“燃 料 电池 ” 微专 题
除氢气 外， 甲烷、 甲醇 、肼 ( N H )、氨 、燃 气 等都可以作为燃料电池的燃料( SJ
2 4
课本 P 21 )
燃料电池也属于原电池的一种，它符合原电池的基本原理。
1. 发生氧化反应， 发生还原反应。
2.电子从负极移向正极。
3.电流从正极流向负极。
4.阳离 子 移向正极
5.阴离 子 移向负极
燃料 电池 电极反 应式 的书写
第一 步 : 写出 燃料 电池反 应的 总反应 式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加
和后的反应。
第二 步 : 写出 电池 的正极 反应 式
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是 O ,随着电解质
2
溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况:
(1)酸性电解质溶液环境下 O 生 H O;
2 2
- -
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:0 +2H 0+4e =4OH ;
2 2
- - 2-
(3)固体 电解 质 (高温下能传导 O )环境下电极反应式:0 +4e 20 ;
2 2
- 2-
(4)熔融 碳酸 盐 (如熔融 K CO )环境 下电极反应式:0 +2CO +4e 2molCO .
2 3 2 2 3
第三步:根据氧化还原反应方程式书写步骤写出负极反应。
Ⅰ.氢氧 燃料 电池
+
1.酸性（H SO ）氢氧燃料电池，电极反应式由 H 平衡电荷：
2 4
- +
负极：2H -4e 4H
2
+ -
正极：O + 4H +4e 2H O
2 2
总反应：2H + O 2H O
2 2 2
－
2.碱性(KOH)氢氧燃料电池，电极反应式由 OH 平衡电荷：
_ -
负极：2H +4OH -4e 4H O
2 2
- _
正极：O + 2H O +4e 4OH
2 2
总反应：2H + O 2H O
2 2 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O )氢氧燃料电池， 电极反应式由 O 平衡电
2 2 3
荷：
2- -
负极：2H + 2O -4e 2H O
2 2
- 2-
正极：O +4e 2O
2
总反应：2H + O 2H O
2 2 2
2--
4.熔融 碳酸 盐 （碳酸锂-碳酸钠 Li CO -Na CO 氢氧燃料电池， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
2- -
负极：2H + 2CO -4e 2H O+ 2CO
2 3 2 2
- 2-
正极：O + 2CO +4e 2CO
2 2 3
总反应：2H + O 2H O
2 2 2
5.中性（K SO ）氢氧燃料电池
2 4
- +
负极：2H -4e 4H
2
1- _
正极：O + 2H O +4e 4OH
2 2
总反应：2H + O 2H O
2 2 2
Ⅱ.甲烷 燃料 电池
+
1 （ H S O ） H
.酸性 甲烷 燃料 电池， 电 极反应式由 平衡电荷：
2 4
- +
负极：CH +2H O -8e CO +8H
4 2 2
+ -
正极：O + 8H +8e 4H O
2 2
总反应：CH + 2O CO + 2H O
4 2 2 2
－
2.碱性(KOH) 甲烷 燃料 电池 ，电极反应式由 OH 平衡电荷：
_ - 2-
负极：CH +10OH -8e CO +7H O
4 3 2
- _
正极：2O + 4H O +8e 8OH
2 2
_ 2-
总反应：CH + 2O + 2OH CO + 3H O
4 2 3 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 甲烷 燃料 电池 ， 电极反应式由 O 平衡
2 2 3
电荷：
2- -
负极：CH + 4O -8e 2H O + CO
4 2 2
- 2-
正极：2O +8e 4O
2
总反应：CH + 2O CO + 2H O
4 2 2 2
2--
