几种常见的“燃料电池”的电极反应式的书写
燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池，它与原电池形成条件有一点相悖，就是不一定两极是两根活动性不同的电极，也可以用相同的两根电极。燃料电池有很多，下面主要介绍几种常见的燃料电池，希望达到举一反三的目的。
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H
2
，正极通入
O
2，
总反应为：2H
2 + O
2
=== 2H
2
O
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：H
2 + 2e- === 2H+ ,2H+ + 2OH- === 2H
2
O,所以：
负极的电极反应式为：H
2– 2e- + 2OH- === 2H
2
O；
正极是O
2得到电子，即：O
2
+ 4e- === 2O2-，O2- 在碱性条件下不能单独存在，只能
结合H
2O生成OH-即：2O2- + 2H
2
O === 4OH-，因此，
正极的电极反应式为：O
2 + H
2
O + 4e- === 4OH-。
2．电解质是H
2SO
4
溶液（酸性电解质）
负极的电极反应式为：H
2
+2e- === 2H+
正极是O
2得到电子，即：O
2
+ 4e- === 2O2-，O2- 在酸性条件下不能单独存在，只能
结合H+生成H
2O即：O2- + 2 H+ === H
2
O，因此
正极的电极反应式为：O
2 + 4H+ + 4e- === 2H
2
O(O
2
+ 4e- === 2O2-，2O2- + 4H+ ===
2H
2
O)
3. 电解质是NaCl溶液（中性电解质）
负极的电极反应式为：H
2
+2e- === 2H+
正极的电极反应式为：O
2 + H
2
O + 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：2CH
4O + 3O
2
+4KOH=== 2K
2
CO
3
+ 6H
2
O
正极的电极反应式为：3O
2+12e- + 6H
2
0===12OH-
负极的电极反应式为：CH
4O -6e-+8OH- === CO
3
2-+ 6H
2
O
2. 酸性电解质（H
2SO
4
溶液为例）
总反应: 2CH
4O + 3O
2
=== 2CO
2
+ 4H
2
O
正极的电极反应式为：3O
2+12e-+12H+ === 6H
2
O
负极的电极反应式为：2CH
4O-12e-+2H
2
O === 12H++ 2CO
2
说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同
三、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CO
2
还要与KOH反应生
成K
2CO
3
，所以总反应为：CH
4
+ 2KOH+ 2O
2
=== K
2
CO
3
+ 3H
2
O。
负极发生的反应：CH
4– 8e- + 8OH- ==CO
2
+ 6H
2
O CO
2
+ 2OH- == CO
3
2- + H
2
O，所
以：
负极的电极反应式为：CH
4+ 10 OH-+ 8e- === CO
3
2-+ 7H
2
O
正极发生的反应有：O
2 + 4e- === 2O2-和O2- + H
2
O === 2OH- 所以：
正极的电极反应式为：O
2 + 2H
2
O + 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
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。
电源负极材料为：铝；电源正极材料为：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：3O
2+6H
2
O+12e－===12OH－
总反应式为：4Al+3O
2+6H
2
O===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.
原电池电极反应式的书写规律和方法 【基本原则】电极反应都是氧化还原反应，按照氧化还原方程式的配平步骤配平。 1.总反应为题目中可自发进行的氧化还原反应：①列出还原剂+氧化剂→氧化产物+还原产物②配平升降守恒③根据环境配平电荷④配原子守恒 2.负极反应式：①列出还原剂→氧化产物②根据化合价升高数目配平失电子数③根据环境配平电荷④配原子守恒 3.正极反应式：①列出氧化剂→还原产物②根据化合价降低数目配平得电子数③根据环境配平电荷④配原子守恒 设计了如图所示的原电池。某兴趣小组为了提高电池的效率,例：: 请回答下列问题: 请你写出电极名称及电极反应是稀硫酸,是AlCl溶液,Y(1)若 X3。片Al() 。Cu片() : ,请你写出电极名称及电极反应是NaCl溶液(2)若X是浓硝酸,Y 。 Al片() 。Cu片() 一定要有可自发进行的氧化还原反应1．根据装置判断该电池所依据的化学反应——和稀硫酸，该装置中可自发进行的氧化还原反应AlCl和Cu，电解质溶液为如（1）电极材料为Al3↑+3H)为2Al+3HSO=Al(SO222344遇浓硝酸发生钝化，不能溶解，AlNaCl和浓硝酸，由于）电极材料为Al和Cu，电解质溶液为（2 的反应和浓HNO该装置中可自发进行的氧化还原反应为Cu3按照负极失电子，正
