資源簡介

(共17張PPT)
設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案
——化學反應中能量及物質的轉化利用
第1章 物質的性質與轉化
在攜帶資源有限的載人航天器中，如何充分利用能量和物質？
氧氣再生
二氧化碳清除
水處理
食物供給
1.通過探究載人航天器用化學電池與氧氣再生方案，嘗試利用原電池原理及焓變、蓋斯定律等知識，分析、評價真實環境下化學反應中的能量轉化與物質轉化問題，并形成電源選擇和氧氣再生的基本思路；
2.通過分析載人航天器上的電源，了解真實化學電池的工作原理與裝置結構，并形成分析化學電池的一般思路；
3.通過本項目的學習，感受化學知識在解決實際問題中的應用價值。
項目活動 1
嘗試設計載人航天器用化學電池
鎳鎘電池
鎳氫電池
氫氧燃料電池
4
1
2
3
單位質量輸出電能較高
運輸成本低
反應生成的水可作為航天員的飲用水
氧氣可以作為備用氧源供給航天員呼吸
優勢
交流與討論
交流與討論
Ⅰ.回顧在第二節設計的氫氧燃料電池，請寫出堿性條件下的電極反應和電池反應。
負極:2H2+4OH－－4e－ === 4H2O；
正極:O2+2H2O+4e－ === 4OH-；
電池反應為2H2+O2 === 2H2O。
實驗室利用Na2O2與CO2反應可生成O2;通過化學反應將航天器內人體產生的CO2轉化為O2,從而為航天人員提供O2。
Ⅱ.實驗室如何將CO2轉化為O2 載人航天器中人員呼吸需要的O2從何而來
交流與討論
交流與討論
Ⅲ.圖是“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池部分結構的示意圖。請將該電池和第二節設計的氫氧燃料電池進行比較、說明異同，并結合資料嘗試解釋“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池中各部分材料選擇的理由。
“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池，H2和O2是從電池外部輸入的，電池反應所生成的H2O輸送到了電池外部。
H2用作還原劑（燃料），O2用作氧化劑（助燃劑），電極用作電池反應的載體，KOH溶液用作離子導體。
交流與討論
交流與討論
Ⅳ.為什么采用KOH溶液做電解質溶液而不是用H2SO4溶液？
腐蝕性
成本
導電率
交流與討論
交流與討論
Ⅴ.以電解質溶液作為離子導體的氫氧燃料電池在使用時生成的水會稀釋電解質溶液，堿性電解質溶液還會與二氧化碳反應，這些問題都會導致電池內阻增大，從而降低電池的工作效率。請提出方案解決以上問題。
產生問題 解決方法
電極產物水稀釋電解質溶液 濃縮、補充電解質，排水
二氧化碳使電解質變質 更換電解質或使用固體材料離子導體材料
質子交換膜是一種固體高分子材料，內部含有酸性基團，在水等極性溶劑存在時能電離出H+。該膜允許H+通過而不允許OH－通過。
探究
探究
從解決電解質溶液稀釋和變質問題的角度找出二者所做設計的異同。
一種培根型堿性氫氧燃料電池部分結構示意圖（電池工作溫度為200 ℃）
質子交換膜氫氧燃料
電池部分結構示意圖
探究
探究
在這兩種電池中加裝水蒸氣冷凝裝置，應該分別加裝在什么位置？
一種培根型堿性氫氧燃料電池部分結構示意圖（電池工作溫度為200 ℃）
質子交換膜氫氧燃料
電池部分結構示意圖
神舟飛船中的電池
——太陽能電池陣-鎳鎘蓄電池組系統
光照區充電:
負極　Cd(OH)2+2e－=== Cd+2OH－
正極　2Ni(OH)2+2OH－－2e－===2NiOOH+2H2O
陰影區放電:
負極　Cd+2OH－－2e－ === Cd(OH)2
正極　2NiOOH+2H2O+2e－=== 2Ni(OH)2+2OH－
項目活動 2
嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案
請你設計從人體代謝的廢物（如水、二氧化碳）中獲取氧氣的方案
富集
廢水回收處理
人體代謝廢物
CO2
H2O
O2
O2
電解
與Na2O2反應
直接電解
間接轉化為水電解
無法長時間使用
技術不成熟
研究熱點
交流與討論
交流與討論
物質轉化時一定會伴隨能量變化。通過焓變計算可以預測是否需要提供能量來維持化學反應的進行，或者是否可以利用化學反應釋放的能量，從而合理利用航天器中有限的能量。
薩巴蒂爾（Sabatier）反應可以將二氧化碳轉化為甲烷和水，配合水的電解可以實現氧氣的再生。該方法可同時解決二氧化碳的清除問題，因此成為一種非常重要的載人航天器中氧氣再生方法。
計算薩巴蒂爾反應的焓變
交流與討論
交流與討論
根據蓋斯定律，由①×4－②可得
ΔH=－164.9kJ·mol-1
薩巴蒂爾反應是放熱反應并且在300~400 ℃時轉化率較高，為保證轉化率，應如何控制反應器內的溫度？
交流與討論
交流與討論
一般會將進入反應器的氣體提前加熱至反應溫度。同時，反應器配有冷卻裝置，以便及時將過多的反應熱傳走。冷卻裝置傳走的熱量，以及從反應器出來的氣體帶走的熱量還可以繼續利用。
交流與討論
交流與討論
請對比分析博世反應與薩巴蒂爾反應的優缺點？
博世反應：CO2(g)+2H2(g)===C(s)+2H2O(g) ΔH=－90.1kJ·mol-1
薩巴蒂爾反應:
ΔH=－164.9kJ·mol-1
放熱多
積碳影響
50%的氫元素沒有得到利用
能量利用
化學電池原理
化學反應焓變原理
物質利用
電池優化
氧氣再生
攜帶資源有限
項目成果展示
歸納、提煉載人航天器的電源配置與氧氣再生的一般思路。

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