燃料電池（課件）

燃料電池燃料電池（Fuelcell），是一種不經(jīng)過燃燒，將燃料化學(xué)能經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它和其它電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，都是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不會發(fā)出火焰，其化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能，且廢物排放量很低。其中燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同基礎(chǔ)知識燃料電池的兩極材料都是用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等兼有催化劑特性的惰性金屬，兩電極的材料相同。燃料電池的電極是由通入氣體的成分來決定。通入可燃物的一極為負極，可燃物在該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；通入空氣或氧氣的一極為正極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應(yīng)。基礎(chǔ)知識不同類型的燃料電池可有不同種類的電解質(zhì)，其電解質(zhì)通常有水劑體系（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、固體（氧化物或質(zhì)子交換膜）電解質(zhì)等。在不同的電解質(zhì)中，燃料電池的電極反應(yīng)式就有不同的表示方法。因此，在書寫燃料電池電極反應(yīng)式時要特別注意電解質(zhì)的種類。基礎(chǔ)知識以氫氧燃料電池為例，其工作原理是：氫氣（可燃物）從負極處失去電子（燃料被氧化掉），這些電子從外電路流到正極；同時，余下的陽離子（氫離子）通過電解液被送到正極。在正極，離子與氧氣發(fā)生反應(yīng)并從負極獲得電子。基礎(chǔ)知識堿性燃料電池（AFC）——采用氫氧化鉀溶液作為電解液。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）——采用極薄的塑料薄膜作為其電解質(zhì)。磷酸燃料電池（PAFC）——采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)。熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）

固態(tài)氧燃料電池（SOFC）——采用固態(tài)電解質(zhì)基礎(chǔ)知識⑴燃料電池是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)過熱能這一種中間形式，所以它的電效率比其它任何形式的發(fā)電技術(shù)的電效率都高。⑵燃料電池的廢物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大減少了對環(huán)境的污染。⑶燃料電池中無運動部件，工作時很安靜且無機械磨損。

燃料電池是一種新型無污染、無噪音、高效率的汽車動力和發(fā)電設(shè)備，其投入使用可有效的解決能源危機、污染問題，是繼水力、火力、核能發(fā)電后的第四類發(fā)電——化學(xué)能發(fā)電，被稱為二十一世紀的“綠色電源”?；A(chǔ)知識（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是A．放電過程中，K+均向負極移動B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大

D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2L【答案】C電池性能離子移動方向電解質(zhì)溶液的變化依據(jù)電子守恒的計算真題突破（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是A．放電過程中，K+均向負極移動B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2L堿性環(huán)境下，甲醇燃料電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清潔燃料電池總反應(yīng)為：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價均為-2價，H元素化合價為+1價，所以根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理可推知其燃料電池的總反應(yīng)為：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O真題突破（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是A．放電過程中，K+均向負極移動B．放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小A．放電過程為原電池工作原理，所以鉀離子均向正極移動，A錯誤；B．根據(jù)上述分析可知，N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮氣和水，其總反應(yīng)中未消耗KOH，所以KOH的物質(zhì)的量不變，其他兩種燃料電池根據(jù)總反應(yīng)可知，KOH的物質(zhì)的量減小，B錯誤；真題突破（2021·山東真題）以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說法正確的是C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大D．消耗1molO2時，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2LC．理論放電量與燃料的物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)移電子數(shù)有關(guān)，設(shè)消耗燃料的質(zhì)量均為mg，則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量（物質(zhì)的量表達式）分別是：

通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大，C正確；D．

根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒和總反應(yīng)式可知，消耗1molO2生成的氮氣的物質(zhì)的量為1mol，在標準狀況下為22.4L，D錯誤；【答案】C真題突破（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時

還可提供電能B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)

H2+2MV2+=2H++2MV+C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3D．電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動【答案】B真題突破（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時

還可提供電能真題突破（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)

H2+2MV2+=2H++2MV+真題突破（2019·全國高考真題）利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3D．電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動【答案】B真題突破解答燃料電池題目的思維模型高頻考點1.電極反應(yīng)2.微粒濃度變化2.電化學(xué)計算4.離子移動方向5.電極判斷歸納總結(jié)書寫燃料電池電極反應(yīng)先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式A再寫出燃料電池的正極反應(yīng)式B在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負極反應(yīng)式C歸納總結(jié)因為燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃料燃燒的產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式，但要注意燃料的種類。若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，如甲烷燃料電池在酸性電解質(zhì)中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在堿性電解質(zhì)中生成CO32-離子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。歸納總結(jié)電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液（如氯化鈉溶液或氫氧化鈉溶液）O2＋2H2O+4e-=4OH-。電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）在酸性環(huán)境中O2＋4H++4e-=2H2O電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽（如LiCO3和Na2CO3熔融鹽混和物）O2＋2CO2+4e-=2CO32-。電解質(zhì)為固體電解質(zhì)（如固體氧化鋯—氧化釔）O2＋4e-=2O2-。燃料電池正極反應(yīng)式的書寫正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是：O2＋4e-=2O2-產(chǎn)物判斷規(guī)則一般來說，負極反應(yīng)物一般為燃料，常常含有碳元素和氫元素，有時也含有氧元素。在酸性溶液(如硫酸溶液)下，負極燃料失電子，C元素變?yōu)?4價，轉(zhuǎn)化為CO?；H元素轉(zhuǎn)化為H?，氧元素結(jié)合H?轉(zhuǎn)化為水。在堿性溶液(如氫氧化鈉溶液)下，負極燃料失電子，C元素轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，+1價的氫元素不能在堿性條件下以離子形態(tài)穩(wěn)定存在，結(jié)合OHˉ生成水，氧元素變成氫氧根離子或者水。配平方法電極方程式是一種特殊的離子方程式，滿足離子方程式的原子守恒和電荷守恒。因此依據(jù)原子守恒和電荷守恒可以配平負極反應(yīng)方程式。注意在使用電荷守恒時，減去電子的數(shù)目相當于加上同等數(shù)目的負電荷。如CH?OH﹣8eˉ+10OHˉ=CO32-+7H?O，左邊為1×8+(－1)×10=-2，有兩個負電荷，右邊為－2×1=－2，同樣有兩個負電荷，所以兩邊電荷守恒。堿性條件下常常用氫氧根調(diào)節(jié)電荷平衡和氧元素平衡，酸性條件下常常使用氫離子調(diào)節(jié)電荷平衡和氧元素平衡。得失電子數(shù)目的求算燃料分子失電子的數(shù)目，可根據(jù)整體化合價變化情況進行求算，也可以直接根據(jù)分子所含的原子數(shù)目進行計算。1mol的CxHyOz失去電子的數(shù)目為4x+y－2z(碳四氫一氧減二)。我們可以計算，每個C?H?失電子數(shù)為4×3+1×8＝20，每個C?H?OH分子失電子數(shù)為4×2+1×6－2＝12。燃料電池負極反應(yīng)式的書寫微生物燃料電池電極反應(yīng)式書寫微生物燃料電池基本工作原理是：在陽極室厭氧環(huán)境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳遞到陰極