极得电子，判断出电极反应物和产物，找出得失电子的——2. 列物质，标得失数量。溶液中的氢离YX溶液中，铝失去的电子经导线流到铜片表面，如（1）铝失电子变成铝离子进入到 溶液与铜电极并不参加反应。子在铜的表面得电子产生氢气。注意：X-3+-+↑=H2H+2e=Al 正极：铜片负极：铝片Al-3e 2溶液中的硝酸根溶液中，铜失去的电子经导线流到铝的表面，X（2）铜失电子变成铜离子进入Y Y溶液和铝电极并不参加反应。离子在铝的表面得电子产生NO。注意：2-2+-↑（未配平）=NO 正极：铝片NOCu-2e-=Cu负极：铜片+e 23+出现，则H看环境，配守恒——先配电荷守恒再配原子守恒。如果是在碱性溶液中，则不可能有3.+-－和，所以要用H OH O 和H配平，使两边电荷总数相等；同样在酸性溶液中，也不能出现OH用2配平，使两边电荷总数相等。注意还有大量融盐燃料电池，固体电解质，传导某种离子等。HO2+HO（2）正极反应未配平，电解质溶液为酸性，用H配平和如： 2+--↑+HO 错误！未找到引用源。+2H+2eNO22在同一个原电池中，负极失去电子的总数一定等于正极得到电子的总数，所以——4.两式加，验总式在书写电极反应式时，要配平得失电子数。-+-3+↑3H+6e）负极2Al-6e2Al6H正极（12--+ 2+ ↑+2HO +2e 正极2错误！未找到引用源。2NO+4H（2）负极Cu-2e-=Cu22: 若将铝片和铜片插入稀硝酸中构成原电池，请你写出电极名称及电极反应【练习】。)Al片 ( (Cu片) 。 【注意】 除此之外还要遵循： ①加和性原则：两电极反应式相加，消去电子后得电池总反应；所以对于一个陌生的原电池，只要知道总的反应方程式和其中的一个电极反应式，就可写出另一个电极反应式。 ②共存性原则，物质在放电后所处的电解质介质不同反应产物不同： 3+3+2-,故碱性AlO中与KOHAl溶液反应生成在碱性介质(KOH溶液a如铝作负极时失电子变成Al),而2-和HO；环境下生成物为AlO2b如甲烷燃烧生成CO和HO,而CO在碱性介质(KOH溶液)中与KOH溶液反应生成KCO和HO,2222322-和HO；故碱性环境下生成物为CO 23+-2+2-,要写成反应后的物质,如HO、、PbPbSO和SO。c若反应式同侧出现不能共存的离子,如HOH和424【练习】 (1)以Al和NiOOH为电极，NaOH溶液为电解液，可以组成一种新型电池，放电时NiOOH转化为Ni(OH)。2①该电池的负极反应式为 ______________________________， ②电池总反应的化学方程式为__________________________。
收稿日期：2016-02-03；修回日期：2016-02-24 基金项目：国家电网公司科技项目（SGRI-DL-71-14-012） 作者简介：王诚，副教授，研究方向为氢能燃料电池，电子信箱：wangcheng@https://www.doczj.com/doc/da7242980.html, 引用格式：王诚，赵波，张剑波.质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术[J].科技导报，2016,34(6):62-68;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2016.06.006 质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术 王诚1，赵波2，张剑波3 1.清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084 2.全球能源互联网研究院，北京102209 3.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084 摘要 膜电极是多相物质传输和电化学反应场所，决定着燃料电池的性能、寿命及成本。本文分析膜电极当前技术现状与商业 化目标，梳理膜电极分类及经过梯度化膜电极向有序化膜电极发展的技术脉络，介绍近年来超低Pt 载量的第三代膜电极-有序化膜电极的新进展，比较各种有序化膜电极制备方法的优缺点。目前有序化膜电极在铂族元素总载量为0.118mg/cm 2下取得的最好性能为861mW/cm 2@0.692V ，0.137g/kW ，成本降至5美元/kW ，Q /ΔT 值从2013年的1.9下降到1.45。从降低Pt 用量及简化燃料电池发电系统、降低系统成本的角度看，自增湿有序化膜电极是未来膜电极开发的重要方向。关键词 燃料电池；膜电极；纳米线；纳米管；纳米结构薄膜 质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell ，PEMFC ）是一种零排放、高效率与高功率密度的发电装置，特别是在新能源交通动力应用方面具有极其诱人的前景[1]。经过全球多年持续研发，目前PEMFC 在能量效率、功 率密度、比功率、低温启动等性能指标方面取得了突破性进展[2]，使得燃料电池汽车的性能己接近传统内燃机汽车的水平。在PEMFC 技术日趋成熟和日本氢社会战略驱动的背景下，以丰田Mirai 燃料电池汽车领衔的新一轮燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。然而，当前PEMFC 系统的量产成本（49美元/kW ，按年产50万台计）和寿命（一般水平为2500h ）距离商业化成本指标（30美元/kW ）和耐久性指标（5000h 以上）仍有差距，构成了其产业化的最后障碍。车用燃料电池成本和耐久性问题涉及面广、挑战大，一直是世界各国研究人员广泛关注的棘手问题[3] 。 膜电极（membrane electrode assembliy ，MEA ）是多相物质传输和电化学反应场所，决定着PEMFC 的性能、寿命及成本，主要由催化剂、质子交换膜及其溶液、气体扩散层制备而成。