《燃料电池》教案

试卷第=page11页，共=sectionpages33页试卷第=page11页，共=sectionpages33页《燃料电池》教案课标解读内容要求：认识不同类型燃料电池实际意义以及应用了解不同类型燃料电池，并应用化学原理分析燃料电池工作原理以及应用2、学业要求：燃料电池的工作原理，电极反应式书写规律，以及燃料电池的综合应用二、教材分析对于燃料电池的引入，新教材采用了格罗夫设计和发明燃料电池的史实和思路，可见，本节有关燃料电池的思考与讨论有利于拉进近学生与科学家、科学史的距离，降低学习难度并发展学生社会态度与责任观。同时第一第二课时引导学生从一种原电池的具体装置抽象形成原电池的一般模型，通过模型的建构，燃料电池内容上可看成是原电池模型在实际应用中的迁移，学生在原有模型建构的基础上迁移来认识并分析实际应用的燃料电池，充分发挥语言、图示和想象等形式来把握原电池工作原理，达到解决实际问题的思维模式，实现从抽象到实践。整个过程由分析实验现象提取原理，蕴涵微观探析与宏观辨识；形成模型并具备思维方法，发展了学生的证据推理与模型认知；再迁移到实际应用，科学探究与创新意识是最终素养体现，因此燃料电池在原电池第三课时显得尤为重要。三、学情分析通过前面学习，学生已经可以分析一种原电池的具体装置，并且基本了解原电池装置基本工作原理，还通过一次电池、二次电池的迁移知道生活中的原电池应用模型，但燃料电池种类多，燃料电池电介质环境各异，学生面对陌生燃料电池的迁移，并在不同电介质环境中书写电极方程式相对困难，模型的迁移应用能力还比较弱。素养目标【教学目标】1、能了解不同类型燃料电池燃料电池的应用2、能根据原电池工作原理分析燃料电池模型3、能书写不同介质燃料电池电极反应方程式【评价目标】通过不同燃料电池原理的观察、分析与讨论，诊断学生对不同类型燃料电池的认识程度。通过不同类型燃料电池的展示，诊断学生分析陌生情境燃料电池工作原理的能力。通过不同电极方程式设计燃料电池，诊断学生证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的素养能力。教学重点、难点重点：燃料电池的应用以及电极反应式书写规律难点：电极反应式书写规律在题型中的应用六、教学方法七、教学思路八、教学过程教学内容教学环节 教学活动设计意图教师活动学生活动导课引入图片《常见燃料电池应用以及阿波罗飞船电池》定义：持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。优点:能量转化率高，可持续提供电能，不污染环境用途:宇宙飞船，应用前景广阔倾听激发学生学习兴趣复习二次电池的知识知识回顾回顾初高中常见的燃料燃烧（甲烷、甲醇）化学方程式进行回顾练习检查学生对已复习知识的掌握情况，为“燃料电池”的学习作铺垫燃料电池经典例析【展示图片】燃料电池种类很多，现以阿波罗氢氧燃料电池为例说明工作原理。【认识氢氧燃料电池】电池总反应：2H2+O2=2H2O(1)碱性介质氢氧燃料电池负极(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O正极(Pt)：O2+2H2O+4e-=4OH-【小结】燃料电池的规律(1)燃料作负极，助燃剂氧气为正极(2)电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子和催化的作用。燃料电池与前几种电池的差别:(1)氧化剂与还原剂在工作时不断补充打破电池容量限制;(2)反应产物不断排出，无污染;(3)能量转化率高(超过80%)，普通燃烧过程能量转换率只有30%，有利于节约能源。【从阿波罗飞船碱性燃料电池探析应用前景】碱性燃料电池优势很明显，为什么不直接进一步使用到载人航天器上？科学家经过长期实践发现，碱性燃料电池生成的水能降低电解质氢氧化钾的浓度，电解质溶液导电能力下降，降低电池内阻可以提高电池工作效率，从而增大电池单位质量输出的电能，电池内阻和离子导体导电性等因素有关，我们就来看一看他们的关系，请看一下表格【过渡】氢离子导电性很强，如果把氢氧燃料电池碱性变为酸性介质，电池反应如何？H+定向移动到正极，在负极生成，在正极消耗(2)酸性介质氢氧燃料电池负极(Pt)：2H2-4e-=4H+正极(Pt)：O2+4H++4e-=2H2O观察图片。思考、分析、理解、倾听。