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1、燃料电池燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化成电氧气或空气进行反应，将化学能直接转化成电能的一类原电池。能的一类原电池。19671967年氢氧燃料电池首次被用作阿波罗宇宙飞船的年氢氧燃料电池首次被用作阿波罗宇宙飞船的电源。用两个多孔石墨电极（分别含有不同的催化电源。用两个多孔石墨电极（分别含有不同的催化剂）插入作为电解质的剂）插入作为电解质的30%30%的的KOHKOH水溶液中，氧气和水溶液中，氧气和氢气分别不断通入正极和负极并不断被消耗。氢气分别不断通入正极和负极并不断被消耗。氢氧燃料电池氢氧燃料电池氧气氧气氢气氢气A氢
2、氧燃料电池电极反应式的书写多多孔孔电电极极多多孔孔电电极极电解质电解质电池总反应：电池总反应：2H2+O2=2H2OKOHKOH溶液溶液液体电解质液体电解质总反应：总反应：O2+2H2=2H2O负极：负极：2H2-4e+4OH-=4H2O正极：正极：O2+4e+2H2O=4OH-氢氧燃料电池电极反应式的书写方法一：氢氧燃料电池电极反应式的书写方法一：第一步第一步 判断原电池的正负极反应物；判断原电池的正负极反应物；第二步第二步 根据电解质环境书写产物；根据电解质环境书写产物；第三步第三步 根据电子得失情况和电荷守恒配平根据电子得失情况和电荷守恒配平 反应式；反应式；第四步第四步 检查。检查。
3、注意：适时运用注意：适时运用”减法减法“当电解质溶液呈酸性时；负极：负极：2H2-4e-=4H+正极：正极：O2+4e-+4H+=2H2O氧气氧气氢气氢气A负极负极负极负极正极正极正极正极氢氧燃料电池电极反应式的书写KOHKOH溶液溶液多多孔孔电电极极多多孔孔电电极极电解质电解质液体电解质液体电解质H H2 2SOSO4 4溶液溶液电池总反应：电池总反应：2H2+O2=2H2O(2010(2010年安徽理综）某固体酸燃料电池以年安徽理综）某固体酸燃料电池以年安徽理综）某固体酸燃料电池以年安徽理综）某固体酸燃料电池以CsHSOCsHSO4 4固体为电固体为电固体为电固体为电解质传递解质传递解质传
4、递解质传递HH，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H2H2 2+O+O2 2=2H=2H2 2OO，下列有关说法正确的是，下列有关说法正确的是，下列有关说法正确的是，下列有关说法正确的是( () )AA电子通过外电路从电子通过外电路从电子通过外电路从电子通过外电路从b b极流向极流向极流向极流向a a极极极极BBb b极上的电极反应式为：极上的电极反应式为：极上的电极反应式为：极上的电极反应式为：OO2 22H2H2 2OO4e4e=4OH=4OHC C每转移每转移每转
5、移每转移0.1 mol0.1 mol电子，电子，电子，电子，消耗消耗消耗消耗1.12 L1.12 L的的的的HH2 2DDHH由由由由a a极通过固体酸电解质极通过固体酸电解质极通过固体酸电解质极通过固体酸电解质传递到传递到传递到传递到b b极极极极 例例1解析：首先明确解析：首先明确a为负极，这样电子应该是通过外为负极，这样电子应该是通过外电路由电路由a极流向极流向b，A错；错；B选项反应应为选项反应应为O2+4e-+4H+=2H2O ; C没有告知标准状况。没有告知标准状况。D负极：负极：负极：负极：2H2H2H2H2 2 2 2-4e-4e-4e-4e- - - -+2O+2O+2O+2
6、O2 2 2 2=2H=2H=2H=2H2 2 2 2O O O O 正极：正极：正极：正极：O O O O2 2 2 2+4e+4e+4e+4e- - - -=2O=2O=2O=2O2 2 2 2 负极：负极：负极：负极：2H2H2H2H2 2 2 2-4e-4e-4e-4e- - - - =4H =4H =4H =4H+ + + + 正极：正极：正极：正极：O O O O2 2 2 2+4H+4H+4H+4H+ + + +4e+4e+4e+4e- - - -=2H=2H=2H=2H2 2 2 2O O O O 氢氧燃料氢氧燃料电池固体电解质电池固体电解质下的电极反应下的电极反应CsHSOC
7、sHSO4 4晶体（传导晶体（传导H H+ +）掺杂（掺杂（Y Y2 2O O3 3 的氧化锆的氧化锆 ZrOZrO2 2 晶体（传导晶体（传导O O2-2-）燃料电池的电极规定燃料电池的电极规定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氧气的一极为正极，氧气在该电极上发生还原反应 燃料电池的分类 一、一、燃料电池的分类燃料电池的分类 1、按燃料电池的运行机理分。按燃料电池的运行机理分。
8、 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池 2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 2.1碱性燃料电池（AFC） 2.3磷酸燃料电池（PAFC） 2.4熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 2.2质子交换膜燃料电池（PEMFC） 2.5固体氧化物燃料电池（SOFC） 3. 按燃料类型分。按燃料类型分。 3.1氢燃料电池 3.2甲烷燃料电池 3.3甲醇燃料电池 3.4乙醇燃料电池 燃料电池的种类o碱性燃料电池（AFC）（alkaline fuel cell)o磷酸型燃料电池(PAFC) (phosphorous acid fuel ce
9、ll)o熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) (molten carbonate fuel cell)o质子交换膜燃料电池(PEMFC) (proton exchange membrane fuel cell)o固体氧化物燃料电池(SOFC) (solid oxide fuel cell)燃料电池燃料电池类型类型碱性燃料碱性燃料电池电池磷酸型燃磷酸型燃料电池料电池质子交换质子交换膜燃料电膜燃料电池池熔融碳酸熔融碳酸盐燃料电盐燃料电池池固体氧化固体氧化物燃料电物燃料电池池英文简称英文简称AFCPAFCPEMFCMCFCSOFC电解质电解质氢氧化钾氢氧化钾溶液溶液磷酸磷酸质子渗透质子渗透膜膜碳酸钾碳酸钾
