資源簡介

第3課時　常見化學電源(二)——形形色色的燃料電池
[核心素養發展目標]　1.理解常見的氫氧燃料電池的工作原理，并能設計簡易氫氧燃料電池。2.會書寫不同介質條件下，燃料電池的電極反應。
一、制作簡易氫氧燃料電池，并分析其工作原理
1．燃料電池的概念
燃料電池是一種連續地將 和 的化學能直接轉化為 的化學電源。
2．燃料電池的特點
(1)工作時， 和 連續地由外部供給并在電極上進行反應，生成物不斷地被排出。
(2)能量轉換率 (>80%)，排放的廢棄物 。
3．制作簡易氫氧燃料電池
設計如表中的裝置圖，試管A、B中的電極為多孔的石墨惰性電極
實驗操作 實驗裝置 實驗現象與結論
閉合K1，斷開K2，通入電流，電解水，制備H2和O2。KOH 溶液的作用：增強導電性 A、B兩試管中均產生無色氣體，且B中氣體體積較大。 結論：A中為 ，B中為____
電解一段時間后，A、B中均有氣體包圍電極，切斷K1，閉合K2 檢流計的指針 ，A、B兩試管中氣體體積逐漸 。 結論：H2和O2發生原電池反應產生電流
分析該氫氧燃料電池的工作原理：
電池反應：2H2＋O2===2H2O；
負極：______________________________________________________________________；
正極：______________________________________________________________________；
離子導體： 。
1.燃料電池是目前電池研究的熱點之一。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)負極是________(填“a”或“b”)。
(2)b極的電極反應式是____________________________________________________。
(3)標準狀況下，消耗11.2 L H2時，轉移的電子數為________。
2．下面為3種燃料電池的工作原理示意圖。
(1)A中，電池內部傳導的離子是______，負極的電極反應式為______________。
(2)B中，電池內部傳導的離子是______，正極的電極反應式為______________。
(3)C中，電池內部傳導的離子是______，正極的電極反應式為______________。
二、其他新型燃料電池
1．甲烷燃料電池成本遠低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池。
(1)在酸性介質中
負極反應式：____________________________________________________________；
正極反應式：____________________________________________________________；
總反應式：______________________________________________________________。
(2)在堿性(KOH溶液)介質中
負極反應式：____________________________________________________________；
正極反應式：____________________________________________________________；
總反應式：______________________________________________________________。
在酸性介質和堿性介質中甲烷燃料電池的總反應不同，酸性條件下，＋4價碳元素全部轉化為CO2，堿性條件下，＋4價碳元素全部轉化為CO。
2.一種固體電解質燃料電池的構造示意圖如圖所示。該電池以稀土金屬材料作電極，兩極上分別通入CH4和空氣，其中固體電解質是摻雜了Y2O3的ZrO2固體，它在高溫下能傳導O2－。
負極反應式：____________________________________________________________；
正極反應式：____________________________________________________________；
總反應式：______________________________________________________________。
3．一種熔融碳酸鹽燃料電池工作原理如圖所示。
(1)電池工作時，外電路上電流的方向應從電極________(填“A”或“B”，下同)流向用電器。
(2)CO向電極________移動。
(3)電極A上CO參與的電極反應為___________________________________________。
燃料電池電極反應式書寫的方法
第一步：寫出燃料電池的總反應式
燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致，若產物能和電解質反應，則總反應為加和后的反應。
第二步：寫出電池的正極反應式
正極反應物一般為氧氣得電子，介質不同時其電極反應式有所不同，如：
酸性電解質溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
堿性電解質溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
固體電解質(高溫下能傳導O2－)：O2＋4e－===2O2－；
熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
