第4章 第1节 第3课时 常见化学电源(二)——形形色色的燃料电池（配套课件PPT）-【步步高】2025-2026学年高二化学选择性必修1 化学反应原理学习笔记（人教版 江苏专版）

该高中化学课件聚焦燃料电池，系统讲解氢氧燃料电池的种类、构造及不同电解质下的工作原理，还涵盖甲烷、甲醇等新型燃料电池，通过实验装置插图导入，衔接化学电源知识，搭建从基础到应用的学习支架。 其亮点在于以科学思维为核心，通过对比酸性与碱性电解质中电极反应式、总结书写方法，培养学生证据推理与模型建构能力，结合应用体验题（如甲醇燃料电池分析）落实科学探究，助力学生形成物质性质决定用途的化学观念，教师可借助结构化练习提升教学效率。

第 四 章 　 第 一 节 常见化学电源(二) ——形形色色的燃料电池 第3课时 1.了解常见的氢氧燃料电池的种类，能正确书写电极反应式。 2.了解气体燃料电池的工作原理。 核 心 素 养 发 展 目 标 课时对点练 内 容 索 引 一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理 二、其他新型燃料电池 < 一 > 常见氢氧燃料电池的种类及工作原理 1.燃料电池的概念 燃料电池是一种连续地将 和 的化学能直接转化为 的化学电源。 2.燃料电池的特点 (1)工作时， 和 连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出。 (2)能量转换率 (>80%)，排放的废弃物 。 燃料 氧化剂 电能 燃料 氧化剂 高 少 3.氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)工作原理   酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 _____________ ____________________ 正极反应 ___________________ _____________________ 总反应 ________________ H2-2e-===2H+ H2-2e-+2OH-===2H2O O2+4e-+4H+===2H2O O2+4e-+2H2O===4OH- 2H2+O2===2H2O 1.燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示，a、b均为惰性电极。 (1)负极是　　(填“a”或“b”)。  a 氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为负极，则a为负极。 思考交流 (2)b极发生的电极反应式是　　 　　。 O2+2H2O+4e-===4OH- b电极上，O2得电子结合水生成氢氧根离子，电极反应式为O2+2H2O +4e-===4OH-。 思考交流 (3)标准状况下，消耗11.2 L H2时，转移的电子数为　　　　 。 6.02×1023(或NA) 该原电池负极反应为H2-2e-+2OH-===2H2O，标准状况下消耗11.2 L H2，则转移电子数为6.02×1023。 思考交流 2.下面为3种燃料电池的工作原理示意图。 (1)A中，电池内部传导的离子是　　，负极的电极反应式为　　　 　　　　。 (2)B中，电池内部传导的离子是　　，正极的电极反应式为　　　　 　　　。 (3)C中，电池内部传导的离子是　　 ，正极的电极反应式为______________ ___________。 O2- H2-2e-+O2-===H2O H+ O2+4e-+4H+===2H2O C ===2C O2+4e-+2CO2 返回 思考交流 < 二 > 其他新型燃料电池 1.甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。 (1)在酸性介质中 负极反应式：　　　　 ；  正极反应式：　　　　 ；  总反应式：　 　　　。  CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+ O2+4H++4e-===2H2O CH4+2O2===CO2+2H2O (2)在碱性(KOH溶液)介质中 负极反应式：　　　　 ；  正极反应式：　　 　　；  总反应式：　　　 　。  CH4+10OH--8e-===C+7H2O O2+2H2O+4e-===4OH- CH4+2O2+2OH-===C+3H2O 在酸性介质和碱性介质中甲烷燃料电池的总反应不同，酸性条件下，+4价碳元素全部转化为CO2，碱性条件下，+4价碳元素全部转化为C。 归纳总结 2.一种固体电解质燃料电池的构造如图所示。该电池以稀土金属材料作电极，两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2-。 负极反应式：　　　　 ；  正极反应式：　　　　 ；  总反应式：　　　　 。  CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O O2+4e-===2O2- CH4+2O2===CO2+2H2O 3.一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示。 (1)电池工作时，外电路上电流的方向应从电极 　　(填“A”或“B”，下同)流向用电器。  (2)C向电极　 　移动。  (3)电极A上CO参与的电极反应为___________ _________。  B A ===2CO2 CO-2e-+C 燃料电池电极反应式书写的方法 第一步：写出燃料电池反应的总反应式 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。 第二步：写出电池的正极反应式 正极一般为氧气得电子，介质不同时其电极反应式有所不同，如： 酸性电解质溶液：O2+4H++4e-===2H2O； 碱性电解质溶液：O2+2H2O+4e-===4OH-； 归纳总结 固体电解质(高温下能传导O2-)：O2+4e-===2O2-； 熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2+2CO2+4e-===2C。 