4.1.3 燃料电池（优选课件）-【教学新思维】2024-2025学年高二化学同步讲透教材（人教版2019选择性必修1）

事业常成于坚忍，毁于急躁。 ——萨迪 萨迪，中世纪波斯（今伊朗）诗人。萨迪作品保存下来的抒情诗约600多首，作品通过对花鸟、山水、美女、静夜的描写，寄托了诗人对大自然的热爱和对美好人生的向往。他的诗结构严密，语言凝炼、流畅，韵律抑扬有致，是波斯文学史上的一枝奇葩。 1969年，阿波罗11号宇宙飞船达成了上述目标，尼尔·阿姆斯特朗成为第一个踏足月球表面的人类。 问题解决 飞船内部所用的电能从何而来？ 当时有人建议带蓄电池或高效的银锌干电池 宇航员所需要的水怎样解决呢？ 在飞船上放个水箱，从地球上带水上去。 可是这样一来，飞船的重量太大了，显然这不是上策。 难道巡天揽月的英雄们不需要喝水吗？ “天上水” ？ 他们喝的不是从地面上带去的水！ 喝的是 喝的是特殊的水 “化学水” 阿 波 罗 飞 船 氢氧燃料电池 形形色色的燃料电池 亮亮图文旗舰店https://liangliangtuwen.tmall.com 5 6 学习目标 01 02 燃料电池 原理：同一般电池 装置：氧化剂、燃料从外界进入 燃料电池类型 酸性、碱性燃料电池 固体氧化物燃料电池 熔融盐燃料电池 燃料电池与一般电池有何不同？ 容量有限 氧化剂 ＋ － 还原剂 燃料 燃料电池 燃料电池 1 特点 燃料和氧化剂连续的由外部供给，生成物不断地被排出，可以连续不断地提供电能 电池内部的电极材料和离子导体在工作过程中不发生改变，使燃料电池可以持续工作 燃料 为还原剂，如H2、NH3、N2H4、CO、有机物 氧化剂 空气或O2(有的加其他气体) 燃料电池 燃料电池是一种能量转换装置，它是按电化学原理，即原电池工作原理，在较温和的条件下，把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。从1839年英国科学家最早提出燃料电池的概念并发明第一个燃料电池开始，虽然发展前景可观，也掀起过几次热潮，但仍有很多问题待解决，仍未适应大批量的市场需求。 2022北京冬奥会的成功举办，不但给全世界留下了精彩纷呈的冰雪记忆，也创造了多项令人激动的世界“首次”。对于城市文化而言，北京市由此成为世界上的首座双奥之城，而对于汽车行业来说，北京冬奥则成为世界奥林匹克历史上，首次大规模应用新能源车型(氢燃料电池车) 的一届盛会。 知识回顾 电极反应式书写 1 列物质 标得失 正极： 找出氧化剂和还原产物，写出 氧化剂＋ne－＝还原产物 负极： 找出还原剂和氧化产物，写出 还原剂－ne－＝氧化产物 2 看环境 配守恒 注意： 开始生成的氧化产物、还原产物，在溶液中能否存在。 如碱性溶液中，H＋要结合OH－生成H2O 据电荷守恒，确定要添加的离子，再由质量守恒，配平其他微粒 个数 3 两式加 验总式 据将正、负极电极反应式相加，与总反应式对照验证。 酸碱性不同的燃料电池 以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 H2SO4溶液 写出正极与负极的电极反应式。 2H2＋O2＝2H2O 正极反应式 O2＋e－→O2－ O2＋e－→ O2＋ e－→H2O Na2O＋H＋＝H2O＋2Na＋ －2 4 电荷守恒 O2＋4e－＋ →H2O 4H＋ 质量守恒 O2＋4e－＋4H＋＝2H2O H2SO4溶液 pH↑ H2－e－→H＋ H2－2e－→H＋ H2－2e－→2H＋ H2－2e－＝2H＋ 负极反应式 H2SO4溶液 pH↓ 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 2H2＋O2＝2H2O H2SO4 正极 负极 2H2－4e－＝4H＋ O2＋4e－＋4H＋＝2H2O 以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 NaOH溶液 写出正极与负极的电极反应式。 2H2＋O2＝2H2O 正极反应式 O2＋e－→O2－ Na2O＋2H2O＝2Na＋＋2OH－ O2＋e－→OH－ －2 O2＋ e－→OH－ 4 电荷守恒 O2＋4e－→ OH－ 4 质量守恒 NaOH溶液 负极反应式 H2－e－→H＋ H＋＋OH － ＝H2O H2－e－→ H2－2e－→H2O 电荷守恒 H2－2e－＋ →H2O 2OH－ 质量守恒 H2－2e－＋2OH－＝ H2O NaOH溶液 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 2H2＋O2＝2H2O H2SO4 正极 负极 NaOH 正极 负极 2H2－4e－＝4H＋ O2＋4e－＋4H＋＝2H2O O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 2H2＋4OH－－4e－＝4H2O 以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 NaCl溶液 写出正极与负极的电极反应式。 