2023屆高中化學(xué)人教版二輪專題復(fù)習(xí)第8講-燃料電池（學(xué)案）

燃料電池學(xué)案1、定義：燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒，將燃料化學(xué)能經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它和其它電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，都是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)發(fā)出火焰，其化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能，且廢物排放量很低。其中燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，這是我們書寫燃料電池總反應(yīng)方程式的依據(jù)。2、燃料電池的電極規(guī)定燃料電池的兩極材料都是用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等兼有催化劑特性的惰性金屬，兩電極的材料相同。因此，燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負(fù)極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)。3、燃料電池的電解質(zhì)不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應(yīng)式就有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應(yīng)式時(shí)要特別注意電解質(zhì)的種類。4、燃料電池的工作原理以氫氧燃料電池為例，其工作原理是：氫氣（可燃物）從負(fù)極處失去電子（燃料被氧化掉），這些電子從外電路流到正極；同時(shí)，余下的陽離子（氫離子）通過電解液被送到正極。在正極，離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從負(fù)極獲得電子。5、燃料電池的優(yōu)點(diǎn)作為二十一世紀(jì)改善人類生活的“綠色電源”——燃料電池，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：⑴燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過熱能這一種中間形式，所以它的電效率比其它任何形式的發(fā)電技術(shù)的電效率都高。⑵燃料電池的廢物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。⑶燃料電池中無運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)很安靜且無機(jī)械磨損?？傊?，燃料電池是一種新型無污染、無噪音、高效率的汽車動(dòng)力和發(fā)電設(shè)備，其投入使用可有效的解決能源危機(jī)、污染問題，是繼水力、火力、核能發(fā)電后的第四類發(fā)電——化學(xué)能發(fā)電，被稱為二十一世紀(jì)的“綠色電源”。6、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法在中學(xué)階段，掌握燃料電池的工作原理和電極反應(yīng)式的書寫是十分重要的。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應(yīng)式的書寫也同樣是有規(guī)律可循的。書寫燃料電池電極反應(yīng)式一般分為三步：第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式；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)極反應(yīng)式。下面對(duì)書寫燃料電池電極反應(yīng)式“三步法”具體作一下解釋。燃料電池總反應(yīng)方程式的書寫因?yàn)槿剂想姵匕l(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。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。燃料電池正極反應(yīng)式的書寫因?yàn)槿剂想姵卣龢O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，正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-。正極產(chǎn)生O2-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)溶液的酸堿性有著密切的關(guān)系。這是非常重要的一步。現(xiàn)將與電解質(zhì)有關(guān)的五種情況歸納如下。（1）電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）在酸性環(huán)境中，O2-離子不能單獨(dú)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O2＋4H++4e-=2H2O。（2）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(dú)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O2＋2H2O+4e-=4OH-。（3）電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如Li2CO3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(dú)存在，

O2-離子可結(jié)合CO2生成CO32-離子，則其正極反應(yīng)式為O2＋2CO2

+4e-=2CO32-。（4）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O2＋4e-=2O2-。綜上所述，燃料電池正極反應(yīng)式本質(zhì)都是O2＋4e-=2O2-，在不同電解質(zhì)環(huán)境中，其正極反應(yīng)式的書寫形式有所不同。因此在書寫正極反應(yīng)式時(shí)，要特別注意所給電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性。燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)物種類比較繁多，可為氫氣、水煤氣、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物質(zhì)。不同的可燃物有不同的書寫方式，要想先寫出負(fù)極反應(yīng)式相當(dāng)困難。一般燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式都是采用間接方法書寫，即按上述要求先正確寫出燃料電池的總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得負(fù)極反應(yīng)式。7.解答燃料電池題目的思維模型8．解答燃料電池題目的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)①要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。②通入負(fù)極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。③通過介質(zhì)中離子的移動(dòng)方向，可判斷電池的正負(fù)極，同時(shí)考慮該離子參與靠近一極的電極反應(yīng)。1．(2022?海南省選擇性考試)一種采用H2O(g)和N2(g)為原料制備NH3(g)的裝置示意圖如下。下列有關(guān)說法正確的是()A．在b電極上，N2被還原B．金屬Ag可作為a電極的材料C．改變工作電源電壓，反應(yīng)速率不變D．電解過程中，固體氧化物電解質(zhì)中O2-不斷減少【答案】A【解析】由裝置可知，b電極的N2轉(zhuǎn)化為NH3，N元素的化合價(jià)降低，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，因此b為陰極，電極反應(yīng)式為N2+3H2O+6e-=2NH3+3O2-，a為陽極，電極反應(yīng)式為2O2-+4e-=O2。A項(xiàng)，由分析可得，b電極上N2轉(zhuǎn)化為NH3，N元素的化合價(jià)降低，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，即N2被還原，A正確；B項(xiàng)，a為陽極，若金屬Ag作a的電極材料，則金屬Ag優(yōu)先失去電子，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，改變工作電源的電壓，反應(yīng)速率會(huì)加快，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，電解過程中，陰極電極反應(yīng)式為N2+3H2O+6e-=2NH3+3O2-，陽極電極反應(yīng)式為2O2-+4e-=O2，因此固體氧化物電解質(zhì)中O2-不會(huì)改變，D錯(cuò)誤；故選A。2．(2021?山東卷)以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是()A．放電過程中，K+均向負(fù)極移動(dòng)B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大D．消耗1molO2時(shí)，理論上N2H4—O2【答案】C【解析】堿性環(huán)境下，甲醇燃料電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清潔燃料電池總反應(yīng)為：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價(jià)均為-2價(jià)，H元素化合價(jià)為+1價(jià)，所以根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理可推知其燃料電池的總反應(yīng)為：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O。A項(xiàng)，放電過程為原電池工作原理，所以鉀離子均向正極移動(dòng)，A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，根據(jù)上述分析可知，N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮?dú)夂退淇偡磻?yīng)中未消耗KOH，所以KOH的物質(zhì)的量不變，其他兩種燃料電池根據(jù)總反應(yīng)可知，KOH的物質(zhì)的量減小，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，理論放電量與燃料的物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)移電子數(shù)有關(guān)，設(shè)消耗燃料的質(zhì)量均為mg，則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量(物質(zhì)的量表達(dá)式)分別是：、、，通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大，C正確；D項(xiàng)，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒和總反應(yīng)式可知，消耗1molO2生成的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為1mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為22.4L，D錯(cuò)誤；故選C。3．(2020?江蘇卷節(jié)選)(2)HCOOH燃料電池。研究HCOOH燃料電池性能的裝置如圖-2所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。①電池負(fù)極電極反應(yīng)式為_____________；放電過程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A為_________(填化學(xué)式)。②圖-2所示的HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過HCOOH與O2的反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)的離子方程式為_______________?！敬鸢浮?2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3-+H2OH2SO4②2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3-【解析】(2)①左側(cè)為負(fù)極，堿性環(huán)境中HCOOˉ失電子被氧化為HCO3-，根據(jù)電荷守恒和元素守恒可得電極反應(yīng)式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3-+H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側(cè)，