专题1 第2单元 第3课时 化学电源(二)——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（苏教版 江苏专版）

本讲义聚焦化学电源中的燃料电池核心知识点，先系统讲解氢氧燃料电池在酸性、碱性电解质中的电极反应及总反应，再延伸至甲烷、甲醇等其他燃料电池，通过“燃料电池分析思路模型”构建从基础原理到实际应用的学习支架，助力学生掌握电极反应式书写方法。 该资料以科学思维为核心，通过对比不同电解质中电极反应（如酸性与碱性氢氧燃料电池）培养逻辑分析能力，结合2025年南通期中题等实例设计探究性练习提升科学探究与实践能力，强调燃料电池高转化率、低排放优势渗透科学态度与责任。课中辅助教师高效授课，课后课时对点练帮助学生查漏补缺。

第3课时　化学电源(二)——燃料电池 [核心素养发展目标]　1.理解常见的氢氧燃料电池工作原理及其应用。2.能在氢氧燃料电池的基础上分析其他燃料电池的工作原理并会书写电极反应式。 一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理 1.燃料电池的优点 (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，电极反应产物不断地被排出，能连续不断地提供电能。 (2)能量转换率高，高于80%，有利于节约能源。 (3)排放的废弃物少，绿色环保。 2.氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)工作原理 氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气分别在两极发生氧化反应和还原反应。其反应表示如下： 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 2H2-4e-===4H+ 2H2-4e-+4OH-===4H2O 正极反应 O2+4e-+4H+===2H2O O2+4e-+2H2O===4OH- 总反应 2H2+O2===2H2O 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 燃料电池的分析思路模型 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2H2-4e-+4OH-===4H2O，标准状况下消耗11.2 L H2，则转移电子数为6.02×1023。 2.(2025·南通期中)某氢氧燃料电池的结构如图所示，其中O2-可以在固体介质NASICON中自由移动，下列相关说法正确的是(　　) A.氧气由多孔电极b处通入 B.当转移0.4 mol电子时，消耗2.24 L O2 C.氢气端的电极反应式为H2-2e-+O2-===H2O D.在固体介质NASICON中，O2-由多孔电极b向电极a移动 答案　C 解析　原电池中电子从负极流出经过导线到正极，据此可知多孔电极a为正极，发生的反应为O2+4e-===2O2-，氧气在由多孔电极a处通入，未说明气体所处的状态，不能计算出具体体积，A、B错误；多孔电极b为负极，发生的反应为H2-2e-+O2-===H2O，原电池中O2-在正极产生，移动到负极，因此O2-由多孔电极a向电极b移动，C正确，D错误。 二、其他燃料电池 1.常见的燃料电池 除氢气外，甲烷、甲醇、肼(N2H4)、氨等都可以作为燃料电池的燃料。电池在工作时，燃料通入电池的负极，发生氧化反应；氧化剂(一般为O2或空气)通入电池的正极，发生还原反应。 2.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。 3.一种固体电解质燃料电池的构造示意图如图所示。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 4.一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理示意如图所示。 (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.(2025·连云港期末)近年来我国燃料电池技术取得重大突破。下列物质不宜作为电池燃料的是(　　) A.氮气 B.氢气 C.一氧化碳 D.碳氢化合物 答案　A 解析　氮气化学性质稳定，不易与大多数元素发生化学反应，因此不适合作为燃料电池的燃料，故选A。 2.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。 3.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。 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.如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　) A.a电极是负极 B.b电极的电极反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑ C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 答案　B 2.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，产生的电极产物在电解质溶液中要能稳定存在，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　其他燃料电池 3.(2024·淮安月考)二氧化硫⁃空气质子交换膜燃料电池将化学能转变成电能的同时，实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，其原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A.负极的电极反应式为SO2+2H2O-2e-===S+4H+ B.总反应为2SO2+O2+2H2O===2H2SO4 C.质子的移动方向为从电极B到电极A D.SO2气流速度的大小可能影响电池的电动势 答案　C 解析　A极通入SO2，SO2在负极失电子生成S，则电极反应式为SO2+2H2O-2e-===S+4H+，故A项正确；该电池总反应为2SO2+O2+2H2O===2H2SO4，故B项正确；A为负极，B为正极，质子的移动方向为从电极A移到电极B，故C项错误；反应物的浓度大，反应速率快，SO2气流速度的大小可能影响电池的电动势，故D项正确。 