4-1-4 化学电源-燃料电池 教学设计 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

4-1-4化学电源——燃料电池教学设计2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1学校授课教师课时授课班级授课地点教具教学内容本节课选自人教版（2019）选择性必修1的第四章第一节第四部分“化学电源——燃料电池”。教学内容主要包括：燃料电池的工作原理、类型及特点，重点讨论酸性燃料电池、碱性燃料电池和磷酸燃料电池；通过实际案例分析，理解燃料电池在可持续发展中的应用及其对环境保护的意义；结合电解质的选择和电极材料的性质，探讨影响燃料电池效率的因素。此外，还包括对燃料电池相关化学方程式的书写和能量转化效率的计算。核心素养目标本节课的核心素养目标为：培养学生科学探究能力，提升其对化学与能源、环保等社会议题的理解和参与意识。通过学习燃料电池的原理与应用，使学生能够运用化学知识解释能量转化过程，培养其宏观与微观相结合的思考方式；加强学生对实验数据的分析处理能力，提升科学思维和证据意识；同时，结合燃料电池的环境效益，强化学生的社会责任感和可持续发展观念，激发其参与化学相关社会问题的讨论和解决。教学难点与重点1.教学重点

-燃料电池的工作原理及其能量转化过程；

-燃料电池的类型、特点及其在可持续发展中的应用；

-影响燃料电池效率的因素，包括电解质的选择和电极材料的性质；

-燃料电池相关化学方程式的书写和能量转化效率的计算。

举例：通过图解和动画演示燃料电池的工作过程，强调氧化还原反应在能量转化中的作用；对比不同类型的燃料电池，突出其各自的应用场景和优势。

2.教学难点

-燃料电池内部电子转移和离子移动的微观过程理解；

-燃料电池效率与电解质和电极材料之间关系的深入理解；

-化学方程式的平衡及其在燃料电池中的应用；

-能量转化效率计算公式的推导和应用。

举例：通过实验观察和模拟软件帮助学生理解燃料电池内部的电子转移和离子移动；通过案例分析和数学建模，引导学生掌握电解质和电极材料对燃料电池效率的影响，并学会运用相关计算公式进行效率评估。教学资源-硬件资源：燃料电池模型或实物、多媒体教学设备、实验器材（如电压表、电流表、电子天平等）；

-软件资源：化学教学软件、燃料电池工作原理动画、能量转化效率计算工具；

-课程平台：校园网络教学平台、教室智能交互白板；

-信息化资源：电子教材、PPT课件、教学视频、在线模拟实验；

-教学手段：讲授、小组讨论、实验探究、案例分析、互动问答、在线自测。教学过程第一环节：导入新课

同学们，大家好！在上一节课中，我们学习了化学电源的相关知识，了解了电池的基本原理和应用。今天，我们将要学习一种特殊的电池——燃料电池。它作为一种高效、环保的能源转换方式，正日益受到重视。那么，燃料电池是如何工作的？它有哪些独特之处呢？接下来，我们就一起走进燃料电池的世界。

第二环节：探究燃料电池的工作原理

1.请大家翻到教材第四章第一节第四部分，阅读燃料电池的工作原理部分。

2.结合教材中的图示，我将通过动画演示燃料电池的工作过程，请大家仔细观察。

3.观察完毕后，请同学们用自己的话简要描述燃料电池的工作原理。

4.邀请几名同学分享他们的观察和理解，我将适时给予点评和补充。

第三环节：学习燃料电池的类型和特点

1.接下来，我们学习燃料电池的类型。请同学们阅读教材中关于酸性燃料电池、碱性燃料电池和磷酸燃料电池的部分。

2.请大家总结这三种燃料电池的特点和应用场景，并与同桌进行交流。

3.邀请几名同学分别介绍这三种燃料电池的特点，我将进行点评和总结。

第四环节：实验探究影响燃料电池效率的因素

1.现在，我们来进行实验探究。请大家分成小组，每组领取一套实验器材。

2.实验目的：研究电解质的选择和电极材料的性质对燃料电池效率的影响。

3.实验步骤：按照教材中的方法，分别测定不同电解质和电极材料下的电压和电流，记录数据。

4.实验过程中，我将巡回指导，解答同学们的疑问。

5.实验结束后，请各小组整理数据，并计算出燃料电池的能量转化效率。

6.邀请几组同学分享他们的实验结果和发现，我将进行点评和总结。

第五环节：案例分析——燃料电池在可持续发展中的应用

1.请大家阅读教材中的案例，了解燃料电池在可持续发展中的应用。

2.结合案例，我将引导同学们思考燃料电池对环境保护的意义。

3.邀请同学们讨论燃料电池在日常生活中还有哪些应用，以及如何推广燃料电池的使用。

第六环节：巩固与拓展

1.为了检验大家对今天所学内容的掌握，我将发放一份课堂练习，请大家认真完成。

2.完成练习后，我将挑选部分同学的作业进行展示和点评。

3.最后，我将布置一道拓展思考题：如何提高燃料电池的能量转化效率？

第七环节：课堂小结

今天，我们学习了燃料电池的工作原理、类型、特点以及在可持续发展中的应用。通过实验探究，我们了解了影响燃料电池效率的因素。希望大家能够将这些知识运用到实际生活中，为我国的环保事业贡献自己的力量。