第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。 归纳总结 1.甲醇是重要的工业原料，利用甲醇设计的燃料电池具有启动快、效率高等优点，该电池的电解质溶液为H2SO4溶液。下列说法正确的是 A.负极区溶液的pH减小 B.溶液中S向正极移动 C.正极反应式为2H++2e-===H2↑ D.该电池工作时，消耗1 mol CH3OH的同时生成11.2 L CO2(标准状况) √ 应用体验 酸性甲醇燃料电池中，O2在正极发生还原反应：O2+4H++4e-===2H2O，CH3OH在负极发生氧化反应：CH3OH+H2O-6e-===CO2↑+6H+，负极生成H+，溶液pH减小，A正确、C错误； 原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则溶液中S向负极移动，B错误； 由负极反应式可知，消耗1 mol CH3OH的同时生成1 mol CO2，标准状况下体积为22.4 L，D错误。 2.某学习小组以肼(N2H4)为原料设计了一种燃料电池，构造如图所示。 其中两个电极均为铂电极，电池的总反应方程式为N2H4+O2===N2+ 2H2O。下列说法错误的是 A.通入N2H4的一极是电池的负极 B.通入O2的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH- C.电池工作一段时间后电解质溶液的pH将变大 D.若消耗16 g N2H4，则理论上转移2 mol电子 √ 应用体验 通入O2的电极为正极，O2得电子与水反应生成OH-，电极反应式为O2+ 2H2O+4e-===4OH-，B正确； 电池工作时，总反应方程式为N2H4+O2===N2+2H2O，一段时间后电解质溶液中OH-的物质的量不变，但水的质量增加，则c(OH-)减小，pH将变小，C错误； 由总反应式可建立如下关系式：N2H4~4e-，若消耗16 g N2H4，则理论上转移×4=2 mol电子，D正确。 3.(2025·常州高二期末)热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸。下列说法不正确的是 A.电极b周围溶液pH变大 B.溶液中H+由a极区向b极区迁移 C.电极a的电极反应式是SO2-2e-+2H2O 　===4H++S D.一段时间后，a极消耗的SO2与b极消耗的O2物质的量相等 √ 应用体验 电极b为正极，电极反应为4H++O2+4e-===2H2O，电极b周围溶液pH变大，左侧区域产生的H+经过阳离子交换膜进入右侧区域，A、B正确； 电极a作负极，电极反应式为SO2-2e-+2H2O===4H++S，C正确； 根据得失电子总数相等可知，一段时间后，a极消耗的SO2的物质的量是b极消耗的O2的2倍，D错误。 返回 课时对点练 对一对 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 B A C B D B D C 题号 9 10 11 　12 答案 A D C 　C　 13. NO-3e-+2H2O===N+4H+　33.6 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 14. (1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (2)O2+4H++4e-===2H2O　CH3OH+H2O-6e-===CO2↑+6H+ (3)正　负 (4)2.89×105 C 题组一　氢氧燃料电池 1.氢氧燃料电池可以应用在宇宙飞船上，下列说法正确的是 A.电池负极发生还原反应 B.电池可以连续使用 C.正极附近溶液的pH减小 D.消耗5.6 L氢气时转移的电子数为0.5NA √ 对点训练 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 电池负极失去电子发生氧化反应，A错误； 在氢氧燃料电池中，由于燃料及氧化剂在装置外，可以不断补充，因此该电池能够连续使用，B正确； 正极附近溶液的pH增大，C错误； 未说明H2所处的外界条件，因此不能根据其体积大小确定其物质的量，也就不能计算反应过程中转移电子的数目，D错误。 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2.第16届海南国际车展上展出了中国研制的新型燃料电池汽车，该车装有“绿色心脏”——质子交换膜燃料电池。某种质子交换膜燃料电池如图所示。下列说法正确的是 A.该电池的a极发生氧化反应 B.正极反应为O2+4e-+2H2O===4OH- C.质子(H+)通过质子交换膜移动到a极 D.该燃料电池的能量转化率可达到100% √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 该电池的a极上氢气失电子生成氢离子，发生氧化反应，故A正确； 电解质溶液呈酸性，正极反应为O2+4e-+4H+===2H2O，故B错误； 在原电池中阳离子向正极移动，即氢离子通过质子交换膜移动到正极b，故C错误； 电池中存在化学能转化为热能的能量转化，则化学能不可能100%转化为电能，故D错误。 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 题组二　其他无机还原剂燃料电池 3.NH3⁃O2燃料电池装置如图所示，下列说法错误的是 A.电池工作时，O2得到电子，发生还原反应 B.电极b上的电极反应式为2NH3+6OH--6e-===N2+ 　6H2O C.燃料电池能量之间的转化是由电能转化为化学能 D.电池工作时，溶液中的Na+向电极a迁移 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 电极b上氨气中氮元素失去电子，生成氮气，电解液为NaOH溶液，电极反应为2NH3+6OH--6e-===N2+6H2O，故B正确； 燃料电池将化学能转化为电能，C项错误； 原电池工作时，阳离子移向正极，故Na+向电极a移动，故D正确。 