第3課時(shí)常見化學(xué)電源(二)——形形色色的燃料電池[核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)]1.了解常見的氫氧燃料電池的種類，能正確書寫電極反應(yīng)式。2.了解氣體燃料電池的工作原理。一、常見氫氧燃料電池的種類及工作原理1.燃料電池的概念燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源。2.燃料電池的特點(diǎn)(1)工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給并在電極上進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排出。(2)能量轉(zhuǎn)換率高(>80%)，排放的廢棄物少。3.氫氧燃料電池(1)基本構(gòu)造(2)工作原理酸性電解質(zhì)(H2SO4)堿性電解質(zhì)(KOH)負(fù)極反應(yīng)H2-2e-=2H+H2-2e-+2OH-=2H2O正極反應(yīng)O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-總反應(yīng)2H2+O2=2H2O1.燃料電池是目前電池研究的熱點(diǎn)之一。某課外小組自制的氫氧燃料電池如圖所示，a、b均為惰性電極。(1)負(fù)極是(填“a”或“b”)。

(2)b極發(fā)生的電極反應(yīng)式是。

(3)標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗11.2LH2時(shí)，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為。

答案(1)a(2)O2+2H2O+4e-=4OH-(3)6.02×1023(或NA)解析(1)氫氧燃料電池中，通入氫氣的一極為負(fù)極，則a為負(fù)極。(2)b電極上，O2得電子結(jié)合水生成氫氧根離子，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-。(3)該原電池負(fù)極反應(yīng)為H2-2e-+2OH-=2H2O，標(biāo)準(zhǔn)狀況下消耗11.2LH2，則轉(zhuǎn)移電子數(shù)為6.02×1023。2.下面為3種燃料電池的工作原理示意圖。(1)A中，電池內(nèi)部傳導(dǎo)的離子是，負(fù)極的電極反應(yīng)式為。

(2)B中，電池內(nèi)部傳導(dǎo)的離子是，正極的電極反應(yīng)式為。

(3)C中，電池內(nèi)部傳導(dǎo)的離子是，正極的電極反應(yīng)式為。

答案(1)O2-H2-2e-+O2-=H2O(2)H+O2+4e-+4H+=2H2O(3)CO32-O2+4e-+2CO2二、其他新型燃料電池1.甲烷燃料電池成本遠(yuǎn)低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池。(1)在酸性介質(zhì)中負(fù)極反應(yīng)式：；

正極反應(yīng)式：；

總反應(yīng)式：。

答案CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+O2+4H++4e-=2H2OCH4+2O2=CO2+2H2O(2)在堿性(KOH溶液)介質(zhì)中負(fù)極反應(yīng)式：；

正極反應(yīng)式：；

總反應(yīng)式：。

答案CH4+10OH--8e-=CO32-+7HO2+2H2O+4e-=4OH-CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H在酸性介質(zhì)和堿性介質(zhì)中甲烷燃料電池的總反應(yīng)不同，酸性條件下，+4價(jià)碳元素全部轉(zhuǎn)化為CO2，堿性條件下，+4價(jià)碳元素全部轉(zhuǎn)化為CO32.一種固體電解質(zhì)燃料電池的構(gòu)造如圖所示。該電池以稀土金屬材料作電極，兩極上分別通入CH4和空氣，其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2固體，它在高溫下能傳導(dǎo)O2-。負(fù)極反應(yīng)式：；

正極反應(yīng)式：；

總反應(yīng)式：。

答案CH4+4O2--8e-=CO2+2H2OO2+4e-=2O2-CH4+2O2=CO2+2H2O3.一種熔融碳酸鹽燃料電池工作原理如圖所示。(1)電池工作時(shí)，外電路上電流的方向應(yīng)從電極(填“A”或“B”，下同)流向用電器。

