甲烷燃料电池

甲烷（CH₄）燃料电池就是用沼气（主要成分为CH₄）作为燃料的电池，与氧化剂O2反应生成CO2和H2O.反应中得失电子就可产生电流从而发电。美国科学家设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。燃料电池使用气体燃料和氧气直接反应产生电能,其效率高、污染低，是一种很有前途的能源利用方式。但传统燃料电池使用氢为燃料,而氢既不易制取又难以储存，导致燃料电池成本居高不下。

科研人员曾尝试用便宜的碳氢化合物为燃料,但化学反应产生的残渣很容易积聚在镍制的电池正极上,导致断路。美国科学家使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极,解决了残渣积聚问题。这种新电池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种物质作为燃料。

燃料电池是一个电池本体与燃料箱组合而成的动力机制。燃料的选择性非常高，包括纯氢气（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（CH3CH2OH）、天然气，甚至于现在运用最广泛的汽油，都可以作为燃料电池的燃料。这是目前其他所有动力来源无法做到的。而以燃料电池做为汽车的动力，已被公认是廿一世纪必然的趋势。

燃料电池则是以具有可燃性的燃料与氧反应产生电力；通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷（CH4）、乙醇（酒精）、氢等这些可燃性物质都要经过燃烧加热水使水沸腾，而使水蒸气推动涡轮发电，以这种转换方式大部分的能量通常都转为无用的热能，

转换效率通常只有约30%相当的低，而燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推动涡轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，足足比一般发电方法高出了约40%；优点还不只如此，二氧化碳排放量比一般方法低许多，水又是无害的产生物，是一种低污染性的能源。

优点：

1. 低污染：使用氢气与氧气作为燃料，生成物只有水和热，若使用烃类生成水，二氧化碳和热，没有污染物。

2. 高效率：直接将燃料中的化学能转换成电能，故不受卡諾循环的限制。 3. 无噪音：电池本体在发电时，无需其他机件的配合，因此没有噪音问题。 4. 用途广泛：提供的电力范围相当广泛，小至计算器大至发电厂。

5. 无需充电：电池本体中不包含燃料，只需不断地供给燃料便可不停地发电。

缺点：

1. 燃料来源不普及：氢气的储存可说是困难又危险，而甲醇、乙醇、或天然气

缺乏供应系统，无法方便的供应给使用者。

2. 无标准化的燃料：现今市面上有以天然气、甲烷、甲醇与氢气等作为燃料的

电池，虽然提供消费者很多种选择，但因为没有单一化及标准化的燃料，要能够营利是困难的，而且燃料种类的更换有可能使现有的供应系统进行改装，产生额外的费用。

3. 体积太大：目前的燃料电池体积都还过大携带不方便。

4. 成本过高：目前燃料电池使用可以提高发电的效率的材料，但成本也就相对的高，不过经由制造技术的改进及量产，成本已下降许多。

碱性介质下的甲烷燃料电池

负极：CH₄ 10OH^- - 8e^-===CO₃^2- 7H2O

正极：2O₂ 8e^- 4H2O===8OH^-

总反应方程式为：CH4 2O2 2OH-===CO32- 3H2O

酸性介质下的甲烷燃料电池

负极：CH4-8e- 2H2O===CO2 8H

正极：2O2 8e- 8H ===4H2O

总反应方程式为：2O2 CH4===2H2O CO2

反应情况：

1.随着电池不断放电，电解质溶液的酸性减小；

2.通常情况下，甲烷燃料电池的能量率大于甲烷燃烧的能量利用率。

甲烷燃料电池化学方程式

CH4 2O2 2OH-==CO32- 3H20

①就是CH4在O2中燃烧，生成的CO2和OH-反应生成CO32-

正极在碱性条件下的反应一定是：O2 4e- 2H2O==4OH-

②将总反应式减去正极反应式得到负极反应式，并将O2消去

将总反应式减去正极反应式得到CH4-8e--4H2O 2OH-==CO32- 3H2O-8OH-

移项得到负极反应式：CH4 10OH--8e-==CO32- 7H20

燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，1960年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座计划双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。

燃料电池是一个电池本体与燃料箱组合而成的动力机制。燃料的选择性非常多，包括纯氢气(H2)、甲醇（CH3OH）、乙醇（CH3CH2OH）、天然气，甚至于现在运用最广泛的汽油，都可以作为燃料电池的燃料。这是目前其他所有动力来源无法做到的。而以燃料电池做为汽车的动力，已被公认是二十一世纪必然的趋势。

燃料电池则是以具有可燃性的燃料与氧反应产生电力；通常可燃性燃料如瓦斯、汽油、甲烷（CH4）、乙醇（酒精）、氢等这些可燃性物质都要经过燃烧加热水使水沸腾，而使水蒸气推动涡轮发电，以这种转换方式大部分的能量通常都转为无用的热能，转换效率通常只有约30%，相当的低，而燃料电池是以特殊催化剂使燃料与氧发生反应产生二氧化碳（CO2）和水（H2O），因不需推动涡轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸气再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%左右，足足比一般发电方法高出了约40%；优点还不只如此，二氧化碳排放量比一般方法低许多，水又是无害的产生物，是一种低污染性的能源。

