高中化学选修四燃料电池

1、燃料电池燃料电池 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。接转换成电能的化学电池。 氢氧燃料电池氢氧燃料电池 酸性电解质：酸性电解质：碱性电解质碱性电解质负极负极: 2H2-4e-+4OH-=4H2O正极正极: O2+2H2O+4e-=4OH-总反应总反应: 2H2+O2=2H2O负极：负极： 2H2-4e-=4H+正极：正极： O2+4H+4e-=2H2O总反应：总反应：2H2+O2=2H2O阅读阅读P77-78了解燃料电池的优点了解燃料电池的优点燃料电池的规律燃料电池的规律燃料做负极，助燃剂氧气为正极燃料做负极，助燃剂

2、氧气为正极电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。能量转化率高能量转化率高(超过超过80%)，普通的只有，普通的只有30%，有利于节约，有利于节约能源，且对环境无污染。能源，且对环境无污染。燃料电池与前几种电池的差别：燃料电池与前几种电池的差别：氧化剂与还原剂在工作时不断补充；氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出反应产物不断排出燃料电池电极反应式的书写燃料电池电极反应式的书写 第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；三步：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

3、应式。 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（或硫元素）的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质溶液的酸碱性有关， 如甲烷燃料电池酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；碱性电解质中生成CO32-离子和H2O， 即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。 第一步，先写出燃料电池的总反应方程式； C2H5OH+4OH-+3O2=2CO32-+5H2O

4、C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O 2CH3OH+4OH-+3O2=2CO32-+6H2O 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 2H2S+3O2+4OH-=2SO32-+4H2O 2H2S+3O2=2SO2+2H2O 2CO+O2+4OH-=2CO32-+2H2O 2CO+O2=2CO2 CH4+2O2=CO2+2H2O CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O 2H2+O2=2H2O燃料种类第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；H2CH4COH2SCH3OHCH3CH2OH电解质溶液的酸碱性电池总反应方程式酸碱碱碱酸酸酸碱酸碱第二步，再写出燃料电池的正极反应式； 燃料电池正

5、极反应物一律是氧气，正极都是氧化剂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，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正极反应的本质都是O2得电子生成得电子生成O2-离子，故正极反离子，故正极反应式的应式的。正极产生。正极产生O2-离子的存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四种情况归纳如下。电解质有关的四种情况归纳如下。 电解质为酸性电解质溶液（如稀硫酸

6、） 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 O24H+4e- =2H2O。 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 O22H2O +4e-=4OH-。 第二步，再写出燃料电池的正极反应式；电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3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

7、-离子，则其正极反应式为 O22CO2 +4e-=2CO32-。 第二步，再写出燃料电池的正极反应式； 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 O24e-=2O2-。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。例如：甲烷燃料电池的电解质溶液为例如：甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液溶液总反应式：CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O正极反应式：O22H2O +4e-=4OH-。减去正减去正极反应极反应物氧气物氧气2O24H2O +8e-=8OH-。CH4 + 10 OH- + 8

8、e- = CO32- + 7H2O负极反应式：例例1 1、一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化、一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：向一个电极通入空气。试回答下列问题： 这种电池放电时发生的化学反应方程式是这种电池放电时发生的化学反应方程式是 。 此电池的正极发生的电极反应是此电池的正极发生的电极反应是 ； 负极发生的电极反应是负极发生的电极反应是 。 电解液中的电解液中的H H+ +离子向离子向 极移动；极移动； 向外电路释放电子的电极是向外电路释放电子

9、的电极是 。 比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，首先是燃料电池的能量转化率高，其次是其次是 。 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 3O2+12H+12e-=6H2O2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+正正负极负极污染较小污染较小例例2 2、甲烷燃料电池的电解质溶液为、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOHKOH溶液，下列关于溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是甲烷燃料电池的说法不正确的是 （ ） A A、负极反应式为、负极反应式为CHCH4 4+

10、10OH+10OH- -8e8e- -=CO=CO3 32-2-+7H+7H2 2O O B B、正极反应式为、正极反应式为O O2 22H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- - C C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变、随着不断放电，电解质溶液碱性不变 D D、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量 利用率大利用率大答案：答案：C C例例3、某燃料电池以熔融的、某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含（其中不含O2-和和HCO3- ）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催

11、化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题： 写出该燃料电池的化学反应方程式。写出该燃料电池的化学反应方程式。 写出该燃料电池的电极反应式。写出该燃料电池的电极反应式。 为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？加入的物质是什么，它从哪里来？ 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O正极：正极：O22CO2 +4e-=2CO32-， COCO2 2

12、 从负极反应产物中来从负极反应产物中来负极：负极：2C4H10+26CO32-52e-=34CO2+10H2O例例4、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说。下列对该燃料电池说法正确的是法正确的是 A. 在熔融电解质中，在熔融电解质中，O2-由负极移向正极由负极移向正极 B. 电池的总反应是：电池的总反应是：2C4H1013O2 = 8CO210H2O C. 通入空气的一极是正极，通入空气的一极是正极， 电极反应为：电极反应为：O24e-2O2- D. 通入丁烷的一极是正极，电极反应为：通入丁烷的一极是正极，电极反应为：1. C4H1026e-13O2-4CO25H2O B、C例例5 5、我国首创以铝、我国首创以铝空气空气海水电池作为能源的新型海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。就会发出耀眼的白光。 电源负极材料为：铝；电源负极材料为：铝；电源正极材料为：石墨、铂网等能导