實驗活動5制作簡單的燃料電池知識拓展課件高二上學(xué)期人教版高中化學(xué)選擇性必修1

實驗活動5

制作簡單的燃料電池知識拓展——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)證據(jù)推理與模型認(rèn)知——通過已學(xué)氫氧燃料電池知識，對航天器所用電池進行改進優(yōu)化科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任——感受化學(xué)知識在解決實際問題中的應(yīng)用價值認(rèn)識載人航天器用化學(xué)電池項目活動一航天器中經(jīng)常使用的化學(xué)電源有：化學(xué)蓄電池、燃料電池、太陽能電池等。航天器按飛行時間分為短壽命航天器（少于30天)和長壽命航天器。例如美國的“阿波羅”飛船就屬于短壽命航天器，而國際空間站與我國的“天宮1號”目標(biāo)飛行器，則屬于長壽命航天器。現(xiàn)在軌道飛行器上（航天員艙或有效載荷段）仍然在使用電池

(1)二氧化銀-鋅原電池（一次性放電）和蓄電池（可充電）(2)鎳鎘蓄電池(3)鎳氫蓄電池(4)鎳金屬氫化物原電池(5)錳堿性原電池(6)LeClanche(碳鋅)原電池(7)鋅空氣原電池(8)鉛酸性蓄電池，包括有過壓緩解的單體和有防電解液流動結(jié)構(gòu)的單體(9)氧化汞鋅原電池(10)鋰原電池【開拓視野】【小組展示】為什么要選擇氫氧燃料電池，作為短壽命航天器的電池？體積小、質(zhì)量小、發(fā)現(xiàn)早、性能穩(wěn)定壽命短、充放電次數(shù)少技術(shù)成熟、廣泛被應(yīng)用；可靠性高、成本低、壽命長質(zhì)量大、制作復(fù)雜、污染環(huán)境主流蓄電池之一、壽命長、重量比能量高、放電強度大自放電嚴(yán)重、體積大重量比能量高、體積比能量高循環(huán)壽命短銀鋅蓄電池鎳鉻蓄電池鎳氫蓄電池鋰離子蓄電池(1)質(zhì)量比能量高；(2)運輸成本低；(3)反應(yīng)生成的水經(jīng)處理可作飲用水；(4)氧氣可作備用氧源供給呼吸等；(5)在運行過程中，噪聲小、振動??；(6)結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)。氫氧燃料電池電池的組成要素電極材料得失電子場所離子導(dǎo)體傳導(dǎo)離子電極反應(yīng)物得失電子物質(zhì)電子導(dǎo)體傳遞電子設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池項目活動二

項目活動二嘗試設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池明確電池反應(yīng)選擇電極材料確定離子導(dǎo)體優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計思路【探究任務(wù)一

優(yōu)化電極材料】結(jié)合資料卡2，嘗試為酸性環(huán)境和堿性環(huán)境中的電池選擇電極材料。結(jié)合資料卡片3，選擇合適的離子導(dǎo)體?！咎骄咳蝿?wù)二

優(yōu)化離子導(dǎo)體】【材料一】

鉑、鎳等金屬對燃料電池反應(yīng)具有催化活性2019年11月15日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》以研究長文形式刊發(fā)華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授團隊的最新研究成《EngineeringbunchedPt-Nialloynanocagesforefficientoxygenreductioninpracticalfuelcells》。該文闡述了夏寶玉教授團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展：采用(電)化學(xué)腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進行調(diào)控，大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實際燃料電池器件中的耐久性，有望成為發(fā)展燃料電池行之有效的關(guān)鍵手段。資料卡2（1）燃料電池性能與電極反應(yīng)的效率密切相關(guān)；

（2）由于電極反應(yīng)物是氣體，氫氧燃料電池的電極材料需要提供能讓氣體與液體接觸的固體反應(yīng)表面，因此需要制作成多孔結(jié)構(gòu)。（3）直接用鉑或者鉑黑做電極不僅成本高，鉑利用率也低。實用的電器材料往往制成多孔的碳載鉑或碳載鎳，同時從成本角度考慮，盡量降低催化劑金屬的用量。

【材料二】文獻資料顯示，鎳由于具有特殊的d層電子結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是具有最高電化學(xué)活性的金屬。在酸性介質(zhì)中易被腐蝕，但在堿性介質(zhì)中，具有良好的耐腐蝕性，因此選用鎳及鎳合金用作堿性溶液中析氫反應(yīng)陰極材料?！静牧先績?yōu)化電極材料的思考角度：離子導(dǎo)體環(huán)境

