标准课-高三-化学-选修4-教学教案12第十二讲燃料电池.docx

第十二讲 燃料电池
教学目标
1．了解常见的燃料电池的种类及其工作原理；
2．能够书写电极反应式和电池反应方程式。
知识梳理
知识点一、燃料电池的构造及原理
1．燃料电池的定义：燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。这是一种高效、环境友好的发电装置。
2．燃料电池的构成
（1）常见的燃料电池的燃料：H2、一氧化碳、烃、甲醇、葡萄糖、肼、氨、煤气、金属铝
（2）常见燃料电池的氧化剂：纯氧气或空气中的氧气
（3）常用的电解质溶液：酸性（硫酸、磷酸）、碱性（氢氧化钾）、熔融盐（碳酸锂和碳酸钠）、固体（在高温下能传导O2-）
典型例题
1．右图为氢氧燃料电池原理示意图，下列叙述正确的是( )

A．a电极是正极
B．b电极的电极反应4OH－2H2O +4 e－＋O2­
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 答案：D
2．“神舟七号”宇宙飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该电池可同时供应电和水蒸气，所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该电池的总反应为2H2+O2 = 2H2O，负极反应为H2 + 2e－ + CO32－ = CO2↑ + H2O，则下列推断中，正确的是( )
A．电池工作时，CO32－向负极移动
B．电池放电时，外电路电子由通氧气的正极流向通氢气的负极
C．正极的电极反应为：4OH－→O2↑+2H2O+2e－
D．通氧气的电极为阳极，发生氧化反应
答案：A
3.（2014朝阳高二期末19）甲烷燃料电池是一种高效新能源，有关说法不正确的是（电解质是氢氧化钾溶液） ( )
A.负极反应式为：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
B.负极反应式为：2O2+4H2O+8e-=8OH-
C.电池放电过程中，电解质溶液的pH不变
D.甲烷燃料电池的能量转化率远比甲烷燃烧的能量大
答案：C
4.下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（电解质溶液是KOH溶液） （ ）
A. 负极反应式为：CH4 + 10OH- - 8e-= CO32- +7H2O
B. 正极反应式为：2O2 + 4H2O + 8e- = 8OH-
C. 电池放电过程中，电解质溶液的pH值不变
D. 甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
答案：C
知识点二、新型电解质电池
【例1】已知右图氢氧燃料电池装置，请分别写出在下列介质中的两极反应方程式。
（1）介质为KOH溶液
负极反应方程式： H2 - 2e- + 2 OH-＝2 H2O
正极反应方程式：O2 + 4e- +2 H2O ＝4 OH-

负极方程式书写步骤
第一步
H2 - 2e- ＝ 2H+

第二步
H+ + OH- ＝ H2O

负极方程式＝第一步 +（第二步）×2 消去H+

H2 - 2e- + 2 OH-＝2 H2O

正极方程式书写步骤
O2 + 4e- ＝ 2O2-
第一步

第二步
O2- + H2O ＝2 OH-

正极反应式 = 第一步+（第二步）×2 消去O2-
O2 + 4e- +2 H2O ＝4 OH-

思考：
1.燃料电池中，燃料充当哪个电极?
负极
2.氢氧燃料电池中，铂电极的作用?
吸附和催化
3.氢氧燃料电池中的其它优点?

小结:
1.燃料电池的电极方程式书写步骤
观察已知条件 → 确定反应物 → 判断生成物及其在介质中的稳定性（不共存会反应）
→ 依化合价变化确定e → 观察介质并提取介质中关离子依电荷守恒补入方程→依介质中的微粒（H2O、熔融物等）等补平原子。
2.电池工作时，两极溶液pH变化
依据两极反应方程式，判断电解质溶液pH变化，口诀：正增负减

（2）介质为H2SO4溶液
负极反应方程式：H2 - 2e- ＝ 2H+
正极反应方程式：O2 + 4e- + 4 H+ ＝2 H2O
（3）介质为NaCl溶液
负极反应方程式： H2 - 2e- ＝ 2H+
正极反应方程式： O2 + 4e- +2 H2O ＝4 OH-
（4）介质为熔融碳酸盐，正极通入O2和CO2混合气体
负极反应方程式： H2 - 2e- + CO32- ＝H2O + CO2
正极反应方程式： O2 + 4e- + 2CO2＝2CO32-
（5）介质为熔融氧化物
负极反应方程式： H2 - 2e- + O2-＝H2O
正极反应方程式： O2 + 4e- ＝2O2-
【例2】C2H5OH -空气燃料电池，碱性介质中负极反应方程式
答案：负极方程式：C2H6O - 12e- + 16OH- ＝2CO32 -+ 11H2O
思考：
（1）该电池，若在酸性介质中，负极反应方程式 C2H6O - 12e- + 2H2O ＝ 2CO32 - + 16H+
（2）该电池，若在熔融碳酸盐介质中，负极反应方程式C2H6O-12e-+6CO32 -＝8CO2 +3 H2O
（3）该电池，若在熔融氧化物介质中，负极反应方程式C2H6O-12e- + O2 -＝CO2 + 3H2O
（4）该电池，若在熔融碳酸盐介质中，正极为何要补充CO2 ？若在熔融氧化物介质中，需要补充吗？
正极反应物若仅是氧气，会生成O2-，影响介质成份，若补入CO2，可以生成CO32-。但在熔融氧化物介质中不需要。
小结：负极燃料是化合物时，负极产物的判断方式

