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[摘 要]
燃料电池根据采用的电解质不同可分为五种类型，是高考试题考查的热点。在实际教学中，教师需要引导学生深入思考化学反应原理的实质，归纳总结五种类型燃料电池的总反应式、正极反应式、负极反应式的书写模式，提升燃料电池试题的解题技巧。
[关键词]
高中化学;燃料电池;反应式
高三化学二轮复习，是高考总复习中一个关键性的环节。在复习相关化学知识时，教师需要引导学生深入思考化学反应原理的实质，总结出相关规律和解题技巧，以达到高效复习的目的。燃料电池是现代社会中具有广阔发展前景的新能源，因其能量转换效率高、洁净无污染而颇受人们关注，成为高考试题考查的热点。在实际教学中，对于燃料电池的工作原理特别是电极反应式的书写，学生往往感到比较困惑。如果能正确理解并写出电极反应式（尤其是燃料为有机物的负极反应式），那么其他问题依据原电池原理便可顺利解决。下面笔者结合教学实践和对高考试题的研究，总结了不同类型燃料电池的电极反应式书写方法，并建立书写模式，以提升解题技巧。
一、燃料电池基本原理
燃料电池是一种不经燃烧便可将燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。和其他电池中的氧化还原反应一样，电化学反应也是自发的化学反应，不会发出火焰，化学能可以直接转化为电能。
燃料电池的基本结构与一般化学电源相同，由正极（氧化剂电极）、负极（燃料电极）和电解质构成，但是电极本身仅起催化和集流作用。燃料电池工作时，活性物质由外部供给，因此，原则上说，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供应电能。
燃料电池正极上的氧化剂仅限于氧气或空气。负极上的燃料主要为化石燃料以及由此得到的衍生物，如H2、CO、NH3、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H6、C3H4、CH3OH、C2H5OH等都可用作燃料。无论是什么类型的燃料电池，负极一定是燃料失电子发生氧化反应，正极一定是氧气（或空气）得电子发生还原反应。
燃料电池根据采用的电解质不同可分为五种类型：①酸性燃料电池（电解质溶液通常为浓H3PO4，导电离子为H ）;②质子交换膜燃料电池（电解质是由质子导电聚合物构成的质子交换膜，导电离子为H ）;③碱性燃料电池（电解质溶液常为浓KOH溶液，导电离子为OH-）;④熔融碳酸盐燃料电池（电解质一般为Li2CO3、K2CO3或Na2CO3的二元混合物，导电离子为CO32-）;⑤固体氧化物燃料电池（电解质常为ZrO2、Y2O3，导电离子为O2-）。
二、燃料电池电极反应式书写方法
（一）总反应式书写方法
燃料电池虽然是一种不经过燃烧而转化电能的装置，但其在放电时发生的总反应和燃料燃烧时的总反应一样（若生成物与电解液能继续反应的要考虑继续反应，总反应式是离子反应的最好写离子方程式）。
五种类型燃料电池的总反应式归纳如表1（以C2H5OH燃料电池为例）：
电池总反应式（不写点燃条件）除了碱性燃料电池要考虑生成物CO2继续与OH-反应生成CO32-外，其他的都是燃料与O2反应生成CO2和H2O。
（二）正极反应式书写方法
燃料电池正极是O2得电子发生还原反应，O2得电子生成O2-，O2-不是氧元素的稳定产物，O2-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。
1.酸性燃料电池中，导电离子是H ，在酸性环境中，不稳定的O2-与H 结合生成H2O（可理解为O2-带负电，在电性力作用下，O2-结合H 生成H2O），即O2 4e-=2O2-，2O2- 4H =2H2O，正极反应式为O2 4H 4e-=2H2O。
2.质子交换膜燃料电池中，电解质是由质子（H ）导电聚合物构成的质子交换膜，导电离子为H ，不稳定的O2-要结合H 生成H2O，即正极反应式为O2 4H 4e-=2H2O。