第三步：根據電池總反應式和正極反應式，寫出負極反應式。電池反應的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式。因為O2不是負極反應物，因此兩個反應式相減時要徹底消除O2。
1．甲醇是重要的工業原料，利用甲醇設計的燃料電池具有啟動快、效率高等優點，該電池的電解質為H2SO4溶液。下列說法正確的是(　　)
A．負極區溶液的pH減小
B．溶液中SO向正極移動
C．正極反應式為2H＋＋2e－===H2↑
D．該電池工作時，消耗1 mol CH3OH的同時生成11.2 L CO2(標準狀況)
2.某學習小組以肼(N2H4)為原料設計了一種燃料電池，構造如圖所示。其中兩個電極均為鉑電極，電池的總反應方程式為N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列說法錯誤的是(　　)
A．通入N2H4的一極是電池的負極
B．通入O2的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．電池工作一段時間后電解質溶液的pH將變大
D．若消耗16 g N2H4，則理論上轉移2 mol電子
3.熱電廠尾氣經處理得到較純的SO2，可用于原電池法生產硫酸。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極區向b極區遷移
C．電極a的電極反應式是SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO
D．一段時間后，a極消耗的SO2與b極消耗的O2物質的量相等
第3課時　常見化學電源(二)——形形色色的燃料電池
一、
1．燃料　氧化劑　電能
2．(1)燃料　氧化劑
(2)高　少
3．O2　H2　偏轉　減小　2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－　KOH溶液
思考交流
1．(1)a　(2)O2＋2H2O＋4e－===4OH－　(3)6.02×1023(或NA)
2．(1)O2－　H2－2e－＋O2－===H2O
(2)H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O
(3)CO　O2＋4e－＋2CO2===2CO
二、
1．(1)CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋
2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
(2)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O
2．CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
3．(1)B　(2)A　(3)CO－2e－＋CO===2CO2
應用體驗
1．A　2.C　3.D(共67張PPT)
第1章　第2節
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常見化學電源(二)——形形色色的燃料電池
第3課時
核心素養
發展目標
1.理解常見的氫氧燃料電池的工作原理，并能設計簡易氫氧燃料電池。
2.會書寫不同介質條件下，燃料電池的電極反應。
內容索引
一、制作簡易氫氧燃料電池，并分析其工作原理
二、其他新型燃料電池
課時對點練
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一
制作簡易氫氧燃料電池，
并分析其工作原理
1.燃料電池的概念
燃料電池是一種連續地將 和 的化學能直接轉化為 的化學電源。
2.燃料電池的特點
(1)工作時， 和 連續地由外部供給并在電極上進行反應，生成物不斷地被排出。
(2)能量轉換率 (>80%)，排放的廢棄物 。
一
制作簡易氫氧燃料電池，并分析其工作原理
燃料
氧化劑
電能
燃料
氧化劑
高
少
3.制作簡易氫氧燃料電池
設計如表中的裝置圖，試管A、B中的電極為多孔的石墨惰性電極
實驗操作 實驗裝置 實驗現象與結論
閉合K1，斷開K2，通入電流，電解水，制備H2和O2。KOH 溶液的作用：增強導電性 A、B兩試管中均產生無色氣體，且B中氣體體積較大。
結論：A中為 ，B中為
____
O2
H2
實驗操作 實驗裝置 實驗現象與結論
電解一段時間后，A、B中均有氣體包圍電極，切斷K1，閉合K2 檢流計的指針 ，A、B兩試管中氣體體積逐漸 。
結論：H2和O2發生原電池反應
產生電流
偏轉
減小
分析該氫氧燃料電池的工作原理：
電池反應：2H2＋O2===2H2O；
負極： ；
正極： ；
離子導體： 。
KOH溶液
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
1.燃料電池是目前電池研究的熱點之一。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)負極是___(填“a”或“b”)。
a
氫氧燃料電池中，通入氫氣的一極為負極，則a為負極。
(2)b極的電極反應式是________________________。
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
b電極上，O2得電子結合水生成氫氧根離子，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
(3)標準狀況下，消耗11.2 L H2時，轉移的電子數為________________。
6.02×1023(或NA)
