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【摘要】介绍了燃料电池的特点，工作原理，以及四种不同电解质状态和电解质溶液的酸碱性环境中正极反应式的书写方法，从而再间接得出负极反应式。并结合实际例子促使学生更好地掌握和突破燃料电池电极反应式的书写方法与技巧。
【关键词】燃料电池；电解质；电极反应式；方法规律
在学习原电池时，感觉最头痛的问题是电极反应式的书写，特别是燃料电池电极反应式的书写。下面把燃料电池电极反应式的书写方法作一总结介绍。
1 燃料电池的基本知识
1.1 定义
燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料的化学能直接转变为电能的装置。它和其它电池的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会出现火焰。燃料电池的两电极材料都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气。工作时燃料和氧化剂连续不断地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。化学能可以直接转化为电能，且废物排放量很低。燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，这是书写燃料电池总反应方程式的依据。
1.2 电极
燃料电池的电极材料多是多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同。燃料电池的两电极材料都不参加反应，因此燃料电池的电极反应是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应。
1.3 电解质
不同类型的燃料电池有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。不同的电解质中，燃料电池的电极反应式有不同的表示方法，在书写燃料电池电极反应式时，要特别注意电解质的种类。
1.4 工作原理
比如氢氧燃料电池，其工作原理是：氢气在负极处失去电子被氧化，电子从外电路流到正极；同时，阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。在正极，阳离子与氧气发生反应，并获得电子。
1.5 优点
（1）燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，转换率高。
（2）燃料电池的废物（如SO2、CO、NOX）排放量很低，大大减少了对环境的污染。
（3）燃料电池中无运动部件，工作时不会造成噪音污染，且无机械损耗。
2 燃料电池电极反应式的书写方法
燃料电池的工作原理是相同的，电极反应式的书写是有规律的。书写燃料电池电极反应式的一般步骤是：一，写出燃料电池的总反应式；二，写出燃料电池的正极反应式；三，在电子守恒的基础上，用燃料电池的总反应式减去正极反应式，即得到负极反应式。下面对燃料电池电极反应式的书写步骤作一具体解释。
2.1 总反应式的书写。
燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应式，但要注意燃料的种类。如果是氢氧燃料电池，其电池总反应式不会因电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2==2H2O；如果燃料是含碳元素的可燃物，电池总反应式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，例如，甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O ，即CH4+2O2==CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2== CO32-+3H2O。
2.2 正极反应式的书写。
燃料电池正极反应物都是氧气，正极都是氧气得到电子的还原反应，所以可写出正极反应式。正极反应的本质都是O2得到电子生成O2-，正极反应式的基础都是O2+4e-==2O2-。正极产生的O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系，这一步是非常重要的。下面介绍与电解质有关的四种情况。
（1）电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）
在酸性环境中，O2-不能单独存在，O2-结合H+生成H2O。在酸性电解质溶液正极反应式为O2+4e-+4H+==2H2O。
（2）电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）
在中性或碱性环境中，O2-不能单独存在，O2-只能结合H2O生成OH-。在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2+4e-+2H2O== 4OH-。
（3）电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐的混合物）
在熔融的碳酸盐环境中，O2-不能单独存在，O2-可结合CO2生成CO32-，正极反应式为O2+4e-+2 CO2== 2CO32-
（4）电解质为固体电解质（如固体氧化锆-氧化钇）
固体电解质在高温下可允许O2-在其间通过，其正极反应式应为O2+4e-== 2O2-。
总之，燃料电池正极反应式的本质都是O2+4e-== 2O2-。在不同电解质环境中，正极反应式的书写形式有所不同。在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
2.3 负极反应式的书写。
