文档文本内容
2-2 燃料电池
情境新颖：题目多以真实的燃料电池技术为背景，结合示意图或机理图，呈现新材料、新装置，考查
学生在新情境中应用知识的能力。
综合性强：题目综合考查燃料电池的基本原理、电极反应、离子移动、电子转移、质量变化、能量转
化等多方面内容。
选项陷阱多：选项常设置易混淆点，如正负极判断、电极反应式书写、离子移动方向、计算单位等，
需要细致分析。
图文结合：多数题目配有示意图或机理图，要求学生能从图中提取关键信息，并与化学原理结合。
考查知识：
燃料电池的基本工作原理（正负极判断、电极反应式）。
氧化还原反应在电极上的应用（电子转移、化合价变化）。
电解质环境（酸性或碱性）对电极反应的影响。
离子移动方向（阳离子向正极，阴离子向负极）。
质量守恒、电子守恒在计算中的应用。
能量转化形式（化学能→电能，而非热能）。
考查能力：
读图能力：从示意图中识别电极、反应过程、离子迁移路径。
分析推理能力：基于原理分析选项，排除错误。
计算能力：涉及电子转移、气体体积、质量变化等计算。
应用能力：将所学知识迁移到新情境中解决问题。
考查方式：
通过具体燃料电池案例，设置正误选项，考查学生对细节的掌握。
结合催化机理、能量变化等前沿内容，提升思维层次。
第一步 识别燃料电池类型
确定燃料和氧化剂（如H₂、CH₃OH、N₂H₄ 等为燃料，O₂ 为氧化剂）。
判断电解质环境（酸性或碱性），影响电极反应式的书写。
第二步 判断正负极
负极：燃料发生氧化反应（失去电子）。
正极：氧化剂发生还原反应（得到电子）。
第三步 写出电极反应式
注意电解质环境：
o
酸性：H⁺参与反应。
o
碱性：OH⁻参与反应。
确保原子守恒和电荷守恒。
第四步 分析离子移动方向
阳离子（如H⁺、K⁺）向正极移动。
阴离子（如OH⁻）向负极移动。
第五步 计算相关物理量
电子转移：根据电极反应式计算e⁻数目。
质量变化：考虑反应物消耗和产物生成，以及离子迁移的影响。
气体体积：注意标准状态（STP）和计量关系。
第六步 检查选项
逐一分析选项，基于原理排除错误。
注意常见陷阱，如方向反、计算单位错误等。
燃料电池定义：将化学能直接转化为电能的装置，总反应为燃烧反应。
组成：
负极（燃料电极）：发生氧化反应。
正极（氧化剂电极）：发生还原反应。
电解质：传递离子，分隔两极。
外部电路：电子流动。
电极反应式（以常见燃料为例）：
酸性电解质（如H₂SO₄）：
负极：H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
正极：O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
碱性电解质（如KOH）：
负极：H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻
正极：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
离子移动方向：
阳离子（H⁺、K⁺等）向正极移动。
阴离子（OH⁻等）向负极移动。
电子转移：
与反应计量相关，每摩尔燃料或氧化剂转移电子数由化合价变化决定。
质量变化：
考虑反应物消耗、产物生成及离子迁移对溶液质量的影响。
能量转化：
主要转化为电能，不是热能（虽反应放热，但能量以电能形式输出）。
常见燃料：
氢气（H₂）、甲醇（CH₃OH）、肼（N₂H₄）、偏二甲肼（(CH₃)₂NNH₂）等。
正负极混淆：误将燃料电极当作正极，或氧化剂电极当作负极。
电极反应式错误：
忽略电解质环境（如酸性写OH⁻，碱性写H⁺）。
电荷不守恒或原子不守恒。
离子移动方向记反：误以为阳离子向负极移动。
电子转移计算错误：
忽略物质的量或化合价变化。
单位错误（如电子数与物质 关系）。
质量变化分析不全：忽略离子迁移对溶液质量的影响。