4.某新型燃料电池利用民用燃气为燃料，其工作原理如图所示，下列说法错误的是 A.通入空气的电极为该电池的正极 B.电池工作时，电子由b极经电解 　质流向a极 C.CO在b极的反应式为CO-2e-+O2-===CO2 D.相同状况下a极消耗1 L O2，理论上b极消耗2 L燃料 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 燃料电池中，通入空气的电极为该电池的正极，A正确； 电池工作时，电子由b极经外电路流向a极，B错误； CO在b极被氧化为CO2，电极反应式为CO-2e-+O2-===CO2，C正确； H2、CO与O2发生反应生成H2O、CO2时，化学计量数之比均为2∶1，因此相同状况下a极消耗1 L O2的同时，理论上b极消耗2 L燃料，D正确。 5.以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃料电池，原理如图所示。下列说法错误的是 A.b电极为负极，发生氧化反应 B.a电极发生的反应为N2+8H++6e-===2N C.A溶液中所含溶质为NH4Cl D.当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 A项，此电池总反应式是N2+3H2+2HCl===2NH4Cl，氢气中的氢元素的化合价升高，根据原电池的工作原理，负极失去电子，化合价升高，因此b极为负极，发生氧化反应，正确； B项，酸性环境下a极反应式为N2+8H++6e-===2N，正确； C项，根据选项A中总反应式知，分离出的A为NH4Cl，正确； D项，题目没有说明是否是标准状况，错误。 题组三　有机化合物燃料电池 6.(2024·扬州大学附属中学期中)在石油化工生产中，丁烷(C4H10)是一种重要的化工原料。丁烷的燃料电池工作原理如图所示，下列说法正确的是 A.M电极上发生氧化反应 B.R电极上的电极反应为C4H10-26e-+13O2-===4CO2 　+5H2O C.该电池工作时，每转移0.4 mol电子，此时消耗 　O2的质量为1.6 g D.该电池工作时，外电路中电子的移动方向为M电极→灯泡→R电极 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 燃料电池中，通入空气的一极为正极，即M电极为正极，发生还原反应，R电极为负极，发生氧化反应，A错误； 1 mol C4H10参加反应失去26 mol电子，发生氧化反应生成CO2和H2O，B正确； O2~4e-，当有0.4 mol电子发生转移时，消耗0.1 mol O2，质量为3.2 g，C错误； 外电路中电子的移动方向为R电极→灯泡→M电极，D错误。 7.(2024·泰州月考)一种液态肼(N2H4)燃料电池被广泛应用于发射通信卫星、战略导弹等的运载火箭中。该燃料电池以固体氧化物为电解质，生成物为无毒无害的物质。下列有关该电池的说法正确的是 A.电子沿电极a→用电器→电极b→电解质→电极 　a流动 B.电极a上的电极反应式为N2H4+2O2-+4e-===N2+ 　2H2O C.当电极a上消耗1 mol N2H4时，电极b上被氧化的 　O2在标准状况下的体积约为22.4 L D.该电池常温下不能工作 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 燃料电池工作时，电子不能经过电解质，A错误； 由题图可知，通入N2H4的一极为负极，在氧离子参与下，N2H4在负极上失去电子发生氧化反应生成氮气和水，B错误； 通入O2的一极为正极，电极反应式为O2+4e-===2O2-，电池总反应为N2H4+O2===N2+2H2O，当电极a上消耗1 mol N2H4时，电极b上有1 mol O2被还原，在标准状况下的体积约为22.4 L，C错误； 该燃料电池以固体氧化物为电解质，需要高温条件，故该电池在常温下不能工作，D正确。 8.新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图，该电池总反应为NaBH4　+4H2O2===NaBO2+6H2O。下列有关说法正确的是 A.电池正极区的电极反应为B+8OH--8e-=== 　B+6H2O B.电极B为负极，MnO2层的作用是提高原电池 　的工作效率 C.燃料电池每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过的电子数为6NA D.燃料电池在放电过程中，Na+从正极区向负极区迁移 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 综合强化 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 电池总反应为NaBH4+4H2O2===NaBO2+6H2O，结合图示，电极A反应为-8e-+8OH-===+6H2O，电极A为负极，A错误； 电极B反应式为H2O2+2e-===2OH-，电极B为正极，B错误； 反应中H2O2中O元素的化合价由-1价降低为-2价，每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过电子的物质的量为6 mol，数目为6NA，C正确； 燃料电池在放电过程中，阳离子Na+从负极区向正极区迁移，D错误。 9.直接煤⁃空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是 A.随着反应的进行，氧化物电解质的量 　不断减少 B.负极的电极反应式为C+2C-4e-=== 　3CO2 C.电极X为负极，O2-向X极迁移 D.直接煤⁃空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 由原理图分析可知，其负极反应式为C+2C-4e-===3CO2，故B正确； 原电池内部的阴离子向负极移动，故C正确； 直接煤⁃空气燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，故D正确。 