該原電池負極反應為H2－2e－＋2OH－===2H2O，標準狀況下消耗11.2 L H2時，轉移電子數為6.02×1023。
2.下面為3種燃料電池的工作原理示意圖。
(1)A中，電池內部傳導的離子是_____，負極的電極反應式為_________
_____________。
O2－
H2－2e－
＋O2－===H2O
(2)B中，電池內部傳導的離子是____，正極的電極反應式為_________
_______________。
H＋
O2＋4e－
＋4H＋===2H2O
(3)C中，電池內部傳導的離子是______，正極的電極反應式為_______
___________________。
O2＋
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二
其他新型燃料電池
1.甲烷燃料電池成本遠低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池。
(1)在酸性介質中
負極反應式：_____________________________；
正極反應式：_______________________；
總反應式：_______________________。
二
其他新型燃料電池
CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋
2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
(2)在堿性(KOH溶液)介質中
負極反應式：________________________________；
正極反應式：_________________________；
總反應式：_______________________________。
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
歸納總結
在酸性介質和堿性介質中甲烷燃料電池的總反應不同，酸性條件下，＋4價碳元素全部轉化為CO2，堿性條件下，＋4價碳元素全部轉化為 。
2.一種固體電解質燃料電池的構造示意圖如圖所示。該電池以稀土金屬材料作電極，兩極上分別通入CH4和空氣，其中固體電解質是摻雜了Y2O3的ZrO2固體，它在高溫下能傳導O2－。
負極反應式：_____________________________；
正極反應式：_________________；
總反應式：_______________________。
CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
3.一種熔融碳酸鹽燃料電池工作原理如圖所示。
(1)電池工作時，外電路上電流的方向應從電極____(填“A”或“B”，下同)流向用電器。
(2) 向電極____移動。
(3)電極A上CO參與的電極反應為_______________________。
B
A
歸納總結
燃料電池電極反應式書寫的方法
第一步：寫出燃料電池的總反應式
燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致，若產物能和電解質反應，則總反應為加和后的反應。
第二步：寫出電池的正極反應式
正極反應物一般為氧氣得電子，介質不同時其電極反應式有所不同，如：
酸性電解質溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
歸納總結
堿性電解質溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
固體電解質(高溫下能傳導O2－)：O2＋4e－===2O2－；
熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－=== 。
第三步：根據電池總反應式和正極反應式，寫出負極反應式。電池反應的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式。因為O2不是負極反應物，因此兩個反應式相減時要徹底消除O2。
1.甲醇是重要的工業原料，利用甲醇設計的燃料電池具有啟動快、效率高等優點，該電池的電解質為H2SO4溶液。下列說法正確的是
A.負極區溶液的pH減小
B.溶液中 向正極移動
C.正極反應式為2H＋＋2e－===H2↑
D.該電池工作時，消耗1 mol CH3OH的同時生成11.2 L CO2(標準狀況)
√
酸性甲醇燃料電池中，O2在正極發生還原反應：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，CH3OH在負極發生氧化反應：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，負極生成H＋，溶液pH減小，A正確、C錯誤；
原電池中陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，則溶液中 向負極移動，B錯誤；
由負極反應式可知，消耗1 mol CH3OH的同時生成1 mol CO2，標準狀況下體積為22.4 L，D錯誤。
2.某學習小組以肼(N2H4)為原料設計了一種燃料電池，構造如圖所示。其中兩個電極均為鉑電極，電池的總反應方程式為N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列說法錯誤的是
A.通入N2H4的一極是電池的負極
B.通入O2的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C.電池工作一段時間后電解質溶液的pH將變大
D.若消耗16 g N2H4，則理論上轉移2 mol電子
