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第3课时　化学电源(二)　燃料电池
[核心素养发展目标]　1.理解常见的氢氧燃料电池工作原理及其应用。2.能在氢氧燃料电池的基础上分析其他燃料电池的工作原理并会书写电极反应式。
一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
1．燃料电池的优点
(1)工作时，______和________连续地由外部供给并在电极上进行反应，电极反应产物不断地被______，能________地提供电能。
(2)能量转换率____，高于80%，有利于节约能源。
(3)排放的废弃物____，绿色环保。
2．氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
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______反应和______反应。其反应表示如下：
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 2H2－4e－===4H＋
正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O
总反应
3.常见的燃料电池
除氢气外，______、______、______、______等都可以作为燃料电池的燃料。电池在工作时，燃料通入电池的____极，发生______反应；氧化剂(一般为O2或空气)通入电池的____极，发生______反应。
1.燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示，a、b均为惰性电极。
(1)负极是________(填“a”或“b”)。
(2)b极的电极反应式是__________________________________________________。
(3)标准状况下，消耗11.2 L H2时，转移的电子数为________。
2．下面为3种燃料电池的工作原理示意图。
(1)A中，电池内部传导的离子是________，负极的电极反应式为__________________。
(2)B中，电池内部传导的离子是________，正极的电极反应式为___________________。
(3)C中，电池内部传导的离子是________，正极的电极反应式为___________________。
二、其他新型燃料电池
1．甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。
(1)在酸性介质中
负极反应式：____________________________________________________________；
正极反应式：____________________________________________________________；
总反应式：______________________________________________________________。
(2)在碱性(KOH溶液)介质中
负极反应式：____________________________________________________________；
正极反应式：____________________________________________________________；
总反应式：____________________________________________________________。
在酸性介质和碱性介质中甲烷燃料电池的总反应不同，酸性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO2，碱性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO。
2.一种固体电解质燃料电池的构造示意图如图所示。该电池以稀土金属材料作电极，两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2－。
负极反应式：____________________________________________________________；
正极反应式：____________________________________________________________；
总反应式：_______________________________________________________________。
3．一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理示意如图所示。
(1)电池工作时，外电路上电流的方向应从电极____(填“A”或“B”，下同)流向用电器。
(2)CO向电极________移动。
(3)电极A上CO参与的电极反应为____________________________________________
________________________________________________________________________。
燃料电池电极反应式书写的方法
第一步：写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加和后的反应。
第二步：写出电池的正极反应式
正极一般为氧气得电子，介质不同时其电极反应式有所不同，如：
酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－；
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
1．甲醇是重要的工业原料，利用甲醇设计的燃料电池具有启动快、效率高等优点，该电池的电解质为H2SO4溶液。下列说法正确的是(　　)
A．负极区溶液的pH减小
B．溶液中SO向正极移动
C．正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
D．该电池工作时，消耗1 mol CH3OH的同时生成11.2 L CO2(标准状况)
2.某学习小组以肼(N2H4)为原料设计了一种燃料电池，构造如图所示。其中两个电极均为铂电极，电池的总反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列说法错误的是(　　)
A．通入N2H4的一极是电池的负极
B．通入O2的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．电池工作一段时间后电解质溶液的pH将变大
D．若消耗16 g N2H4，则理论上转移2 mol电子
3．热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸。下列说法不正确的是(　　)
A．电极b周围溶液pH变大
B．溶液中H＋由a极区向b极区迁移
C．电极a的电极反应式是SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO
D．一段时间后，a极消耗的SO2与b极消耗的O2物质的量相等
第3课时　化学电源(二)　燃料电池
一、
1．(1)燃料　氧化剂　排出　连续不断　(2)高　(3)少
2．(2)氧化　还原　2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　2H2＋O2===2H2O
3．甲烷　甲醇　肼(N2H4)　氨　负　氧化　正　还原
思考交流
1．(1)a　(2)O2＋2H2O＋4e－===4OH－　(3)6.02×1023(或NA)
解析　(1)氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为负极，则a为负极。(2)b电极上，O2得电子结合水生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(3)该原电池负极反应为2H2－4e－＋4OH－===4H2O，标准状况下消耗11.2 L H2，则转移电子数为6.02×1023。
2．(1)O2－　H2－2e－＋O2－===H2O
(2)H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O
(3)CO　O2＋4e－＋2CO2===2CO
二、
1．(1)CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
(2)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O
2．CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
O2＋4e－===2O2－
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
3．(1)B　(2)A　(3)CO－2e－＋CO===2CO2
应用体验
1．A　[酸性甲醇燃料电池中，O2在正极发生还原反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，CH3OH在负极发生氧化反应：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，负极生成H＋，溶液pH减小，A正确、C错误；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则溶液中SO向负极移动，B错误；由负极反应式可知，消耗1 mol CH3OH的同时生成1 mol CO2，标准状况下体积为22.4 L，D错误。]
2．C
3．D　[电极b为正极，电极反应为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，电极b周围溶液pH变大，左侧区域产生的H＋经过阳离子交换膜进入右侧区域，A、B正确；电极a作负极，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，C正确；根据得失电子总数相等可知，一段时间后，a极消耗的SO2的物质的量是b极消耗的O2的2倍，D错误。](共64张PPT)
化学电源(二)　燃料电池
第3课时
专题1　第二单元
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核心素养
发展目标
1.理解常见的氢氧燃料电池工作原理及其应用。
2.能在氢氧燃料电池的基础上分析其他燃料电池的工作原理并会书写电极反应式。
内容索引
一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
二、其他新型燃料电池
课时对点练
常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
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一
1.燃料电池的优点
(1)工作时，　　　和　　　　连续地由外部供给并在电极上进行反应，电极反应产物不断地被　　　，能　　　　　地提供电能。
(2)能量转换率　　，高于80%，有利于节约能源。
(3)排放的废弃物　　，绿色环保。
一
常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
燃料
氧化剂
排出
连续不断
高
少
2.氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
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　　　反应和　　　反应。其反应表示如下：
氧化
还原
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 2H2－4e－===4H＋ _________________________
正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O _______________________
总反应 _________________ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2H2＋O2===2H2O
3.常见的燃料电池
除氢气外，　　　、　　　、　　　　　、　　等都可以作为燃料电池的燃料。电池在工作时，燃料通入电池的　　极，发生　　　反应；氧化剂(一般为O2或空气)通入电池的　　极，发生　　　反应。
甲烷
甲醇
肼(N2H4)
氨
负
氧化
正
还原
1.燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示，a、b均为惰性电极。
(1)负极是________(填“a”或“b”)。
a
氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为负极，则a为负极。
(2)b极的电极反应式是_________________________。
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
b电极上，O2得电子结合水生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
(3)标准状况下，消耗11.2 L H2时，转移的电子数为_________________。
6.02×1023(或NA)
该原电池负极反应为2H2－4e－＋4OH－===4H2O，标准状况下消耗11.2 L H2，则转移电子数为6.02×1023。
2.下面为3种燃料电池的工作原理示意图。
(1)A中，电池内部传导的离子是_____，负极的电极反应式为_______
_________________。
O2－
H2－
2e－＋O2－===H2O
(2)B中，电池内部传导的离子是_____，正极的电极反应式为________
_______________。
(3)C中，电池内部传导的离子是______，正极的电极反应式为_______
_________________。
H＋
O2＋4e－