10、固体氧化固体氧化物物燃料燃料纯氢纯氢天然气，天然气，氢氢氢、甲醇、氢、甲醇、天然气天然气天然气、天然气、煤气、沼煤气、沼气气天然气、天然气、煤气、沼煤气、沼气气氧化剂氧化剂纯氧纯氧空气空气空气空气空气空气空气空气效率效率60%90%37%42%43%58%50%50%65%使用温度使用温度60120 16022060120 60010006001000燃料电池电极反应式的书写方法二燃料电池电极反应式的书写方法二 第一步第一步，先写出燃料电池的总反应方程式，先写出燃料电池的总反应方程式 第二步第二步，写出燃料电池的正极反应式；，写出燃料电池的正极反应式； 第三步第三步，在电子守恒的基础上用燃料电
11、池的，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。总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。 1 1、燃料电池总反应方程式的书写、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。注意燃料的种类。 氢氧燃料氢氧燃料电池，其电池，其电池总反应方程式电池总反应方程式不随电解质的状态和电解不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2
12、+O2=2H2O 含碳元素的可燃物含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就，其电池总反应方程式就与电解质的状态与电解质的状态和和电解质溶液的酸碱性电解质溶液的酸碱性有关有关 如甲烷燃料电池在如甲烷燃料电池在酸性电解质中酸性电解质中生成生成COCO2 2和和H H2 2O O，即，即CHCH4 4+2O+2O2 2=CO=CO2 2+2H+2H2 2O O；在；在碱性电解质碱性电解质中生成中生成COCO3 32-2-离子和离子和H H2 2O O，即，即CHCH4 4+2OH+2OH- -+2O+2O2 2=CO=CO3 32-2-+3H+3H2 2O O。2 2、燃料电池正极反应式的书写、燃料电
13、池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一般是氧气，正极都是氧化剂氧气因为燃料电池正极反应物一般是氧气，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的本质都是O O2 2得电子生成得电子生成O O2-2-离子，故离子，故正极反应式的基础都是正极反应式的基础都是O O2 24e4e- -=2O=2O2-2-。正极产生正极产生O O2-2-离子的存在形式与燃料电池的电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。
14、现将与电解质有关的几种情况归纳如下。常重要的一步。现将与电解质有关的几种情况归纳如下。电解质为酸性电解质溶液电解质为酸性电解质溶液（如稀硫（如稀硫酸酸）在在酸酸性性环环境境中中，O2-离离子子不不能能单单独独存存在在，可可供供O2-离离子子结结合合的的微微粒粒有有H+离离子子和和H2O，O2-离离子子优优先先结结合合H+离离子子生生成成H2O。这这样样，在在酸酸性性电电解解质质溶溶液液中中，正极反应式为正极反应式为O24H+4e-=2H2O。例例2 2、科学家预言，燃料电池将是、科学家预言，燃料电池将是2121世纪获得电力的重要世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇
15、途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。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：气。试回答下列问题：这种电池放电时发生的化学反应方程式是这种电池放电时发生的化学反应方程式是 。此电池的正极发生的电极反应是此电池的正极发生的电极反应是 ；负；负极发生的电极反应是极发生的电极反应是 。电解液中的电解液中的H H+ +离子向离子向 极移动；向外电路释放电子的极移动；向外电路释放电子的电极是电极是 。2CH3OH+3O2=2
16、CO2+4H2O3O212H+12e-=6H2O2CH3OH+2H2O12e-=2CO2+12H+正正负负例例2 2、科学家预言，燃料电池将是、科学家预言，燃料电池将是2121世纪获得电力的重要世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。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：气。试回答下列问题：比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优比起直接燃烧燃
17、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，点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是其次是 。对空气的污染较小对空气的污染较小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） 在在中性或碱性环境中性或碱性环境中，中，O O2-2-离子也不能单独存在，离子也不能单独存在，O O2-2-离子只离子只能结合能结合H H2 2O O生成生成OHOH- -离子，故在中性或碱性电解质溶液中，离子，故在中性或碱性电解质溶液中，正正极反应式为极反应式为O O2 22H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- -。例例3 3、甲烷燃料
18、电池的电解质溶液为、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOHKOH溶液，下列关于甲溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是烷燃料电池的说法不正确的是 （ ）A A、负极反应式为、负极反应式为CHCH4 4+10OH+10OH- -8e8e- -=CO=CO3 32-2-+7H+7H2 2O OB B、正极反应式为、正极反应式为O O2 22H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- -C C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变、随着不断放电，电解质溶液碱性不变D 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、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大C电解质为熔融的碳酸盐电
