第一章 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教学课件2023-2024学年上学期高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 学科：化学 年级：高二 教材：选择性必修1 化学反应原理 版本：山东科学技术出版社 1 天舟五号货运飞船 2022年11月12日10时03分 发射升空 2022年11月12日12时10分 完成交会对接 2023年5月5日15时26分 撤离空间站 微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 核心素养 发展目标 2.通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案，尝试利用原电池原理及焓变、盖斯定律等知识，分析、评价真实环境下化学反应中的能量转化与物质转化问题，并形成电源选择和氧气再生的基本思路。培养宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识的化学学科核心素养。 1.通过分析载人航天器上的电源，了解真实化学电池的工作原理与装置结构，并形成分析化学电池的一般思路。培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养。 3.通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。 航天器的电从哪来？ 其实，空间站在轨运行期间，航天员生活和科学实验所需的能源都主要由电力供应，空间站的电力系统主要是由太阳能电池翼和储能化学电池构成。天宫空间站共由“天和”核心舱、“问天”实验舱Ⅰ、“梦天”实验舱Ⅱ组成，而每个舱段都分别安装了这两种电池。 太阳能电池和储能化学电池的可用时长和适用特点？ 太阳能电池： 化学电池： 航天器中使用的主要能源形式？ 短时间供电，比较适合短时间飞行 较长时间供电，可以维持航天器的长时间运行。 由于航天器会运行到太阳照射不到的阴影区，因此需要兼具供能与储能功能的设备，如二次电池与太阳能电池配合使用。 【问题组一】 1、下表列出了几种主要的航天化学电池的性能数据，其中有人认为氢氧燃料电池被称为最适合载人航天器的化学电源，结合下表分析，你认为原因是什么？ 电池组类型 单位质量 比能量/ (kWh·kg-1) 单位体积 比能量/ (kWh·m-3) 工作温度/℃ 寿命/年 循环寿命/充放电次数 银锌蓄电池 0.05-0.09 70-180 5-25 1 100 镍铬蓄电池 0.02 23 0-15 10 30000 镍氢蓄电池 0.02 9 -5-15 15 >10000 锂离子蓄电池 0.1-0.3 120-160 -5-30 5-10 >1000 氢氧燃料电池 >3.6 -30-90 0.6 表1-几种主要航天电化学电池性能 ①单位质量输出电能较高 ②工作温度范围广 ③反应生成的水可作饮用水 ④氧气可作备用氧源供给呼吸 项目任务1 设计载人航天器用化学电池 【问题组一】 2、请结合资料，在小组内讨论图1和图2两个氢氧燃料电池的异同，并结合资料尝试解释“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池中各部分材料选择的理由。 ②：H2SO4溶液导电性好，最早用于研究，但腐蚀性强；最早实际使用的是KOH溶液 ①：多孔结构可以使H2、O2与溶液接触反应，且镍、铂对燃料电池反应有催化作用 图1 -“阿波罗”飞船中使用的 氢氧燃料电池部分结构的示意图 图2-实验室设计的 简易氢氧燃料电池 3、为了保持电池的工作效率，图1还需要解决哪些问题？请在小组内结合碱性氢氧燃料电池的总式和构造思考。 ①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 ②碱性溶液会与二氧化碳反应而变质 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。 图1 -“阿波罗”飞船中使用的 氢氧燃料电池部分结构的示意图 4、如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案解决离子导体的稀释和变质问题？请在小组内讨论并尝试解决。 ①设计电解质溶液循环系统： a.浓缩电解质溶液或补充电解质； b.更换已污染的电解质溶液； ②更换离子导体： a.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； b.采用固体材料离子导体 ①质量轻 ②电导率大 ③性质稳定 ④离子浓度稳定 ⑤无毒等 新型离子导体应该具有的性质 同时将生成的水冷凝回收再利用 【问题组二】 1. 对比培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池，二者分别解决了离子导体的稀释和变质中的哪些问题？ 2. 若在上述两种电池中加装水蒸气冷凝装置，回收生成的水，应该分别加装在什么位置？ 电池装置的优化及深入分析 【模型建构】 化学电源的设计过程经历了怎样的研究顺序？ ①选择电池反应； ②初步设计电池结构； ③优化装置，提升性能； ④考虑物质的循环利用。 【实践任务】课后按照以上四个方面自行查阅资料，研究神舟飞船中的镍镉电池的构造和设计意图 【拓展视野】 在载人航天器中，各项物质都十分有限，航天员每人每天大约需要消耗0.84Kg氧气，因此除了对水资源