＋4H＋===2H2O
O2＋4e－
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其他新型燃料电池
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二
1.甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。
(1)在酸性介质中
负极反应式：______________________________；
正极反应式：_______________________；
总反应式：________________________。
二
其他新型燃料电池
CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
(2)在碱性(KOH溶液)介质中
负极反应式：_________________________________；
正极反应式：_________________________；
总反应式：________________________________。
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
归纳总结
在酸性介质和碱性介质中甲烷燃料电池的总反应不同，酸性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO2，碱性条件下，＋4价碳元素全部转化为　　 。
2.一种固体电解质燃料电池的构造示意图如图所示。该电池以稀土金属材料作电极，两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2－。
负极反应式：______________________________；
正极反应式：_________________；
总反应式：________________________。
CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
O2＋4e－===2O2－
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
3.一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理示意
如图所示。
(1)电池工作时，外电路上电流的方向应
从电极_______(填“A”或“B”，下同)
流向用电器。
(2) 向电极________移动。
(3)电极A上CO参与的电极反应为________________________。
B
A
归纳总结
燃料电池电极反应式书写的方法
第一步：写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加和后的反应。
归纳总结
第二步：写出电池的正极反应式
正极一般为氧气得电子，介质不同时其电极反应式有所不同，如：
酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－；
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－=== 。
归纳总结
第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
1.甲醇是重要的工业原料，利用甲醇设计的燃料电池具有启动快、效率高等优点，该电池的电解质为H2SO4溶液。下列说法正确的是
A.负极区溶液的pH减小
B.溶液中 向正极移动
C.正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
D.该电池工作时，消耗1 mol CH3OH的同时生成11.2 L CO2(标准状况)
√
酸性甲醇燃料电池中，O2在正极发生还原反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，CH3OH在负极发生氧化反应：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，负极生成H＋，溶液pH减小，A正确、C错误；
原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则溶液中 向负极移动，B错误；
由负极反应式可知，消耗1 mol CH3OH的同时生成1 mol CO2，标准状况下体积为22.4 L，D错误。
2.某学习小组以肼(N2H4)为原料设计了一种燃料电池，构造如图所示。
其中两个电极均为铂电极，电池的总反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列说法错误的是
A.通入N2H4的一极是电池的负极
B.通入O2的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C.电池工作一段时间后电解质溶液的pH将变大
D.若消耗16 g N2H4，则理论上转移2 mol电子
√
通入O2的电极为正极，O2得电子与水反应生成OH－，
电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正确；
电池工作时，总反应方程式为N2H4＋O2===N2＋
2H2O，一段时间后电解质溶液中OH－的物质的量
不变，但水的质量增加，则c(OH－)减小，pH将变小，C错误；
3.热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸。下列说法不正确的是
A.电极b周围溶液pH变大
B.溶液中H＋由a极区向b极区迁移
C.电极a的电极反应式是SO2－2e－＋2H2O
　===4H＋＋
D.一段时间后，a极消耗的SO2与b极消耗的O2物质的量相等
√
电极b为正极，电极反应为4H＋＋O2＋4e－===
2H2O，电极b周围溶液pH变大，左侧区域产生
的H＋经过阳离子交换膜进入右侧区域，A、B
正确；
电极a作负极，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋　　，C正确；
根据得失电子总数相等可知，一段时间后，a极消耗的SO2的物质的量是b极消耗的O2的2倍，D错误。
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课时对点练
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对点训练
题组一　氢氧燃料电池
1.如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是
A.a电极是负极
B.b电极的电极反应为4OH－－4e－===
　2H2O＋O2↑
C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的
　绿色电源
D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新
　型发电装置
√
对点训练
2.某种质子交换膜燃料电池如图所示。下列说法正确的是
A.该电池的a极发生氧化反应
