专题1 第2单元 第3课时 化学电源(二) 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（苏教版 闽桂蒙陕冀专版）

该高中化学课件聚焦燃料电池，系统讲解氢氧燃料电池的构造、工作原理（酸性与碱性电解质对比）及其他燃料电池（甲烷、甲醇等），通过“燃料电池优点-氢氧电池原理-其他电池拓展”的脉络，搭建从基础到应用的学习支架，衔接化学电源知识。 其亮点在于以问题驱动（思考交流、应用体验）和方法总结（电极反应式书写三步骤）为主线，结合科学思维（证据推理、模型建构）与化学观念（反应规律、物质转化），如通过甲烷在酸碱介质中产物差异实例，帮助学生掌握书写技巧。学生能提升分析解决问题能力，教师可高效落实核心素养教学。

化学电源(二)　燃料电池 第3课时 专 题 1 　 第 二 单 元 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。 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.燃料电池的优点 (1)工作时， 和 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 ，能 地提供电能。 (2)能量转换率 ，高于80%，有利于节约能源。 (3)排放的废弃物 ，绿色环保。 燃料 氧化剂 排出 连续不断 高 少 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 反应和 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+ _______________________ 正极反应 O2+4e-+4H+===2H2O _____________________ 总反应 __________________ 氧化 还原 2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+4e-+2H2O===4OH- 2H2+O2===2H2O 3.常见的燃料电池 除氢气外， 、 、 、 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 极，发生 反应；氧化剂(一般为O2或空气)通入电池的 极，发生 反应。 甲烷 甲醇 肼(N2H4) 氨 负 氧化 正 还原 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-。 (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。 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___________ 　　　　　。 O2- H2-2e-+O2- ===H2O H+ O2+4e-+4H+ ===2H2O 思考交流 (3)C中，电池内部传导的离子是　　　，正极的电极反应式为_________ 　 　　　。 C O2+4e-+ 2CO2===2C 返回 思考交流 < 二 > 其他燃料电池 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：　　　　 。 (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+2H2O-8e-===CO2+8H+ O2+4H++4e-===2H2O CH4+2O2===CO2+2H2O 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。 方法指导 2.一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：　　　　 。 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_____________ 　　　 　。 B A 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-； 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.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，a极区产生的H+经过阳离子交换膜进入b极区，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 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 B A C B B D A D 题号 9 　10 答案 C 　C 11. (1)负　2NH3+6OH--6e-===N2+6H2O　(2)6 mol 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 12. (1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (2)3O2+12H++12e-===6H2O　2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+ (3)正　负 13. (1)NO-3e-+2H2O===N+4H+　33.6　(2)13.4 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 √ 对点训练 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 3.二氧化硫⁃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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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.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 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 燃料电池中，通入空气的电极为正极，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，且O2~4e-~2H2~2CO，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.(2024·河北保定高二联考)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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·石家庄月考)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 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。 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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.(2024·唐山质检)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 综合强化 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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。 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 √ 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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.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　　　 　　　　　　　。 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 负 2NH3+6OH--6e-===N2+6H2O a极通入氨，是负极，b极通入氧气，是正极。 (2)当生成1 mol N2时，电路中流过电子的物质的量为 　　　。 6 mol 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。 12.一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　　　　　　　　　　　　　　。 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O 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)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 3O2+12H++12e-===6H2O 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。 2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+ (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。 正 负 13.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 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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。 NO-3e-+2H2O ===N+4H+ 33.6 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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)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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13.4 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 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。 返回 本课结束 专 题 1 　 第 二 单 元 $