燃料电池负极反应式的书写是一个难点。燃料电池负极反应物的种类比较繁多，可以是氢气，甲烷，丁烷，甲醇，乙醇等可燃物。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式是相当困难的。一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上，用总反应式减去正极反应式，即得负极反应式。但也可以直接写，下面结合实例进行介绍。
以甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池为例：
（1）用加减法写负极反应式
2CH3OH+3O2==2 CO2+4 H2O
①
但是CO2在碱性环境中不能单独存在，会与OH-反应生成CO32-：
CO2+2 OH-== CO32-+ H2O
②
将①式加②式可得到总反应式：
2CH3OH+3O2+ 4OH-== 2CO32-+ 6H2O
③
电解质溶液为碱性，正极反应式为：
O2+4e-+2H2O== 4OH-
④
总反应式减去正极反应式得负极反应式，即③式-④式×3：
2CH3OH+3O2+ 4OH--3O2-6H2O- 12e-==2CO32-+ 6H2O- 12OH-
整理得负极反应式：CH3OH+8 OH--6e-== CO32-+ 6H2O
（2）用直接法写负极反应式
总反应式为2CH3OH+3O2+ 4OH-== 2CO32-+ 6H2O，有1mol氧气参加反应，转移4mol电子，2mol甲醇与3mol氧气转移12mol电子，可以得1mol甲醇失去6mol电子，相当于带6mol的正电荷。1mol甲醇在强碱作电解质时生成1mol CO32-，带2 mol的负电荷。根据电荷守恒，电极反应式的右边带2 mol的负电荷，左边也要带2 mol的负电荷。现在是电极反应式左边带6mol的正电荷，需要8mol的OH-使左边也带2 mol的负电荷。综上可直接写出负极反应式：CH3OH-6e-+8 OH-==CO32-+ 6H2O
3 燃料电池电极反应式的书写举例
3.1 电解质为酸性电解质溶液。
例1：科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池的负极反应式为（）
A．H2-2e-+2OH-=2H2O B．O2+4e-+4H+==2H2O
C．H2-2e-=2 H+ D．O2+4e-+2H2O== 4OH-
解析：燃料电池中，通入燃料的一极为负极，失去电子发生氧化反应，通入氧气的一极为正极，得到电子发生还原反应，B、D项排除掉。由题意知，电解质溶液呈酸性，反应物、生成物中不能有OH-，A、D项排除掉，因此C项正确。或者由题意知，总反应式为2H2+ O2=2H2O，酸性电解质中正极反应式为O2+4e-+4H+==2H2O，总反应式-正极反应式样，得负极反应式为C项，也可由总反应式直接写出负极反应式。答案为C。
3.2 电解质为碱性电解质溶液。
例2：可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaOH溶液或NaCl溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是（）
A．以NaOH溶液或NaCl溶液为电解液时，正极反应都为：O2+4e-+2H2O== 4OH-
B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al- 3e-+ 3OH-=Al(OH)3↓
C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作进程中电解液的pH保持不变
D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极
解析：电池工作时，正极上O2得到电子被还原，电解质溶液呈碱性或中性，正极反应式都为：O2+4e-+2H2O== 4OH-，A项正确。电解质为NaOH溶液时，在负极上产生的是NaAlO2,而不是Al(OH)3，B项错误。电池的总反应为：4Al+3O2+4NaOH= 4NaAlO2+2H2O，消耗NaOH，pH减小，C项错误。电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极，D项错误。答案为A。
3.3 电解质为熔融的碳酸盐。
例3：某燃料电池以熔融的Li2CO3和Na2CO3的混合物作电解质，CO为负极燃气，空气为正极燃气，以具有催化作用和导电性能的稀土材料为电极。完成下列问题：
（1）写出该燃料电池的电极反应式。
（2）为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么？它从哪里来？
解析：该燃料电池的总反应式为2CO+ O2=2CO2。按上述燃料电池正极反应式的书写方法（3）知，在熔融的碳酸盐环境中，正极反应式为O2+4e-+2 CO2== 2CO32-。负极反应式可用总反应式减去正极反应式求得，应为：2CO-4e-+2CO32-= 4CO2。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气的中应加入CO2，它从负极反应产物中来。答案见解析。
3.4 电解质为固体氧化物。
例4：一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，在高温下能传导O2-。下列对该燃料电池的说法正确的是（）
A．在固体电解质里，O2-由负极移向正极
B．电池的总反应式为2C4H10+13O2=8 CO2+ 10H2O
C．通入空气的一极是正极，电极反应式为O2+4e-== 2O2-
D．通入丁烷的一极是正极，电极反应式为C4H10+26e-+ 13O2-=4 CO2+ 5H2O
