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 -高二化学同步精品课堂（鲁科版2019选择性必修1）

第1章　化学反应与能量转化 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 1 1 项目活动一 尝试设计载人航天器用化学电池 【项目任务】 为载人航天器设计化学电源。 【限定条件】 尽量提高化学电源单位质量所提供的能量(质量尽量小，续航尽量长)。 1．氢氧燃料电池被 称为最适合载人航天器的化学电源，你认为原因是什么？ (1)具有单位质量输出电能较高;(2)运输成本低; (3)反应成的水可作饮用水;(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。 【问题讨论】 2．构成电池的必要结构是什么？这些结构具有怎样的性质或作用？ 电极反应物：得失电子物质； 电极材料：得失电子场所； 离子导体：传导离子； 电子导体：传递电子。 【问题讨论】 【资料】1.铂、镍等金属对燃料电池反应具有催化活性 【探究任务一 优化电极材料】 离子导体环境 电极材料 酸性环境 多孔碳载铂 碱性环境 多孔碳载镍 请尝试为酸性环境和碱性环境中的电池设计电极材料。 【资料】2.现有的燃料电池中电极材料的选择: 【资料】①电池性能与电池内阻有关;②电导率越大，导电性越好;③温度升高，电解质溶液电导率升高。 【探究任务二 优化电极材料 】 【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%左右的硫酸或30%左右的KOH溶液;盐酸有挥发性，盐类电导率小，不能选择;工作温度尽量高 【资料证据】1.最早投入研究的是以硫酸溶液为离子导体的燃料电池，但硫酸溶液腐蚀性强，电池无法长时间工作。 2.最早投入使用的航天器用燃料电池是以KOH溶液为离子导体，碳载镍作为电极材料。 【探究任务三 】解决电解质稀释问题 1.右图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。 相同点：都是选用 KOH溶液作电池反应时的离子导体。 (1)请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行 比较、说明异同。 不同点：“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池为多孔碳载镍电极，氢气和氧气是从电池外部输入的，电池反应所生成的水输送到电池外部，而我们设计的氢氧燃料电池为石墨电极，氢气和氧气是用电解水得到的。 2.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的问题，你认为可能的原因是什么?如何解决该问题? 电极反应生成水，使电解质离子浓度降低;思考并设计解决方法，重点关注从电池的哪一极将水排出。 【资料证据】碱性燃料电池在负极设置排水装置。方法:①利用氢气流将水蒸气吹出;②利用泵将电解液抽出，在外部浓缩;③利用毛细作用，将水在负极蒸发。 【小结】排水方式虽然不同，但是考虑在哪一极设置排水装置都是必须要考虑的问题，而解决该问题的方法关注电极反应与离子导体存在相互影响(微粒的种类和浓度)。 3、解决电解质变质问题 【资料】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。这促使人们去寻找其他的离子导体。 【问题】你认为，如果开发新型的离子导体，应该具有哪些性质? 质量轻，电导率大，性质稳定，离子浓度稳定，无毒等。 【问题讨论】 【资料】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。 【问题】你对质子交换膜的工作原理还有哪些疑问?你认为，质子交换膜作为离子导体的优势有哪些? 轻薄、内阻小、可以隔绝氢气氧气、无二氧化碳污染。 设计裁人航天器中的化学电源 总结归纳 4.电子导体 选择反应 电极反应 微粒 种类 浓度 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 设计结构 优化结构 碱性 (-)2H2-4e-+40H- 4H2O (+)02+2H2O+4e- 4OH- 酸性 (-)2H2-4e- 4H+ (+)O₂+4H++ 4e- 2H20 项目活动二 尝试设计载人航天器的氧气再生方案 【项目任务】设计载人航天器内的氧气再生方法。 【限定条件】航天器内携带物品(物质及能源)有限。 【问题讨论】 1．人呼出的气体中含有水和二氧化碳，请你思考氧气再生的方案？并对这些方案作出评价。 ①过氧化钠与水和二氧化碳反应： ②光合作用： ③电解水： 过氧化钠不能循环，不能完全满足物质稀缺的限制条件 速率不够满足需求 可以将水中的氧