膜电极的制备工艺一直是燃料电池领域的核心技术。由于目前非铂催化剂活性低、耐久性差，还无法取代铂基催化剂，实际应用的PEMFC 催化剂均为含Pt 催化剂。研制高性能超低Pt 载量的膜电极对于加速PEMFC 商业化进程具有十分重要的意义。在开发高效Pt 基催化剂方面，调整Pt 纳米晶体的暴露晶面（111），制备Pt 的合金、核壳、枝杈或非均质结构的多金属纳米晶体，用金属团族、分子、离子、有机或无机化合物修饰铂纳米颗粒表面，均有利于改善催化氧化还原 反应。最近，高质量活性的铂基多孔/中空结构纳米颗粒这种新型的催化剂，受到了广泛关注；在改进催化剂的耐久性方面，主要集中于研发高度石墨化的碳材料（例如碳纤维，碳管，石墨稀）作为Pt 基催化剂载体，这些碳材料拥有更高的石墨特征能抵抗汽车启停工况引起的衰减[4]。但仅从催化剂等原材料角度来改善PEMFC 的成本和耐久性问题还远远不够，因为由催化剂制备的膜电极还必须兼顾电化学反应三相界面及电子、质子、气体和水的传质微通道等多因素影响才能获得最佳发电性能，因此，解决PEMFC 上述两大问题应着眼于膜电极部件的原材料与制备工艺的集成创新。 1膜电极国际专利分析与商业化指标 采用Derwent Innovations Index 专利检索平台对1963年 至2015年9月1日的专利进行统计分析，检索条件为[标题：(MEA or "membrane electrode assembly"or "membrane and electrode assembly")AND 主题:（"fuel cell")]，共检索到有关 膜电极的记录3480条，其中有1669个专利权人。从专利发展趋势来看，2008—2009年是膜电极技术创新最为活跃的时期，专利总数超过1000件。以专利权人排序的统计结果如图1所示，丰田汽车公司以552件膜电极发明专利高居首位，三星电子、日产汽车、东芝、日本凸版印刷株式会社、本田汽车、现代汽车、松下、美国3M 公司名列其后。在专利权人排名前10位中，日本企业占据7位，日本企业在燃料电池膜电极专利数量上的压倒性优势表明，其燃料电池核心技术成果丰硕和工业产权保护意识强化。丰田汽车内制的新一代膜电极（图 62
几种常见的“燃料电池”的电极反应式的书写 燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池，它与原电池形成条件有一点相悖，就是不一定两极是两根活动性不同的电极，也可以用相同的两根电极。燃料电池有很多，下面主要介绍几种常见的燃料电池，希望达到举一反三的目的。 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：O2 + 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- + 2 H+=== H2O，因此
正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O(O2 + 4e- === 2O2- ，2O2- + 4H+ === 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：2CH4O + 3O2 +4KOH === 2K2CO3 + 6H2O 正极的电极反应式为：3O2+12e- + 6H20===12OH- 负极的电极反应式为：CH4O -6e-+8OH- === CO32- + 6H2O 2. 酸性电解质（H2SO4溶液为例） 总反应: 2CH4O + 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：2CH4O-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 三、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。
常见原电池电极方程式书写练习 1、写出下列原电池的有关反应式 ⑴铜铝强碱溶液的原电池（电极材料：铜片和铝片，电解质溶液：氢氧化钠溶液）总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________ ⑵铝铜电池浓硝酸原电池（电极材料：铜片和铝片，电解质溶液：浓硝酸） 总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________ （3）镁铝电池稀硫酸原电池（电极材料：镁片和铝片，电解质溶液：） 总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________ （4）镁铝电池强碱原电池（电极材料：镁片和铝片，电解质氢氧化钠溶液：） 总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________ （5）氢氧燃料原电池（电极材料：碳棒和碳棒，电解质氯化钠溶液） 总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________ （6）氢氧燃料原电池（电极材料：碳棒和碳棒，电解质盐酸溶液） 总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________ （7）氢氧燃料原电池（电极材料：惰性电极，电解质氢氧化钾溶液） 总反应：____________________________________________________ ①正极（）：____________________________________________________ ②负极（）：_____________________________________________________
