實驗活動5

制作簡單的燃料電池知識拓展——化學反應中能量及物質的轉化利用核心素養發展目標證據推理與模型認知——通過已學氫氧燃料電池知識，對航天器所用電池進行改進優化科學態度與社會責任——感受化學知識在解決實際問題中的應用價值認識載人航天器用化學電池項目活動一航天器中經常使用的化學電源有：化學蓄電池、燃料電池、太陽能電池等。航天器按飛行時間分為短壽命航天器（少于30天)和長壽命航天器。例如美國的“阿波羅”飛船就屬于短壽命航天器，而國際空間站與我國的“天宮1號”目標飛行器，則屬于長壽命航天器。現在軌道飛行器上（航天員艙或有效載荷段）仍然在使用電池

(1)二氧化銀-鋅原電池（一次性放電）和蓄電池（可充電）(2)鎳鎘蓄電池(3)鎳氫蓄電池(4)鎳金屬氫化物原電池(5)錳堿性原電池(6)LeClanche(碳鋅)原電池(7)鋅空氣原電池(8)鉛酸性蓄電池，包括有過壓緩解的單體和有防電解液流動結構的單體(9)氧化汞鋅原電池(10)鋰原電池【開拓視野】【小組展示】為什么要選擇氫氧燃料電池，作為短壽命航天器的電池？體積小、質量小、發現早、性能穩定壽命短、充放電次數少技術成熟、廣泛被應用；可靠性高、成本低、壽命長質量大、制作復雜、污染環境主流蓄電池之一、壽命長、重量比能量高、放電強度大自放電嚴重、體積大重量比能量高、體積比能量高循環壽命短銀鋅蓄電池鎳鉻蓄電池鎳氫蓄電池鋰離子蓄電池(1)質量比能量高；(2)運輸成本低；(3)反應生成的水經處理可作飲用水；(4)氧氣可作備用氧源供給呼吸等；(5)在運行過程中，噪聲小、振動小；(6)結構簡單、運行平穩。氫氧燃料電池電池的組成要素電極材料得失電子場所離子導體傳導離子電極反應物得失電子物質電子導體傳遞電子設計載人航天器用化學電池項目活動二

項目活動二嘗試設計載人航天器用化學電池明確電池反應選擇電極材料確定離子導體優化電池結構設計思路【探究任務一

優化電極材料】結合資料卡2，嘗試為酸性環境和堿性環境中的電池選擇電極材料。結合資料卡片3，選擇合適的離子導體。【探究任務二

優化離子導體】【材料一】

鉑、鎳等金屬對燃料電池反應具有催化活性2019年11月15日，國際頂級學術期刊《Science》以研究長文形式刊發華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授團隊的最新研究成《EngineeringbunchedPt-Nialloynanocagesforefficientoxygenreductioninpracticalfuelcells》。該文闡述了夏寶玉教授團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展：采用(電)化學腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控，大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實際燃料電池器件中的耐久性，有望成為發展燃料電池行之有效的關鍵手段。資料卡2（1）燃料電池性能與電極反應的效率密切相關；

（2）由于電極反應物是氣體，氫氧燃料電池的電極材料需要提供能讓氣體與液體接觸的固體反應表面，因此需要制作成多孔結構。（3）直接用鉑或者鉑黑做電極不僅成本高，鉑利用率也低。實用的電器材料往往制成多孔的碳載鉑或碳載鎳，同時從成本角度考慮，盡量降低催化劑金屬的用量。

【材料二】文獻資料顯示，鎳由于具有特殊的d層電子結構，被認為是具有最高電化學活性的金屬。在酸性介質中易被腐蝕，但在堿性介質中，具有良好的耐腐蝕性，因此選用鎳及鎳合金用作堿性溶液中析氫反應陰極材料。【材料三】優化電極材料的思考角度：離子導體環境

電極材料酸性環境堿性環境多孔碳載鉑多孔碳載鎳催化活性、穩定性、成本、質量、電阻等【材料一】降低電池內阻可以提高電池的工作效率，從而增大電池單位質量輸出的電能。電池內阻與離子導體的導電性能等因素有關。電導率越大，導電性越好。