【练习反馈】
1. 甲烷-空气燃料电池，在碱性条件中负极反应方程式
答案：CH4 –8e- +10 OH- = CO32- + 7H2O

教学建议
1.改变介质环境中性条件、介质酸性条件、介质碱性条件，分别写出负极反应方程式
2. 以甲醇为原料，使用酸性电解质构成燃料电池，该燃料电池的负极反应式为

答案：CH3OH + H2O - 6e- = CO2 + 6H+
3. 工业上以粗食盐（含有少量Ca2+、Mg2+杂质）、氨、石灰石等为原料，可以制备Na2CO3。熔融Na2CO3可作甲烷——空气燃料电池的电解质，该电池负极的反应式是
答案：CH4－8e－+ 4CO32－= 5CO2 + 2H2O
4. 我国首创以铝组成的金属—海水—空气电池作为能源的新型海水标志灯，它以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝组成的金属不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。则该电源负极反应为_______ _________
答案：Al - 3e- = Al3+
5.NH3-空气燃料电池，在碱性条件中工作，工作时无污染物产生。
其负极反应方程式
答案：2 NH3－ 6e- + 6OH- ＝ N2 + 6H2O
6.肼—空气燃料电池是一种碱性电池，工作时无污染。
该电池放电时，负极的反应式
答案： N2H4 - 4e- + 4OH- ＝ N2 + 4H2O

【拓展】（2014海淀期末）微生物燃料电池是一种利用微生物将化学能直接转化成电能的装置。已知某种甲醇微生物燃料电池中，电解质溶液为酸性，示意图如下：

① 该电池外电路电子的流动方向为 （填写“从A到B”或“从B到A”）。
② 工作结束后，B电极室溶液的pH与工作前相比将 （填写“增大”、“减小”或“不变”，溶液体积变化忽略不计）。
③ A电极附近甲醇发生的电极反应式为 。
答案：①从A到B ②不变 ③CH3OH + H2O - 6e- = 6H++ CO2↑

教学建议
1.电池工作结束之后，两极pH变化要结合“方程式中H+ 或OH-的变化”和“电子移动数量”。因为电子移动数量和质子交换膜中转移的H+的数量相等。
2.电池工作过程中，两极pH变化依据方程式中H+ 或OH-的变化

典型例题
1．（2014—2015北师大二附高二期中21）新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质为KOH溶液。某研究小组将甲烷燃料电池作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。回答下列问题：

（1）甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为________________，________________。
（2）b电极上得到的气体是___________，电解氯化钠溶液的总反应方程式为 _________。
（3）若甲烷通入量为1 L(标准状况)，且反应完全，则最多能产生的氯气体积为_______ L(标准状况)。
（4）以甲醇（CH3OH）为燃料的电池中，电解质溶液为酸性，则正极、负极的电极反应分别为________________，________________。
答案：（1）O2+4e-+2H2O=4OH-，CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O (2)H2，略。（3）4L
（4）O2+4e-+4H+=2H2O，CH3OH-6e+H2O-=CO2+6H+

2. （2011-2012人大附第二学期期末32）
全球气候变暖已经成为全世界人类面临的重大问题，温家宝总理在“哥本哈根会议”上承诺到2020年中国减排温室气体40%。
(3) 减少温室气体排放的关键是节能减排，大力开发利用燃料电池就可以实现这一目标。如图所示甲烷燃料电池就是将电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。将其插入KOH溶液从而达到吸收CO2的目的，请回答：

② 通入甲烷一极的电极反应式为_________________________________________________。
②随着电池不断放电，电解质溶液的pH_________(填“增大”、“减小”或“不变”)
答案： CH

巩固练习
1．下列关于燃料电池的叙述中正确是（ ）
A．氢氧燃料电池就是把氢气在氧气中燃烧产生的热量转化为电能
B．氢氧燃料电池的负极通入的气体是氢气，正极通入的是氧气
C．氢氧燃料电池中氢气和氧气分别在负极和正极上发生还原反应和氧化反应
D．燃料电池的优点的能量转换率高，生成物对环境影响小
答案：BD
2．（2010安徽卷）某固体酸燃料电池以CaHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H2＋O2＝2H2O，下列有关说法正确的是( )

