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出处 : 电子发烧友 发布时间 : 2019/08/23 关键词: 电池 燃料电池 阅读 : 34

摘要:燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。

  燃料电池原理

  燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。

  燃料电池方程式知识汇总

  燃料电池的电极反应(主要是负极的电极方程式)是一个难点。我们知道,一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体)与氧气及电解质溶液共同组成的原电池,虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应,但其总反应方程式是可燃物在氧气中燃烧。

  由于涉及电解质溶液,所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应,再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式,从而得到总反应方程式。由于在反应中氧气由0价变为-2价,所以肯定是O2得电子,即O2作氧化剂是正极,即可写出正极的电极反应式:O2+4e+2H2O=4OH_①(该反应式为常见的绝大多数燃料电池的正极反应式)。

  若此时电解质溶液为酸性,则反应过程可以理解为:正极上首先发生:O2+4e-=2O2-由于在酸性环境中大量存在H+故O2-会与H+结合成H20,故正极反应式应为:O2+4e-+4H+=2H2O②

  若电解质为中性或碱性时,则正极反应式就只是①。此时负极反应式就可由总电极方程式减去正极的电极方程式得到(注意要将方程式中的氧气抵消掉)。

  (1)直接法书写电极反应式:(以氢氧燃料电池为例)

  解析:H2、O2燃料电池中反应实质为:2H2+O2=2HO

  电极上H2-2e-=2H+O2+4e-=2O2+

  在不同环境中H+、O2-会与电解质发生不同的反应,故电极反应也相应不同:

  ①、酸性环境中:H+能稳定存在,O2-会与H+结合成H20,

  负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+4H++4e-=2H2O

  ②、碱性环境中:H+不能稳定存在会与OH-结合成水,而O2-也不能稳定存在会与水结合形成OH-

  负极:2H2-4e-+4OH-=4H20正极:O2+2H2O+4e-=4OH-

  ③、中性环境中:H+能稳定存在:02-会与H20结合成OH-:

  负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+2H20+4e-=4OH-

  ④、在能传导O2-的固体电解质中:由于O2-能存在,而H+会与固体电解质中O2-结合形成水

  负极:2H2-4e-+2O2-=2H2O正极:O2+4e-=2O2-

  (2)加减法书写电极方程式:

  由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池。

  解析:CH3OH+O2→CO2+H2O……①

  但:CO2在碱性环境中不存在,会与OH-反应生成CO32-

  CO2+2OH-=CO32-+H2O……②

  故将①、②式进行叠加即为总反应:

  2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O……③

  由于正极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH_……④由于电解质溶液为碱性,所以正极的产物不再进一步反应,则负极的反应式为总反应方程式减去正极的反应式得到:

  2CH3OH+3O2+4OH--3O2-6H2O-12e-=2CO32-+6H2O-12OH-

  调整之后得(负极):CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O


  几种常见的燃料电池

  一、氢氧燃料电池

  氢氧燃料电池一般是以惰性金属铂(Pt)或石墨做电极材料,负极通入H2,正极通入O2,总反应为:2H2+O2=2H2O。电极反应特别要注意电解质,有下列三种情况:

  1.电解质是KOH溶液(碱性电解质)

  负极发生的反应为:H2–2e-=2H+,2H++2OH-=2H2O,所以:负极的电极反应式为:H2–2e-+2OH-=2H2O;

  正极是O2得到电子,即:2O2+4e-=2O2-,O2-在碱性条件下不能单独存在,只能结合H2O生成OH-即:2O2-+2H2O=4OH-,因此,正极的电极反应式为:O2+H2O+4e-=4OH-。

  2.电解质是H2SO4溶液(酸性电解质)

  负极的电极反应式为:H2–2e-=2H+

  正极是O2得到电子,即:O2+4e-=2O2-,O2-在酸性条件下不能单独存在,只能结合H+生成H2O即:O2-+2H+=H2O,因此正极的电极反应式为:O2+4H++4e-=2H2O

  3.电解质是NaCl溶液(中性电解质)

  负极的电极反应式为:H2–2e-=2H+

  正极的电极反应式为:O2+H2O+4e-=4OH-

  说明:

  1.碱性溶液反应物、生成物中均无H+

  2.酸性溶液反应物、生成物中均无OH-

  3.中性溶液反应物中无H+和OH-

  4.水溶液中不能出现O2-

  二、甲烷燃料电池

  甲烷燃料电池以多孔镍板为两极,电解质溶液为KOH,生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3,所以总反应为:CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O。

  负极发生的反应:CH4–8e-+8OH-=CO2+6H2OCO2+2OH-=CO32-+H2O,所以:

  负极的电极反应式为:CH4+10OH-+8e-=CO32-+7H2O

  正极发生的反应有:O2+4e-=2O2-和O2-+H2O=2OH-所以:

  正极的电极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH-

  说明:掌握了甲烷燃料电池的电极反应式,就掌握了其它气态烃燃料电池的电极反应式。

  三、甲醇燃料电池

  甲醇燃料电池以铂为两极,用碱或酸作为电解质:

  1.碱性电解质(KOH溶液为例)

  总反应式:2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

  正极的电极反应式为:3O2+12e-+6H2O=12OH-

  负极的电极反应式为:CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O

  2.酸性电解质(H2SO4溶液为例)

  总反应:2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O

  正极的电极反应式为:3O2+12e-+12H+=6H2O

  负极的电极反应式为:2CH3OH-12e-+2H2O=12H++2CO2

  说明:乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同

  四、铝–空气–海水电池

  我国首创以铝–空气–海水电池作为能源的新型海水标志灯,以海水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟,就会发出耀眼的白光。

  w88优德老虎机负极材料为:铝;w88优德老虎机正极材料为:石墨、铂网等能导电的惰性材料。

  负极的电极反应式为:

  4Al-12e-=4Al3+;

  正极的电极反应式为:

  3O2+6H2O+12e-=12OH-

  总反应式为:4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3

  说明:铝板要及时更换,铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积。


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