化學(xué)電源燃料電池

關(guān)于化學(xué)電源燃料電池化學(xué)電源第2頁,共37頁，2024年2月25日，星期天一次電池、二次電池、燃料電池《選修4》p74一次電池：只能使用一次，不能充電復(fù)原繼續(xù)使用的化學(xué)電池。堿性鋅-錳電池、銀-鋅紐扣電池等二次電池：放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用的化學(xué)電池。如鉛蓄電池、氫鎳電池、鋰電池等。燃料電池：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池如：氫氧燃料電池、CH4、乙醇燃料電池等電池優(yōu)劣的判斷：P74①比能量（W·h)/kg,(W·h)/L）②比功率(W/kg,W/L)③可儲(chǔ)存第3頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1、堿性鋅－錳干電池《選修4》p74鋼筒石墨棒Zn粉和KOH的混合物堿性鋅-錳干電池的結(jié)構(gòu)MnO2負(fù)極：鋅正極：MnO2電解液：KOH負(fù)極（鋅）：Zn+2OH-–2e-Zn(OH)2正極（石墨）：2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-總：Zn+2MnO2+2H2O＝2MnOOH+Zn(OH)2PH?PH減小PH增加電池總PH不變注意：堿性環(huán)境不能出現(xiàn)H+酸性環(huán)境不能出現(xiàn)OH-第4頁,共37頁，2024年2月25日，星期天負(fù)極（鋅筒）：Zn-2e-=Zn2+，正極（石墨）:2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O2、干電池（NH4Cl糊狀物為電解質(zhì)、酸性）總反應(yīng)：Zn+2NH4++2MnO2=Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O第5頁,共37頁，2024年2月25日，星期天鈕扣電池：不銹鋼制成一個(gè)由正極殼和負(fù)極蓋組成的小圓盒，盒內(nèi)靠正極一端填充由Ag2O和少量石墨組成的正極活性材料，負(fù)極蓋一端填充鋅汞合金作負(fù)極活性材料，電解質(zhì)溶液為濃KOH溶液，已知電池內(nèi)Zn的氧化產(chǎn)物為ZnO。3、銀-鋅電池（負(fù)極-鋅、正極-Ag2O、電解質(zhì)為KOH）負(fù)極：Zn+2OH-－2e-=Zn(OH)2正極：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-總反應(yīng)：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag

第6頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4、Ni-Cd電池電池

Ni-Cd電池：Cd+2NiO(OH)+2H2O==2Ni(OH)2+Cd(OH)2

Ni-Fe電池：Fe+2NiO(OH)+2H2O==2Ni(OH)2+Fe(OH)2

負(fù)極：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2正極:2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-第7頁,共37頁，2024年2月25日，星期天5.海水電池（電解質(zhì)溶液為海水）負(fù)極：4Al-12e-=4Al3+，正極：3O2+6H2O+12e-=12OH-總反應(yīng)：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3第8頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（6）鉛蓄電池:總電池反應(yīng):PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O電極：Pb為負(fù)極,PbO2為正極.電解液:H2SO4溶液電極反應(yīng)式:放電時(shí)：為原電池負(fù)極(Pb)：Pb(s)＋SO42-(aq)－2e-＝PbSO4(s)

正極(PbO2)PbO2s＋4H

＋aq＋SO42－aq＋2e

＝PbSO4s＋2H2OL充電放電二次電池（可充電電池）：當(dāng)電池中有2mol電子通過時(shí)，消耗硫酸？第9頁,共37頁，2024年2月25日，星期天7.鋰電池（非水有機(jī)溶劑電解液）負(fù)極：2Li-2e-=2Li+，正極：I2+2e-=2I-，總反應(yīng)：2Li+I2=2LiI跟其它金屬作負(fù)極相比，使用壽命延長(zhǎng)，高能、質(zhì)輕、電壓高、工作效率高、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。為什么？與作負(fù)極材料的金屬相比較，相同質(zhì)量時(shí)鋰提供電子數(shù)最多。第10頁,共37頁，2024年2月25日，星期天燃料電池第11頁,共37頁，2024年2月25日，星期天三、燃料電池：P77

連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池（與一般電池不同？P77）一般的可燃物均可與O2組成燃料電池，如H2、CO、CH4、N2H4、乙醇等。負(fù)極----可燃物；正極----氧氣優(yōu)點(diǎn)：①能量轉(zhuǎn)化率高②污染小（環(huán)境友好、綠色電站）③裝置可持續(xù)使用燃料缺點(diǎn)：①輸出電壓低②體積較大③附屬設(shè)備多等電極本身不是活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化原件第12頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1、氫氧燃料電池電極:Pt制作的惰性電極負(fù)極a:通入氫氣正極b:通入氧氣電解質(zhì):酸性、中性或堿性介質(zhì)總反應(yīng)式一定是2H2+Ｏ２=2H2OKOH溶液H2O2H2Oab電解質(zhì)溶液的酸堿性不同，電極反應(yīng)式不同第13頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1、氫氧燃料電池介質(zhì)電池反應(yīng)：

