高一年級(jí)上冊(cè)《氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)》教學(xué)設(shè)計(jì)

氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)一、教學(xué)目標(biāo)：進(jìn)一步了解認(rèn)識(shí)氫能的優(yōu)點(diǎn)。從電化學(xué)的角度認(rèn)識(shí)氫燃料電池的發(fā)電原理。掌握幾種實(shí)驗(yàn)室制取氫氣的常用方法，并以制成的氫氣作為原料進(jìn)行氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新精神。二、教學(xué)重難點(diǎn)：氫氣的制備以及氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)。教學(xué)方法：講授法、實(shí)驗(yàn)法教學(xué)過(guò)程：同學(xué)們大家好。我是廣州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校的謝煒雋老師。今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)。請(qǐng)先看視頻（播放視頻：浙江麗水：山村氫能發(fā)展的探索之路）本節(jié)課的主要內(nèi)容包括氫能源的優(yōu)點(diǎn)、氫燃料電池的工作原理以及氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)。一、氫能源的優(yōu)點(diǎn)（一）清潔環(huán)保氫本身無(wú)毒，在燃料電池中和空氣中的氧氣反應(yīng)后唯一的產(chǎn)物是純凈的水。而且水又可以循環(huán)利用，做到了污染物“零”排放，所以被視為最清潔的能源。以下是氫氣與氧氣反應(yīng)的化學(xué)方程式：2H2+O2點(diǎn)燃2H2O今天我們就是要利用這一化學(xué)原理，進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)。（二）能力效率高利用氫燃料電池技術(shù)可以控制氫氣化學(xué)反應(yīng)速率，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其能量利用效率是汽油柴油內(nèi)燃機(jī)的2-3倍。（三）熱值高氫氣的熱值為14.3×107J/kg。5kg氫氣產(chǎn)生的熱量可以讓普通轎車(chē)跑650km。一輛體積不大的氫燃料電池?zé)o人機(jī)，小小的電池內(nèi)部裝滿(mǎn)了壓縮氫氣，續(xù)航能力可達(dá)到數(shù)小時(shí)。如圖所示是常見(jiàn)燃料的能量密度對(duì)比，可見(jiàn)氫氣的能量密度是傳統(tǒng)燃料的2-3倍。（四）便于貯運(yùn)可以將氫氣氣態(tài)加壓、冷卻液化，或者固態(tài)吸附以適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求，由于能源工廠大多遠(yuǎn)離城市，把氫氣轉(zhuǎn)化成液態(tài)后就能用車(chē)輛、輪船運(yùn)輸也可以鋪設(shè)管道迅速運(yùn)輸?shù)叫枰牡胤健＃ㄎ澹┲迫》椒ǘ喾N多樣氫氣制取方法多樣，可因地制宜把各種能源靈活地轉(zhuǎn)化為氫氣保存。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的棄氣、棄熱、棄電均可用于制作氫氣，可通過(guò)傳統(tǒng)的化石燃料煤、石油、天然氣制取氫氣，也可通過(guò)一些可再生能源發(fā)電，電解水制取氫氣，還可利用廢木材、有機(jī)廢料等制取氫氣。根據(jù)制備方式的不同可將氫氣分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛湓谏a(chǎn)過(guò)程中有較多的二氧化碳排放，而綠氫在生產(chǎn)過(guò)程中完全沒(méi)有碳排放最為綠色、清潔。二、氫燃料電池的工作原理同學(xué)們，你們知道氫氣是如何作為能源被人們使用的呢？那就要講到氫燃料電池了。此圖為氫燃料電池工作示意圖。氫燃料電池中間有一張?zhí)厥獾摹百|(zhì)子交換膜”薄膜正負(fù)極，分別通過(guò)管道通入氫氣和氧氣。薄膜只能讓帶正電的氫離子通過(guò)，電子被攔在薄膜正極上，氫離子在薄膜的另一面的負(fù)極上和氧分子反應(yīng)得到水分子和電子，薄膜兩端電極上的電子就能形成電流。其電極反應(yīng)為負(fù)極：2H2－4e—=4H+正極：O2+4H++4e—=2H2O該電池需要用到鉑電極催化，價(jià)格貴，成本較高。但近年來(lái)德國(guó)研究人員研發(fā)出一種新型鉑銅合金，這種新型催化劑可節(jié)約80%的鉑，可以大大的降低了該工藝的成本。三氫燃料電池發(fā)電實(shí)驗(yàn)首先我們來(lái)回顧初中化學(xué)的內(nèi)容。氫氣的性質(zhì)。物理性質(zhì)：氫氣是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，難溶于水，密度比空氣小?；瘜W(xué)性質(zhì)：氫氣具有可燃性和還原性。氫氣和氧氣在點(diǎn)燃的條件下反應(yīng)生成水。氫氣可還原某些金屬氧化物生成金屬單質(zhì)和水。那么，在實(shí)驗(yàn)室如何獲得氫氣呢？在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)電解水得到氫氣。在初中，同學(xué)們也做過(guò)利用鋅和稀硫酸制取氫氣的實(shí)驗(yàn)。這兩種方法均可快速便捷地在實(shí)驗(yàn)室獲得氫氣。對(duì)于方法一用到的儀器及藥品有：電解水裝置（整套）、學(xué)生電源、導(dǎo)線、蒸餾水、硫酸鈉溶液。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。對(duì)于方法二用到的儀器及藥品有、稀硫酸、鋅粒、試管、水槽、玻璃導(dǎo)管等。讓我們一起看看視頻中會(huì)使用哪種方法吧?。úシ乓曨l：制作簡(jiǎn)單的氫燃料電池）從視頻中可以看出電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣先吸附在石墨棒后，停止通電并閉合回路后，氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了電流，實(shí)驗(yàn)成功。但是上述實(shí)驗(yàn)不能穩(wěn)定、持續(xù)、源源不斷的產(chǎn)生電流。下面請(qǐng)看改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。（靜音播放視頻：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)）利用氫燃料電池盒讓產(chǎn)生的氫氣通過(guò)電解質(zhì)薄膜與氧氣反應(yīng)即可得