第3课时 常见化学电源(二)——形形色色的燃料电池
核心素养发展目标
1.理解常见的氢氧燃料电池的工作原理，并能设计简易氢氧燃料电池。2.会书写不同介质条件下，燃料电池的电极反应。一、制作简易氢氧燃料电池，并分析其工作原理1．燃料电池的概念燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。2．燃料电池的特点(1)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出。(2)能量转换率高(>80%)，排放的废弃物少。3．制作简易氢氧燃料电池设计如表中的装置图，试管A、B中的电极为多孔的石墨惰性电极 实验操作 实验装置 实验现象与结论 闭合K1，断开K2，通入电流，电解水，制备H2和O2。KOH 溶液的作用：增强导电性 A、B两试管中均产生无色气体，且B中气体体积较大。结论：A中为O2，B中为H2 电解一段时间后，A、B中均有气体包围电极，切断K1，闭合K2 检流计的指针偏转，A、B两试管中气体体积逐渐减小。结论：H2和O2发生原电池反应产生电流分析该氢氧燃料电池的工作原理：电池反应：2H2＋O2===2H2O；负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O；正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；离子导体：KOH溶液。1.燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示，a、b均为惰性电极。(1)负极是________(填“a”或“b”)。(2)b极的电极反应式是____________________________________________________。(3)标准状况下，消耗11.2 L H2时，转移的电子数为________。答案 (1)a (2)O2＋2H2O＋4e－===4OH－ (3)6.02×1023(或NA)解析 (1)氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为负极，则a为负极。(2)b电极上，O2得电子结合水生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(3)该原电池负极反应为H2－2e－＋2OH－===2H2O，标准状况下消耗11.2 L H2时，转移电子数为6.02×1023。2．下面为3种燃料电池的工作原理示意图。(1)A中，电池内部传导的离子是______，负极的电极反应式为______________。(2)B中，电池内部传导的离子是______，正极的电极反应式为______________。(3)C中，电池内部传导的离子是______，正极的电极反应式为______________。答案 (1)O2－ H2－2e－＋O2－===H2O(2)H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O(3)CO O2＋4e－＋2CO2===2CO二、其他新型燃料电池1．甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。(1)在酸性介质中负极反应式：____________________________________________________________；正极反应式：____________________________________________________________；总反应式：______________________________________________________________。答案 (1)CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋2O2＋8H＋＋8e－===4H2OCH4＋2O2===CO2＋2H2O(2)在碱性(KOH溶液)介质中负极反应式：____________________________________________________________；正极反应式：____________________________________________________________；总反应式：______________________________________________________________。答案 (2)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O2O2＋4H2O＋8e－===8OH－CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O在酸性介质和碱性介质中甲烷燃料电池的总反应不同，酸性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO2，碱性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO。2.一种固体电解质燃料电池的构造示意图如图所示。该电池以稀土金属材料作电极，两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2－。负极反应式：____________________________________________________________；正极反应式：____________________________________________________________；总反应式：______________________________________________________________。答案 CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O2O2＋8e－===4O2－CH4＋2O2===CO2＋2H2O3．一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示。(1)电池工作时，外电路上电流的方向应从电极________(填“A”或“B”，下同)流向用电器。(2)CO向电极________移动。(3)电极A上CO参与的电极反应为___________________________________________。