燃料电池--适合高三一轮化学复习用

燃料电池
书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；第二步，再写出燃料电池的正极反应式；第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。

1、燃料电池总反应方程式的书写
因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注意燃料的种类。

若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。

若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。

2、燃料电池正极反应式的书写
因为燃料电池正极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极反应式，正极反应的本质都是O2得电子生成O2-离子，故正极反应式的基础都是O2＋4e-=2O2-。

正极产生O2-离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。

这是非常重要的一步。

现将与电解质有关的五种情况归纳如下。

⑴电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸）
在酸性环境中，O2-离子不能单独存在，可供O2-离子结合的微粒有H+离子和H2O，O2-离子优先结合H+离子生成H2O。

这样，在酸性电解质溶液中，正极反应式为O2＋4H++4e-=2H2O。

⑵电解质为中性或碱性电解质溶液（如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液）
在中性或碱性环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子只能结合H2O生成OH-离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OH-。

⑶电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混和物）
在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子也不能单独存在，O2-离子可结合CO2生成CO32-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2 +4e-=2CO32-。

⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇）
该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其正极反应式应为O2＋4e-=2O2-。

综上所述，燃料电池正极反应式本质都是O2＋4e-=2O2-，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。

因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

3、燃料电池负极反应式的书写
燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。

不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式相当困难。

一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。

【高考题考查】
1．锌−空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为
-。

下列说法正确的是（）
2Zn+O2+4OH–+2H2O===2Zn(OH)2
4
A．充电时，电解质溶液中K+向阳极移动
c-逐渐减小
B．充电时，电解质溶液中(OH)
-
C．放电时，负极反应为：Zn+4OH–-2e–===Zn(OH)2
4
D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L（标准状况）
【答案】C【解析】A、充电时阳离子向阴极移动，故错误；B、放电时总反应为：
c-增大，故错误；C、放电2Zn+O2+4KOH+2H2O===2K2Zn(OH)4,，则充电时生成氢氧化钾，溶液中的(OH)
时，锌在负极失去电子，故正确；D、标准状况下22.4 L氧气的物质的量为1 mol，对应转移4 mol电子，故错误。

2．利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。

下列说法错误的是
A．相比现有工业合成氨，该方法条
件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反
应H 2+2MV2+2H++2MV+
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2
发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【答案】B【解析】A项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV+和MV2+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A正确；B项、左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+−e−= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+，故B错误；C项、右室为正极区，MV2+在正极得电子
发生还原反应生成MV +，电极反应式为MV 2++e −= MV +，放电生成的MV +与N 2在固氮酶的作用下反应生成NH 3和MV 2+，故C 正确；D 项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D 正确。

3．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。

下列有关该电池的说法正确的是（ ）
移
A ．反应CH 4＋H 2O =点燃 =======通电 =======电解 ========催化剂△
3H 2＋CO,每消耗1molCH4转12mol 电子
B ．电极A 上H 2参与的电极反应为：
H 2＋2OH －－2e －=2H 2O C ．电池工作时，CO 32－向电极B 移动
D ．电极B 上发生的电极反应为：O 2＋2CO 2＋4e －=2CO 32－ 【答案】D 【解析】A 、1molCH 4→CO ，化合价由-4价→+2上升6价，1molCH 4参加反应共转移6mol 电子，故错误；B 、环境不是碱性，否则不会产生CO 2，其电极反应式：CO ＋H 2＋2CO 32－－4e －
=3CO 2＋H 2O ，故B 错误；C 、根据原电池工作原理，电极A 是负极，电极B 是正极，阴离子向负极移动，故C 错误；D 、根据电池原理，O 2、CO 2共同参加反应，其电极反应式：O 2＋2CO 2＋4e －=2CO 32－，故D 正确。

【典例分析】1、固体电解质
1.已知：2H 2S(g)+O 2(g) = S 2(s)+2H 2O(l) △H= -632 kJ•mol -1，如图为质子膜H 2S 燃料电池的示意图。

下列说法正确的是
A ． 电极a 上发生的电极反应式为：H 2S - 2e - = S+2H +
B ． 电池工作时，电流从电极b 经过负载流向电极a
C ． 电路中每流过1 mol 电子，电池内部释放158 kJ 的热能
D ． 每11.2 LH 2S 参与反应，有1 mol H +经固体电解质膜进入正极区
【答案】B
【解析】A 、电极a 即负极H 2S 失电子发生氧化反应，所以电极反应为：2H 2S-4e -=S 2+4H +，A 错误；B 、电池工作时，电子从负极电极a 经负载流向正极电极b ，则电流从电极b 经过负载流向电极a ，B 正确；C 、根据A 的分析，电路中每流过1 mol 电子，反应0.5mol H 2S ，根据2H 2S(g)+O 2(g) = S 2(s)+2H 2O(l) △H= -632 kJ•mol -1，电池内部释放158 kJ 的能量，大部分能量以电能的形成放出，放出的热能远少于158 kJ ，C 错误；
D 、未告知是否为标准状况，无法计算11.2 LH 2S 的物质的量，D 错误。

2、电解质水溶液
2.第三代混合动力车，可以用电动机、内燃机或二者结合推动车轮。

汽车上坡或加速时，电动机提供推动力，降低汽油的消耗；在刹车或下坡时。

电池处于充电状态。

混合动力车目前一般使用镍氢电池，该电池中镍的化合物为正极，储氢金属(以M表示) 为负极。

碱液(主要为KOH )为电解质溶液。

镍氢电池充放电原理如图所示，其总反应式为
H2+2NiOOH2Ni (OH)2以下说法正确的是
A．混合动力车上坡或加速时，乙电极为负极
B．混合动力车在刹车或下坡时，乙电极的电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-==NiOOH+H2O
C．混合动力车上坡或加速时，电解质溶液中的OH-向乙电极周围移动
D．混合动力车上坡或加速时，乙电极周围溶液的pH减小
【答案】B
【解析】混合动力车上坡或加速时，电动机提供推动力，所以镍氢电池放电，H2失电子为负极，甲电极为负极，A错误；混合动力车在刹车或下坡时，电池处于充电状态，为电解池，乙电极为阳极，失电子发生氧化反应，电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-==NiOOH+H2O，B正确；混合动力车上坡或加速时，镍氢电池放电，电解质溶液中的OH-向负极甲移动，C错误；混合动力车上坡或加速时，镍氢电池放电，乙电极是正极，正极反应式是NiOOH+H2O+ e-= Ni(OH)2+OH-，周围溶液的pH增大，D错误。