√
通入O2的電極為正極，O2得電子與水反應生成OH－，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正確；
電池工作時，總反應方程式為N2H4＋O2===N2＋2H2O，一段時間后電解質溶液中OH－的物質的量
不變，但水的質量增加，則c(OH－)減小，pH將變小，C錯誤；
3.熱電廠尾氣經處理得到較純的SO2，可用于原電池法生產硫酸。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極區向b極區遷移
C.電極a的電極反應式是SO2－2e－
＋2H2O===4H＋＋
D.一段時間后，a極消耗的SO2與b極消耗的O2物質的量相等
√
電極b為正極，電極反應為4H＋＋O2＋4e－===2H2O，電極b周圍溶液pH變大，左側區域產生的H＋經過陽離子交換膜進入右側區域，A、B正確；
根據得失電子總數相等可知，一段時間后，a極消耗的SO2的物質的量是b極消耗的O2的2倍，D錯誤。
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課時對點練
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題組一　氫氧燃料電池
1.(2023·金華高二檢測)氫氧燃料電池可以應用在宇宙飛船上，下列說法正確的是
A.電池負極發生還原反應
B.電池可以連續使用
C.正極附近溶液的pH減小
D.消耗5.6 L氫氣時轉移的電子數為0.5NA
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對點訓練
√
對點訓練
電池負極失去電子發生氧化反應，A錯誤；
在氫氧燃料電池中，由于燃料及氧化劑在裝置外，可以不斷補充，因此該電池能夠連續使用，B正確；
正極附近溶液的pH增大，C錯誤；
未說明H2所處的外界條件，D錯誤。
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對點訓練
2.第16屆海南國際車展上展出了中國研制的新型燃料電池汽車，該車裝有“綠色心臟”——質子交換膜燃料電池。某種質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極發生氧化反應
B.正極反應為O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C.質子(H＋)通過質子交換膜移動到a極
D.該燃料電池的能量轉化率可達到100%
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對點訓練
該電池的a極上氫氣失電子生成氫離子，發生氧化反應，故A正確；
電解質溶液呈酸性，正極反應為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故B錯誤；
在原電池中陽離子向正極移動，即氫離子通過質子交換膜移動到正極b，故C錯誤；
電池中存在化學能轉化為熱能的能量轉化，則化學能不可能100%轉化為電能，故D錯誤。
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對點訓練
題組二　其他無機還原劑燃料電池
3.NH3-O2燃料電池裝置如圖所示，下列說法錯誤的是
A.電池工作時，O2得到電子，發生還原反應
B.電極b上的電極反應式為2NH3＋6OH－－6e－===
N2＋6H2O
C.燃料電池能量之間的轉化是將電能轉化為化學能
D.電池工作時，溶液中的Na＋向電極a遷移
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對點訓練
電極b上氨氣中氮元素失去電子，生成氮氣，電解質溶液為NaOH溶液，電極反應為2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O，故B正確；
燃料電池將化學能轉化為電能，C項錯誤；
原電池工作時，陽離子移向正極，故Na＋向電極a移動，故D正確。
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對點訓練
4.某新型燃料電池利用民用燃氣為燃料，其工作原理如圖所示，下列說法錯誤的是
A.通入空氣的電極為該電池
的正極
B.電池工作時，電子由b極經
電解質流向a極
C.CO在b極的反應式為CO－2e－＋O2－===CO2
D.相同狀況下a極消耗1 L O2，理論上b極消耗2 L燃料
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對點訓練
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，電子由b極經外電路流向a極，B錯誤；
CO在b極被氧化為CO2，電極反應式為CO－2e－＋O2－===CO2，C正確；
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對點訓練
H2、CO與O2發生反應生成H2O、CO2時，化學計量數之比均為2∶1，因此相同狀況下a極消耗1 L O2的同時，理論上b極消耗2 L燃料，D正確。
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對點訓練
題組三　有機化合物燃料電池
5.甲醇燃料電池在堿性條件下的電池反應為2CH3OH＋3O2＋4OH－===
＋6H2O。則下列有關說法不正確的是
A.O2在正極參與反應
B.該電池使用一段時間后溶液pH變小