B.正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C.质子(H＋)通过质子交换膜移动到a极
D.该燃料电池的能量转化率可达到100%
√
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对点训练
该电池的a极上氢气失电子生成氢离子，发生
氧化反应，故A正确；
电解质溶液呈酸性，产生的电极产物在电解
质溶液中要能稳定存在，正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故B错误；
在原电池中阳离子向正极移动，即氢离子通过质子交换膜移动到正极b，故C错误；
电池中存在化学能转化为热能的能量转化，则化学能不可能100%转化为电能，故D错误。
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对点训练
题组二　其他燃料的燃料电池
3.NH3-O2燃料电池装置如图所示，下列说法错误的是
A.电池工作时，O2得到电子，发生还原反应
B.电极b上的电极反应式为2NH3＋6OH－－6e－===
　N2＋6H2O
C.燃料电池能量之间的转化是由电能转化为化学能
D.电池工作时，溶液中的Na＋向电极a迁移
√
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对点训练
电极b上氨气中氮元素失去电子，生成氮气，电解
质溶液为NaOH溶液，电极反应为2NH3＋6OH－－
6e－===N2＋6H2O，故B正确；
燃料电池是由化学能转化为电能，C项错误；
原电池工作时，阳离子移向正极，故Na＋向电极a移动，故D正确。
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对点训练
4.(2023·福建泉州高二期末)某新型燃料电池利用民用燃气为燃料，其工作原理如图所示，下列说法错误的是
A.通入空气的电极为正极
B.电池工作时，电子由b极经电解质
　流向a极
C.CO在b极的反应式为CO－2e－＋
　O2－===CO2
D.相同状况下a极消耗1 L O2，理论上b极消耗2 L燃料
√
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对点训练
燃料电池中，通入空气的电极为正极，
A正确；
电池工作时，电子由b极经外电路流
向a极，B错误；
CO在b极被氧化为CO2，电极反应式为CO－2e－＋O2－===CO2，C正确；
H2、CO与O2发生反应生成H2O、CO2时，化学计量数之比均为2∶1，且O2～4e－～2H2～2CO，因此相同状况下a极消耗1 L O2的同时，理论上b极消耗2 L燃料，D正确。
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对点训练
5.甲醇燃料电池在碱性条件下的电池反应为2CH3OH＋3O2＋4OH－===
　　 ＋6H2O。则下列有关说法不正确的是
A.O2在正极参与反应
B.该电池使用一段时间后溶液pH变小
C.负极反应为CH3OH－6e－＋8OH－=== ＋6H2O
D.每转移0.6 mol电子，则消耗氧气的体积为3.36 L
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对点训练
根据总反应2CH3OH＋3O2＋4OH－=== ＋6H2O可知，O元素的化合价降低，通入氧气的电极为原电池的正极，发生还原反应，故A正确；
根据总反应可知，该电池使用一段时间后溶液pH变小，故B正确；
碳元素的化合价升高，甲醇为原电池的负极，发生氧化反应，在碱性环境下，负极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－=== ＋6H2O，故C正确；
没有注明气体存在的状态，无法计算气体的体积，故D错误。
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对点训练
6.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
A.b电极为负极，发生氧化反应
B.a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－===
C.A溶液中所含溶质为NH4Cl
D.当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L
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对点训练
A项，此电池总反应式是N2＋3H2＋2HCl===
2NH4Cl，氢气中的氢元素的化合价升高，根据原
电池的工作原理，负极失去电子，化合价升高，
因此b极为负极，发生氧化反应，正确；
B项，酸性环境下a极反应式为N2＋8H＋＋6e－=== ，正确；
C项，根据选项A中总反应式知，分离出的A为NH4Cl，正确；
D项，题目没有说明是否标准状况，错误。
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对点训练
7.内重整碳酸盐燃料电池(熔融Li2CO3和K2CO3为电解质)的工作原理如图所示，下列说法不正确的是
A.电流从空气极经导线流向燃料极
B.以甲烷为燃料气时，负极反应式
　为CH4－8e－＋　　 ===5CO2
　＋2H2O
C.该电池使用过程中需补充
D.空气极发生的电极反应为O2＋4e－＋2CO2===
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8.(2024·唐山质检)我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K＋、H＋通过)，下列说法错误的是
A.物质A可以是硫酸氢钾
B.左侧为电池负极，HCOO－发生氧化反
　应生成
C.该燃料电池的总反应为2HCOOH＋O2
　＋2OH－===　　　＋2H2O
D.右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，左侧有1 mol K＋通过半透膜移向右侧
综合强化
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由图可知，原电池工作时K＋通过半透膜
移向正极(右侧)，右侧电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，从装置中分离出的物质为K2SO4，放电过程中需补充的物质A是H2SO4或硫酸氢钾，A正确；
综合强化
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右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，其物质的量是0.5 mol，转移2 mol电子，左侧有
2 mol K＋通过半透膜移向右侧，D错误。
