資源簡介

(共43張PPT)
第8講
燃料電池
2025：基于主題教學的高考化學專題復習系列講座
2025
重溫經(jīng)典
模型建構(gòu)
名師導學
2025
知識重構(gòu)
2024浙江卷-19題 氫氣燃料電池-熔融碳酸鹽 ：正極電極反應式書寫、化學能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率
2024甘肅卷-3題 燃料電池的用途
2024年——燃料電池考向考點統(tǒng)計
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1、定義
燃料電池（Fuel cell），是一種不經(jīng)過燃燒，將燃料化學能經(jīng)過電化學反應直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它和其它電池中的氧化還原反應一樣，都是自發(fā)的化學反應，不會發(fā)出火焰，其化學能可以直接轉(zhuǎn)化為電能，且廢物排放量很低。其中燃料電池電化學反應的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同
2、燃料電池的電極
燃料電池的兩極材料都是用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等兼有催化劑特性的惰性金屬，兩電極的材料相同。
燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應。
3.燃料電池的電解質(zhì)
不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。
在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應式就有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應式時要特別注意電解質(zhì)的種類。
4、燃料電池的工作原理
以氫氧燃料電池為例，其工作原理是：氫氣（可燃物）從負極處失去電子（燃料被氧化掉），這些電子從外電路流到正極；同時，余下的陽離子（氫離子）通過電解液被送到正極。在正極，離子與氧氣發(fā)生反應并從負極獲得電子。
5.燃料電池的優(yōu)點
⑴燃料電池是把化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過熱能這一種中間形式，所以它的電效率比其它任何形式的發(fā)電技術(shù)的電效率都高。
⑵燃料電池的廢物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大減少了對環(huán)境的污染。
⑶燃料電池中無運動部件，工作時很安靜且無機械磨損。
燃料電池是一種新型無污染、無噪音、高效率的汽車動力和發(fā)電設(shè)備，其投入使用可有效的解決能源危機、污染問題，是繼水力、火力、核能發(fā)電后的第四類發(fā)電——化學能發(fā)電，被稱為二十一世紀的“綠色電源”。
6.燃料電池電極反應式的書寫
在中學階段，掌握燃料電池的工作原理和電極反應式的書寫是十分重要的。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應式的書寫也同樣是有規(guī)律可循的。書寫燃料電池電極反應式一般分為三步：
第一步，先寫出燃料電池的總反應方程式；
第二步，再寫出燃料電池的正極反應式；
第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應式減去正極反應式即得到負極反應式。下面對書寫燃料電池電極反應式“三步法”具體作一下解釋。
6.燃料電池電極反應式的書寫
一、燃料電池總反應方程式的書寫
因為燃料電池發(fā)生電化學反應的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應寫出燃料電池的總反應方程式，但要注意燃料的種類。
若是氫氧燃料電池，其電池總反應方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。
若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。
6.燃料電池電極反應式的書寫
二、燃料電池正極反應式的書寫
因為燃料電池正極反應物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應，所以可先寫出正極反應式，正極反應的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步。現(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。
6.燃料電池電極反應式的書寫
（1）電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）
在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應式為O2＋4H++4e-=2H2O。
（2）電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）
在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應式為O2＋2H2O +4e-=4OH-。
6.燃料電池電極反應式的書寫
（3）電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如Li2CO3和Na2CO3熔融鹽混和物）
在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在， O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應式為O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。
（4）電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯—氧化釔）
該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應式應為O2＋4e-=2O2-。
綜上所述，燃料電池正極反應式本質(zhì)都是O2＋4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應式時，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。
6.燃料電池電極反應式的書寫
燃料電池負極反應式的書寫
燃料電池負極反應物種類比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負極反應式相當困難。一般燃料電池的負極反應式都是采用間接方法書寫，即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應式和正極反應式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應式減去正極反應式即得負極反應式。
7.解答燃料電池題目的思維模型
8.解答燃料電池題目的幾個關(guān)鍵點
①要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。
②通入負極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。
③通過介質(zhì)中離子的移動方向，可判斷電池的正負極，同時考慮該離子參與靠近一極的電極反應。
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2025
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二、重溫經(jīng)典
解析
（2024 6月·浙江高考真題）
氫能的高效利用途徑之一是在燃料電池中產(chǎn)生電能。某研究小組的自制熔融碳酸鹽燃料電池工作原理如圖2所示，正極上的電極反應式是_______。該電池以恒定電流工作14分鐘，消耗體積為，故可測得該電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率為_______。[已知：該條件下的摩爾體積為24.5L/mol；電荷量q(C)=電流I(A)×時間(s)；NA=6.0×1023mol-1；e=1.60×10-19C。]