?变式训练1：写出铅蓄电池（铅、二氧化铅、硫酸）放电时的电极反应式。 （2010山东卷）29．②以铝材为阳极，在H 2SO 4 溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应为 。 （4）用K 2EO 4和Zn 作原料的电池是一种新型可充电电池，该电池长时间保持稳定的放电电压。其总反应可写成：3Zn ＋2K 2EO 4＋8H 2O 3Zn(OH)2＋2E(OH)3＋ 4KOH ，则充电时的阳极反应是 。 2． 熔融碳酸盐燃料电池是以熔融的碳酸盐为电解质的燃料电池，其工作原理如下图所示： （1）电极b 是该燃料电池的（填“正”或“负”）______极。 （2）若以氢气为燃料，则A 是（填化学式） ，Y 是（填化学式） ； CO 32－的移动方向是移向（填“电极a ”或“电极b ”） ； 电极b 的电极反应 。 （4）该熔融盐燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质，以CH 4为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极。 已知负极的电极反应是CH 4 + 4CO 32- 8e －= 5CO 2 + 2H 2O 。①正极电极反应 。 5．（2010宣武一模26）氨气是一种重要的物质，可用于制取化肥和硝酸等。 （5）有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N 2、H 2为电极反应物，以HCl －NH 4Cl 为电解质溶液制取新型燃料电池。请写出该电池的正极反应式 。 2、 ⑵1998年希腊亚里士多德大学的两位科学家采用高质子导电性的SCY 陶瓷（能传导H +），从而实现了高转化率的电解法合成氨。 阴极的电极反应式为 。 8、（2011丰台区26（2）③ 铁屑与石墨能形成微型原电池，SO 32—在酸性条件下 放电生成H 2S 进入气相从而达到从废水中除去Na 2SO 3的目的，写出SO 32—在酸性条件下放电生成H 2S 的电极反应式： 。 答案③ SO 32—+ 8H + + 6e —= H 2S ↑+ 3H 2O （2分） 2．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并形成碱性溶液。根据这一物理化学 负载 电极 电极 A B X Y Y Y Z － －
实验五-质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试
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实验五质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和性能测试 1.【实验目的】 本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）关键组件膜电极(Membrane electrode assembly,MEA)的制备和单电池组装及实际演示一体化（all-in-one）燃料电池发电系统，使学生全面了解燃料电池的基本原理和制作过程及使用方法。 2.【实验原理】 燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转变为低压直流电的装置，即通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生直流电和水。燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置。在电解水过程中，外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化 学反应生成水，并释放出电能。燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质（质子交换膜）和外电路。图1为组成燃料电池的基本单元的示意图。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂（目的是用来加速电极上发生的电化学反应），两极之间是电解质。 图1燃料电池工作原理图。图中Anode为阳极，Cathode为阴极，Bipolar Plate为双极板， CL为催化剂层，PEM为质子交换膜。 工作原理为：氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化， 释放出电子，如反应（1）所示。氢离子穿过电解质到达阴极，而在电池的另一端，氧气（或 空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。在阴极侧，氧气与 28
