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 课件 2024-2025学年高二上学期化学鲁科版（2019）选择性必修1

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 作者编号：35004 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，并形成电池设计和氧气再生的基本思路。 作者编号：35004 在携带资源有限的载人航天器中，如何充分利用能量和物质？ 作者编号：35004 1 2 3 4 阿波罗登月飞船上使用的1.5kW电源由3个独立的氢氧燃料电池模块并联构成，通过氢气循环进行排热、排水，每个模块包含31个串联的独立电池单元。 单位质量输出电能较高 运输成本低 反应生成的水可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 优势 作者编号：35004 电池装置结构 A氢氧燃料电池 B氢氧燃料电池 电池结构 离子导体 电极材料 A氢氧燃料电池 KOH溶液 多孔碳载铂 B氢氧燃料电池 KOH溶液 多孔石墨 作者编号：35004 电池结构 离子导体 电极材料 阿波罗飞船氢氧燃料电池 KOH溶液 多孔碳载镍 作者编号：35004 阅读资料1思考：为什么采用KOH溶液做电解质溶液？ 微粒种类 导电性 腐蚀性 作者编号：35004 阅读表格思考：哪种电极材料更合适？ 思考角度 铂 镍 催化活性 有催化作用 有催化作用 稳定性 耐强酸强碱 耐强碱 成本 较高 较低 铂、镍对燃料电池反应具有催化作用，对于碱性环境一般采用碳载镍作为电极材料，酸性环境一般采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。 作者编号：35004 小组交流讨论： 1. 为了保持电池工作效率，有效利用电极反应产物，还需要解决哪些问题？ 2. 如何解决上述问题？ 负极反应为: 2H2+4OH--4e- === 4H2O 正极反应为: O2+2H2O+4e- === 4OH- 电池反应为: 2H2+O2 === 2H2O 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+。该膜允许通过H+而不允许OH-通过。 产生问题 解决方法 电极产物水稀释电解质溶液 浓缩、排水 二氧化碳使电解质变质 更换电解质或离子导体材料 作者编号：35004 分析评价电池设计方案 01 变质的解决思路区别？ 02 排水方案与位置区别？ 03 电极材料的选择区别？ 作者编号：35004 分析评价电池设计方案 01 变质的解决思路区别？ 02 排水方案与位置区别？ 03 电极材料的选择区别？ 作者编号：35004 分析评价电池设计方案 01 变质的解决思路区别？ 02 排水方案与位置区别？ 03 电极材料的选择区别？ 作者编号：35004 人体代谢废物 CO2 H2O O2 O2 电解 与Na2O2反应 直接电解 间接转化为水电解 无法长时间使用 技术不成熟 研究热点 废水回收处理 富集 设计氧元素转化方案 作者编号：35004 设计CO2转化为H2O方案 根据盖斯定律，设计CO2转化为H2O的热化学方程式。 Bosch反应： Sabatier反应： 作者编号：35004 小组交流讨论：两种方案的优缺点各是什么？ Bosch反应： Sabatier反应： 氢元素被完全利用 放热多 积碳影响 可联合甲烷裂解等技术使用 作者编号：35004 分析评价氧气再生方案 课后交流讨论：温度对萨巴蒂尔反应有何影响？ 作者编号：35004 能量利用 携带资源有限 化学电池原理 化学反应 焓变原理 物质利用 电池优化 氧气再生 作者编号：35004 质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图 质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图 质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图 CO2(g)＋2H2(g)===C(s)＋2H2O(g)　ΔH＝－90.1 kJ·mol－1 CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1 CO2(g)＋2H2(g)===C(s)＋2H2O(g)　ΔH＝－90.1 kJ·mol－1 CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1 $$