2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負(fù)極正極中性負(fù)極

正極堿性負(fù)極正極2H2-4e-=4H+O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H++4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-規(guī)律:酸性條件下不能出現(xiàn)OH－，堿性條件下不能出現(xiàn)H＋。第14頁,共37頁，2024年2月25日，星期天2、甲烷燃料電池②（電解質(zhì)為KOH）負(fù)極：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O正極：2O2+4H2O+8e-=8OH-總反應(yīng)：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O思考：甲醇燃料電池（電解質(zhì)為KOH）負(fù)極：CH4-8e-+2H2O=CO2

+8H+正極：2O2+8e-+8H+

=4H2O總反應(yīng)：CH4+2O2

=CO2+2H2O甲烷燃料電池①（電解質(zhì)為H2SO4）第15頁,共37頁，2024年2月25日，星期天3、甲醇燃料電池（電解質(zhì)為KOH）負(fù)極：2CH3OH

-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O正極：3O2+12e-+6H2O=12OH-總反應(yīng)：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O甲醇燃料電池（電解質(zhì)為H2SO4）負(fù)極：2CH3OH

-12e-+2H2O=2CO2+12H+正極：3O2+12e-+12H+

=6H2O總反應(yīng)：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O第16頁,共37頁，2024年2月25日，星期天一種新型燃料電池，它以多孔鎳板為電極插入KOH溶液中，然后分別向兩極通入乙烷和氧氣，其總反應(yīng)為：2C2H6+7O2+8KOH＝4K2CO3+10H2O，有關(guān)此電池的推斷正確的是（）A．負(fù)極反應(yīng)為：14H2O+7O2+28e－=28OH－B．放電一段時(shí)間后，負(fù)極周圍pH升高C．每消耗1molC2H6，則電路上轉(zhuǎn)移電子為14molD．放電過程中KOH的物質(zhì)的量濃度不變C

練一練第17頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4、熔融鹽為電解質(zhì)---燃料電池

是一種具有極高發(fā)電效率的大功率化學(xué)電池，在加拿大等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家己接近民用工業(yè)化水平。按其所用燃料或熔融鹽的不同，有多個(gè)不同的品種，如天然氣、CO、---熔融碳酸鹽型、熔融磷酸鹽型等等，一般要在一定的高溫下（確保鹽處于熔化狀態(tài)）才能工作。

例：以Li2CO3和Na2CO3熔融物為電解質(zhì)，一極通入CO，另一極通入CO2和O2，組成燃料電池。負(fù)極：2CO－4e-＋2CO32-=4CO2正極：O2＋4e－＋2CO2=2CO32-總反應(yīng)：2CO+2O2

=2CO2第18頁,共37頁，2024年2月25日，星期天例：一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入甲烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔

Y2O3

的氧化鋯

ZrO2

晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2

。5、熔融氧化物為電解質(zhì)---燃料電池

負(fù)極：CH4-8e-+4O2

=CO2

+2H2O正極：2O2+8e-=4O2

總反應(yīng)：CH4+2O2

=CO2+2H2O第19頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（08寧夏卷）一種燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳。該電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是（）A.CH3OH(g)+O2(g)=H2O(1)+CO2(g)+2H+(aq)+2e－

B．O2(g)+4H+(aq)+4e－=2H2O(L)C．CH3OH(g)+H2O(1)=CO2(g)+6H+(aq)+6e－

D．O2(g)+2H2O(1)+4e－=4OH－

C例題1第20頁,共37頁，2024年2月25日，星期天2.有人設(shè)計(jì)出利用CH4和O2的反應(yīng)，用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池。電池的總反應(yīng)類似于CH4在O2中燃燒，則下列說法正確的是()①每消耗1molCH4可以向外電路提供8mole-②負(fù)極上CH4失去電子，電極反應(yīng)式：

CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O③正極上是O2獲得電子，電極反應(yīng)式為：

O2+2H2O+4e-=4OH-④電池放電后，溶液pH升高

A.①②③B.①③④C.①②④D.①②③④A第21頁,共37頁，2024年2月25日，星期天3.氫鎳電池是近年開發(fā)出來的可充電電池，它可以取代會(huì)產(chǎn)生鎘污染的鎘鎳電池。氫鎳電池的總反應(yīng)式是：