高中常见的原电池电极反应式的书写 书写过程归纳：列物质，标得失（列出电极上的物质变化，根据价态变化标明电子得失）。 选离子，配电荷（根据介质选择合适的离子，配平电荷，使符合电荷守）。 巧用水，配个数（通常介质为水溶液，可选用水配平质量守恒） 一、一次电池（负极氧化反应，正极还原反应） 1、伏打电池：（负极—Zn，正极—Cu，电解液—H2SO4） 负极：Zn–2e－==Zn2+（氧化反应）正极：2H++2e－==H2↑（还原反应） 总反应离子方程式Zn + 2H+ == H2↑+ Zn2+ 2、铁碳电池(析氢腐蚀)：（负极—Fe，正极—C，电解液——酸性) 负极：Fe–2e－==Fe2+（氧化反应）正极：2H++2e－==H2↑（还原反应） 总反应离子方程式Fe+2H+==H2↑+Fe2+ 3、铁碳电池(吸氧腐蚀)：（负极—Fe，正极—C，电解液——中性或碱性) 负极：2Fe–4e－==2Fe2+（氧化反应）正极：O2+2H2O+4e－==4- OH（还原反应）总反应化学方程式：2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O==4Fe(OH)3 ；2Fe(OH)3==Fe2O3 +3 H2O (铁锈的生成过程) 4.铝镍电池：（负极—Al，正极—Ni，电解液——NaCl溶液) 负极：4Al–12e－==4Al3+（氧化反应）正极：3O2+6H2O+12e－==12- OH（还原反应）总反应化学方程式：4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3 (海洋灯标电池) 5、铝–空气–海水（负极－－铝，正极－－石墨、铂网等能导电的惰性材料，电解液－－海水） 负极：4Al－12e－==4Al3+ （氧化反应）正极：3O2+6H2O+12e－==12OH－（还原反应） 总反应式为：4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3（铂网增大与氧气的接触面）(海洋灯标电池) 6、普通锌锰干电池：(负极——Zn，正极——碳棒，电解液——NH4Cl糊状物) 负极：Zn–2e－==Zn2+（氧化反应）正极：2MnO2+2NH4++2e－==Mn2O3 +2NH3+H2O（还原反应）总反应化学方程式：Zn+2NH4Cl+2MnO2=ZnCl2+Mn2O3+2NH3+H2O 7、碱性锌锰干电池：（负极——Zn，正极——碳棒，电解液KOH糊状物） 负极：Zn + 2OH– 2e－== Zn(OH)2（氧化反应）正极：2MnO2 + 2H2O + 2e－==2MnO(OH) +2OH－（还原反应） 总反应化学方程式：Zn +2MnO2 +2H2O == Zn(OH)2 + MnO(OH) 8、银锌电池：(负极——Zn，正极－－Ag2O，电解液NaOH ) 负极：Zn+2OH－–2e－== ZnO+H2O（氧化反应）正极：Ag2O + H2O + 2e－== 2Ag + 2OH－（还原反应）总反应化学方程式：Zn + Ag2O == ZnO + 2Ag 9、镁铝电池：（负极－－Al，正极－－Mg，电解液KOH） 负极(Al)：2Al + 8OH－＋6e－＝2AlO2－+4H2O（氧化反应）正极(Mg）：6H2O + 6e－＝3H2↑+6OH–总反应化学方程式：2Al + 2OH－+ 2H2O ＝2AlO2－+ 3H2↑ 10、一次性锂电池：（负极－－金属锂，正极－－石墨，电解液：LiAlCl4－SOCl2） 负极：8Li －8e－＝8 Li + 正极：3SOCl2＋8e－＝SO32－＋2S＋6Cl－ 总反应化学方程式8Li＋3SOCl2 === Li2SO3 ＋6LiCl ＋2S 二、二次电池（又叫蓄电池或充电电池） 1、铅蓄电池：（负极—Pb 正极—PbO2 电解液—稀硫酸） 放电时：负极：Pb－2e－＋SO42－==PbSO4正极：PbO2＋2e－＋4H＋＋SO42－==PbSO4＋2H2O 总化学方程式Pb＋PbO2 + 2H2SO4==2PbSO4+2H2O 2、镍镉电池（负极－－Cd、正极—NiOOH、电解液: KOH溶液） 放电时负极：Cd－2e—+ 2 OH– == Cd(OH)2 Ni(OH)2+Cd(OH)2 正极：2NiOOH + 2e—+ 2H2O == 2Ni(OH)2+ 2OH– 总化学方程式Cd + 2NiOOH + 2H2O===Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
学生实验 质子交换膜燃料电池膜电极及单电 池的制作和演示 设计：沈培康 执笔：沈培康、孟辉 中山大学物理科学与工程技术学院 2009年6月
质子交换膜燃料电池膜电极及单电池的制作和演示 一．实验目的 本实验通过进行氢/氧（空）质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）关键组件膜电极( Membrane electrode assembly, MEA)的制备和单电池组装及实际演示一体化（all-in-one）燃料电池发电系统，使学生全面了解燃料电池的基本原理和制作过程及使用方法。 二．实验原理 燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转变为低压直流电的装置，即通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生直流电和水。燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置。在电解水过程中，外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。燃料电池单体主要有四部分组成，即阳极、阴极、电解质（质子交换膜）和外电路。图1为组成燃料电池的基本单元的示意图。阳极为氢电极，阴极为氧电极，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂（目的是用来加速电极上发生的电化学反应），两极之间是电解质。 图1 燃料电池工作原理图。图中Anode为阳极，Cathode为阴极，Bipolar Plate 为双极板，CL为催化剂层，PEM为质子交换膜。 工作原理为：氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢气发生氧化，释放出电子，如反应（1）所示。氢离子穿过电解质到达阴极，而
