4.1　第3课时　常见化学电源(二)——燃料电池(共17张PPT) -2023-2024学年高二化学人教版选择性必修1课件

(共17张PPT)
第一节　原电池
第3课时　常见化学电源(二)——形形色色的燃料电池
第四章　 化学反应与电能
空间站太阳能电池板
[学习目标]
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(重点)。
2.了解气体燃料电池的工作原理(难点)。
化学 必修第一册 人民教育出版社
化学 必修第二册 人民教育出版社
新课导入
电解水可得到氢气和氧气，依据能量守恒推测：氢气与氧气反应
由化学能转化为电能的过程也可能实现。这一过程能否实现呢
是怎样发生的呢
视频导学
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
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)构造
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应 2H2＋O2===2H2O
一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
思考交流
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________________。
a
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
6.02×1023(或NA)
负极 正极
2H2 － 4e－＋4OH－===4H2O
2 mol 4 mol
0.5 mol
一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
思考交流
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____，负极电极反应式为_____________________。
(2)B中，电池内部传导的离子是____，正极电极反应式为_____________________。
(3)C中，电池内部传导的离子是_____，正极电极反应式为_______________________。
O2－
H2－2e－＋O2－==H2O
H＋
O2＋4e－＋4H＋==2H2O
C
O2＋4e－＋2CO2==2C
一、常见氢氧燃料电池的种类及工作原理
甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。
试写出甲烷分别在酸性、碱性介质中的电极反应式以及总反应式
探究思考
二、 常见有机物燃料电池、熔融氧化物(盐)燃料电池的种类及工作原理
1. 甲烷燃料电池
(1)在酸性介质中
负极：_____________________________；正极：_______________________；
总反应式：___________________________________。
(2)在碱性介质中
负极：_______________________________；正极：________________________；
总反应式：___________________________________。
CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋ 2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4＋10OH－－8e－===C＋7H2O 2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4＋2O2＋2OH－===C＋3H2O
甲烷燃料电池在酸性条件下，＋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。两种介质中电池的总反应不同。
二、 常见有机物燃料电池、熔融氧化物(盐)燃料电池的种类及工作原理
2. 固体电解质燃料电池
构造示意图如图所示。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
2O2＋8e－===4O2－
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
总反应式－正极反应式 = 负极反应式
二、 常见有机物燃料电池、熔融氧化物(盐)燃料电池的种类及工作原理
3. 熔融碳酸盐燃料电池
工作原理示意如图所示。
(1)电池工作时，外电路上电流方向应从电极___(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
CO－2e－＋C===2CO2
A
总反应：2CO＋O2===2CO2
正极：O2＋4e－＋2CO2===2C
负 正
二、 常见有机物燃料电池、熔融氧化物(盐)燃料电池的种类及工作原理
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
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
一般为氧气得电子，介质不同反应式不同，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－；
归纳总结
二、 常见有机物燃料电池、熔融氧化物(盐)燃料电池的种类及工作原理
燃料电池电极反应式书写的方法
第三步：根据总反应和正极反应式，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
二、 常见有机物燃料电池、熔融氧化物(盐)燃料电池的种类及工作原理
自我测试
1.氢氧燃料电池具有绿色环保和高效等特点，某种氢氧燃料电池的结构示意图如图，该电池工作时
A.a处通入O2
B.甲电极为负极
C.将电能转化为化学能
D.正极反应式为H2－2e－===2H＋
√
负 正
H2 O2
化学能转为电能
O2＋4e－＋4H＋==2H2O
自我测试
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
√
负 正
水的质量增加，则c(OH－)减小，pH将变小
N2H4 ～ 4e－
32 g 4 mol
自我测试
3.热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸。下列说法不正确的是
A.电极b周围溶液pH变大
B.溶液中H＋由a极区向b极区迁移
D.一段时间后，a极消耗的SO2与b极消耗的O2物质的量相等
√
负 正
+4
+6
正极：4H＋＋O2＋4e－===2H2O
阳离子移向正极区
总反应：2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4
本节内容结束