分析燃料电池的工作原理，加深学生对原燃料知识的巩固和运用，培养学生的分析能力。学生主要为听讲及记录笔记为主，利用最简单的燃料电池原理，激发学生对燃料电池的理解，为后续甲醇燃烧的燃料电池电极方程式书写埋下伏笔。由实际的载人航天器阿波罗飞船碱性燃料电池工作原理分析，让学生了解到碱性燃料电池一般用作短寿命的载人航天器电池，存在缺陷，引发认知冲突，从而激发学生思考更换不同电介质，引入不同类型电介质燃料电池的介绍以及电极方程式的书写板书总结电池总反应：2H2+O2=2H2O(1)酸性介质氢氧燃料电池负极(Pt)：2H2-4e-=4H+正极(Pt)：O2+4H++4e-=2H2O(2)碱性介质氢氧燃料电池负极(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O正极(Pt)：O2+2H2O+4e-=4OH-思考，记录笔记。理解电极方程式的写法。书写电极方程式自主学习活动若将上述碱性电池中的气体燃料换成液体甲醇，请写出电极反应式和总反应式2、甲醇燃料电池总反应式：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O正极：2O2+8e-+4H2O=8OH-负极：CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O思考、分析、总结。在酸性介质下的电极方程式相对比较简单，加强学生思考。让学生总结出在碱性介质时不同燃料电极反应方程式，培养学生的理解能力和对比能力。书写电极方程式自主展示若将上述燃料电池中的电解质换成固体氧化锆-氧化钇熔融盐，请写出电极反应式和总反应式3、氧化锆-氧化钇熔融盐介质燃料电池总反应式：2H2+O2=2H2O正极：O2+4e-=2O2-负极：H2-2e-+O2-=H2O思考、分析、总结。让学生总结出虽在不同的介质电极反应方程式培养学生的理解能力和对比能力。变式练习设置情境若将上述燃料电池中的电解质换成熔融的碳酸盐，请写出电极反应式和总反应式总反应：2H2+O2=2H2O正极：O2+4e-+2CO2=2CO32-负极：H2-2e-+2CO32-=H2O+CO2总结归纳攻关秘籍怎样书写燃料电池的电极反应式和总反应式?书写步骤:1、写出燃烧反应;2、根据电解液改写燃料电池总反应;3、写出正极的电极反应式(一般较简单);正极反应一般为:①酸性介质O2+4H++4e-=2H2O②碱性介质O2+2H2O+4e-=4OH-4、由燃料电池总反应减去正极的电极反应式得负极的电极反应式。其它常见化学电源的电极反应式也可据此写出对甲醇燃料电池的变式练习进行思考和分析。培养学生的迁移能力和分析能力巩固练习典型题连接（补充习题）1.。一种以肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示。下列关于该燃料电池的叙述不正确的是DA．电流从右侧电极经过负载流向左侧电极B．负极发生的电极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2OC．该燃料电池的电极材料应采用多孔导电材料，以提高电极反应物质在电极表面的吸附量，并使它们与电解质溶液充分接触D．该燃料电池持续放电时，正极发生氧化反应，碱性减弱学生独立完成通过实际应用迁移，重难点突破情况2、甲醇燃料电池2、甲醇燃料电池总反应：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O正极：3O2+12e-+6H2O=12OH-负极：2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O1、氢氧燃料电池总反应：2H2+O2=2H2O3、氧化锆3、氧化锆-氧化钇熔融盐介质燃料电池总反应式：2H2+O2=2H2O正极：O2+4e-=2O2-负极：H2-2e-+O2-=H2O负极(Pt)：2H2-4e-=4H+正极(Pt)：O2+4H++4e-=2H2O(2)碱性介质氢氧燃料电池负极(Pt)：2H2-4e-+4OH-=4H2O熔融的碳酸盐介质燃料电池总反应：2H2+O2=2H2O正极：O熔融的碳酸盐介质燃料电池总反应：2H2+O2=2H2O正极：O2+4e-+2CO2=2CO32-负极：H2-2e-+2CO32-=H2O+CO2课后练习一、单选题1．