電極材料酸性環(huán)境堿性環(huán)境多孔碳載鉑多孔碳載鎳催化活性、穩(wěn)定性、成本、質(zhì)量、電阻等【材料一】降低電池內(nèi)阻可以提高電池的工作效率，從而增大電池單位質(zhì)量輸出的電能。電池內(nèi)阻與離子導(dǎo)體的導(dǎo)電性能等因素有關(guān)。電導(dǎo)率越大，導(dǎo)電性越好。

【材料二】電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：溶液的電阻是隨溫度升高而減小，即溶液的濃度一定時，它的電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加。另外同一類的電解質(zhì)，當(dāng)濃度不同時，它的溫度系數(shù)也不一樣。資料卡3【材料三】不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的各物質(zhì)的電導(dǎo)率關(guān)系圖（左下圖）【材料四】硫酸與氫氧化鉀的濃度與冰點關(guān)系圖（右下圖）【問題】依據(jù)上述信息，你會如何選擇離子導(dǎo)體及其工作環(huán)境，原因是什么?選擇30%左右硫酸或30%左右氫氧化鉀鹽酸具有揮發(fā)性工作溫度盡量高一點【探究任務(wù)三

優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)】解決電解質(zhì)稀釋及變質(zhì)問題我們目前設(shè)計的以氫氧化鉀為離子導(dǎo)體的燃料電池，在工作中會出現(xiàn)內(nèi)阻增大、工作效率低的問題，你認(rèn)為可能的原因是什么？【資料卡片】在實際使用中，KOH溶液的離子導(dǎo)體還有一些問題，主要艙內(nèi)二氧化碳污染使電池壽命降低，使用壽命不超過5000小時。此外，氫氧化鉀有毒，對生成水的飲用造成影響。結(jié)合氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式如何解決該問題？提示：離子導(dǎo)體稀釋問題2H2+O2=2H2O產(chǎn)物水將溶液稀釋補充電解質(zhì)溶液及時將水排出培根型堿性氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)示意圖（工作溫度200℃）循環(huán)泵【資料證據(jù)】方法:①利用泵將電解液抽出，在外部濃縮;②利用氫氣流將水蒸氣吹出;③利用毛細作用，將水在負(fù)極蒸發(fā)。注意從電池的哪一極將水排出？堿性介質(zhì)：正極：O2+2H2O-4e-=4OH-負(fù)極：2H2-4e-+4OH-=4H2O酸性介質(zhì)：正極：O2+4H++4e-=2H2O負(fù)極：2H2-4e-=4H+尋找其他離子導(dǎo)體，如酸性電池增加離子交換膜2KOH+CO2=K2CO3+H2O二氧化碳使電解質(zhì)變質(zhì)【資料卡片】在實際使用中，KOH溶液的離子導(dǎo)體還有一些問題，主要艙內(nèi)二氧化碳污染使電池壽命降低，使用壽命不超過5000小時。此外，氫氧化鉀有毒，對生成水的飲用造成影響。質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是一種高分子材料，厚度僅有幾百微米，含有酸性基團，被水潤濕后可電離出氫離子。質(zhì)子交換膜內(nèi)為酸性環(huán)境，且只允許氫離子通過，以質(zhì)子交換膜作為離子導(dǎo)體的氫氧燃料電池工作壽命可高達57000小時。電導(dǎo)率優(yōu)于或等于電解質(zhì)溶液型離子導(dǎo)體。知識鏈接行業(yè)PPT模板http:///hangye/【任務(wù)三】裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化排水口：正極排水口：負(fù)極根本解決問題先污染后治理Nafion膜（全氟磺酸膜）氫氧燃料電池優(yōu)點天特殊要求常用電池拓展視野設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池確定電池反應(yīng)

堿性(負(fù))2H2-4e-+4OH-=4H2O

(正)O2+2H2O+4e-=4OH-

酸性(負(fù))2H2-4e-=4H+(正)O2+4H++4e-=2H2O設(shè)計結(jié)構(gòu)

4.電子導(dǎo)體1.電極反應(yīng)2.電極材料性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)量、成本

3.離子導(dǎo)體電導(dǎo)率、性質(zhì)穩(wěn)定、離子種類濃度穩(wěn)定、質(zhì)量

優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜燃料電池培根型燃料電池課堂小結(jié)1、鎘鎳可充電電池的充、放電反應(yīng)原理如下:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。下列說法錯誤的是(

)

A.放電時，Cd作為負(fù)極B.放電時，NiOOH作為負(fù)極

C.電解質(zhì)溶液為堿性溶液

D.放電時，負(fù)極反應(yīng)為Cd+2OH--2e-

=Cd(OH)2B直擊高考2、太陽能光電池具有可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護簡便等優(yōu)點,現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。氮化鎵(GaN)光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。下列說法中正確的是(

)A.該裝置系統(tǒng)中只存在光能與電能之間的轉(zhuǎn)化B.Cu電極上的電極反