高中化学选修四燃料电池

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接转换成电能的化学电池。氢氧燃料电池酸性电解质：碱性电解质负极:2H2-4e-+4OH-==4H2O正极:O2+2H2O+4e-==4OH-总反应:2H2+O2==2H2O负极：2H2-4e-==4H+正极：O2+4H++4e-==2H2O总反应：2H2+O2==2H2O[阅读]P77-78了解燃料电池的优点燃料电池的规律①燃料做负极，助燃剂氧气为正极②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源，且对环境无污染。燃料电池与前几种电池的差别：①氧化剂与还原剂在工作时不断补充；②反应产物不断排出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-+5H2OC2H5OH+3O2=2CO2+3H2O2CH3OH+4OH-+3O2=2CO32-+6H2O2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O2H2S+3O2+4OH-=2SO32-+4H2O2H2S+3O2=2SO2+2H2O2CO+O2+4OH-=2CO32-+2H2O2CO+O2=2CO2CH4+2O2=CO2+2H2OCH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O2H2+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四种情况归纳如下。⑴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。⑵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-。第二步，再写出燃料电池的正极反应式；⑶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-离子，则其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。第二步，再写出燃料电池的正极反应式；⑷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-。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KOH溶液总反应式：CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O正极反应式：O2＋2H2O+4e-=4OH-。减去正极反应物氧气2O2＋4H2O+8e-=8OH-。CH4+10OH-+8e-=CO32-+7H2O负极反应式：例1、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，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式是。⑵此电池的正极发生的电极反应是；负极发生的电极反应是。⑶电解液中的H+离子向极移动；向外电路释放电子的电极是。⑷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：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是。2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O3O2+12H++12e-=6H2O2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H+正负极污染较小例2、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（）A、负极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2OB、正极反应式为O2＋2H2O+4e-=4OH-C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变D、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大答案：C例3、某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催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：⑴写出该燃料电池的化学反应方程式。⑵写出该燃料电池的电极反应式。⑶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，加入的物质是什么，它从哪里来？⑴2C4H10+13O2=8CO2+10H2O⑵正极：O2＋2CO2+4e-=2CO32-，⑶CO2从负极反应产物中来负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O例4、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(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说法正确的是A.在熔融电解质中，O2-由负极移向正极B.电池的总反应是：2C4H10＋13O2=8CO2＋10H2OC.通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e-＝2O2-D.通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e-＋13O2-＝4CO2＋5H2OB、C例5、我国首创以铝–空气–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。电源负极材料为：铝；电源正极材料为：石墨、铂网等能导电的惰性材料。负极的电极反应式为：；正极的电极反应式为：。总反应式为：。说明:铝板要及时更换,铂做成网状是为了.4Al－12e－=4Al3+3O2+6H2O+12e－=12OH－4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3增大与氧气的接触面积