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
【答案】C
【解析】该燃料电池为氢氧燃料电池，由图可知该原电池的电
解质溶液为酸性，氢气发生氧化反应，做负极，电极方程
式为：
；氧气发生还原反应，做正极，电
极方程式为：
。
A．由分析可知，氧气发生还原反应，做正极，正极反应的催
化剂是ⅰ，A 错误；
B．图a 中，ⅰ到ⅱ过程为
获得第一个电子的过程，根据题
中信息，
获得第一个电子的过程最慢，则ⅰ到ⅱ过程
的活化能一定最高，B 错误；
C．氢气发生氧化反应，做负极，电极方程式为：
，同时，反应负极每失去1 个电子，就会
有一个H+通过质子交换膜进入正极室，故电池工作过程
中，负极室的溶液质量保持不变，C 正确；
D．由图a、c 可知，氧气催化循环一次需要转移4 个电子，氢
气催化循环一次需要转移2 个电子，相同时间内，电极Ⅰ
和电极Ⅱ上的催化循环完成次数不相同，D 错误；
故选C。
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
【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，据此结合原电池的工作原理分析解答。A．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．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．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．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．（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
【答案】D
【解析】A．燃料电池中，通入燃料氢气的电极是负极，则a 是负极，通入氧化剂的电极b 是正极，电子
从负极a 沿导线流向正极b，A 错误；B．b 是正极，电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，B 错误；C．温
度和压强未知，导致气体摩尔体积未知，所以无法计算氢气体积，C 错误；D．放电时，a 是负极、b
是正极，阳离子氢离子从负极a 通过固体酸电解质传递到b 极，D 正确，答案选选D。
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
【答案】D
【解析】由图可知，电极a 为燃料电池的负极，碱性条件下甲醇在负极失去电子发生氧化反应生成碳酸根
离子和水，电极反应式为
，电极b 为正极，铁氰酸根离子在正极得到电
子发生还原反应生成亚铁氰酸根离子，电极反应式为
。A．原电池中正
极电势高于负极，由分析可知，电极a 为燃料电池的负极，电极b 为正极，所以a 电极电势比b 低，A
错误；B．由分析可知，电极a 为燃料电池的负极，碱性条件下甲醇在负极失去电子发生氧化反应生
成碳酸根离子和水，电极反应式为
，B 错误；C．由分析可知，电极b
为正极，铁氰酸根离子在正极得到电子发生还原反应生成亚铁氰酸根离子，电极反应式为
，C 错误；D．由分析可知，负极反应每转移6mol 电子消耗8mol 氢氧
根离子，则转移0.3mol 电子时，消耗氢氧根离子的物质的量为0.3mol×
=0.4mol，D 正确；故选D。
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
【答案】C
【解析】该装置为化学电源，根据原电池工作原理，通燃料一极为负极，即通N2H4一极为负极，则另一极
为正极，据此分析；A．Pt2电极通入O2，O2作为氧化剂在燃料电池中得电子，发生还原反应，作正
极，故A 说法正确；B．原电池中阳离子向正极移动，Pt2为正极，K+由负极区(Pt1)向正极区(Pt2)移
动，故B 说法正确；C．燃料电池的主要能量转化形式是化学能→电能，虽反应本身放热，但能量主
要转化为电能而非大量放热，故C 说法错误；D．Pt2为正极，O2在碱性条件下得电子生成OH-，电极
反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，故D 说法正确；答案为C。
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
【答案】D
【解析】由
可知，
中N 元素化合价升高，
中N 元素化合价降低，所
以
在电极A 发生氧化反应，电极A 为负极，电极反应式为
；
在电极B 发生还原反应，电极B 为正极，电极反应式为
，据此回答。
A．离子交换膜允许阴离子通过，阴离子定向移动可形成电流，所以电流可以通过离子交换膜，A 错
误；B．在反应
中，
中N 元素化合价升高，
中N 元素化合价降
低，所以
在电极A 发生氧化反应，电极A 为负极；
在电极B 发生还原反应，电极B 为正
极。电子由负极（电极A ）经负载流向正极（电极B ），B 错误；C．根据电池总反应
，相同状况下，左右两侧电极室中产生的
体积比等于物质的量之比为
4:3，C 错误；D．负极上
发生氧化反应，电解质溶液为KOH 溶液，根据电荷守恒和原子守恒，
负极反应式为
，D 正确； 故选D。
