系中可以大量存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，反應(yīng)式就寫到此，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：

　　而O2+4e-+2H2O=4OH-就是氫氧燃料電池在酸性環(huán)境中的正極電極反應(yīng)式。所以在堿性環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：

　　負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+4OH-=4H2O;

　　正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2H2O=4OH-;

　　原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。

　　三、熔融金屬氧化物作介質(zhì)(能傳導(dǎo)O2-)

　　該環(huán)境下的正極反應(yīng)比較容易寫，并且在書寫負(fù)極電極反應(yīng)式時需要結(jié)合正極反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子，按電子守恒來寫較容易理解，所以先將書寫的正極電極反應(yīng)式。燃料電池正極上氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，第一步反應(yīng)為：O2+4e-=2O2- ，而O2-熔融金屬氧化物介質(zhì)中能獨(dú)立存在，不能和其它物質(zhì)反應(yīng)，所以O(shè)2+4e-=2O2- 就是氫氧燃料電池在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的正極電極反應(yīng)式。

　　若正極有1mol氧氣被還原生成2molO2-，要轉(zhuǎn)移4mole-，根據(jù)電子守恒，負(fù)極就應(yīng)該有2molH2被氧化，同時產(chǎn)生4molH+。在該環(huán)境下，負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的第一步為2H2-4e-=4H+ ，而H+在熔融金屬氧化物作介質(zhì)中繼續(xù)與O2-反應(yīng)即2H++2O2-=2OH-，而OH-再與剩余的2mol H+反應(yīng)生成2molH2O，水不會再繼續(xù)往下反應(yīng)，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，這時把前面的幾個基元反應(yīng)相加得：

　　所得反應(yīng)2H2-4e-+2O2-=2H2O是氫氧燃料在熔融金屬氧化物介質(zhì)中的負(fù)極電極反應(yīng)式。所以在熔融金屬氧化物作介質(zhì)環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：

　　負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H

　　2-4e-+2O2-=2H2O;

　　正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-=2O2-;

　　原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。

　　四、熔融碳酸鹽作介質(zhì)

　　在熔融碳酸鹽作介質(zhì)中，考慮到正極若有1mol O2參與反應(yīng)，則要轉(zhuǎn)移4mole-，根據(jù)電子守恒關(guān)系，則負(fù)極發(fā)生的第一步反應(yīng)為：2H2-4e-=4H+，而H+接著和介質(zhì)中的CO32-反應(yīng)即4H++2CO32-=2H2O+CO2↑，該反應(yīng)式的產(chǎn)物H2O和CO2都不再與體系中的其它物質(zhì)反應(yīng)，達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的終點(diǎn)，將這兩個反應(yīng)式相加得：

　　就可以得到負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2。通常情況下，正極區(qū)通入的氣體為CO2和O2混合氣體。正極反應(yīng)發(fā)生的第一步為O2+4e-=2O2- ，產(chǎn)生的O2-又和CO2發(fā)生反應(yīng)生成CO32-，即2O2-+2CO2=2CO32-。在正極區(qū)域，因電解質(zhì)為熔融碳酸鹽，CO32-能獨(dú)立存在，反應(yīng)式不能繼續(xù)往下寫，將這兩個反應(yīng)式相加得：

　　反應(yīng)式O2+4e-+2CO2=2CO32-就是氫氧燃料電池在熔融碳酸鹽介質(zhì)中的正極電極反應(yīng)式。所以在熔融碳酸鹽作介質(zhì)環(huán)境中，氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如下：

　　負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2;

　　正極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2CO2=2CO32-;

　　原電池總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O。

　　能源論文范例：電池性能分析論文發(fā)表的期刊

　　通過以上探究氫氧燃料電池的四種環(huán)境中電極反應(yīng)的機(jī)理，可以快速啊準(zhǔn)確的書寫燃料電池的電極反應(yīng)式，同時，可以構(gòu)建一種書寫燃料電池的電極反應(yīng)式思維模式，這種模式同樣可以運(yùn)用于其它基礎(chǔ)燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫，如甲烷、氧氣燃料電池，甲醇、氧氣燃料電池等。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]黃卓等.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開發(fā)和應(yīng)用[M]. 冶金工業(yè)出版社，北京：2002 48～52，106～114

　　作者：廖逢聰