【答案】
O2+4e-+2CO2= 2 ;70%
二、重溫經(jīng)典
（2024·湖南真題）
近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，下列說法錯誤的是
A. 理想的新能源應具有資源豐富、可再生、對環(huán)境無污染等特點
B. 氫氧燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化率高、清潔等優(yōu)點
C. 鋰離子電池放電時鋰離子從負極脫嵌，充電時鋰離子從正極脫嵌
D. 太陽能電池是一種將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置
解析
【答案】D
A．理想的新能源應具有可再生、無污染等特點，故A正確；
B．氫氧燃料電池利用原電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能，對氫氣與氧氣反應的能量進行利用，減小了直接燃燒的熱量散失，產(chǎn)物無污染，故具有能量轉(zhuǎn)化率高、清潔等優(yōu)點，B正確；
C．脫嵌是鋰從電極材料中出來的過程，放電時，負極材料產(chǎn)生鋰離子，則鋰離子在負極脫嵌，則充電時，鋰離子在陽極脫嵌，C正確；
D．太陽能電池是一種將太陽能能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，D錯誤；
二、重溫經(jīng)典
（2024·甘肅真題）
解析
【答案】D
化學與生活息息相關(guān)，下列對應關(guān)系錯誤的是
物質(zhì) 性質(zhì) 用途
A 次氯酸鈉 氧化性 衣物漂白
B 氫氣 可燃性 制作燃料電池
C 聚乳酸 生物可降解性 制作一次性餐具
D 活性炭 吸附性 分解室內(nèi)甲醛
D．活性炭有吸附性，能夠有效吸附空氣中的有害氣體、去除異味，但無法分解甲醛，D錯誤；
（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是
A．放電過程中，K+均向負極移動
B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小
C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2L
電池性能
離子移動方向
電解質(zhì)溶液的變化
依據(jù)電子守恒的計算
【答案】C
（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是
A．放電過程中，K+均向負極移動
B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小
C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2L
堿性環(huán)境下，甲醇燃料電池總反應為：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清潔燃料電池總反應為：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價均為-2價，H元素化合價為+1價，所以根據(jù)氧化還原反應原理可推知其燃料電池的總反應為：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O
（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是
A．放電過程中，K+均向負極移動
B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小
A．放電過程為原電池工作原理，所以鉀離子均向正極移動，A錯誤；
B．根據(jù)上述分析可知，N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮氣和水，其總反應中未消耗KOH，所以KOH的物質(zhì)的量不變，其他兩種燃料電池根據(jù)總反應可知，KOH的物質(zhì)的量減小，B錯誤；
（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是
C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2L
C．理論放電量與燃料的物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)移電子數(shù)有關(guān)，設(shè)消耗燃料的質(zhì)量均為mg，則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量（物質(zhì)的量表達式）分別是：
通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大，C正確；
D． 根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒和總反應式可知，消耗1molO2生成的氮氣的物質(zhì)的量為1mol，在標準狀況下為22.4L，D錯誤；【答案】C
（2024·江蘇泰州·模擬預測）如圖甲乙兩個裝置相連，甲池是一種常見的氫氧燃料電池裝置，乙池內(nèi)，D中通入10mol混合氣體，其中苯的物質(zhì)的量分數(shù)為20%（其余氣體不參與反應），一段時間后，C處出來的氣體中含苯的物質(zhì)的量分數(shù)為10%（不含）H2，該條件下苯、環(huán)己烷都為氣態(tài)），下列說法不正確的是
A．導線中共傳導6mol電子
B．甲池中H+由G極移向F極，乙池中H+由多孔惰性電極移向惰性電極
C．甲池中A處通入O2，乙池中E處有O2放出，但體積不同（標準狀況下測定）
D．乙池中左側(cè)惰性電極上發(fā)生反應：
【答案】C
（2024·江蘇泰州·模擬預測）如圖甲乙兩個裝置相連，甲池是一種常見的氫氧燃料電池裝置，乙池內(nèi)，D中通入10mol混合氣體，其中苯的物質(zhì)的量分數(shù)為20%（其余氣體不參與反應），一段時間后，C處出來的氣體中含苯的物質(zhì)的量分數(shù)為10%（不含）H2，該條件下苯、環(huán)己烷都為氣態(tài)），下列說法不正確的是
A．10mol含20%苯的混合氣體，經(jīng)過電解生成10mol含苯10%的混合氣體，則被還原的苯的物質(zhì)的量為10mol×(20%-10%)=1mol，由電極方程式得轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為6mol，A正確；
B．原電池中陽離子向正極移動，F(xiàn)極為正極，故甲池中H+由G極移向F極，電解池中，陽離子向陰極移動，惰性電極為陰極，故乙池中H+由多孔惰性電極移向惰性電極，B正確；
（2024·江蘇泰州·模擬預測）如圖甲乙兩個裝置相連，甲池是一種常見的氫氧燃料電池裝置，乙池內(nèi)，D中通入10mol混合氣體，其中苯的物質(zhì)的量分數(shù)為20%（其余氣體不參與反應），一段時間后，C處出來的氣體中含苯的物質(zhì)的量分數(shù)為10%（不含）H2，該條件下苯、環(huán)己烷都為氣態(tài)），下列說法不正確的是
C．由于電子轉(zhuǎn)移守恒，故A處通入的氧氣和E處生成的氧氣的物質(zhì)的量相等，故體積也相等，C錯誤；
D．乙池中，惰性電極處苯得到電子，被還原為環(huán)己烷，電極方程式為：
，D正確；
（2024·黑龍江齊齊哈爾·三模）一種—空氣酸性燃料電池的工作原理如圖所示。該電池工作時，下列說法正確的是
A：H+通過質(zhì)子交換膜從右側(cè)向左側(cè)多孔石墨棒移動
B：若產(chǎn)生1molHNO3，則理論上需通入11.2L（標準狀況）O2
C：負極的電極反應式為
D：電子的流動方向為從負極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向正極
【答案】C
（2024·黑龍江齊齊哈爾·三模）一種—空氣酸性燃料電池的工作原理如圖所示。該電池工作時，下列說法正確的是
A．在原電池中，陽離子向正極移動，所以H+通過質(zhì)子交換膜從左側(cè)向右側(cè)多孔石墨棒移動，A錯誤；
B．根據(jù)關(guān)系式 可知 ，若產(chǎn)生1molHNO3，則理論上需通入0.75molO2，即需通入16.8L（標準狀況）O2，B錯誤；
D．原電池中電子從負極經(jīng)導線流向正極，電子不能進入溶液，D錯誤；
故選：C。
C．NO在負極放電，負極的電極反應式為
