《2023年高考化学热点专项导航与精练（新高考专用）》专项21 燃料电池（解析版）

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第三篇化学反应与能量

专项 21 燃料电池

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力

发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能直

接转换成电能，能量转化效率高，燃料和空气分别送进燃料电池，它直接将燃料的化学能转化为电能，中

间不经过燃烧过程，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。从节约能源和保护

生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料

电池、甲醇燃料电池等。燃料电池的正极反应物一般为氧气。电解质不同，电极反应就不同。

1．氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。

种类酸性碱性

负极反应式 2H2－4e－===4H＋2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式 2H2＋O2===2H2O

备注燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用

2．燃料电池常用的燃料

H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。

3．燃料电池常用的电解质

① 酸性电解质溶液，如 H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如 NaOH 溶液；③熔融氧化物；④熔融碳酸

盐，如 K2CO3；⑤质子交换膜等。

1．(2022•海南省选择性考试)一种采用 H2O(g)和N2(g)为原料制备 NH3(g)的装置示意图如下。

下列有关说法正确的是( )

A．在 b电极上，N2被还原

B．金属 Ag 可作为 a电极的材料

C．改变工作电源电压，反应速率不变

D．电解过程中，固体氧化物电解质中 O2-不断减少

【答案】A

【解析】由装置可知，b电极的 N2转化为 NH3，N元素的化合价降低，得到电子发生还原反应，因此

b为阴极，电极反应式为 N2+3H2O+6e-=2NH3+3O2-，a为阳极，电极反应式为 2O2-+4e-=O2。A项，由分析可

得，b电极上 N2转化为 NH3，N元素的化合价降低，得到电子发生还原反应，即 N2被还原，A正确；B项，

a为阳极，若金属 Ag 作a的电极材料，则金属 Ag 优先失去电子，B错误；C项，改变工作电源的电压，

反应速率会加快，C错误；D项，电解过程中，阴极电极反应式为 N2+3H2O+6e-=2NH3+3O2-，阳极电极反

应式为 2O2-+4e-=O2，因此固体氧化物电解质中 O2-不会改变，D错误；故选 A。

2．(2021•山东卷)以KOH 溶液为离子导体，分别组成 CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁

燃料电池，下列说法正确的是( )

A．放电过程中，K+均向负极移动

B．放电过程中，KOH 物质的量均减小

C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大

D．消耗 1molO2时，理论上 N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为 11.2L

【答案】C

【解析】碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃

料电池总反应为：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2 价，H元素化合价

为+1 价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为：

(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O。A项，放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移

动，A错误；B项，根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗

KOH，所以 KOH 的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH 的物质的量减小，B错误；

C项，理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为 mg，则甲醇、N2H4和

(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是：、、，通过比较可

知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；D项，根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗 1molO2生成的

氮气的物质的量为 1mol，在标准状况下为 22.4L，D错误；故选 C。

3．(2020•江苏卷节选)(2) HCOOH 燃料电池。研究 HCOOH 燃料电池性能的装置如图-2 所示，两电极

区间用允许 K+、H+通过的半透膜隔开。

① 电池负极电极反应式为_____________；放电过程中需补充的物质 A为_________(填化学式)。

② 图-2 所示的 HCOOH 燃料电池放电的本质是通过 HCOOH 与O2的反应，将化学能转化为电能，其

反应的离子方程式为_______________。

【答案】(2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O H2SO4

②2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-

【解析】(2)①左侧为负极，碱性环境中 HCOOˉ 失电子被氧化为 HCO3-，根据电荷守恒和元素守恒可

得电极反应式为 HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3-+H2O；电池放电过程中，钾离子移向正极，即右侧，根据图示

可知右侧的阴离子为硫酸根，而随着硫酸钾不断被排除，硫酸根逐渐减少，铁离子和亚铁离子进行循环，

所以需要补充硫酸根，为增强氧气的氧化性，溶液最好显酸性，则物质 A为H2SO4；②根据装置图可知电

池放电的本质是 HCOOH 在碱性环境中被氧气氧化为 HCO3-，根据电子守恒和电荷守恒可得离子方程式为

2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO3-。

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