(2)CO32-向電極(3)電極A上CO參與的電極反應(yīng)為。

答案(1)B(2)A(3)CO-2e-+CO32-燃料電池電極反應(yīng)式書寫的方法第一步：寫出燃料電池反應(yīng)的總反應(yīng)式燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)，則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式正極一般為氧氣得電子，介質(zhì)不同時(shí)其電極反應(yīng)式有所不同，如：酸性電解質(zhì)溶液：O2+4H++4e-=2H2O；堿性電解質(zhì)溶液：O2+2H2O+4e-=4OH-；固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)：O2+4e-=2O2-；熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)：O2+2CO2+4e-=2CO3第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，寫出負(fù)極反應(yīng)式。電池反應(yīng)的總反應(yīng)式-電池正極反應(yīng)式=電池負(fù)極反應(yīng)式。因?yàn)镺2不是負(fù)極反應(yīng)物，因此兩個(gè)反應(yīng)式相減時(shí)要徹底消除O2。1.甲醇是重要的工業(yè)原料，利用甲醇設(shè)計(jì)的燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，該電池的電解質(zhì)溶液為H2SO4溶液。下列說法正確的是()A.負(fù)極區(qū)溶液的pH減小B.溶液中SO4C.正極反應(yīng)式為2H++2e-=H2↑D.該電池工作時(shí)，消耗1molCH3OH的同時(shí)生成11.2LCO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)答案A解析酸性甲醇燃料電池中，O2在正極發(fā)生還原反應(yīng)：O2+4H++4e-=2H2O，CH3OH在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)：CH3OH+H2O-6e-=CO2↑+6H+，負(fù)極生成H+，溶液pH減小，A正確、C錯(cuò)誤；原電池中陽離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，則溶液中SO42-向負(fù)極移動(dòng)，B錯(cuò)誤；由負(fù)極反應(yīng)式可知，消耗1molCH3OH的同時(shí)生成1molCO2，標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為22.4L，2.某學(xué)習(xí)小組以肼(N2H4)為原料設(shè)計(jì)了一種燃料電池，構(gòu)造如圖所示。其中兩個(gè)電極均為鉑電極，電池的總反應(yīng)方程式為N2H4+O2=N2+2H2O。下列說法錯(cuò)誤的是()A.通入N2H4的一極是電池的負(fù)極B.通入O2的電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-C.電池工作一段時(shí)間后電解質(zhì)溶液的pH將變大D.若消耗16gN2H4，則理論上轉(zhuǎn)移2mol電子答案C解析通入O2的電極為正極，O2得電子與水反應(yīng)生成OH-，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-，B正確；電池工作時(shí)，總反應(yīng)方程式為N2H4+O2=N2+2H2O，一段時(shí)間后電解質(zhì)溶液中OH-的物質(zhì)的量不變，但水的質(zhì)量增加，則c(OH-)減小，pH將變小，C錯(cuò)誤；由總反應(yīng)式可建立如下關(guān)系式：N2H4~4e-，若消耗16gN2H4，則理論上轉(zhuǎn)移16g32g·mol-1×4=23.(2025·重慶高二期末)熱電廠尾氣經(jīng)處理得到較純的SO2，可用于原電池法生產(chǎn)硫酸。下列說法不正確的是()A.電極b周圍溶液pH變大B.溶液中H+由a極區(qū)向b極區(qū)遷移C.電極a的電極反應(yīng)式是SO2-2e-+2H2O=4H++SOD.一段時(shí)間后，a極消耗的SO2與b極消耗的O2物質(zhì)的量相等答案D解析電極b為正極，電極反應(yīng)為4H++O2+4e-=2H2O，電極b周圍溶液pH變大，左側(cè)區(qū)域產(chǎn)生的H+經(jīng)過陽離子交換膜進(jìn)入右側(cè)區(qū)域，A、B正確；電極a作負(fù)極，電極反應(yīng)式為SO2-2e-+2H2O=4H++SO42-，C正確；根據(jù)得失電子總數(shù)相等可知，一段時(shí)間后，a極消耗的SO2的物質(zhì)的量是b極消耗的O2的2倍，課時(shí)對(duì)點(diǎn)練[分值：100分][1~7題，每小題7分]題組一氫氧燃料電池1.