4.熔融 碳酸 盐 （ 碳酸锂-碳酸钠 L i CO -Na CO ） 甲烷 燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
2- -
负极：CH + 4CO -8e 2H O+ 5CO
4 3 2 2
- 2-
正极：2CH + 4CO +8e 4CO
4 2 3
总反应：CH + 2O CO + 2H O
4 2 2 2
2Ⅲ. 苯燃料 电池
1 ( H S O )
.酸性溶液 如 2 4 溶液
－ ＋
负极：C H －30e ＋12H O = = = 6C O ↑＋30H
6 6 2 2
－ ＋
正极：O ＋4e ＋4H = = = 2H O
2 2
总反应：2C H ＋15O = = = 12C O ↑＋6H O
6 6 2 2 2
2. 碱性溶液( 如 K O H 溶液)
－ － －
2
C H 30e 42O H = = = 6 C O 24H O
负极： 6 6 － ＋ 3 ＋ 2
－ －
正极：O ＋4e ＋2H O = = = 4O H
2 2
总反应：2C H ＋15O ＋24K O H = = = 12K C O ＋18H O
6 6 2 2 3 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 苯燃料 电池 ，电极反应式由 O 平衡电
2 2 3
荷：
2- -
C H ↑
负极：2 6 6 + 3 0 O -60e 12CO + 6H O
2 2
- 2-
正极：15O +60e 30O
2
总反应：2C H ＋15O = = = 12C O ↑＋6H O
6 6 2 2 2
2--
4.苯熔融 碳酸 盐 （碳酸锂-碳酸钠 Li CO -Na CO ） 苯燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
- 2-
C H ↑
负极：2 6 6 - 6 0 e + 30CO 6H O+ 4 2 CO
3 2 2
- 2-
正极：15O + 30CO +60e 30CO
2 2 3
总反应：2C H ＋15O = = = 12C O ↑＋6H O
6 6 2 2 2
3Ⅳ.甲醇 燃料 电池
+
1.酸性（ H S O ） 甲醇 燃料 电池， 电 极反应式由 H 平衡电荷：
2 4
﹣ ﹢
负极：2 C H O H － 1 2 e ＋ 2 H O 1 2 H ＋ 2 C O ↑
3 2 2
﹣ ﹢
＋ ＋
正极：3 O 1 2 e 1 2 H 6 H O
2 2
总反应：2 C H O H ＋ 3 O 2 C O ↑ ＋ 4 H O
3 2 2 2
－
2.碱性(KOH) 甲醇 燃料 电池 ，电极反应式由 OH 平衡电荷：
﹣
– - 2
负极：2 C H O H － 1 2 e ＋ 1 6 O H 2 C O ＋ 1 2 H O
3 3 2
﹣ ﹣
正极：3 O + 1 2 e ＋ 6 H 0 1 2 O H
2 2
﹣ ﹣
2
＋
总反应： 2 C H O H + 3 O + 4 O H 2 C O 6 H O
3 2 3 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 甲醇 燃料 电池 ， 电极反应式由 O 平衡
2 2 3
电荷：
2- -
负极：2C H O H + 6O -1 2 e 4 H O+2CO ↑
3
2 2
- 2-
正极：3O +12e 6O
2
↑
总反应：2C H O H + 3O 2CO +4H O
3 2 2 2
2--
4.熔融 碳酸 盐 （ 碳酸锂-碳酸钠 L i CO -Na CO ） 甲醇 燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
- 2-
负极：2C H O H -1 2 e + 6CO 4 H O+ 8CO ↑
3
3 2 2
- 2-
正极：3O + 6CO +12e 6CO
2 2 3
↑
总反应：2C H O H + 3O 2CO +4H O
3 2 2 2
Ⅴ.乙醇 燃料 电池
+
1 （ H S O ） H
.酸性 乙醇 燃料 电池， 电 极反应式由 平衡电荷：
2 4
﹣ ﹢