10.(2025·南航苏州附中高二期中)我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K+、H+通过)，下列说法错误的是 A.物质A可以是硫酸氢钾 B.左侧为电池负极，HCOO-发生氧化反 　应生成HC C.该燃料电池的总反应为2HCOOH+O2+ 　2OH-===2HC+2H2O D.右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，左侧有1 mol K+通过半透膜移向右侧 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 HCOOH碱性燃料电池中，左侧电极HCOO-失去电子生成HC，所在电极为负极，电极反应式为HCOO-+2OH--2e-===HC+H2O，B正确； 由图可知，原电池工作时K+通过半透膜移向正极(右侧)，右侧电极反应为Fe3++e-===Fe2+，从装置中分离出的物质为K2SO4，放电过程中需补充的物质A是H2SO4或硫酸氢钾，A正确； 右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，其物质的量是0.5 mol，转移2 mol电子，左侧有2 mol K+通过半透膜移向右侧，D错误。 11.内重整碳酸盐燃料电池(熔融Li2CO3和K2CO3为电解质)的工作原理如图所示，下列说法不正确的是 A.常温下，1 mol甲烷参加反应正极需 　要通入2 mol O2 B.以甲烷为燃料气时，负极反应式为 　CH4-8e-+4C===5CO2+2H2O C.该电池使用过程中需补充C D.空气极发生的电极反应式为O2+4e-+2CO2===2C √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 常温下，负极反应式：CH4+4C-8e-===5CO2+2H2O，1 mol甲烷参加反应，转移的电子的物质的量为8 mol，正极反应式：O2+4e-+2CO2===　2C，需要通入2 mol O2，故A、B、D正确； 总反应为燃料和氧气反应，所以使用过程中不需补充C，故C错误。 12.某化工实验室设计了一种新型双微生物燃料电池装置，能够同时消除养殖场含氮污水和化工厂含醛类废水，工作原理如图所示。下列说法正确的是 A.电池工作时，电子由a极经导线流向b极，H+由 　b极经质子交换膜流向a极 B.a极的电极反应式为C6H5CHO+13H2O+32e-=== 　7CO2↑+32H+ C.a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的的物质的量之比为5∶32 D.该电池装置在加热条件下工作效率会更高 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 在电极b硝酸根离子中氮元素化合价由+5价降低为0价，则该电极为正极，电极a为负极，电子由a极经导线流向b极，H+移向正极，即b电极，A错误； a极为负极，电极反应式为O-32e-===7CO2↑+32H+，B错误； b电极为正极，1个硝酸根离子转移5个电子，a电极1个C6H5CHO转移32个电子，根据两个电极转移电子数相等得到a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的的物质的量之比为5∶32，C正确； 加热时微生物会变性，效率会降低，D错误。 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 13.一氧化氮⁃空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反应式：　　　　　　　　　　　　　，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为　　　 L。  答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 NO-3e-+2H2O===N+4H+ 33.6 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO-3e-+2H2O===N+4H+，当过程中产生2 mol HNO3时转移6 mol e-，需要 1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。 14.一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题： (1)这种电池放电时的总反应式为　　　　　　　　　　　　　　。   (2)此电池的正极反应式：　　　　　　　　　；负极反应式：________ ______________________。   答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O O2+4H++4e-===2H2O CH3OH +H2O-6e-===CO2↑+6H+ 电池正极上O2得电子生成H2O；用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极反应式。 (3)电解液中H+向　 　(填“正”或“负”，下同)极移动，向外电路释放电子的电极是　　极。   (4)当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量为　　　　　　(1个电子的电量为1.6×1 C，结果保留3位有效数字)。  答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 g甲醇的物质的量为，由负极反应式可知，1 mol甲醇反应时，转移6 mol电子，1个电子的电量为1.6×10-19 C，则所求电量为 ×6×6.02×1023 mol-1×1.6×10-19 C≈2.89×105 C。 正 负 2.89×105 C 返回 本课结束 第 四 章 　 第 一 节 $