第1章 微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（教师用书）-2022-2023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2019 双选版）

微项目　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 一、尝试设计载人航天器用化学电池 1．下面分别是必修第二册和选择性必修1上的燃料电池装置图，两种电池相比，“阿波罗”飞船氢氧燃料电池有何优点？它本身又有何缺点？ 提示：　“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的燃料由电池外部输入，电流更持久。“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的缺点是：产生的水能够稀释电解质溶液，导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。 2．观察下列两种设计，分析他们分别是如何实现防止电解质溶液被稀释和变质问题的？ 提示：　培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备的方式解决电解质溶液稀释和变质的问题。由于电池工作温度较高，生成的水主要以气态形式存在，水蒸气可以由气态反应物带出并在出口冷凝。质子交换膜氢氧燃料电池则通过使用质子交换膜作为离子导体，从根本上解决了电解质溶液的稀释和变质问题。 3．除氢氧燃料电池外，其他燃料电池的负极反应物通常还有哪些？正极放电的是什么物质？ 提示：　负极还可以是烃(如甲烷、乙烷等)、醇(如甲醇、乙醇等)、氨、煤气等可燃性气体或液体。正极放电的一般是氧气。 燃料电池是将所提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)和氧气(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。 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。 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。 (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)熔融碳酸盐燃料电池(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。 1．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 。 解析：　(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－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。 答案：　(1)C4H10＋13CO－26e－===17CO2＋5H2O　(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO 二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案 1．设计载人航天器中氧气再生方案时需要考虑哪些方面问题？ 提示：　(1)要尽可能地将人体代谢废物中的氧元素转化为氧气，从而保证氧元素的持续循环。(2)通过焓变计算可以预测是否需要提供能量来维持化学反应的进行，或者是否可以利用化学反应释放的能量，从而合理利用航天器中有限的能量。 2．萨巴蒂尔反应为CO2＋4H2CH4＋2H2O。实际操作过程中如何控制反应的温度维持在300～400 ℃的？ 提示：　一般先将反应前的气体进行预热至反应的温度，并将反应过程中放出的热量及时的转移走。 3．萨巴蒂尔反应有何缺点？ 提示：　50%的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。 1．在设计氧气的获取方法时，要尽可能将人体代谢的废物中的氧