第1章 微专题讲座 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（课件PPT）-2021-2022学年新教材高中化学选择性必修1【金版新学案】同步导学（鲁科版）

第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 第1章 化学反应与能量转化 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 [微专题讲座]　设计载人航天器用化学电池 与氧气再生方案 ——化学反应中能量及物质的转化利用 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 探究一　尝试设计载人航天器用化学电池 [知识梳理] 燃料电池是将所供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。燃料电池发生电化学反应的实质是燃料的燃烧反应。它与一般电池的不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等化石燃料或生物能源重整制取的燃料)和氧(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是把化学能转化为电能的装置。 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 1．燃料电池的优点 (1)电效率比任何其他形式的发电技术的电效率都高。 (2)废气如SO2、NOx和CO的排放量极低。 (3)由于燃料电池中无运动部件，燃料电池工作时很安静且无机械磨损。 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 2．燃料电池的类型 (1)碱性燃料电池(AFC)：采用氢氧化钾溶液作为电解质溶液。这种电解质溶液效率很高(可达60%～90%)，但对影响电解质溶液纯度的杂质如二氧化碳很敏感，因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。 (2)质子交换膜燃料电池(PEMFC)：采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。低温起动操作，无电解质泄漏，可以获得高的比能量和比功率等，已经成为新的一代无环境污染电动汽车发电装置。 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 (3)磷酸燃料电池(PAFC)：采用浸有浓H3PO4的SiO2微孔膜作电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。 (4)熔融碳酸燃料电池(MCFC)：采用浸有K2CO3、Li2CO3的LiAlO2隔膜为电解质。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。 (5)固体氧燃料电池(SOFC)：采用的是固态电解质(钻石氧化物)，性能很好。最突出的优点是燃料适用范围广，不仅可以用H2、CO等燃料，而且可直接用天然气、煤气化气和其他碳氢化合物作为燃料，SOFC有希望成为将来集中或分散发电的新技术。 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 [名师点拨] 氢氧燃料电池在四种常见介质(酸性介质、碱性介质、熔融金属氧化物和熔融碳酸盐)中的电极反应式： eq \o\al(\s\up2(2－),\s\do2(3)) eq \a\vs4\al(负,极) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(H2－2e－===2H＋　酸作介质,H2－2e－＋2OH－===2H2O　碱作介质,H2－2e－＋O2－===H2O　熔融金属氧化物作介质,H2－2e－＋CO===H2O＋CO2　熔融碳酸盐作介质)) 正极eq \o\al(\s\up2(2－),\s\do2(3)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(O2＋4e－＋4H＋===2H2O　酸作介质,O2＋4e－＋2H2O===4OH－　碱作介质,O2＋4e－===2O2－　熔融金属氧化物作介质,O2＋4e－＋2CO2===2CO　熔融碳酸盐作介质)) 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 [小试身手] 熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视。某燃料电池以熔融的K2CO3为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。 (1)该燃料电池负极电极反应式为____________________________________ ___________________________________________________________________。 (2)该燃料电池正极电极反应式为__________________________________。 第1章　化学反应与能量转化 化 学 选择性必修1 提示：　(1)燃料电池的负极发生氧化反应，所以丁烷在负极发生氧化反应，失去电子，因为熔融的K2CO3为电解质，所以生成二氧化碳和水，电极反应式为C4H10＋13CO eq \o\al(\s\up2(2－),\s\do2(3)) －26e－===17CO2＋5H2O。 (2)正极是氧气发生还原反应，并与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO eq \o\al(\s\up2(2－),\s\do2(3)) 。 第1章　化学反应