答案 (1)B (2)A (3)CO－2e－＋CO===2CO2燃料电池电极反应式书写的方法第一步：写出燃料电池的总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加和后的反应。第二步：写出电池的正极反应式正极反应物一般为氧气得电子，介质不同时其电极反应式有所不同，如：酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－；熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。1．甲醇是重要的工业原料，利用甲醇设计的燃料电池具有启动快、效率高等优点，该电池的电解质为H2SO4溶液。下列说法正确的是( )A．负极区溶液的pH减小B．溶液中SO向正极移动C．正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑D．该电池工作时，消耗1 mol CH3OH的同时生成11.2 L CO2(标准状况)答案 A解析 酸性甲醇燃料电池中，O2在正极发生还原反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，CH3OH在负极发生氧化反应：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，负极生成H＋，溶液pH减小，A正确、C错误；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则溶液中SO向负极移动，B错误；由负极反应式可知，消耗1 mol CH3OH的同时生成1 mol CO2，标准状况下体积为22.4 L，D错误。2.某学习小组以肼(N2H4)为原料设计了一种燃料电池，构造如图所示。其中两个电极均为铂电极，电池的总反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列说法错误的是( )A．通入N2H4的一极是电池的负极B．通入O2的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．电池工作一段时间后电解质溶液的pH将变大D．若消耗16 g N2H4，则理论上转移2 mol电子答案 C解析 通入O2的电极为正极，O2得电子与水反应生成OH－，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正确；电池工作时，总反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O，一段时间后电解质溶液中OH－的物质的量不变，但水的质量增加，则c(OH－)减小，pH将变小，C错误；由总反应式可建立如下关系式：N2H4～4e－，若消耗16 g N2H4，则理论上转移×4＝2 mol电子，D正确。3.热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸。下列说法不正确的是( )A．电极b周围溶液pH变大B．溶液中H＋由a极区向b极区迁移C．电极a的电极反应式是SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SOD．一段时间后，a极消耗的SO2与b极消耗的O2物质的量相等答案 D解析 电极b为正极，电极反应为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，电极b周围溶液pH变大，左侧区域产生的H＋经过阳离子交换膜进入右侧区域，A、B正确；电极a作负极，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，C正确；根据得失电子总数相等可知，一段时间后，a极消耗的SO2的物质的量是b极消耗的O2的2倍，D错误。(选择题1～8题，每小题6分，9～12题，每小题7分，共76分)题组一 氢氧燃料电池1．(2023·金华高二检测)氢氧燃料电池可以应用在宇宙飞船上，下列说法正确的是( )A．电池负极发生还原反应B．电池可以连续使用C．正极附近溶液的pH减小D．消耗5.6 L氢气时转移的电子数为0.5NA答案 B解析 电池负极失去电子发生氧化反应，A错误；在氢氧燃料电池中，由于燃料及氧化剂在装置外，可以不断补充，因此该电池能够连续使用，B正确；正极附近溶液的pH增大，C错误；未说明H2所处的外界条件，D错误。2.第16届海南国际车展上展出了中国研制的新型燃料电池汽车，该车装有“绿色心脏”——质子交换膜燃料电池。某种质子交换膜燃料电池如图所示。下列说法正确的是( )A．该电池的a极发生氧化反应B．正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－C．质子(H＋)通过质子交换膜移动到a极D．该燃料电池的能量转化率可达到100%答案 A解析 该电池的a极上氢气失电子生成氢离子，发生氧化反应，故A正确；电解质溶液呈酸性，正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故B错误；在原电池中阳离子向正极移动，即氢离子通过质子交换膜移动到正极b，故C错误；电池中存在化学能转化为热能的能量转化，则化学能不可能100%转化为电能，故D错误。题组二 其他无机还原剂燃料电池3．NH3-O2燃料电池装置如图所示，下列说法错误的是( )A．电池工作时，O2得到电子，发生还原反应B．电极b上的电极反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2OC．燃料电池能量之间的转化是将电能转化为化学能D．电池工作时，溶液中的Na＋向电极a迁移答案 C解析 电极b上氨气中氮元素失去电子，生成氮气，电解质溶液为NaOH溶液，电极反应为2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O，故B正确；燃料电池将化学能转化为电能，C项错误；原电池工作时，阳离子移向正极，故Na＋向电极a移动，故D正确。4．某新型燃料电池利用民用燃气为燃料，其工作原理如图所示，下列说法错误的是( )A．通入空气的电极为该电池的正极B．电池工作时，电子由b极经电解质流向a极C．CO在b极的反应式为CO－2e－＋O2－===CO2D．