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

　　關鍵詞：高中化學;思維建模;基元反應;燃料電池

　　燃料電池電極反應的書寫因為環境的不同，所涉及的基元反應不同，結果也就不一樣，但如果按照基元反應發生的先后順序一步一步的書寫，最后把這幾個基元反應合起來，得到的最終反應式，就是該電極的電極反應式。即按反應先后順序①A→B;②B→C;③C→D……,而①+②+③+……可得到最終反應式，該最終反應式就是該電極的電極反應式。利用這種方法可以較為快速和準確的書寫燃料電池的電極反應式，可以更好的理解和掌握基礎燃料電池的反應機理。

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

　　一、酸性環境(稀H2SO4溶液)

　　燃料電池的中輸入燃料的電極是負極，被氧化的物質當然是燃料本身，氫氧燃料電池中，負極發生反應的第一步應為：H2-2e-=2H+ ，然后利用產物H+進一步思考下一步的反應，但H+在酸性體系中不能和其它物質反應，所以，酸性環境下氫氧燃料電池的負極電極反應式書寫為：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。第一步反應為O2+4e-=2O2- ，而O2-在酸性體系中(水溶液體系)不能獨立存在，會繼續和H+反應即O2-+H+=OH-，生成的OH-接著能繼續和溶液中的H+發生OH-+H+=2H2O反應，生成的H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質反應，達到鏈式反應的終點，這時把前面的幾個基元反應相加得：

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

　　負極的電極反應式為：2H2-4e-=4H+;

　　正極的電極反應式為：O2+4e-+4H+=2H2O;

　　原電池總反應為：2H2+O2=2H2O。

　　二、堿性環境(稀KOH溶液)

　　負極發生反應的第一步為H2-2e-=2H+ ，H+在堿性體系中繼續和OH-反應：OH-+H+=2H2O，而H2O在這個體系中可以大量存在，不能和其它物質反應，這時把前面的幾個基元反應相加得：

　　所以H2-2e-+2OH-=2H2O是氫氧燃料電池堿性環境下的負極電極反應式。

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

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

　　負極的電極反應式為：2H2-4e-+4OH-=4H2O;

　　正極的電極反應式為：O2+4e-+2H2O=4OH-;

　　原電池總反應為：2H2+O2=2H2O。

　　三、熔融金屬氧化物作介質(能傳導O2-)

　　該環境下的正極反應比較容易寫，并且在書寫負極電極反應式時需要結合正極反應轉移的電子，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式。燃料電池正極上氧氣發生還原反應，第一步反應為：O2+4e-=2O2- ，而O2-熔融金屬氧化物介質中能獨立存在，不能和其它物質反應，所以O2+4e-=2O2- 就是氫氧燃料電池在熔融金屬氧化物介質中的正極電極反應式。

　　若正極有1mol氧氣被還原生成2molO2-，要轉移4mole-，根據電子守恒，負極就應該有2molH2被氧化，同時產生4molH+。在該環境下，負極發生反應的第一步為2H2-4e-=4H+ ，而H+在熔融金屬氧化物作介質中繼續與O2-反應即2H++2O2-=2OH-，而OH-再與剩余的2mol H+反應生成2molH2O，水不會再繼續往下反應，達到鏈式反應的終點，這時把前面的幾個基元反應相加得：

　　所得反應2H2-4e-+2O2-=2H2O是氫氧燃料在熔融金屬氧化物介質中的負極電極反應式。所以在熔融金屬氧化物作介質環境中，氫氧燃料電池的電極反應式如下：

　　負極的電極反應式為：2H

　　2-4e-+2O2-=2H2O;

　　正極的電極反應式為：O2+4e-=2O2-;

　　原電池總反應為：2H2+O2=2H2O。

　　四、熔融碳酸鹽作介質

　　在熔融碳酸鹽作介質中，考慮到正極若有1mol O2參與反應，則要轉移4mole-，根據電子守恒關系，則負極發生的第一步反應為：2H2-4e-=4H+，而H+接著和介質中的CO32-反應即4H++2CO32-=2H2O+CO2↑，該反應式的產物H2O和CO2都不再與體系中的其它物質反應，達到鏈式反應的終點，將這兩個反應式相加得：

　　就可以得到負極的電極反應式為：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2。通常情況下，正極區通入的氣體為CO2和O2混合氣體。正極反應發生的第一步為O2+4e-=2O2- ，產生的O2-又和CO2發生反應生成CO32-，即2O2-+2CO2=2CO32-。在正極區域，因電解質為熔融碳酸鹽，CO32-能獨立存在，反應式不能繼續往下寫，將這兩個反應式相加得：

　　反應式O2+4e-+2CO2=2CO32-就是氫氧燃料電池在熔融碳酸鹽介質中的正極電極反應式。所以在熔融碳酸鹽作介質環境中，氫氧燃料電池的電極反應式如下：

　　負極的電極反應式為：2H2-4e-+2CO32-=2H2O+2CO2;

　　正極的電極反應式為：O2+4e-+2CO2=2CO32-;

　　原電池總反應為：2H2+O2=2H2O。

　　能源論文范例：電池性能分析論文發表的期刊

　　通過以上探究氫氧燃料電池的四種環境中電極反應的機理，可以快速啊準確的書寫燃料電池的電極反應式，同時，可以構建一種書寫燃料電池的電極反應式思維模式，這種模式同樣可以運用于其它基礎燃料電池的電極反應式的書寫，如甲烷、氧氣燃料電池，甲醇、氧氣燃料電池等。

　　參考文獻

　　[1]黃卓等.質子交換膜燃料電池的研究開發和應用[M]. 冶金工業出版社，北京：2002 48～52，106～114

　　作者：廖逢聰

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