，C正確；
（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是
A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時
還可提供電能
B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應
H2+2MV2+=2H++2MV+
C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3
D．電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
【答案】B
（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是
A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時
還可提供電能
A項，相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法選用酶作催化劑，條件溫和，同時利用MV+和MV2+的相互轉(zhuǎn)化，化學能轉(zhuǎn)化為電能，故可提供電能，故A正確；
（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是
B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應
H2+2MV2+=2H++2MV+
B項，左室為負極區(qū)，MV+在負極失電子發(fā)生氧化反應生成MV2+，電極反應式為MV+—e-= MV2+，放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應生成H+和MV+，反應的方程式為H2+2MV2+=2H++2MV+，故B錯誤；
（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是
C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3
D．電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
C項，右室為正極區(qū)，MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應生成MV+，電極反應式為MV2++e-= MV+，放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2+，故C正確；
D項，電池工作時，氫離子(即質(zhì)子)通過交換膜由負極向正極移動，故D正確。
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解答燃料電池題目的思維模型
高頻考點
1.電極反應
2.微粒濃度變化
2.電化學計算
4.離子移動方向
5.電極判斷
微生物燃料電池電極反應式書寫
微生物燃料電池基本工作原理是：在陽極室厭氧環(huán)境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。
微生物燃料電池電極反應式書寫
有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰極，與電子受體(氧氣)反應生成水。其陽極和陰極反應式如下所示：
陽極反應：(CH2O)n＋nH2O ＝nCO2＋4ne-＋4nH+
陰極反應：4e-＋O2＋4H+ ＝2H2O
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燃料電池中國發(fā)展狀況
在中國的燃料電池研究始于1958年，70年代在航天事業(yè)的推動下，中國燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國科學院大連化學物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級AFC）均通過了例行的航天環(huán)境模擬試驗。1990年中國科學院長春應用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務，1993年開始進行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個單電池組成的MCFC原理性電池
但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來看，與發(fā)達國家尚有較大差距。我國有關(guān)部門和專家對燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學會議上對中國燃料電池技術(shù)的發(fā)展進行了專題討論，強調(diào)了自主研究與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國加強了在PEMFC方面的研究力度
燃料電池國際發(fā)展狀況
在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以奮起直追的勢頭快步進入工業(yè)化規(guī)模應用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。第8講 燃料電池 練習
1．(2024屆·河北省唐山市高三摸底考試)以甲烷燃料電池為電源電解NaB(OH)4溶液制備H3BO3的工作原理如圖所示，下列敘述錯誤的是( )
A．燃料電池通入氧氣的電極接電解池的Y電極
B．N室中：a%＜b%
C．膜I、III為陽離子交換膜，膜II為陰離子交換膜
D．理論上每生成1mol產(chǎn)品，需消耗甲烷的體積為(標況)
2.（2024·遼寧·校聯(lián)考二模）微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖 I 所示，并利用此電能模擬氯堿工業(yè)電解飽和食鹽水，如圖 II所示，下列說法正確的是
A．電池工作時，電子由 A極經(jīng)外電路流向 B極
B．電解池 I 中每生成 2mol 氯氣，理論上原電池 I 生成二氧化碳的體積是 22.4L
C．若 a 為碳電極、b 為鐵電極，b 應與 A 相連
D．該微生物燃料電池應在常溫下進行，不宜在高溫下進行
3．（2024·湖北武漢·二模）雙陰極微生物燃料電池處理含NH4廢水的工作原理如圖2所示，雙陰極通過的電流相等，廢水在電池中的運行模式如圖1所示，下列說法錯誤的是
A．I、Ⅲ為陰極室，Ⅱ為陽極室
B．離子交換膜為陽離子交換膜
C．Ⅲ室會發(fā)生反應
D．生成3.5gN2，理論上需要消耗10g O2
4．（2024·江蘇泰州·模擬預測）如圖甲乙兩個裝置相連，甲池是一種常見的氫氧燃料電池裝置，乙池內(nèi)，D中通入10 mol混合氣體，其中苯的物質(zhì)的量分數(shù)為20%（其余氣體不參與反應），一段時間后，C處出來的氣體中含苯的物質(zhì)的量分數(shù)為10%（不含）H2，該條件下苯、環(huán)己烷都為氣態(tài)），下列說法不正確的是
A．導線中共傳導6mol電子
B．甲池中H+由G極移向F極，乙池中H+由多孔惰性電極移向惰性電極
C．甲池中A處通入O2，乙池中E處有O2放出，但體積不同（標準狀況下測定）
D．乙池中左側(cè)惰性電極上發(fā)生反應：
5.（2024·河北秦皇島·一模）如圖所示，甲池的總反應式為N2H4＋O2===N2＋2H2O，下列關(guān)于該裝置工作時的說法正確的是(　　)
A．該裝置工作時，Ag電極上有氣體生成
B．甲池中負極反應式為N2H4－4e－===N2＋4H＋
C．甲池和乙池中溶液的pH均減小
D．當甲池中消耗3.2 g N2H4時，乙池中理論上最多產(chǎn)生6.4 g固體
6．（2024·河北·二模）科學家利用高溫固體氧化物燃料電池技術(shù)實現(xiàn)了廢氣資源回收，并得到單質(zhì)硫。該電池工作原理如圖所示，下列說法正確的是
A．電子從電極b流出
B．電極的電極反應為
C．該電池消耗轉(zhuǎn)化成的電能理論上小于其燃燒熱值
D．電路中每通過電子，則有流向電極a
7．(2022·山東省棗莊市一模)采用情性電極，設(shè)計雙陰極微生物燃料電池進行同步硝化和反硝化脫氮的裝置如圖所示，其中硝化過程中NH4+被O2氧化。下列說法正確的是( )
A．電極M和P均為燃料電池正極
B．P存在電極反應：NH4+-6e-+2H2O= NO2-+8H+
C．若乙室消耗1mol葡萄糖，則最多有24molH+進入甲室