3.碱性燃料电池中，导电离子是OH-，在碱性环境中，不稳定的O2-会继续与H2O反应生成OH-（可理解为O2-带负电，在电性力作用下与OH-相排斥，只能结合H2O生成OH-），即O2 4e-=2O2-，2O2- 2H2O=4OH-，正极反应式为O2 2H2O 4e-=4OH-。
4.熔融碳酸鹽燃料电池中，导电离子是CO32-，电解质中存在CO2，不稳定的O2-会结合CO2生成CO32-（可理解为O2-带负电，在电性力作用下与CO32-相排斥，只能结合CO2生成CO32-），即O2 4e-=2O2-，2O2- 2CO2=2CO32-，正极反应式为O2 2CO2 4e-=2CO32-。
5.固体氧化物燃料电池中，导电离子是O2-，该固态电解质是熔融氧化物，在高温下可允许O2-在其间通过，O2-在该环境下可稳定存在，正极反应式为O2 4e-=2O2-。
五种类型燃料电池正极反应式书写方法归纳如表2。
上述固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池，由于是非水体系，应该用“查氧补氧”或“查氧补二氧化碳”的方法，而不是“查氧补水”。
（三）负极反应式书写方法
燃料电池总反应式的书写比较容易，正极反应式的书写形式变化不大，有规律可循，但负极反应式的书写难度较大。为了更好地突破负极反应式的书写难点，下面依次介绍三种书写负极反应式的方法。
1.相减法
先写出总反应式，再写出正极反应式，然后结合电子守恒和元素守恒，用总反应式减去正极反应式，得到负极反应式。
以C2H5OH燃料电池为例，五种类型燃料电池的总反应式、正极反应式、负极反应式书写归纳如表3。
用“总反应式-正极反应式×3”可得负极反应式，另外质子交换膜燃料电池与酸性燃料电池的反应式相同。 这种写法必须建立在两个知识储备的基础之上：一是必须知道燃料电池的总反应式，而题目中一般不会直接给出;二是需要明确正极反应式的书写会因电池电解质的不同而不同。故上述书写方法过程比较繁杂且耗时较长，容易出现错写、漏写等问题，对学生来说仍有很大难度。
2.零价法
燃料电池的负极是燃料失电子发生氧化反应，燃料以有机物居多，其反应后的产物通常为CO2和H2O（非碱性介质）或CO32-和H2O（碱性介质）。但无论上述哪种情况，产物中C、H、O的化合价均为 4、 1、-2，如果把原有机物CxHyOz中所有元素都看成0价，其中C和H的化合价升高，失去的电子总数为4x y，而O的化合价降低，得到电子数为2z，可知整个反应中失去的电子总数为4x y-2z，即“碳四氢一氧减二”。若燃料有机物中不含氧元素，则负极反应中失去的电子数为4x y。
例如，CH3OH燃料电池中，负极反应产物无论是CO2还是CO32-，1 mol CH3OH反应失去的电子数为（4×1 1×4-2×1）mol=6 mol，负极反应式的书写归纳如表4。
3.化合价法
运用相对化合价法书写燃料电池负极反应式的关键是依据电负性的相对大小确定燃料物质中各元素的相对化合价。一般来说，如果燃料分子中只含C、H、O三种元素，则以O元素为-2价，H元素为 1价来确定C元素的相对化合价，计算出单位燃料被氧化后失去的电子总数，确定化学计量系数之比，再考虑电解质环境，结合守恒原理直接书写负极反应式。
例如，在C6H12O6燃料电池中，C6H12O6中C的化合价为0价，1 mol C6H12O6发生反应后的产物无论是CO2还是CO32-都失去24 mol电子，负极反应式的书写归纳如表5。
通过上面的分析可以看出，“零价法”“化合价法”与“相减法”相比，省去了比较繁琐的书写总反应式和正极反应式的过程，具有简单、快速、准确等特点，学生更易接受，也更易掌握。
为了方便理解，笔者把试题中常涉及到的其他几种燃料的燃料电池负极反应式归类如表6，供学习者参考使用。教师可让学生在阅读理解后，根据表中信息在白纸上自行默写这几种燃料在不同电解质环境下的负极反应式，以便进一步熟练掌握“化合价法”“零价法”书写负极反应式的具体步骤。
三、燃料电池高考考查例析
（一）酸性燃料电池
【例1】（2012年四川卷）一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH-4e- H2O=CH3COOH 4H 。下列有关说法正确的是（