2H2＋O2＝2H2O 正极反应式 O2＋e－→O2－ Na2O＋2H2O＝2Na＋＋2OH－ O2＋e－→OH－ －2 O2＋ e－→OH－ 4 电荷守恒 O2＋4e－→ OH－ 4 质量守恒 NaCl溶液 负极反应式 H2－e－→H＋ H2－2e－→H＋ H2－2e－→2H＋ H2－2e－＝2H＋ NaCl溶液 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 2H2＋O2＝2H2O H2SO4 正极 负极 NaOH 正极 负极 NaCl 正极 负极 2H2－4e－＝4H＋ O2＋4e－＋4H＋＝2H2O O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 2H2＋4OH－－4e－＝4H2O O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 2H2－4e－＝4H＋ 燃料电池具有广阔的发展前景。除了氢气，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体均可作燃料电池的燃料。 燃料电池将化学能转化为电能的转化率超过80％，远高于转化率仅30％ 多的火力发电，大大提高了能源的利用率。 思考：酸性(碱性)条件下，甲烷、肼、甲醇、氨作为燃料时，负极的电极反应式？ 甲烷 (CH4) 肼(N2H4) 甲醇(CH3OH) 氨(NH3) 问题解决 以甲烷为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 H2SO4溶液 写出正极与负极的电极反应式。 CH4＋2O2＝CO2＋2H2O 正极反应式 O2＋e－→O2－ O2＋4e－→H2O O2＋e－→H2O 电荷守恒 O2＋4e－＋H＋→H2O O2＋4e－＋4H＋→H2O 质量守恒 O2＋4e－＋4H＋→2H2O O2＋4e－＋4H＋＝2H2O H2SO4溶液 负极反应式 CH4－e－→C CH4－e－→ CH4－ e－→CO2 8 电荷守恒 CH4－8e－→CO2＋ H＋ CH4－8e－→CO2＋8H＋ 质量守恒 CH4－8e－＋2H2O→CO2＋8H＋　 H2SO4溶液 配平小技巧：用H+调电荷守恒 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 烃燃料电池 H2SO4 正极 负极 CH4＋2O2＝CO2＋2H2O 2O2＋8e－＋8H＋＝4H2O CH4－8e－＋2H2O＝CO2＋8H＋　 以甲烷为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 NaOH溶液 写出正极与负极的电极反应式。 CH4＋2O2＝CO2＋2H2O 正极反应式 NaOH溶液 O2＋e－→OH－ O2＋e－→O2－ O2＋4e－→OH－ 电荷守恒 O2＋4e－→4OH－ 质量守恒 O2＋4e－＋2H2O＝4OH－ 配平小技巧：用OH-调电荷守恒 负极反应式 NaOH溶液 CH4－e－→C CH4－e－→CO2 CH4－e－→CO32－ CH4－ e－→CO32－ 8 电荷守恒 CH4－8e－＋ →CO32－ 10OH－ 质量守恒 CH4－8 e－＋10OH－→CO32－ ＋7H2O 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 烃燃料电池 H2SO4 正极 负极 NaOH 正极 负极 CH4＋2O2＝CO2＋2H2O 2O2＋8e－＋8H＋＝4H2O CH4－8e－＋2H2O＝CO2＋8H＋　 有机物中碳元素的价态求法 ① H元素为＋1价，O元素为－2价 ② 据化合价规则，求C元素的价态 CH3OH CH4O 设C元素的价态为x x＋4＋(－2) ＝0 x＝－2 资料在线 以甲醇为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 H2SO4溶液 写出正极与负极的电极反应式。 2CH4O＋3O2＝2CO2＋4H2O 正极反应式 O2＋e－→O2－ O2＋4e－→H2O O2＋e－→H2O 电荷守恒 O2＋4e－＋H＋→H2O O2＋4e－＋4H＋→H2O 质量守恒 O2＋4e－＋4H＋→2H2O O2＋4e－＋4H＋＝2H2O H2SO4溶液 H2SO4溶液 负极反应式 CH3OH－e－→C CH3OH－e－→CO2 CH3OH－ e－→CO2 6 电荷守恒 CH3OH－6e－→CO2＋ H＋ CH3OH－6e－→CO2＋ H＋ 6 质量守恒 CH3OH－6e－＋ →CO2＋6H＋ H2O 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 烃燃料电池 2CH3OH＋3O2＝2CO2↑＋4H2O H2SO4 正极 负极 CH3OH＋H2O－6e－＝CO2＋6H＋ 甲醇燃料电池 O2＋4e－＋4H＋＝2H2O 以甲醇为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 问题解决 NaOH溶液 写出正极与负极的电极反应式。 