燃料电池（课件）

燃料电池燃料电池（Fuelcell），是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能，且废物排放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同基础知识燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同。燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应。基础知识不同类型的燃料电池可有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。在不同的电解质中，燃料电池的电极反应式就有不同的表示方法。因此，在书写燃料电池电极反应式时要特别注意电解质的种类。基础知识以氢氧燃料电池为例，其工作原理是：氢气（可燃物）从负极处失去电子（燃料被氧化掉），这些电子从外电路流到正极；同时，余下的阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。在正极，离子与氧气发生反应并从负极获得电子。基础知识碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。质子交换膜燃料电池（PEMFC）——采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。磷酸燃料电池（PAFC）——采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

固态氧燃料电池（SOFC）——采用固态电解质基础知识⑴燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不经过热能这一种中间形式，所以它的电效率比其它任何形式的发电技术的电效率都高。⑵燃料电池的废物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大减少了对环境的污染。⑶燃料电池中无运动部件，工作时很安静且无机械磨损。

燃料电池是一种新型无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，其投入使用可有效的解决能源危机、污染问题，是继水力、火力、核能发电后的第四类发电——化学能发电，被称为二十一世纪的“绿色电源”。基础知识（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是A．放电过程中，K+均向负极移动B．放电过程中，KOH物质的量均减小C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大

D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L【答案】C电池性能离子移动方向电解质溶液的变化依据电子守恒的计算真题突破（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是A．放电过程中，K+均向负极移动B．放电过程中，KOH物质的量均减小C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反应为：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O真题突破（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是A．放电过程中，K+均向负极移动B．放电过程中，KOH物质的量均减小A．放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；B．根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；真题突破（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2LC．理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量（物质的量表达式）分别是：

通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；D．

根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；【答案】C真题突破（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时

还可提供电能B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应

H2+2MV2+=2H++2MV+C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B真题突破（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时

还可提供电能真题突破（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应

H2+2MV2+=2H++2MV+真题突破（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B真题突破解答燃料电池题目的思维模型高频考点1.电极反应2.微粒浓度变化2.电化学计算4.离子移动方向5.电极判断归纳总结书写燃料电池电极反应先写出燃料电池的总反应方程式A再写出燃料电池的正极反应式B在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式C归纳总结因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。归纳总结电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）O2＋2H2O+4e-=4OH-。电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）在酸性环境中O2＋4H++4e-=2H2O电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3和Na2CO3熔融盐混和物）O2＋2CO2+4e-=2CO32-。电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）O2＋4e-=2O2-。燃料电池正极反应式的书写正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是：O2＋4e-=2O2-产物判断规则一般来说，负极反应物一般为燃料，常常含有碳元素和氢元素，有时也含有氧元素。在酸性溶液(如硫酸溶液)下，负极燃料失电子，C元素变为+4价，转化为CO₂；H元素转化为H⁺，氧元素结合H⁺转化为水。在碱性溶液(如氢氧化钠溶液)下，负极燃料失电子，C元素转化为碳酸根离子，+1价的氢元素不能在碱性条件下以离子形态稳定存在，结合OHˉ生成水，氧元素变成氢氧根离子或者水。配平方法电极方程式是一种特殊的离子方程式，满足离子方程式的原子守恒和电荷守恒。因此依据原子守恒和电荷守恒可以配平负极反应方程式。注意在使用电荷守恒时，减去电子的数目相当于加上同等数目的负电荷。如CH₃OH﹣8eˉ+10OHˉ=CO32-+7H₂O，左边为1×8+(－1)×10=-2，有两个负电荷，右边为－2×1=－2，同样有两个负电荷，所以两边电荷守恒。碱性条件下常常用氢氧根调节电荷平衡和氧元素平衡，酸性条件下常常使用氢离子调节电荷平衡和氧元素平衡。得失电子数目的求算燃料分子失电子的数目，可根据整体化合价变化情况进行求算，也可以直接根据分子所含的原子数目进行计算。1mol的CxHyOz失去电子的数目为4x+y－2z(碳四氢一氧减二)。我们可以计算，每个C₃H₈失电子数为4×3+1×8＝20，每个C₂H₅OH分子失电子数为4×2+1×6－2＝12。燃料电池负极反应式的书写微生物燃料电池电极反应式书写微生物燃料电池基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极