第八环节：课后作业

1.复习教材第四章第一节第四部分内容，巩固所学知识。

2.完成课后练习题，加深对燃料电池的理解。

3.查阅资料，了解燃料电池的最新研究进展。

同学们，今天的课就到这里。希望大家能够认真完成课后作业，我们下节课再见！知识点梳理1.燃料电池的工作原理

-燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的装置；

-燃料电池由阳极、阴极和电解质组成；

-在燃料电池中，氢气在阳极发生氧化反应，氧气在阴极发生还原反应；

-电子从阳极通过外部电路流向阴极，形成电流；

-电解质负责传递离子，维持电荷平衡。

2.燃料电池的类型及特点

-酸性燃料电池：使用酸性电解质，如磷酸，适用于小型设备；

-碱性燃料电池：使用碱性电解质，如氢氧化钠，适用于大型发电装置；

-磷酸燃料电池：使用磷酸作为电解质，具有高效率和耐久性，适用于移动应用；

-燃料电池的特点：能量转换效率高、污染小、噪音低、可连续使用。

3.影响燃料电池效率的因素

-电解质的选择：电解质的性质直接影响电池的离子传输能力和稳定性；

-电极材料的性质：电极材料的活性、导电性和稳定性对电池性能有显著影响；

-氢气纯度和氧气供应：高纯度氢气和充足的氧气供应有助于提高电池效率；

-电池设计和操作条件：电池设计是否合理，操作条件是否适宜也会影响效率。

4.燃料电池在可持续发展中的应用

-燃料电池汽车：减少尾气排放，提高能源利用效率；

-燃料电池发电站：为家庭、商业和工业提供清洁电力；

-移动电源：为远程设备提供稳定的能源供应；

-环境保护：减少化石燃料使用，降低温室气体排放。

5.燃料电池相关化学方程式的书写

-阳极反应：2H2→4H++4e-；

-阴极反应：O2+4e-+4H+→2H2O；

-总反应：2H2+O2→2H2O。

6.能量转化效率的计算

-能量转化效率=(实际产生的电能/燃料的理论能量)×100%；

-实际产生的电能可以通过电流、电压和时间计算得出；

-燃料的理论能量可以根据化学方程式和燃料的摩尔质量计算。重点题型整理题型一：解释燃料电池的工作原理，并画出其简化示意图。

解答：燃料电池的工作原理是通过氢气在阳极发生氧化反应，氧气在阴极发生还原反应，电子从阳极通过外部电路流向阴极，形成电流。电解质负责传递离子，维持电荷平衡。

简化示意图：

```

阳极（氢气）───▸电子───▸阴极（氧气）

│

▼

电解质（离子传递）

```

题型二：列出并解释影响燃料电池效率的三个主要因素。

解答：

1.电解质的选择：电解质的性质影响离子传输能力和电池的稳定性，从而影响效率。

2.电极材料的性质：电极材料的活性、导电性和稳定性对电池性能有显著影响。

3.氢气纯度和氧气供应：高纯度氢气和充足的氧气供应有助于提高电池效率。

题型三：写出酸性燃料电池的阳极反应和阴极反应。

解答：

阳极反应：2H2→4H++4e-

阴极反应：O2+4e-+4H+→2H2O

题型四：解释为什么燃料电池被认为是环保的能源转换方式。

解答：燃料电池被认为是环保的能源转换方式，因为它们：

-减少化石燃料的使用，降低温室气体排放。

-在运行过程中几乎不产生有害排放，只有水和少量的热能。

-能量转换效率高，减少能源浪费。

题型五：假设一个燃料电池的阳极和阴极反应分别为2H2→4H++4e-和O2+4e-+4H+→2H2O，计算该燃料电池的理论电压。

解答：

理论电压可以通过标准电极电势计算得出，对于酸性燃料电池，标准电极电势如下：

-阳极（氢气）的标准电极电势：E°(H+/H2)=0.00V

-阴极（氧气）的标准电极电势：E°(O2/H2O)=1.23V

理论电压=阴极标准电极电势-阳极标准电极电势

理论电压=1.23V-0.00V=1.23V反思改进措施（一）教学特色创新

1.在本节课中，我尝试采用了多元化的教学方法，如动画演示、实验探究和案例分析等，以提高学生的学习兴趣和参与度。这种教学方式既丰富了课堂形式，又增强了学生对燃料电池工作原理和应用的理解。

2.结合现实生活中的应用，引导学生关注燃料电池在可持续发展中的作用，激发他们的社会责任感和环保意识。

（二）存在主要问题

1.在教学组织方面，我发现部分学生在实验探究过程中，操作不够熟练，对实验数据的分析处理能力有待提高。这可能是因为实验前的准备工作不够充分，导致学生对实验步骤和数据处理方法掌握不够。

2.在教学方法方面，我发现在课堂上的互动问答环节，部分学生表现较为拘谨，可能是因为课堂氛围不够轻松，学生担心回答错误。

（三）改进