师：同学们，今天我们来学习高二化学选择性必修一第四章第一节第三课时燃料电池。本节课有三个学习目标：一是能分析氢氧燃料电池的工作原理；二是能运用原电池的思维模型分析常见燃料电池的工作原理；三是能说出燃料电池在解决能源危机和保护生态环境中的重要作用。
我们已经学过一次电池、二次电池，它们各有优点。今天我们要学习一类新的化学电源——燃料电池。原电池是各种化学电源的雏形，首先我们来复习原电池的工作原理。
原电池分为负极区和正极区，负极区物质失去电子，电子通过导线转移到正极区。负极区物质失去电子，化合价升高，作还原剂，发生氧化反应，生成氧化产物；正极区物质得到电子，化合价降低，作氧化剂，发生还原反应，生成还原产物。
电子导体一般是导线，构成外电路；离子导体在电池内部，一般是电解质溶液或熔融的电解质，构成内电路，它能让离子通过从而导电。阳离子带正电荷，会移向电子聚集的正极；阴离子带负电荷，会移向正电荷聚集的负极。
请根据原电池的思维模型和氧化还原反应的相关知识，判断在氢氧燃料电池中，氢气和氧气应该分别通入哪个区。大家暂停视频思考并作答。
我们一起来分析，氢元素的化合价由氢气中的0价升到水中的 +1价，化合价升高，失去电子，应通入负极区；氧元素的化合价由氧气中的0价降到水中的 -2价，化合价降低，得到电子，应通入正极区。
下面请同学们完成任务一：请根据氢氧燃料电池的装置示意图，判断以下几个部分的内容。大家暂停视频思考并作答。
我们一起来分析，从氢氧燃料电池的装置示意图可以看出，正极和负极的材料都是铂，铂化学性质不活泼，不参加反应，但它有很强的催化活性，能使反应在铂电极上发生。大家看到图中的质子交换膜了吗？质子交换膜，顾名思义就是交换质子，质子在这里就是氢离子。质子交换膜的作用是把负极产生的氢离子通过该交换膜转移到正极。交换膜一般都有选择性，只能让某些离子通过。
负极通入的是氢气，氢气失电子，电子从负极流出，流向正极。电子导体一般是导线，离子导体一般是电解质溶液或熔融的电解质。在本图中，离子导体是酸性溶液，比如硫酸溶液。负极的电极反应方程式是：1摩尔氢气失去2摩尔电子，生成2摩尔氢离子。
现在我们来分析正极区，正极通入的是氧气，氧气得到电子生成氧离子。但氧离子在溶液中不能稳定存在，而氢离子在某些介质中可以稳定存在，这个知识点我们后面会学到。氧离子在溶液中会结合酸性溶液中的大量氢离子生成水，所以正极的反应式是：1摩尔氧气结合4摩尔氢离子，再得到4摩尔电子，生成2摩尔水。
现在我们一起来总结酸性电解质条件下氢氧燃料电池的反应原理。氢氧燃料电池，就是以氢气作为燃料的电池，但不是氢气与氧气直接接触燃烧，而是氢气和氧气分别通入负极区和正极区，分别在两个电极上发生半反应。负极区的反应是氢气失去电子生成氢离子，正极区的反应是氧气得电子生成氧离子，氧离子结合氢离子生成水。
请同学们注意，当同时书写正极和负极的电极反应式时，一般得失电子的总数要相等。即负极的反应式书写为：2摩尔氢气失去4摩尔电子，生成4摩尔氢离子；正极的反应式则书写为：1摩尔氧气结合4摩尔氢离子得到4摩尔电子，生成2摩尔水。总反应式书写为：2摩尔氢气和1摩尔氧气反应生成2摩尔水。
在书写电极反应方程式的时候，要养成系统思维的习惯，一定要考虑某反应物在得到或者失去电子之后形成的产物，应该是在该反应环境下的主要存在形式。
从氢氧燃料电池的工作原理我们可以得出它有以下四个特点。下面请同学们完成任务二：根据甲烷和氧气生成二氧化碳和水，应用原电池的思维模型，迁移氢氧燃料电池的工作原理。请判断在甲烷燃料电池中，甲烷和氧气分别通入正极区还是负极区，并尝试写出在酸性电解质条件下，如硫酸溶液的正极和负极的反应式。大家暂停视频思考问题并书写反应式。
我们一起来分析，总反应为1摩尔甲烷和2摩尔氧气反应生成1摩尔二氧化碳和2摩尔水。碳元素的化合价由甲烷中的 -4价升至二氧化碳中的 +4价，失去电子，因此甲烷应通入负极区；氧元素的化合价由氧气中的0价降为二氧化碳和水中的 -2价，得到电子，氧气应通入正极区。
正极的反应式为氧气得电子，在酸性溶液条件下再结合氢离子生成水；负极区是甲烷失去电子生成二氧化碳，碳元素由甲烷的 -4价升为二氧化碳中的 +4价。当负极和正极的反应式同时书写的时候，得失电子数目要相等，正极反应式则书写为：2摩尔氧气结合8摩尔氢离子，再得到8摩尔电子，生成4摩尔水。
下面请同学们完成任务三：甲烷燃料电池在碱性电解质，如氢氧化钠溶液条件下的总反应式是1摩尔甲烷和2摩尔氧气结合2摩尔氢氧根，生成1摩尔碳酸根和3摩尔水。请应用原电池的思维模型，尝试写出负极、正极的反应式。大家暂停视频思考问题并书写方程式。
我们一起来分析，甲烷燃料电池的总反应为甲烷和氧气结合氢氧根生成碳酸根和水。碳元素的化合价由甲烷中的 -4价升为碳酸根中的 +4价，失去电子，发生氧化反应；氧元素的化合价由氧气中的0价降为碳酸根和水中的 -2价，化合价降低，得到电子。
在正极区，氧气得到电子变成氧离子，但氧离子在碱性条件下不稳定，氧离子结合水生成氢氧根；而在负极区，甲烷本来生成的是二氧化碳，但二氧化碳在碱性条件下不稳定，将结合氢氧根生成碳酸根和水。