C.負極反應為CH3OH－6e－＋8OH－=== ＋6H2O
D.每轉移0.6 mol電子，則消耗氧氣的體積為3.36 L
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根據總反應可知，該電池使用一段時間后溶液pH變小，故 B正確；
沒有注明氣體存在的狀態，無法計算氣體的體積，故D錯誤。
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對點訓練
6.內重整碳酸鹽燃料電池(熔融Li2CO3和K2CO3為電解質)的工作原理如圖所示，下列說法不正確的是
A.空氣極為正極，發生還原反應
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7.新型NaBH4/H2O2燃料電池(DBFC)的結構如圖，該電池總反應為NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O。下列有關說法正確的是
綜合強化
B.電極B為負極，MnO2層的作用是提高原電池
的工作效率
C.燃料電池每消耗3 mol H2O2，理論上電路中通過的電子數為6NA
D.燃料電池在放電過程中，Na＋從正極區向負極區遷移
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電極B反應式為H2O2＋2e－===2OH－，電極B為正極，B錯誤；
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綜合強化
反應中H2O2中O元素的化合價由－1價降低為－2價，每消耗3 mol H2O2，理論上電路中通過電子的物質的量為6 mol，數目為6NA，C正確；
燃料電池在放電過程中，陽離子Na＋從負極區向正極區遷移，D錯誤。
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8.以N2和H2為反應物、溶有A的稀鹽酸為電解質溶液，可制成能固氮的新型燃料電池，原理如圖所示。下列說法錯誤的是
A.b電極為負極，發生氧化反應
B.a電極發生的反應為N2＋8H＋＋6e－===
C.A溶液中所含溶質為NH4Cl
D.當反應消耗1 mol N2時，則消耗的H2為67.2 L
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綜合強化
A項，此電池總反應式是N2＋3H2＋2HCl===
2NH4Cl，氫氣中氫元素的化合價升高，根據原電池的工作原理，因此b極為負極，發生氧化反應，正確；
C項，根據總反應式知，分離出的A為NH4Cl，正確；
D項，題目沒有說明是否是標準狀況，錯誤。
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綜合強化
9.某化工實驗室設計了一種新型雙微生物燃料電池裝置，能夠同時消除養殖場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，電子由a極經導線流向b極，H＋
由b極經質子交換膜流向a極
B.a極的電極反應式為C6H5CHO＋13H2O＋32e－
===7CO2＋32H＋
C.a極消耗的C6H5CHO和b極消耗的 的物質的量之比為5∶32
D.該電池裝置在加熱條件下工作效率會更高
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綜合強化
在b極硝酸根離子中氮元素化合價由＋5價降低為0價，則該電極為正極，電極a為負極，電子由a極經導線流向b極，H＋移向正極，即b電極，A錯誤；
a極為負極，電極反應式為C6H5CHO＋13H2O－32e－===7CO2＋32H＋，B錯誤；
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綜合強化
b電極為正極，1個硝酸根離子轉移5個電子，a電極1個C6H5CHO轉移32個電子，根據兩個電極轉移電子數相等可知a極消耗的C6H5CHO和b極消耗的 的物質的量之比為5∶32，C正確；
加熱時微生物會變性，效率會降低，D錯誤。
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10.直接煤-空氣燃料電池原理如圖所示，下列說法錯誤的是
A.隨著反應的進行，氧化物電解質
的量不斷減少
B.負極的電極反應式為C＋ －
4e－===3CO2
C.電極X為負極，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電的能量效率高
√
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綜合強化
隨著反應的進行，氧化物電解質的量不會減少，故A錯誤；
由原理圖分析可知，其負極反應式為C＋ －4e－===3CO2，故B正確；
原電池內部的陰離子向負極移動，故C正確；
直接煤-空氣燃料電池是把化學能直接轉化為電能，而煤燃燒發電是把化學能轉化為熱能，再轉化為電能，故D正確。
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11.瓦斯分析儀能夠測量煤礦巷道中甲烷的濃度。該瓦斯分析儀工作原理類似燃料電池，其裝置如圖所示，其中的固體電解質是Y2O3-Na2O，O2－可以在其中自由移動。下列有關敘述正確的是
A.電極a的反應式為CH4＋10OH－－8e－===
＋7H2O
B.電極b是正極，O2－由電極a流向電極b
C.當固體電解質中有1 mol O2－通過時，轉移2 mol電子