氫氧燃料電池可以應(yīng)用在宇宙飛船上，下列說法正確的是()A.電池負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)B.電池可以連續(xù)使用C.正極附近溶液的pH減小D.消耗5.6L氫氣時(shí)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為0.5NA答案B解析電池負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，A錯(cuò)誤；在氫氧燃料電池中，由于燃料及氧化劑在裝置外，可以不斷補(bǔ)充，因此該電池能夠連續(xù)使用，B正確；正極附近溶液的pH增大，C錯(cuò)誤；未說明H2所處的外界條件，因此不能根據(jù)其體積大小確定其物質(zhì)的量，也就不能計(jì)算反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目，D錯(cuò)誤。2.第16屆海南國(guó)際車展上展出了中國(guó)研制的新型燃料電池汽車，該車裝有“綠色心臟”——質(zhì)子交換膜燃料電池。某種質(zhì)子交換膜燃料電池如圖所示。下列說法正確的是()A.該電池的a極發(fā)生氧化反應(yīng)B.正極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O=4OH-C.質(zhì)子(H+)通過質(zhì)子交換膜移動(dòng)到a極D.該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)到100%答案A解析該電池的a極上氫氣失電子生成氫離子，發(fā)生氧化反應(yīng)，故A正確；電解質(zhì)溶液呈酸性，正極反應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O，故B錯(cuò)誤；在原電池中陽離子向正極移動(dòng)，即氫離子通過質(zhì)子交換膜移動(dòng)到正極b，故C錯(cuò)誤；電池中存在化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的能量轉(zhuǎn)化，則化學(xué)能不可能100%轉(zhuǎn)化為電能，故D錯(cuò)誤。題組二其他無機(jī)還原劑燃料電池3.NH3?O2燃料電池裝置如圖所示，下列說法錯(cuò)誤的是()A.電池工作時(shí)，O2得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)B.電極b上的電極反應(yīng)式為2NH3+6OH--6e-=N2+6H2OC.燃料電池能量之間的轉(zhuǎn)化是由電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能D.電池工作時(shí)，溶液中的Na+向電極a遷移答案C解析電極b上氨氣中氮元素失去電子，生成氮?dú)?，電解液為NaOH溶液，電極反應(yīng)為2NH3+6OH--6e-=N2+6H2O，故B正確；燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，C項(xiàng)錯(cuò)誤；原電池工作時(shí)，陽離子移向正極，故Na+向電極a移動(dòng)，故D正確。4.某新型燃料電池利用民用燃?xì)鉃槿剂?，其工作原理如圖所示，下列說法錯(cuò)誤的是()A.通入空氣的電極為該電池的正極B.電池工作時(shí)，電子由b極經(jīng)電解質(zhì)流向a極C.CO在b極的反應(yīng)式為CO-2e-+O2-=CO2D.相同狀況下a極消耗1LO2，理論上b極消耗2L燃料答案B解析燃料電池中，通入空氣的電極為該電池的正極，A正確；電池工作時(shí)，電子由b極經(jīng)外電路流向a極，B錯(cuò)誤；CO在b極被氧化為CO2，電極反應(yīng)式為CO-2e-+O2-=CO2，C正確；H2、CO與O2發(fā)生反應(yīng)生成H2O、CO2時(shí)，化學(xué)計(jì)量數(shù)之比均為2∶1，因此相同狀況下a極消耗1LO2的同時(shí)，理論上b極消耗2L燃料，D正確。5.以N2和H2為反應(yīng)物、溶有A的稀鹽酸為電解質(zhì)溶液，可制成能固氮的新型燃料電池，原理如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是()A.b電極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)B.a電極發(fā)生的反應(yīng)為N2+8H++6e-=2NHC.A溶液中所含溶質(zhì)為NH4ClD.