高中化学燃料电池完全解析

高中化学燃料电池完全解析

燃料电池(Fuel Cell)是利用氢气、碳、甲醇、硼氢化物、天然气等为燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化成电能的一类原电池。

【解法模板】

理顺书写燃料电池电极反应式的三大步骤 1．先写出燃料电池总反应式

虽然可燃性物质与氧气在不同的燃料电池中电极反应不同，但其总反应方程式一般都是可燃物在氧气中的燃烧反应方程式。由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物还可能要与电解质溶液反应，然后再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式相加，从而得到总反应方程式。

2．再写出燃料电池正极的电极反应式

由于燃料电池正极都是O 2得到电子发生还原反应，基础反应式为O 2＋4e －

===2O 2－

，由于电解质的状态和电解质溶液的酸碱性不同，电池正极的电极反应也不相同。电解质为固体时，该固体电解质在高温下可允许O 2－

在其间自由通过，此时O 2－不与任何离子结合，正极的电极反应式为O 2＋4e －

===2O 2－。电解质为熔融的碳酸盐时，正极

的电极反应式为O 2＋2CO 2＋4e －

===2CO 32－

。当电解质为中性或碱性环境时，正极的

电极反应式为：O 2＋4e －＋2H 2O===4OH －

；当电解质为酸性环境时，正极的电极反应式为：O 2＋4e －

＋4H ＋

===2H 2O 。

3．最后写出燃料电池负极的电极反应式

由于原电池是将氧化还原反应中的氧化反应和还原反应分开在两极(负、正两极)上发生，故燃料电池负极的电极反应式＝燃料电池总反应式－燃料电池正极的电极反应式。在利用此法写出燃料电池负极的电极反应式时一要注意消去总反应和正极反应中的O 2，二要注意两极反应式和总反应式电子转移相同。

【例题】

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2Zn ＋O 2＋4OH －

＋2H 2O===2【Zn(OH)4】2－

。下列说法正确的是( ）

A ．充电时，电解质溶液中K ＋

向阳极移动

B ．充电时，电解质溶液中c (OH －

)逐渐减小

C ．放电时，负极反应为：Zn ＋4OH －－2e －===【Zn(OH)4】2

－

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 项，充电时，电解质溶液中K ＋

向阴极移动，错误；B 项，充电时，总反

应方程式为2【Zn(OH)4】2－

通电=====

2Zn ＋O 2＋4OH －

＋2H 2O ，所以电解质溶液中c (OH

－

)逐渐增大，错误；C 项，在碱性环境中负极Zn 失电子生成的Zn 2＋

将与OH ―结合生

成【Zn(OH)4】2－

，正确；D 项，O 2～4e －

，故电路中通过2 mol 电子，消耗氧气0.5 mol ，

在标准状况体积为11.2 L ，错误。

【实例】

1．二氧化硫—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，降低了成本提高了效益，其原理如图所示。下列说法错误的是( )

A ．Pt1电极附近发生的反应为：SO 2＋2H 2O －2e －

===SO 42－

＋4H ＋

B ．Pt2电极附近发生的反应为O 2＋4e －===2O 2

－

C ．该电池放电时电子从Pt1电极经过外电路流到Pt2电极

D ．相同条件下，放电过程中消耗的SO 2和O 2的体积比为2∶1 1．B

【解析】电池总反应是2SO 2＋O 2＋2H 2O===2H 2SO 4，Pt1为负极，电极反应式为：SO 2

＋2H 2O －2e －

===SO 42－

＋4H ＋，Pt2为正极，电极反应式为：O 2＋4e －＋4H ＋

===2H 2O ，

A 、C 、D 正确，

B 错误。

2．利用碳纳米管能够吸附氢气，设计一种新型二次电池，其装置如图所示。关于该电池的叙述不正确的是( )

A．电池放电时K＋移向正极

B．电池放电时负极反应为：H2－2e－＋2OH－===2H2O

C．电池充电时镍电极上NiOOH转化为Ni(OH)2

D．电池充电时碳纳米管电极与电源的负极相连

2．C

【解析】本题考查二次电池的反应原理，意在考查考生对原电池原理和电解原理的理解和综合应用能力。原电池放电时，阳离子向正极移动，A项正确；该电池中H2在负极上失电子，发生氧化反应，因电解质溶液为碱性溶液，故OH－参与反应，B项正确；放电时，正极(镍电极)上发生化合价降低的还原反应，即由NiOOH转化为Ni(OH)2，充电时正好相反，由Ni(OH)2转化为NiOOH，C项错误；充电时，该新型二次电池在外加电流的作用下，碳纳米管电极上发生还原反应，故碳纳米管电极作阴极，与电源负极相连，D项正确。

3．液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如下图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。下列关于该电池的叙述正确的是( )

A．b极发生氧化反应

B．a极的反应式：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O

C．放电时，电流从a极经过负载流向b极

D．其中的离子交换膜需选用阳离子交换膜

3．B

【解析】燃料电池燃料(N2H4)在负极(a极)发生氧化反应N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，O2在正极发生还原反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，A项错误，B项正确；放电时电流由正极流向负极，C项错误；OH－在正极生成，移向负极消耗，所以离子交换膜应让OH－通过，故选用阴离子交换膜，D项错误。

4．如图为一种微生物燃料电池结构示意图，关于该电池叙述正确的是( )

A．分子组成为C m(H2O)n的物质一定是糖类

B．微生物所在电极区放电时发生还原反应

C.放电过程中，H＋从正极区移向负极区

D．正极反应式为：MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O

4．D

【解析】分子组成为C m(H2O)n的物质不一定是糖类，如乙酸的分子组成为C2(H2O)2，A错误；由电池示意图可知，微生物所在电极区C m(H2O)n转化为CO2，发生的是氧化反应，是负极，则另一极是正极，MnO2发生还原反应在酸性条件下生成Mn2＋，B 错误，D正确；放电时发生的是原电池反应，H＋应该从负极区移向正极区，C错误。

5．SO2、CO、CO2、NO x是对环境影响较大的几种气体，对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径。

（1）利用电化学原理将CO、SO2转化为重要化工原料，装置如图所示：