A．电子通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2
D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极
答案：D
3．（2007年高考广东化学卷）科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池负极反应为( )
A．H2＋2OH－ ＝2H2O＋2e－ B.O2＋4H＋＋4e－ ＝2H2O
C.H2＝2H＋＋2e－ D.O2＋2H2O＋4e－ ＝4OH－
答案：C
4．氢氧燃料电池已用于航天飞机，它是以铂作电极，KOH溶液作电解质，正极反应为：O2 + 2H2O + 4e－4OH－ ，负极反应为：H2 + 4OH－ －4e－4H2O 下列叙述不正确的是（ ）
A．H2在负极发生氧化反应
B．燃料电池的能量转化率可达100%
C．是一种高效、环保的发电装置
D．供电时的总反应为：2H2 + O22H2O 答案：B
5．用二根铂丝作电极插入KOH溶液中，分别向两极通人甲烷和氧气，可作为一种燃料电池的模拟装置。试判断下列说法正确的是( )
A．通氧气的铂极为负极
B．此电池反应为CH4+2O2=CO2+2H2O
C．此电池放电时，KOH浓度减小
D．此电池放电时，KOH浓度不变
答案：C
6．航天技术中使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便、无污染等优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应均可表示为：2H2+O22H2O。酸式燃料电池中的电解质是酸，其负极反应为：2H2-4e-=4H+。电池的电解质是碱，其正极反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-，则负极反应为 。
答案：2H2+4OH--4e4H2O
7．一种新型燃料电池，一极通入乙烷，另一极通入氧气，电解质是KOH溶液。电池的总反应是2C2H6＋7O2+8KOH4K2CO3＋10H2O，其中：
⑴负极反应为 ，
正极反应为
⑵放电一段时间后，正极周围的pH （填“降低”、“升高”、“不变”）
答案：⑴2C2H6＋36OH-－28e-4CO32-＋24H2O 7O2+14H2O+28e-28OH- ⑵升高

8．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力重要途径，美国以井计划将甲醇燃料电池用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：
（1）此电极的正极发生的电极反应式是　3O2+12 H++12e－=6H2O　　　　　　；
负极发生的电及反应式是 2CH3OH+2H2O-12e－=2CO2↑+12H+ 。
（2）电解液中的离子向 正 极移动；向外电路释放电子的电极是负 极。（填“正”或“负”）
（3）比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，如（列举1点或2点） 能量转化率高，对空气的污染较小 。

9．（2011朝阳期末28）煤、天然气都是常见的化石燃料，而氢气是一种新能源。
（1）已知0.5mol CH4完全燃烧生成CO2和H2O（l）时，放出445kJ的热量，则CH4燃烧的热化学方程式是CH4（g）+2O2 (g) === 2H2O(l)+CO2（g），ΔH=-890kJ·mol-1  。
（2）工业上可用煤和水通过水煤气法制氢气，已知下列热化学方程式：
C(s) + 1/2O2(g) = CO(g) ΔH1= -110.5 kJ/mol
2H2(g) + O2(g) = 2H2O(g) ΔH2= -483.6kJ/mol
试求水煤气法制氢气的反应的反应热ΔH3。
C(s) + H2O(g) = CO(g) + H2(g) ΔH3= +131.3 kJ/mol
（3）为减少化石燃料在燃烧过程中产生的CO2对大气造成的温室效应，可将CO2在一定条件下通过加氢制得甲醇，这是解决CO2排放的有效途径之一，具有环保、经济等重要意义。该转化过程的化学方程是 CO2+ H2→CH3OH + H2O 。
（4）氢氧燃料电池是一种高效能源，该燃料电池在酸性环境下工作的正极反应式是 O2+4e+4 H+=== 2H2O。 。
拓展提升
1．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。

下列判断正确的是(　　)
A．有O2参加反应的a极为电池的负极
B．b极的电极反应式为H2－2e－＋O2－===H2O
C．a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．该电池的总反应式为2H2＋O22H2O
答案：D
2．有位科学家说：“甲烷是21世纪的新燃料。”甲烷作为燃料的用途之一就是用于制作燃料电池。有科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入甲烷，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。以下判断错误的是(　　)
A．电池正极发生的反应：O2＋4e－===2O2－
B．电池负极发生的反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
C．固体电解质里的O2－的移动方向：由正极流向负极
D．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)
答案：D

3．某氢氧燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述正确的是( )
A．正极反应式为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
B．电池工作时，OH－向正极移动
C．工作一段时间后，电解质溶液的pH变大
D．用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24 L Cl2（标准状况）时，有0.1 mol e－转移
答案：A
4．（09年广东高考）可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是( )
A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al＋3OH－－3e-＝Al(OH)3↓
C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的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
答案：A
5．（2006高考，天津）我国首创海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应为：4A1+3O2+6H2O4A1（OH）3，下列说法不正确的是 ( )
A．正极反应式为：O2+2H2O+4e4OH－
B．电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极
C．以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积
D．该电池通常只需更换铝板就可继续使用
答案：B

