高中化學(xué)選修四燃料電池

1、燃料電池燃料電池 燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。 氫氧燃料電池氫氧燃料電池 酸性電解質(zhì)：酸性電解質(zhì)：堿性電解質(zhì)堿性電解質(zhì)負(fù)極負(fù)極: 2H2-4e-+4OH-=4H2O正極正極: O2+2H2O+4e-=4OH-總反應(yīng)總反應(yīng): 2H2+O2=2H2O負(fù)極：負(fù)極： 2H2-4e-=4H+正極：正極： O2+4H+4e-=2H2O總反應(yīng)：總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O閱讀閱讀P77-78了解燃料電池的優(yōu)點了解燃料電池的優(yōu)點燃料電池的規(guī)律燃料電池的規(guī)律燃料做負(fù)極，助燃劑氧氣為正極燃料做負(fù)極，助燃劑

2、氧氣為正極電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只起傳導(dǎo)電子的作用。電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只起傳導(dǎo)電子的作用。能量轉(zhuǎn)化率高能量轉(zhuǎn)化率高(超過超過80%)，普通的只有，普通的只有30%，有利于節(jié)約，有利于節(jié)約能源，且對環(huán)境無污染。能源，且對環(huán)境無污染。燃料電池與前幾種電池的差別：燃料電池與前幾種電池的差別：氧化劑與還原劑在工作時不斷補(bǔ)充；氧化劑與還原劑在工作時不斷補(bǔ)充；反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出燃料電池電極反應(yīng)式的書寫燃料電池電極反應(yīng)式的書寫 第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式；三步：第二步，再寫出燃料電池的正極反應(yīng)式；第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負(fù)極反

3、應(yīng)式。 因為燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素（或硫元素）的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)， 如甲烷燃料電池酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O， 即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式； C2H5OH+4OH-+3O2=2CO32-+5H2O

4、C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O 2CH3OH+4OH-+3O2=2CO32-+6H2O 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 2H2S+3O2+4OH-=2SO32-+4H2O 2H2S+3O2=2SO2+2H2O 2CO+O2+4OH-=2CO32-+2H2O 2CO+O2=2CO2 CH4+2O2=CO2+2H2O CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O 2H2+O2=2H2O燃料種類第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式；H2CH4COH2SCH3OHCH3CH2OH電解質(zhì)溶液的酸堿性電池總反應(yīng)方程式酸堿堿堿酸酸酸堿酸堿第二步，再寫出燃料電池的正極反應(yīng)式； 燃料電池正

5、極反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑燃料電池正極反應(yīng)物一律是氧氣，正極都是氧化劑氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫出正極反應(yīng)式，氧氣得到電子的還原反應(yīng)，所以可先寫出正極反應(yīng)式，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成得電子生成O2-離子，故正極反離子，故正極反應(yīng)式的應(yīng)式的。正極產(chǎn)生。正極產(chǎn)生O2-離子的存離子的存在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸在形式與燃料電池的電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步?，F(xiàn)將與堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步?，F(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的四種情況歸納如下。電解質(zhì)有關(guān)的四種情況歸納如下。 電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸

6、） 在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨存在，可供O2-離子結(jié)合的微粒有H+離子和H2O，O2-離子優(yōu)先結(jié)合H+離子生成H2O。這樣，在酸性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為 O24H+4e- =2H2O。 電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）在中性或堿性環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在，O2-離子只能結(jié)合H2O生成OH-離子，故在中性或堿性電解質(zhì)溶液中，正極反應(yīng)式為 O22H2O +4e-=4OH-。 第二步，再寫出燃料電池的正極反應(yīng)式；電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物）在熔融的碳酸鹽環(huán)境中，O2-離子也不能單獨存在， O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32

