师：同学们，今天这节课我们一起来学习高一综合实践活动，广州市中小学科技实践第五单元第二课时氢燃料电池。首先请看学习目标，通过这节课的学习，希望大家能达成以下目标：一、了解氢燃料电池的发展历史；二、认识氢能源作为理想的二次能源的优点；三、了解氢燃料电池的基本反应原理；四、了解氢燃料电池的广泛用途；五、了解氢燃料电池的迅猛发展。
氢作为二次能源，具有能量密度好、资源丰富、零污染等优势，是唯一同时满足资源、环境和可持续发展要求的新能源，被称为21世纪的终极能源。为使氢能源进入千家万户，科学家们在研究各种创新的物理化学技术，例如光电解水技术、化学储氢技术、新型燃料电池交换膜技术。下面就让我们一起来进一步了解它吧。
首先我们来看一看氢燃料电池的发展历史。1839年，英国科学家威廉·格罗夫在水的电解过程中发现了燃料电池的原理，并发表了第一篇有关燃料电池的论文。1889年，英国科学家蒙德·荷莱格首先以铂黑为电催化剂，以钻孔的铂为电流收集器组装出燃料电池。1959年，英国剑桥大学培根教授用高压氢试制成功5千瓦的燃料电池。
20世纪60年代，氢燃料电池已经成功应用于航天领域，为人类登上月球做出了积极贡献。1993年，加拿大一家电力公司展示了第一辆零排放、时速为72千米每小时，以质子交换膜燃料电池为动力的公交车。1997年，日本一家汽车公司研发出的第一台氢燃料电池车利用了氢燃料电池和镍氢电池的混合动力。2008年，美国一家飞机公司成功试飞了氢燃料电池飞机。2018年，日本一家汽车公司把氢燃料电池车的成本从100万美元降到了5万美元，氢能源车正式进军商业阶段。2022年，中国的北京冬奥会氢能大巴正式应用。下面请看当时的新闻报道。
依照绿色、开放、共享、廉洁的办赛理念，北京冬奥组委共筹措各类车辆4090辆，赛时将会为运动员、注册人员、工作人员等8类群体提供交通服务，并且这些车辆都采用了清洁能源，按照山地赛区用氢、平原赛区用电和天然气补充的配置原则来进行配置。在延庆赛区，氢能源汽车已经在工作人员的通勤、接驳等方面发挥了重要作用。
山地赛区坡陡弯多，延庆赛区2号路最大坡度12%，2号路上180度的回头弯多达14个，再加上气温低，这些都给交通服务保障带来考验。国产氢能燃料电池客车凭借动力充足、在低温下稳定启动的性能，成为山地赛区服务保障的一道亮丽风景。
这就是为冬奥会提供保障的，由我国自主研发、全国产化的氢燃料电池客车，现在它们的续航里程已经可以超过500公里，经过氢和氧的电化学反应，产生的唯一排放物就是水。瞧，这是排气口流出的水，非常的纯净。在赛时的时候将会有150辆车为北京和延庆两大赛区来提供保障服务。
从延庆市区到赛区小驼山山顶，海拔落差1500米，往返距离130公里，加氢一次只需要15分钟，可以往返三个来回。而氢气由风电、光伏等可再生能源制得，真正实现了零碳排放。
从材料到部件到系统，全部是国产化、自主化的一个氢动力发动机，系统释放出的产物是100%的纯净水，取自于大自然，回归大自然。冬奥会2月份的时候天气非常寒冷，它最大的特点是能在零下30度低温启动。
氢能，是理想的二次能源选择。氢是一种非常重要的元素，它和氧结合就构成了生命之源——水。氢在自然界分布很广，石油、天然气和动植物体内都含氢。例如海洋占据了地球表面积的71%，氢又占据了海水总质量的11%，可以说是取之不尽，用之不竭。如果把氢用作能源，优点非常多，主要包括清洁、环保、能量效率高、热值高、便于储运、制备方法多种多样等等。
一、清洁环保。氢本身无毒，在燃料电池中和空气中的氧气反应后，唯一的产物是纯净的水，而且水又可以循环利用，做到了污染物零排放，所以它被视为最清洁能源。
二、能量效率高。我们现在所使用的汽油、柴油或者天然气的内燃机车辆能量的利用效率只有15%到25%。但是科学家发明了新的氢燃料电池技术，可以控制氢气化学反应的速率，并直接将化学能转化为电能，使能量利用效率提高到60%以上，可以有效地降低能量的消耗，减少温室气体的排放。表格中所示的燃料电池，它们的能量转化效率均远远高于传统的内燃机。
三、热值高。氢气的热值为1.43×10?焦每千克，约为汽油的3倍，焦炭的4.5倍。目前5千克氢气所产生的热量就可以让轿车跑650千米，相比重达几百千克的电动车的电池，它可以有效减轻燃料的自重，增加运载工具的有效负载，降低运输成本。
四、便于储运。人们可以将氢气进行气态加压、冷却液化或者固态吸附，以适应储存及各种应用环境的不同要求。由于能源工厂大多远离城市，把氢气转化成液态之后，就能够用车辆、轮船等进行运输，也可以铺设管道，迅速把液态氢气运输到所需要的地方。由于氢能的运输成本和储存成本都远比电能便宜，有人还提出了海上制氢核电站的大胆设想：在远离居民区的海上建造一些人工海岛，把核电站建立在这些海岛上，制取的氢气和氧气可以用铺设在水下的通气管道输入陆地。电解用水和冷却用水均取自于海洋，既安全又经济。图示是我国自主研发的300立方米大容量液氢运输车。
五、制取方法多样。氢气在自然界含量高，制取的方法多种多样，可以因地制宜地把各种能源灵活地转化成氢气进行保存，把不稳定的可再生能源如太阳能、风能等变成稳定的能源。工业生产中产生的汽气、气热和气电等都可以用于制作氢气。例如晚上时发电厂可以把非高峰期多余的电力用于电解水制氢保存。图示是常用的工业制氢方法，如原油进行蒸汽转化可以产生氢气，原煤和天然气也可以进行蒸汽转化产生氢气，核燃料能通过热化学循环产生氢气，太阳能、水力发电、风能、波浪能、地热能等等，也可以通过生产电力电解水产生氢气。此外，废木材、有机废料和生物质也可以通过蒸汽转化产生氢气。
接下来看看氢燃料电池的奥秘。图示是单体氢燃料电池的工作原理。氢燃料电池中间有一张特殊的质子交换膜，薄膜正负极分别通过管道通入氢气和氧气，薄膜只能让带正电的氢离子通过，电子被拦在薄膜正极上，氢离子在薄膜的另一面负极上和氧气分子反应得到水分子和电子，薄膜两端的电子就能够形成电流。
这种特殊的电解质薄膜又被称为氢燃料电池的心脏。它需要使用昂贵的铂做催化剂，所以现在的氢燃料电池的价格比较高。科学家们正努力研究使用新材料替代铂来制作质子交换膜以降低成本。例如，德国研究人员研发出一种新型的铂铜合金，这种新型催化剂可以节约大约80%的铂。日本一家公司用碳合金催化剂代替了铂，发电效率与使用铂的燃料电池基本相同。科学技术的进步将会使氢燃料电池能够更快地得到普及和应用。下面请同学们观看视频，了解燃料电池的内部结构与工作原理。
氢燃料电池是发展氢能的关键一环，它是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，将氢气送到负极，经过催化剂的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下经外部电路产生电流，失去电子的氢离子可穿过质子交换膜，在正极与氧原子和电子重新结合为水。