D．若丙室消耗標準狀況下44.8LO2，則至少有1mol NH4+完全轉(zhuǎn)化為NO3-
8. 新型NaBH4/H2O2燃料電池總反應方程式為NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O。下列有關(guān)說法中正確的是
A. 電池正極區(qū)發(fā)生氧化反應
B. 電池工作時，將電能轉(zhuǎn)化為化學能
C. 電池工作時，H2O2得電子
D. 電池在工作過程中，Na+從正極區(qū)向負極區(qū)遷移
9．熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由多孔陶瓷NiO陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)(熔融堿金屬碳酸鹽)隔膜、多孔金屬Ni陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。工作時，該電池的陰極(正極)反應為O2+2CO2+4e-=2CO32-，下列有關(guān)說法中錯誤的是( )
A．該電池較高的工作溫度加快了陰、陽極的反應速率
B．該類電池的H2不能用CO、CH4等替代
C．該電池工作時，要避免H2、O2的接觸
D．放電時，陽極(負極)反應式為2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O
10．一種三室微生物燃料電池污水凈化系統(tǒng)的原理如圖所示，圖中含酚廢水中的有機物可用C6H5OH表示。下列說法不正確的是
A．左側(cè)電極為負極，苯酚發(fā)生氧化反應
B．左側(cè)離子交換膜為陰離子交換膜
C．右側(cè)電極的電極反應式：2NO3-+10e-+12H+=N2+6H2O
D．左右兩側(cè)電極附近溶液的pH均升高
11.(2015·全國卷Ⅰ，11)微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說法錯誤的是(　　)
A．正極反應中有CO2生成
B．微生物促進了反應中電子的轉(zhuǎn)移
C．質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)
D．電池總反應為C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
12.(2020 新課標Ⅲ卷，12)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如下圖所示，其中在VB2電極發(fā)生反應：VB2+16OH-－11e－= VO43-+2B(OH)4-+ 4H2O，該電池工作時，下列說法錯誤的是( )
A．負載通過0.04 mol電子時，有0.224 L(標準狀況)O2參與反應
B．正極區(qū)溶液的pH降低、負極區(qū)溶液的pH升高
C．電池總反應為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-
D．電流由復合碳電極經(jīng)負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極
13．微生物燃料電池(MFC)是一種現(xiàn)代化氨氮去除技術(shù)，如圖為MFC碳氮聯(lián)合同時去除的氮轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原理示意圖。
A極的電極反應式為___________，A、B兩極生成CO2和N2的物質(zhì)的量之比為___________。
14．北京冬奧會賽區(qū)內(nèi)將使用氫燃料清潔能源車輛，某氫氧燃料電池工作示意圖如下。請回答下列問題：
(1)電極a為電池的___________極(填“正”或“負”)，其電極反應式是___________。
(2)向___________極移動(填“a”或“b”)。
15.(2020 江蘇卷，20節(jié)選)(2) HCOOH燃料電池。研究 HCOOH燃料電池性能的裝置如圖-2所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。
①電池負極電極反應式為_____________；放電過程中需補充的物質(zhì)A為_________(填化學式)。
②圖-2所示的 HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過 HCOOH與O2的反應，將化學能轉(zhuǎn)化為電能，其反應的離子方程式為_______________。
第8講 燃料電池 練習答案及解析
1．
【答案】B
【解析】M室中石墨電極為陽極，電解時陽極上水失電子生成O2和H+，原料室中的B(OH)4-通過Ⅱ膜進入產(chǎn)品室，M室中氫離子通入Ⅰ膜進入產(chǎn)品室，結(jié)合得到H3BO3；原料室中的Na+通過Ⅲ膜進入N室；N室中石墨為陰極，電解時陰極上水得電子生成H2和OH-，溶液中c(NaOH)增大。A項，燃料電池通入氧氣的電極為正極，接電解池的陽極，而N室中石墨為陰極，即Y電極為陰極，A錯誤；B項，N室中石墨為陰極，電解時陰極上水得電子生成H2和OH-，原料室中的鈉離子通過Ⅲ膜進入N室，溶液中c(NaOH)增大，所以N室：a%＜b%，B正確；C項，原料室中的B(OH)4-通過Ⅱ膜進入產(chǎn)品室，M室中氫離子通入Ⅰ膜進入產(chǎn)品室，原料室中Na+的通過Ⅲ膜進入N室，則Ⅰ、Ⅲ為陽離子交換膜，Ⅱ為陰離子交換膜，C正確；D項，理論上每生成1molH3BO3，則M室中就有1mol氫離子通入Ⅰ膜進入產(chǎn)品室即轉(zhuǎn)移1mole-，甲烷在燃燒電池中發(fā)生電極反應消耗1molCH4轉(zhuǎn)移8mole-，則轉(zhuǎn)移1mole-應該消耗molCH4標準狀況下 2.8L，D正確；故選B。
【答案】D
【解析】如圖 I 微生物燃料電池中微生物生成二氧化碳，發(fā)生氧化反應，為負極，氧氣得電子，發(fā)生還原反應，為正極。
A．由于通氧氣的一極是原電池的正極，微生物一端為原電池的負極，電池工作時外電路電子由負極流向正極，故由 B 極流向 A 極，A 選項錯誤。
B．無標況無法計算體積，B 選項錯誤。
C．若 a 為碳電極、b 為鐵電極，b 應與 B 相連，C 選項錯誤。
D．微生物在高溫下會死亡，所以不宜在高溫下運行，D 選項正確。故選 D。
3.
【答案】D
【解析】A．I室和Ⅲ室發(fā)生反應，反應類型為還原反應，I室和Ⅲ室為陰極室，Ⅱ室發(fā)生反應為氧化反應，為陽極室，故A正確；
B．Ⅱ室為陽極室、Ⅲ室為陰極室，Ⅱ室消耗陰離子，所以離子交換膜為陽離子交換膜，故B正確；
C．根據(jù)圖1所示，Ⅲ室中液體運動到I室，I室硝酸根離子發(fā)生還原反應，可知Ⅲ室中生成硝酸根離子，所以除了O2→H2O，還會發(fā)生的反應為，故C正確；
D．I室發(fā)生反應，生成3.5gN2，即0.125mol，左側(cè)陰極轉(zhuǎn)移1.25mol電子，消耗0.25mol硝酸根離子；雙陰極通過的電流相等，所以右側(cè)陰極同樣轉(zhuǎn)移1.25mol電子，右側(cè)陰極反應消耗氧氣的物質(zhì)的量為0.3125mol，Ⅲ室發(fā)生反應生成0.25mol硝酸根離子消耗0.5mol氧氣，理論上需要消耗0.8125molO2，即26g，故D錯誤；
答案選D。
4.
【答案】D
【解析】
【分析】由題意和圖示，甲為氫氧燃料電池，乙為電解池，根據(jù)乙池中，惰性電極處苯被還原為環(huán)己烷，故惰性電極發(fā)生還原反應為陰極，多孔性惰性電極為陽極，則G電極與陰極相連，為原電池負極，F(xiàn)為正極，故甲池中F為正極，A處通入氧氣，G為負極，B處通入氫氣，由此分析作答。
【詳解】A．10mol含20%苯的混合氣體，經(jīng)過電解生成10mol含苯10%的混合氣體，則被還原的苯的物質(zhì)的量為10mol×(20%-10%)=1mol，由電極方程式得轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為6mol，A正確；
B．原電池中陽離子向正極移動，F(xiàn)極為正極，故甲池中H+由G極移向F極，電解池中，陽離子向陰極移動，惰性電極為陰極，故乙池中H+由多孔惰性電極移向惰性電極，B正確；
C．由于電子轉(zhuǎn)移守恒，故A處通入的氧氣和E處生成的氧氣的物質(zhì)的量相等，故體積也相等，C錯誤；
D．乙池中，惰性電極處苯得到電子，被還原為環(huán)己烷，電極方程式為：，D正確；
故選C。
5.
