新能源汽車動力蓄電池系統(tǒng)構造與檢修 教案-項目三任務3-4 燃料電池及其他類型動力蓄電池認知

課題任務3-4燃料電池及其他類型動力蓄電池認知課時4課時（180min）教學目標知識技能目標：（1）掌握氫燃料電池、超級電容器、鈉離子電池工作原理和種類（2）能完成燃料電池系統(tǒng)組成構件認知素質(zhì)目標：（1）培養(yǎng)學生的愛國主義精神和創(chuàng)新精神，立志科技報國（2）培養(yǎng)學生“敬、精、專、創(chuàng)”的工匠精神教學重難點教學重點：氫燃料電池、超級電容器、鈉離子電池工作原理和種類教學難點：能完成燃料電池系統(tǒng)組成構件認知教學方法情景模擬法、問答法、理實一體化教學法教學用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學過程主要教學內(nèi)容及步驟課前任務【教師】布置課前任務，和學生負責人取得聯(lián)系，組織學生下載“任務工單——燃料電池系統(tǒng)組成構件認知”，并根據(jù)任務工單進行組內(nèi)分工，同時提醒同學通過超星APP或其他學習軟件，收集燃料電池及其他類型動力蓄電池認知的相關資料，并進行了解【學生】提前上網(wǎng)觀看相關資料，熟悉教材考勤【教師】使用超星APP進行簽到【學生】按照老師要求簽到互動導入【教師】播放“燃料電池及其他類型動力蓄電池”視頻，并提出問題你所了解的燃料電池及其他類型動力蓄電池有哪些？請簡要闡述。【學生】聆聽、思考、討論、回答傳授新知【教師】通過大家的發(fā)言，引入新的知識點，講解氫燃料電池、超級電容器、鈉離子電池工作原理和種類等內(nèi)容目前，市面上主流的動力蓄電池主要是堿性電池和鋰離子電池，這些電池已得到市場普及，新能源汽車作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，作為車企需要在技術方面占領先機，需不斷進行新型電池的研發(fā)，滿足市場需求。例如氫燃料電池及其他類型動力蓄電池，都屬于新型動力蓄電池。氫燃料電池1．氫燃料電池概述【教師】通過多媒體展示“氫燃料電池汽車基本結(jié)構”圖片，并進行講解氫燃料電池汽車是利用氫氣和空氣中的氧，在催化劑的作用下在氫燃料電池中經(jīng)電化學反應產(chǎn)生的電能，并作為主要動力源驅(qū)動的汽車。氫燃料電池汽車實質(zhì)上是電動汽車的一種，在車身、動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面，氫燃料電池汽車與普通電動汽車基本相同，主要區(qū)別在于動力蓄電池的工作原理不同。與傳統(tǒng)汽車和純電動汽車相比，氫燃料電池汽車具有以下特點：（1）能量轉(zhuǎn)化效率高（2）無污染，零排放（3）氫來源廣泛（4）續(xù)駛里程長（5）加氫時間短（6）噪聲和振動小2．氫燃料電池的工作原理【教師】通過多媒體展示“氫燃料電池工作原理”圖片，并進行講解氫氣通入陽極，在催化劑作用下，一個氫分子分解為兩個氫離子，并釋放出兩個電子，在電池另一端，氧氣或空氣到達陰極；同時，氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極，電子通過外電路到達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧氣和氫離子與電子發(fā)生反應生成水。（1）當氫燃料電池的電解液是KOH溶液（堿性電解質(zhì)）時負極的電極反應式為：正極的電極反應式為：（2）當氫燃料電池的電解液是H2SO4溶液（酸性電解質(zhì)）時負極的電極反應式為：正極的電極反應式為：（3）當氫燃料電池的電解液是NaCl溶液（中性電解質(zhì)）時負極的電極反應式為：正極的電極反應式為：3.燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構【教師】通過多媒體展示“燃料電池系統(tǒng)結(jié)構”圖片，并進行講解（1）電堆（2）氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)（3）空氣供給系統(tǒng)（4）水熱管理系統(tǒng)（5）電控系統(tǒng)（6）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4．