D.瓦斯分析儀工作時，電子由電極b流向電極a
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甲烷所在電極a為負極，電極反應為CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O ，故A錯誤；
該電池中a為負極，b為正極，O2－由電極b流向電極a ，故B錯誤；
1 mol O2得4 mol電子生成2 mol O2－，故當固體電解質中有1 mol O2－通過時，轉移2 mol電子，故C正確；
電子從負極流向正極，所以電池外電路中電子由電極a流向電極b ，故D錯誤。
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12.(2023·成都高二質檢)我國科學家設計的一種甲酸(HCOOH)燃料電池如圖所示(半透膜只允許K＋、H＋通過)，下列說法錯誤的是
A.物質A可以是硫酸氫鉀
B.左側為電池負極，HCOO－發生氧化
反應生成
C.該燃料電池的總反應為2HCOOH＋O2
＋2OH－=== ＋2H2O
D.右側每消耗11.2 L O2(標準狀況)，左側有1 mol K＋通過半透膜移向右側
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由圖可知，原電池工作時K＋通過半透膜移向正極(右側)，右側電極反應為Fe3＋＋e－===Fe2＋，從裝置中分離出的物質為K2SO4，放電過程中需補充的物質A是H2SO4或硫酸氫鉀，A正確；
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右側每消耗11.2 L O2(標準狀況)，其物質的量是0.5 mol，轉移2 mol電子，左側有2 mol K＋通過半透膜移向右側，D錯誤。
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13.以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型燃料電池成本大大低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池。一種以甲烷為燃料的電池裝置示意圖如右：
(1)M口通入的氣體是______(填化學式)。
CH4
原電池中陰離子向負極移動、陽離子向正極移動，根據K＋、OH－的移動方向，可知a是負極、b是正極。
甲烷燃料電池中，甲烷發生氧化反應，應在負極M口通入。
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(2)外電路中電流的流向是____________(填“由a極到b極”或“由b極到a極”)。
(3)若KOH轉化為正鹽，則消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液時，需要標準狀況下CH4的體積是_______。
由b極到a極
2.24 L
若KOH轉化為正鹽，總反應為CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液時，需要甲烷的物質的量是
＝0.1 mol，標準狀況下CH4的體積是0.1 mol×22.4 L·mol－1＝2.24 L。
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14.電池是人類生產和生活中重要的能量來源。各式各樣電池的發明是化學對人類的一項重大貢獻。按要求回答下列問題。
(1)燃料電池有節能、超低污染、噪聲低、使用壽命長等優點。某甲醇燃料電池工作原理如圖1所示。Pt(a)電極是電池的____極， Pt(b)電極反應式為_______________________。
如果該電池工作時電路中通過2 mol電子，
則消耗的CH3OH的物質的量為___mol。
負
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
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Pt(a)電極的原料為甲醇和水，產物為二氧化碳、氫離子，則Pt(a)為負極；Pt(b)電極的原料為氫離子和氧氣，產物為水，則電極反應式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O；工作時C元素化合價由－2價升高到＋4價，失去6個
電子，則轉移2 mol電子，需要 mol甲醇。
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(2)某新型固體燃料電池的電解質是固體氧化鋯和氧化釔，高溫下允許氧離子(O2－)在其間通過。如圖2所示，其中多孔電極不參與電極反應。寫出該反應的負極反應式：_________________________________，當有16 g甲醇發生反應時，則理論上提供的電量為____________(1個電子的電量為1.6×10－19 C，結果保留3位有效數字)。
CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
2.89×105 C
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由圖知，燃料電池中的燃料為甲醇，其負極反應式為CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O；
由負極反應式可知，1 mol甲醇反應時，轉移6 mol電子，1個電子的電量為1.6×10－19 C，