【答案】C
【解析】該裝置圖中，甲池為燃料電池，其中左邊電極為負極，右邊電極為正極，乙池為電解池，石墨電極為陽極，Ag電極為陰極，陰極上Cu2＋得電子生成銅，無氣體生成，A錯誤；甲池溶液呈堿性，電極反應式不出現(xiàn)H＋，B錯誤；根據(jù)甲池的總反應式可知有水生成，電解液被稀釋，故堿性減弱，pH減小，乙池的總反應式為2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，電解液酸性增強，pH減小，C正確；3.2 g N2H4的物質(zhì)的量為0.1 mol，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.4 mol，產(chǎn)生0.2 mol Cu，質(zhì)量為12.8 g，D錯誤。
6.
【答案】C
【分析】由電池裝置圖分析可知，通入硫化氫生成單質(zhì)硫，化合價升高，故電極a為負極；通入氧氣的電極b為正極。
【解析】A．由電池裝置圖分析可知，電極a上通入硫化氫生成單質(zhì)硫，S元素化合價升高，故電極a為負極，通入氧氣的電極b為正極，電子從電極a流出，A項錯誤；
B．由裝置分析，可知硫化氫在負極上失去電子，同時結(jié)合氧離子生成硫單質(zhì)和水，故電極a的電極反應為2H2S+2O2--4e-S2+2H2O，B項錯誤；
C．該電池消耗1 mol H2S轉(zhuǎn)化成的電能理論上不等于其燃燒熱值，硫化氫燃燒要生成二氧化硫，釋放的熱量更多，C項正確；
D．電路中每通過2 mol電子，則有1 mol O2-流向電極a，D項錯誤；
答案選C。
7．
【答案】A
【解析】根據(jù)原電池圖可知，甲室缺氧電極M上由NO3-到NO2，再轉(zhuǎn)化為N2，則電極M上發(fā)生還原反應，為正極，丙室好氧電極P上O2轉(zhuǎn)化為H2O，發(fā)生還原反應，也為正極，中間乙室厭氧電極N上發(fā)生由葡萄糖轉(zhuǎn)化為CO2，發(fā)生氧化反應，故為負極，乙室厭氧陽極N上葡萄糖發(fā)生失電子的氧化反應生成CO2和H+，電極反應式為C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，甲室缺氧電極M發(fā)生的反應為2 NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，丙室好氧電極P發(fā)生的反應為O2+4e-+4H+=2H2O，同時O2還可能氧化NH4+生成NO2-，NO2-甚至還可以進一步被O2氧化為NO3-，反應方程式為：2 NH4++3O2=2 NO2-+2H2O +4H+，2 NO2-+O2=2 NO3-電池工作中“好氧陰極”和“缺氧陰極”之間存在著對電子的競爭作用，NH4+和電極之間存在著對O2的競爭。A項，電極M和P均為燃料電池正極，A正確；B項，由題干信息可知，硝化過程中NH4+被O2氧化，P存在反應為：2 NH4++3O2=2 NO2- +2H2O +4H+，2 NO2-+O2=2 NO3-，B錯誤；C項，C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，若乙室消耗1mol葡萄糖，則乙室產(chǎn)生24molH+，原電池中陽離子移向正極，由于“好氧陰極”和“缺氧陰極”之間存在著對電子的競爭作用，則不可能H+全部進入甲室，即不可能有24molH+進入甲室，C錯誤；D項，若丙室消耗標準狀況下44.8LO2其物質(zhì)的量為：=2mol， NH4++2O2= NO3-+H2O +2H+，由于NH4+和電極之間存在著對O2的競爭，故可知則最多有1molNH4+完全轉(zhuǎn)化為NO3-，D錯誤；故選A。
8.
【答案】C
【解析】新型NaBH4/H2O2燃料電池總反應方程式為NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O，由總反應式，可確定負極反應物為NaBH4，正極反應物為H2O2。A項，電池正極區(qū)H2O2得電子，發(fā)生還原反應，A不正確；B項，電池工作時，通過發(fā)生氧化還原反應，將化學能轉(zhuǎn)化為電能，B不正確；C項，從總反應式可知，電池工作時，H2O2中的O元素從-1價降低到-2價，則H2O2得電子，C正確；D項，電池工作過程中，陽離子向正極移動，則Na+從負極區(qū)向正極區(qū)遷移，D不正確；故選C。
9．
【答案】B
【解析】該燃料電池中，通入燃料氫氣的電極是負極，通入氧化劑氧氣的電極是正極，負極反應式為H2-2e-+CO32-=CO2+H2O，正極反應式為O2+2CO2+4e-═2CO32-，放電時，電解質(zhì)中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。A項，升高溫度能加快反應速率，該電池較高的工作溫度加快了陰、陽極的反應速率，故A正確；B項，還原性物質(zhì)在負極發(fā)生氧化反應，該類電池的H2可以用CO、CH4等替代，故B錯誤；C項，H2、O2混合物在一定條件下可能發(fā)生爆炸，該電池工作時，要避免H2、O2的接觸，防止爆炸，產(chǎn)生安全事故，故C正確；D項，放電時，氫氣失電子發(fā)生氧化反應，陽極(負極)反應式為2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O，故D正確；故選B。
10．
【答案】D
【解析】A項，根據(jù)裝置圖可知在左側(cè)電極上苯酚失去電子被氧化，發(fā)生氧化反應，因此左側(cè)電極為負極，A正確；B項，向其中加入NaCl溶液，Na+向正極移動，Cl-向負極移動。根據(jù)選項A分析可知左側(cè)電極為負極，所以左側(cè)離子交換膜為陰離子交換膜，B正確；C項，在右側(cè)電極上NO3-得到電子被還原產(chǎn)生N2，則右側(cè)電極的電極反應式是：2 NO3-+10e-+12H+=N2↑+6H2O，C正確；D項，在左側(cè)電極上苯酚被氧化產(chǎn)生CO2氣體，電極反應式是：C6H5OH-28e-+11H2O=6CO2↑+28H+，反應產(chǎn)生H+使溶液酸性增強，溶液pH減小，D錯誤；故選D。
11.
