燃料電池教案

1、 中小學(xué)1對1課外輔導(dǎo)專家龍文教育輔導(dǎo)教案學(xué)員編號（卡號）： 年 級：高三 第 課時學(xué)員姓名：馬燕妮 輔導(dǎo)科目：化學(xué) 教師：才春秀課 題燃料電池授課時間： 年 月 日備課時間： 年 月 日教學(xué)目標(biāo)簡單了解燃料電池的歷史及燃料電池在生活中的應(yīng)用認(rèn)識燃料電池的種類及分別的應(yīng)用掌握燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫規(guī)律熟練應(yīng)用規(guī)律解決高考重點題型重點、難點重點：燃料電池的應(yīng)用以及電極反應(yīng)式書寫規(guī)律難點：電極反應(yīng)式書寫規(guī)律在題型中的應(yīng)用考點及考試要求高考中燃料電池占比不高，但為必考點?？陀^題中主要考察基礎(chǔ)知識的理解，主觀題中?？疾烊剂想姵仉姌O反應(yīng)的書寫及與其他知識的綜合應(yīng)用。要求學(xué)生重點掌握燃料電池的原理，電

2、極反應(yīng)式書寫規(guī)律，以及燃料電池的綜合應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容燃料電池1、 燃料電池的歷史 燃料電池的歷史可以追溯到第19世紀(jì)英國科學(xué)家William Robert Grove 的工作。1839年，Grove將二條白金帶分別放入二個密封的瓶中，一個瓶中盛有氫，另一個瓶中盛有氧。當(dāng)這二個盛器浸入稀釋的硫酸溶液時，電流開始在二個電極之間流動，盛有氣體的瓶中生成了水，得到了他所叫做的“氣體電池”，后被稱為“燃料電池”。 不過，在經(jīng)歷27年后，科學(xué)家Bacon才真正制造出能工作的燃料電池。除Bacon之外，Allis-Chalmers公司的農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)商Harry Karl Ihrig也在這一年的晚期制造出第一臺以

3、燃料電池為動力的車輛。直到20世紀(jì)90年代，一種廉價的，清潔的，可再生的能源最終變成了事實。這技術(shù)上的突破包括加拿大公司Ballard在1993年推出的第一輛以燃料電池為動力的車輛。二年后， Ballard和Daimler Benz公司都生產(chǎn)出每升1 kW的燃料電池組。在未來的幾十年中，鑒于人們對耗竭現(xiàn)有庫存自然資源的擔(dān)心，以及愈來愈多的人意識到大量焚燒礦物燃料對環(huán)境的破壞，必將促使燃料電池在移動和靜態(tài)能源的發(fā)展。19世紀(jì)所顯露的科學(xué)上的奇特事例將成為21世紀(jì)以及以后年代的能源。二、燃料電池的種類 1、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極

4、（陰極與陽極）；3）質(zhì)子交換膜；4）雙極板。工作時，氫在陽極被轉(zhuǎn)變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內(nèi)部高分子膜電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極，氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)檠踉?，氧原子得到從陽極傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結(jié)合生成水。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。2、 堿性燃料電池（AFC） 堿性燃料電池的設(shè)計基

5、本與質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)，且電化學(xué)反應(yīng)也與羥基（OH）從陰極移動到陽極與氫反應(yīng)生成水和電子略有不同。這些電子是用來為外部電路提供能量，然后才回到陰極與氧和水反應(yīng)生成更多的羥基離子。堿性燃料電池的工作溫度與質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度相似，大約80。因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得相當(dāng)笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。3、磷酸燃料電池（PAFC）磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。這種電池使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅

6、基質(zhì)中。磷酸燃料電池的工作溫度要比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，位于150 - 200左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。其陽極和陰極上的反應(yīng)與質(zhì)子交換膜燃料電池相同，但由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。雖然磷酸燃料電池具有上述缺點，它們也擁有許多優(yōu)點，例如構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池是乎將來也不會用于私人車輛。4、溶化的碳酸鹽燃料電池溶化的碳酸鹽燃料電池與上

7、述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650時，這種鹽就會溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔?，在燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。 5、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC） 固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧陽向離子從

8、陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。 固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，具有為車輛提供備用動力的潛力。6、直接甲醇燃料電池（DMFC）直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預(yù)先重整。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫然后再與氧反應(yīng)。這種電池的期望工作溫度為120，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，

