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第3课时　常见化学电源(二)——形形色色的燃料电池
[核心素养发展目标]　1.了解常见的氢氧燃料电池的种类，能正确书写电极反应式。2.了解气体燃料电池的工作原理。3.了解离子交换膜的类型及其作用。
一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
1.燃料电池的概念
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
2.燃料电池的特点
(1)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出。
(2)能量转换率高(>80%)，排放的废弃物少。
3.氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 H2-2e-===2H+ H2-2e-+2OH-===2H2O
正极反应 O2+4e-+4H+===2H2O O2+4e-+2H2O===4OH-
总反应 2H2+O2===2H2O
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极发生的电极反应式是　　　　。
(3)标准状况下，消耗11.2 L H2时，转移的电子数为　　　　。
答案　(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H2-2e-+2OH-===2H2O，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　　　　　　　。
(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　　　　　　　。
答案　(1)O2-　H2-2e-+O2-===H2O
(2)H+　O2+4e-+4H+===2H2O
(3)C　O2+4e-+2CO2===2C
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：　　　　。
答案　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：　　　　。
答案　CH4+10OH--8e-===C+7H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
CH4+2O2+2OH-===C+3H2O
　　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C。
2.一种固体电解质燃料电池的构造如图所示。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：　　　　。
答案　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)C向电极　　　　移动。
(3)电极A上CO参与的电极反应为　　　　。
答案　(1)B　(2)A　(3)CO-2e-+C===2CO2
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-===2C。
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，该电池的电解质溶液为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S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)
答案　A
解析　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S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
答案　C
解析　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；由总反应式可建立如下关系式：N2H4~4e-，若消耗16 g N2H4，则理论上转移×4=2 mol电子，D正确。
课时对点练
[分值：100分]
[1~7题，每小题7分]
题组一　氢氧燃料电池
1.氢氧燃料电池可以应用在宇宙飞船上，下列说法正确的是(　　)
A.电池负极发生还原反应
B.电池可以连续使用
C.正极附近溶液的pH减小
D.消耗5.6 L氢气时转移的电子数为0.5NA
答案　B
解析　电池负极失去电子发生氧化反应，A错误；在氢氧燃料电池中，由于燃料及氧化剂在装置外，可以不断补充，因此该电池能够连续使用，B正确；正极附近溶液的pH增大，C错误；未说明H2所处的外界条件，因此不能根据其体积大小确定其物质的量，也就不能计算反应过程中转移电子的数目，D错误。
2.第16届海南国际车展上展出了中国研制的新型燃料电池汽车，该车装有“绿色心脏”——质子交换膜燃料电池。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%
答案　A
解析　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，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。
题组二　其他无机还原剂燃料电池
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
答案　C
解析　电极b上氨气中氮元素失去电子，生成氮气，电解液为NaOH溶液，电极反应为2NH3+6OH--6e-===N2+6H2O，故B正确；燃料电池将化学能转化为电能，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。
4.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.通入空气的电极为该电池的正极
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
答案　B
解析　燃料电池中，通入空气的电极为该电池的正极，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，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。
5.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-===2N
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
