【高中化学】燃料电池+课件+高二上学期化学苏教版(2019)选择性必修一

温故知新
常见的化学电源
三种电池构成的共同组成特点是什么?写出负极的电极反应式。
一、燃料电池
1．氢氧燃料电池 (1) 构造
一、燃料电池
(2)工作原理
负极 反应 正极 反应
总反应
酸性电解质(H2SO4) 2H2 － 4e－ == 4H+
碱性电解质(KOH) 2H2 +4OH－－4e－== 4H2O
氧化反应
还原反应
CH4－8e－＋10OH－===CO23－＋7H2O
理解应用
例3．写出碱性条件下的甲醇(CH3OH)燃料电池的电极反应式和总反应式。 总反应式：_2_C_H__3_O_H_＋__3_O__2＋ __4_O__H_－_=_=_=_2_C__O_23_－_＋__6_H_2_O__； 正极反应式：_3_O__2_＋__6_H_2_O_＋__1_2_e_－_=_=_=_1_2_O__H_－__； 负极反应式：_2_C__H_3_O_H_＋__1_6_O__H_－_－__1_2_e_－_=_=_=_2_C_O__23－_＋__1_2_H__2O___。
酸性介质： 缺氢补H＋ 缺氧补H2O 碱性介质： 缺氢补H2O 缺氧补OH－
二、制作简单燃料电池
1．设计思路 将用学生电源电解稀硫酸得到的氢气(H2)和氧气(O2)在两个石墨电极上反应，使 化学能转化为电能。
2．装置图
基础实验
根据燃料电池的反应原理、所提供的仪器和药品，制作简单的氢氧燃料电池。 实验药品：1 mol·L-1 Na2SO4溶液 实验器材：6 V直流电源， 发光二极管 ，石墨电极，电解槽，导线若干 实验现象： 接通电源，电解约半分钟，碳棒 上产生明显的气泡。 断开电源，接通二极管， 二极管发光。
( C)
A．上述燃料电池的负极反应物是氢气、甲烷、乙醇等物质
B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供
宇航员使用
C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO23－＋11H2O
C．乙醇燃料电池的电解质常用KOH，该电池的负极反应为C2H5OH－12e－===2CO2↑＋
燃料电池的优点：燃料（氢气、甲烷、甲醇、肼、氨等）来源广、能量转化效 率高、废弃物排放少、运行噪音低。 制约因素：如原材料成本、电极组装工艺、燃料的贮存和运输等。
一、燃料电池
(3)电池特点 ①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能 ②电极材料本身不参与氧化还原反应 ③工作时燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地反应，生成物不 断地被排出 ④能量转化率高(＞80%)，排放废物少
方法导引
燃料电池电极反应式的书写方法
以CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式为例：
第一步 确定生成物 CH4―O―→2 HCO2O2―K―O―→H CO23－＋H2O
燃料
e﹣
O2
第二步 确定电子转移和变价元素原子守恒
－4
＋4
C H4－8e－―→ C O23－＋H2O
负极
正极
第三步 第四步
依据电解质性质，用OH－使电荷守恒 CH4－8e－＋10OH－―→CO23－＋H2O 依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
一、燃料电池
2．形形色色的燃料电池
例2．根据甲醇在酸性电解质溶液中与氧气作用生成二氧化碳和水的反应，设计 一种燃料电池。该燃料电池工作时，负极上发生的反应为（ C ） A．CH3OH＋O2 － 2e﹣ == H2O＋CO2＋2H＋ B．O2＋4H＋＋4e﹣ == 2H2O C．CH3OH － 6e﹣＋H2O == CO2↑＋6H＋ D．4OH﹣ － 4e﹣ == O2↑＋2H2O
理解应用
例4．如图为肼燃料电池示意图，请写出正、负极的电极反应式及总反应式。
负极：N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O
归纳总结
常见燃料电池
(1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3、煤气等均可作为燃料电池的燃料。 (2)电解质可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH)也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。 (3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系，补项原则如下。
理解应用
例1．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是（ D ） A．通入氧气的电极发生氧化反应 正极，发生还原反应 B．通入氢气的电极为正极 负极，发生氧化反应 C．导电离子为质子，且在电池内部由正极
定向移动至负极 质子移向正极 D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
