10燃料电池电极反应式书写解题模型

燃料电池电极反应式书写解题模型燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能直接转换成电能，能量转化效率高，燃料和空气分别送进燃料电池，它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术，有关燃料电池电极反应式也应运而生。第一步：写出电池总反应式。燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应如下：CH4＋2O2=CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②①＋②可得甲烷燃料电池的总反应式：CH4＋2O2＋2NaOH=Na2CO3＋3H2O。第二步：写出电池的正极反应式。根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，因电解质溶液不同，故其电极反应也会有所不同：(1)酸性电解质：O2＋4H＋＋4e－=2H2O。(2)碱性电解质：O2＋2H2O＋4e－=4OH－。(3)固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－=2O2－。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。第三步：得出电池的负极反应式。电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。【例1】目前，我们日常生活中使用的电能主要还是来自火力发电，火力发电是利用化石燃料燃烧，通过蒸汽机将产生的能量转化为电能，能量利用率低；燃料电池可以将燃料的化学能直接转化为电能，能量利用率高。(1)火力发电厂利用燃煤发电，其能量转化形式为化学能→_______→_______→电能。(2)磷酸盐燃料电池(PAFC)是当前商业化发展最快的一种燃料电池，以浓磷酸为电解质，以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极。其优点为构造简单，稳定，电解质挥发度低。磷酸盐燃料电池正极的电极反应式为_______。(3)碱性燃料电池(AFC)是最早进入实用阶段的燃料电池之一，也是最早用于车辆的燃料电池，以KOH、NaOH溶液之类的强碱性溶液为电解质溶液。其优点为性能可靠，具有较高的效率。甲烷碱性燃料电池正极的电极反应式为_______。(4)固体氧化物型燃料电池(SOFC)，其效率更高，可用于航空航天。如图1所示的装置中，以稀土金属材料作惰性电极，在电极上分别通入甲烷和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3和ZrO2的固体，它在高温下能传导O2；A通入的气体为_______，d电极上的电极反应式为_______。(5)熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔陶瓷阳极、金属极板构成的，电解质通常为锂和钾的混合碳酸盐，工作温度为650℃，其工作原理如图2所示，M为电池的_______(填“正极”或“负极”)，N极的电极反应式为_______。【答案】(1)热能机械能(2)O2+4H++(3)O2+2H2O+(4)O2CH4+4O2(5)负极O2+2CO2+【解析】(1)火力发电的原理是发电时，利用燃料加热水产生蒸汽，利用蒸汽推动汽轮机，然后由汽轮机带动发电机发电，其能量转化关系为化学能→热能→机械能→电能；(2)根据题意，参与磷酸盐燃料电池正极的为空气中的氧气，氧气在正极得电子被还原，其在酸性环境下的电极反应为O2+4H++；(3)甲烷碱性燃料电池的正极为O2参与，氧气在正极得电子被还原，其电极反应式为O2+2H2O+；(4)原电池中，电子的移动方向为：经外电路有负极流向正极，电流流向与电子流向相反，图中电流由c经外电路流向d，故c为正极，d为负极，所以A为氧气，B为甲烷，电解质为固体电解质是掺杂了Y2O3和ZrO2的固体，在高温下能穿到O2，则负极电极反应式为CH4+4O2；(5)根据图示，N极通入的是氧气，其化合价只能降低作正极，则M极为负极，电解质为熔融碳酸盐，则正极的电极反应式为O2+2CO2+。【例2】(2020•江苏卷节选)(2)HCOOH燃料电池。研究HCOOH燃料电池性能的装置如图2所示，两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。①电池负极电极反应式为_____________；放电过程中需补充的物质A为_________(填化学式)。②图2所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为_______________。