甲烷做燃料电池电极方程式溶液

甲烷燃料电池的电解质溶液为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：CH4 – 8e- 10OH- == CO32- 7H2O，

正极：2O2 4H2O 8e- = 8OH-

负极：活泼金属失电子，看阳离子能否在电解液中大量存在。如果金属阳离子不能与电解液中的离子共存，则进行进一步的反应。例：甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO₂和H₂O，但CO₂不能与OH^-共存，要进一步反应生成碳酸根。

正极：①当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得电子。例：锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H 得电子生成H₂。②当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O₂得电子。如果电解液呈酸性，O₂ 4e^- 4H =2H₂O；如果电解液呈中性或碱性，O₂ 4e^- 2H₂O==4OH^-。

特殊情况：Mg-Al-NaOH，极。负极：Al-3e^- 4OH^-=AlO₂^- 2H₂O；正极：2H₂O 2e^-=H₂↑ 2OH^-

Cu-Al-HNO₃，Cu作负极。

注意：Fe作负极时，氧化产物是Fe² 而不可能是Fe³ ；肼（N₂H₄）和NH₃的电池反应产物是H₂O和N₂

无论是总反应，还是电极反应，都必须满足电子守恒、电荷守恒、质量守恒。

pH变化规律

电极周围：消耗OH^-(H )，则电极周围溶液的pH减小（增大）；反应生成OH^-(H )，则电极周围溶液的pH增大（减小）。切记，电极周围只要消耗OH^-，PH就减小，不会受“原电池中OH^-（阴离子）向负极移动”的影响。

溶液：若总反应的结果是消耗OH^-(H )，则溶液的pH减小（增大）；若总反应的结果是生成OH^-(H )，则溶液的pH增大（减小）；若总反应消耗和生成OH^-(H )的物质的量相等，则溶液的pH由溶液的酸碱性决定，溶液呈碱性则pH增大，溶液呈酸性则pH减小，溶液呈中性则pH不变。

1．Cu─H₂SO₄─Zn原电池

正极：2H 2e^- →H₂↑

负极：Zn-2e^- →Zn²

总反应式：Zn 2H →Zn² H₂↑

2．Cu─FeCl₃─C原电池

正极：2Fe³ 2e^- →2Fe²

负极：Cu-2e^- →Cu²

总反应式：2Fe³ Cu→2Fe² Cu²

3．钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀

正极：O₂ 2H₂O 4e^- →4OH^-

负极：2Fe-4e^-→2Fe²

总反应式：2Fe O₂ 2H₂O→2Fe(OH)₂

4．氢氧燃料电池（碱性介质）

正极：O₂ 2H₂O 4e^- →4OH^-

负极：2H₂-4e^- 4OH^- →4H₂O

总反应式：2H₂ O₂→2H₂O

5．氢氧燃料电池（酸性介质）

正极：O₂ 4H 4e^-→2H₂O

负极：2H₂-4e^- →4H

总反应式：2H₂ O₂→2H₂O

6．氢氧燃料电池（中性介质）

正极：O₂ 2H₂O 4e^- → 4OH^-

负极：2H₂-4e^- →4H

总反应式：2H₂ O₂→2H₂O

7．铅蓄电池（放电）

正极 (PbO₂) ：PbO₂ 2e^- SO₄^2- 4H →PbSO₄ 2H₂O

负极 (Pb) ：Pb-2e^- SO₄^2- →PbSO₄

总反应式：Pb PbO₂ 4H 2SO₄^2-=2PbSO₄ 2H₂O

8．Al─NaOH─Mg原电池

正极：6H₂O 6e^- →3H₂↑ 6OH^-

负极：2Al-6e^- 8OH^- →2AlO₂^- 4H₂O

总反应式：2Al 2OH^- 2H₂O=2AlO₂^- 3H₂↑

9．甲烷燃料电池（碱性介质）

正极：2O₂ 4H₂O 8e^- →8OH^-

负极：CH₄-8e^- 10OH^- →CO₃^2- 7H₂O

总反应式：CH₄ 2O₂ 2OH^-=CO₃^2- 3H₂O

10．熔融碳酸盐燃料电池（Li₂CO₃和Na₂CO₃熔融盐作电解液，CO作燃料）

正极：O₂ 2CO₂ 4e^- →2CO₃^2-(持续补充CO₂气体)

负极：2CO 2CO₃^2--4e^- →4CO₂

总反应式：2CO O₂=2CO₂

11．银锌纽扣电池（碱性介质）

正极（Ag₂O)：Ag₂O H₂O 2e^- →2Ag 2OH^-

负极（Zn）：Zn 2OH^--2e^- →ZnO H2O

总反应式：Zn Ag₂O = ZnO 2Ag

12． 碱性锌锰电池（KOH介质）

正极（MnO₂）：2MnO₂ 2H₂O 2e^- →2MnOOH 2OH^-

负极（Zn）：Zn 2OH^--2e^- →Zn(OH)₂

总反应式：Zn 2MnO₂ 2H₂O→2MnOOH Zn(OH)₂