负极：C H C H O H － 1 2 e ＋ 3 H O 1 2 H ＋ 2 C O ↑
3 2 2 2
﹣ ﹢
正极：3 O ＋ 1 2 e ＋ 1 2 H 6 H O
2 2
总反应：C H C H O H ＋ 3 O 2 C O ↑ ＋ 3 H O
3 2 2 2 2
－
2.碱性(KOH) 乙醇 燃料 电池 ，电极反应式由 OH 平衡电荷：
﹣
– - 2
－ ＋ ＋
负极：C H C H O H 1 2 e 1 6 O H 2 C O 1 1 H O
3 2 3 2
﹣ ﹣
正极：3 O + 1 2 e ＋ 6 H 0 1 2 O H
2 2
﹣ ﹣
2
总反应：C H C H O H + 3 O + 4 O H 2 C O ＋ 5 H O
3 2 2 3 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 乙醇 燃料 电池 ， 电极反应式由 O 平衡
2 2 3
电荷：
2- -
↑
负极：C H C H O H + 6O -1 2 e 3 H O+2CO
3 2 2 2
- 2-
正极：3O +12e 6O
2
总反应：C H C H O H + 3O 2CO ↑ +3H O
3 2 2 2 2
2--
4.熔融 碳酸 盐 （ 碳酸锂-碳酸钠 L i CO -Na CO ） 乙醇 燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
- 2-
↑
负极：C H C H O H -1 2 e + 6CO 3 H O+ 8CO
3 2 3 2 2
- 2-
正极：3O + 6CO +12e 6CO
2 2 3
总反应：C H C H O H + 3O 2CO ↑ +3H O
3 2 2 2 2
4Ⅵ.氨气 燃料 电池
+
1.酸性（ H S O ） 氨气燃料 电池 ， 电 极反应式由 H 平衡电荷：
2 4
﹣ ﹢
负极：2 N H － 6 e 6 H ＋ N
3 2
﹣ ﹢
＋ ＋
正极： O 4 e 4 H 2 H O
2 2
总反应：4 N H ＋ 3 O 2 N ＋ 6 H O
3 2 2 2
－
2.碱性(KOH) 氨气 燃料 电池 ，电极反应式由 OH 平衡电荷：
﹣
-
负极：2 N H － 6 e + 6 O H 6 H O ＋ N
3 2 2
﹣
-
正极： O ＋ 4 e ＋ 2 H O 4 O H
2 2
＋ ＋
总反应：4 N H 3 O 2 N 6 H O
3 2 2 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 氨气 燃料 电池 ， 电极反应式由 O 平衡
2 2 3
电荷：
﹣
2 -
负极：2 N H － 6 e + 3 O 3 H O ＋ N
3 2 2
﹣
2 -
正极： O ＋ 4 e 2 O
2
＋ ＋
总反应：4 N H 3 O 2 N 6 H O
3 2 2 2
2--
4.熔融 碳酸 盐 （ 碳酸锂-碳酸钠 L i CO -Na CO ） 氨气 燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
2-
﹣
负极：2 N H － 6 e + 3CO N ＋ 3 C O ↑ ＋ 3 H O
3 2 2 2
3
2-
﹣
正极： O ＋ 4 e ＋ 2 C O 2CO
2 2
3
＋ ＋
总反应：4 N H 3 O 2 N 6 H O
3 2 2 2
5Ⅶ. CO 燃料 电池
+
1.酸性（ H S O ） 氨气燃料 电池 ， 电 极反应式由 H 平衡电荷：
2 4
﹣ ﹢
负极：2 C O － 4 e + 2 H O 2 C O ＋ 4 H
2 2
﹣ ﹢
＋ ＋
正极： O 4 e 4 H 2 H O
2 2
总反应:2 C O ＋ O 2 C O
2 2
－
2.碱性(KOH) 氨气 燃料 电池 ，电极反应式由 OH 平衡电荷：
﹣
- 2 -
负极：2 C O － 4 e + 8 O H 2 C O + 4 H O
3 2
﹣
-
正极： O ＋ 4 e ＋ 2 H O 4 O H
2 2
2 -
＋
总反应：2 C O O + 4 O H - 2 C O + 2 H O