氢氧燃料电池是技术上比较成熟，并得到多方面应用的燃料电池，其理论比能量达3600瓦·时/千克，单体电池的工作电压为0.8-0.97伏。下列说法正确的是A．电解水制取氢气是理想而经济的制氢方法B．发展氢氧燃料电池汽车不需要安全高效的储氢技术C．氢氧燃料电池汽车的使用可以有效减少城市空气污染D．氢氧燃料电池把氢气和氧气燃烧放出的热能转化为电能2．下列发电厂(站)的电能由化学能直接转化而成的是ABCD燃料电池发电站地热发电厂风力发电厂水力发电站A．A B．B C．C D．D3．如图为氢氧燃料电池构造示意图，下列有关描述正确的是A．H+向负极移动 B．O2在负极上反应C．反应最终产物是H2O D．电子由正极通过导线流向负极4．氢氧燃料电池已用于航天飞机。以30%KOH溶液为电解质的这种电池在使用时的电极反应如下：2H2＋4OH-－4e-=4H2O、O2＋2H2O＋4e-=4OH-，下列说法错误的是A．氢气通入正极，氧气通入负极B．燃料电池的能量转化率不能达到100%C．供电时的总反应为：2H2＋O2=2H2OD．产物为无污染的水，属于环境友好电池5．阿波罗飞船中使用的燃料电池部分结构的示意图如下，下列说法错误的是A．氢氧燃料电池具有单位质量输出电能高、产物水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供航天员呼吸等优点B．H2SO4溶液导电性好，是早期研究时使用的电解质，因H2SO4腐蚀性强逐渐被KOH溶液替代C．使用多孔碳载镍电极，使气体与溶液能充分接触反应D．氢氧燃料电池连续工作时，其内部的电解质浓度和成分均不会发生变化参考答案1．C【详解】A．电解水会消耗大量的电能，故不经济，A项错误；B．氢气密度小，发展氢氧燃料电池汽车需要安全高效的储氢技术，B项错误；C．氢气的燃烧产物是水，氢燃料电池汽车的使用可以有效减少城市空气污染，C项正确；D．氢氧燃料电池是把化学能转化为电能，D项错误；答案选C。2．A【详解】A．燃料电池发电站是将化学能转化为电能，故A符合题意；B．地热发电厂是地热能转化为电能，故B不符合题意；C．风力发电厂是风能转化为电能，故C不符合题意；D．水力发电站是水能转化为电能，故D不符合题意。综上所述，答案为A。3．C【详解】A．氢氧燃料电池属于原电池，原电池中阳离子向正极移动，故A错误；B．燃料电池中氧气在正极得电子发生还原反应，故B错误；C．氢氧燃料电池总反应为2H2+O2=2H2O，最终产物是H2O，故C正确；D．据图可知电子由负极通过导线流向正极，故D错误；综上所述答案为C。4．A【详解】A．氢气化合价升高，失去电子，发生氧化反应，故氢气通入负极，氧气化合价降低，得到电子，发生还原反应，故氧气通入正极，A错误；B．燃料电池有能量以热量的形式损失，因此燃料电池的能量转化率不能达到100%，B正确；C．将氢氧燃料电池电极反应相叠加可得总反应为2H2＋O2=2H2O，C正确；D．氢氧燃料电池总反应为2H2＋O2=2H2O，产物为无污染的水，属于环境友好电池，D正确；答案选A。5．D【详解】A．该氢氧燃料电池，原理是氢气和氧气反应生成水，故具有单位质量输出电能高、产物水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供航天员呼吸等优点，A项正确；B．飞船中存在很多金属，而H2SO4腐蚀性强，故逐渐被KOH溶液替代，B项正确；C．使用多孔碳载镍电极，使气体与溶液能充分接触反应，加快反应，C项正确；D．氢氧燃料电池连续工作时产生水，其内部的电解质浓度会发生变化，D项错误；答案选D。《燃料电池》习题一、单选题1．氢氧燃料电池是技术上比较成熟，并得到多方面应用的燃料电池，其理论比能量达3600瓦·时/千克，单体电池的工作电压为0.8-0.97伏。下列说法正确的是A．电解水制取氢气是理想而经济的制氢方法B．发展氢氧燃料电池汽车不需要安全高效的储氢技术C．氢氧燃料电池汽车的使用可以有效减少城市空气污染D．氢氧燃料电池把氢气和氧气燃烧放出的热能转化为电能2．下列发电厂(站)的电能由化学能直接转化而成的是ABCD燃料电池发电站地热发电厂风力发电厂水力发电站A．A B．B C．C D．D3．如图为氢氧燃料电池构造示意图，下列有关描述正确的是A．H+向负极移动 B．O2在负极上反应C．反应最终产物是H2O D．电子由正极通过导线流向负极4．氢氧燃料电池已用于航天飞机。