【答案】A
【解析】根據(jù)碳元素的化合價的變化，二氧化碳中碳元素的化合價為最高價+4價，所以生成二氧化碳的反應為氧化反應，應在負極生成，其電極反應式應為C6H12O6+6H2O-24e-=24H++6CO2↑，A錯誤；在微生物的作用下，該裝置為原電池裝置，反應速率比化學反應速率快，所以微生物促進了反應的發(fā)生，B正確；原電池中陽離子(質(zhì)子)向正極移動，C正確；電池的總反應實質(zhì)是葡萄糖的氧化反應，D正確。
12.
【答案】B
【解析】根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)，左側(cè)VB2發(fā)生失電子的反應生成VO43-和B(OH)4-，反應的電極方程式如題干所示，右側(cè)空氣中的氧氣發(fā)生得電子的反應生成OH-，反應的電極方程式為O2+4e-+2H2O=4OH-，電池的總反應方程式為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-。A項，當負極通過0.04mol電子時，正極也通過0.04mol電子，根據(jù)正極的電極方程式，通過0.04mol電子消耗0.01mol氧氣，在標況下為0.224L，A正確；B項，反應過程中正極生成大量的OH-使正極區(qū)pH升高，負極消耗OH-使負極區(qū)OH-濃度減小pH降低，B錯誤；C項，根據(jù)分析，電池的總反應為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-，C正確；D項，電池中，電子由VB2電極經(jīng)負載流向復合碳電極，電流流向與電子流向相反，則電流流向為復合碳電極→負載→VB2電極→KOH溶液→復合碳電極，D正確；故選B。
13．
【答案】CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋ 5∶2
【解析】由圖可知A極CH3COO－失電子被氧化的電極反應式為CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋；B極電極反應式為2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，根據(jù)兩極反應式計算，轉(zhuǎn)移相同電子時兩極產(chǎn)生的CO2和N2的物質(zhì)的量比為5:2。
14．
【答案】(1) 負 H2+2OH--2e-=2H2O (2)a
【解析】由圖可知，該電池為堿性環(huán)境下氫氧燃料電池，電池總反應為2H2+O2=2H2O，則通入H2的失去電子為負極，通入O2的得到電子為正極。(1)電極a通入H2，失去電子為電池的負極；其電極反應式是H2+2OH--2e-=2H2O；(2)原電池中陰離子向負極移動，則OH-向a極移動。
15.【答案】(2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O H2SO4
②2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-
【解析】(2)①左側(cè)為負極，堿性環(huán)境中HCOOˉ失電子被氧化為HCO3-，根據(jù)電荷守恒和元素守恒可得電極反應式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側(cè)，根據(jù)圖示可知右側(cè)的陰離子為硫酸根，而隨著硫酸鉀不斷被排除，硫酸根逐漸減少，鐵離子和亞鐵離子進行循環(huán)，所以需要補充硫酸根，為增強氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質(zhì)A為H2SO4；②根據(jù)裝置圖可知電池放電的本質(zhì)是HCOOH在堿性環(huán)境中被氧氣氧化為HCO3-，根據(jù)電子守恒和電荷守恒可得離子方程式為2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-。
（北京）股份有限公司第8講-燃料電池 學案
知識重構(gòu)
1、定義：
燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，將燃料化學能經(jīng)過電化學反應直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它和其它電池中的氧化還原反應一樣，都是自發(fā)的化學反應，不會發(fā)出火焰，其化學能可以直接轉(zhuǎn)化為電能，且廢物排放量很低。其中燃料電池電化學反應的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，這是我們書寫燃料電池總反應方程式的依據(jù)。
2、燃料電池的電極規(guī)定
燃料電池的兩極材料都是用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等兼有催化劑特性的惰性金屬，兩電極的材料相同。因此，燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應。
3、燃料電池的電解質(zhì)
不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應式就有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應式時要特別注意電解質(zhì)的種類。
4、燃料電池的工作原理
以氫氧燃料電池為例，其工作原理是：氫氣（可燃物）從負極處失去電子（燃料被氧化掉），這些電子從外電路流到正極；同時，余下的陽離子（氫離子）通過電解液被送到正極。在正極，離子與氧氣發(fā)生反應并從負極獲得電子。
5、燃料電池的優(yōu)點
作為二十一世紀改善人類生活的“綠色電源”——燃料電池，它具有以下優(yōu)點：
⑴燃料電池是把化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過熱能這一種中間形式，所以它的電效率比其它任何形式的發(fā)電技術(shù)的電效率都高。
⑵燃料電池的廢物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大減少了對環(huán)境的污染。
⑶燃料電池中無運動部件，工作時很安靜且無機械磨損。
總之，燃料電池是一種新型無污染、無噪音、高效率的汽車動力和發(fā)電設(shè)備，其投入使用可有效的解決能源危機、污染問題，是繼水力、火力、核能發(fā)電后的第四類發(fā)電——化學能發(fā)電，被稱為二十一世紀的“綠色電源”。
6、燃料電池電極反應式的書寫方法
在中學階段，掌握燃料電池的工作原理和電極反應式的書寫是十分重要的。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應式的書寫也同樣是有規(guī)律可循的。書寫燃料電池電極反應式一般分為三步：第一步，先寫出燃料電池的總反應方程式；第二步，再寫出燃料電池的正極反應式；第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應式減去正極反應式即得到負極反應式。下面對書寫燃料電池電極反應式“三步法”具體作一下解釋。
燃料電池總反應方程式的書寫
因為燃料電池發(fā)生電化學反應的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應寫出燃料電池的總反應方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。
燃料電池正極反應式的書寫
因為燃料電池正極反應物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應，所以可先寫出正極反應式，正極反應的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步。現(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。
（1）電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）
在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應式為O2＋4H++4e-=2H2O。
（2）電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）
在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應式為O2＋2H2O +4e-=4OH-。
（3）電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如Li2CO3和Na2CO3熔融鹽混和物）