答案　D
解析　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-===2N，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，题目没有说明是否是标准状况，无法计算，错误。
题组三　有机化合物燃料电池
6.(2026·河北保定高二质检)工业上，常用微生物燃料电池处理废水中的有机物，达标后才排放。某废水含醋酸盐，利用微生物燃料电池处理废水原理如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A.装置工作时，电流由b极经用电器流向a极
B.高温下该装置处理废水的效率高于低温
C.b极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+
D.11.2 L O2反应时有2 mol质子向a极区迁移
答案　C
解析　由图可知，左侧a电极为燃料电池的正极，酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水，右侧b电极为负极，微生物、水分子作用下醋酸根离子在负极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子。由分析可知，左侧a电极为燃料电池的正极，右侧b电极为负极，则装置工作时，电流由a极经用电器流向b极，故A错误；高温条件下微生物的主要成分蛋白质会变性失去活性，导致处理废水的效率降低，故B错误；未指明是否为标准状况，无法计算11.2 L氧气的物质的量和质子移动数目，故D错误。
7.(2026·河北衡水期中)中国科学院长春应用化学研究所曾在甲烷(CH4)燃料电池技术方面获得重大突破。甲烷燃料电池采用铂作电极催化剂，电池中的质子交换膜只允许质子(H+)和水分子通过。其工作原理如下，下列说法错误的是(　　)
A.Pt(a)端的电势高于Pt(b)端的电势
B.Pt(a)电极反应式为CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+
C.工作时，电池正极区溶液的pH增大
D.该电池工作时消耗11.2 L CH4(标准状况下)，假设电池的能量转化率为80%，则电路中通过3.2 mol电子
答案　A
解析　电极 Pt(a)端为负极， Pt(b)端为正极，正极电势高于负极，故Pt(a)端电势低于Pt(b)端，A错误；Pt(a)为负极，CH4发生氧化反应生成CO2，结合酸性环境(稀硫酸)和电荷守恒、原子守恒，电极反应式为CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+，B正确；Pt(b)为正极，电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O，当转移4 mol电子时，消耗4 mol H+，但同时会有4 mol H+向正极移动，H+物质的量不变，但反应生成了水，导致正极区H+浓度减小，溶液pH增大，C正确；标准状况下11.2 L CH4的物质的量为0.5 mol，由负极反应式CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+知，每消耗1 mol CH4转移8 mol电子，0.5 mol CH4完全反应转移4 mol电子，电池的能量转化率为80%时，实际转移电子为4 mol×80%=3.2 mol，D正确。
[8~11题，每小题8分]
8.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B+8OH--8e-===B+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
答案　C
解析　电池总反应为NaBH4+4H2O2===NaBO2+6H2O，结合图示，电极A反应为-8e-+8OH-===+ 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，Na+从负极区向正极区迁移，D错误。
9.直接煤-空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是(　　)
A.随着反应的进行，氧化物电解质的量不断减少
B.负极的电极反应式为C+2C-4e-===3CO2
C.电极X为负极，O2-向X极迁移
D.直接煤-空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高
答案　A
解析　由原理图分析可知，其负极反应式为C+2C-4e-===3CO2，故B正确；原电池内部的阴离子向负极移动，故C正确；直接煤-空气燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，故D正确。
10.(2026·山东泰安市直联盟联考)金属锂燃料电池是一种新型电池，比锂离子电池具有更高的能量密度，它无电时无需充电，只需更换其中的某些材料即可，其工作示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.有机电解液可以是乙醇等无水有机物
B.放电时，锂电极发生还原反应
C.放电时，消耗1 mol O2，则锂电极质量减少28 g
D.在更换锂、多孔碳电极的同时，不需要更换水性电解质
答案　C
解析　放电时，通入空气的一极氧气得电子发生还原反应，为正极，锂作负极；锂是活泼金属，锂能与乙醇反应，有机电解液不能是乙醇，故A错误；放电时，锂电极失电子发生氧化反应，故B错误；锂燃料电池放电时，负极电极反应式为Li-e-===Li+，正极电极反应式为2H2O+O2+4e-===4OH-，消耗1 mol氧气转移4 mol电子，锂电极反应4 mol Li，减少质量为4 mol×7 g·mol-1=28 g，故C正确；由于水性电解质的成分也发生了变化，在更换电极的同时，也要更换水性电解质，D错误。
11.(2025·山东开学考试)以H2O2同时作为燃料和氧化剂的燃料电池原理如图所示(已知：双极膜中的H2O能在直流电场的作用下，解离成H+和OH-，定向移动到两侧极室)。下列有关说法正确的是(　　)
A.电极M比电极N的电势高
B.外电路电子流向为M→负载→N→双极膜→M
C.电极N的电极反应式为H2O2+2H++2e-===2H2O
D.当电路中转移0.4 mol电子时，产生气体4.48 L
答案　C
解析　由装置图的双极膜中H+和OH-移动方向可知，电极M为负极，电极反应式为H2O2+2OH--2e-===O2↑+2H2O，电极N为正极，电极反应式为H2O2+2H++2e-===2H2O，电池总反应式为2H2O2===2H2O +O2↑。正极N电势高于负极M，A错误；外电路电子由负极M经负载流向正极N，但不会进入电池内部的电解液，B错误；根据总反应式2H2O2===2H2O+O2↑知，当电路中转移0.4 mol电子时，产生0.2 mol O2，在标准状况下的体积为4.48 L，选项中未说明气体所处状态，D错误。