在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，电子通过外电路也到达阴极。在阴极侧，氧气与氢离子和电子在阴极催化剂的作用下反应生成水，如反应（2）所示。与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，可以向负载输出电能。燃料电池总的化学反应如式（3）所示。 阳极半反应：H2→ 2 H+ + 2 e-E o = 0.00 V (1) 阴极半反应：1/2 O2 + 2 H+ + 2 e-→ H2O E o = 1.23 V (2) 电池总反应：H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) E o cell = 1.23 V (3) 燃料电池的膜电极如图2所示。由碳纸（气体扩散层）、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和碳纸（气体扩散层）构成。其中碳纸作为气体扩散层支撑体起收集电流的作用。因为碳纸上的孔隙率比较大，一般在碳纸表面制备一层中间层来整平（在本实验中省略）。催化层的涂布分两种情况，一种是将催化剂涂覆在碳纸的中间层表面，另一种是直接将催化剂涂覆在膜的两側。催化剂一般是2－5纳米的Pt颗粒负载在30纳米左右的碳粉上，与溶剂和Nafion等均匀混合配置成浆料，使用时直接涂覆。 图2 燃料电池膜电极结构。图中GDL是气体扩散层，CL是催化剂层，M 是质子交换膜。 燃料电池阳极和阴极之间由质子交换膜（如杜邦公司的Nafion膜）隔开。最常用的Nafion 212、Nafion115和Nafion117等型号的膜外观为无色透明，平均分子量大概为105～106。由分子结构可看出，Nafion膜是一种不交联的高分子聚合物，在微观上可以分成两部分：一部分是离子基团群，含有大量的磺酸基团，它既能提供游离的质子，又能吸引水分子；另一部分是憎水骨架，与聚四氟乙烯类似，具有良好的化学稳定性和热稳定。Nafion系列膜具有体型网络结构，其中有很多微孔(孔径约10-9 m)。人们普遍用“离子簇网络结构模型”来描述这种结构，
几种常见的燃料电池电极反应式的书写 原电池电极反应式的书写是高考中的重要考点，原电池的种类很多，燃料电池是原电池中一种比较特殊的电池，它与原电池形成条件有一点相悖，就是两极不一定是两根活动性不同的电极，也可以用相同的两根电极。燃料电池有很多，下面主要介绍几种常见的燃料电池的工作原理及电极反应式的书写，希望从中发现规律，举一反三。 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：O2 + 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- + 2 H+ === H2O，因此 正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O(O2 + 4e- === 2O2-，2O2- + 4H+ === 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：2CH4O + 3O2 +4KOH=== 2K2CO3 + 6H2O 正极的电极反应式为：3O2+12e- + 6H20===12OH- 负极的电极反应式为：CH4O -6e-+8OH- === CO32-+ 6H2O 2. 酸性电解质（H2SO4溶液为例）
收稿日期:２０１７Ｇ０９Ｇ２２作者简介:黄一豪(１９９３Ｇ),男,江西赣州人,硕士生,研究方向为燃料电池膜电极寿命机理.通信联系人:杨座国,E Ｇm a i l :z g y a n g ＠e c u s t ．e d u ．c n 一一文章编号:１００６Ｇ３０８０(２０１８)０５Ｇ０６３８Ｇ０６D O I :１０．１４１３５/j ．c n k i ．１００６Ｇ３０８０．２０１７０９１７００１开路电压工况下燃料电池膜电极耐久性研究 黄一豪１,一杨座国１,一王亚蒙２,一胡鸣若３,一倪蕾蕾２,一曾乐才２,一季文姣２(１．华东理工大学化工学院,上海２００２３７;２．上海电气股份有限公司中央研究院, 上海２０００７０;３．上海交通大学燃料电池研究所,上海２００２４０ )一一摘要:采用开路电压(O C V )工况研究了质子交换膜燃料电池(P E M F C ) 膜电极的耐久性,在O C V 工况运行过程中,定期地通过极化曲线二电化学交流阻抗谱(E I S )二线性扫描伏安法(L S V ) 二短路电阻测试等在线测试方法对膜电极性能进行分析.当O C V 工况运行结束后, 采用扫描电镜(S E M )二离子色谱对质子交换膜(P E M )厚度和阴二阳极废水进行分析.结果表明,在O C V 工况下 运行１１５h 后,P E M F C 的开路电压由１．０１３V 下降到０．７９４V ,最大功率密度由５３８．８mW /c m ２下降到１９６mW /c m ２;在线电化学测试结果表明,欧姆电阻先减小后增大,氢气渗透通量逐渐增大,短路电阻逐渐减小;离子色谱测试结果表明,阴极和阳极废水中都存在氟离子;S E M 表征发现, P E M 厚度减小;在O C V 工况下,P E M 发生了衰减,从而导致P E M F C 开路电压下降和性能衰减. 研究结果表明P E M 是影响膜电极耐久性的重要因素. 