6．（2009江苏）用某氢氧燃料电池（用氢氧化钾水溶液为电解质溶液）电解饱和亚硫酸钠溶液一段时间，假设电解时温度不变且用惰性电极。下列说法正确的是( )
A．当燃料电池正极消耗mg气体时，电解池阴极同时有mg气体生成
B．电解池的阳极反应式为： 4OH－－4e－O2↑＋2H2O
C．电解池中溶液pH变小
D．燃料电池中溶液pH变大
答案：C
7．(10朝阳二模）右图是水煤气(成分为CO、H2)空气燃料电池的工作原理示意图，a、b均为惰性电极。下列叙述中正确的是( )

A．A处通人的是空气，B处通人的是水煤气
B．a电极发生还原反应，b电极发生氧化反应
C．a电极的反应式包括：CO+4OH－+2e－=CO+2H2O
D．用这种电池电镀铜，待镀金属增重6.4 g，则至少消耗标准状况下的水煤气2.24 L
答案：D

8．(2009宣武期末13)下图是某空间站能量转化系统的局部示意图，其中燃料电池采用KOH为电解液，下列有关说法不正确的是( )

A．该能量转化系统中的水可以循环利用
B．燃料电池系统产生的能量实际上来自于水
C．水电解系统中的阳极反应：4OH－﹣4e－＝2H2O＋O2↑
D．燃料电池放电时的正极反应：O2 + 4e－ + 2H2O＝4OH﹣
答案：B
9．（09年福建高考）控制适合的条件，将反应2Fe3++2I－

2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是( )

A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原
C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固定，乙中石墨电极为负极
答案：D

10．（09年江苏高考）以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是( )

A．该电池能够在高温下工作
B．电池的负极反应为: C6H12O6+6H2O-24e－=6CO2↑+24H+
C．放电过程中,H+从正极区向负极区迁移
D．在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体
答案：B
11．(2010江苏卷）右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是( )

A．该系统中只存在3种形式的能量转化
B．装置Y中负极的电极反应式为
C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
D．装置X、Y形成的子系统能实现物质零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化
答案：C

12．（08山东理综29）北京奥运会“祥云”火炬燃料是丙烷（C3H8），亚特兰大奥运会火炬燃料是丙烯（C3H6）。
（1）丙烷脱氢可得丙烯。
已知：C3H8（g） CH4(g)+HC≡CH(g)+H2(g)；ΔH1=156.6 kJ·mol－1
CH3CH =CH2(g) CH4(g)+HC≡CH(g)；ΔH2=32.4 kJ·mol－1
则相同条件下，反应C3H8（g） CH3CH=CH2(g)+ H2(g)；的ΔH= 124.2 kJ·mol－1。
（1）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O2和CO2，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐。电池反应方程式为： C3H8+5O2 3CO2+4H2O ；放电时，CO移向电池的 负 （填“正”或“负”）极。
（2）碳氢化合物完全燃烧生成CO2和H2O。常温常压下，空气中的CO2溶于水，达到平衡时，溶液的pH=5.60,c(H2CO3)=1.5×10-5mol·L-1。若忽略水的电离及H2CO3的第二级电离，则H2CO3 HCO+H+的平衡常数K1= 4.2×10－7mol·L－1 。（已知：10-5.60=2.5×10-6）
（3）常温下，0.1 mol·L-1 NaHCO3溶液的pH大于8，则溶液中c (H2CO3) > c(CO)
(填“>”、“=”或“<”)，原因是 HCO3-+H2O CO32-+H3O+(或HCO3- CO32-+H+)，HCO3-+H2O H2CO3+OH－，HCO3-的水解程度大于电离程度
（用离子方程式和必要的文字说明）。

13．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀了一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：

(1) 氢氧燃料电池的能量转化主要形式是________________，在导线中电子流动方向为________(用a、b表示)。
(2)负极反应式为_________________________________________________________。
(3)电极表面镀铂粉的原因为 ____________________________________________________。 (4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：
Ⅰ.2Li＋H22LiH
Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑
①反应Ⅰ中的还原剂是__________，反应Ⅱ中的氧化剂是________。
②已知LiH固体密度为0.82 g·cm－3，用锂吸收224 L(标准状况)H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为________。
③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。
答案：(1)化学能转变为电能　a到b　(2)2H2＋4OH－－4e－===4H2O或H2＋2OH－－2e－
===2H2O　(3)增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加快电极反应速率(4)①Li　H2O　②1/1 148或8.71×10－4　③32