12.(7分)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。
答案　NO-3e-+2H2O===N+4H+　33.6
解析　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===N+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。
13.(12分)一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：
(1)这种电池放电时的总反应式为　　　　　　　　　　　　　　。
(2)此电池的正极反应式：　　　　；
负极反应式：　　　　。
(3)电解液中H+向　　　　(填“正”或“负”，下同)极移动，向外电路释放电子的电极是　　　　极。
(4)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1.6×1 C，结果保留3位有效数字)。
答案　(1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
(2)O2+4H++4e-===2H2O　CH3OH+H2O-6e-===CO2+6H+
(3)正　负
(4)2.89×105 C
解析　(2)电池正极上O2得电子生成H2O；用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极反应式。(4)16 g甲醇的物质的量为，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×6×6.02×1023 mol-1×1.6×10-19 C≈2.89×105 C。(共55张PPT)
第四章 第一节
第3课时　常见化学电源(二)
——形形色色的燃料电池
核心素养 发展目标
1.了解常见的氢氧燃料电池的种类，能正确书写电极反应式。
2.了解气体燃料电池的工作原理。
3.了解离子交换膜的类型及其作用。
内容索引
课时对点练
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
< 一 >
常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
1.燃料电池的概念
燃料电池是一种连续地将_____和_______的化学能直接转化为_____的化学电源。
2.燃料电池的特点
(1)工作时，_____和_______连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出。
(2)能量转换率____(>80%)，排放的废弃物____。
燃料
氧化剂
电能
燃料
氧化剂
高
少
3.氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 ______________ ___________________
正极反应 __________________ ___________________
总反应 ________________
H2-2e-===2H+
H2-2e-+2OH-===2H2O
O2+4e-+4H+===2H2O
O2+4e-+2H2O===4OH-
2H2+O2===2H2O
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极发生的电极反应式是　　　 　。
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H2-2e-+2OH-===2H2O，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
C
O2+4e-+
2CO2===2C
返回
< 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：　 　　　。
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：　 　　　。
CH4+10OH--8e-===C+7H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
CH4+2O2+2OH-===C+3H2O
　　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C。
归纳总结
2.一种固体电解质燃料电池的构造如图所示。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)C向电极　　移动。
(3)电极A上CO参与的电极反应为________
　　　 　。
B
A
CO-2e-+
C===2CO2
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-；
归纳总结
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-===2C。
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。
归纳总结
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，该电池的电解质溶液为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S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S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；
由总反应式可建立如下关系式：N2H4~4e-，若消耗16 g N2H4，则理论上转移×4=2 mol电子，D正确。
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< 三 >
课时对点练
题号 1 2 3 4 5 6 7 8
答案 B A C B D C A C
题号 9 10 11
答案 A C C
对一对
答案
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NO-3e-+2H2O===N+4H+　33.6
答案
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13.