以30%KOH溶液为电解质的这种电池在使用时的电极反应如下：2H2＋4OH-－4e-=4H2O、O2＋2H2O＋4e-=4OH-，下列说法错误的是A．氢气通入正极，氧气通入负极B．燃料电池的能量转化率不能达到100%C．供电时的总反应为：2H2＋O2=2H2OD．产物为无污染的水，属于环境友好电池5．阿波罗飞船中使用的燃料电池部分结构的示意图如下，下列说法错误的是A．氢氧燃料电池具有单位质量输出电能高、产物水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供航天员呼吸等优点B．H2SO4溶液导电性好，是早期研究时使用的电解质，因H2SO4腐蚀性强逐渐被KOH溶液替代C．使用多孔碳载镍电极，使气体与溶液能充分接触反应D．氢氧燃料电池连续工作时，其内部的电解质浓度和成分均不会发生变化6．直接碳燃料电池(DCFC)是一种以固体碳(煤、石墨、活性炭等)为原料的燃料电池，是一种具有现实意义的节能减排新技术，如图是一种DCFC的结构示意图。下列有关法不正确的是A．负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2B．若电子由电极a沿导线经负载流向电极b，则入口A加入的物质为固体碳C．DCFC与煤直接燃烧发电能量的利用率相同D．放电过程中放出标准状况下CO211.2L时转移2mol电子7．燃料电池是目前电池研究的热点之一、现有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。下列叙述不正确的是A．a极是负极，该电极上发生氧化反应B．总反应的化学方程式为2H2+O2=2H2OC．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D．b电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O8．酶生物燃料电池是指直接或间接利用生物酶作为催化剂的一类特殊燃料电池。如图是固氮酶电池的工作原理图。下列有关说法错误的是A．介体BV2+/BV+在电极与酶之间传递电子B．电池工作时，H+由负极区向正极区定向移动C．阳极区固氮酶催化发生的反应：N2+6BV++6H+=2NH3+6BV2+D．固氮酶电池实现了温和条件下人工合成氨9．微生物燃料电池可用于净化含铬废水，其工作原理示意如图所示。该电池工作时，下列说法不正确的是（）A．M极是电池的负极B．CH3OH在电极上发生氧化反应C．N电极附近溶液的pH增大D．若0.1molCr2O72-参加反应，则有0.8molH+从交换膜左侧向右侧迁移二、填空题10．I.选择适宜的材料和试剂设计一个原电池，以便完成下列反应：Cu＋2AgNO3=2Ag＋Cu(NO3)2(1)请指出正极材料、负极材料、电解质溶液(写化学式)正极：_______，负极：_______，电解质溶液：_______。(2)写出电极反应式：正极：_______负极：_______。(3)溶液中Ag＋向_______极移动，电子从_______极流向_______极。(填“正”或“负”)II.某种甲烷然料电池的工作原理如下图所示：(4)该装置的负极是电极_______(填“A”或“B”)；c处通入的物质是_______(填“CH4”或“O2”)。(5)甲烷燃料电池供电时的总反应方程式为_______，正极电极方程式：_______。(6)当该装置转移电子的数目为0.4mol时，消耗CH4标准状况下_______L。

第10题图第11题图11．氮的化合物是重要的工业原料，也是主要的大气污染来源，研究氮的化合物的反应具有重要意义。如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700—900℃时，O2−可在该固体氧化物电解质中自由移动，反应生成物均为无毒无害的物质。N2H4的电子式为，该燃料电池的负极反应式为。参考答案1．C【详解】A．电解水会消耗大量的电能，故不经济，A项错误；B．氢气密度小，发展氢氧燃料电池汽车需要安全高效的储氢技术，B项错误；C．氢气的燃烧产物是水，氢燃料电池汽车的使用可以有效减少城市空气污染，C项正确；D．氢氧燃料电池是把化学能转化为电能，D项错误；答案选C。2．A【详解】A．燃料电池发电站是将化学能转化为电能，故A符合题意；B．