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9.(2023·扬州高二期中)新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图，该电池总反应为NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O。下列有关说法正确的是
综合强化
B.电极B为负极，MnO2层的作用是提高原电池
　的工作效率
C.燃料电池每消耗3 mol H2O2，理论上电路中
　通过的电子数为6NA
D.燃料电池在放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移
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电极B反应式为H2O2＋2e－===2OH－，电极B为
正极，B错误；
反应中H2O2中O元素的化合价由－1价降低为－2价，每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过电子的物质的量为6 mol，数目为6NA，C正确；
燃料电池在放电过程中，阳离子Na＋从负极区向正极区迁移，D错误。
综合强化
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综合强化
10.某化工实验室设计了一种新型双微生物燃料
电池装置，能够同时消除养殖场含氮污水和化
工厂含醛类废水，工作原理如图所示。下列说
法正确的是
A.电池工作时，电子由a极经导线流向b极，H＋
　由b极经质子交换膜流向a极
B.a极的电极反应式为C6H5、CHO＋13H2O＋32e－===7CO2↑＋32H＋
C.a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的　　的物质的量之比为5∶32
D.该电池装置在加热条件下工作效率会更高
√
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综合强化
在电极b硝酸根离子中氮元素化合价由＋5价降
低为0价，则该电极为正极，电极a为负极，电
子由a极经导线流向b极，H＋移向正极，即b电
极，A错误；
a极为负极，电极反应式为C6H5CHO＋13H2O－32e－===7CO2↑＋32H＋，B错误；
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b电极为正极，1个硝酸根离子转移5个电子，a
电极1个C6H5CHO转移32个电子，根据两个电极
转移电子数相等得到a极消耗的C6H5CHO和b极
消耗的　　的物质的量之比为5∶32，C正确；
加热时微生物会变性，效率会降低，D错误。
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11.(1)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池可以利用大气中所含SO2快速启动，其装置示意图如图。
①质子的流动方向为_________(填“从A到B”或“从B到A”)。
从A到B
根据图示，A为燃料电池的负极，B为燃料电池的正极，在原电池电解质溶液中，质子由负极向正极移动，即从A到B。
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②负极的电极反应式为____________________
____________。
SO2－2e－＋2H2O===
负极发生氧化反应，二氧化硫被氧化为硫酸根离子，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===　　＋4H＋。
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(2)NH3-O2燃料电池的结构如图所示：
①a极为电池的_______(填“正”或“负”)极。
负
a极通入氨，是负极，b极通入氧气，是正极。
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②当生成1 mol N2时，电路中流过电子的物质的量为________。
6 mol
N的化合价由－3变成0，当生成1 mol N2时，转移6 mol电子。
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12.以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型燃料电池成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池。一种以甲烷为燃料的电池装置示意图如图。
(1)M口通入的气体是______(填化学式)。
CH4
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原电池中阴离子向负极移动、阳离子向正极移动，根据K＋、OH－的移动方向，可知a是负极、b是正极。
甲烷燃料电池中，甲烷发生氧化反应，甲烷在负极通入，a是负极，所以M口通入的气体是CH4。
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(2)外电路中电流的流向是____________(填“由a极到b极”或“由b极到a极”)。
由b极到a极
a是负极、b是正极，外电路中电流的流向是由b极到a极。
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(3)若KOH转化为正盐，则消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液时，需要标准状况下CH4的体积是_______。
2.24 L
若KOH转化为正盐，总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液时，需要甲烷的物质的量是
　　　　　　　 ＝0.1 mol，标准状况下CH4的体积是0.1 mol×22.4 L·
mol－1＝2.24 L。
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13.电池是人类生产和生活中重要的能量来源。各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。
(1)某新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。如图1所示，其中多孔电极不参与电极反应。写出该反应的负极电极反应式：_____________
_____________________，当有16 g甲醇发生
反应时，则理论上提供的电量为___________
(1个电子的电量为1.6×10－19 C)。
CH3OH－6e－
＋3O2－===CO2＋2H2O
2.89×105 C
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由图知，燃料电池中的燃料为甲醇，其负极反应式为CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O；16 g甲醇的物质的量为0.5 mol，由负极反应式可知，1 mol甲醇反应时，转移6 mol电子，1