(1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
(2)O2+4H++4e-===2H2O　CH3OH+H2O-6e-===CO2+6H+
(3)正　负
(4)2.89×105 C
题组一　氢氧燃料电池
1.氢氧燃料电池可以应用在宇宙飞船上，下列说法正确的是
A.电池负极发生还原反应
B.电池可以连续使用
C.正极附近溶液的pH减小
D.消耗5.6 L氢气时转移的电子数为0.5NA
√
对点训练
答案
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电池负极失去电子发生氧化反应，A错误；
在氢氧燃料电池中，由于燃料及氧化剂在装置外，可以不断补充，因此该电池能够连续使用，B正确；
正极附近溶液的pH增大，C错误；
未说明H2所处的外界条件，因此不能根据其体积大小确定其物质的量，也就不能计算反应过程中转移电子的数目，D错误。
答案
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2.第16届海南国际车展上展出了中国研制的新型燃料电池汽车，该车装有“绿色心脏”——质子交换膜燃料电池。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%
√
答案
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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，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。
题组二　其他无机还原剂燃料电池
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
√
答案
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电极b上氨气中氮元素失去电子，生成氮气，电解液为NaOH溶液，电极反应为2NH3+6OH--6e-===N2+6H2O，故B正确；
燃料电池将化学能转化为电能，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。
4.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
答案
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A.通入空气的电极为该电池的正极
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
√
答案
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燃料电池中，通入空气的电极为该电池的正极，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，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。
5.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-===2N
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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答案
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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-===2N，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，题目没有说明是否是标准状况，无法计算，错误。
题组三　有机化合物燃料电池
6.(2026·河北保定高二质检)工业上，常用微生物燃料电池处理废水中的有机物，达标后才排放。某废水含醋酸盐，利用微生物燃料电池处理废水原理如图所示，下列叙述正确的是
A.装置工作时，电流由b极经用
　电器流向a极
B.高温下该装置处理废水的效率
　高于低温
C.b极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-===2CO2↑+7H+
D.11.2 L O2反应时有2 mol质子向a极区迁移
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答案
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答案
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由图可知，左侧a电极为燃料电池的正极，酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水，右侧b电极为负极，微生物、水分子作用下醋酸根离子在负极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子。由分析可知，左侧a电极为燃料电池的正极，右侧b电极为负极，则装置工作时，电流由a极经用电器流向b极，故A错误；
高温条件下微生物的主要成分蛋白质会变性失去活性，导致处理废水的效率降低，故B错误；
未指明是否为标准状况，无法计算11.2 L氧气的物质的量和质子移动数目，故D错误。
7.(2026·河北衡水期中)中国科学院长春应用化学研究所曾在甲烷(CH4)燃料电池技术方面获得重大突破。甲烷燃料电池采用铂作电极催化剂，电池中的质子交换膜只允许质子(H+)和水分子通过。其工作原理如下，下列说法错误的是
A.Pt(a)端的电势高于Pt(b)端的电势
B.Pt(a)电极反应式为CH4+2H2O-8e-===
　CO2+8H+
C.工作时，电池正极区溶液的pH增大
D.该电池工作时消耗11.2 L CH4(标准状况下)，假设电池的能量转化率为
　80%，则电路中通过3.2 mol电子
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答案
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答案
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电极Pt(a)端为负极， Pt(b)端为正极，正极电势高于负极，故Pt(a)端电势低于Pt(b)端，A错误；
Pt(a)为负极，CH4发生氧化反应生成CO2，结合酸性环境(稀硫酸)和电荷守恒、原子守恒，电极反应式为CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+，B正确；
Pt(b)为正极，电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O，当转移4 mol电子时，消耗4 mol H+，但同时会有4 mol H+向正极移动，H+物质的量不变，但反应生成了水，导致正极区H+浓度减小，溶液pH增大，C正确；