地热发电厂是地热能转化为电能，故B不符合题意；C．风力发电厂是风能转化为电能，故C不符合题意；D．水力发电站是水能转化为电能，故D不符合题意。综上所述，答案为A。3．C【详解】A．氢氧燃料电池属于原电池，原电池中阳离子向正极移动，故A错误；B．燃料电池中氧气在正极得电子发生还原反应，故B错误；C．氢氧燃料电池总反应为2H2+O2=2H2O，最终产物是H2O，故C正确；D．据图可知电子由负极通过导线流向正极，故D错误；综上所述答案为C。4．A【详解】A．氢气化合价升高，失去电子，发生氧化反应，故氢气通入负极，氧气化合价降低，得到电子，发生还原反应，故氧气通入正极，A错误；B．燃料电池有能量以热量的形式损失，因此燃料电池的能量转化率不能达到100%，B正确；C．将氢氧燃料电池电极反应相叠加可得总反应为2H2＋O2=2H2O，C正确；D．氢氧燃料电池总反应为2H2＋O2=2H2O，产物为无污染的水，属于环境友好电池，D正确；答案选A。5．D【详解】A．该氢氧燃料电池，原理是氢气和氧气反应生成水，故具有单位质量输出电能高、产物水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供航天员呼吸等优点，A项正确；B．飞船中存在很多金属，而H2SO4腐蚀性强，故逐渐被KOH溶液替代，B项正确；C．使用多孔碳载镍电极，使气体与溶液能充分接触反应，加快反应，C项正确；D．氢氧燃料电池连续工作时产生水，其内部的电解质浓度会发生变化，D项错误；答案选D。6．C【详解】A．直接碳燃料电池(DCFC)是一种以固体碳(煤、石墨、活性炭等)为原料的燃料电池，碳为还原剂，在负极反应，因此负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2，故A正确；B．若电子由电极a沿导线经负载流向电极b，电极a为负极，根据A分析得到入口A加入的物质为固体碳，故B正确；C．DCFC与煤直接燃烧发电能量的利用率不相同，DCFC是化学能直接转化为电能，煤直接燃烧发电，有一部分化学能转化为了热能，其能量利用率比DCFC能量利用率低，故C错误；D．负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2，正极电极反应式为O2+4e－+2CO2=2CO，放电过程中放出1molCO2转移4mol电子，因此标准状况下CO211.2L即物质的量0.5mol时，转移2mol电子，故D正确。综上所述，答案为C。7．D【详解】A．氢氧燃料电池工作时，通入氢气的一极（a极）为电池的负极，发生氧化反应，故A正确；B．氢氧燃料电池的电池总反应方程式与氢气在氧气中燃烧的化学方程式一致，都是2H2+O2=2H2O，故B正确；C．氢氧燃料电池总反应方程式为2H2+O2=2H2O，电池工作时生成水，无污染，是一种具有应用前景的绿色电源，故C正确；D．通入氧气的一极（b极）为电池的正极，发生还原反应，正极反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-，故D错误；故选：D。8．C【分析】由题意可知这是一个燃料电池的装置，中间是质子交换膜，质子由负极区移动到正极区，从装置图中可知，右侧BV2+转化为BV+，得电子，故右侧为正极区，左侧为负极区。工业合成氨的条件是高温高压催化剂，条件苛刻。【详解】A．电子介体是一种具有氧化还原功能的小分子物质，从原理图分析二者相互转化，实现酶和电极之间电子转移，A项正确；B．质子由左侧负极区定向移动到右侧正极区，B项正确；C．从原理图分析，右侧电极反应：BV2++e-=BV+，故右侧为正极区，C项错误；D．酶在常温条件下催化合成氨气，不需要高温高压等条件，D项正确。答案选C。9．D【分析】由题目可知，M极中甲醇转化为二氧化碳和H+，甲醇碳元素化合价升高，发生氧化反应，做负极；N极Cr2O72-与H+结合转化为Cr(OH)3，化合价降低，发生还原反应，做正极。【详解】A.M极是电池的负极，正确；B.M极是电池的负极，CH3OH在电极上发生氧化反应，B正确；C.燃料电池中，电子从M极移动到N极，阳离子移动方向与电子相同，即N电极附近溶液c(H+)增大，但是H+在N极与氧气反应不断被消耗，pH增大，C正确；D.N极反应为Cr2O72-+8H++6e-=2Cr(OH)3+H2O，但同时也有一定