氫燃料電池的應用【教師】通過多媒體展示“豐田Mirai的主要部件”、“豐田Mirai的工作原理”等圖片，并進行講解氫燃料電池的應用主要圍繞豐田Mirai氫燃料電池汽車展開介紹。Mirai是豐田首款量產(chǎn)的氫燃料電池汽車。正如其名，Mirai被豐田汽車視為“未來之車”，Mirai在行駛過程中不加油、不充電、不排放尾氣，唯一排放的廢物是純凈水。Mirai代表著未來，一個真正節(jié)能而環(huán)保的汽車。儲氫罐中的氫氣與車頭吸入的氧氣在燃料電池內(nèi)發(fā)生反應，產(chǎn)生的電能驅(qū)動電機從面動車輛，反應產(chǎn)生的剩余電能存入儲能電池內(nèi)。燃料電池及升壓系統(tǒng)安裝于前排座椅的下方，由370個單體蓄電池組成，可以輸出114k的發(fā)電功率，由單體蓄電池產(chǎn)生的電流驅(qū)動車輛。而升壓系統(tǒng)能夠?qū)⒆罱K輸出的電壓升至650V，滿足電機的最大輸出需求。兩個儲氫罐位于車身后部，其容積分別為60L和62.4L，儲氣壓力可達70MPa。5．燃料電池的發(fā)展路徑【教師】通過多媒體播放“燃料電池的發(fā)展路徑”視頻，并進行講解燃料電池是未來能源轉(zhuǎn)型的重要技術手段。目前，隨著燃料電池技術的快速進步，中國已經(jīng)具備了生產(chǎn)高功率質(zhì)子交換膜燃料電池堆和系統(tǒng)的水平，為了在提高燃料電池性能和壽命的同時大幅降低成本，質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展路徑也逐漸清晰。質(zhì)子交換膜燃料電池中的大多數(shù)關鍵材料和部件都是進口的，這嚴重限制了燃料電池的制造成本，并且在未來的商業(yè)化過程中無法確保關鍵材料的安全供應。因此，當前發(fā)展的重點任務是大力推動形成具有自主知識產(chǎn)權的燃料電池堆和關鍵材料產(chǎn)業(yè)鏈，確保質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化發(fā)展的技術支持和生產(chǎn)能力。【教師】布置任務查詢相關資料，調(diào)研市面上3家生產(chǎn)燃料電池的廠家，分析行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景，調(diào)研并列舉氫燃料電池汽車品牌和車型?！緦W生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學生的回答超級電容器超級電容器也叫作雙電層電容器，是一種通過極化電解質(zhì)來儲能的電化學元件，但在儲能過程中并不發(fā)生化學反應，而且儲能過程是可逆的，可以反復充放電數(shù)十萬次。超級電容器也像飛輪電池一樣，是一種物理儲能電池。1．超級電容器的工作原理和結(jié)構【教師】通過多媒體展示“超級電容器的結(jié)構”圖片，并進行講解超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，正極板存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫作雙電層，因此電容量非常大。2．超級電容器特性【教師】通過多媒體展示“超級電容器特性”圖片，并進行講解超級電容器主要有以下特點：（1）輸出功率密度高。超級電容器的內(nèi)阻很小，輸出功率密度高達數(shù)千瓦每千克。（2）極長的充放電循環(huán)壽命。超級電容器循環(huán)壽命可達上萬次。（3）非常短的充電時間。超級電容器完全充電時間只要10～12min。（4）儲存壽命極長。理論上超級電容器的儲存壽命幾乎可以認為是無限的。（5）比能量低。這一缺陷制約了超級電容器的應用。3.