（12分）车载甲醇质子交换膜燃料电池（PEMFC)将甲醇蒸气转化为氢气的工 艺有两种：（1）水蒸气变换（重整）法；（2）空气氧化法。两种工艺都得 到副产品CO。

1．分别写出这两种工艺的化学方程式，通过计算，说明这两种工艺的优缺点。有关资料（298 .15K）列于表3。

表3  物质的热力学数据

2．上述两种工艺产生的少量CO会吸附在燃料电池的Pt或其他贵金属催化剂表面，阻碍H₂的吸附和电氧化，引起燃料电池放电性能急剧下降，为此，开发了除去CO的方法。现有一组实验结果（500K）如表4。

表中P_CO、P_O2 分别为CO和O₂的分压；r_co为以每秒每个催化剂Ru活性位上所消耗的CO分子数表示的CO的氧化速率。（1）求催化剂Ru上CO氧化反应分别对CO和O₂的反应级数（取整数），写出 速率方程。（2）固体Ru表面具有吸附气体分子的能力，但是气体分子只有碰到空活性位才可能发生吸附作用。当已吸附分子的热运动的动能足以克服固体引力场的势垒时，才能脱附，重新回到气相。假设CO和O₂的吸附与脱附互不影响，并且表面是均匀的，以θ表示气体分子覆盖活性位的百分数（覆盖度），则气体的吸附速率与气体的压力成正比，也与固体表面的空活性位数成正比。研究提出CO在Ru上的氧化反应的一种机理如下：

其中kco,ads、 kco,des分别为CO在Ru的活性位上的吸附速率常数和脱附速率常数，ko₂,ads为O₂在Ru的活性位上的吸附速率常数。M表示Ru催化剂表面上的活性位。CO在Ru表面活性位上的吸附比O₂的吸附强得多。试根据上述反应机理推导CO在催化剂Ru表面上氧化反应的速率方程（不考虑O₂的脱附；也不考虑产物CO₂的吸附），并与实验结果比较。

3．有关物质的热力学函数（298．15 K）如表5。

表5　物质的热力学数据

在373.15K，100kPa下，水的蒸发焓Δ_vap H_m=40.64kJ?mol^-1，在298.15～3

73.15K间水的等压热容为75.6 J?K^-1?mol^-1。（1）将上述工艺得到的富氢气体作为质子交换膜燃料电池的燃料。燃料电池的理论效率是指电池所能做的最大电功相对于燃料反应焓变的效率。在298.15K，100 kPa下，当1 molH₂燃烧分别生成H₂O（l) 和 H₂O（g)时，计算燃料电池工作的理论效率，并分析两者存在差别的原因。（2）若燃料电池在473.15 K、100 kPa下工作，其理论效率又为多少（可忽略焓 变和嫡变随温度的变化）？（3）说明（1）和（2）中的同一反应有不同理论效率的原因。

（6分）氢氧燃料电池是将H₂通入负极，O₂通入正极而发生电池反应的，其能量转换率高。
（1）若电解质溶液为硫酸，其正极反应为_____________        _，若反应过程中转移了2mol电子，可产生水的质量为       g。
（2）若用氢氧燃料电池电解由NaCl和CuSO₄组成的混合溶液，.其中c(Na⁺)=" 3" c(Cu²⁺ )=" 0.3" mol/L，取该混合液100 mL用石墨做电极进行电解，通电一段时间后，在阴极收集到0.112 L（已折算到标准状况）气体。此时氢氧燃料电池外电路中转移电子的物质的量为       mol。（不考虑电路中的其它损耗）。

（6分）氢氧燃料电池是将H₂通入负极，O₂通入正极而发生电池反应的，其能量转换率高。

（1）若电解质溶液为硫酸，其正极反应为_____________        _，若反应过程中转移了2mol电子，可产生水的质量为       g。

（2）若用氢氧燃料电池电解由NaCl和CuSO₄组成的混合溶液，.其中c(Na⁺)= 3 c(Cu²⁺ )= 0.3 mol/L，取该混合液100 mL用石墨做电极进行电解，通电一段时间后，在阴极收集到0.112 L（已折算到标准状况）气体。此时氢氧燃料电池外电路中转移电子的物质的量为        mol。（不考虑电路中的其它损耗）。

【解析】（1）在燃料电池中正极通入的是氧气，所以正极反应式为O₂ + 4H⁺ + 4e^-= 2H₂O。因为总反应是O₂ + 2H₂ = 2H₂O，反应中转移的电子是4mol，所以若反应过程中转移了2mol电子，可产生水的质量为18g。

（2）在阴极上首先是铜离子放电，析出铜，然后是氢离子放电，生成氢气。铜离子是0.1mol/L×0.1L＝0.01mol，得到的电子是0.02mol。氢气是，转移的电子是0.01mol，所以转移的总的电子是0.03mol。

（6分）氢氧燃料电池是将H₂通入负极，O₂通入正极而发生电池反应的，其能量转换率高。

（1）若电解质溶液为硫酸，其正极反应为_____________         _，若反应过程中转移了2mol电子，可产生水的质量为        g。

（2）若用氢氧燃料电池电解由NaCl和CuSO₄组成的混合溶液，.其中c(Na⁺)= 3 c(Cu²⁺ )= 0.3 mol/L，取该混合液100 mL用石墨做电极进行电解，通电一段时间后，在阴极收集到0.112 L（已折算到标准状况）气体。此时氢氧燃料电池外电路中转移电子的物质的量为        mol。（不考虑电路中的其它损耗）。

【解析】（1）在燃料电池中正极通入的是氧气，所以正极反应式为O₂ + 4H⁺ + 4e^- = 2H₂O。因为总反应是O₂ + 2H₂ = 2H₂O，反应中转移的电子是4mol，所以若反应过程中转移了2mol电子，可产生水的质量为18g。

（2）在阴极上首先是铜离子放电，析出铜，然后是氢离子放电，生成氢气。铜离子是0.1mol/L×0.1L＝0.01mol，得到的电子是0.02mol。氢气是，转移的电子是0.01mol，所以转移的总的电子是0.03mol。