在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在， O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應式為O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。
（4）電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯—氧化釔）
該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其正極反應式應為O2＋4e-=2O2-。
綜上所述，燃料電池正極反應式本質(zhì)都是O2＋4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應式時，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。
燃料電池負極反應式的書寫
燃料電池負極反應物種類比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負極反應式相當困難。一般燃料電池的負極反應式都是采用間接方法書寫，即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應式和正極反應式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應式減去正極反應式即得負極反應式。
7.解答燃料電池題目的思維模型
8．解答燃料電池題目的幾個關(guān)鍵點
①要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。
②通入負極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。
③通過介質(zhì)中離子的移動方向，可判斷電池的正負極，同時考慮該離子參與靠近一極的電極反應。
重溫經(jīng)典
1.(2024 6月·浙江高考真題)（4）氫能的高效利用途徑之一是在燃料電池中產(chǎn)生電能。某研究小組的自制熔融碳酸鹽燃料電池工作原理如圖2所示，正極上的電極反應式是_______。該電池以恒定電流工作14分鐘，消耗體積為，故可測得該電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率為_______。[已知：該條件下的摩爾體積為24.5L/mol；電荷量q(C)=電流I(A)×時間(s)；NA=6.0×1023mol-1；e=1.60×10-19C。]
【答案】O2+4e-+2CO2=2；70%
【解析】根據(jù)題干信息，該燃料電池中H2為負極，O2為正極，熔融碳酸鹽為電解質(zhì)溶液，故正極的電極反應式為：O2+4e-+2CO2=2， 該條件下，0.49L H2的物質(zhì)的量為，工作時，H2失去電子：H2-2e-=2H+，所帶電荷量為：2×0.02mol×6.0×1023mol-1×1.60×10-19= 3840C，工作電荷量為：3.2×14×60=2688C，則該電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率為：；
2.(2024湖南卷）近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，下列說法錯誤的是
A. 理想的新能源應具有資源豐富、可再生、對環(huán)境無污染等特點
B. 氫氧燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化率高、清潔等優(yōu)點
C. 鋰離子電池放電時鋰離子從負極脫嵌，充電時鋰離子從正極脫嵌
D. 太陽能電池是一種將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置
【答案】D
【解析】A．理想的新能源應具有可再生、無污染等特點，故A正確；
B．氫氧燃料電池利用原電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能，對氫氣與氧氣反應的能量進行利用，減小了直接燃燒的熱量散失，產(chǎn)物無污染，故具有能量轉(zhuǎn)化率高、清潔等優(yōu)點，B正確；
C．脫嵌是鋰從電極材料中出來的過程，放電時，負極材料產(chǎn)生鋰離子，則鋰離子在負極脫嵌，則充電時，鋰離子在陽極脫嵌，C正確；
D．太陽能電池是一種將太陽能能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，D錯誤；
本題選D。
3.(2024甘肅卷）化學與生活息息相關(guān)，下列對應關(guān)系錯誤的是
物質(zhì) 性質(zhì) 用途
A 次氯酸鈉 氧化性 衣物漂白
B 氫氣 可燃性 制作燃料電池
C 聚乳酸 生物可降解性 制作一次性餐具
D 活性炭 吸附性 分解室內(nèi)甲醛
【答案】D
【解析】
A．次氯酸鈉有強氧化性，從而可以做漂白劑，用于衣物漂白，A正確；
B．氫氣是可燃氣體，具有可燃性，能被氧氣氧化，可以制作燃料電池，B正確；
C．聚乳酸具有生物可降解性，無毒，是高分子化合物，可以制作一次性餐具，C正確；
D．活性炭有吸附性，能夠有效吸附空氣中的有害氣體、去除異味，但無法分解甲醛，D錯誤；
故本題選D。
4．(2021 山東卷)以KOH溶液為離子導體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是( )
A．放電過程中，K+均向負極移動
B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小
C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2L
【答案】C
【解析】堿性環(huán)境下，甲醇燃料電池總反應為：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清潔燃料電池總反應為：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價均為-2價，H元素化合價為+1價，所以根據(jù)氧化還原反應原理可推知其燃料電池的總反應為：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O。A項，放電過程為原電池工作原理，所以鉀離子均向正極移動，A錯誤；B項，根據(jù)上述分析可知，N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮氣和水，其總反應中未消耗KOH，所以KOH的物質(zhì)的量不變，其他兩種燃料電池根據(jù)總反應可知，KOH的物質(zhì)的量減小，B錯誤；C項，理論放電量與燃料的物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)移電子數(shù)有關(guān)，設(shè)消耗燃料的質(zhì)量均為mg，則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量(物質(zhì)的量表達式)分別是：、、，通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大，C正確；D項，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒和總反應式可知，消耗1molO2生成的氮氣的物質(zhì)的量為1mol，在標準狀況下為22.4L，D錯誤；故選C。
5．（2024·江蘇泰州·模擬預測）如圖甲乙兩個裝置相連，甲池是一種常見的氫氧燃料電池裝置，乙池內(nèi)，D中通入10mol混合氣體，其中苯的物質(zhì)的量分數(shù)為20%（其余氣體不參與反應），一段時間后，C處出來的氣體中含苯的物質(zhì)的量分數(shù)為10%（不含）H2，該條件下苯、環(huán)己烷都為氣態(tài)），下列說法不正確的是
A．導線中共傳導6mol電子
B．甲池中H+由G極移向F極，乙池中H+由多孔惰性電極移向惰性電極
C．甲池中A處通入O2，乙池中E處有O2放出，但體積不同（標準狀況下測定）
D．乙池中左側(cè)惰性電極上發(fā)生反應：
5．C
【分析】由題意和圖示，甲為氫氧燃料電池，乙為電解池，根據(jù)乙池中，惰性電極處苯被還原為環(huán)己烷，故惰性電極發(fā)生還原反應為陰極，多孔性惰性電極為陽極，則G電極與陰極相連，為原電池負極，F(xiàn)為正極，故甲池中F為正極，A處通入氧氣，G為負極，B處通入氫氣，由此分析作答。
【詳解】A．10mol含20%苯的混合氣體，經(jīng)過電解生成10mol含苯10%的混合氣體，則被還原的苯的物質(zhì)的量為10mol×(20%-10%)=1mol，由電極方程式得轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為6mol，A正確；