超級電容電池的應用情況【教師】通過多媒體播放“超級電容電池的應用情況”視頻，并進行講解（1）超級電容器在太陽能能源系統(tǒng)中的應用（2）超級電容器在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用（3）超級電容器在新能源汽車發(fā)展中的機遇【教師】布置任務查詢相關資料，請闡述超級電容器的特殊性能？【學生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學生的回答鈉離子電池1．鈉離子電池概述【教師】通過多媒體展示“鈉離子電池”圖片，并進行講解鋰離子動力蓄電池作為綠色環(huán)保的儲能器件，因具有能量密度高、循環(huán)壽命長、安全無污染等突出優(yōu)勢，在電子市場、新能源汽車等儲能領域得到了廣泛應用，大大提高了人類的生產(chǎn)生活水平。鈉離子電池體系的嵌鈉材料實際上與嵌鋰材料的研究工作基本同時出現(xiàn)，即在二十世紀七八十年代就開始相關探索，但由于相對嵌鋰材料來說，嵌鈉材料的容量和結(jié)構穩(wěn)定性都較差，且構建全電池的比能量也較低，因此，在便攜式電子產(chǎn)品蓬勃發(fā)展的爆發(fā)年代，這種較低能量密度的電池體系難以受到重視。2．鈉離子電池的內(nèi)部結(jié)構【教師】通過多媒體展示“鈉離子電池的內(nèi)部結(jié)構”圖片，并進行講解鈉離子電池的內(nèi)部結(jié)構主要由四個部分組成，分別是正極、隔膜、負極和電解液。這四部分通常被固定包裹在某種電池結(jié)構內(nèi)部，以防止其在電化學反應過程中與外界環(huán)境介質(zhì)接觸。以2032型紐扣電池例，這四部分就被包裹在不銹鋼電池殼內(nèi)。正、負極分別是由一定比例的電極活性材料、導電劑和黏結(jié)劑等經(jīng)過混合制漿、涂覆和干燥而制成。3.鈉離子電池的工作原理【教師】通過多媒體播放“鈉離子電池的工作原理”視頻，并進行講解同鋰離子動力蓄電池的工作原理類似，鈉離子電池的工作原理也是基于離子和電子的“搖椅式”遷移。在充電過程中，正極內(nèi)發(fā)生氧化反應，鈉離子從正極中脫出，進入電解液中，隨后穿過隔膜遷移到負極；與此同時，電子離開正極，經(jīng)過外部電路向負極遷移。4.鈉離子電池的特點【教師】通過多媒體展示“鈉離子電池的特點”圖片，并進行講解鈉離子電池的特點主要包括以下幾個方面：1）相比鋰離子動力蓄電池，鈉離子電池不需要使用鋰、鈷等高價稀有金屬；2）電解質(zhì)材料主要是鈉鹽，在自然界中含量非常豐富，是“取之不盡”的物質(zhì)；3）鈉離子電池的工作機制與鋰離子動力蓄電池相同，可以沿用現(xiàn)有的生產(chǎn)工序和設備，不需要額外的設備再投資；4）鈉離子電池的電化學性能相對穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性較好，安全運行表現(xiàn)比鋰離子動力蓄電池更好；5）鈉離子電池具有較好的倍率性能，能夠適應響應型儲能和規(guī)模供電；6）鈉離子電池應用領域廣泛，未來有望應用于儲能和動力兩個領域，包括兩輪車和電動汽車等方面。適用于新能源汽車市場和儲能板塊，市場需求將大幅提升；7）鈉離子電池集流體可以使用鋁箔，極耳可以使用鋁極耳。相比于鋰離子動力蓄電池的銅集流體和鎳極耳，鋁極耳和集流體更加輕便且便宜。?！窘處煛坎贾萌蝿詹樵兿嚓P資料，請闡述鈉離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀。【學生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學生的回答實踐應用【教師】帶領學生到實操間進行實踐操作1．準備工作（1）實訓場所：理實一體化實訓室。（2）工具及設備：拆裝專用工具、防護用具等。（3）臺架/車輛：豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)。（4）輔助資料：車輛維修手冊、教材等。2．操作步驟【教師】通過多媒體展示圖片，并進行講解根據(jù)Mirai燃料電池系統(tǒng)構件實物，記錄構件名稱及參數(shù)，包含：名稱、作用、最大功率、功率密度等信息完成燃料電池系統(tǒng)組成構件認知檢查