《2025年优化探究同步导学案高中化学选择性必修1人教版》

一、“阿波罗”飞船中的氢氧燃料电池
1. 如图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。请将该电池和你在本章第 2 节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同，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. 为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，你认为上图所示电池还需要解决哪些问题?
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。
3. 如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决以上问题?
提示:附设电解质溶液循环系统，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$\mathrm{CO_2}$反应，或采用固体材料离子导体，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。
4. 下述两种改进后的氢氧燃料电池是如何解决电解质溶液稀释和变质问题的?



5. “阿波罗”飞船燃料电池的工作原理
(1)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为$\mathrm{H_2SO_4}$溶液)的电极反应为
负极：$2\mathrm{H_2}-4\mathrm{e^-}=4\mathrm{H^+}$；
正极：$\mathrm{O_2}+4\mathrm{H^+}+4\mathrm{e^-}=2\mathrm{H_2O}$。
(2)“阿波罗”飞船燃料电池(离子导体为$\mathrm{KOH}$溶液)的电极反应为
负极：$2\mathrm{H_2}+4\mathrm{OH^-}-4\mathrm{e^-}=4\mathrm{H_2O}$；
正极：$\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2O}+4\mathrm{e^-}=4\mathrm{OH^-}$。

答案： 1.提示:一是电极材料不同:“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池的电极材料为多孔碳载镍，而我们设计的氢氧燃料电池的电极材料为石墨;二是电极作用不同:石墨电极只是导体，而镍对燃料电池反应有催化作用。
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。
2.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。
3.提示:附设电解质溶液循环系统，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$\mathrm{CO_2}$反应，或采用固体材料离子导体，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。
4.质子交换膜　负　负　正　正
5.
(1)$2\mathrm{H_2}-4\mathrm{e^-}=4\mathrm{H^+}$ $\mathrm{O_2}+4\mathrm{H^+}+4\mathrm{e^-}=2\mathrm{H_2O}$
(2)$2\mathrm{H_2}+4\mathrm{OH^-}-4\mathrm{e^-}=4\mathrm{H_2O}$ $\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2O}+4\mathrm{e^-}=4\mathrm{OH^-}$