當(dāng)反應(yīng)消耗1molN2時(shí)，則消耗的H2為67.2L答案D解析A項(xiàng)，此電池總反應(yīng)式是N2+3H2+2HCl=2NH4Cl，氫氣中的氫元素的化合價(jià)升高，根據(jù)原電池的工作原理，負(fù)極失去電子，化合價(jià)升高，因此b極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，正確；B項(xiàng)，酸性環(huán)境下a極反應(yīng)式為N2+8H++6e-=2NH4+，正確；C項(xiàng)，根據(jù)選項(xiàng)A中總反應(yīng)式知，分離出的A為NH4Cl，正確；題組三有機(jī)化合物燃料電池6.(2024·河北保定聯(lián)考)在石油化工生產(chǎn)中，丁烷(C4H10)是一種重要的化工原料。丁烷的燃料電池工作原理如圖所示，下列說法正確的是()A.M電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B.R電極上的電極反應(yīng)為C4H10-26e-+13O2-=4CO2+5H2OC.該電池工作時(shí)，每轉(zhuǎn)移0.4mol電子，此時(shí)消耗O2的質(zhì)量為1.6gD.該電池工作時(shí)，外電路中電子的移動(dòng)方向?yàn)镸電極→燈泡→R電極答案B解析燃料電池中，通入空氣的一極為正極，即M電極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，R電極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，A錯(cuò)誤；1molC4H10參加反應(yīng)失去26mol電子，發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2和H2O，B正確；O2~4e-，當(dāng)有0.4mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，消耗0.1molO2，質(zhì)量為3.2g，C錯(cuò)誤；外電路中電子的移動(dòng)方向?yàn)镽電極→燈泡→M電極，D錯(cuò)誤。7.(2024·石家莊月考)一種液態(tài)肼(N2H4)燃料電池被廣泛應(yīng)用于發(fā)射通信衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)彈等的運(yùn)載火箭中。該燃料電池以固體氧化物為電解質(zhì)，生成物為無毒無害的物質(zhì)。下列有關(guān)該電池的說法正確的是()A.電子沿電極a→用電器→電極b→電解質(zhì)→電極a流動(dòng)B.電極a上的電極反應(yīng)式為N2H4+2O2-+4e-=N2+2H2OC.當(dāng)電極a上消耗1molN2H4時(shí)，電極b上被氧化的O2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積約為22.4LD.該電池常溫下不能工作答案D解析燃料電池工作時(shí)，電子不能經(jīng)過電解質(zhì)，A錯(cuò)誤；由題圖可知，通入N2H4的一極為負(fù)極，在氧離子參與下，N2H4在負(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，B錯(cuò)誤；通入O2的一極為正極，電極反應(yīng)式為O2+4e-=2O2-，電池總反應(yīng)為N2H4+O2=N2+2H2O，當(dāng)電極a上消耗1molN2H4時(shí)，電極b上有1molO2被還原，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積約為22.4L，C錯(cuò)誤；該燃料電池以固體氧化物為電解質(zhì)，需要高溫條件，故該電池在常溫下不能工作，D正確。[8~12題，每小題7分]8.新型NaBH4/H2O2燃料電池(DBFC)的結(jié)構(gòu)如圖，該電池總反應(yīng)為NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O。下列有關(guān)說法正確的是()A.電池正極區(qū)的電極反應(yīng)為BH4-+8OH--8e-=BO2B.電極B為負(fù)極，MnO2層的作用是提高原電池的工作效率C.燃料電池每消耗3molH2O2，理論上電路中通過的電子數(shù)為6NAD.燃料電池在放電過程中，Na+從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移答案C解析電池總反應(yīng)為NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O，結(jié)合圖示，電極A反應(yīng)為BH4--8e-+8OH-=BO2-+6H2O，電極A為負(fù)極，A錯(cuò)誤；電極B反應(yīng)式為H2O2+2e-=2OH-，電極B為正極，B錯(cuò)誤；反應(yīng)中H2O2中O元素的化合價(jià)由-1價(jià)降低為-2價(jià)，每消耗3molH2O2，理論上電路中通過電子的物質(zhì)的量為6mol，數(shù)目為6NA，C9.直接煤?空氣燃料電池原理如圖所示，下列說法錯(cuò)誤的是()A.