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(3)一氧化氮-空氣質子交換膜燃料電池將化學能轉化為電能的同時，實現了制硝酸、發電、環保三位一體的結合，其工作原理如圖3所示，寫出放電過程中負極的電極反應式：____________________________，若過程中產生2 mol HNO3，則消耗標準狀況下O2的體積為______L。
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(4)以CH4(g)為燃料可以設計甲烷燃料電池，該電池以稀H2SO4作電解質溶液，電池的能量轉換效率為86.4%,1 mol甲烷燃燒釋放的熱量為890.3 kJ，則該電池的比能量為_________kW·h·kg－1[結果保留1位小數，比能量＝
，1 kW·h＝3.6×106 J]。
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14作業7　常見化學電源(二)——形形色色的燃料電池
(分值：100分)
(選擇題1～8題，每小題6分，9～12題，每小題7分，共76分)
題組一　氫氧燃料電池
1．(2023·金華高二檢測)氫氧燃料電池可以應用在宇宙飛船上，下列說法正確的是(　　)
A．電池負極發生還原反應
B．電池可以連續使用
C．正極附近溶液的pH減小
D．消耗5.6 L氫氣時轉移的電子數為0.5NA
2.第16屆海南國際車展上展出了中國研制的新型燃料電池汽車，該車裝有“綠色心臟”——質子交換膜燃料電池。某種質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極發生氧化反應
B．正極反應為O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C．質子(H＋)通過質子交換膜移動到a極
D．該燃料電池的能量轉化率可達到100%
題組二　其他無機還原劑燃料電池
3．NH3-O2燃料電池裝置如圖所示，下列說法錯誤的是(　　)
A．電池工作時，O2得到電子，發生還原反應
B．電極b上的電極反應式為2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O
C．燃料電池能量之間的轉化是將電能轉化為化學能
D．電池工作時，溶液中的Na＋向電極a遷移
4．某新型燃料電池利用民用燃氣為燃料，其工作原理如圖所示，下列說法錯誤的是(　　)
A．通入空氣的電極為該電池的正極
B．電池工作時，電子由b極經電解質流向a極
C．CO在b極的反應式為CO－2e－＋O2－===CO2
D．相同狀況下a極消耗1 L O2，理論上b極消耗2 L燃料
題組三　有機化合物燃料電池
5．甲醇燃料電池在堿性條件下的電池反應為2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。則下列有關說法不正確的是(　　)
A．O2在正極參與反應
B．該電池使用一段時間后溶液pH變小
C．負極反應為CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
D．每轉移0.6 mol電子，則消耗氧氣的體積為3.36 L
6．內重整碳酸鹽燃料電池(熔融Li2CO3和K2CO3為電解質)的工作原理如圖所示，下列說法不正確的是(　　)
A．空氣極為正極，發生還原反應
B．以甲烷為燃料氣時，負極區發生的反應有：CH4＋2H2OCO2＋4H2
C．該電池使用過程中需補充CO
D．空氣極發生的電極反應為O2＋4e－＋2CO2===2CO
7．新型NaBH4/H2O2燃料電池(DBFC)的結構如圖，該電池總反應為NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O。下列有關說法正確的是(　　)
A．電池正極區的電極反應為BH＋8OH－－8e－===BO＋6H2O
B．電極B為負極，MnO2層的作用是提高原電池的工作效率
C．燃料電池每消耗3 mol H2O2，理論上電路中通過的電子數為6NA
D．燃料電池在放電過程中，Na＋從正極區向負極區遷移
8.以N2和H2為反應物、溶有A的稀鹽酸為電解質溶液，可制成能固氮的新型燃料電池，原理如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A．b電極為負極，發生氧化反應
B．a電極發生的反應為N2＋8H＋＋6e－===2NH
C．A溶液中所含溶質為NH4Cl
D．當反應消耗1 mol N2時，則消耗的H2為67.2 L
9.某化工實驗室設計了一種新型雙微生物燃料電池裝置，能夠同時消除養殖場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，電子由a極經導線流向b極，H＋由b極經質子交換膜流向a極
B．a極的電極反應式為C6H5CHO＋13H2O＋32e－===7CO2＋32H＋
C．a極消耗的C6H5CHO和b極消耗的NO的物質的量之比為5∶32
D．該電池裝置在加熱條件下工作效率會更高
10．直接煤-空氣燃料電池原理如圖所示，下列說法錯誤的是(　　)
A．隨著反應的進行，氧化物電解質的量不斷減少
B．負極的電極反應式為C＋2CO－4e－===3CO2
C．電極X為負極，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電的能量效率高
11．瓦斯分析儀能夠測量煤礦巷道中甲烷的濃度。該瓦斯分析儀工作原理類似燃料電池，其裝置如圖所示，其中的固體電解質是Y2O3-Na2O，O2－可以在其中自由移動。下列有關敘述正確的是(　　)