4.(2025·扬州月考)液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以甲醇(CH3OH)为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。关于该电池的叙述正确的是(　　) A.a极发生氧化反应 B.b极为该电池的负极 C.放电时，电子从b极流向负载，再由负载流向a极 D.b极的反应式：O2+4e-+4H+===2H2O 答案　A 解析　通入燃料CH3OH的a极为负极，发生氧化反应，通入氧气的b极为该电池的正极，电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-，A正确，B、D错误；放电时，电子从负极经负载流向正极，所以电子从a极流向负载，再由负载流向b极，C错误。 5.在石油化工生产中，丁烷(C4H10)是一种重要的化工原料。丁烷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，通入空气的一端为正极，即M电极为正极，发生还原反应，丁烷燃料通入的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。 6.(2024·南通月考)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　D 解析　燃料电池工作时，电子不能经过电解质，A错误；由题给示意图可知，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，O2在正极得到电子发生还原反应生成氧离子，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，该电池在常温下不能工作，D正确。 7.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　A 解析　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。 [8~10题，每小题8分] 8.(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，该装置可将HCOOH转化为KHCO3，下列说法正确的是(　　) A.每消耗1 mol O2，可将2 mol F转化为F B.物质X为KOH C.负极电极反应式为HCOO-+2OH--2e-===HC+H2O D.放电时，K+由正极区移向负极区 答案　C 解析　每消耗1 mol O2，转移4 mol电子，根据得失电子守恒，可知可将4 mol F转化为F，故A错误；右侧装置中实现F转化为F，并使Fe3+进入原电池装置中，若X为KOH会使Fe3+形成沉淀无法实现循环转化，故B错误；由图可知负极HCOO-失电子转化为HC，电极反应式为HCOO-+2OH--2e-===HC+H2O，故C正确；放电时，原电池中的阳离子由负极区向正极区移动，故D错误。 9.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。 10.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N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C6H5CHO+13H2O-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N的物质的量之比为5∶32，C正确；加热时微生物中的蛋白质会变性，效率会降低，D错误。 11.(8分)NH3⁃O2燃料电池的结构如图所示： (1)a极为电池的　　　　　(填“正”或“负”)极，其电极反应为　　　　　　　　　　。  (2)当生成1 mol N2时，电路中流过电子的物质的量为 　　　　　　　。  答案　(1)负　2NH3+6OH--6e-===N2+6H2O　(2)6 mol 解析　(1)a极通入氨，是负极，b极通入氧气，是正极。(2)N的化合价由-3价变成0价，当生成1 mol N2时，转移6 mol电子。 12.(11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。  答案　(1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (2)3O2+12H++12e-===6H2O　2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+ (3)正　负 解析　(1)甲醇燃料电池的反应原理为甲醇的氧化反应，电解质溶液为稀硫酸，电池放电时的总反应为2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O。 (2)电池正极上O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O；用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极反应式。 13.(8分)电池是人类生产和生活中重要的能量来源。各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。 (1)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。  (2)以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，电池的能量转换效率为86.4%，1 mol甲烷燃烧释放的热量为890.3 kJ，则该电池的比能量为　　　　　　kW·h·kg-1[结果保留1位小数，比能量=，1 kW·h=3.6×106J]。  答案　(1)NO-3e-+2H2O===N+4H+　33.6　(2)13.4 解析　(1)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。(2)甲烷燃料电池的能量转换效率为86.4%，甲烷的标准燃烧热为-890.3 kJ·mol-1，1 mol甲烷燃烧输出的电能约为≈0.214 kW·h，比能量=≈13.4 kW·h·kg-1。 学科网（北京）股份有限公司 $