4.1.3 燃料电池-【核心素养新教学】2025-2026学年高二化学同步优质教学课件（人教版选择性必修1）

该高中化学课件聚焦燃料电池，核心知识点包括工作原理、电极反应式书写及不同电解质环境下的应用。通过“为何研究、原理、类型”三问导入，承接原电池基础，以原理阐释、类型分析到书写步骤的递进搭建学习支架。 其亮点在于结合酸性、碱性等电解质环境对比电极反应，体现“结构决定性质”的化学观念，通过“总反应→正极→负极”步骤培养科学思维，课堂检测题与思考讨论题强化科学探究。小结归纳四种正极反应式，助力学生系统掌握，也为教师提供结构化教学支持。

第一章 化学反应的热效应 第四章 化学反应与电能 第一节 原电池 本节重点 燃料电池的电极方程式的书写 第3课时 燃料电池 1 高效 节能 环保 绿色燃料电池 燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。那么，为什么要研究燃料电池？燃料电池的工作原理是什么？燃料电池的主要类型有哪些？ 燃料电池结构及电极反应原理 使用燃料电池的汽车 燃料电池原理 主题1:燃料电池 ①原理：将燃料和氧化剂(如:O2)反应所放出的化学能转化为电能。 ②反应物不储存在电池内部，外加提供燃料和氧化剂。 ③两极材料：惰性材料，只具导电性。 ④两极判断：通入燃料气的一极 负极 通入O2或空气的一极 正极 ⑤导电介质：可以是电解质溶液，也可以是新型的导离子介质。 ⑥高效、环境友好。 主题1:燃料电池 ——一种高效低污染的新型电池 氢氧燃料电池 ①酸性条件下工作原理： 正极: O2 + 4H+ + 4e-＝2H2O ; 负极: 2H2 - 4e-＝4H+ 总(电池)反应：2H2 + O2＝2H2O H+定向移动到正极，在负极生成，在正极消耗 主题1:燃料电池 ——一种高效低污染的新型电池 氢氧燃料电池 ②碱性条件下工作原理： 正极: O2 + 2H2O ＋4e-＝4OH- ; 负极: 2H2+4OH- －4e-＝4H2O 总(电池)反应：2H2 + O2＝2H2O OH-定向移动到负极，在正极生成，在负极消耗 有效地防止电解质溶液对外壳的腐蚀 主题1:燃料电池 ——一种高效低污染的新型电池 氢氧燃料电池 ③固体燃料电池 介质 电池反应： 2H2 +O2= 2H2O 负极 正极 负极 正极 2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O O2 + 4e-= 2O2－ 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O 主题1:燃料电池 其他燃料电池 1.甲烷燃料电池 中性条件下 负极：CH4 – 8e- + 2H2O == CO2 + 8H+ 正极：2O2 + 8e-+ 4H2O == 8OH- 总反应：CH4 +2O2 == CO2 + 2H2O 碱性条件下 负极：CH4 – 8e- + 10OH- == CO32- + 7H2O 正极：2O2 + 8e-+ 4H2O == 8OH- 总反应：CH4 +2O2 + 2OH- == CO32- + 3H2O 酸性条件下 负极：CH4 – 8e- + 2H2O == CO2 + 8H+ 正极：2O2 + 8e-+8H+ == 4H2O 总反应：CH4 +2O2 == CO2 + 2H2O 主题1:燃料电池 其他燃料电池 2.甲醇燃料电池（电解质：KOH） 正极： 负极： 总反应： 3O2+6H2O+12e－===12OH－ 3.肼燃料电池（电解质：KOH） 正极： 负极： 总反应： O2+2H2O+4e－===4OH－ 在燃料电池中,电解质溶液参与电极反应,电解质酸碱性的改变,会引起电极反应的变化,但不影响燃料及O2的性质。 电极反应在遵守质量守恒定律、电荷守恒、电子得失守恒的同时,还要特别考虑电解质溶液是否参与反应。 主题1:燃料电池 其他燃料电池 4.熔融盐燃料电池 熔融盐燃料电池具有较高的发电效率,因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为负极反应物,空气与CO2的混合气为正极反应物,制得在650 ℃下工作的燃料电池。有关的电池反应式为: 正极： 负极： 总反应： 2CO+O2===2CO2 主题1:燃料电池 [思考]Ⅰ.原电池的电极材料都必须是金属吗?正极、负极材料可以是同一种导电物质吗? 原电池的电极材料可以是两种活动性不同的金属,也可以是一种金属与一种可导电的惰性材料(如石墨)。在燃料电池中,电极本身均不发生反应,故两极均可用惰性材料,如Pt电极。 Ⅱ.燃料电池的两电极反应有何特点? 两个电极均为惰性电极,本身不参与反应。在反应中燃料一般表现为失去电子,通入负极。常用的氧化剂是氧气,在反应中表现为得到电子,通入正极。 主题1:燃料电池 [燃料电池的规律] ①燃料做负极，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； ②反应产物不断排出 ③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源。 主题1:燃料电池 5.其它新型电池 我国首创海洋电池（铝-空气-海水新型电池） 优点： 没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常工作； 以海水为电解质溶液，不存在污染，是海洋用电设施的能源新秀； 一块铝板可以使用一年以上。 主题1:燃料电池 石墨烯电池 高铁电池 锌碘液流电池 主题1:燃料电池 电池中含有汞、镉、铅等有毒金属。随意丢弃废电池会对环境造成严重的污染。 上世纪50年代，震惊世界的日本“水俣病”就是因汞中毒引起的。 主题1:燃料电池 减少污染 节约资源 废旧电池处理 主题1:燃料电池 二、判断电池优劣的标准 （1）比能量 ［符号(A·h/kg)，(A·h/L)］ 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 （2）比功率 [符号是W/kg，W/L)] 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小 （3）电池的储存时间的长短 除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，其质量好。 主题1:燃料电池 课堂检测 1.某种氢氧燃料电池的电解液为溶液。下列有关该电池的叙述 不正确的是( ) A.正极反应式为</m> B.工作一段时间后，电解液中的物质的量不变 C.该燃料电池的总反应为 D.消耗（标准状况）时，有电子转移 D 课堂检测 2.一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是(　　) D 课堂检测 A 课堂检测 2．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 C 1.