相同状况下a极消耗1 L O2，理论上b极消耗2 L燃料答案 B解析 燃料电池中，通入空气的电极为该电池的正极，A正确；电池工作时，电子由b极经外电路流向a极，B错误；CO在b极被氧化为CO2，电极反应式为CO－2e－＋O2－===CO2，C正确；H2、CO与O2发生反应生成H2O、CO2时，化学计量数之比均为2∶1，因此相同状况下a极消耗1 L O2的同时，理论上b极消耗2 L燃料，D正确。题组三 有机化合物燃料电池5．甲醇燃料电池在碱性条件下的电池反应为2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。则下列有关说法不正确的是( )A．O2在正极参与反应B．该电池使用一段时间后溶液pH变小C．负极反应为CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2OD．每转移0.6 mol电子，则消耗氧气的体积为3.36 L答案 D解析 根据总反应2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O可知，O元素的化合价降低，通入氧气的电极为原电池的正极，发生还原反应，故A正确；根据总反应可知，该电池使用一段时间后溶液pH变小，故 B正确；碳元素的化合价升高，甲醇为原电池的负极，发生氧化反应，在碱性环境下，负极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O，故C正确；没有注明气体存在的状态，无法计算气体的体积，故D错误。6．内重整碳酸盐燃料电池(熔融Li2CO3和K2CO3为电解质)的工作原理如图所示，下列说法不正确的是( )A．空气极为正极，发生还原反应B．以甲烷为燃料气时，负极区发生的反应有：CH4＋2H2OCO2＋4H2C．该电池使用过程中需补充COD．空气极发生的电极反应为O2＋4e－＋2CO2===2CO答案 C解析 总反应为燃料和氧气反应，所以使用过程中不需补充CO，故C错误。7．新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图，该电池总反应为NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O。下列有关说法正确的是( )A．电池正极区的电极反应为BH＋8OH－－8e－===BO＋6H2OB．电极B为负极，MnO2层的作用是提高原电池的工作效率C．燃料电池每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过的电子数为6NAD．燃料电池在放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移答案 C解析 电池总反应为NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O，结合图示，电极A反应为BH－8e－＋8OH－===BO＋6H2O，电极A为负极，A错误；电极B反应式为H2O2＋2e－===2OH－，电极B为正极，B错误；反应中H2O2中O元素的化合价由－1价降低为－2价，每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过电子的物质的量为6 mol，数目为6NA，C正确；燃料电池在放电过程中，阳离子Na＋从负极区向正极区迁移，D错误。8.以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃料电池，原理如图所示。下列说法错误的是( )A．b电极为负极，发生氧化反应B．a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－===2NHC．A溶液中所含溶质为NH4ClD．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L答案 D解析 A项，此电池总反应式是N2＋3H2＋2HCl===2NH4Cl，氢气中氢元素的化合价升高，根据原电池的工作原理，因此b极为负极，发生氧化反应，正确；B项，酸性环境下a极反应式为N2＋8H＋＋6e－===2NH，正确；C项，根据总反应式知，分离出的A为NH4Cl，正确；D项，题目没有说明是否是标准状况，错误。9.某化工实验室设计了一种新型双微生物燃料电池装置，能够同时消除养殖场含氮污水和化工厂含醛类废水，工作原理如图所示。下列说法正确的是( )A．电池工作时，电子由a极经导线流向b极，H＋由b极经质子交换膜流向a极B．a极的电极反应式为C6H5CHO＋13H2O＋32e－===7CO2＋32H＋C．a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的NO的物质的量之比为5∶32D．该电池装置在加热条件下工作效率会更高答案 C解析 在b极硝酸根离子中氮元素化合价由＋5价降低为0价，则该电极为正极，电极a为负极，电子由a极经导线流向b极，H＋移向正极，即b电极，A错误；a极为负极，电极反应式为C6H5CHO＋13H2O－32e－===7CO2＋32H＋，B错误；b电极为正极，1个硝酸根离子转移5个电子，a电极1个C6H5CHO转移32个电子，根据两个电极转移电子数相等可知a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的NO的物质的量之比为5∶32，C正确；加热时微生物会变性，效率会降低，D错误。10．直接煤-空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是( )A．随着反应的进行，氧化物电解质的量不断减少B．负极的电极反应式为C＋2CO－4e－===3CO2C．电极X为负极，O2－向X极迁移D．直接煤-空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高答案 A解析 随着反应的进行，氧化物电解质的量不会减少，故A错误；由原理图分析可知，其负极反应式为C＋2CO－4e－===3CO2，故B正确；原电池内部的阴离子向负极移动，故C正确；直接煤-空气燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，故D正确。11．瓦斯分析仪能够测量煤矿巷道中甲烷的浓度。该瓦斯分析仪工作原理类似燃料电池，其装置如图所示，其中的固体电解质是Y2O3-Na2O，O2－可以在其中自由移动。下列有关叙述正确的是( )A．电极a的反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2OB．