A．電極a的反應式為CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
B．電極b是正極，O2－由電極a流向電極b
C．當固體電解質中有1 mol O2－通過時，轉移2 mol電子
D．瓦斯分析儀工作時，電子由電極b流向電極a
12．(2023·成都高二質檢)我國科學家設計的一種甲酸(HCOOH)燃料電池如圖所示(半透膜只允許K＋、H＋通過)，下列說法錯誤的是(　　)
A．物質A可以是硫酸氫鉀
B．左側為電池負極，HCOO－發生氧化反應生成HCO
C．該燃料電池的總反應為2HCOOH＋O2＋2OH－===2HCO＋2H2O
D．右側每消耗11.2 L O2(標準狀況)，左側有1 mol K＋通過半透膜移向右側
13．(6分)以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型燃料電池成本大大低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池。一種以甲烷為燃料的電池裝置示意圖如下：
(1)M口通入的氣體是__________(填化學式)。
(2)外電路中電流的流向是______________(填“由a極到b極”或“由b極到a極”)。
(3)若KOH轉化為正鹽，則消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液時，需要標準狀況下CH4的體積是______________。
14．(18分)電池是人類生產和生活中重要的能量來源。各式各樣電池的發明是化學對人類的一項重大貢獻。按要求回答下列問題。
(1)燃料電池有節能、超低污染、噪聲低、使用壽命長等優點。某甲醇燃料電池工作原理如圖1所示。Pt電極是電池的__________極， Pt電極反應式為_____________________。
如果該電池工作時電路中通過2 mol電子，則消耗的CH3OH的物質的量為__________mol。
(2)某新型固體燃料電池的電解質是固體氧化鋯和氧化釔，高溫下允許氧離子(O2－)在其間通過。如圖2所示，其中多孔電極不參與電極反應。寫出該反應的負極反應式：_________，當有16 g甲醇發生反應時，則理論上提供的電量為________(1個電子的電量為1.6×10－19 C，結果保留3位有效數字)。
(3)一氧化氮-空氣質子交換膜燃料電池將化學能轉化為電能的同時，實現了制硝酸、發電、環保三位一體的結合，其工作原理如圖3所示，寫出放電過程中負極的電極反應式：_________，若過程中產生2 mol HNO3，則消耗標準狀況下O2的體積為__________L。
(4)(4分)以CH4(g)為燃料可以設計甲烷燃料電池，該電池以稀H2SO4作電解質溶液，電池的能量轉換效率為86.4%,1 mol甲烷燃燒釋放的熱量為890.3 kJ，則該電池的比能量為______________kW·h·kg－1[結果保留1位小數，比能量＝，1 kW·h＝3.6×106 J]。
作業7　常見化學電源(二)——形形色色的燃料電池
1．B　2.A　3.C　4.B　5.D　6.C　7.C　8.D　9.C　10.A
11．C　12.D
13．(1)CH4　(2)由b極到a極　(3)2.24 L
解析　原電池中陰離子向負極移動、陽離子向正極移動，根據K＋、OH－的移動方向，可知a是負極、b是正極。(1)甲烷燃料電池中，甲烷發生氧化反應，應在負極M口通入。(3)若KOH轉化為正鹽，總反應為CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液時，需要甲烷的物質的量是＝0.1 mol，標準狀況下CH4的體積是0.1 mol×22.4 L·mol－1＝2.24 L。
14．(1)負　O2＋4H＋＋4e－===2H2O　　(2)CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O　2.89×105 C　(3)NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋　33.6　(4)13.4
解析　(1)Pt電極的原料為甲醇和水，產物為二氧化碳、氫離子，則Pt為負極；Pt電極的原料為氫離子和氧氣，產物為水，則電極反應式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O；工作時C元素化合價由－2價升高到＋4價，失去6個電子，則轉移2 mol電子，需要 mol甲醇。(2)由圖知，燃料電池中的燃料為甲醇，其負極反應式為CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O；16 g甲醇的物質的量為，由負極反應式可知，1 mol甲醇反應時，轉移6 mol電子，1個電子的電量為1.6×10－19 C，則所求電量為×6×6.02×1023 mol－1×1.6× 10－19 C≈2.89×105 C。(3)由原電池的工作原理圖示可知，左端的鉑電極為負極，其電極反應式為NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，當過程中產生2 mol HNO3時轉移6 mol e－，需要 1.5 mol O2參與反應，標準狀況下的體積為33.6 L。(4)1 mol甲烷燃燒輸出的電能約為≈0.214 kW·h，比能量＝ ≈13.4 kW·h·kg－1。

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