2CH4O＋3O2＝2CO2＋4H2O 正极反应式 O2＋e－→O2－ Na2O＋2H2O＝2Na＋＋2OH－ O2＋e－→OH－ －2 O2＋ e－→OH－ 4 电荷守恒 O2＋4e－→ OH－ 4 质量守恒 NaOH溶液 负极反应式 NaOH溶液 CH3OH－e－→C CH3OH－e－→CO32－ CH3OH－6e－→CO32－ 电荷守恒 CH3OH－6e－＋8OH－→CO32－ 质量守恒 CH3OH－6e－＋8OH－→CO32－ ＋6H2O 酸碱性燃料电池 2 氢燃料电池 烃燃料电池 2CH3OH＋3O2＝2CO2↑＋4H2O H2SO4 正极 负极 NaOH 正极 负极 CH3OH＋H2O－6e－＝CO2＋6H＋ CH3OH－6e－＋8OH－＝CO32－＋6H2O 甲醇燃料电池 O2＋4e－＋4H＋＝2H2O 问题解决 正极电极反应式：_____________________ N2H4＋O2＝N2＋2H2O 肼(联氨)—燃料电池 碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液) 酸性电解质(铂为两极、电解液为H2SO4溶液) 负极电极反应式：____________________________ O2＋2H2O ＋4e-＝4OH- 正极电极反应式：______________________ N2H4＋4OH-－4e-＝N2＋4H2O O2＋4H+＋4e-＝2H2O 负极电极反应式：_______________________ N2H4－4e-＝N2＋4H+ 问题解决 4NH3＋3O2＝2N2＋6H2O 氨—燃料电池 碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液) 正极电极反应式：_____________________ 负极电极反应式：_____________________________ O2＋2H2O ＋4e-＝4OH- 2NH3＋6OH-－6e-＝N2＋6H2O 固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质(ZrO2/Y2O3)。固体氧化物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离燃料和氧化剂的作用。 资料在线 它以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。 问题解决 燃料为氢气 考考你的智慧 H2－2e－→H2O 1/2O2＋2e－→O2－ 负极 × 正极 × 看我七十二变 1/2O2＋2e－→O2－ 电池中无OH- × H2－2e－→H2O H2－2e－＋O2－→H2O H2－2e－＋O2－→2H2O 看我七十二变 固体氧化物燃料电池 3 电解质是固体氧化物 电极反应式中不一定有H2O 电荷守恒时，用O2－调节，而不是OH－ 看我七十二变 燃料为甲烷 正极电极反应式：___________________ 负极电极反应式：____________________________ O2＋4e-＝2O2- CH4＋4O2-－8e-＝CO2＋2H2O 负极反应式 CH4－e－→ CO2 你学会了吗？ CH4－ e－→ CO2 8 电荷守恒 CH4－8e－＋ → CO2 4O2－ 质量守恒 CH4－8e－＋4O2－＝CO2＋ 2H2O 看我七十二变 燃料为乙烷 正极电极反应式：________________ 负极电极反应式：_______________________________ O2＋4e-＝2O2- C2H6＋7O2-－14e-＝2CO2＋3H2O 熔融碳酸盐燃料电池 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、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。 DALUHUAXUEGOGNZUOSHI 资料在线 K2CO3 负载 H2 O2(CO2) CO2 电极 电极 CO2 H2O CO2 感受﹒ 理解 问题解决 燃料为氢气 正极电极反应式：_____________________ 负极电极反应式：____________________________ O2＋2CO2＋4e- =2CO32- H2＋CO32-－2e- = CO2＋H2O O2＋4e－→O2－ 正极电极反应式 问题解决 O2＋4e－→CO32－ O2＋4e－→2CO32－ O2＋4e－＋2CO2＝2CO32－ H2－2e－→2H＋ 负极电极反应式 H2＋CO32－－2e－＝CO2＋H2O 问题解决 2H＋ ＋CO32－＝CO2＋H2O 熔融盐燃料电池 4 电解质是熔融的盐 电极反应式中可有H2O 电荷守恒时，用盐的阴离子调节，而不是OH－ 问题解决 燃料为一氧化碳 正极电极反应式：_____________________ 负极电极反应式：_______________________ O2＋2CO2＋4e-＝2CO32- CO＋CO32-－2e-＝2CO2 熔融盐燃料电池具有高的放电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，已制得在6500C下工作的燃料电池，写出反应式。 正极反应式： O2＋4e－→CO32－ O2＋4e－→2CO32－ O2＋4e－→O2－ 质量守恒 电荷守恒 O2＋4e－＋2CO2＝2CO32－ 燃料为一氧化碳 负极反应式： CO－2e－→CO2 CO＋CO32－－2e－→CO2 电荷守恒 质量守恒 CO＋CO32－－2e－＝2CO2 燃料为一氧化碳 电池总反应 也可根据电池原理： CO与O2反应生成CO2直接写出。 问题解决 燃料为甲烷 正极电极反应式：_____________________ 负极电极反应式：_______________________________ O2＋2CO2＋4e- =2CO32- CH4＋4CO32-－8e- = 5CO2＋2H2O 负极反应式： CH4－8e－→H2O＋CO2 CH4－8e－＋4CO32－→H2O＋CO2 电荷守恒 CH4－8e－＋4CO32－→2H2O＋5CO2 质量守恒 看我七十二变 问题解决 燃料为丁烷 正极电极反应式：_____________________ 负极电极反应式：______________________________________ O2＋2CO2＋4e- =2CO32- C4H10＋13CO32-－26e- = 17CO2＋5H2O 质子交换膜燃料电池 可给笔记本电脑供电的甲醇燃料电池已经面世，其结构示意图如下。甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋) 和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一电极后与氧气反应，电池总反应为： 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。 考考你自己 考考你自己 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O 负极 CH3OH 正极 空气 × 甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋) 和电子 CH3OH－e－→CO2＋H＋ CH3OH－6e－→CO2＋H＋ CH3OH－6e－→CO2＋6H＋ H＋ 质子经内电路到达另一电极后与氧气反应 O2＋4e－→O2－ O2 O2＋4e－＋4H＋→H2O O2＋4e－＋4H＋→2H2O 考考你自己 质子交换膜燃料电池 5 质子交换膜只允许H＋通过 如是其他离子交换膜，则允许有关离子通过 引领电池技术革新的薄型柔性电池 柔性电池是一种可以弯曲和扭曲的电池。相比传统的刚性电池，柔性电池在设计和使用上提供了更多的灵活性，可应用于医疗设备、生物医学传感器、柔性显示器和智能手表等。 柔性电池的制作材料和技术各不相同，常见的包括锂离子电池、固态电池、有机电池等。这些电池通常由薄膜材料构成，可通过印刷、涂布、挤出等方法制造。 这节课我学到了什么？ （用一句话表示） 还有什么疑问？ 课堂小结 课堂小结 燃料电池的工作原理 负极 正极 电解质 阳离子 阴离子 燃料 还原剂 氧化剂 e－ 还原剂－ne－＝氧化产物 氧化剂－ne－＝还原产物 课堂小结 电极反应式书写注意点 ① 首先确定正、负极，并列出正、负极上的反应物和电子得失情况。 ② 要特别注意电极产物与电解质溶液中的离子是否共存，若不共存，要将不能共存的离子合并写入电极反应式。 ③ 碱性燃料电池电极反应的书写： 关键是判断负极反应物(如有机物)消耗O2的多少，确定失去电子的数目，利用得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒配平负极的电极反应式。 某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质，以CH4为燃料时，该电池工作原理如图，下列说法正确的是 A．A为CH4，b为CO2 B．CO32－向正极移动 C．此电池在常温时也能工作 D．正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－＝2CO32－ 考考你自己 美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，用质子（H＋）溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应为：C2H5OH＋3O2＝2CO2＋3H2O,电池示意图如下，下列说法正确的是 A．a为电池的正极 B．电池工作时电子由b极沿导线经灯泡再到a极 C．电池正极的电极反应为：4H＋＋O2＋4e－＝2H2O D．电池工作时，1 mol 乙醇被氧化时就有6 mol 电子 转移 看谁做得既准又快 微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是 请你试一试 A．正极反应中有CO2生成 B．微生物促进了反应中电子的转移 C．质子通过交换膜从负极区移向正极区 D．电池总反应为C6H12O6＋6O2＝6CO2＋6H2O 微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如下图所示： HS－在硫氧化菌作用下转化为SO42－的电极反应式是________________________________。 HS－＋4H2O－8e－＝SO42－＋9H＋ 思考﹒ 运用 一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是 考考你的智慧 A．反应CH4＋H2O 3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol 电子 B．电极A上H2参与的电极反应为：H2＋2OH－－2e－＝2H2O C．电池工作时，CO32－向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e－＝2CO32－ 07¡¤Daydream Unknown 2003 Other 311978.66 THOMSON mp3PRO Encoder v1.1.0 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf58.12.100 $$