电极b是正极，O2－由电极a流向电极bC．当固体电解质中有1 mol O2－通过时，转移2 mol电子D．瓦斯分析仪工作时，电子由电极b流向电极a答案 C解析 甲烷所在电极a为负极，电极反应为CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O ，故A错误；该电池中a为负极，b为正极，O2－由电极b流向电极a ，故B错误；1 mol O2得4 mol电子生成2 mol O2－，故当固体电解质中有1 mol O2－通过时，转移2 mol电子，故C正确；电子从负极流向正极，所以电池外电路中电子由电极a流向电极b ，故D错误。12．(2023·成都高二质检)我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K＋、H＋通过)，下列说法错误的是( )A．物质A可以是硫酸氢钾B．左侧为电池负极，HCOO－发生氧化反应生成HCOC．该燃料电池的总反应为2HCOOH＋O2＋2OH－===2HCO＋2H2OD．右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，左侧有1 mol K＋通过半透膜移向右侧答案 D解析 HCOOH碱性燃料电池中，左侧电极HCOO－失去电子生成HCO，所在电极为负极，电极反应式为HCOO－＋2OH－－2e－===HCO＋H2O，B正确；由图可知，原电池工作时K＋通过半透膜移向正极(右侧)，右侧电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，从装置中分离出的物质为K2SO4，放电过程中需补充的物质A是H2SO4或硫酸氢钾，A正确；右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，其物质的量是0.5 mol，转移2 mol电子，左侧有2 mol K＋通过半透膜移向右侧，D错误。13．(6分)以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型燃料电池成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池。一种以甲烷为燃料的电池装置示意图如下：(1)M口通入的气体是__________(填化学式)。(2)外电路中电流的流向是______________(填“由a极到b极”或“由b极到a极”)。(3)若KOH转化为正盐，则消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液时，需要标准状况下CH4的体积是______________。答案 (1)CH4 (2)由b极到a极 (3)2.24 L解析 原电池中阴离子向负极移动、阳离子向正极移动，根据K＋、OH－的移动方向，可知a是负极、b是正极。(1)甲烷燃料电池中，甲烷发生氧化反应，应在负极M口通入。(3)若KOH转化为正盐，总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液时，需要甲烷的物质的量是＝0.1 mol，标准状况下CH4的体积是0.1 mol×22.4 L·mol－1＝2.24 L。14．(18分)电池是人类生产和生活中重要的能量来源。各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。按要求回答下列问题。(1)燃料电池有节能、超低污染、噪声低、使用寿命长等优点。某甲醇燃料电池工作原理如图1所示。Pt电极是电池的__________极， Pt电极反应式为_____________________。如果该电池工作时电路中通过2 mol电子，则消耗的CH3OH的物质的量为__________mol。(2)某新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。如图2所示，其中多孔电极不参与电极反应。写出该反应的负极反应式：_________，当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量为________(1个电子的电量为1.6×10－19 C，结果保留3位有效数字)。(3)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图3所示，写出放电过程中负极的电极反应式：_________，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为__________L。(4)(4分)以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，电池的能量转换效率为86.4%,1 mol甲烷燃烧释放的热量为890.3 kJ，则该电池的比能量为______________kW·h·kg－1
结果保留1位小数，比能量＝，1 kW·h＝3.6×106 J
。答案 (1)负 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(a)电极的原料为甲醇和水，产物为二氧化碳、氢离子，则Pt(a)为负极；Pt(b)电极的原料为氢离子和氧气，产物为水，则电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；工作时C元素化合价由－2价升高到＋4价，失去6个电子，则转移2 mol电子，需要 mol甲醇。(2)由图知，燃料电池中的燃料为甲醇，其负极反应式为CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O；16 g甲醇的物质的量为，由负极反应式可知，1 mol甲醇反应时，转移6 mol电子，1个电子的电量为1.6×10－19 C，则所求电量为×6×6.02×1023 mol－1×1.6× 10－19 C≈2.89×105 C。(3)由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，当过程中产生2 mol HNO3时转移6 mol e－，需要 1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。(4)1 mol甲烷燃烧输出的电能约为≈0.214 kW·h，比能量＝≈13.4 kW·h·kg－1。学科网（北京）股份有限公司$