关键词:质子交换膜燃料电池(P E M F C );膜电极;开路电压(O C V ) 工况;耐久性;加速测试中图分类号:T K ９１文献标志码:A D u r a b i l i t y S t u d y o fM e m b r a n eE l e c t r o d eA s s e m b l y u n d e r O p e nC i r c u i tV o l t a g eO p e r a t i o n HU A N G H a o １,一Y A N GZ u o Ｇg u o １,一WA N GY a Ｇm e n g ２,一HU M i n g Ｇr u o ３,N IL e i Ｇl e i ２,一Z E N GL e Ｇc a i ２,一J IW e n Ｇj i a o ２(１．S c h o o l o f C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ,E a s t C h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,S h a n g h a i ２００２３７,C h i n a ;２．C e n t r a l A c a d e m y ,S h a n g h a i E l e c t r i cG r o u p C o ．L t d ,S h a n g h a i ２０００７０,C h i n a ;３．I n s t i t u t e o f F u e lC e l l ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i ２００２４０,C h i n a )A b s t r a c t :P r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e l c e l l (P E M F C )i s e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y e n e r g yp r o d u c e r ．I t i s o n e o f t h e l e a d i n g c l e a n e n e r g y t e c h n o l o g i e s b e i n g c o n s i d e r e d f o r t r a n s p o r t a t i o n a p p l i c a t i o n s a n d p o w e r g e n e r a t i o n ．T h em a i nh u r d l e l i m i t i n g t h e l a r g e s c a l e c o m m e r c i a l i z a t i o no f P E M F C i s t h e d u r a b i l i t y ．I n t h i s p a p e r ,d u r a b i l i t y o fm e m b r a n e e l e c t r o d e a s s e m b l y f o r f u e l c e l lw a s i n v e s t i g a t e du n d e r o p e nc i r c u i t v o l t a g e (O C V )o p e r a t i o na t ９０?,３０％R H (r e l a t i v eh u m i d i t y )a n d５０k P ab a c k p r e s s u r e ．As i n g l e c e l lw i t ha n a c t i v e a r e a o f ２５c m ２w a s t e s t e d ．T h em e m b r a n e e l e c t r o d e a s s e m b l y c o n s i s t s o fN a f i o n ２１２p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e (P E M ),c a t a l y s t l a y e ra n d g a sd i f f u s i o nl a y e r ．T h e p e r f o r m a n c eo fP E M F Cd u r i n g t h eO C V o p e r a t i o nw a sc h a r a c t e r i z e d w i t ht h eh e l p o f i n s i t u e l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n t s ,s u c ha s p o l a r i z a t i o n c u r v e s ,e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y (E I S )a n d l i n e a r s w e e p v o l t a g e s c a n s (L S V )．P o s t m o r t e m a n a l y s e s s u c ha ss c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y (S E M ),a n d i o nc h r o m a t o g r a p h y w e r ea p p l i e dt o i d e n t i f y ８３６华东理工大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fE a s tC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l ．４４N o ．５２０１８Ｇ１０