【材料二】電導率與溫度的關系：溶液的電阻是隨溫度升高而減小，即溶液的濃度一定時，它的電導率隨著溫度的升高而增加。另外同一類的電解質，當濃度不同時，它的溫度系數也不一樣。資料卡3【材料三】不同質量分數下的各物質的電導率關系圖（左下圖）【材料四】硫酸與氫氧化鉀的濃度與冰點關系圖（右下圖）【問題】依據上述信息，你會如何選擇離子導體及其工作環境，原因是什么?選擇30%左右硫酸或30%左右氫氧化鉀鹽酸具有揮發性工作溫度盡量高一點【探究任務三

優化電池結構】解決電解質稀釋及變質問題我們目前設計的以氫氧化鉀為離子導體的燃料電池，在工作中會出現內阻增大、工作效率低的問題，你認為可能的原因是什么？【資料卡片】在實際使用中，KOH溶液的離子導體還有一些問題，主要艙內二氧化碳污染使電池壽命降低，使用壽命不超過5000小時。此外，氫氧化鉀有毒，對生成水的飲用造成影響。結合氫氧燃料電池的電極反應式如何解決該問題？提示：離子導體稀釋問題2H2+O2=2H2O產物水將溶液稀釋補充電解質溶液及時將水排出培根型堿性氫氧燃料電池部分結構示意圖（工作溫度200℃）循環泵【資料證據】方法:①利用泵將電解液抽出，在外部濃縮;②利用氫氣流將水蒸氣吹出;③利用毛細作用，將水在負極蒸發。注意從電池的哪一極將水排出？堿性介質：正極：O2+2H2O-4e-=4OH-負極：2H2-4e-+4OH-=4H2O酸性介質：正極：O2+4H++4e-=2H2O負極：2H2-4e-=4H+尋找其他離子導體，如酸性電池增加離子交換膜2KOH+CO2=K2CO3+H2O二氧化碳使電解質變質【資料卡片】在實際使用中，KOH溶液的離子導體還有一些問題，主要艙內二氧化碳污染使電池壽命降低，使用壽命不超過5000小時。此外，氫氧化鉀有毒，對生成水的飲用造成影響。質子交換膜質子交換膜是一種高分子材料，厚度僅有幾百微米，含有酸性基團，被水潤濕后可電離出氫離子。質子交換膜內為酸性環境，且只允許氫離子通過，以質子交換膜作為離子導體的氫氧燃料電池工作壽命可高達57000小時。電導率優于或等于電解質溶液型離子導體。知識鏈接行業PPT模板http:///hangye/【任務三】裝置結構的優化排水口：正極排水口：負極根本解決問題先污染后治理Nafion膜（全氟磺酸膜）氫氧燃料電池優點天特殊要求常用電池拓展視野設計載人航天器用化學電池確定電池反應

堿性(負)2H2-4e-+4OH-=4H2O

(正)O2+2H2O+4e-=4OH-

酸性(負)2H2-4e-=4H+(正)O2+4H++4e-=2H2O設計結構

4.電子導體1.電極反應2.電極材料性質穩定、質量、成本

3.離子導體電導率、性質穩定、離子種類濃度穩定、質量

優化結構質子交換膜燃料電池培根型燃料電池課堂小結1、鎘鎳可充電電池的充、放電反應原理如下:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。下列說法錯誤的是(

)

A.放電時，Cd作為負極B.放電時，NiOOH作為負極

C.電解質溶液為堿性溶液

D.放電時，負極反應為Cd+2OH--2e-

=Cd(OH)2B直擊高考2、太陽能光電池具有可靠穩定、壽命長、安裝維護簡便等優點,現已得到廣泛應用。氮化鎵(GaN)光電池的結構如圖所示。下列說法中正確的是(

)A.該裝置系統中只存在光能與電能之間的轉化B.Cu電極上的電極反