个电子的电量为1.6×10－19 C，则所求电量
为0.5 mol×6×6.02×1023 mol－1×1.6×10－19 C
≈2.89×105 C。
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(2)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图2所示，写出放电过程中负极的电极反应式：____________________________，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为______L。
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综合强化
由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为NO－3e－＋2H2O=== ＋4H＋，当过程中产生
2 mol HNO3时转移6 mol e－，需要1.5 mol O2参与反应，标准状况下的体积为33.6 L。
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(3)以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，电池的能量转换效率为86.4%,1 mol甲烷燃烧释放的热量为890.3 kJ，则该电池的比能量为_________kW·h·kg－1[结果保留1位小数，比能量＝
，1 kW·h＝3.6×106 J]。
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13作业7　化学电源(二)　燃料电池
(选择题1～10题，每小题7分，共70分)
题组一　氢氧燃料电池
1．如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　)
A．a电极是负极
B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
2.某种质子交换膜燃料电池如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．该电池的a极发生氧化反应
B．正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C．质子(H＋)通过质子交换膜移动到a极
D．该燃料电池的能量转化率可达到100%
题组二　其他燃料的燃料电池
3.NH3-O2燃料电池装置如图所示，下列说法错误的是(　　)
A．电池工作时，O2得到电子，发生还原反应
B．电极b上的电极反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O
C．燃料电池能量之间的转化是由电能转化为化学能
D．电池工作时，溶液中的Na＋向电极a迁移
4．(2023·福建泉州高二期末)某新型燃料电池利用民用燃气为燃料，其工作原理如图所示，下列说法错误的是(　　)
A．通入空气的电极为正极
B．电池工作时，电子由b极经电解质流向a极
C．CO在b极的反应式为CO－2e－＋O2－===CO2
D．相同状况下a极消耗1 L O2，理论上b极消耗2 L燃料
5．甲醇燃料电池在碱性条件下的电池反应为2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。则下列有关说法不正确的是(　　)
A．O2在正极参与反应
B．该电池使用一段时间后溶液pH变小
C．负极反应为CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
D．每转移0.6 mol电子，则消耗氧气的体积为3.36 L
6.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(　　)
A．b电极为负极，发生氧化反应
B．a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－===2NH
C．A溶液中所含溶质为NH4Cl
D．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L
7．内重整碳酸盐燃料电池(熔融Li2CO3和K2CO3为电解质)的工作原理如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A．电流从空气极经导线流向燃料极
B．以甲烷为燃料气时，负极反应式为CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
C．该电池使用过程中需补充CO
D．空气极发生的电极反应为O2＋4e－＋2CO2===2CO
8．(2024·唐山质检)我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K＋、H＋通过)，下列说法错误的是(　　)
A．物质A可以是硫酸氢钾
B．左侧为电池负极，HCOO－发生氧化反应生成HCO
C．该燃料电池的总反应为2HCOOH＋O2＋2OH－===2HCO＋2H2O
D．右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，左侧有1 mol K＋通过半透膜移向右侧
9．(2023·扬州高二期中)新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图，该电池总反应为NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O。下列有关说法正确的是(　　)
A．电池正极区的电极反应为BH＋8OH－－8e－===BO＋6H2O
B．电极B为负极，MnO2层的作用是提高原电池的工作效率
C．燃料电池每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过的电子数为6NA
D．燃料电池在放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移
10．某化工实验室设计了一种新型双微生物燃料电池装置，能够同时消除养殖场含氮污水和化工厂含醛类废水，工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．电池工作时，电子由a极经导线流向b极，H＋由b极经质子交换膜流向a极
B．a极的电极反应式为C6H5、CHO＋13H2O＋32e－===7CO2↑＋32H＋
C．a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的NO的物质的量之比为5∶32
D．该电池装置在加热条件下工作效率会更高
11．(8分)(1)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池可以利用大气中所含SO2快速启动，其装置示意图如图。
