第8讲 燃料电池 练习
1．(2023届·河北省唐山市高三摸底考试)以甲烷燃料电池为电源电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3的工作原理如图所示，下列叙述错误的是( )
A．燃料电池通入氧气的电极接电解池的Y电极 B．N室中：a%＜b%
C．膜I、III为阳离子交换膜，膜II为阴离子交换膜
D．理论上每生成1mol产品，需消耗甲烷的体积为2.8L(标况)
2．(2022·广东省高三模拟预测)国家重点研发计划“科技冬奥”专项——“氢能出行关键技术研究与应用示范”项目负贵人杨福源教授介绍，服务北京2022年冬奥会冬残奥会的6款氢燃料电池客车已完成整车测试，“零碳排放”氢能汽车将正式开启绿色出行。某种氢燃料电池的内部结构如图，下列说法正确的是( )
A．左侧电极是负极，发生还原反应 B．右侧电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-
D．电子由a极流出经用电器达到b极，再由b极经电解质溶液流回a极形成闭合回路 3．(2023届·山西省大同市第二中学校高三开学考试)用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．电极X作负极
3CH2
C．正极电极反应式是O2+4H++4e-=2H2O D．电池工作时，质子通过交换膜从左往右迁移
4．(2023届·浙江省杭州市高三摸底考试)微生物燃料电池(MFC)耦合人工湿地(CW)系统可用于生产、生活废水处理并提供电能，系统内产电微生物由根沉积物和废水提供，其原理如图所示：
下列有关叙述正确的是( )
A．MFC-CW系统中电子由A极流向B极 B．若A极处溶解O2不足，则电路中无电流通过 C．若电路中转移0.2mol e，则A极消耗O2 D．B极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑+7H+
5．(2022·吉林一中高三模拟)一种由石墨电极制成的海底燃料电池的装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．向b极迁移的是H+ B．大块沉积物中的铁均显+2价
C．b极上FeS2转化为S的电极反应式为FeS2 -2e- =Fe2+ +2S D．微生物作用下S循环(歧化)生成的n(SO42-)和n(HS- )之比为1： 5
6．(2022·福建省厦门市高三模拟)可同步实现除污脱氮和产电的双阴极微生物燃料电池的工作原理如图，下列说法不正确的是 ( )
A．工作过程中H由厌氧室分别向缺氧室和好氧室迁移 B．理论上，厌氧室消耗1 mol C6H12O6，外电路转移24 mol e- C．缺氧室中电极发生的反应为2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O D．好氧室在电极上得电子的微粒有O2和NH4+
7．(2022·山东省枣庄市一模)采用情性电极，设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮的装置如图所示，其中硝化过程中NH4+被O2氧化。下列说法正确的是( )
A．电极M和P均为燃料电池正极
B．P存在电极反应：NH4+-6e-+2H2O= NO2-+8H+
C．若乙室消耗1mol葡萄糖，则最多有24molH+进入甲室
2，则至少有
1mol NH4+完全转化为NO3-
8. 新型NaBH4/H2O2燃料电池总反应方程式为NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O。下列有关说法中正确的是
A. 电池正极区发生氧化反应 B. 电池工作时，将电能转化为化学能 C. 电池工作时，H2O2得电子
D. 电池在工作过程中，Na+从正极区向负极区迁移
9．熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)是由多孔陶瓷NiO阴极、多孔陶瓷电解质(熔融碱金属碳酸盐)隔膜、多孔金属Ni阳极、金属极板构成的燃料电池。工作时，该电池的阴极(正极)反应为O2+2CO2+4e-=2CO32-，下列有关说法中错误的是( )
A．该电池较高的工作温度加快了阴、阳极的反应速率 B．该类电池的H2不能用CO、CH4等替代
C．该电池工作时，要避免H2、O2的接触
D．放电时，阳极(负极)反应式为2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O
10．一种三室微生物燃料电池污水净化系统的原理如图所示，图中含酚废水中的有机物可用C6H5OH表示。下列说法不正确的是
A．左侧电极为负极，苯酚发生氧化反应 B．左侧离子交换膜为阴离子交换膜
C．右侧电极的电极反应式：2NO3-+10e-+12H+=N2+6H2O D．左右两侧电极附近溶液的pH均升高
11．微生物燃料电池(MFC)是一种现代化氨氮去除技术，如图为MFC碳氮联合同时去除的氮转化系统原理示意图。
A极的电极反应式为___________，A、B两极生成CO2和N2的物质的量之比为___________。
12．北京冬奥会赛区内将使用氢燃料清洁能源车辆，某氢氧燃料电池工作示意图如下。请回答下列问题：