书写原则： ①质量守恒+电荷守恒+电子守恒 ②弱电解质、气体、难溶物均写化学式，其余用离子符号 2.书写燃料电池电极反应式的基本步骤 (1)第一步:写出电池总反应式。 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加和后的反应。 如氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2 === 2H2O;甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应: CH4+2O2 === CO2+2H2O① CO2+2NaOH === Na2CO3+H2O② ①+②式得燃料电池总反应为CH4+ 2O2+2NaOH === Na2CO3+3H2O。 主题2:书写燃料电池电极反应式和总反应式 2.书写燃料电池电极反应式的基本步骤 (2)第二步:写出电池的正极反应式。 根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,一般为以下四种情况: ①酸性电解质溶液环境下电极反应式:O2+4H++4e- === 2H2O。 ②碱性电解质溶液环境下电极反应式:O2+2H2O+4e- === 4OH-。 ③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:O2+4e- === 2O2-。 ④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:O2+2CO2+4e- === 2 。 (3)第三步:根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。 电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系:电池的总反应式=电池正极反应式+电池负极反应式(消去电子)。故根据第一、二步写出的反应:电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物O2。 主题2:书写燃料电池电极反应式和总反应式 2.书写步骤 ①析价态，定正负 ②列物质 ③标得失 ④看环境，配守恒 确定电极和反应物、产物 1.写出燃烧反应的化学方程式； 2.根据电解液改写燃料电池总反应； 标化合价，定得失电子数目 根据电解质性质和电荷守恒配平 配平H2O等其他物质系数、检查 补项原则： 酸性介质（缺H补H+，缺O补H2O）； 碱性介质（缺H补H2O，缺O补OH-）； 熔融氧化物使用O2-；熔融碳酸盐使用CO32-。 主题2:书写燃料电池电极反应式和总反应式 3.实例 以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法: (1)酸性条件 燃料电池总反应:CH4+2O2 === CO2+2H2O① 燃料电池正极反应:O2+4H++4e- === 2H2O② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+2H2O-8e- === CO2+8H+ (2)碱性条件 燃料电池总反应:CH4+2O2+2NaOH === Na2CO3+3H2O① 燃料电池正极反应:O2+2H2O+4e- === 4OH-② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+10OH--8e- === +7H2O 主题2:书写燃料电池电极反应式和总反应式 (3)固体电解质(高温下能传导O2-) 燃料电池总反应:CH4+2O2 === CO2+2H2O① 燃料电池正极反应:O2+4e- === 2O2-② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+4O2--8e- === CO2+2H2O (4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境 燃料电池总反应:CH4 +2O2 === CO2+2H2O① 燃料电池正极反应:O2+2CO2+4e- === 2 ② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+4 -8e- === 5CO2+2H2O。 主题2:书写燃料电池电极反应式和总反应式 课堂检测 1.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪， 负极上的反应为CH3CH2OH－4e－+H2O=CH3COOH+4H＋。下列 有关说法正确的是（ ） A. 检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动 B.若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气 C.电池反应的化学方程式为：CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O D.正极上发生的反应是：O2+4e－+2H2O=4OH－ C 课堂检测 2.某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为2H2+O2 === 2H2O,下列有关说法正确的是(　　) A.电子通过外电路从b极流向a极 B.b极上的电极反应式为O2+2H2O+4e- === 4OH- C.每转移0.1 mol电子,消耗1.12 L的H2 D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极 解析 此装置为燃料电池,充入还原剂H2的一极为负极,电子从负极(a极)流向正极(b极),A项错。电解质为酸性电解质,不可能有大量OH-存在,负极反应为H2-2e- === 2H+,正极(b极)反应为O2+4e-+4H+ === 2H2O,B项错。C项,气体的体积没有指明标准状况,故C错。由反应式知,负极(a极)产生H+,由固体酸电解质传到正极(b极),D项正确。 D 课堂小结 负极：燃料（H2、CO、烃类、肼、甲醇、氨、煤气……） 正极：O2 关于燃料电池 正极电极方程式 电解质：①酸性溶液 ②碱性溶液 ③熔融金属氧化物 ④熔融碳酸盐 O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- O2 + 4e- = 2O2- O2 + 4e- +2CO2 = 2CO32- 29 Thank you for watching A.该燃料电池A是正极,B是负极 B.电极A上H2参与的电极反应为:H2+2OH--2e-2H2O C.电池工作时,C向电极B移动 D.电极B上发生的电极反应为:O2+2CO2+4e-2C C C C C $