①质子的流动方向为________________________(填“从A到B”或“从B到A”)。
②负极的电极反应式为_______________________________________________________。
(2)NH3-O2燃料电池的结构如图所示：
①a极为电池的__________(填“正”或“负”)极。
②当生成1 mol N2时，电路中流过电子的物质的量为_______________。
12.(7分)以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型燃料电池成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池。一种以甲烷为燃料的电池装置示意图如图。
(1)M口通入的气体是__________(填化学式)。
(2)外电路中电流的流向是______________(填“由a极到b极”或“由b极到a极”)。
(3)(3分)若KOH转化为正盐，则消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液时，需要标准状况下CH4的体积是______________。
13．(15分，每空3分)电池是人类生产和生活中重要的能量来源。各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。
(1)某新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。如图1所示，其中多孔电极不参与电极反应。写出该反应的负极电极反应式：__________，当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量为_______(1个电子的电量为1.6×10－19 C)。
(2)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图2所示，写出放电过程中负极的电极反应式：____________________________________，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为__________L。
(3)以CH4(g)为燃料可以设计甲烷燃料电池，该电池以稀H2SO4作电解质溶液，电池的能量转换效率为86.4%,1 mol甲烷燃烧释放的热量为890.3 kJ，则该电池的比能量为_________kW·h·kg－1[结果保留1位小数，比能量＝，1 kW·h＝3.6×106 J]。
作业7　化学电源(二)　燃料电池
1．B　2.A　3.C　4.B
5．D　[根据总反应2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O可知，O元素的化合价降低，通入氧气的电极为原电池的正极，发生还原反应，故A正确；根据总反应可知，该电池使用一段时间后溶液pH变小，故 B正确；碳元素的化合价升高，甲醇为原电池的负极，发生氧化反应，在碱性环境下，负极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O，故C正确；没有注明气体存在的状态，无法计算气体的体积，故D错误。]
6．D　[A项，此电池总反应式是N2＋3H2＋2HCl===2NH4Cl，氢气中的氢元素的化合价升高，根据原电池的工作原理，负极失去电子，化合价升高，因此b极为负极，发生氧化反应，正确；B项，酸性环境下a极反应式为N2＋8H＋＋6e－===2NH，正确；C项，根据选项A中总反应式知，分离出的A为NH4Cl，正确；D项，题目没有说明是否标准状况，错误。]
7．C
8．D　[HCOOH碱性燃料电池中，左侧电极HCOO－失去电子生成HCO，所在电极为负极，电极反应式为HCOO－＋2OH－－2e－===HCO＋H2O，B正确；由图可知，原电池工作时K＋通过半透膜移向正极(右侧)，右侧电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，从装置中分离出的物质为K2SO4，放电过程中需补充的物质A是H2SO4或硫酸氢钾，A正确；右侧每消耗11.2 L O2(标准状况)，其物质的量是0.5 mol，转移2 mol电子，左侧有2 mol K＋通过半透膜移向右侧，D错误。]
9．C　[电池总反应为NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O，结合图示，电极A反应为BH－8e－＋8OH－===BO＋6H2O，电极A为负极，A错误；电极B反应式为H2O2＋2e－===2OH－，电极B为正极，B错误；反应中H2O2中O元素的化合价由－1价降低为－2价，每消耗3 mol H2O2，理论上电路中通过电子的物质的量为6 mol，数目为6NA，C正确；燃料电池在放电过程中，阳离子Na＋从负极区向正极区迁移，D错误。]
10．C　[在电极b硝酸根离子中氮元素化合价由＋5价降低为0价，则该电极为正极，电极a为负极，电子由a极经导线流向b极，H＋移向正极，即b电极，A错误；a极为负极，电极反应式为C6H5CHO＋13H2O－32e－===7CO2↑＋32H＋，B错误；b电极为正极，1个硝酸根离子转移5个电子，a电极1个C6H5CHO转移32个电子，根据两个电极转移电子数相等得到a极消耗的C6H5CHO和b极消耗的NO的物质的量之比为5∶32，C正确；加热时微生物会变性，效率会降低，D错误。]
11．(1)①从A到B
②SO2－2e－＋2H2O===SO＋4H＋
(2)①负　②6 mol
解析　(1)①根据图示，A为燃料电池的负极，B为燃料电池的正极，在原电池电解质溶液中，质子由负极向正极移动，即从A到B。②负极发生氧化反应，二氧化硫被氧化为硫酸根离子，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===SO＋4H＋。
(2)①a极通入氨，是负极，b极通入氧气，是正极。②N的化合价由－3变成0，当生成1 mol N2时，转移6 mol电子。
12．(1)CH4　(2)由b极到a极　(3)2.24 L
解析　原电池中阴离子向负极移动、阳离子向正极移动，根据K＋、OH－的移动方向，可知a是负极、b是正极。(1)甲烷燃料电池中，甲烷发生氧化反应，甲烷在负极通入，a是负极，所以M口通入的气体是CH4。(2)a是负极、b是正极，外电路中电流的流向是由b极到a极。(3)若KOH转化为正盐，总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，消耗100 mL 2 mol·L－1 KOH溶液时，需要甲烷的物质的量是＝0.1 mol，标准状况下CH4的体积是0.1 mol×22.4 L·mol－1＝2.24 L。
13．(1)CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O　2.89×105 C
(2)NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋　33.6　(3)13.4

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