请查阅有关资料和数据，从能量转化、资源 的合理利用、环境保护等角度说明该技术发 展在解决能源问题中发挥的重要作用。
化学·生活
废电池的危害与回收利用
废弃电池中的汞在微生物的作用下，无机汞可以转化成甲基汞， 甲基汞能严重破坏人的神经系统，重者会发疯致死。著名的日 本水俣病就是甲基汞所致。镉能使人的肝和肾受损，也会引起 骨质松软，重者造成骨骼变形。汽车废电池中含有酸和重金属 铅，泄漏到自然界可引起土壤和水源污染，最终对人造成危害。
交流讨论
结合实验现象，思考下列问题。 (1)连接二极管时，如何判断燃料电池的正、负极？
接通学生电源，两端产生氢气和氧气的体积比为2∶1，由于氢气的体积大， 玻璃导管内的液柱先溢出，作燃料电池的负极。 (2)什么现象可以证明处于不同电极的氢气和氧气发生了反应？ 二极管发光。
批判性思维
我国火力发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右，发电效率约40%。同时， 全国大约90%的二氧化硫和80%的二氧化碳的排放量也是由煤燃烧产生的。 目前，我国正在开展整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池( IG-MCFC)发电系统的开发 研究，将燃料电池发电技术与整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术相结合，该技 术是21世纪洁净煤发电技术的一个重要方向。
废旧电池中对人体有害的重金属又是较为稀缺的工业原料。 在废旧电池中每回收1000克金属，就有82克的汞、88克的 镉。回收处理废旧电池不仅解决了环境污染的问题，而且 也实现了资源的回收再利用。
化学·生活
绿色电池种种
迅猛发展的绿色环保电池是指近年来研制、开发和已投入使用的高性能、 无污染电池。 金属氢化物镍电池由于采用了稀土合金或Ti-Ni合金储氢材料作为负极活性物质， 取代了致癌物质镉，使其成为一种绿色环保电池。锂离子蓄电池是由碳作负极， 嵌锂的金属氧化物作正极和有机电解质构成。
专第
题 1
二 单 元
第 3
化
课
学化 时
反学
应能
与与 燃
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量 变 化
能 的 转
电 池
化
教学目标
1．了解燃料电池的反应原理 及构造。 2．能够写出常见燃料电池的 电极反应。 3．设计简单的燃料电池，实 现能量转化。
核心素养
科学态度与社会责任：增强 科技意识，不断研发新型电 池，满足人类社会发展的需 求。积极回收利用废旧电池， 减少其对环境的污染。
O2 + 4H+ + 4e－ == 2H2O O2 + 2H2O + 4e－ == 4OH－ 2H2＋O2 == 2H2O
Hale Waihona Puke ★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。
选择决策
1．假如将目前地球上通过化石燃料燃烧产生能量的所有技术均改为使用氢 氧燃料电池，试问可能出现什么结果? 2．人类会面临哪些新的问题? 3．如何作出合理的选择?
3H2O
D．以KOH溶液作为电解质溶液，甲烷燃料电池的正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
巩固练习
2．以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃
料电池，原理如图所示。下列说法错误的是（ D ）
√A．b电极为负极，发生氧化反应
正极
√B．a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－===2NH4+
太阳能电池利用P—N结的光电效应发电，具有无 需燃料、无污染、无噪声、运行简单可靠、 减少 维护、建设周期短等特点。
化学·生活
绿色电池种种
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲，只要 连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后 的第四代发电技术。
课堂小结
√C．A溶液中所含溶质为NH4Cl
发生氧化反应 负极
×D．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L
未知状态，无法计算体积
总反应式：N2＋3H2＋2HCl===2NH4Cl
负极： 3H2－ 6e－ === 6H＋
谢谢观看
1．氢氧燃料电池
燃
料
2．形形色色的燃料电池
电
池
3．制作燃料电池
电极反应式及总反应书写
巩固练习
1．将氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时的化学能直接转化为电能的装置叫燃料电
池。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池能量利用率可高达
80%(一般柴油发电机只有40%左右)，产物污染也少。下列有关燃料电池的说法错误的是