(1)电极a为电池的___________极(填“正”或“负”)，其电极反应式是___________。 (2)OH向___________极移动(填“a”或“b”)。 【答案】(1) 负 H2+2OH--2e-=2H2O (2)a
【解析】由图可知，该电池为碱性环境下氢氧燃料电池，电池总反应为2H2+O2=2H2O，则通入H2的失去电子为负极，通入O2的得到电子为正极。(1)电极a通入H2，失去电子为电池的负极；其电极反应式是H2+2OH--2e-=2H2O；(2)原电池中阴离子向负极移动，则OH-向a极移动。
1． 【答案】B
【解析】M室中石墨电极为阳极，电解时阳极上水失电子生成O2和H+，原料室中的B(OH)4-通过Ⅱ膜进入产品室，M室中氢离子通入Ⅱ膜进入产品室，结合得到H3BO3；原料N室中石墨为阴极，室中的Na+通过Ⅱ膜进入N室；电解时阴极上水得电子生成H2和OH-，溶液中c(NaOH)增大。A项，燃料电池通入氧气的电极为正极，接电解池的阳极，而N室中石墨为阴极，即Y电极为阴极，A错误；B项，N室中石墨为阴极，电解时阴极上水得电子生成H2和OH-，原料室中的钠离子通过Ⅱ膜进入N室，溶液中c(NaOH)增大，所以N室：a%＜b%，B正确；C项，原料室中的B(OH)4-通过Ⅱ膜进入产品室，M室中氢离子通入Ⅱ膜进入产品室，原料室中Na+的通过Ⅱ膜进入N室，则Ⅱ、Ⅱ为阳离子交换膜，Ⅱ为阴离子交换膜，C正确；D项，理论上每生成1molH3BO3，则M室中就有1mol氢离子通入Ⅱ膜进入产品室即转移1mole-，甲烷在燃烧电池中发生电极反应消耗1molCH4转移8mole-，则转1移1mole-应该消耗molCH4标准状况下 2.8L，D正确；故选B。
82． 【答案】C
b电极为正极。2H2-4e-=4H+；【解析】由电子流动方向，可确定a电极为负极，在负极，在正极，O2+4H++4e-=2H2O。A项，左侧电极是负极，失电子发生氧化反应，A不正确；B项，右侧电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O，B不正确；C项，当有0.1mol电子通过导线时，左侧消耗H20.05mol，标准状况下0.05mol×22.4L/mol=1.12L气体，C正确；D项，电子只能D不正确；沿导线流动，不能经过电解质溶液，所以电子不能由b极经电解质溶液流回a极，故选C。
3． 【答案】B
【解析】由图示可知，电极X上乙醇转化为乙酸，碳元素化合价升高，乙醇失电子，电极X负极，电极Y是正极。A项，电极X为负极，A正确；B项，每1molCH3CH2OH被氧化为CH33CH2OH反应，理论上有0.004mol电子通过外电路，B错误；C项，正极氧气得电子结合氢离子生成水，电极反应式为：O2+4H++4e-=2H2O，C正确；D项，原电池中阳离子向正极移动，即H+向正极迁移，质子通过交换膜从左往右迁移，D正确；故选B。
4．
【答案】D
【解析】A项，在原电池中，电子由负极(B电极)经导线流向正极(A电极)，A错误；B项，若A极处(即好氧上部) O2不充足，可发生H+得电子的反应，生成H2，也可构成原电池，有微弱电流通过，B错误；C项，没有说明是标准状况，没办法计算，C错误；D项，根据分析可知，B电极的电极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑+7H+，D正确；故选D。
5． 【答案】C
【解析】该装置为海底燃料电池，a极发生还原反应，作为正极，b电极为负极。A项，原电池中离子的移动方向为阳离子向正极移动，即向a极迁移的是H+，A错误；B项，大块沉积物中FeOOH中铁元素的化合价为+3价，B错误；C项，b极上FeS2转化为S，失去电子，发生氧化反应，电子守恒和原子守恒后，得电极反应式为：FeS2 -2e- =Fe2+ +2S，C正确；D项，S发生歧化反应，生成1mol SO42-失电子数为6mol，生成1molHS- 得电子数为2mol， 得失电子数须相同，则(SO42-)和n(HS- )之比为1： 3，D错误；故选C。
6． 【答案】D
【解析】根据左侧缺氧室NO3-→N2可得N元素化合价降低，则为正极，左侧缺氧阴极
发生的电极反应为2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，右侧好氧阴极为正极，发生的反应为O2+4e-+4H+=2H2O，电极附近还发生NH4++3H2O-8e-=NO3+10H+，中间厌氧阳极为负极，厌氧阳极上有机污染物发生失电子的氧化反应生成CO2和H+。A项，该装置为原电池，阳离子移向正极，左侧缺氧室和右侧好氧室均为正极，则H+由厌氧室分别向缺氧室和好氧室迁移，故A正确；B项，厌氧阳极上葡萄糖发生失电子的氧化反应生成CO2和H+，电极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，消耗1 molC6H12O6，外电路转移24 mol e-，故B正确；C项，左侧缺氧室NO3-→N2中N元素化合价降低，得电子发生还原反应，电极反应式为2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，故C正确；D项，“由图可知，厌氧阳极上提供的电子分别转移到“好氧阴极”和“缺氧阴极”上，并且“好氧阴极”发生反应为O2+4e-+4H+=2H2O，电极附近还发生NH4++3H2O-8e-=NO3+10H+，其中NH4+失电子，故D错误；故选D。
