第四章+实验活动5+制作简单的燃料电池 教学设计 高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1+

教学设计

课程基本信息学科化学年级高二学期秋季课题实验活动5制作简单的燃料电池教学目标1.通过对我国“神舟飞船”的“水循环系统”的介绍，体会电解水和氢氧燃料电池这两个“可逆”的过程，感受循环可再生的能源系统；2.根据燃料电池的工作原理及原电池的设计思路，体会设计和制作氢氧燃料电池的过程，并根据所提供的实验用品进行小组实验，通过思考与讨论，参与改进实验，提升电池性能，在过程中提升证据推理意识；3.通过用图示和符号表征原电池和电解池的的工作原理，进一步提升对电化学模型的认识，实现由实践到理性认识的飞跃；4.通过对我国首款氢能源汽车以及氢能未来的介绍，培养责任意识和创新精神。教学内容教学重点：1.燃料电池的工作原理及原电池的设计思路；

2.对氢氧燃料电池实验改进的讨论。

教学难点：1.原电池和电解池工作原理的符号表征；2.电化学模型的构建。教学流程教学过程【情境导入】【PPT图片】【讲述】“神州飞船”是我国航天事业的骄傲，也是我们的国之重器。北京时间2022年4月16日，“神舟十三号”载人飞行任务取得圆满成功，这标志着中国航天又迈出了重要的一步。在本次任务中，三名宇航员完成了为期6个月的在轨驻留，这是中国迄今为止时间最长的载人飞行任务。那么航天员在太空“出差”180天之久，氧气和水问题是怎么解决的呢？【PPT图片】【讲述】航天员所需的氧气主要是通过电解水的方式产生的。数据表明，如果是三名宇航员的话，每天电解6瓶500毫升的矿泉水，足以保证他们的氧气供应。航天员用水的主要来源是生命保障体系中专门的水处理系统。此系统可以收集航天员的尿液等废水，通过多重净化处理变成可饮用的水。【PPT图片】【讲述】由此可见，为了从太空中直接获取而非地球补给，在太空中存在一个循环可再生的能源系统，包括将水电解产生氢气和氧气的系统以及氧气和氢气生成电和水的系统。今天就让我们在实验室简单模拟一下以上循环。【过渡】首先，我们一起来回顾一下燃料电池的发现以及工作原理。【讲解】人类研究燃料电池的历史已经有100多年。1839年，英国科学家威廉·格罗夫（WilliamRobertGrove）推断电解水的逆过程也是可行的。他把分别装有氢气和氧气的试管，安装在铂条上，实现了水电解的“逆反应”，产生的电流点亮了伦敦讲演厅的照明灯。这就是最早的燃料电池。发展到今天，同学们都知道，燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。在工作时，燃料和氧化剂连续地由外部提供并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，于是就可以连续不断地提供电能。燃料电池的种类有很多，氢氧燃料电池就是其中的一种。因此本实验的实验目的是：【实验目的】1.根据燃料电池的工作原理及电池的设计思路，设计和制作一个简单的氢氧燃料电池；2.进行实验改进，以提升电池的性能（电流的强度、电流的稳定性、续航时间等）；3.实验结束后，分别用图示和符号来表征电解池和原电池的工作原理，进一步提升对电化学模型的认识。【过渡】接下来，请同学们回忆原电池的设计思路。【讲述】构成一个原电池，有4个要素，分别是电极反应物，电极材料，离子导体和电子导体。在原电池中发生的是氧化还原反应，将氧化反应和还原反应分开在两个电极上进行即电极反应。根据负极失去电子正极得到电子的规律，还原剂就是负极反应物，而氧化剂为正极反应物。据此，氢氧燃料电池的总反应是氢气和氧气生成水，因此负极反应物为氢气，正极反应物为氧气。这样我们就确定了电极反应物。电极材料由导体石墨棒充当，离子导体由电解质溶液充当，电子导体由导线充当。这样我们就设计完成了一个氢氧燃料电池。那么氢气和氧气又是从哪里得到的呢？可以通过电解水的方式得到。【讲述】因此本实验具有一定的综合性，一方面利用电解原理通过电解水产生氢气和氧气，实现电能转化为化学能；另一方面根据原电池原理，由氢气，氧气和电解质溶液构成氢氧燃料电池，实现由化学能转化为电能。根据实验原理本实验的实验用品如下。【实验用品】实验药品：1mol/L的Na2SO4溶液、酚酞溶液等。实验器材：带铁夹的铁架台、U形管、小水槽（电化学实验反应器）、石墨棒、学生用直流电源、导线（带鳄鱼夹）、小风扇等。