【答案】(2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3+H2OH2SO4②2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCO3+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3【解析】(2)①左侧为负极，碱性环境中HCOOˉ失电子被氧化为HCO3，根据电荷守恒和元素守恒可得电极反应式为HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3+H2O；电池放电过程中，钾离子移向正极，即右侧，根据图示可知右侧的阴离子为硫酸根，而随着硫酸钾不断被排除，硫酸根逐渐减少，铁离子和亚铁离子进行循环，所以需要补充硫酸根，为增强氧气的氧化性，溶液最好显酸性，则物质A为H2SO4；②根据装置图可知电池放电的本质是HCOOH在碱性环境中被氧气氧化为HCO3，根据电子守恒和电荷守恒可得离子方程式为2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCO3+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3。1．(2023·浙江省杭州市高三摸底考试)微生物燃料电池(MFC)耦合人工湿地(CW)系统可用于生产、生活废水处理并提供电能，系统内产电微生物由根沉积物和废水提供，其原理如图所示：下列有关叙述正确的是()A．MFCCW系统中电子由A极流向B极B．若A极处溶解O2不足，则电路中无电流通过C．若电路中转移，则A极消耗O21.12LD．B极反应式为CH3COO+2H2O8↑【答案】D【解析】A项，在原电池中，电子由负极(B电极)经导线流向正极(A电极)，A错误；B项，若A极处(即好氧上部)O2不充足，可发生H+得电子的反应，生成H2，也可构成原电池，有微弱电流通过，B错误；C项，没有说明是标准状况，没办法计算，C错误；D项，根据分析可知，B电极的电极反应式为CH3COO+2H2O8↑，D正确；故选D。2．(2022·吉林一中高三模拟)一种由石墨电极制成的海底燃料电池的装置如图所示。下列说法正确的是()A．向b极迁移的是H+B．大块沉积物中的铁均显+2价C．b极上FeS2转化为S的电极反应式为FeS22e=Fe2++2SD．微生物作用下S循环(歧化)生成的n(SO42)和n(HS)之比为1：5【答案】C【解析】该装置为海底燃料电池，a极发生还原反应，作为正极，b电极为负极。A项，原电池中离子的移动方向为阳离子向正极移动，即向a极迁移的是H+，A错误；B项，大块沉积物中FeOOH中铁元素的化合价为+3价，B错误；C项，b极上FeS2转化为S，失去电子，发生氧化反应，电子守恒和原子守恒后，得电极反应式为：FeS22e=Fe2++2S，C正确；D项，S发生歧化反应，生成1molSO42失电子数为6mol，生成1molHS得电子数为2mol，得失电子数须相同，则(SO42)和n(HS)之比为1：3，D错误；故选C。3．(2022·福建省厦门市高三模拟)可同步实现除污脱氮和产电的双阴极微生物燃料电池的工作原理如图，下列说法不正确的是()A．工作过程中由厌氧室分别向缺氧室和好氧室迁移B．理论上，厌氧室消耗1molC6H12O6，外电路转移24moleC．缺氧室中电极发生的反应为2NO3+12H++10e=N2↑+6H2OD．好氧室在电极上得电子的微粒有O2和NH4+【答案】D【解析】根据左侧缺氧室NO3→N2可得N元素化合价降低，则为正极，左侧缺氧阴极发生的电极反应为2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，右侧好氧阴极为正极，发生的反应为O2+4e+4H+=2H2O，电极附近还发生NH4++3H2O8e=NO+10H+，中间厌氧阳极为负极，厌氧阳极上有机污染物发生失电子的氧化反应生成CO2和H+。A项，该装置为原电池，阳离子移向正极，左侧缺氧室和右侧好氧室均为正极，则H+由厌氧室分别向缺氧室和好氧室迁移，故A正确；B项，厌氧阳极上葡萄糖发生失电子的氧化反应生成CO2和H+，电极反应式为C6H12O6+6H2O24e═6CO2+24H+，消耗1molC6H12O6，外电路转移24mole，故B正确；C项，左侧缺氧室NO3→N2中N元素化合价降低，得电子发生还原反应，电极反应式为2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，故C正确；D项，“由图可知，厌氧阳极上提供的电子分别转移到“好氧阴极”和“缺氧阴极”上，并且“好氧阴极”发生反应为O2+4e+4H+=2H2O，电极附近还发生NH4++3H2O8e=NO+10H+，其中NH4+失电子，故D错误；故选D。4．(2022·山东省枣庄市一模)采用情性电极，设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮的装置如图所示，其中硝化过程中NH4+被O2氧化。下列说法正确的是()A．电极M和P均为燃料电池正极B．