燃料电池根据采用的电解质不同可分为五种类型，是高考试题考查的热点。在实际教学中，教师需要引导学生深入思考化学反应原理的实质，归纳总结五种类型燃料电池的总反应式、正极反应式、负极反应式的书写模式，提升燃料电池试题的解题技巧。
[关键词]
高中化学;燃料电池;反应式
高三化学二轮复习，是高考总复习中一个关键性的环节。在复习相关化学知识时，教师需要引导学生深入思考化学反应原理的实质，总结出相关规律和解题技巧，以达到高效复习的目的。燃料电池是现代社会中具有广阔发展前景的新能源，因其能量转换效率高、洁净无污染而颇受人们关注，成为高考试题考查的热点。在实际教学中，对于燃料电池的工作原理特别是电极反应式的书写，学生往往感到比较困惑。如果能正确理解并写出电极反应式（尤其是燃料为有机物的负极反应式），那么其他问题依据原电池原理便可顺利解决。下面笔者结合教学实践和对高考试题的研究，总结了不同类型燃料电池的电极反应式书写方法，并建立书写模式，以提升解题技巧。
一、燃料电池基本原理
燃料电池是一种不经燃烧便可将燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。和其他电池中的氧化还原反应一样，电化学反应也是自发的化学反应，不会发出火焰，化学能可以直接转化为电能。
燃料电池的基本结构与一般化学电源相同，由正极（氧化剂电极）、负极（燃料电极）和电解质构成，但是电极本身仅起催化和集流作用。燃料电池工作时，活性物质由外部供给，因此，原则上说，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供应电能。
燃料电池正极上的氧化剂仅限于氧气或空气。负极上的燃料主要为化石燃料以及由此得到的衍生物，如H2、CO、NH3、CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C4H6、C3H4、CH3OH、C2H5OH等都可用作燃料。无论是什么类型的燃料电池，负极一定是燃料失电子发生氧化反应，正极一定是氧气（或空气）得电子发生还原反应。
燃料电池根据采用的电解质不同可分为五种类型：①酸性燃料电池（电解质溶液通常为浓H3PO4，导电离子为H ）;②质子交换膜燃料电池（电解质是由质子导电聚合物构成的质子交换膜，导电离子为H ）;③碱性燃料电池（电解质溶液常为浓KOH溶液，导电离子为OH-）;④熔融碳酸盐燃料电池（电解质一般为Li2CO3、K2CO3或Na2CO3的二元混合物，导电离子为CO32-）;⑤固体氧化物燃料电池（电解质常为ZrO2、Y2O3，导电离子为O2-）。
二、燃料电池电极反应式书写方法
（一）总反应式书写方法
燃料电池虽然是一种不经过燃烧而转化电能的装置，但其在放电时发生的总反应和燃料燃烧时的总反应一样（若生成物与电解液能继续反应的要考虑继续反应，总反应式是离子反应的最好写离子方程式）。
五种类型燃料电池的总反应式归纳如表1（以C2H5OH燃料电池为例）：
电池总反应式（不写点燃条件）除了碱性燃料电池要考虑生成物CO2继续与OH-反应生成CO32-外，其他的都是燃料与O2反应生成CO2和H2O。
（二）正极反应式书写方法
燃料电池正极是O2得电子发生还原反应，O2得电子生成O2-，O2-不是氧元素的稳定产物，O2-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。
1.酸性燃料电池中，导电离子是H ，在酸性环境中，不稳定的O2-与H 结合生成H2O（可理解为O2-带负电，在电性力作用下，O2-结合H 生成H2O），即O2 4e-=2O2-，2O2- 4H =2H2O，正极反应式为O2 4H 4e-=2H2O。
2.质子交换膜燃料电池中，电解质是由质子（H ）导电聚合物构成的质子交换膜，导电离子为H ，不稳定的O2-要结合H 生成H2O，即正极反应式为O2 4H 4e-=2H2O。