2 3 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 氨气 燃料 电池 ， 电极反应式由 O 平衡
2 2 3
电荷：
﹣
2 - 2 -
负极：2 C O － 4 e + 4 O 2 C O
3
﹣
2 -
正极： O ＋ 4 e 2 O
2
2 - 2 -
＋
总反应：2 C O O + 2 O 2 C O
2 3
2--
4.熔融 碳酸 盐 （ 碳酸锂-碳酸钠 L i CO -Na CO ） 氨气 燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
﹣
2 -
负极：2 C O － 4 e + 2 C O 4 C O
3 2
﹣
2 -
正极： O ＋ 4 e ＋ 2 C O 2 C O
2 2 3
＋
总反应：2 C O O 2 C O
2 2
肼( N H )燃料 电池
2 4
Ⅷ.肼 燃料 电池
+
1 （ H S O ） H
.酸性 肼燃料 电池 ， 电极 反应式由 平衡电荷：
2 4
– +
负极：N H － 4 e N ↑ ＋ 4 H
2
2 4
﹣
+
正极： O + 4 e ＋ 4 H 2 H O
2 2
总反应： N H + O N ↑ ＋ 2 H O
2 2 2
2 4
－
2.碱性(KOH)或中性 肼燃料 电池 ，电极反应式由 OH 平衡电荷：
– -
－ ＋ ↑ ＋
负极：N H 4 e 4 O H N 4 H O
2 4 2 2
﹣ ﹣
正极： O + 4 e ＋ 2 H 0 4 O H
2 2
总反应： N H + O N ↑ ＋ 2 H O
2 4 2 2 2
2-
3.固体 氧化 物 (氧化锆-氧化钇 Zr O -Y O ) 肼燃料 电池 ，电极反应式由 O 平衡电
2 2 3
荷：
2- -
↑ ＋
负极：N H + 2O -4e N 2 H O
2 4 2 2
- 2-
正极：O +4e 2O
2
总反应： N H + O N ↑ ＋ 2 H O
2 4 2 2 2
2--
4.熔融 碳酸 盐（ 碳酸锂-碳酸钠 L i CO -Na CO ）肼燃料 电池 ， 电极反应式由 CO
2 3 2 3 3
平衡电荷：
- 2-
↑
负极：N H -1 2 e + 6CO 4H O+ 8CO
2 4 3 2 2
- 2-
正极：3O + 6CO +12e 6CO
2 2 3
2-
总反应：2N H + 6CO N ↑ ＋ 2 H O
2 4 3 2 2
6解答 ：
－
① .碱性 (KOH)或中性 肼燃料 电池 ， 电极反应式由 OH 平衡电荷：
– -
负极：N H － 4 e ＋ 4 O H N ↑ ＋ 4 H O
2 2
2 4
﹣ ﹣
＋
正极： O + 4 e 2 H 0 4 O H
2 2
总反应： N H + O N ↑ ＋ 2 H O
2 2 2
2 4
+
② .酸性（ H S O ） 肼 燃料 电池 ， 电极反应式由 H 平衡电荷：
2 4
– +
负极：N H － 4 e N ↑ ＋ 4 H
2
2 4
﹣
+
正极： O + 4 e ＋ 4 H 2 H O
2 2
↑ ＋
总反应： N H + O N 2 H O
2 4 2 2 2
电 极 反 应 式 和 总 反 应 方 程 式
－ －
阳 极 ： 2 C l － 2 e = = = C l ↑ ；
2
－ －
阴 极 ： 2 H O ＋ 2 e = = = H ↑ ＋ 2 O H ；
2 2
通 电
总 反 应 的 化 学 方 程 式 为 2 N a C l ＋ 2 H O = = = = = H ↑ ＋ C l ↑ ＋ 2 N a O H ；
2 2 2
通 电
－ －
总 反 应 的 离 子 方 程 式 为 2 C l ＋ 2 H O = = = = = H ↑ ＋ C l ↑ ＋ 2 O H 。
2 2 2
电 解 硫 酸 铜 溶 液 ：
－ ＋
阳 极 ： 2 H 2 O － 4 e = = = 4 H ＋ O 2 ↑
＋ －
2
阴 极 ： C u ＋ 2 e = = = C u
通 电
2 C u S O ＋ 2 H O = = = = = 2 C u ＋ O ↑ ＋ 2 H S O
4 2 2 2 4
方 程 式 是 ：
﹣ ﹣ ﹣
2
