Question

被誉为改变未来世界的十大科技之一的燃料电池是一种新型的无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备，正以势不可挡之势挤入汽车工业和电力工业．它是一种不经过燃烧，将燃料的化学能直接转换成电能的装置．这主要由燃料、氧化剂、电极、电解质组成．在结构上与传统电池一样具有正负电极，正负电极被电解质分隔．它以还原剂（用氢作燃料，也可以添加一个氢气变换器，直接使用甲醇、天然气、甚至石油、柴油、煤等作燃料）为负极反应物，以氧化剂（如氧气、空气等）为正极反应物．为了使燃料便于进行电极反应．要求电极材料兼有催化剂的特性．可用多孔碳多孔镍、铂、钯等贵金属以及聚四氟乙烯等电极材料．电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质及高聚物质子交换膜等数种．

如下图所示是一种氢——氧燃料电池的工作原理图，其电解质为有机高分子聚合物：

（1）燃料电池中质子交换膜的作用是________________________．

　　（2）写出氢氧燃料电池正负极发生的电极反应式（注明是氧化反应还是还原反应）和电池的总反应方程式___________________________．

　　（3）若用燃料电池发电，输出电流的电流强度为533 A，则每小时能合成多少水?

　　（4）电池燃料氢可利用甲醇、天然气、石油、柴油等，通过一个氢气变换器而得到．写出利用天然气转化为氢气的化学方程式___________________．

　　（5）请根据文中质子交换膜燃料电池工作原理图，说明负载的电流方向为__________________．

　　（6）用某种燃料电池给电炉供电，设电炉的额定功率P₀＝400 W，电池在不接负载时的路端电压与电炉的额定电压相同，当电炉接到该电源上时，电炉实际消耗的功率P₁＝324W．若两个这样的炉并联接到该电源上，求两个电炉实际消耗的总功率P₂为多少?

 

Answer 1

答案：
解析：

（1）让质子通过导电，又防止H2、O2混合可能引起爆炸． （2）负极是氧化反应H2－2e－=2H+，正极是还原反应4H+ + O2 + 4e－ = 2H2O；总反应相当于H2在O2中的燃烧：2 H2 + O2 = 2H2O． （3）每小时输出电量　Q = It = 533 A×3600 s = 1.92×106C 　　转移电子物质的量　n =Q/F = 1.92×106C/96500 C·mol-1 = 19.9 mol 由于生成1 mol H2O需转移2 mol电子，即生成H2O物质的量为9.95 mol，质量为179 g． （4）． （5）H2失去电子，则电子从左向右通过负载，而电流方向与电子移动方向相反． （6）536 W．

提示：

审视本题所给信息，其原理是一个电化学反应。 （1）阳离子交换膜只能让阳离子Na+通过，不能让气体通过．显然，本题中的质子交换膜肯定能让质子通过，不能让H2、O2通过．所以，质子交换膜的作用是：让质子通过导电，又防止H2、O2混合可能引起爆炸． （2）负极是氧化反应H2－2e－=2H+，正极是还原反应4H+ + O2 + 4e－ = 2H2O；总反应相当于H2在O2中的燃烧：2 H2 + O2 = 2H2O． （3）每小时输出电量　Q = It = 533 A×3600 s = 1.92×106C 　　转移电子物质的量　n =Q/F = 1.92×106C/96500 C·mol-1 = 19.9 mol 由于生成1 mol H2O需转移2 mol电子，即生成H2O物质的量为9.95 mol，质量为179 g． （4）天然气的主要成分是CH4，与H2O反应的另一产物是CO，可与生产水煤气作模拟． 　　． （5）H2失去电子，则电子从左向右通过负载，而电流方向与电子移动方向相反．