燃料电池教案.doc

龙文教育辅导教案
学员编号（卡号）： 年 级：高三 第 课时
学员姓名：马燕妮 辅导科目：化学 教师：才春秀
课 题
燃料电池
授课时间： 年 月 日
备课时间： 年 月 日
教学目标
简单了解燃料电池的历史及燃料电池在生活中的应用
认识燃料电池的种类及分别的应用
掌握燃料电池的电极反应式的书写规律
熟练应用规律解决高考重点题型
重点、难点
重点：燃料电池的应用以及电极反应式书写规律
难点：电极反应式书写规律在题型中的应用
考点及考试要求
高考中燃料电池占比不高，但为必考点。客观题中主要考察基础知识的理解，主观题中常考察燃料电池电极反应的书写及与其他知识的综合应用。
要求学生重点掌握燃料电池的原理，电极反应式书写规律，以及燃料电池的综合应用
教学内容
燃料电池
一、 燃料电池的历史
　　 燃料电池的历史可以追溯到第19世纪英国科学家William Robert Grove 的工作。1839年，Grove将二条白金带分别放入二个密封的瓶中，一个瓶中盛有氢，另一个瓶中盛有氧。当这二个盛器浸入稀释的硫酸溶液时，电流开始在二个电极之间流动，盛有气体的瓶中生成了水，得到了他所叫做的“气体电池”，后被称为“燃料电池”。　　　 不过，在经历27年后，科学家Bacon才真正制造出能工作的燃料电池。除Bacon之外，Allis-Chalmers公司的农业机械生产商Harry Karl Ihrig也在这一年的晚期制造出第一台以燃料电池为动力的车辆。直到20世纪90年代，一种廉价的，清洁的，可再生的能源最终变成了事实。这技术上的突破包括加拿大公司Ballard在1993年推出的第一辆以燃料电池为动力的车辆。二年后， Ballard和Daimler Benz公司都生产出每升1 kW的燃料电池组。
　　在未来的几十年中，鉴于人们对耗竭现有库存自然资源的担心，以及愈来愈多的人意识到大量焚烧矿物燃料对环境的破坏，必将促使燃料电池在移动和静态能源的发展。19世纪所显露的科学上的奇特事例将成为21世纪以及以后年代的能源。
二、燃料电池的种类
1、质子交换膜燃料电池（PEMFC）
　质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：1)电催化剂；2)电极（阴极与阳极）；3）质子交换膜；4）双极板。工作时，氢在阳极被转变成氢离子的同时释放出电子，电子通过外电路回到电池阴极，与此同时，氢离子则通过电池内部高分子膜电解质到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，和氢离子结合生成水。
质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。
2、 碱性燃料电池（AFC）
碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池的设计相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质，且电化学反应也与羟基（OH）从阴极移动到阳极与氢反应生成水和电子略有不同。这些电子是用来为外部电路提供能量，然后才回到阴极与氧和水反应生成更多的羟基离子。
碱性燃料电池的工作温度与质子交换膜燃料电池的工作温度相似，大约80℃。因此，它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得相当笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的一种电池，因此可用于小型的固定发电装置。
3、磷酸燃料电池（PAFC）
磷酸燃料电池是当前商业化发展得最快的一种燃料电池。这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，位于150 - 200℃左右，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。
　　磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。虽然磷酸燃料电池具有上述缺点，它们也拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池是乎将来也不会用于私人车辆。　　
4、溶化的碳酸盐燃料电池
溶化的碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池不是使用溶化的锂钾碳酸盐就是使用锂钠碳酸盐作为电解质。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。
这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。 　　
5、固态氧化物燃料电池（SOFC）
　 固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于800-1000℃之间。在这种燃料电池中，当氧阳向离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）使便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。
固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车辆提供备用动力的潜力。
6、直接甲醇燃料电池（DMFC）
　　直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢然后再与氧反应。
　　这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%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。直接甲醇燃料电池使用的技术仍处于其发展的早期，但已成功地显示出可以用作移动电话和膝上型电脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力。　
三、燃料电池反应的书写
1、书写规律
①先写出燃料电池的总反应：通常与物质的燃烧反应相似
②判断燃料电池正负极，并标明得失电子：还原剂为负极，氧化剂为正极
③根据溶液属性（通常指酸碱性）确定电极反应的其他物质
注：若电解质溶液为酸性，则H+移向正极，正极得到H+，负极生成H+
若电解质溶液为碱性，则OH-移向负极，负极得到OH-，正极生成OH-
④根据原子守恒及电荷守恒进行配平
⑤检查是否正确：正负极方程式叠加为总反应方程式
2、 书写练习

例① 氢氧燃料电池：负极通入H2，正极通入 O2，
答案：总反应为：2H2 + O2 === 2H2O
a、电解质是KOH溶液（碱性电解质）
负极的电极反应式为：H2 – 2e- + 2OH- === 2H2O；
正极的电极反应式为：O2 + H2O + 4e- === 4OH- 。
b、电解质是H2SO4溶液（酸性电解质）
负极的电极反应式为：H2-2e- === 2H+
正极的电极反应式为：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O

例②甲醇燃料电池
答案：总反应式：2CH4O + 3O2 +4KOH=== 2K2CO3 + 6H2O

a、 碱性电解质（KOH溶液为例）
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
b、酸性电解质（H2SO4溶液为例）
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

例③甲烷燃料电池以多孔镍板为两极,电解质溶液为KOH
答案：生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，
所以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2 === K2CO3 + 3H2O。
负极发生的反应：CH4 – 8e- + 8OH- ==CO2 + 6H2O CO2 + 2OH- == CO32- + H2O，
所以：负极的电极反应式为：CH4 + 10 OH- + 8e- === CO32- + 7H2O
正极的电极反应式为：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-

四、 燃料电池应用及练习
1、阿波罗号宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池，其电池反应为：2H2＋O2＝2H2O ，电解质溶液为KOH溶液，反应保持在较高温度，使H2O蒸发，则下列叙述中正确的是
A．此电池能发生蓝色火焰 B．H2为正极，O2为负极
C．工作时，电解质溶液的PH不断减小
D．电极反应为负极：2H2＋4 OH――4e－＝4 H2O；正极：O2＋2 H2O＋4e－＝4 OH－

2、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体，电解质是掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料的说法正确的是
A. 在熔融电解质中，O2－由负极移向正极
B. 电池的总反应是：2C4H10＋13O2→8CO2＋10H2O
C. 通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e－＝2O2－
D. 通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10 ＋26 e－＋13 O2－＝4 CO2 ↑＋5 H2O

3、右图是批量生产的笔记本电脑所用甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子(H+)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH+3O2====2CO2+4H2O。下列说法正确的是
A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇
B．右电极为电池的负极，b处通入的物质是空气
C．负极反应式为：CH3OH+H2O-6e-====CO2+6H+
D．正极反应式为：O2+2H2O+4e-====4OH—

本次课后作业：
1、熟练记忆燃料电池的书写规律，并能运用规律书写常见的燃料电池
2、五年高考三年模拟燃料电池相关高考原题
学生对于本次课的评价：
○ 特别满意 ○ 满意 ○ 一般 ○ 差
学生签字：
教师评定：
1、 学生上次作业评价： ○ 好 ○ 较好 ○ 一般 ○ 差
2、 学生本次上课情况评价： ○ 好 ○ 较好 ○ 一般 ○ 差
教师签字：

龙文学校教务处
教导主任签字： ___________