答案
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标准状况下11.2 L CH4的物质的量为0.5 mol，由负极反应式CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+知，每消耗1 mol CH4转移8 mol电子，0.5 mol CH4完全反应转移4 mol电子，电池的能量转化率为80%时，实际转移电子为4 mol
×80%=3.2 mol，D正确。
8.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B+8OH--8e-
　===B+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
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答案
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综合强化
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电池总反应为NaBH4+4H2O2===NaBO2+6H2O，结合图示，电极A反应为-8e-+8OH-===+ 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，Na+从负极区向正极区迁移，D错误。
9.直接煤-空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是
A.随着反应的进行，氧化物电解质
　的量不断减少
B.负极的电极反应式为C+2C-4e-
　===3CO2
C.电极X为负极，O2-向X极迁移
D.直接煤-空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高
答案
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由原理图分析可知，其负极反应式为C+2C-4e-===3CO2，故B正确；
原电池内部的阴离子向负极移动，故C正确；
直接煤-空气燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，故D正确。
10.(2026·山东泰安市直联盟联考)金属锂燃料电池是一种新型电池，比锂离子电池具有更高的能量密度，它无电时无需充电，只需更换其中的某些材料即可，其工作示意图如图所示。下列说法正确的是
A.有机电解液可以是乙醇等无水有机物
B.放电时，锂电极发生还原反应
C.放电时，消耗1 mol O2，则锂电极质
　量减少28 g
D.在更换锂、多孔碳电极的同时，不需
　要更换水性电解质
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答案
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放电时，通入空气的一极氧气得电子发生还原反应，为正极，锂作负极；锂是活泼金属，锂能与乙醇反应，有机电解液不能是乙醇，故A错误；
放电时，锂电极失电子发生氧化反应，故B错误；
锂燃料电池放电时，负极电极反应式为Li-e-===Li+，正极电极反应式为2H2O+O2+4e-===4OH-，消耗1 mol氧气转移4 mol电子，锂电极反应
4 mol Li，减少质量为4 mol×7 g·mol-1=28 g，故C正确；
由于水性电解质的成分也发生了变化，在更换电极的同时，也要更换水性电解质，D错误。
11.(2025·山东开学考试)以H2O2同时作为燃料和氧化剂的燃料电池原理如图所示(已知：双极膜中的H2O能在直流电场的作用下，解离成H+和OH-，定向移动到两侧极室)。下列有关说法正确的是
A.电极M比电极N的电势高
B.外电路电子流向为M→负载→N→
　双极膜→M
C.电极N的电极反应式为H2O2+2H++
　2e-===2H2O
D.当电路中转移0.4 mol电子时，产生气体4.48 L
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由装置图的双极膜中H+和OH-移动方向可知，电极M为负极，电极反应式为H2O2+2OH--2e-===O2↑+2H2O，电极N为正极，电极反应式为H2O2+2H++2e-===2H2O，电池总反应式为2H2O2===2H2O+O2↑。正极N电势高于负极M，A错误；
外电路电子由负极M经负载流向正极N，但不会进入电池内部的电解液，B错误；
根据总反应式2H2O2===2H2O+O2↑知，当电路中转移0.4 mol电子时，产生0.2 mol O2，在标准状况下的体积为4.48 L，选项中未说明气体所处状态，D错误。
12.一氧化氮-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。
答案
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NO-3e-+2H2O===N+4H+
33.6
答案
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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===N+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。
13.一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：
(1)这种电池放电时的总反应式为　　　　　　　　　　　　　。
(2)此电池的正极反应式：　 　 　　； 负极反应式：
　　　　 。
答案
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2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
O2+4H++4e-===2H2O
CH3OH+H2O-6e-===CO2+6H+
电池正极上O2得电子生成H2O；用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极反应式。
(3)电解液中H+向　　　(填“正”或“负”，下同)极移动，向外电路释放电子的电极是　　　极。
(4)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1.6×1 C，结果保留3位有效数字)。
答案
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正
负
2.89×105 C
16 g甲醇的物质的量为，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 ×6×6.02×1023 mol-1×1.6×10-19 C≈2.89×105 C。
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