资源简介

(共43张PPT)
第8讲
燃料电池
2025：基于主题教学的高考化学专题复习系列讲座
2025
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
2024浙江卷-19题 氢气燃料电池-熔融碳酸盐 ：正极电极反应式书写、化学能转化为电能的转化率
2024甘肃卷-3题 燃料电池的用途
2024年——燃料电池考向考点统计
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
1、定义
燃料电池（Fuel cell），是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能，且废物排放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同
2、燃料电池的电极
燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同。
燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应。
3.燃料电池的电解质
不同类型的燃料电池可有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。
在不同的电解质中，燃料电池的电极反应式就有不同的表示方法。因此，在书写燃料电池电极反应式时要特别注意电解质的种类。
4、燃料电池的工作原理
以氢氧燃料电池为例，其工作原理是：氢气（可燃物）从负极处失去电子（燃料被氧化掉），这些电子从外电路流到正极；同时，余下的阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。在正极，离子与氧气发生反应并从负极获得电子。
5.燃料电池的优点
⑴燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不经过热能这一种中间形式，所以它的电效率比其它任何形式的发电技术的电效率都高。
⑵燃料电池的废物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大减少了对环境的污染。
⑶燃料电池中无运动部件，工作时很安静且无机械磨损。
燃料电池是一种新型无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，其投入使用可有效的解决能源危机、污染问题，是继水力、火力、核能发电后的第四类发电——化学能发电，被称为二十一世纪的“绿色电源”。
6.燃料电池电极反应式的书写
在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。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。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。
6.燃料电池电极反应式的书写
一、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。
6.燃料电池电极反应式的书写
二、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。
6.燃料电池电极反应式的书写
（1）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。
（2）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-。
6.燃料电池电极反应式的书写
（3）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-。
（4）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。
6.燃料电池电极反应式的书写
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。
7.解答燃料电池题目的思维模型
8.解答燃料电池题目的几个关键点
①要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。
③通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
二、重温经典
解析
（2024 6月·浙江高考真题）
氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图2所示，正极上的电极反应式是_______。该电池以恒定电流工作14分钟，消耗体积为，故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为_______。[已知：该条件下的摩尔体积为24.5L/mol；电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s)；NA=6.0×1023mol-1；e=1.60×10-19C。]
【答案】
O2+4e-+2CO2= 2 ;70%
二、重温经典
（2024·湖南真题）
近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，下列说法错误的是
A. 理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B. 氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C. 锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌，充电时锂离子从正极脱嵌
D. 太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
解析
【答案】D
A．理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，故A正确；
B．氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，B正确；
