4.1 第3课时 化学电源——燃料电池(Word讲义)-【满分思维】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册学生用书（人教版）

第3课时　化学电源——燃料电池 ◆ 学习任务　化学电源——燃料电池 【课前自主预习】 燃料电池 (1)燃料电池: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)氢氧燃料电池 电解质溶液 稀硫酸 KOH溶液 负极反应 　　　　　　　  　　　　　　　  正极反应 　　　　　　　  　　　　　　　  　　　　　　　  　　　　　　　  总反应 2H2+O22H2O (3)燃料电池的优点 ①将化学能转化为电能的转化率较高,大大提高了能源的利用率。 ②污染物少排放甚至零排放。 (4)燃料电池常用的燃料 H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。 (5)燃料电池常用的电解质 ①酸性电解质溶液,如H2SO4溶液; ②碱性电解质溶液,如KOH溶液; ③熔融氧化物; ④熔融碳酸盐,如熔融K2CO3。 (6)解答燃料电池题目的思维模型 【知识迁移应用】 例1 [2026·河北保定部分学校高二联考] 乙醇是一种无毒且可再生的能源。直接乙醇燃料电池一度引起人们的研究兴趣,其装置如图所示。下列说法错误的是 (　) A.该装置工作时电子由M极流出经电解液流向N极 B.M极的电极反应式为C2H5OH-12e-+16OH-2C+11H2O C.该装置工作一段时间后,KOH溶液的浓度降低 D.空气中的氧气在正极被消耗,故废气中主要含N2 例2 以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池,下列说法正确的是 (　) A.放电过程中,K+均向负极移动 B.放电过程中,KOH物质的量均减小 C.消耗等质量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大 D.消耗1 mol O2时,理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L 例3 固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆-氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是 (　) A.有O2参加反应的电极a为电池的负极 B.电极b的电极反应式为H2+O2-+2e-H2O C.电极a的电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH- D.该电池的总反应式为2H2+O22H2O [归纳总结] 燃料电池电极反应式的书写 负极为燃料失电子发生氧化反应,正极为助燃剂得电子发生还原反应。 第一步写总反应。烃或烃的含氧衍生物等其他燃料与助燃剂作用生成稳定产物,C通常对应CO2或C。 第二步写正极反应式。 ①酸性溶液:O2+4H++4e-2H2O, ②碱性介质:O2+2H2O+4e-4OH-, ③允许O2-存在的高温固体:O2+4e-2O2-, ④熔融碳酸盐:O2+2CO2+4e-2C。 第三步写负极反应式。用总反应减去正极反应式并消去助燃剂等并配平即为负极反应式。 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从正极区向负极区迁移 (　) (2)氢氧燃料电池可将热能直接转化为电能 (　) (3)氢氧燃料电池工作时氧气在正极被还原 (　) (4)燃料电池在常温下无法反应 (　) (5)燃料电池中,燃料在负极发生氧化反应,氧气在正极发生还原反应 (　) 2.氨气是一种重要的化工原料,工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92 kJ·mol-1,将上述合成氨反应设计成燃料电池,工作原理如图所示,下列说法错误的是 (　) A.a电极为正极,发生还原反应 B.A溶液中所含溶质为NH4Cl,可用蒸发结晶的方法分离出A C.a电极发生的反应为N2+8H++6e-2N D.导线中电流方向为a→b 3.微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。某污水处理厂利用微生物燃料电池处理含铬废水的工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　) A.电池工作时a极发生氧化反应 B.CH3OH与Cr2也可直接反应 C.电池工作一段时间后,右边溶液的酸性增强 D.a极的电极反应式为CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+ 4.2023杭州亚运会赛区内使用氢燃料清洁能源车辆,这种车辆利用原电池原理提供清洁电能,某氢氧燃料电池工作原理如图所示。下列说法正确的是 (　) A.电极a为电池的正极 B.电池工作过程中,K+向负极迁移 C.电极b表面反应为O2+2H2O+4e-4OH- D.氢氧燃料电池中正极消耗22.4 L(标准状况)气体时,电路中通过的电子为2 mol 学科网（北京）股份有限公司 $ 第3课时　化学电源——燃料电池 【新课探究】 学习任务 课前自主预习 (2)H2-2e-2H+　H2+2OH--2e-2H2O　O2+4H++4e-2H2O　O2+2H2O+4e-4OH- 知识迁移应用 例1　A　[解析] 通入乙醇的M电极为负极,结合电解质溶液为KOH溶液,电解质溶液呈碱性,负极电极反应式为CH3CH2OH-12e-+16OH-2C+11H2O;通入空气的N电极为正极,正极电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-,据此回答。