05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——化学反应中能量及物质的转化利用（教师用书word）-2022-2023学年新教材高中化学选择性必修1【精讲精练】鲁科版

项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池 电池是载人航天器的“心脏”，提高电池单位质量输出的电能是关键之一。航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池和氢氧燃料电池等。 [思考探究] 1．氢氧燃料电池与镍镉电池、镍氢电池相比较有哪些优点？ 提示：氢氧燃料电池单位质量输出的电能较高，反应生成的水可以作为航天员的饮用水，氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸等。 2．“阿波罗”号飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构示意图如图： (1)请写出该电池的电极反应和总反应方程式。 提示：负极反应：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；电池总反应式：2H2＋O2===2H2O。 (2)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等因素有关。例如在298 K时，无限稀释溶液中几种离子的无限稀释摩尔电导率如表： 离子种类 H＋ OH－ SO Cl－ CO K＋ Na＋ 无限稀释摩 尔电导率 ×104/(s·m2 ·mol－1) 349.82 198.0 79.8 76.34 72 73.52 50.11 (摩尔电导率是指把含有1 mol电解质的溶液置于相距单位距离的电导池的两个平行电极之间时所具有的电导。摩尔电导率越大，溶液的导电性越好。) 根据以上材料分析，氢氧燃料电池选择哪些物质作为电解质(离子导体)较理想？ 提示：H2SO4溶液或KOH溶液。 (3)已知铂、镍对燃料电池反应具有催化作用。该氢氧燃料电池中如何选择电极材料？ 提示：考虑到催化活性、稳定性、成本等因素，对于碱性环境一般选用碳载镍作为电极材料，而酸性环境则一般选用碳载铂作为电极材料。电极材料上留有孔洞，以使氢气、氧气和溶液接触进行反应。 (4)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，如图所示电池还要解决哪些问题？ 提示：以电解质溶液作为离子导体的氢氧燃料电池在使用时生成的水会稀释电解质溶液，碱性电解质溶液还会与二氧化碳反应，这些问题都会导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。 (5)如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决该电池存在的问题？ 提示：在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，这样既便于浓缩电解质溶液或补充电解质，又便于更换已污染的电解质溶液；也可以更换离子导体，如使用酸性电解质溶液作为离子导体，避免电解质与二氧化碳反应，或采用固体材料作为离子导体，避免电解质被生成的水稀释，同时将生成的水冷凝回收再利用。 3．如图是一种培根型碱性氢氧燃料电池(图1，电池工作温度为200 ℃)和质子交换膜氢氧燃料电池(图2)部分结构示意图。质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性溶剂存在时能电离出H＋。该膜允许H＋通过但不允许OH－通过。 (1)从解决电解质溶液稀释和变质问题的角度分析，二者所做设计有何异同？评价解决问题的思路。 提示：根据图示可知，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。电解质循环泵使燃料电池的电解质溶液不断浓缩、循环；如果电解质已变质，可以很方便地更换新溶液。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。 (2)若在上述两个电池中加装冷凝水接收装置，你认为应该加装在什么位置？还能有其他解决方案吗？ 提示：碱性环境中水在负极生成(负极反应2H2＋4OH－－4e－===4H2O)，而酸性环境中水在正极生成(O2＋4H＋＋4e－===2H2O)，因此培根型碱性氢氧燃料电池应在负极一侧的气体出口设置冷凝装置，而质子交换膜氢氧燃料电池生成的水则从正极一侧的流场板排出。航天器所携带的氢气和氧气是有限的，氢氧燃料电池若应用于长寿命航天器，需要将其与太阳能电解水(2H2OO2↑＋2H2↑)装置配合使用，实现充放电循环。 项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 航天员每人每天大约需要消耗0.84 kg氧气，并且产生二氧化碳等代谢废物。但载人航天器携带的物品有限，利用高压存储氧气、电解携带的水制备氧气等常规方法都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。 [思考探究] 1．如何在载人航天器长时间飞行时为航天员持续提供氧气？ 提示：载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。在设计氧气的获取方案时，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。例如可以设计氢气和氧气与水的循环利用。 2．请你根据已有知识思考，如何实现从人体代谢的废物(如水、二氧化碳)中获取氧气？并对你所设计的方案进行评价