P存在电极反应：NH4+6e+2H2O=NO2+8H+C．若乙室消耗1mol葡萄糖，则最多有24molH+进入甲室D．若丙室消耗标准状况下44.8LO2，则至少有1molNH4+完全转化为NO3【答案】A【解析】根据原电池图可知，甲室缺氧电极M上由NO3到NO2，再转化为N2，则电极M上发生还原反应，为正极，丙室好氧电极P上O2转化为H2O，发生还原反应，也为正极，中间乙室厌氧电极N上发生由葡萄糖转化为CO2，发生氧化反应，故为负极，乙室厌氧阳极N上葡萄糖发生失电子的氧化反应生成CO2和H+，电极反应式为C6H12O6+6H2O24e═6CO2+24H+，甲室缺氧电极M发生的反应为2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，丙室好氧电极P发生的反应为O2+4e+4H+=2H2O，同时O2还可能氧化NH4+生成NO2，NO2甚至还可以进一步被O2氧化为NO3，反应方程式为：2NH4++3O2=2NO2+2H2O+4H+，2NO2+O2=2NO3电池工作中“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，NH4+和电极之间存在着对O2的竞争。A项，电极M和P均为燃料电池正极，A正确；B项，由题干信息可知，硝化过程中NH4+被O2氧化，P存在反应为：2NH4++3O2=2NO2+2H2O+4H+，2NO2+O2=2NO3，B错误；C项，C6H12O6+6H2O24e═6CO2+24H+，若乙室消耗1mol葡萄糖，则乙室产生24molH+，原电池中阳离子移向正极，由于“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，则不可能H+全部进入甲室，即不可能有24molH+进入甲室，C错误；D项，若丙室消耗标准状况下44.8LO2其物质的量为：=2mol，NH4++2O2=NO3+H2O+2H+，由于NH4+和电极之间存在着对O2的竞争，故可知则最多有1molNH4+完全转化为NO3，D错误；故选A。5．熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由多孔陶瓷NiO阴极、多孔陶瓷电解质(熔融碱金属碳酸盐)隔膜、多孔金属Ni阳极、金属极板构成的燃料电池。工作时，该电池的阴极(正极)反应为O2+2CO2+4e=2CO32，下列有关说法中错误的是()A．该电池较高的工作温度加快了阴、阳极的反应速率B．该类电池的H2不能用CO、CH4等替代C．该电池工作时，要避免H2、O2的接触D．放电时，阳极(负极)反应式为2H2+2CO324e=2CO2+2H2O【答案】B【解析】该燃料电池中，通入燃料氢气的电极是负极，通入氧化剂氧气的电极是正极，负极反应式为H22e+CO32=CO2+H2O，正极反应式为O2+2CO2+4e═2CO32，放电时，电解质中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。A项，升高温度能加快反应速率，该电池较高的工作温度加快了阴、阳极的反应速率，故A正确；B项，还原性物质在负极发生氧化反应，该类电池的H2可以用CO、CH4等替代，故B错误；C项，H2、O2混合物在一定条件下可能发生爆炸，该电池工作时，要避免H2、O2的接触，防止爆炸，产生安全事故，故C正确；D项，放电时，氢气失电子发生氧化反应，阳极(负极)反应式为2H2+2CO324e=2CO2+2H2O，故D正确；故选B。6．一种三室微生物燃料电池污水净化系统的原理如图所示，图中含酚废水中的有机物可用C6H5OH表示。下列说法不正确的是A．左侧电极为负极，苯酚发生氧化反应B．左侧离子交换膜为阴离子交换膜C．右侧电极的电极反应式：2NO3+10e+12H+=N2+6H2OD．左右两侧电极附近溶液的pH均升高【答案】D【解析】A项，根据装置图可知在左侧电极上苯酚失去电子被氧化，发生氧化反应，因此左侧电极为负极，A正确；B项，向其中加入NaCl溶液，Na+向正极移动，Cl向负极移动。根据选项A分析可知左侧电极为负极，所以左侧离子交换膜为阴离子交换膜，B正确；C项，在右侧电极上NO3得到电子被还原产生N2，则右侧电极的电极反应式是：2NO3+10e+12H+=N2↑+6H2O，C正确；D项，在左侧电极上苯酚被氧化产生CO2气体，电极反应式是：C6H5OH28e+11H2O=6CO2↑+28H+，反应产生H+使溶液酸性增强，溶液pH减小，D错误；故选D。7．(2022·四川省泸县第二中学模拟预测)沉积物微生物燃料电池可处理含硫废水，其工作原理如图所示。下列说法错误的是()A．碳棒b为该微生物电池的正极B．碳棒a上有反应：FeSx2xe=Fe2++xS(x≥2)C．电流方向：碳棒b→电阻→碳棒a→含水沉积物→碳棒bD．