1/2H2+NiO(OH)Ni(OH)2據(jù)此反應(yīng)判斷，下列敘述中正確的是（）A.電池放電時(shí)，負(fù)極周圍溶液的pH不斷增大B.電池放電時(shí)，鎳元素被氧化C.電池充電時(shí)，氫元素被還原 D.電池放電時(shí)，H2是負(fù)極CD第22頁,共37頁，2024年2月25日，星期天【小結(jié)】書寫燃料電池電極反應(yīng)式一般分為三步：第一步，先寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式；第二步，再寫出燃料電池的正極反應(yīng)式；第三步，在電子守恒的基礎(chǔ)上用燃料電池的總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即得到負(fù)極反應(yīng)式。注意：溶液的酸堿性第23頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4、燃料電池（1）寫出正確的燃燒反應(yīng)化學(xué)方程式并找出兩極放電的物質(zhì)，負(fù)氧正還；（2）根據(jù)電解液（如溶液的酸堿性）改寫燃料電池總反應(yīng)；（3）寫出正極的電極反應(yīng)式；（4）由燃料電池總反應(yīng)式減去正極的電極反應(yīng)式得到負(fù)極的電極反應(yīng)式。第26頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第一步，燃料電池總反應(yīng)方程式的書寫根據(jù)燃料燃燒反應(yīng)寫出燃料電池的總反應(yīng)方程式#若是氫氧燃料電池，其電池總反應(yīng)方程式不隨電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性變化而變化，即2H2+O2=2H2O#若燃料是含碳元素的可燃物，其電池總反應(yīng)方程式就與電解質(zhì)的狀態(tài)和電解質(zhì)溶液的酸堿性有關(guān)，要考慮燃燒反應(yīng)后產(chǎn)物是否與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)

第27頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第二步，燃料電池正極反應(yīng)式的書寫正極反應(yīng)的本質(zhì)都是O2得電子生成O2-離子，故正極反應(yīng)式的基礎(chǔ)都是O2＋4e-=2O2-

⑴電解質(zhì)為酸性電解質(zhì)溶液（如稀硫酸）O2-離子結(jié)合H+離子生成H2O正極反應(yīng)式為O2＋4H++4e-=2H2O

⑵電解質(zhì)為中性或堿性電解質(zhì)溶液(如NaCl溶液或NaOH溶液)O2-離子結(jié)合H2O生成OH-離子正極反應(yīng)式為O2＋2H2O+4e-=4OH-

第28頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第三步，燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫一般燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式都是采用間接方法書寫即在電子守恒的基礎(chǔ)上用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式第29頁,共37頁，2024年2月25日，星期天【小結(jié)】直接書寫燃料電池負(fù)極反應(yīng)式

（1）寫出氧化還原的基本框架（正極：氧化劑和還原產(chǎn)物；負(fù)極：還原劑和氧化產(chǎn)物）（2）分析氧化還原的得失電子數(shù)，配平電子數(shù)（3）根據(jù)電荷守恒和溶液酸堿性，通過H+和OH-

配平電荷數(shù)（4）根據(jù)元素守恒配H2O第30頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4.銀鋅電池（電解質(zhì)為KOH）5.海水電池（電解質(zhì)溶液為海水）負(fù)極：4Al-12e-=4Al3+，正極：3O2+6H2O+12e-=12OH-總反應(yīng)：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3負(fù)極：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O正極：Ag2O+H2O

+2e-=2Ag+2OH-

總反應(yīng)：Ag2O+Zn=ZnO+2Ag第31頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（09年海南化學(xué)·15）（9分）Li—SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4—SOCl2。電池的總反應(yīng)可表示為：4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2。請(qǐng)回答下列問題：（1）電池的負(fù)極材料為

，發(fā)生的電極反應(yīng)為

；（2）電池正極發(fā)生的電極反應(yīng)為

；（3）SOCl2易揮發(fā)，實(shí)驗(yàn)室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是

，反應(yīng)的化學(xué)方程式為

；（4）組裝該電池必須在無水、無氧的條件下進(jìn)行，原因是

。Li－2e－=Li＋（2分）鋰2SOCl2＋4e－=4Cl－＋S＋SO2（2分）出現(xiàn)白霧，有刺激性氣體生成SOCl2＋H2O=SO2↑＋2HCl↑（3分）鋰是活潑金屬，易與H2O、O2反應(yīng)；SOCl2也可與水反應(yīng)（2分）高考題再現(xiàn)第32頁,共37頁，2024年2月25日，星期天2010浙江9.Li-Al/FeS電池是一種正在開發(fā)的車載電池，該電池中正極的電極反應(yīng)式為：2Li++FeS+2e-＝Li2S+Fe有關(guān)該電池的下列中，正確的是A.Li-Al在電池中作為負(fù)極材料，該材料中Li的化合價(jià)為+1價(jià)B.該電池的電池反應(yīng)式為：2Li+FeS＝Li2S+FeC.負(fù)極的電極反應(yīng)式為Al-3e-=Al3+[來D.充電時(shí)，陰極發(fā)生的電極反應(yīng)式為：

C高考題再現(xiàn)第33頁,共37頁，2024年2月25日，星期天練習(xí)6、高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應(yīng)為：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列敘述不正確的是

A.放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為：Zn－2e

＋