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧化物電解質(zhì)的量不斷減少B.負(fù)極的電極反應(yīng)式為C+2CO32--4e-C.電極X為負(fù)極，O2-向X極遷移D.直接煤?空氣燃料電池的能量效率比煤燃燒發(fā)電的能量效率高答案A解析由原理圖分析可知，其負(fù)極反應(yīng)式為C+2CO32--4e-=3CO2，故B正確；原電池內(nèi)部的陰離子向負(fù)極移動(dòng)，故C正確；直接煤?空氣燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而煤燃燒發(fā)電是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為電能，故10.我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)的一種甲酸(HCOOH)燃料電池如圖所示(半透膜只允許K+、H+通過)，下列說法錯(cuò)誤的是()A.物質(zhì)A可以是硫酸氫鉀B.左側(cè)為電池負(fù)極，HCOO-發(fā)生氧化反應(yīng)生成HCOC.該燃料電池的總反應(yīng)為2HCOOH+O2+2OH-=2HCO3-+2HD.右側(cè)每消耗11.2LO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，左側(cè)有1molK+通過半透膜移向右側(cè)答案D解析HCOOH堿性燃料電池中，左側(cè)電極HCOO-失去電子生成HCO3-，所在電極為負(fù)極，電極反應(yīng)式為HCOO-+2OH--2e-=HCO3-+H2O，B正確；由圖可知，原電池工作時(shí)K+通過半透膜移向正極(右側(cè))，右側(cè)電極反應(yīng)為Fe3++e-=Fe2+，從裝置中分離出的物質(zhì)為K2SO4，放電過程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A是H2SO4或硫酸氫鉀，A正確；右側(cè)每消耗11.2LO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，其物質(zhì)的量是0.5mol，轉(zhuǎn)移2mol電子，左側(cè)有2molK11.內(nèi)重整碳酸鹽燃料電池(熔融Li2CO3和K2CO3為電解質(zhì))的工作原理如圖所示，下列說法不正確的是()A.常溫下，1mol甲烷參加反應(yīng)正極需要通入2molO2B.以甲烷為燃料氣時(shí)，負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2HC.該電池使用過程中需補(bǔ)充COD.空氣極發(fā)生的電極反應(yīng)式為O2+4e-+2CO2=2CO答案C解析常溫下，負(fù)極反應(yīng)式：CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O，1mol甲烷參加反應(yīng)，轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為8mol，正極反應(yīng)式：O2+4e-+2CO2=2CO32-，需要通入2molO2，故A、B、D正確；總反應(yīng)為燃料和氧氣反應(yīng)，所以使用過程中不需補(bǔ)充C12.某化工實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種新型雙微生物燃料電池裝置，能夠同時(shí)消除養(yǎng)殖場(chǎng)含氮污水和化工廠含醛類廢水，工作原理如圖所示。下列說法正確的是()A.電池工作時(shí)，電子由a極經(jīng)導(dǎo)線流向b極，H+由b極經(jīng)質(zhì)子交換膜流向a極B.a極的電極反應(yīng)式為C6H5CHO+13H2O+32e-=7CO2↑+32H+C.a極消耗的C6H5CHO和b極消耗的NO3-的物質(zhì)的量之比為D.該電池裝置在加熱條件下工作效率會(huì)更高答案C解析在電極b硝酸根離子中氮元素化合價(jià)由+5價(jià)降低為0價(jià)，則該電極為正極，電極a為負(fù)極，電子由a極經(jīng)導(dǎo)線流向b極，H+移向正極，即b電極，A錯(cuò)誤；a極為負(fù)極，電極反應(yīng)式為C6H5CHO+13H2O-32e-=7CO2↑+32H+，B錯(cuò)誤；b電極為正極，1個(gè)硝酸根離子轉(zhuǎn)移5個(gè)電子，a電極1個(gè)C6H5CHO轉(zhuǎn)移32個(gè)電子，根據(jù)兩個(gè)電極轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等得到a極消耗的C6H5CHO和b極消耗的NO3-13.(4分)一氧化氮?空氣質(zhì)子交換膜燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能