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专题40 化学电源——燃料电池
考点
十年考情(2015-2024）
命题趋势
考点1 燃料电
池原理
2021•山东卷、2020•新课标Ⅲ卷、
2020•山东卷、2019•新课标Ⅰ卷、
2015·全国卷Ⅰ、2015·江苏卷
燃料电池是最有发展前途的发电技术，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，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，有关燃料电池电极反应式
也应运而生。本专题主要考查以燃料电池为载
体，考查原电池正负极的判断、电极反应式的
书写、电子或电流的方向及溶液pH 的变化
等。
考点2 燃料电
池综合应用
2021•河北卷、2020•江苏卷
考点1 燃料电池原理
1．(2021•山东卷，10)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
1
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(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。
2．(2020•新课标Ⅲ卷，12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发
生反应：VB2+16OH-－11e－= VO4
3-+2B(OH)4
-+ 4H2O，该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．负载通过0.04 mol 电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH 降低、负极区溶液的pH 升高
C．电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4
-+4VO4
3-
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH 溶液回到复合碳电极
【答案】B
【解析】根据图示的电池结构，左侧VB2发生失电子的反应生成VO4
3-和B(OH)4
-，反应的电极方程式
如题干所示，右侧空气中的氧气发生得电子的反应生成OH-，反应的电极方程式为O2+4e-+2H2O=4OH-，电
池的总反应方程式为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4
-+4VO4
3-。A 项，当负极通过0.04mol 电子时，正极
也通过0.04mol 电子，根据正极的电极方程式，通过0.04mol 电子消耗0.01mol 氧气，在标况下为0.224L，
A 正确；B 项，反应过程中正极生成大量的OH-使正极区pH 升高，负极消耗OH-使负极区OH-浓度减小pH
降低，B 错误；C 项，根据分析，电池的总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4
-+4VO4
3-，C 正确；D
项，电池中，电子由VB2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电
极→负载→VB2电极→KOH 溶液→复合碳电极，D 正确；故选B。
3．(2020•山东卷，10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得
电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl 溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含
CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是( )
2
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A．负极反应为 CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+
B．隔膜1 为阳离子交换膜，隔膜2 为阴离子交换膜
C．当电路中转移1mol 电子时，模拟海水理论上除盐58.5g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2：1
【答案】B
【解析】据图可知a 极上CH3COOˉ 转化为CO2和H+，C 元素被氧化，所以a 极为该原电池的负极，则b
极为正极。A 项，a 极为负极，CH3COOˉ 失电子被氧化成CO2和H+，结合电荷守恒可得电极反应式为
CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+，故A 正确；B 项，为了实现海水的淡化，模拟海水中的氯离子需要移向
负极，即a 极，则隔膜1 为阴离子交换膜，钠离子需要移向正极，即b 极，则隔膜2 为阳离子交换膜，故B
错误；C 项，当电路中转移1mol 电子时，根据电荷守恒可知，海水中会有1molClˉ 移向负极，同时有
1molNa+移向正极，即除去1molNaCl，质量为58.5g，故C 正确；D 项，b 极为正极，水溶液为酸性，所以
氢离子得电子产生氢气，电极反应式为2H++2eˉ=H2↑，所以当转移8mol 电子时，正极产生4mol 气体，根
据负极反应式可知负极产生2mol 气体，物质的量之比为4：2=2：1，故D 正确；故选B。
4．(2019•新课标Ⅰ卷，12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极
与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A． 相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B． 阴极区，
氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+=2H++2MV+
C． 正极区，固氮酶
催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D． 电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【答案】B
【解析】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MV+在负极失电子发生氧化反
应生成MV2+，电极反应式为MV+—e—= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2 反应生成H+和
MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+；右室电极为燃料电池的正极，MV2+在正极得电子发生还原
3
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反应生成MV+，电极反应式为MV2++e—= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和
MV2+，反应的方程式为N2+6H++6MV+=6MV2++NH3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。
A 项，相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV+和MV2+的相互转化，化
学能转化为电能，故可提供电能，故A 正确；B 项，左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成
MV2+，电极反应式为MV+—e—= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反
应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+，故B 错误；C 项，右室为正极区，MV2+在正极得电子发生还原反应
生成MV+，电极反应式为MV2++e—= MV+，放电生成的MV+与N2 在固氮酶的作用下反应生成NH3 和
MV2+，故C 正确；D 项，电池工作时，氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动，故D 正确。故选
B。
5．(2015·全国卷Ⅰ，11)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如
图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是( )
A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
【答案】A
【解析】根据碳元素的化合价的变化，二氧化碳中碳元素的化合价为最高价+4 价，所以生成二氧化碳
的反应为氧化反应，应在负极生成，其电极反应式应为C6H12O6+6H2O-24e-=24H++6CO2↑，A 错误；在微生
物的作用下，该装置为原电池装置，反应速率比化学反应速率快，所以微生物促进了反应的发生，B 正确；
原电池中阳离子(质子)向正极移动，C 正确；电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应，D 正确。
6．(2015·江苏卷，10)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．反应CH4+H2O
3H2+CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol 电子
B．电极A 上H2参与的电极反应为
H2+2OH--2e-=2H2O
C．电池工作时，CO3
2−向电极B 移动
4
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D．电极B 上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-=2CO3
2-
【答案】D
【解析】根据化学反应方程式，每有1 mol 甲烷参与反应转移电子数为6 mol，A 项错误；因为电解质
为熔融态的碳酸盐，所以电极A 上H2参与的电极反应式为H2-2e-+CO3
2-=H2O+CO2，B 项错误；根据原电池
工作原理，电极A 是负极，电极B 是正极，阴离子向负极移动，碳酸根离子向负极移动(A 电极)，C 项错
误；电极B 上氧气得电子与二氧化碳结合生成碳酸根离子，因此电极反应式为O2+4e-+2CO2=2CO3
2-，D 项
正确。
考点2 燃料电池综合应用
1．(2021•河北卷，16 节选)当今，世界多国相继规划了碳达峰、碳中和的时间节点。因此，研发二氧
化碳利用技术，降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。
(4)我国科学家研究Li—CO2电池，取得了重大科研成果，回答下列问题：
①Li—CO2电池中，Li 为单质锂片，则该电池中的CO2在___(填“正”或“负”)极发生电化学反应。
研究表明，该电池反应产物为碳酸锂和单质碳，且CO2电还原后与锂离子结合形成碳酸锂按以下4 个步骤
进行，写出步骤Ⅲ的离子方程式。
Ⅰ.2CO2+2e-=C2O4
2- Ⅱ.C2O4
2-=CO2+CO2
2-
Ⅲ.__________ Ⅳ.CO3
2-+2Li+=Li2CO3
②研究表明，在电解质水溶液中，CO2气体可被电化学还原。
Ⅰ.CO2在碱性介质中电还原为正丙醇(CH3CH2CH2OH)的电极反应方程式为_________。
Ⅱ.在电解质水溶液中，三种不同催化剂(a、b、c)上CO2电还原为CO 的反应进程中(H+被还原为H2的反
应可同时发生)，相对能量变化如图.由此判断，CO2电还原为CO 从易到难的顺序为_______(用a、b、c 字
母排序)。
【答案】(4) ①正极 2CO2
2-+CO2=2CO3
2-+C ②12CO2+18e-+4H2O=CH3CH2CH2OH+9CO3
2-
c、b、a
【解析】(4)①由题意知，Li-CO2电池的总反应式为：4Li+3CO2=2Li2CO3+C，CO2发生得电子的还原反
应，则CO2作为电池的正极；CO2还原后与Li+结合成Li2CO3，按4 个步骤进行，由步骤II 可知生成了
CO2
2-，而步骤IV 需要CO3
2-参加反应，所以步骤III 的离子方程式为：2 CO2
2-+CO2=2 CO3
2-+C；②I.CO2在
碱性条件下得电子生成CH3CH2CH2OH，根据电子守恒和电荷守恒写出电极反应式为：12CO2+18e-
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+4H2O=CH3CH2CH2OH+9 CO3
2-；II.c 催化剂条件下，CO2电还原的活化能小于H+电还原的活化能，更容易
发生CO2的电还原；而催化剂a 和b 条件下，CO2电还原的活化能均大于H+电还原的活化能，相对来说，
更易发生H+的电还原。其中a 催化剂条件下，H+电还原的活化能比CO2电还原的活化能小的更多，发生
H+电还原的可能性更大，因此反应从易到难的顺序为c、b、a。
2．(2020•江苏卷，20 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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