C．脱嵌是锂从电极材料中出来的过程，放电时，负极材料产生锂离子，则锂离子在负极脱嵌，则充电时，锂离子在阳极脱嵌，C正确；
D．太阳能电池是一种将太阳能能转化为电能的装置，D错误；
二、重温经典
（2024·甘肃真题）
解析
【答案】D
化学与生活息息相关，下列对应关系错误的是
物质 性质 用途
A 次氯酸钠 氧化性 衣物漂白
B 氢气 可燃性 制作燃料电池
C 聚乳酸 生物可降解性 制作一次性餐具
D 活性炭 吸附性 分解室内甲醛
D．活性炭有吸附性，能够有效吸附空气中的有害气体、去除异味，但无法分解甲醛，D错误；
（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是
A．放电过程中，K+均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L
电池性能
离子移动方向
电解质溶液的变化
依据电子守恒的计算
【答案】C
（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是
A．放电过程中，K+均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L
碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反应为：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O
（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是
A．放电过程中，K+均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
A．放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；
B．根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；
（2021·山东真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L
C．理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量（物质的量表达式）分别是：
通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；
D． 根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；【答案】C
（2024·江苏泰州·模拟预测）如图甲乙两个装置相连，甲池是一种常见的氢氧燃料电池装置，乙池内，D中通入10mol混合气体，其中苯的物质的量分数为20%（其余气体不参与反应），一段时间后，C处出来的气体中含苯的物质的量分数为10%（不含）H2，该条件下苯、环己烷都为气态），下列说法不正确的是
A．导线中共传导6mol电子
B．甲池中H+由G极移向F极，乙池中H+由多孔惰性电极移向惰性电极
C．甲池中A处通入O2，乙池中E处有O2放出，但体积不同（标准状况下测定）
D．乙池中左侧惰性电极上发生反应：
【答案】C
（2024·江苏泰州·模拟预测）如图甲乙两个装置相连，甲池是一种常见的氢氧燃料电池装置，乙池内，D中通入10mol混合气体，其中苯的物质的量分数为20%（其余气体不参与反应），一段时间后，C处出来的气体中含苯的物质的量分数为10%（不含）H2，该条件下苯、环己烷都为气态），下列说法不正确的是
A．10mol含20%苯的混合气体，经过电解生成10mol含苯10%的混合气体，则被还原的苯的物质的量为10mol×(20%-10%)=1mol，由电极方程式得转移电子的物质的量为6mol，A正确；
B．原电池中阳离子向正极移动，F极为正极，故甲池中H+由G极移向F极，电解池中，阳离子向阴极移动，惰性电极为阴极，故乙池中H+由多孔惰性电极移向惰性电极，B正确；
（2024·江苏泰州·模拟预测）如图甲乙两个装置相连，甲池是一种常见的氢氧燃料电池装置，乙池内，D中通入10mol混合气体，其中苯的物质的量分数为20%（其余气体不参与反应），一段时间后，C处出来的气体中含苯的物质的量分数为10%（不含）H2，该条件下苯、环己烷都为气态），下列说法不正确的是
C．由于电子转移守恒，故A处通入的氧气和E处生成的氧气的物质的量相等，故体积也相等，C错误；
D．乙池中，惰性电极处苯得到电子，被还原为环己烷，电极方程式为：
，D正确；
（2024·黑龙江齐齐哈尔·三模）一种—空气酸性燃料电池的工作原理如图所示。该电池工作时，下列说法正确的是
A：H+通过质子交换膜从右侧向左侧多孔石墨棒移动
B：若产生1molHNO3，则理论上需通入11.2L（标准状况）O2
C：负极的电极反应式为
D：电子的流动方向为从负极经电解质溶液流向正极
【答案】C
（2024·黑龙江齐齐哈尔·三模）一种—空气酸性燃料电池的工作原理如图所示。该电池工作时，下列说法正确的是
A．在原电池中，阳离子向正极移动，所以H+通过质子交换膜从左侧向右侧多孔石墨棒移动，A错误；
B．根据关系式 可知 ，若产生1molHNO3，则理论上需通入0.75molO2，即需通入16.8L（标准状况）O2，B错误；
D．原电池中电子从负极经导线流向正极，电子不能进入溶液，D错误；
故选：C。
C．NO在负极放电，负极的电极反应式为
，C正确；
（2019·全国高考真题）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
H2+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
（2019·全国高考真题）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
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；
（2019·全国高考真题）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
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应
H2+2MV2+=2H++2MV+
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；
（2019·全国高考真题）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
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
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MV2++e-= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，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。
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
解答燃料电池题目的思维模型
高频考点
1.电极反应
2.微粒浓度变化
2.电化学计算
4.离子移动方向
5.电极判断
微生物燃料电池电极反应式书写
微生物燃料电池基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂（一般为氧气）在阴极得到电子被还原与质子结合成水。
微生物燃料电池电极反应式书写
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与电子受体(氧气)反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：
阳极反应：(CH2O)n＋nH2O ＝nCO2＋4ne-＋4nH+
阴极反应：4e-＋O2＋4H+ ＝2H2O
重温经典
模型建构
名师导学
2025
知识重构
燃料电池中国发展状况
在中国的燃料电池研究始于1958年，70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池
但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度
燃料电池国际发展状况
在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以奋起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。第8讲 燃料电池 练习
1．(2024届·河北省唐山市高三摸底考试)以甲烷燃料电池为电源电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3的工作原理如图所示，下列叙述错误的是( )
A．燃料电池通入氧气的电极接电解池的Y电极
B．N室中：a%＜b%
C．膜I、III为阳离子交换膜，膜II为阴离子交换膜
D．理论上每生成1mol产品，需消耗甲烷的体积为(标况)
2.（2024·辽宁·校联考二模）微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图 I 所示，并利用此电能模拟氯碱工业电解饱和食盐水，如图 II所示，下列说法正确的是
A．电池工作时，电子由 A极经外电路流向 B极
B．电解池 I 中每生成 2mol 氯气，理论上原电池 I 生成二氧化碳的体积是 22.4L
C．若 a 为碳电极、b 为铁电极，b 应与 A 相连
D．该微生物燃料电池应在常温下进行，不宜在高温下进行
3．（2024·湖北武汉·二模）双阴极微生物燃料电池处理含NH4废水的工作原理如图2所示，双阴极通过的电流相等，废水在电池中的运行模式如图1所示，下列说法错误的是
A．I、Ⅲ为阴极室，Ⅱ为阳极室
B．离子交换膜为阳离子交换膜
C．Ⅲ室会发生反应
D．生成3.5gN2，理论上需要消耗10g O2
4．（2024·江苏泰州·模拟预测）如图甲乙两个装置相连，甲池是一种常见的氢氧燃料电池装置，乙池内，D中通入10 mol混合气体，其中苯的物质的量分数为20%（其余气体不参与反应），一段时间后，C处出来的气体中含苯的物质的量分数为10%（不含）H2，该条件下苯、环己烷都为气态），下列说法不正确的是
A．导线中共传导6mol电子
B．甲池中H+由G极移向F极，乙池中H+由多孔惰性电极移向惰性电极
C．甲池中A处通入O2，乙池中E处有O2放出，但体积不同（标准状况下测定）
D．乙池中左侧惰性电极上发生反应：
5.（2024·河北秦皇岛·一模）如图所示，甲池的总反应式为N2H4＋O2===N2＋2H2O，下列关于该装置工作时的说法正确的是(　　)
A．该装置工作时，Ag电极上有气体生成
B．甲池中负极反应式为N2H4－4e－===N2＋4H＋
C．甲池和乙池中溶液的pH均减小
D．当甲池中消耗3.2 g N2H4时，乙池中理论上最多产生6.4 g固体
6．（2024·河北·二模）科学家利用高温固体氧化物燃料电池技术实现了废气资源回收，并得到单质硫。该电池工作原理如图所示，下列说法正确的是
A．电子从电极b流出
B．电极的电极反应为
C．该电池消耗转化成的电能理论上小于其燃烧热值
D．电路中每通过电子，则有流向电极a
7．(2022·山东省枣庄市一模)采用情性电极，设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮的装置如图所示，其中硝化过程中NH4+被O2氧化。下列说法正确的是( )
A．电极M和P均为燃料电池正极
B．P存在电极反应：NH4+-6e-+2H2O= NO2-+8H+
C．若乙室消耗1mol葡萄糖，则最多有24molH+进入甲室
D．若丙室消耗标准状况下44.8LO2，则至少有1mol NH4+完全转化为NO3-
8. 新型NaBH4/H2O2燃料电池总反应方程式为NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O。下列有关说法中正确的是
A. 电池正极区发生氧化反应
B. 电池工作时，将电能转化为化学能
C. 电池工作时，H2O2得电子
D. 电池在工作过程中，Na+从正极区向负极区迁移
9．熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由多孔陶瓷NiO阴极、多孔陶瓷电解质(熔融碱金属碳酸盐)隔膜、多孔金属Ni阳极、金属极板构成的燃料电池。工作时，该电池的阴极(正极)反应为O2+2CO2+4e-=2CO32-，下列有关说法中错误的是( )
A．该电池较高的工作温度加快了阴、阳极的反应速率
B．该类电池的H2不能用CO、CH4等替代
C．该电池工作时，要避免H2、O2的接触
D．放电时，阳极(负极)反应式为2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O
10．一种三室微生物燃料电池污水净化系统的原理如图所示，图中含酚废水中的有机物可用C6H5OH表示。下列说法不正确的是
A．左侧电极为负极，苯酚发生氧化反应
B．左侧离子交换膜为阴离子交换膜
C．右侧电极的电极反应式：2NO3-+10e-+12H+=N2+6H2O
D．左右两侧电极附近溶液的pH均升高
11.(2015·全国卷Ⅰ，11)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是(　　)
A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
12.(2020 新课标Ⅲ卷，12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2+16OH-－11e－= VO43-+2B(OH)4-+ 4H2O，该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
13．微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去除技术，如图为MFC碳氮联合同时去除的氮转化系统原理示意图。
A极的电极反应式为___________，A、B两极生成CO2和N2的物质的量之比为___________。
14．北京冬奥会赛区内将使用氢燃料清洁能源车辆，某氢氧燃料电池工作示意图如下。请回答下列问题：
(1)电极a为电池的___________极(填“正”或“负”)，其电极反应式是___________。
(2)向___________极移动(填“a”或“b”)。
15.(2020 江苏卷，20节选)(2) HCOOH燃料电池。研究 HCOOH燃料电池性能的装置如图-2所示，两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。
①电池负极电极反应式为_____________；放电过程中需补充的物质A为_________(填化学式)。
②图-2所示的 HCOOH燃料电池放电的本质是通过 HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为_______________。
第8讲 燃料电池 练习答案及解析
1．
【答案】B
【解析】M室中石墨电极为阳极，电解时阳极上水失电子生成O2和H+，原料室中的B(OH)4-通过Ⅱ膜进入产品室，M室中氢离子通入Ⅰ膜进入产品室，结合得到H3BO3；原料室中的Na+通过Ⅲ膜进入N室；N室中石墨为阴极，电解时阴极上水得电子生成H2和OH-，溶液中c(NaOH)增大。A项，燃料电池通入氧气的电极为正极，接电解池的阳极，而N室中石墨为阴极，即Y电极为阴极，A错误；B项，N室中石墨为阴极，电解时阴极上水得电子生成H2和OH-，原料室中的钠离子通过Ⅲ膜进入N室，溶液中c(NaOH)增大，所以N室：a%＜b%，B正确；C项，原料室中的B(OH)4-通过Ⅱ膜进入产品室，M室中氢离子通入Ⅰ膜进入产品室，原料室中Na+的通过Ⅲ膜进入N室，则Ⅰ、Ⅲ为阳离子交换膜，Ⅱ为阴离子交换膜，C正确；D项，理论上每生成1molH3BO3，则M室中就有1mol氢离子通入Ⅰ膜进入产品室即转移1mole-，甲烷在燃烧电池中发生电极反应消耗1molCH4转移8mole-，则转移1mole-应该消耗molCH4标准状况下 2.8L，D正确；故选B。
【答案】D
【解析】如图 I 微生物燃料电池中微生物生成二氧化碳，发生氧化反应，为负极，氧气得电子，发生还原反应，为正极。
A．由于通氧气的一极是原电池的正极，微生物一端为原电池的负极，电池工作时外电路电子由负极流向正极，故由 B 极流向 A 极，A 选项错误。
B．无标况无法计算体积，B 选项错误。
C．若 a 为碳电极、b 为铁电极，b 应与 B 相连，C 选项错误。
D．微生物在高温下会死亡，所以不宜在高温下运行，D 选项正确。故选 D。
3.
【答案】D
【解析】A．I室和Ⅲ室发生反应，反应类型为还原反应，I室和Ⅲ室为阴极室，Ⅱ室发生反应为氧化反应，为阳极室，故A正确；
B．Ⅱ室为阳极室、Ⅲ室为阴极室，Ⅱ室消耗阴离子，所以离子交换膜为阳离子交换膜，故B正确；
C．根据图1所示，Ⅲ室中液体运动到I室，I室硝酸根离子发生还原反应，可知Ⅲ室中生成硝酸根离子，所以除了O2→H2O，还会发生的反应为，故C正确；
D．I室发生反应，生成3.5gN2，即0.125mol，左侧阴极转移1.25mol电子，消耗0.25mol硝酸根离子；双阴极通过的电流相等，所以右侧阴极同样转移1.25mol电子，右侧阴极反应消耗氧气的物质的量为0.3125mol，Ⅲ室发生反应生成0.25mol硝酸根离子消耗0.5mol氧气，理论上需要消耗0.8125molO2，即26g，故D错误；
答案选D。
4.
【答案】D
【解析】
【分析】由题意和图示，甲为氢氧燃料电池，乙为电解池，根据乙池中，惰性电极处苯被还原为环己烷，故惰性电极发生还原反应为阴极，多孔性惰性电极为阳极，则G电极与阴极相连，为原电池负极，F为正极，故甲池中F为正极，A处通入氧气，G为负极，B处通入氢气，由此分析作答。
【详解】A．10mol含20%苯的混合气体，经过电解生成10mol含苯10%的混合气体，则被还原的苯的物质的量为10mol×(20%-10%)=1mol，由电极方程式得转移电子的物质的量为6mol，A正确；
B．原电池中阳离子向正极移动，F极为正极，故甲池中H+由G极移向F极，电解池中，阳离子向阴极移动，惰性电极为阴极，故乙池中H+由多孔惰性电极移向惰性电极，B正确；
C．由于电子转移守恒，故A处通入的氧气和E处生成的氧气的物质的量相等，故体积也相等，C错误；
D．乙池中，惰性电极处苯得到电子，被还原为环己烷，电极方程式为：，D正确；
故选C。
5.
【答案】C
【解析】该装置图中，甲池为燃料电池，其中左边电极为负极，右边电极为正极，乙池为电解池，石墨电极为阳极，Ag电极为阴极，阴极上Cu2＋得电子生成铜，无气体生成，A错误；甲池溶液呈碱性，电极反应式不出现H＋，B错误；根据甲池的总反应式可知有水生成，电解液被稀释，故碱性减弱，pH减小，乙池的总反应式为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，电解液酸性增强，pH减小，C正确；3.2 g N2H4的物质的量为0.1 mol，转移电子的物质的量为0.4 mol，产生0.2 mol Cu，质量为12.8 g，D错误。
6.
【答案】C
【分析】由电池装置图分析可知，通入硫化氢生成单质硫，化合价升高，故电极a为负极；通入氧气的电极b为正极。
【解析】A．由电池装置图分析可知，电极a上通入硫化氢生成单质硫，S元素化合价升高，故电极a为负极，通入氧气的电极b为正极，电子从电极a流出，A项错误；
B．由装置分析，可知硫化氢在负极上失去电子，同时结合氧离子生成硫单质和水，故电极a的电极反应为2H2S+2O2--4e-S2+2H2O，B项错误；
C．该电池消耗1 mol H2S转化成的电能理论上不等于其燃烧热值，硫化氢燃烧要生成二氧化硫，释放的热量更多，C项正确；
D．电路中每通过2 mol电子，则有1 mol O2-流向电极a，D项错误；
答案选C。
7．
【答案】A
【解析】根据原电池图可知，甲室缺氧电极M上由NO3-到NO2，再转化为N2，则电极M上发生还原反应，为正极，丙室好氧电极P上O2转化为H2O，发生还原反应，也为正极，中间乙室厌氧电极N上发生由葡萄糖转化为CO2，发生氧化反应，故为负极，乙室厌氧阳极N上葡萄糖发生失电子的氧化反应生成CO2和H+，电极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，甲室缺氧电极M发生的反应为2 NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，丙室好氧电极P发生的反应为O2+4e-+4H+=2H2O，同时O2还可能氧化NH4+生成NO2-，NO2-甚至还可以进一步被O2氧化为NO3-，反应方程式为：2 NH4++3O2=2 NO2-+2H2O +4H+，2 NO2-+O2=2 NO3-电池工作中“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，NH4+和电极之间存在着对O2的竞争。A项，电极M和P均为燃料电池正极，A正确；B项，由题干信息可知，硝化过程中NH4+被O2氧化，P存在反应为：2 NH4++3O2=2 NO2- +2H2O +4H+，2 NO2-+O2=2 NO3-，B错误；C项，C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，若乙室消耗1mol葡萄糖，则乙室产生24molH+，原电池中阳离子移向正极，由于“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，则不可能H+全部进入甲室，即不可能有24molH+进入甲室，C错误；D项，若丙室消耗标准状况下44.8LO2其物质的量为：=2mol， NH4++2O2= NO3-+H2O +2H+，由于NH4+和电极之间存在着对O2的竞争，故可知则最多有1molNH4+完全转化为NO3-，D错误；故选A。
8.
【答案】C
【解析】新型NaBH4/H2O2燃料电池总反应方程式为NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O，由总反应式，可确定负极反应物为NaBH4，正极反应物为H2O2。A项，电池正极区H2O2得电子，发生还原反应，A不正确；B项，电池工作时，通过发生氧化还原反应，将化学能转化为电能，B不正确；C项，从总反应式可知，电池工作时，H2O2中的O元素从-1价降低到-2价，则H2O2得电子，C正确；D项，电池工作过程中，阳离子向正极移动，则Na+从负极区向正极区迁移，D不正确；故选C。
9．
【答案】B
【解析】该燃料电池中，通入燃料氢气的电极是负极，通入氧化剂氧气的电极是正极，负极反应式为H2-2e-+CO32-=CO2+H2O，正极反应式为O2+2CO2+4e-═2CO32-，放电时，电解质中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。A项，升高温度能加快反应速率，该电池较高的工作温度加快了阴、阳极的反应速率，故A正确；B项，还原性物质在负极发生氧化反应，该类电池的H2可以用CO、CH4等替代，故B错误；C项，H2、O2混合物在一定条件下可能发生爆炸，该电池工作时，要避免H2、O2的接触，防止爆炸，产生安全事故，故C正确；D项，放电时，氢气失电子发生氧化反应，阳极(负极)反应式为2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O，故D正确；故选B。
10．
【答案】D
【解析】A项，根据装置图可知在左侧电极上苯酚失去电子被氧化，发生氧化反应，因此左侧电极为负极，A正确；B项，向其中加入NaCl溶液，Na+向正极移动，Cl-向负极移动。根据选项A分析可知左侧电极为负极，所以左侧离子交换膜为阴离子交换膜，B正确；C项，在右侧电极上NO3-得到电子被还原产生N2，则右侧电极的电极反应式是：2 NO3-+10e-+12H+=N2↑+6H2O，C正确；D项，在左侧电极上苯酚被氧化产生CO2气体，电极反应式是：C6H5OH-28e-+11H2O=6CO2↑+28H+，反应产生H+使溶液酸性增强，溶液pH减小，D错误；故选D。
11.
【答案】A
【解析】根据碳元素的化合价的变化，二氧化碳中碳元素的化合价为最高价+4价，所以生成二氧化碳的反应为氧化反应，应在负极生成，其电极反应式应为C6H12O6+6H2O-24e-=24H++6CO2↑，A错误；在微生物的作用下，该装置为原电池装置，反应速率比化学反应速率快，所以微生物促进了反应的发生，B正确；原电池中阳离子(质子)向正极移动，C正确；电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应，D正确。
12.
【答案】B
【解析】根据图示的电池结构，左侧VB2发生失电子的反应生成VO43-和B(OH)4-，反应的电极方程式如题干所示，右侧空气中的氧气发生得电子的反应生成OH-，反应的电极方程式为O2+4e-+2H2O=4OH-，电池的总反应方程式为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-。A项，当负极通过0.04mol电子时，正极也通过0.04mol电子，根据正极的电极方程式，通过0.04mol电子消耗0.01mol氧气，在标况下为0.224L，A正确；B项，反应过程中正极生成大量的OH-使正极区pH升高，负极消耗OH-使负极区OH-浓度减小pH降低，B错误；C项，根据分析，电池的总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-，C正确；D项，电池中，电子由VB2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电极→负载→VB2电极→KOH溶液→复合碳电极，D正确；故选B。
13．
【答案】CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋ 5∶2
【解析】由图可知A极CH3COO－失电子被氧化的电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋；B极电极反应式为2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，根据两极反应式计算，转移相同电子时两极产生的CO2和N2的物质的量比为5:2。
14．
【答案】(1) 负 H2+2OH--2e-=2H2O (2)a
【解析】由图可知，该电池为碱性环境下氢氧燃料电池，电池总反应为2H2+O2=2H2O，则通入H2的失去电子为负极，通入O2的得到电子为正极。(1)电极a通入H2，失去电子为电池的负极；其电极反应式是H2+2OH--2e-=2H2O；(2)原电池中阴离子向负极移动，则OH-向a极移动。
15.【答案】(2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O H2SO4
②2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-
【解析】(2)①左侧为负极，碱性环境中HCOOˉ失电子被氧化为HCO3-，根据电荷守恒和元素守恒可得电极反应式为HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O；电池放电过程中，钾离子移向正极，即右侧，根据图示可知右侧的阴离子为硫酸根，而随着硫酸钾不断被排除，硫酸根逐渐减少，铁离子和亚铁离子进行循环，所以需要补充硫酸根，为增强氧气的氧化性，溶液最好显酸性，则物质A为H2SO4；②根据装置图可知电池放电的本质是HCOOH在碱性环境中被氧气氧化为HCO3-，根据电子守恒和电荷守恒可得离子方程式为2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-。
（北京）股份有限公司第8讲-燃料电池 学案
知识重构
1、定义：
燃料电池是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能，且废物排放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，这是我们书写燃料电池总反应方程式的依据。
2、燃料电池的电极规定
燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性的惰性金属，两电极的材料相同。因此，燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应。
3、燃料电池的电解质
不同类型的燃料电池可有不同种类的电解质，其电解质通常有水剂体系（酸性、中性或碱性）电解质、熔融盐电解质、固体（氧化物或质子交换膜）电解质等。在不同的电解质中，燃料电池的电极反应式就有不同的表示方法。因此，在书写燃料电池电极反应式时要特别注意电解质的种类。
4、燃料电池的工作原理
以氢氧燃料电池为例，其工作原理是：氢气（可燃物）从负极处失去电子（燃料被氧化掉），这些电子从外电路流到正极；同时，余下的阳离子（氢离子）通过电解液被送到正极。在正极，离子与氧气发生反应并从负极获得电子。
5、燃料电池的优点
作为二十一世纪改善人类生活的“绿色电源”——燃料电池，它具有以下优点：
⑴燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不经过热能这一种中间形式，所以它的电效率比其它任何形式的发电技术的电效率都高。
⑵燃料电池的废物（如SO2、CO、NOx）排放量很低，大大减少了对环境的污染。
⑶燃料电池中无运动部件，工作时很安静且无机械磨损。
总之，燃料电池是一种新型无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，其投入使用可有效的解决能源危机、污染问题，是继水力、火力、核能发电后的第四类发电——化学能发电，被称为二十一世纪的“绿色电源”。
6、燃料电池电极反应式的书写方法
在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。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。下面对书写燃料电池电极反应式“三步法”具体作一下解释。
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。
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。
（1）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。
（2）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-。
（3）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-。
（4）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。
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。
7.解答燃料电池题目的思维模型
8．解答燃料电池题目的几个关键点
①要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。
③通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
重温经典
1.(2024 6月·浙江高考真题)（4）氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图2所示，正极上的电极反应式是_______。该电池以恒定电流工作14分钟，消耗体积为，故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为_______。[已知：该条件下的摩尔体积为24.5L/mol；电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s)；NA=6.0×1023mol-1；e=1.60×10-19C。]
【答案】O2+4e-+2CO2=2；70%
【解析】根据题干信息，该燃料电池中H2为负极，O2为正极，熔融碳酸盐为电解质溶液，故正极的电极反应式为：O2+4e-+2CO2=2， 该条件下，0.49L H2的物质的量为，工作时，H2失去电子：H2-2e-=2H+，所带电荷量为：2×0.02mol×6.0×1023mol-1×1.60×10-19= 3840C，工作电荷量为：3.2×14×60=2688C，则该电池将化学能转化为电能的转化率为：；
2.(2024湖南卷）近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，下列说法错误的是
A. 理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B. 氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C. 锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌，充电时锂离子从正极脱嵌
D. 太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
【答案】D
【解析】A．理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，故A正确；
B．氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，B正确；
C．脱嵌是锂从电极材料中出来的过程，放电时，负极材料产生锂离子，则锂离子在负极脱嵌，则充电时，锂离子在阳极脱嵌，C正确；
D．太阳能电池是一种将太阳能能转化为电能的装置，D错误；
本题选D。
3.(2024甘肃卷）化学与生活息息相关，下列对应关系错误的是
物质 性质 用途
A 次氯酸钠 氧化性 衣物漂白
B 氢气 可燃性 制作燃料电池
C 聚乳酸 生物可降解性 制作一次性餐具
D 活性炭 吸附性 分解室内甲醛
【答案】D
【解析】
A．次氯酸钠有强氧化性，从而可以做漂白剂，用于衣物漂白，A正确；
B．氢气是可燃气体，具有可燃性，能被氧气氧化，可以制作燃料电池，B正确；
C．聚乳酸具有生物可降解性，无毒，是高分子化合物，可以制作一次性餐具，C正确；
D．活性炭有吸附性，能够有效吸附空气中的有害气体、去除异味，但无法分解甲醛，D错误；
故本题选D。
4．(2021 山东卷)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是( )
A．放电过程中，K+均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L
【答案】C
【解析】碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反应为：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O。A项，放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；B项，根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；C项，理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是：、、，通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；D项，根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；故选C。
5．（2024·江苏泰州·模拟预测）如图甲乙两个装置相连，甲池是一种常见的氢氧燃料电池装置，乙池内，D中通入10mol混合气体，其中苯的物质的量分数为20%（其余气体不参与反应），一段时间后，C处出来的气体中含苯的物质的量分数为10%（不含）H2，该条件下苯、环己烷都为气态），下列说法不正确的是
A．导线中共传导6mol电子
B．甲池中H+由G极移向F极，乙池中H+由多孔惰性电极移向惰性电极
C．甲池中A处通入O2，乙池中E处有O2放出，但体积不同（标准状况下测定）
D．乙池中左侧惰性电极上发生反应：
5．C
【分析】由题意和图示，甲为氢氧燃料电池，乙为电解池，根据乙池中，惰性电极处苯被还原为环己烷，故惰性电极发生还原反应为阴极，多孔性惰性电极为阳极，则G电极与阴极相连，为原电池负极，F为正极，故甲池中F为正极，A处通入氧气，G为负极，B处通入氢气，由此分析作答。
【详解】A．10mol含20%苯的混合气体，经过电解生成10mol含苯10%的混合气体，则被还原的苯的物质的量为10mol×(20%-10%)=1mol，由电极方程式得转移电子的物质的量为6mol，A正确；
B．原电池中阳离子向正极移动，F极为正极，故甲池中H+由G极移向F极，电解池中，阳离子向阴极移动，惰性电极为阴极，故乙池中H+由多孔惰性电极移向惰性电极，B正确；
C．由于电子转移守恒，故A处通入的氧气和E处生成的氧气的物质的量相等，故体积也相等，C错误；
D．乙池中，惰性电极处苯得到电子，被还原为环己烷，电极方程式为：，D正确；
故选C。
6.．（2024·黑龙江齐齐哈尔·三模）一种—空气酸性燃料电池的工作原理如图所示。该电池工作时，下列说法正确的是
A．通过质子交换膜从右侧向左侧多孔石墨棒移动
B．若产生，则理论上需通入(标准状况)
C．负极的电极反应式为
D．电子的流动方向为从负极经电解质溶液流向正极
【答案】C
【分析】由图可知，失去电子转化为，则左侧多孔石墨电极为负极，右侧多孔石墨电极为正极。
【解析】A．在原电池中，阳离子向正极移动，所以通过质子交换膜从左侧向右侧多孔石墨棒移动，A错误；
B．根据关系式可知，若产生，则理论上需通入，即需通入(标准状况)，B错误；
C．在负极放电，负极的电极反应式为，C正确；
D．原电池中电子从负极经导线流向正极，电子不能进入溶液，D错误；
故选：C。
7．(2019 新课标Ⅰ卷，12)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，氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+=2H++2MV+
C． 正极区，固氮酶催化剂，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】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，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+；右室电极为燃料电池的正极，MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2++e—= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，反应的方程式为N2+6H++6MV+=6MV2++NH3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。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MV2++e—= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，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。故选B。
8．(2020 江苏卷节选)(2) HCOOH燃料电池。研究 HCOOH燃料电池性能的装置如图-2所示，两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。
①电池负极电极反应式为_____________；放电过程中需补充的物质A为_________(填化学式)。
②图-2所示的 HCOOH燃料电池放电的本质是通过 HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为_______________。
【答案】(2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O H2SO4
②2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-
【解析】(2)①左侧为负极，碱性环境中HCOOˉ失电子被氧化为HCO3-，根据电荷守恒和元素守恒可得电极反应式为HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O；电池放电过程中，钾离子移向正极，即右侧，根据图示可知右侧的阴离子为硫酸根，而随着硫酸钾不断被排除，硫酸根逐渐减少，铁离子和亚铁离子进行循环，所以需要补充硫酸根，为增强氧气的氧化性，溶液最好显酸性，则物质A为H2SO4；②根据装置图可知电池放电的本质是HCOOH在碱性环境中被氧气氧化为HCO3-，根据电子守恒和电荷守恒可得离子方程式为2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-。
模型建构
解答燃料电池题目的思维模型
高频考点
1.电极反应
2.微粒浓度变化
2.电化学计算
4.离子移动方向
5.电极判断
微生物燃料电池电极反应式书写
有机物作为燃料在厌氧的阳极室中被微生物氧化，产生的电子被微生物捕获并传递给电池阳极，电子通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子通过质子交换膜到达阴极，与电子受体(氧气)反应生成水。其阳极和阴极反应式如下所示：
阳极反应：(CH2O)n＋nH2O ＝nCO2＋4ne-＋4nH+
阴极反应：4e-＋O2＋4H+ ＝2H2O
名师导学
燃料电池中国发展状况
在中国的燃料电池研究始于1958年，70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池
但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度
在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以奋起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。

展开更多......

收起↑