燃料电池电极反应式的书写 燃料电池电极反应式的书写是中学化学教学的难点，也是高考化学的常考考点之一，在书写时学生往往易错。参加北大附中课堂教学培训，感悟最深的是桑老师对燃料电池电极反应式的复习的处理，其复习教学设计如下： 一、首先分清原电池的正、负极均为惰性电极，电极均不参与反应。 二、正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子，根据电解质的不同，其负极电极反应式书写分以下几种情况： （1）在酸性溶液中生成的氧离子与氢离子结合生成水，其电极反应式为： O2 + 4e- + H+== 4H2O （2）在碱性溶液中,氧离子与氢氧根离子不能结合,只能与水结合生成氢氧根离子,其电极反应式为： O2 + 4e -+ 2H2O== 4OH- （3）在熔融碳酸盐中,氧离子与碳酸根离子不能结合，只能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，其电极反应式为：O2+2CO2-+4e-==2 CO32-（4）在熔融氧化物介质中，氧气得到电子转化为氧离子,其电极反应式为： O2 + 4e- == 2O2- 三、负极发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产场结合，有以下几种情况： (1)若负极通入的气体是氢气,则 ①酸性液中 H2 - 2e- == 2H+
②碱性溶液中 H2 - 2e- + 2OH- == 2H2O ③熔融氧化物中 H2 - 2e- + O2- == H2O (2) 若负极通入的气体为含碳的化合物CO、CH4、CH3OH等,碳元素均转化为正四价碳的化合物、在酸性溶液中生成二氧化物气体、在碱性溶液中生成碳酸根离子,熔融碳酸盐中生成二氧化碳，熔融氧化物中生成碳酸根离子。含有氢元素的化合物最终都有水生成。 如CH3OH燃料电池： 酸性溶液中负极反应式为:：CH3OH - 6e- + H2O == CO2↑ + 6H+碱性溶浚中负极反应式为：CH3OH - 8e- + 10OH- == CO32-+ 7H2O 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；
燃料电池电极反应式书写练习 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：__________________________?正极：_________________________????总反应方程式???2H2?+?O2?===?2H2O? 2、电解质是H2SO4溶液（酸性电解质）??????????????? 负极：________________________正极：__________________________总反应方程式???2H2?+?O2?===?2H2O 3、电解质是NaCl溶液（中性电解质）????????????????????? ?????负极：________________________正极：__________________________总反应方程式???2H2?+?O2?===?2H2O 说明1、碱性溶液反应物、生成物中均无H+????2、.水溶液中不能出现O2-??? 3、中性溶液反应物中无H+?和OH—?? 4、酸性溶液反应物、生成物中均无OH-? 二、甲醇燃料电池?? 1．碱性电解质（铂为两极、电解液KOH溶液）? 正极_________________负极：_____________总反应方程式???2CH3OH?+?3O2?+?4KOH?===?2K2CO3?+?6H2O???????????????????? 2.?酸性电解质（铂为两极、电解液H2SO4溶液）? 正极：_________________负极：____________________?总反应式??2CH3OH?+?3O2?===?2CO2?+?4H2O?(氧化反应)? 三、CO燃料电池??（总反应方程式均为：???2CO?＋?O2?＝?2CO2）? 1、熔融盐（铂为两极、Li2CO3和Na2CO3的熔融盐作电解质，CO为负极燃气，? 空气与CO2的混合气为正极助燃气）? 正极：_______________________?负极：________________________ 2、酸性电解质（铂为两极、电解液H2SO4溶液）? 正极：________________________负极：_________________________ ??四、肼燃料电池（铂为两极、电解液KOH溶液）? 正极：_________________________负极：_____________________________ 总反应方程式???N2H4??+?O2===?N2?+?2H2O? 六、丙烷燃料电池（铂为两极、正极通入O2和CO2、负极通入丙烷、电解液有三种）? 1、电解质是熔融碳酸盐（K2CO3或Na2CO3）? 正极?：________________________??负极?：_________________________?总反应方程式??C3H8?+?5O2?===?3CO2?+?4H2O 2、酸性电解质?（电解液H2SO4溶液）? 正极?：________________________?负极?：_________________________总反应方程