有关燃料电池的化学试题，本文主要内容关键词为：燃料电池论文,化学试题论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着课程改革的逐步推进，化学新课程教材中的选修模块《化学反应原理》成了高考必考模块。由于国际市场原油价格居高不下，新型能源的研究迫在眉睫地摆在我们的面前。燃料电池因其能量利用率高而颇受人们关注，使它成为近一段时期高考热点问题。那么什么是燃料电池，怎样解决燃料电池问题呢？“燃烧总反应法”是一种非常好的解决燃料电池的方法。
一、认识燃料电池
燃料电池是将燃料（如
、乙醇等）氧化时，化学能直接转变为电能的装置。它由燃料、氧化剂、电极、电解质组成。在结构上和传统的电池一样具有正负电极，正负电极被电解质分隔。所有燃料电池的基本形式为：将燃料和氧气（或空气）分别充入负极和正极，两者在电极的催化作用下进行化学反应，从而产生电流。在不断补充燃料和氧气（或空气）的条件下，燃料电池可连续发电。因此，它不同于需要间断充电的蓄电池，也不同于一次性电池。这种电池能量利用率可高达80％，（一般柴油发电机只有40％左右），反应产物的污染也少。燃料电池根据采用的电解质不同分为：（1）碱性燃料电池（AFC,Alkaline Fuel Cell）；（2）熔融盐燃料电池（MCFC,Molten Carbonate Fuel Cell）；（3）固体氧化物燃料电池（SOFC,Solid Oxide Fuel Cell）；（4）磷酸燃料电池（PAFC,Phosphoric Acid Fuel Cell）；（5）质子交换膜燃料电池（PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cell）。
二、燃料电池的原理
燃料电池的原理并不复杂。以氢一氧燃料电池为例，当氢气被送到负极通道，由于负极催化剂的作用，氢分子（
）发生氧化反应，失去电子，生成带正电荷的氢离子，电子（
）则通过外电路流向正极，产生电流。正极区的氧气和水，得到电子，发生还原反应而生成
，如下图所示：
三、燃料电池的出题类型和解题方法
燃料电池虽然是不经过燃烧而转化电能的一种装置，但其在放电时发生的总反应和燃料燃烧时的总反应一样。一般是
作氧化剂，可燃物为还原剂。我们可以利用这一点进行解题。根据原电池的基本原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，所以可燃物为负极反应物，为正极反应物。我们要特别注意在书写电极反应时电解质会参与电极反应，如电解质溶液为KOH或NaOH，正极反应方程式为，
；若电解质溶液为磷酸，正极反应式为
；若电解质溶液为固体氧化物，正极反应式就为
。然后利用燃烧反应的方程式分析解决。
现举例说明：
（一）碱性燃料电池（电解质溶液为KOH）
碱性燃料电池是中学最常见的燃料电池，发电效率高，但是对
敏感，生成的碳酸盐影响其导电效果。
［例1］氢氧燃料电池
美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源。其构造如下图所示：a、b两极均由多孔性炭制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电。
（1）a是________极；b是________极。电极反应式分别为_____、_____；
（2）飞船上宇航员的生活用水由燃料电池提供。已知这种电池发1度电（3600kJ）时能生成350g水。
试计算能量的利用率；
［例2］烃氧燃料电池
一种新型的燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，有关此电池的推断正确的是（ ）
D.放电过程中KOH的物质的量浓度不变
［解析］选C。根据燃料（乙烷）燃烧的反应：
相似变型1.有人将铂丝插入KOH溶液中作电极，并在两极片上分别通入甲烷和氧气，形成一种燃料电池，在该电池反应中，甲烷发生类似于燃烧的反应，根据以上判断：
（1）通甲烷的铂丝为原电池的_____极，发生的电极反应为________。
（2）该电池工作时（放电）反应的总化学方程式为__________。
［例3］醇氧燃料电池
最新研制的一种由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池。下列有关此电池的叙述错误的是（ ）
C.电池在使用过程中电解质溶液的pH升高
D.当外电路通过0.6mol电子时，理论上消耗甲醇3.2g
（二）固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池是第三代燃料电池，它使用固体氧化物（陶瓷）电解质把燃料和空气隔开，使其不能直接燃烧。但是空气中的氧可以在正极上变成氧离子，氧离子通过电解质传输到负极，在负极上与燃料反应，同时放出电子，从而产生电流。与其他种类的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池在较高温度（600—1000度）下运行，使得电极反应快而不需要贵金属催化剂，并且其高温废热可以用来推动燃气轮机或蒸汽轮机进一步发电。固体氧化物燃料电池是发电效率最高的燃料电池。
［例4］氢氧燃料电池
当前燃料电池发展迅速。固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。它以固体氧化锆——氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（
）在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是（ ）
A.有放电的a极为电池的负极
B.有放电的b极为电池的正极
［例5］烃氧燃料电池
（三）熔融盐燃料电池
熔融盐燃料电池是一种具有极高发电效率的大功率化学电池，在加拿大等少数发达国家已接近民用工业化水平。按其所用燃料或熔融盐的不同，有多个不同的品种，如以天然气、CO为燃气的熔融碳酸盐型、熔融磷酸盐型等等，一般要在一定的高温下（确保盐处于熔化状态）才能工作。
（四）磷酸燃料电池
磷酸燃料电池属于第一代燃料电池，研制开发比较成熟，因而开发品种最多，40千瓦容量的燃料电池已在试运行，并在继续开发200千瓦和1000千瓦级的产品。
［例7］现有以磷酸作介质的氢氧燃料电池，则负极通入的是______，正极通入的是______，电极反应式为：_____、______。反应进行后，溶液的pH将________（填变大或变小）。
（五）质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问题，能量置换效率高，无污染，可在室温下快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。
A.左边的电极为电池的负极，a处通入的是甲醇
B.右边的电极为电池的负极，b处通入的是空气
综上所述，虽然燃料电池题目是一种比较新颖的题目，但是只要我们抓住“燃料燃烧反应就是燃料电池的总反应”这条捷径，然后利用电解质溶液的特殊性和氧化还原反应的基本原理进行分析，就可以轻松解决此类问题。不过，务必注意即使同样原料气在不同性质电解质中，正负电极的反应方程式书写是不相同的。