高中化学选修四燃料电池
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如甲烷燃料电池 酸性电解质中生成CO2和H2O，即CH4+2O2=CO2+2H2O； 碱性电解质中生成CO32-离子和H2O，
即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。
第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；
燃料 种类
H2 CH4 CO
H2S
CH3OH
CH3CH2OH
电解质溶液 的酸碱性
电池总反应 方程式
燃料电池
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直 接转换成电能的化学电池。
氢氧燃料电池 酸性电解质： 负极： 2H2-4e-==4H+
正极： O2+4H++4e-==2H2O 总反应：2H2+O2==2H2O
碱性电解质 负极: 2H2-4e-+4OH-==4H2O 正极: O2+2H2O+4e-==4OH总反应: 2H2+O2==2H2O
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
例3、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？
第二步，再写出燃料电池的正极反应式；
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
源自文库
2H2+O2=2H2O
酸 碱
CH4+2O2=CO2+2H2O CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O
酸
2CO+O2=2CO2
碱
2CO+O2+4OH-=2CO32-+2H2O
酸
2H2S+3O2=2SO2+2H2O
碱
2H2S+3O2+4OH-=2SO32-+4H2O
酸
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
例1、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：
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式是 。
⑵此电池的正极发生的电极反应是 3O2+12H++；12e-=6H2O 负极发生的电极反应是 2CH3OH+2H。2O－12e-=2CO2↑+12H+ ⑶电解液中的H+离子向 正 极移动；
正极反应式应为 O2＋4e-=2O2-。
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。
减去正 例如：甲极 物烷反氧燃应气料电池的电解质溶液为KOH溶液
总反应式： CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O
正极反应式： 2O22＋24H22O +48e--=48OH--。 负极反应式：CH4 + 10 OH- + 8e- = CO32- + 7H2O
向外电路释放电子的电极是 负。极
⑷比起直接燃烧燃料产生电力，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，
其次是 污染较小
。
例2、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于
甲烷燃料电池的说法不正确的是 （ ） 答案：C A、负极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O B、正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OHC、随着不断放电，电解质溶液碱性不变
[阅读]P77-78 了解燃料电池的优点
燃料电池与前几种电池的差别： ①氧化剂与还原剂在工作时不断补充； ②反应产物不断排出
③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约 能源，且对环境无污染。
燃料电池的规律 ①燃料做负极，助燃剂氧气为正极 ②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。
⑴2C4H10+13O2=8CO2+10H2O
⑵正极：O2＋2CO2 +4e-=2CO32-， 负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O
O2＋2H2O +4e-=4OH-。
第二步，再写出燃料电池的正极反应式；
⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3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-。
⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其
燃料电池电极反应式的书写
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。
第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；
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（或硫 元素）的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质溶液的 酸碱性有关，
碱 2CH3OH+4OH-+3O2=2CO32-+6H2O
酸
C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O
碱 C2H5OH+4OH-+3O2=2CO32-+5H2O
第二步，再写出燃料电池的正极反应式；
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。这是非常重要的一步。现将与 电解质有关的四种情况归纳如下。
即CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。
第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；
燃料 种类
H2 CH4 CO
H2S
CH3OH
CH3CH2OH
电解质溶液 的酸碱性
电池总反应 方程式
燃料电池
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直 接转换成电能的化学电池。
氢氧燃料电池 酸性电解质： 负极： 2H2-4e-==4H+
正极： O2+4H++4e-==2H2O 总反应：2H2+O2==2H2O
碱性电解质 负极: 2H2-4e-+4OH-==4H2O 正极: O2+2H2O+4e-==4OH总反应: 2H2+O2==2H2O
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
例3、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？
第二步，再写出燃料电池的正极反应式；
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
源自文库
2H2+O2=2H2O
酸 碱
CH4+2O2=CO2+2H2O CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O
酸
2CO+O2=2CO2
碱
2CO+O2+4OH-=2CO32-+2H2O
酸
2H2S+3O2=2SO2+2H2O
碱
2H2S+3O2+4OH-=2SO32-+4H2O
酸
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
例1、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：
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式是 。
⑵此电池的正极发生的电极反应是 3O2+12H++；12e-=6H2O 负极发生的电极反应是 2CH3OH+2H。2O－12e-=2CO2↑+12H+ ⑶电解液中的H+离子向 正 极移动；
正极反应式应为 O2＋4e-=2O2-。
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。
减去正 例如：甲极 物烷反氧燃应气料电池的电解质溶液为KOH溶液
总反应式： CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O
正极反应式： 2O22＋24H22O +48e--=48OH--。 负极反应式：CH4 + 10 OH- + 8e- = CO32- + 7H2O
向外电路释放电子的电极是 负。极
⑷比起直接燃烧燃料产生电力，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，
其次是 污染较小
。
例2、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于
甲烷燃料电池的说法不正确的是 （ ） 答案：C A、负极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O B、正极反应式为O2＋2H2O +4e-=4OHC、随着不断放电，电解质溶液碱性不变
[阅读]P77-78 了解燃料电池的优点
燃料电池与前几种电池的差别： ①氧化剂与还原剂在工作时不断补充； ②反应产物不断排出
③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约 能源，且对环境无污染。
燃料电池的规律 ①燃料做负极，助燃剂氧气为正极 ②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。
⑴2C4H10+13O2=8CO2+10H2O
⑵正极：O2＋2CO2 +4e-=2CO32-， 负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O
O2＋2H2O +4e-=4OH-。
第二步，再写出燃料电池的正极反应式；
⑶电解质为熔融的碳酸盐（如LiCO3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-。
⑷电解质为固体电解质（如固体氧化锆—氧化钇） 该固体电解质在高温下可允许O2-离子在其间通过，故其
燃料电池电极反应式的书写
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。
第一步，先写出燃料电池的总反应方程式；
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（或硫 元素）的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质溶液的 酸碱性有关，
碱 2CH3OH+4OH-+3O2=2CO32-+6H2O
酸
C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O
碱 C2H5OH+4OH-+3O2=2CO32-+5H2O
第二步，再写出燃料电池的正极反应式；
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。这是非常重要的一步。现将与 电解质有关的四种情况归纳如下。