7．
【答案】A
【解析】根据原电池图可知，甲室缺氧电极M上由NO3-到NO2，再转化为N2，则电极M上发生还原反应，为正极，丙室好氧电极P上O2转化为H2O，发生还原反应，也为正极，中间乙室厌氧电极N上发生由葡萄糖转化为CO2，发生氧化反应，故为负极，乙室厌氧阳极N上葡萄糖发生失电子的氧化反应生成CO2和H+，电极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，甲室缺氧电极M发生的反应为2
NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，丙室好氧电极P发生的反应为O2+4e-+4H+=2H2O，同时O2还可能氧化NH4+生成NO2-，NO2-甚至还可以进一步被O2氧化为NO3-，反应方程式为：2 NH4++3O2=2 NO2-+2H2O +4H+，2 NO2-+O2=2 NO3-电池工作中“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，NH4+和电极之间存在着对O2的竞争。A项，电极M和P均为燃A正确；B项，P存在反应为：料电池正极，由题干信息可知，硝化过程中NH4+被O2氧化，2 NH4++3O2=2 NO2- +2H2O +4H+，2 NO2-+O2=2 NO3-，B错误；C项，
C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，若乙室消耗1mol葡萄糖，则乙室产生24molH+，原电池中阳离子移向正极，由于“好氧阴极”和“缺氧阴极”之间存在着对电子的竞争作用，则不可能H+全部进入甲室，即不可能有24molH+2其物质的量为：
44.8L22.4L?mol-1--=2mol， NH4++2O2=
NO3-+H2O +2H+，由于NH4+和电极之间存在着对O2的竞争，故可知则最多有1molNH4+完全转化为NO3-，D错误；故选A。
8.
【答案】C
【解析】新型NaBH4/H2O2燃料电池总反应方程式为NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O，由总反应式，可确定负极反应物为NaBH4，正极反应物为H2O2。A项，电池正极区H2O2得电子，发生还原反应，A不正确；B项，电池工作时，通过发生氧化还原反应，将化学能转化为电能，B不正确；C项，从总反应式可知，电池工作时，H2O2中的O元素从-1价降低到-2价，则H2O2得电子，C正确；D项，电池工作过程中，阳离子向正极移动，则Na+从负极区向正极区迁移，D不正确；故选C。
9． 【答案】B
【解析】该燃料电池中，通入燃料氢气的电极是负极，通入氧化剂氧气的电极是正极，负极反应式为H2-2e-+CO32-=CO2+H2O，正极反应式为O2+2CO2+4e-═2CO32-，放电时，电解质中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。A项，升高温度能加快反应速率，该电池较高的工作温度加快了阴、阳极的反应速率，故A正确；B项，还原性物质在负极发生氧化反应，该类电池的H2可以用CO、CH4等替代，故B错误；C项，H2、O2混合物在一定条件下可能发生爆炸，该电池工作时，要避免H2、O2的接触，防止爆炸，产生安全事故，故C正确；D项，放电时，氢气失电子发生氧化反应，阳极(负极)反应式为2H2+2CO32--4e-=2CO2+2H2O，故D正确；故选B。
10． 【答案】D
【解析】A项，根据装置图可知在左侧电极上苯酚失去电子被氧化，发生氧化反应，因此左侧电极为负极，A正确；B项，向其中加入NaCl溶液，Na+向正极移动，Cl-向负极移动。根据选项A分析可知左侧电极为负极，所以左侧离子交换膜为阴离子交换膜，B正确；C项，在右侧电极上NO3-得到电子被还原产生N2，则右侧电极的电极反应式是：2 NO3-+10e-+12H+=N2↑+6H2O，C正确；D项，在左侧电极上苯酚被氧化产生CO2气体，电极C6H5OH-28e-+11H2O=6CO2↑+28H+，反应式是：反应产生H+使溶液酸性增强，溶液pH减小，D错误；故选D。 11．
【答案】CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋ 5∶2
【解析】由图可知A极CH3COO－失电子被氧化的电极反应式为CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋；B极电极反应式为2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O，根据两极反应式计算，
转移相同电子时两极产生的CO2和N2的物质的量比为5:2。 12．
【答案】(1) 负 H2+2OH--2e-=2H2O (2)a
【解析】由图可知，该电池为碱性环境下氢氧燃料电池，电池总反应为2H2+O2=2H2O，则通入H2的失去电子为负极，通入O2的得到电子为正极。(1)电极a通入H2，失去电子为电池的负极；其电极反应式是H2+2OH--2e-=2H2O；(2)原电池中阴离子向负极移动，则OH-向a极移动。