氧气的含量、光照强度会影响电池的功率【答案】B【解析】A项，O2在碳棒b得电子生成水，说明碳棒b为该微生物电池的正极，故A正确；B项，电极反应式FeSx2xe=Fe2++xS(x≥2)不满足电荷守恒，故B错误；C项，碳棒a失电子是负极，碳棒b得电子是正极，电流方向是从正极经外电路流向负极即碳棒b→电阻→碳棒a→含水沉积物→碳棒b，故C正确；D项，由图可知，CO2在光照和光合菌的作用下反应生成氧气，氧气在在正极得电子生成水，光照强度越强，光合作用越强，所以氧气的含量、光照强度会影响电池的功率，故D正确；故选B。8．(2023·河北省衡水中学模拟)研究微生物燃料电池不仅可以获得高效能源，同时还可对污水、餐厅废弃物等进行科学处理。利用微生物燃料电池原理处理含乙酸的废水的示意图如图所示。下列说法正确的是()A．工作时，H+由b极区移向a极区B．负极反应为[Fe(CN)6]3+e=[Fe(CN)6]4C．消耗0.1molCH3COOH，a极区质量减小9.6gD．放电过程中，b极附近溶液的pH变大【答案】C【解析】该原电池中，还原剂CH3COOH在负极失去电子发生氧化反应转化为CO2，电子从负极流出，电子沿着导线流向正极，正极上[Fe(CN)6]3作氧化剂得到电子发生还原反应生成[Fe(CN)6]4，内电路中阳离子移向正极。A项，工作时，a极区为负极区，b极区为正极区，H+由a极区移向b极区，故A错误；B项，正极反应为[Fe(CN)6]3+e=[Fe(CN)6]4，故B错误；C项，负极电极反应为CH3COOH8e+2H2O=2CO2↑+8H+，每消耗1molCH3COOH，a板区释放2molCO2气体、8molH+从a极区移向b极区，a极区质量减小2mol×44g·mol1+8mol×1g·mol1=96g，则消耗0.1molCH3COOH，a极区质量减小9.6g，故C正确；D项，放电过程中，b极附近溶液的氢离子浓度增大，pH变小，故D错误；故选C。9．(2023·内蒙古呼和浩特市联考)研究微生物燃料电池不仅可以获得高效能源，还能对工业污水等进行处理。利用微生物燃料电池处理含硫废水并电解制备KIO3的原理如图所示，下列说法不正确的是()A．光照强度大小影响KIO3的制备速率B．电极N处发生电极反应S6e+4H2O=SO42+8H+C．右池中K+通过阳离子交换膜从P极移向Q极D．不考虑损耗，电路中每消耗1molO2，理论上Q极可制得171.2gKIO3【答案】C【解析】石墨电极M处，CO2在光合菌、光照条件下转化为O2，O2在M极放电生成H2O，发生还原反应，M为正极，正极电极反应式为O2+4e+4H+=2H2O，N极为负极，硫氧化菌将FeSx氧化为S，硫再放电生成SO42，负极电极反应式为S6e+4H2O=SO42+8H+，H+通过质子交换膜由右室移向左室；铂电极P为阴极，铂电极Q为阳极，阴极反应式为2H2O+2e=H2↑+2OH，阳极反应式为I2+12OH10e=2IO3+6H2O，阴极生成氢氧根离子，而阳极生成的IO3比消耗的OH少，溶液中K+通过阳离子交换膜从Q极移向P极。A项，光照强度大小影响单位时间内生成氧气的量，即影响电流强度，会影响KIO3的制备速率，故A正确；B项，N极为负极，硫氧化菌将FeSx氧化为S，硫再放电生成SO42，负极电极反应式为S6e+4H2O=SO42+8H+，故B正确；C项，铂电极P为阴极，铂电极Q为阳极，阴极生成氢氧根离子，而阳极生成的IO3比消耗的OH少，溶液中K+通过阳离子交换膜从Q极移向P极，故C错误；D项，不考虑损耗，电路中每消耗1molO2，转移电子为4mol，阳极反应式为I2+12OH10e=2IO+6H2O，可知生成KIO3为4mol×=0.8mol，理论上Q极可制得KIO3的质量为0.8mol×214g/mol=171.2g，故D正确；故选C。10．微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去除技术，如图为MFC碳氮联合同时去除的氮转化系统原理示意图。A极的电极反应式为___________，A、B两极生成CO2和N2的物质的量之比为___________。【答案】CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋

5∶2【解析】由图可知A极CH3COO－失电子被氧化的电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋；B极电极反应式为2NO3+12H++10e=N2↑+6H2O，根据两极反应式计算，转移相同电子时两极产生的CO2和N2的物质的量比为5:2。11．北京冬奥会赛区内将使用氢燃料清洁能源车辆，某氢氧燃料电池工作示意图如下。请回答下列问题：(1)电极a为电池的___________极(填“正”或“负”)，其电极反应式是___________。(2)向___________极移动(填“a”或“b”)。【答案】(1)负

H2+2OH2e=2H2O(2)a【解析】由图可知，该电池为碱性环境下氢氧燃料电池，电池总反应为2H2+O2=2H2O，则通入H2的失去电子为负极，通入O2的得到电子为正极。(1)电极a通入H2，失去电子为电池的负极；其电极反应式是H2+2OH2e=2H2O；(2)原