电子只能通过外电路传导,不能在电解液中移动,电解液中离子定向移动,电子由M极流出经用电器流向N极,A错误;根据分析可知,B正确;总反应为C2H5OH+3O2+4OH-2C+5H2O,反应消耗OH-且生成H2O,导致KOH浓度降低,C正确;空气中氧气在正极被消耗,剩余气体主要为N2(占空气体积约78%),D正确。 例2　C　[解析] 碱性环境下,甲醇燃料电池总反应为2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清洁燃料电池总反应为N2H4+O2N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价,H元素化合价为+1价,所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2+4O2+4KOH2K2CO3+N2+6H2O。放电过程为原电池工作原理,所以钾离子均向正极移动,A错误;根据上述分析可知,N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水,其总反应中未消耗KOH,所以KOH的物质的量不变,其他两种燃料电池根据总反应可知,KOH的物质的量减小,B错误;理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关,设消耗燃料的质量均为m g,则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是×6、×4、×16,通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大,C正确;根据转移电子数守恒和总反应式可知,消耗1 mol O2时,生成N2的物质的量为1 mol,在标准状况下为22.4 L,D错误。 例3　D　[解析] 因为外电路中电子从电极b流向电极a,所以电极b为负极,H2在该极发生氧化反应;电极a为正极,O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池负极的电极反应式为H2+O2--2e-H2O,正极的电极反应式为O2+4e-2O2-,则电池总反应式为2H2+O22H2O。 【课堂评价】 1.(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√ [解析] (1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从负极区向正极区迁移。 (2)氢氧燃料电池属于原电池,是将化学能转化为电能的装置,不能将热能直接转化为电能。 (4)燃料电池是利用燃烧原理来设计的燃料电池,大多数是在常温条件可以反应的。 2.B　[解析] 由图可知,通入氮气的a电极为燃料电池的正极,酸性条件下氮气在正极得到电子发生还原反应生成铵根离子,通入氢气的b电极为负极,氢气在负极失去电子发生氧化反应生成氢离子,放电得到的A溶液为氯化铵溶液,氯化铵浓溶液经冷却结晶、过滤得到氯化铵和可以循环使用的氯化铵稀溶液。由分析可知,通入氮气的a电极为燃料电池的正极,酸性条件下氮气在正极得到电子发生还原反应生成铵根离子,故A正确;氯化铵受热易分解,不能用蒸发结晶的方法分离得到,应用冷却结晶、过滤的方法得到氯化铵,故B错误;由分析可知,a电极的电极反应式为N2+8H++6e-2N,故C正确;由分析可知,通入氮气的a电极为燃料电池的正极,通入氢气的b电极为负极,则导线中电流方向为a→b,故D正确。 3.C　[解析] 原电池中氢离子向正极移动,由图可知,b极为正极,发生还原反应,电极反应式为Cr2+14H++6e-2Cr3++7H2O,1 mol Cr3+与水反应生成3 mol H+同时生成1 mol Cr(OH)3,若电路中转移3 mol电子,则有3 mol H+从左池进入右池,而正极反应中消耗7 mol H+,综合分析右池n(H+)减少1 mol,H+浓度降低;a极为负极,甲醇发生氧化反应生成二氧化碳,电极反应式为CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+。由分析可知,电池工作时a极发生氧化反应,A正确;自发的氧化还原反应可以设计成原电池,故CH3OH与Cr2也可直接反应,B正确;由分析可知,右池H+浓度降低,酸性变弱,C错误;a极为负极,甲醇发生氧化反应生成二氧化碳,电极反应式为CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+,D正确。 4.C　[解析] 由图可知,电极a为负极,电极反应式为H2+2OH--2e-2H2O,电极b为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,据此作答。电极a上氢气失电子,电极a为负极,故A错误;原电池工作时,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,K+移向正极,故B错误;由分析可知,电极b为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,故C正确;标准状况下22.4 L气体的物质的量为1 mol,结合选项C分析可知,正极消耗1 mol O2,电路中通过的电子为4 mol,故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $