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(共19张PPT)
专题1　化学反应与能量变化
/ 燃料电池 /
学习目标
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
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) 构造
1．氢氧燃料电池
一、燃料电池
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极 反应
正极 反应
总反应 2H2 － 4e－ == 4H+
O2 + 4H+ + 4e－ == 2H2O
2H2 +4OH－－4e－== 4H2O
O2 + 2H2O + 4e－ == 4OH－
2H2＋O2 == 2H2O
(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，分别在两极发生氧化反应和还原反应。
一、燃料电池
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
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
④能量转化率高(＞80%)，排放废物少
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
②电极材料本身不参与氧化还原反应
提升训练
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（ ）
A．通入氧气的电极发生氧化反应
B．通入氢气的电极为正极
C．导电离子为质子，且在电池内部由正极
　定向移动至负极
D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D
正极，发生还原反应
质子移向正极
负极，发生氧化反应
提升训练
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（ ）
A．CH3OH＋O2 － 2e﹣ == H2O＋CO2＋2H＋
B．O2＋4H＋＋4e﹣ == 2H2O
C．CH3OH － 6e﹣＋H2O == CO2↑＋6H＋
D．4OH﹣ － 4e﹣ == O2↑＋2H2O
C
以CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式为例：
燃料电池电极反应式的书写方法
第一步　确定生成物
负极
燃料
正极
O2
氧化反应
还原反应
e﹣
第二步　确定电子转移和变价元素原子守恒
第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒
第四步　依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
方法导引
提升训练
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：____________________________________；
正极反应式：___________________________；
负极反应式：_______________________________________。
3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
提升训练
负极：N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O
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。
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。
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
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。
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。
二、制作简单燃料电池
交流与讨论
(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。
结合实验现象，思考下列问题。
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。
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。
提升训练
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(　　)
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
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↑＋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－
C
提升训练
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（ ）
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－===2
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
总反应式：N2＋3H2＋2HCl===2NH4Cl
负极
发生氧化反应
正极
D
未知状态，无法计算体积
负极： 3H2－ 6e－ === 6H＋

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