3.碱性燃料电池中，导电离子是OH-，在碱性环境中，不稳定的O2-会继续与H2O反应生成OH-（可理解为O2-带负电，在电性力作用下与OH-相排斥，只能结合H2O生成OH-），即O2 4e-=2O2-，2O2- 2H2O=4OH-，正极反应式为O2 2H2O 4e-=4OH-。
4.熔融碳酸鹽燃料电池中，导电离子是CO32-，电解质中存在CO2，不稳定的O2-会结合CO2生成CO32-（可理解为O2-带负电，在电性力作用下与CO32-相排斥，只能结合CO2生成CO32-），即O2 4e-=2O2-，2O2- 2CO2=2CO32-，正极反应式为O2 2CO2 4e-=2CO32-。
5.固体氧化物燃料电池中，导电离子是O2-，该固态电解质是熔融氧化物，在高温下可允许O2-在其间通过，O2-在该环境下可稳定存在，正极反应式为O2 4e-=2O2-。
五种类型燃料电池正极反应式书写方法归纳如表2。
上述固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池，由于是非水体系，应该用“查氧补氧”或“查氧补二氧化碳”的方法，而不是“查氧补水”。
（三）负极反应式书写方法
燃料电池总反应式的书写比较容易，正极反应式的书写形式变化不大，有规律可循，但负极反应式的书写难度较大。为了更好地突破负极反应式的书写难点，下面依次介绍三种书写负极反应式的方法。
1.相减法
先写出总反应式，再写出正极反应式，然后结合电子守恒和元素守恒，用总反应式减去正极反应式，得到负极反应式。
以C2H5OH燃料电池为例，五种类型燃料电池的总反应式、正极反应式、负极反应式书写归纳如表3。
用“总反应式-正极反应式×3”可得负极反应式，另外质子交换膜燃料电池与酸性燃料电池的反应式相同。 这种写法必须建立在两个知识储备的基础之上：一是必须知道燃料电池的总反应式，而题目中一般不会直接给出;二是需要明确正极反应式的书写会因电池电解质的不同而不同。故上述书写方法过程比较繁杂且耗时较长，容易出现错写、漏写等问题，对学生来说仍有很大难度。
2.零价法
燃料电池的负极是燃料失电子发生氧化反应，燃料以有机物居多，其反应后的产物通常为CO2和H2O（非碱性介质）或CO32-和H2O（碱性介质）。但无论上述哪种情况，产物中C、H、O的化合价均为 4、 1、-2，如果把原有机物CxHyOz中所有元素都看成0价，其中C和H的化合价升高，失去的电子总数为4x y，而O的化合价降低，得到电子数为2z，可知整个反应中失去的电子总数为4x y-2z，即“碳四氢一氧减二”。若燃料有机物中不含氧元素，则负极反应中失去的电子数为4x y。
例如，CH3OH燃料电池中，负极反应产物无论是CO2还是CO32-，1 mol CH3OH反应失去的电子数为（4×1 1×4-2×1）mol=6 mol，负极反应式的书写归纳如表4。
3.化合价法
运用相对化合价法书写燃料电池负极反应式的关键是依据电负性的相对大小确定燃料物质中各元素的相对化合价。一般来说，如果燃料分子中只含C、H、O三种元素，则以O元素为-2价，H元素为 1价来确定C元素的相对化合价，计算出单位燃料被氧化后失去的电子总数，确定化学计量系数之比，再考虑电解质环境，结合守恒原理直接书写负极反应式。
例如，在C6H12O6燃料电池中，C6H12O6中C的化合价为0价，1 mol C6H12O6发生反应后的产物无论是CO2还是CO32-都失去24 mol电子，负极反应式的书写归纳如表5。
通过上面的分析可以看出，“零价法”“化合价法”与“相减法”相比，省去了比较繁琐的书写总反应式和正极反应式的过程，具有简单、快速、准确等特点，学生更易接受，也更易掌握。
为了方便理解，笔者把试题中常涉及到的其他几种燃料的燃料电池负极反应式归类如表6，供学习者参考使用。教师可让学生在阅读理解后，根据表中信息在白纸上自行默写这几种燃料在不同电解质环境下的负极反应式，以便进一步熟练掌握“化合价法”“零价法”书写负极反应式的具体步骤。
三、燃料电池高考考查例析
（一）酸性燃料电池
【例1】（2012年四川卷）一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH-4e- H2O=CH3COOH 4H 。下列有关说法正确的是（