复习题PPT专用课堂实录内容

燃料电池教学设计

（复习拓展课）

一、教学目标：

1．理解燃料电池的原理，认识化学能转化为电能的意义。

2．初步掌握燃料电池的电极反应式和电池反应式的书写方法。

二、教学重难点：

燃料电池的电极反应式和电池反应式的书写方法。

三、教学准备：

教学设计、PPT课件和燃料电池应用视频。

四、教学过程：

【引言】上课前我们先看一段视频。（师生观看）

燃料电池不仅在汽车领域应用前景广阔，在航空航天、航海等领域都有巨大的潜力，因此我们有必要进一步学习他。

【过渡】前面我们对燃料电池有简单的了解，今天主要来讨论燃料电池的电极反应式和电池反应式的书写。

【复习】1、原电池工作原理：使氧化还原反应中的还原剂和 之间通过外电路间接地进行电子转移：①在负极，物质失去电子发生 ； ②在正极，物质得到电子发生 ；③电子通过导体经外电路由负极传导至 极；

④电解质溶液中，阳离子向 移动，阴离子向 移动。

2.燃料电池回顾：①定义：燃料电池是一种不经过燃烧，

将燃料与氧化剂(如:O2)反应所放出的化学能直接转化为电能的装置。②反应物不储存在电池内部，外加提供燃料和氧化剂。③两极材料：惰性材料，只具导电性，且两电极材料可以相同。④两极判断：通入燃料气的一极——负极，通O2或空气的一极——正极。⑤导电介质：可以是电解质溶液，也可以是新型的导离子介质。⑥优点：高效、环境友好。

【过渡】如何正确书写燃料电池的电极反应式呢？下面我们来共同探讨。

【例1】写出甲醇（CH3OH）燃料电池在电解质溶液分别为KOH和H2SO4溶液时的电极反应和电池反应式. 分析：因甲醇燃料电池的电解质为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，若电解质为H2SO4溶液时生成CO2。（1）碱性电解质（KOH溶液为例）总反应式：2CH4O + 3O2 +4KOH

=== 2K2CO3 + 6H2O

.正极的电极反应式为：3O2+12e- + 6H20===12OH- 负极的电极反应式为：CH4O -6e-+8OH-

=== CO32-

+ 6H2O ;(2) 酸性电

1

解质（H2SO4溶液为例）:总反应: 2CH4O + 3O2 === 2CO2 + 4H2O

正极的电极反应式为：3O2+12e+12H=== 6H2O 负极的电极反应式为：2CH4O-12e+2H2O === 12H+ 2CO2 【练习1】请写出甲烷（CH4）燃料电池在电解质溶液分别为KOH和H2SO4溶液时的电极反应和电池反应式。. 分析：甲烷燃料电池在电解质溶液为KOH，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，所以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2 === K2CO3 + 3H2O。

负极发生的反应：CH4

– 8e- + 8OH- ==CO2 + 6H2O

CO2 + 2OH- == CO32- + H2O，所以：

负极的电极反应式为：CH4 + 10 OH- + 8e- === CO32- + 7H2O 正极发生的反应有：O2 + 4e- === 2O2-

和O2-

+ H2O === 2OH所以：正极的电极反应式为：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH

【例2】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？

解析：由于电解质为熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不会与CO32-反应生成HCO3-的，故该燃料电池的总反应式为： 2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料电池正极反应式的书写方法3知，在熔融碳酸盐环境中，其正极反应式为O2＋2CO2

+4e-=2CO32-。通入丁烷的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式求得，应为2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O。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CO2，它从负极反应产物中来。

【练习2】据报道，最近摩托罗拉公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用一个月才充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生二氧化碳被充分吸收生成CO32-。

（1）该电池反应的离子方程式为__________________________。

（2）甲醇在__________极发生反应(填“正”或“负”)，电池中放电过程中溶液pH将_________(填“下降”、“上升”或“不变”)；

（3）最近，又有科学家制造出一种固体电解质的燃料电池，其效率更高。一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气。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－离子(其中氧化反应发生完全)。以丁烷代表汽油。

2 -

--+ -+

该电池的正极反应式为_____________________。

（4）放电时固体电解质里的O离子的移动方向是向________极移动(填“正”或“负”)。

【答案】（1）2CH3OH3O24OH2CO326H2O；

（2）负极；下降；（3）O24e2O2；（4）负极

【强调】燃料电池电极反应式的书写方法

所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应式的书写也同样是有规律可循的。书写燃料电池电极反应式一般分为三步：第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；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。

1、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。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O；在碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。

2、燃料电池正极反应式的书写

因为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。

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-。

⑶电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3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-。

3 2－

因此，燃料电池正极反应式本质都是O2＋4e-=2O2-，在不同电解质环境中，其正极反应式的书写形式有所不同。因此在书写正极反应式时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

3、燃料电池负极反应式的书写

燃料电池负极反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极反应式相当困难。一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写，即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。

【小结】燃料电池在未来的应用前景非常好，它将成为未来能源主角，大家今后可能会从事这方面的研究或工作，因此希望同学们从现在起多关注燃料电池的发展。

【板书设计】

燃料电池

一燃料电池定义、原理：

1.定义：燃料电池是一种不经过燃烧，

将燃料与氧化剂(如:O2)反应所放出的化学能直接转化为电能的装置。

2.电极：正极——通入氧气或空气(氧化剂)； 负极——通入燃料的一级

二、燃料电池电池反应式和电极反应式的书写。

第一步、先写出燃料电池的总反应方程式：燃料电池总反应式一般为燃烧方程式(去“点燃”);但当生成物有后续反应时，加和后续反应

第二步、再写出正极反应式（正极一般都是氧化剂—O2

）： ⑴电解质为酸性溶液（如稀硫酸）：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）：O2＋2H2O +4e-=4OH-

⑶电解质为熔融的碳酸盐（如Li2CO3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，

可结合CO2生成CO32-离子即 O2＋2CO2 +4e-=2CO32-

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。

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