9、其效率大約是40%左右。其缺點是當(dāng)甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。直接甲醇燃料電池使用的技術(shù)仍處于其發(fā)展的早期，但已成功地顯示出可以用作移動電話和膝上型電腦的電源，將來還具有為指定的終端用戶使用的潛力。三、燃料電池反應(yīng)的書寫1、書寫規(guī)律先寫出燃料電池的總反應(yīng)：通常與物質(zhì)的燃燒反應(yīng)相似判斷燃料電池正負(fù)極，并標(biāo)明得失電子：還原劑為負(fù)極，氧化劑為正極根據(jù)溶液屬性（通常指酸堿性）確定電極反應(yīng)的其他物質(zhì)注：若電解質(zhì)溶液為酸性，則H+移向正極，正極得到H+，負(fù)極生成H+ 若電解質(zhì)溶液為堿性，則OH-移向負(fù)極，負(fù)極得到OH-，正極生成OH-根據(jù)原子守恒及電荷守恒

10、進(jìn)行配平檢查是否正確：正負(fù)極方程式疊加為總反應(yīng)方程式2、 書寫練習(xí)例 氫氧燃料電池：負(fù)極通入H2，正極通入 O2，答案：總反應(yīng)為：2H2 + O2 = 2H2Oa、電解質(zhì)是KOH溶液（堿性電解質(zhì)）負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H2 2e- + 2OH- = 2H2O；正極的電極反應(yīng)式為：O2 + H2O + 4e- = 4OH- 。 b、電解質(zhì)是H2SO4溶液（酸性電解質(zhì)）負(fù)極的電極反應(yīng)式為：H2-2e- = 2H+ 正極的電極反應(yīng)式為：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O例甲醇燃料電池答案：總反應(yīng)式：2CH4O + 3O2 +4KOH= 2K2CO3 + 6H2Oa、 堿性電解質(zhì)（KOH溶液為例

11、）正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e- + 6H20=12OH- 負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH4O -6e-+8OH- = CO32-+ 6H2O b、酸性電解質(zhì)（H2SO4溶液為例）正極的電極反應(yīng)式為：3O2+12e-+12H+ = 6H2O 負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH4O-12e-+2H2O = 12H+ 2CO2例甲烷燃料電池以多孔鎳板為兩極,電解質(zhì)溶液為KOH答案：生成的CO2還要與KOH反應(yīng)生成K2CO3，所以總反應(yīng)為：CH4 + 2KOH+ 2O2 = K2CO3 + 3H2O。 負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)：CH4 8e- + 8OH- =CO2 + 6H2O CO2 + 2OH- = CO32-

12、 + H2O，所以：負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH4 + 10 OH- + 8e- = CO32- + 7H2O 正極的電極反應(yīng)式為：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-4、 燃料電池應(yīng)用及練習(xí)1、阿波羅號宇宙飛船上使用的氫氧燃料電池，其電池反應(yīng)為：2H2O22H2O ，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)保持在較高溫度，使H2O蒸發(fā)，則下列敘述中正確的是 A此電池能發(fā)生藍(lán)色火焰 BH2為正極，O2為負(fù)極C工作時，電解質(zhì)溶液的PH不斷減小D電極反應(yīng)為負(fù)極：2H24 OH4e4 H2O；正極：O22 H2O4e4 OH2、一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體，電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y2O3

13、）的氧化鋯（ZrO2）晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2。下列對該燃料的說法正確的是 A. 在熔融電解質(zhì)中，O2由負(fù)極移向正極B. 電池的總反應(yīng)是：2C4H1013O28CO210H2OC. 通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O24e2O2D. 通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：C4H10 26 e13 O24 CO2 5 H2O3、右圖是批量生產(chǎn)的筆記本電腦所用甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖。甲醇在催化劑作用下提供質(zhì)子(H+)和電子，電子經(jīng)外電路、質(zhì)子經(jīng)內(nèi)電路到達(dá)另一極與氧氣反應(yīng)，電池總反應(yīng)為2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。下列說法正確的是 A左電極為電池的負(fù)極，a處通入的物質(zhì)是甲醇 B右電極為電池的負(fù)極，b處通入的物質(zhì)是空氣C負(fù)極反應(yīng)式為：CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+D正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH本次