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（配套教参Word）-【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 浙江专版）

本讲义聚焦常见化学电源中的燃料电池，系统梳理氢氧燃料电池在酸性、碱性等不同电解质中的工作原理及电极反应式，进而拓展到甲烷、甲醇等新型燃料电池，构建从基础到应用的学习支架。 资料通过表格对比、归纳总结电极反应式书写方法，培养学生比较、归纳的科学思维。结合构造图、例题解析及课时对点练，引导证据推理与模型建构，提升科学探究能力。其环保理念渗透科学态度，课中助教师清晰授课，课后供学生巩固查漏。

第3课时　常见化学电源(二)——形形色色的燃料电池 [核心素养发展目标]　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。 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燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 2.燃料电池的特点 (1)工作时，燃料和氧化剂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)能量转换率高(>80%)，排放的废弃物少。 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 H2-2e-===2H+ H2-2e-+2OH-===2H2O 正极反应 O2+4e-+4H+===2H2O O2+4e-+2H2O===4OH- 总反应 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”)。  (2)b极发生的电极反应式是　　　　。  (3)标准状况下，消耗11.2 L H2时，转移的电子数为　　　　。  答案　(1)a　(2)O2+2H2O+4e-===4OH- (3)6.02×1023(或NA) 解析　(1)氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为负极，则a为负极。(2)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-。(3)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。 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　　　　　　　。  答案　(1)O2-　H2-2e-+O2-===H2O (2)H+　O2+4e-+4H+===2H2O (3)C　O2+4e-+2CO2===2C 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：　　　　。  答案　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：　　　　。  答案　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。 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：　　　　。  答案　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　　　　。  答案　(1)B　(2)A　(3)CO-2e-+C===2CO2 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-； 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。 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) 答案　A 解析　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 答案　C 解析　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·绍兴高二期末)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 答案　D 解析　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。 课时对点练 [分值：100分] [1~7题，每小题7分] 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 答案　B 解析　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。 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　A 解析　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。 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　C 解析　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　B 解析　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　D 解析　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.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　B 解析　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。 7.一种液态肼(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　D 解析　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。 [8~12题，每小题7分] 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　C 解析　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.(2025·杭州期中)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图所示，下列说法正确的是(　　) A.若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移，则有0.45 mol H+通过质子交换膜 B.该电池在高温条件下效率更高 C.如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化 D.HS-在硫氧化菌作用下转化为的反应式：HS--8e-+4H2O===+9H+ 答案　D 解析　O2在电极b(正极)上得电子，电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O，若电路中有0.4 mol电子转移，则有0.4 mol H+通过质子交换膜，A错误；高温条件下会使微生物蛋白质变性，降低反应效率，B错误；反应物直接燃烧时，除有热能释放外，还会有光能释放，同时燃烧不一定充分，其能量利用率比形成原电池时小，C错误；图中，硫氧化菌将HS-转化为，电极反应式为HS--8e-+4H2O===S+9H+，D正确。 10.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　D 解析　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　C 解析　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　C 解析　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。 13.(4分)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　NO-3e-+2H2O===N+4H+　33.6 解析　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.(12分)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：　　　　　　　　　　　　　。   (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)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (2)O2+4H++4e-===2H2O　CH3OH+H2O-6e-===CO2↑+6H+ (3)正　负 (4)2.89×105 C 解析　(2)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。(4)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。 学科网（北京）股份有限公司 $