B．原電池中陽離子向正極移動，F(xiàn)極為正極，故甲池中H+由G極移向F極，電解池中，陽離子向陰極移動，惰性電極為陰極，故乙池中H+由多孔惰性電極移向惰性電極，B正確；
C．由于電子轉(zhuǎn)移守恒，故A處通入的氧氣和E處生成的氧氣的物質(zhì)的量相等，故體積也相等，C錯誤；
D．乙池中，惰性電極處苯得到電子，被還原為環(huán)己烷，電極方程式為：，D正確；
故選C。
6.．（2024·黑龍江齊齊哈爾·三模）一種—空氣酸性燃料電池的工作原理如圖所示。該電池工作時，下列說法正確的是
A．通過質(zhì)子交換膜從右側(cè)向左側(cè)多孔石墨棒移動
B．若產(chǎn)生，則理論上需通入(標準狀況)
C．負極的電極反應式為
D．電子的流動方向為從負極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向正極
【答案】C
【分析】由圖可知，失去電子轉(zhuǎn)化為，則左側(cè)多孔石墨電極為負極，右側(cè)多孔石墨電極為正極。
【解析】A．在原電池中，陽離子向正極移動，所以通過質(zhì)子交換膜從左側(cè)向右側(cè)多孔石墨棒移動，A錯誤；
B．根據(jù)關(guān)系式可知，若產(chǎn)生，則理論上需通入，即需通入(標準狀況)，B錯誤；
C．在負極放電，負極的電極反應式為，C正確；
D．原電池中電子從負極經(jīng)導線流向正極，電子不能進入溶液，D錯誤；
故選：C。
7．(2019 新課標Ⅰ卷，12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是( )
A． 相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能
B． 陰極區(qū)，氫化酶作用下發(fā)生反應H2+2MV2+=2H++2MV+
C． 正極區(qū)，固氮酶催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3
D． 電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
【答案】B
【解析】由生物燃料電池的示意圖可知，左室電極為燃料電池的負極，MV+在負極失電子發(fā)生氧化反應生成MV2+，電極反應式為MV+—e—= MV2+，放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應生成H+和MV+，反應的方程式為H2+2MV2+=2H++2MV+；右室電極為燃料電池的正極，MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應生成MV+，電極反應式為MV2++e—= MV+，放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2+，反應的方程式為N2+6H++6MV+=6MV2++NH3，電池工作時，氫離子通過交換膜由負極向正極移動。A項，相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法選用酶作催化劑，條件溫和，同時利用MV+和MV2+的相互轉(zhuǎn)化，化學能轉(zhuǎn)化為電能，故可提供電能，故A正確；B項，左室為負極區(qū)，MV+在負極失電子發(fā)生氧化反應生成MV2+，電極反應式為MV+—e—= MV2+，放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應生成H+和MV+，反應的方程式為H2+2MV2+=2H++2MV+，故B錯誤；C項，右室為正極區(qū)，MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應生成MV+，電極反應式為MV2++e—= MV+，放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2+，故C正確；D項，電池工作時，氫離子(即質(zhì)子)通過交換膜由負極向正極移動，故D正確。故選B。
8．(2020 江蘇卷節(jié)選)(2) HCOOH燃料電池。研究 HCOOH燃料電池性能的裝置如圖-2所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。
①電池負極電極反應式為_____________；放電過程中需補充的物質(zhì)A為_________(填化學式)。
②圖-2所示的 HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過 HCOOH與O2的反應，將化學能轉(zhuǎn)化為電能，其反應的離子方程式為_______________。
【答案】(2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O H2SO4
②2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-
【解析】(2)①左側(cè)為負極，堿性環(huán)境中HCOOˉ失電子被氧化為HCO3-，根據(jù)電荷守恒和元素守恒可得電極反應式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側(cè)，根據(jù)圖示可知右側(cè)的陰離子為硫酸根，而隨著硫酸鉀不斷被排除，硫酸根逐漸減少，鐵離子和亞鐵離子進行循環(huán)，所以需要補充硫酸根，為增強氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質(zhì)A為H2SO4；②根據(jù)裝置圖可知電池放電的本質(zhì)是HCOOH在堿性環(huán)境中被氧氣氧化為HCO3-，根據(jù)電子守恒和電荷守恒可得離子方程式為2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-。
模型建構(gòu)
解答燃料電池題目的思維模型
高頻考點
1.電極反應
2.微粒濃度變化
2.電化學計算
4.離子移動方向
5.電極判斷
微生物燃料電池電極反應式書寫
有機物作為燃料在厭氧的陽極室中被微生物氧化，產(chǎn)生的電子被微生物捕獲并傳遞給電池陽極，電子通過外電路到達陰極，從而形成回路產(chǎn)生電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達陰極，與電子受體(氧氣)反應生成水。其陽極和陰極反應式如下所示：
陽極反應：(CH2O)n＋nH2O ＝nCO2＋4ne-＋4nH+
陰極反應：4e-＋O2＋4H+ ＝2H2O
名師導學
燃料電池中國發(fā)展狀況
在中國的燃料電池研究始于1958年，70年代在航天事業(yè)的推動下，中國燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國科學院大連化學物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級AFC）均通過了例行的航天環(huán)境模擬試驗。1990年中國科學院長春應用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務，1993年開始進行直接甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設(shè)備研究所于1991年研制出由7個單電池組成的MCFC原理性電池
但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術(shù)的總體水平來看，與發(fā)達國家尚有較大差距。我國有關(guān)部門和專家對燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學會議上對中國燃料電池技術(shù)的發(fā)展進行了專題討論，強調(diào)了自主研究與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國加強了在PEMFC方面的研究力度
在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以奮起直追的勢頭快步進入工業(yè)化規(guī)模應用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術(shù)在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，現(xiàn)在它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。

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