解析：由于电解质晶体不参加反应，故放电时反应即为丁烷与氧气的反应，电池的总反应式为：2C4H10+13O2=8 CO2+10H2O，B正确。因正极上富集电子，根据电性作用，O2-不可能移向正极，A错误。按上述燃料电池正极反应式的书写方法（4）知，正极反应式为O2+4e-== 2O2-，C正确。通入丁烷的一极应为负极，D错误。答案为B、C。
【关键词】燃料电池；电解质；电极反应式；方法规律
在学习原电池时，感觉最头痛的问题是电极反应式的书写，特别是燃料电池电极反应式的书写。下面把燃料电池电极反应式的书写方法作一总结介绍。
1 燃料电池的基本知识
1.1 定义
燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料的化学能直接转变为电能的装置。它和其它电池的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会出现火焰。燃料电池的两电极材料都不参加反应，反应的是通到电极上的燃料和氧气。工作时燃料和氧化剂连续不断地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。化学能可以直接转化为电能，且废物排放量很低。燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，这是书写燃料电池总反应方程式的依据。
1.2 电极
燃料电池的电极材料多是多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同。燃料电池的两电极材料都不参加反应，因此燃料电池的电极反应是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应。
1.3 电解质
不同类型的燃料电池有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。不同的电解质中，燃料电池的电极反应式有不同的表示方法，在书写燃料电池电极反应式时，要特别注意电解质的种类。
1.4 工作原理
比如氢氧燃料电池，其工作原理是：氢气在负极处失去电子被氧化，电子从外电路流到正极；同时，阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。在正极，阳离子与氧气发生反应，并获得电子。
1.5 优点
（1）燃料电池是将燃料的化学能直接转化为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，转换率高。
（2）燃料电池的废物（如SO2、CO、NOX）排放量很低，大大减少了对环境的污染。
（3）燃料电池中无运动部件，工作时不会造成噪音污染，且无机械损耗。
2 燃料电池电极反应式的书写方法
燃料电池的工作原理是相同的，电极反应式的书写是有规律的。书写燃料电池电极反应式的一般步骤是：一，写出燃料电池的总反应式；二，写出燃料电池的正极反应式；三，在电子守恒的基础上，用燃料电池的总反应式减去正极反应式，即得到负极反应式。下面对燃料电池电极反应式的书写步骤作一具体解释。
2.1 总反应式的书写。
燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应式，但要注意燃料的种类。如果是氢氧燃料电池，其电池总反应式不会因电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2==2H2O；如果燃料是含碳元素的可燃物，电池总反应式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，例如，甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O ，即CH4+2O2==CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2== CO32-+3H2O。
2.2 正极反应式的书写。
燃料电池正极反应物都是氧气，正极都是氧气得到电子的还原反应，所以可写出正极反应式。正极反应的本质都是O2得到电子生成O2-，正极反应式的基础都是O2+4e-==2O2-。正极产生的O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系，这一步是非常重要的。下面介绍与电解质有关的四种情况。
（1）电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）
在酸性环境中，O2-不能单独存在，O2-结合H+生成H2O。在酸性电解质溶液正极反应式为O2+4e-+4H+==2H2O。
（2）电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）
在中性或碱性环境中，O2-不能单独存在，O2-只能结合H2O生成OH-。在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2+4e-+2H2O== 4OH-。
（3）电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐的混合物）
在熔融的碳酸盐环境中，O2-不能单独存在，O2-可结合CO2生成CO32-，正极反应式为O2+4e-+2 CO2== 2CO32-
（4）电解质为固体电解质（如固体氧化锆-氧化钇）
固体电解质在高温下可允许O2-在其间通过，其正极反应式应为O2+4e-== 2O2-。
总之，燃料电池正极反应式的本质都是O2+4e-== 2O2-。在不同电解质环境中，正极反应式的书写形式有所不同。在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
2.3 负极反应式的书写。
燃料电池负极反应式的书写是一个难点。燃料电池负极反应物的种类比较繁多，可以是氢气，甲烷，丁烷，甲醇，乙醇等可燃物。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式是相当困难的。一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上，用总反应式减去正极反应式，即得负极反应式。但也可以直接写，下面结合实例进行介绍。
以甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池为例：
（1）用加减法写负极反应式
2CH3OH+3O2==2 CO2+4 H2O
①
但是CO2在碱性环境中不能单独存在，会与OH-反应生成CO32-：
CO2+2 OH-== CO32-+ H2O
②
将①式加②式可得到总反应式：
2CH3OH+3O2+ 4OH-== 2CO32-+ 6H2O
③
电解质溶液为碱性，正极反应式为：
O2+4e-+2H2O== 4OH-
④
总反应式减去正极反应式得负极反应式，即③式-④式×3：
2CH3OH+3O2+ 4OH--3O2-6H2O- 12e-==2CO32-+ 6H2O- 12OH-
整理得负极反应式：CH3OH+8 OH--6e-== CO32-+ 6H2O
（2）用直接法写负极反应式
总反应式为2CH3OH+3O2+ 4OH-== 2CO32-+ 6H2O，有1mol氧气参加反应，转移4mol电子，2mol甲醇与3mol氧气转移12mol电子，可以得1mol甲醇失去6mol电子，相当于带6mol的正电荷。1mol甲醇在强碱作电解质时生成1mol CO32-，带2 mol的负电荷。根据电荷守恒，电极反应式的右边带2 mol的负电荷，左边也要带2 mol的负电荷。现在是电极反应式左边带6mol的正电荷，需要8mol的OH-使左边也带2 mol的负电荷。综上可直接写出负极反应式：CH3OH-6e-+8 OH-==CO32-+ 6H2O
3 燃料电池电极反应式的书写举例
3.1 电解质为酸性电解质溶液。
例1：科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池的负极反应式为（）
A．H2-2e-+2OH-=2H2O B．O2+4e-+4H+==2H2O
C．H2-2e-=2 H+ D．O2+4e-+2H2O== 4OH-
解析：燃料电池中，通入燃料的一极为负极，失去电子发生氧化反应，通入氧气的一极为正极，得到电子发生还原反应，B、D项排除掉。由题意知，电解质溶液呈酸性，反应物、生成物中不能有OH-，A、D项排除掉，因此C项正确。或者由题意知，总反应式为2H2+ O2=2H2O，酸性电解质中正极反应式为O2+4e-+4H+==2H2O，总反应式-正极反应式样，得负极反应式为C项，也可由总反应式直接写出负极反应式。答案为C。
3.2 电解质为碱性电解质溶液。
例2：可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaOH溶液或NaCl溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是（）
A．以NaOH溶液或NaCl溶液为电解液时，正极反应都为：O2+4e-+2H2O== 4OH-
B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al- 3e-+ 3OH-=Al(OH)3↓
C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作进程中电解液的pH保持不变
D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极
解析：电池工作时，正极上O2得到电子被还原，电解质溶液呈碱性或中性，正极反应式都为：O2+4e-+2H2O== 4OH-，A项正确。电解质为NaOH溶液时，在负极上产生的是NaAlO2,而不是Al(OH)3，B项错误。电池的总反应为：4Al+3O2+4NaOH= 4NaAlO2+2H2O，消耗NaOH，pH减小，C项错误。电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极，D项错误。答案为A。
3.3 电解质为熔融的碳酸盐。
例3：某燃料电池以熔融的Li2CO3和Na2CO3的混合物作电解质，CO为负极燃气，空气为正极燃气，以具有催化作用和导电性能的稀土材料为电极。完成下列问题：
（1）写出该燃料电池的电极反应式。
（2）为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么？它从哪里来？
解析：该燃料电池的总反应式为2CO+ O2=2CO2。按上述燃料电池正极反应式的书写方法（3）知，在熔融的碳酸盐环境中，正极反应式为O2+4e-+2 CO2== 2CO32-。负极反应式可用总反应式减去正极反应式求得，应为：2CO-4e-+2CO32-= 4CO2。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气的中应加入CO2，它从负极反应产物中来。答案见解析。
3.4 电解质为固体氧化物。
例4：一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，在高温下能传导O2-。下列对该燃料电池的说法正确的是（）
A．在固体电解质里，O2-由负极移向正极
B．电池的总反应式为2C4H10+13O2=8 CO2+ 10H2O
C．通入空气的一极是正极，电极反应式为O2+4e-== 2O2-
D．通入丁烷的一极是正极，电极反应式为C4H10+26e-+ 13O2-=4 CO2+ 5H2O
解析：由于电解质晶体不参加反应，故放电时反应即为丁烷与氧气的反应，电池的总反应式为：2C4H10+13O2=8 CO2+10H2O，B正确。因正极上富集电子，根据电性作用，O2-不可能移向正极，A错误。按上述燃料电池正极反应式的书写方法（4）知，正极反应式为O2+4e-== 2O2-，C正确。通入丁烷的一极应为负极，D错误。答案为B、C。