资源简介

(共34张PPT)
实验活动5 制作简单的燃料电池知识拓展
——化学反应中能量及物质的转化利用
核心素养发展目标
证据推理与模型认知
——通过已学氢氧燃料电池知识，对航天器所用 电池进行改进优化
科学态度与社会责任
——感受化学知识在解决实际问题中的应用价值
认识载人航天器用化学电池
项目活动一
航天器中经常使用的化学电源有：化学蓄电池、燃料电池、太阳能电池等。航天器按飞行时间分为短寿命航天器（少于30天)和长寿命航天器。
例如美国的“阿波罗”飞船就属于短寿命航天器，而国际空间站与我国的“天宫1号”目标飞行器，则属于长寿命航天器。
现在轨道飞行器上（航天员舱或有效载荷段）仍然在使用电池
(1)二氧化银-锌原电池（一次性放电）和蓄电池（可充电）(2)镍镉蓄电池(3)镍氢蓄电池(4)镍金属氢化物原电池(5)锰碱性原电池(6)LeClanche(碳锌)原电池(7)锌空气原电池(8)铅酸性蓄电池，包括有过压缓解的单体和有防电解液流动结构的单体(9)氧化汞锌原电池(10)锂原电池
【开拓视野】
【小组展示】
为什么要选择氢氧燃料电池，作为短寿命航天器的电池？
体积小、质量小、发现早、性能稳定
寿命短、充放电次数少
技术成熟、广泛被应用；可靠性高、成本低、寿命长
质量大、制作复杂、污染环境
主流蓄电池之一、寿命长、重量比能量高、放电强度大
自放电严重、体积大
重量比能量高、体积比能量高
循环寿命短
银锌蓄电池
镍铬蓄电池
镍氢蓄电池
锂离子蓄电池
(1)质量比能量高；
(2)运输成本低；
(3)反应生成的水经处理可作饮用水；
(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等；
(5)在运行过程中，噪声小、振动小；
(6)结构简单、运行平稳。
氢氧燃料电池
电池的组成要素
电极材料
得失电子场所
离子导体
传导离子
电极反应物
得失电子物质
电子导体
传递电子
设计载人航天器用化学电池
项目活动二
项目活动二 尝试设计载人航天器用化学电池
明确电池反应
选择电极材料
确定离子导体
优化电池结构
设计思路
【探究任务一 优化电极材料】
结合资料卡2，尝试为酸性环境和碱性环境中的电池选择电极材料。
结合资料卡片3，选择合适的离子导体。
【探究任务二 优化离子导体】
【材料一】 铂、镍等金属对燃料电池反应具有催化活性
2019年11月15日，国际顶级学术期刊《Science》以研究长文形式刊发华中科技大学化学与化工学院夏宝玉教授团队的最新研究成《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells》。该文阐述了夏宝玉教授团队在高效长寿命铂合金催化剂的最新研究进展：采用(电)化学腐蚀方法对铂基催化剂的近表面结构和组分进行调控，大幅提升高效铂镍合金催化剂在实际燃料电池器件中的耐久性，有望成为发展燃料电池行之有效的关键手段。
资料卡2
（1）燃料电池性能与电极反应的效率密切相关；
（2）由于电极反应物是气体，氢氧燃料电池的电极材料需要提供能让气体与液体接触的固体反应表面，因此需要制作成多孔结构。
（3）直接用铂或者铂黑做电极不仅成本高，铂利用率也低。实用的电器材料往往制成多孔的碳载铂或碳载镍，同时从成本角度考虑，尽量降低催化剂金属的用量。
【材料二】
文献资料显示，镍由于具有特殊的d层电子结构，被认为是具有最高电化学活性的金属。在酸性介质中易被腐蚀，但在碱性介质中，具有良好的耐腐蚀性，因此选用镍及镍合金用作碱性溶液中析氢反应阴极材料。
【材料三】
优化电极材料的思考角度：
离子导体环境 电极材料
酸性环境
碱性环境
多孔碳载铂
多孔碳载镍
催化活性、稳定性、成本、质量、电阻等
【材料一】降低电池内阻可以提高电池的工作效率，从而增大电池单位质量输出的电能。电池内阻与离子导体的导电性能等因素有关。电导率越大，导电性越好。
【材料二】电导率与温度的关系：溶液的电阻是随温度升高而减小，即溶液的浓度一定时，它的电导率随着温度的升高而增加。另外同一类的电解质，当浓度不同时，它的温度系数也不一样。
资料卡3
【材料三】不同质量分数下的各物质的电导率关系图（左下图）
【材料四】硫酸与氢氧化钾的浓度与冰点关系图（右下图）
【问题】依据上述信息，你会如何选择离子导体及其工作环境，原因是什么
选择30%左右硫酸或30%左右氢氧化钾
盐酸具有挥发性
工作温度尽量高一点
【探究任务三 优化电池结构】
解决电解质稀释及变质问题
我们目前设计的以氢氧化钾为离子导体的燃料电池，在工作中会出现内阻增大、工作效率低的问题，你认为可能的原因是什么？
【资料卡片】在实际使用中，KOH溶液的离子导体还有一些问题，主要舱内二氧化碳污染使电池寿命降低，使用寿命不超过 5000 小时。此外，氢氧化钾有毒，对生成水的饮用造成影响。
结合氢氧燃料电池的电极反应式
如何解决该问题？
提示：
离子导体稀释问题
2H2+O2=2H2O
产物水将溶液稀释
补充电解质溶液
及时将水排出
培根型碱性氢氧燃料电池部分结
构示意图（工作温度200℃）
循环泵
【资料证据】
方法:
①利用泵将电解液抽出，在外部浓缩;
②利用氢气流将水蒸气吹出;
③利用毛细作用，将水在负极蒸发。
注意从电池的哪一极将水排出？
碱性介质：
正极：O2+2H2O-4e-=4OH-
负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O
酸性介质：
正极：O2+ 4H+ +4e-= 2H2O
负极：2H2-4e-=4H+
寻找其他离子导体，如酸性电池
增加离子交换膜
2KOH+CO2=K2CO3+H2O
二氧化碳使电解质变质
【资料卡片】在实际使用中，KOH溶液的离子导体还有一些问题，主要舱内二氧化碳污染使电池寿命降低，使用寿命不超过 5000 小时。此外，氢氧化钾有毒，对生成水的饮用造成影响。
质子交换膜
质子交换膜是一种高分子材料，厚度仅有几百微米，含有酸性基团，被水润湿后可电离出氢离子。质子交换膜内为酸性环境，且只允许氢离子通过，以质子交换膜作为离子导体的氢氧燃料电池工作寿命可高达 57000 小时。电导率优于或等于电解质溶液型离子导体。
知识链接
行业PPT模板http:///hangye/
【任务三】装置结构的优化
排水口：正极
排水口：负极
根本解决问题
先污染后治理
Nafion膜（全氟磺酸膜）
氢氧燃料
电池优点
天特
殊要求
常用电池
拓展视野
设计载人航天器用化学电池
确定电池反应
碱性
(负)2H2-4e-+4OH-=4H2O
(正)O2+2H2O+4e- = 4OH-
酸性
(负)2H2-4e-= 4H+
(正)O2+4H++4e-=2H2O
设计结构
4.电子导体
1.电极反应
2.电极材料
性质稳定、质量、成本
3.离子导体
电导率、性质稳定、离子种类浓度稳定、质量
优化结构
质子交换膜燃料电池
培根型燃料电池
课堂小结
1、镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2 +2Ni(OH)2。下列说法错误的是(　　)
A.放电时，Cd作为负极
B.放电时，NiOOH作为负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时，负极反应为Cd+2OH--2e- = Cd(OH)2
B
直击高考
2、太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点,现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A.该装置系统中只存在光能与电能之间的转化
B.Cu电极上的电极反应为CO2+8H+-8e- == CH4+2H2O
C.工作时,产生的O2、CH4体积比为1∶1(同温同压)
D.离子交换膜为质子交换膜,H+从左池移向右池
D
载人航天器所能携带的氧气是有限的，目前的设计无法满足长时间飞行对供氧的需求。如何解决氧气再生呢？
思维拓展
Thanks
谢谢聆听

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