【讲述】本实验中采用的电解质溶液为1mol/L的Na2SO4溶液。为了更好地观察电解水时阴、阳极的变化，电解实验前要向溶液中滴如1~2滴酚酞溶液。为了更直观的观察氢氧燃料电池的工作效率，实验中采用如图所示的小风扇作为用电器。接下来请同学们根据实验步骤，小组合作完成实验。【实验步骤】Ⅰ.电解水：在U形管中注入1mol/L的Na2SO4溶液，滴加1~2滴酚酞溶液。在U形管的两边分别插入一根石墨棒，并用导线连接电路。闭合开关，接通直流电源（10V）开始电解，观察现象。Ⅱ.制作一个氢氧燃料电池：当上述电解过程进行1min后，断开连接电源的导线，使之与小风扇相连，记录小风扇转动情况。【学生活动】任务一：小组合作，完成实验【学生活动】小组汇报实验结果。【提出问题】同学们看到小风扇并没有转动，这是为什么呢？请同学们完成思考与讨论。【学生活动】思考与讨论问题1：为何小风扇没有转动？答：可能是由于电阻太大。问题2：电阻受什么因素的影响？你认为如何才能减小电阻使小风扇转动？答：电阻与导体长度成正比，与横截面积成反比。因为U形管较长，且横截面积较小，因此电阻较大。若将其换成小水槽，可以减小电阻，有可能使小风扇转动。【学生活动】任务二：小组合作，完成改进实验。【学生活动】小组汇报实验结果。【提出问题】可见，将U型管换成小水槽以后，确实是风扇转动了起来，转动了12秒，那么要想使小风扇转动更长的时间，且转动的更稳定，该怎么办呢？请同学们继续思考。【学生活动】思考与讨论问题3：如果想让小风扇转动更长的时间且转动的更稳定，（提高电池的续航时间及输出电流的稳定性）应该如何做？答：石墨棒吸附的氢气和氧气量有限，大部分都逸散了，如果电解水时能有更多的的氢气和氧气附着在石墨棒上，就可以提高续航时间。问题4：有什么办法可以使石墨棒吸附更多的氢气和氧气呢？答：在石墨棒上裹上一层疏松多孔的物质来吸附更多的气体，如卫生纸等。【讲述】老师按照大家的想法将电极材料进行改进，如图所示。用橡皮筋将卫生纸裹在石磨棒上。接下来老师将用此电极进行实验。【教师演示实验】【提出问题】可见，裹了卫生纸的石墨棒确实吸附了更多的气体，小风扇转动了更长的时间，那么如何能继续提升电池性能呢？【学生活动】思考与讨论问题5：如何继续提升电池性能（电池输出的电流强度更大，电流更稳定，小风扇转动时间更长）？答：寻找（研发）新材料【讲述】接下来老师为大家介绍一种新材料，叫碳毡。碳毡是由碳纤维构成的毡，根据纤维原料的不同分为三种。碳毡在真空或惰性气氛下经2000℃以上高温处理后成为含碳量更高的石墨毡。本实验中用到的就是PAN基石墨毡。石墨毡对气体有更好的吸附作用，电阻小，电化学性能稳定。接下来就让我们一起来看一看这种材料是如何提升电池性能的吧。【讲述】如图所示，用剪刀剪两片石墨毡放在水槽中，在上端分别插入两根2B铅笔芯作为导体与导线相连，在下面用一个塑料片固定住石墨毡。接下来老师就用这套装置进行实验。【教师演示实验】【实验结论】【实验评价】通过以上四组对比实验我们可以看出，电极材料的改进对电池性能的提升有重要作用。在实际的生产研究中中，科研人员也在致力于改进电极材料等方面来提升电池的性能。【学生活动】任务三：分别用图示和符号来表征原电池和电解池的工作原理。【讲述】化学能与电能的直接转化，需要通过氧化还原反应在一定的装置中才能实现，原电池和电解池就是这样的装置。原电池和电解池能使氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行。原电池实现了化学能转化为电能，电解质实现了电能转化为化学能，这就是电化学装置的统一性。以氢燃料电池和电解水为例，电极方程式和总方程式如表中所示。提醒同学们注意，在书写电极方程式的时候，除了要关注变价元素的原子得、失电子的情况以外，还要关注变价元素原子得、失电子以后形成的产物在电解质溶液中的主要存在形式。【过渡】氢氧燃料电池的产物是无污染的水，如果将氢氧燃料电池用在汽车上，就可以制成氢能源汽车。图为我国首款高端氢能轿跑车。其车身由碳纤维材料打造，加氢一次仅需三分钟便可续航一千两百公里。完美的解决了汽油车污染环境，而电车充电时间长，续航里程短的弊端，可谓是鱼和熊掌兼得。【讲述】当前，发展氢能汽车已逐步上升为国家战略，我国的基础设施建设也正在逐步铺开。氢能源不仅可以用于燃料电池车，它还有更广泛的用途。随着全球气候变暖加剧发展，低碳能源成为时代重任。氢能是全世界公认的最具发展前景的清洁燃料之一。我国“