气体体积计算忽略状态：未注明标准状况（STP，0°C，101kPa）或使用错误摩尔体积。
催化剂角色误解：误将正极催化剂当作负极催化剂。
能量转化形式误解：误以为燃料电池主要释放热能。
【典例】
【审题】
1．（2025·广东·高考真题）某理论研究认为：燃料电池(图b)
的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a
读题与识图：
快速浏览题干，
和图c，其中
获得第一个电子的过程最慢。由此可知，
理论上
A．负极反应的催化剂是ⅰ
B．图a 中，ⅰ到ⅱ过程的活化能一定最低
C．电池工作过程中，负极室的溶液质量保持不变
D．相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数相同
抓住关键信息：“O₂ 获得第一个电子
的过程最慢”。
查看图a 和图c：
图a 显示O₂ 还原过程（涉及
ⅰ→ⅱ→ⅲ→ⅳ），图c 显示H₂ 氧化
过程。
结合图b，识别为
氢氧燃料电池，电解质为酸性。
原理应用：
确定正负极：H₂
在负极被氧化，O₂ 在正极被还原。
写出电极反应
式：
负极：H₂ → 2H⁺ +
2e⁻
正极：O₂ + 4H⁺ +
4e⁻ → 2H₂O
分析催化机理：
图a 对应正极（O₂ 还原），图c 对应
负极（H₂ 氧化）。
选项分析：
A 选项：问负极
反应的催化剂。从图a 看，涉及O₂ 还
原，是正极过程，所以催化剂ⅰ属于
正极，A 错误。
B 选项：问图a 中
ⅰ到ⅱ过程的活化能。题干强调“O₂
获得第一个电子最慢”，最慢步骤活
化能最高，所以B 错误。
C 选项：问负极
室溶液质量是否不变。负极反应每失
去2e⁻，生成2H⁺，同时2H⁺通过质子
交换膜迁移到正极室，因此负极室质
量不变，C 正确。
D 选项：问两极
催化循环完成次数是否相同。O₂ 还原
循环转移4e⁻，H₂ 氧化循环转移2e⁻，
相同时间内电子转移数相同，但循环
次数不同，D 错误。
结论：综合判
断，C 为正确答案。
1．（2021·山东·高考真题）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
2．（2010·安徽·高考真题）某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+，其基本结构见下图，电池
总反应可表示为：2H2+O2=2H2O，下列有关说法正确的是
A．电子通过外电路从b 极流向a 极
B．b 极上的电极反应式为：O2+2H2O+4e--=4OH--
C．每转移0.1mol 电子，消耗1.12L 的H2
D．H+由a 极通过固体酸电解质传递到b 极
3．（2025·安徽·三模）哈尔滨工业大学研发的直接甲醇无膜微流体燃料电池，利用多股流体在微通道内平
行层流的特性，自然地将燃料和氧化剂隔开，无需使用传统燃料电池中的交换膜，且使用氧化剂
可确保电池工作过程中无固体析出附着在电极表面问题(原理图如下所示)。下列有关说
法正确的是
A．a 电极的电势比b 电极的电势高
B．电极a 上发生的反应为：
C．电极b 上发生的反应为：
D．电池工作时，若电路上转移
电子，理论上消耗
4．（2025·河南·三模）燃料电池的能量利用率高，肼燃料电池原理如图所示。下列有关说法错误的是
A．
电极为正极
B．
将由
电极区向
电极区移动
C．该电池反应
放出大量的热
D．
电极的电极反应式为
5．（2025·山东·模拟预测）为既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，
合作小组利用反应
设计如图所示电池（离子交换膜为阴离子交换膜）。
下列说法正确的是
A．电流不可以通过离子交换膜
B．电子由电极
经负载流向电极
C．相同状况下，左右两侧电极室中产生的气体体积比为
D．负极反应式为