7、-離子，則其正極反應(yīng)式為 O22CO2 +4e-=2CO32-。 第二步，再寫出燃料電池的正極反應(yīng)式； 電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯氧化釔） 該固體電解質(zhì)在高溫下可允許O2-離子在其間通過，故其 正極反應(yīng)式應(yīng)為 O24e-=2O2-。第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負(fù)極反應(yīng)式。例如：甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為例如：甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液溶液總反應(yīng)式：CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O正極反應(yīng)式：O22H2O +4e-=4OH-。減去正減去正極反應(yīng)極反應(yīng)物氧氣物氧氣2O24H2O +8e-=8OH-。CH4 + 10 OH- + 8

8、e- = CO32- + 7H2O負(fù)極反應(yīng)式：例例1 1、一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化、一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢作電極催化劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時劑，在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇，同時向一個電極通入空氣。試回答下列問題：向一個電極通入空氣。試回答下列問題： 這種電池放電時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是這種電池放電時發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式是 。 此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)是此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)是 ； 負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是 。 電解液中的電解液中的H H+ +離子向離子向 極移動；極移動； 向外電路釋放電子的電極是向外電路釋放電子

9、的電極是 。 比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力，使用燃料電池有許多比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力，使用燃料電池有許多優(yōu)點，其中主要有兩點：優(yōu)點，其中主要有兩點：首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高，首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高，其次是其次是 。 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 3O2+12H+12e-=6H2O2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+正正負(fù)極負(fù)極污染較小污染較小例例2 2、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為、甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOHKOH溶液，下列關(guān)于溶液，下列關(guān)于甲烷燃料電池的說法不正確的是甲烷燃料電池的說法不正確的是 （ ） A A、負(fù)極反應(yīng)式為、負(fù)極反應(yīng)式為CHCH4 4+

10、10OH+10OH- -8e8e- -=CO=CO3 32-2-+7H+7H2 2O O B B、正極反應(yīng)式為、正極反應(yīng)式為O O2 22H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- - C C、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變、隨著不斷放電，電解質(zhì)溶液堿性不變 D D、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量、甲烷燃料電池的能量利用率比甲烷燃燒的能量 利用率大利用率大答案：答案：C C例例3、某燃料電池以熔融的、某燃料電池以熔融的K2CO3（其中不含（其中不含O2-和和HCO3- ）為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催

11、化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題：作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。試回答下列問題： 寫出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式。寫出該燃料電池的化學(xué)反應(yīng)方程式。 寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。寫出該燃料電池的電極反應(yīng)式。 為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質(zhì)，成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質(zhì)，加入的物質(zhì)是什么，它從哪里來？加入的物質(zhì)是什么，它從哪里來？ 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O正極：正極：O22CO2 +4e-=2CO32-， COCO2 2

12、 從負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物中來從負(fù)極反應(yīng)產(chǎn)物中來負(fù)極：負(fù)極：2C4H10+26CO32-52e-=34CO2+10H2O例例4、一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入、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)是摻雜氧化釔丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對該燃料電池說。下列對該燃料電池說法正確的是法正確的是 A. 在熔融電解質(zhì)中，在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極由負(fù)極移向正極 B. 電池的總反應(yīng)是：電池的總反應(yīng)是：2C4H1013O2 = 8CO210H2O C. 通入空氣的一極是正極，通入空氣的一極是正極， 電極反應(yīng)為：電極反應(yīng)為：O24e-2O2- D. 通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為：1. C4H1026e-13O2-4CO25H2O B、C例例5 5、我國首創(chuàng)以鋁、我國首創(chuàng)以鋁空氣空氣海水電池作為能源的新型海水電池作為能源的新型海水標(biāo)志燈，以海水為電解質(zhì)，靠空氣中的氧氣使鋁海水標(biāo)志燈，以海水為電解質(zhì)，靠空氣中的氧氣使鋁不斷被氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，不斷被氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，就會發(fā)出耀眼的白光。就會發(fā)出耀眼的白光。 電源負(fù)極材料為：鋁；電源負(fù)極材料為：鋁；電源正極材料為：石墨、鉑網(wǎng)等能導(dǎo)