① 碱 性 条 件 负 极 ： 2 C H O H － 1 2 e ＋ 1 6 O H → 2 C O ＋ 1 2 H O 。
3 3 2
﹣ ﹢
2
② 酸 性 条 件 负 极 ： 2 C H O H － 1 2 e ＋ 2 H O → 1 2 H ＋ 2 C O 。
3 2
碱 性 条 件 ：
﹣ ﹣
2
总 反 应 式 2 C H O H + 3 O + 4 O H ＝ 2 C O ＋ 6 H O 。
3 2 3 2
7﹣ ﹣
正 极 : 3 O + 1 2 e ＋ 6 H 0 → 1 2 O H 。
2 2
﹣
– - 2
负 极 : 2 C H O H － 1 2 e ＋ 1 6 O H → 2 C O ＋ 1 2 H O 。
3 3 2
酸 性 条 件 ：
总 反 应 式 : 2 C H O H ＋ 3 O ＝ 2 C O ＋ 4 H O 。
3 2 2 2
﹣ ﹢
正 极 : 3 O ＋ 1 2 e ＋ 1 2 H → 6 H O 。
2 2
﹣ ﹢
负 极 : 2 C H O H － 1 2 e ＋ 2 H O → 1 2 H ＋ 2 C O 。
3 2
分 析
方 程 式 是 ：
﹣ ﹣ ﹣
2
① 碱 性 条 件 负 极 ： 2 C H O H － 1 2 e ＋ 1 6 O H → 2 C O ＋ 1 2 H O 。
3 3 2
﹣ ﹢
② 酸 性 条 件 负 极 ： 2 C H O H － 1 2 e ＋ 2 H O → 1 2 H ＋ 2 C O 。
3 2 2
碱 性 条 件 ：
﹣ ﹣
2
总 反 应 式 2 C H O H + 3 O + 4 O H ＝ 2 C O ＋ 6 H O 。
3 2 3 2
﹣
正 极 : 3 O + 1 2 e ﹣ ＋ 6 H 0 → 1 2 O H 。
2 2
﹣
– - 2
负 极 : 2 C H O H － 1 2 e ＋ 1 6 O H → 2 C O ＋ 1 2 H O 。
3 3 2
酸 性 条 件 ：
总 反 应 式 : 2 C H O H ＋ 3 O ＝ 2 C O ＋ 4 H O 。
3 2 2 2
﹣
正 极 : 3 O ＋ 1 2 e ＋ 1 2 H ﹢ → 6 H O 。
2 2
﹣ ﹢
负 极 : 2 C H O H － 1 2 e ＋ 2 H O → 1 2 H ＋ 2 C O 。
3 2
相 关 内 容 解 释 ：
在 直 接 甲 醇 燃 料 电 池 的 工 作 过 程 中 ， 一 定 浓 度 的 甲 醇 溶 液 从 电 池 的 阳 极 流 场 结 构 中 通 过 ，
在 液 体 的 流 动 过 程 中 ， 甲 醇 溶 液 经 过 阳 极 扩 散 层 ， 至 阳 极 催 化 层 处 被 氧 化 。
透 过 质 子 交 换 膜 ， 作 为 反 应 产 物 的 质 子 得 以 迁 移 到 阴 极 一 侧 ， 电 子 则 通 过 外 电 路 由 阳 极 向 阴
极 传 递 ， 并 在 此 过 程 中 对 外 做 功 。
同 时 ， 在 阳 极 M E A 中 电 解 质 的 作 用 下 ， C O 气 体 以 气 泡 的 形 式 在 阳 极 流 场 内 随 甲 醇 溶 液
2
排 出 。 在 电 池 的 阴 极 一 侧 ， 阴 极 集 流 板 流 场 结 构 均 匀 分 配 后 的 空 气 或 氧 气 扩 散 进 入 阴 极 催 化
层 ， 被 来 自 阳 极 的 质 子 电 化 学 还 原 ， 生 成 的 水 蒸 气 或 液 态 形 式 的 水 与 反 应 尾 气 一 起 离 开 电 池
的 阴 极 流 场 。
这 种 电 池 的 期 望 工 作 温 度 为 1 2 0 ℃ ， 比 标 准 的 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 略 高 ， 其 效 率 大 约 是
4 0 % 左 右 。 其 缺 点 是 当 甲 醇 低 温 转 换 为 氢 和 二 氧 化 碳 时 要 比 常 规 的 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 需 要
更 多 的 白 金 催 化 剂 。
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