19、解质为熔融的碳酸盐（如（如LiCOLiCO3 3和和NaNa2 2COCO3 3熔融盐混和物）熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，在熔融的碳酸盐环境中，O O2-2-离子也不能单独存在，离子也不能单独存在， O O2-2-离子可离子可结合结合COCO2 2生成生成COCO3 32-2-离子离子，则其，则其正极反应式为正极反应式为O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-。电解质为熔融的碳酸盐电解质为熔融的碳酸盐（如（如LiCOLiCO3 3和和NaNa2 2COCO3 3熔融盐混和物）熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，在熔融的碳酸盐环境中，O O2-2
20、-离子也不能单独存在，离子也不能单独存在， O O2-2-离子可离子可结合结合COCO2 2生成生成COCO3 32-2-离子离子，则其，则其正极反应式为正极反应式为O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-。例例4 4、某燃料电池以、某燃料电池以熔融的熔融的K K2 2COCO3 3（其中不含（其中不含O O2-2-和和HCOHCO3 3- -）为）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作电解质，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：用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：写出
21、该燃料电池的化学反应方程式。写出该燃料电池的化学反应方程式。写出该燃料电池的电极反应式。写出该燃料电池的电极反应式。由于电解质为熔融的由于电解质为熔融的K2CO3，且不含，且不含O2-和和HCO3-，生成的，生成的CO2不会与不会与CO32-反应生成反应生成HCO3-的的 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O正极正极 O22CO2+4e-=2CO32-负极负极：2C2C4 4H H1010+26CO+26CO3 32-2-52e52e- -=34CO=34CO2 2+10H+10H2 2O O电解质为熔融的碳酸盐电解质为熔融的碳酸盐（如（如LiCOLiCO3 3和和NaNa2 2COC
22、O3 3熔融盐混和物）熔融盐混和物）在熔融的碳酸盐环境中，在熔融的碳酸盐环境中，O O2-2-离子也不能单独存在，离子也不能单独存在， O O2-2-离子可离子可结合结合COCO2 2生成生成COCO3 32-2-离子离子，则其，则其正极反应式为正极反应式为O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-。例例3 3、某燃料电池以、某燃料电池以熔融的熔融的K K2 2COCO3 3（其中不含（其中不含O O2-2-和和HCOHCO3 3- -）为）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作电解质，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
23、的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成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，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？加入的物质是什么，它从哪里来？从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入持稳定，在通入的空气中应加入COCO2 2，它从负极反应产物，它从负极反应产物中来。中来。正极正极：O22CO2+4e-=2CO32
24、-，负极负极：2C4H10+26CO32-52e-=34CO2+10H2O电解质为固体电解质电解质为固体电解质（如固体氧化锆（如固体氧化锆氧化钇）氧化钇）该固体电解质在高温下可允许该固体电解质在高温下可允许O O2-2-离子在其间通过，故其正极反应离子在其间通过，故其正极反应式应为式应为O O2 24e4e- -=2O=2O2-2-。例例4 4、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁、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烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y(Y2 2O O3 3) )的氧化锆的氧化锆(ZrO(ZrO2 2) )晶体，晶体，在熔融状态下能传导在熔
25、融状态下能传导O O2-2-。下列对该燃料电池说法正确的是。下列对该燃料电池说法正确的是 ( ( ) )A. A. 在熔融电解质中，在熔融电解质中，O O2-2-由负极移向正极由负极移向正极B. B. 电池的总反应是：电池的总反应是：2C2C4 4H H101013O13O2 2 = 8CO = 8CO2 210H10H2 2O OC. C. 通入空气的一极是正极，电极反应为：通入空气的一极是正极，电极反应为：O O2 24 4e e- -2O2O2-2-D. D. 通入丁烷的一极是正极，电极反应为：通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C C4 4H H10102626e e- -13O13O2-2-4CO4CO2 25H5H2 2O OBC按电解质分类的燃料电池 正极的电极反应式1.碱性燃料电池O O2 22H2H2 2O +4eO +4e- -=4OH=4OH- -2.酸性燃料电池O24H+4e-=2H2O3.熔融碳酸盐燃料电池O O2 22CO2CO2 2 +4e +4e- -=2CO=2CO3 32-2-4.质子交换膜燃料电池O O O O2 2 2 2+4H+4H+4H+4H+ + + +4e+4e+4e+4e- - - -=2H=2H=2H=2H2 2 2 2O O O O5.固体氧化物燃料电池O O2 24e4e- -=2O=2O2-2-归纳
