第四章

教考銜接4燃料電池模型及應(yīng)用深挖教材1.教材模型及分析教材模型教材模型氫氧燃料電池工作原理示意圖如下:模型分析(1)氫氧燃料電池的構(gòu)成:以H2為燃料,O2為氧化劑,鉑作電極材料,電解質(zhì)溶液可以是酸性(如H2SO4溶液),也可以是堿性(如KOH溶液)。(2)氫氧燃料電池的工作原理(電解液為H2SO4溶液):①負(fù)極:通入H2,H2在Pt催化劑下分解為H,H失去電子成為H+進(jìn)入電解質(zhì)溶液,電極反應(yīng)式為H2-2e-===2H+。②正極:通入O2,H+通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入正極室,O2得到電子生成H2O,電極反應(yīng)式為O2+4H++4e-===2H2O。③總反應(yīng):2H2+O2===2H2O。2.模型應(yīng)用與指導(dǎo)(1)燃料電池中,可燃物通入負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng);氧化劑(氧氣或空氣等)通入正極,發(fā)生還原反應(yīng)。(2)燃料電池中,陽(yáng)離子向正極區(qū)遷移,陰離子向負(fù)極區(qū)遷移;電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極,電流的流向:正極→導(dǎo)線(用電器)→負(fù)極→電解液→正極。(3)燃料電池的電極及電池總反應(yīng)的書寫①負(fù)極反應(yīng)[以堿性(KOH溶液)-甲烷燃料為例]②正極反應(yīng)因?yàn)槭菑?qiáng)堿性介質(zhì),所以正極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-===4OH-。③電池總反應(yīng)依據(jù)得失電子守恒配平兩極反應(yīng)式,然后將兩極反應(yīng)式相加可得電池總反應(yīng)式。鏈接高考模型應(yīng)用1

清潔燃料電池——(直接應(yīng)用)1.(2021·山東卷)以KOH溶液為離子導(dǎo)體,分別組成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清潔燃料電池。下列說(shuō)法正確的是(

)A.放電過(guò)程中,K+均向負(fù)極移動(dòng)B.放電過(guò)程中,KOH物質(zhì)的量均減小C.消耗等質(zhì)量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料電池的理論放電量最大D.消耗1molO2時(shí),理論上N2H4-O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為11.2LC解析

燃料電池放電時(shí),陽(yáng)離子向正極移動(dòng),故K+均向正極移動(dòng),A錯(cuò)誤;N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物是N2和H2O,其總反應(yīng)中未消耗KOH,故KOH的物質(zhì)的量不變,其他兩種燃料電池中KOH的物質(zhì)的量減小,B錯(cuò)誤;理論放電量與燃料的物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)移電子數(shù)有關(guān),設(shè)消耗燃料的質(zhì)量均為m

g,則甲醇、確;N2H4-O2清潔燃料電池總反應(yīng)為N2H4+O2===N2+2H2O,消耗1

mol

O2同時(shí)生成1

mol

N2,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積約為22.4

L,D錯(cuò)誤。關(guān)鍵信息

①以KOH溶液為離子導(dǎo)體,CH3OH-O2燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物是K2CO3和H2O;N2H4-O2燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物是N2和H2O;(CH3)2NNH2-O2燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物是K2CO3、N2和H2O。②N2H4-O2燃料電池生成N2和H2O,存在定量關(guān)系:N2H4~O2~N2~4e-。模型應(yīng)用2

VB2-O2燃料電池——(創(chuàng)新應(yīng)用)2.(2020·全國(guó)Ⅲ卷)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)-空氣電池如圖所示,其中在VB2電極發(fā)生反應(yīng):VB2+16OH--11e-===+2[B(OH)4]-+4H2O。該電池工作時(shí),下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.負(fù)載通過(guò)0.04mol電子時(shí),有0.224L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)B.正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高C.電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O===8[B(OH)4]-+D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極B解析

復(fù)合碳電極為正極,電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O===4OH-,當(dāng)負(fù)載通過(guò)0.04

mol

電子時(shí),正極有0.01

mol

O2參與反應(yīng),在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積約為0.224

L,A正確;根據(jù)正、負(fù)極的電極反應(yīng)式可知,負(fù)極消耗OH-,pH降低,而正極區(qū)生成OH-,pH升高,B錯(cuò)誤;在得失電子守恒的基礎(chǔ)上,將正、負(fù)極電極反應(yīng)式相加可得總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O