新能源汽车动力蓄电池系统构造与检修 教案-项目三任务3-4 燃料电池及其他类型动力蓄电池认知

课题任务3-4燃料电池及其他类型动力蓄电池认知课时4课时（180min）教学目标知识技能目标：（1）掌握氢燃料电池、超级电容器、钠离子电池工作原理和种类（2）能完成燃料电池系统组成构件认知素质目标：（1）培养学生的爱国主义精神和创新精神，立志科技报国（2）培养学生“敬、精、专、创”的工匠精神教学重难点教学重点：氢燃料电池、超级电容器、钠离子电池工作原理和种类教学难点：能完成燃料电池系统组成构件认知教学方法情景模拟法、问答法、理实一体化教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——燃料电池系统组成构件认知”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过超星APP或其他学习软件，收集燃料电池及其他类型动力蓄电池认知的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材考勤【教师】使用超星APP进行签到【学生】按照老师要求签到互动导入【教师】播放“燃料电池及其他类型动力蓄电池”视频，并提出问题你所了解的燃料电池及其他类型动力蓄电池有哪些？请简要阐述。【学生】聆听、思考、讨论、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解氢燃料电池、超级电容器、钠离子电池工作原理和种类等内容目前，市面上主流的动力蓄电池主要是碱性电池和锂离子电池，这些电池已得到市场普及，新能源汽车作为我国战略性新兴产业，作为车企需要在技术方面占领先机，需不断进行新型电池的研发，满足市场需求。例如氢燃料电池及其他类型动力蓄电池，都属于新型动力蓄电池。氢燃料电池1．氢燃料电池概述【教师】通过多媒体展示“氢燃料电池汽车基本结构”图片，并进行讲解氢燃料电池汽车是利用氢气和空气中的氧，在催化剂的作用下在氢燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。氢燃料电池汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，氢燃料电池汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力蓄电池的工作原理不同。与传统汽车和纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车具有以下特点：（1）能量转化效率高（2）无污染，零排放（3）氢来源广泛（4）续驶里程长（5）加氢时间短（6）噪声和振动小2．氢燃料电池的工作原理【教师】通过多媒体展示“氢燃料电池工作原理”图片，并进行讲解氢气通入阳极，在催化剂作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电子，在电池另一端，氧气或空气到达阴极；同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧气和氢离子与电子发生反应生成水。（1）当氢燃料电池的电解液是KOH溶液（碱性电解质）时负极的电极反应式为：正极的电极反应式为：（2）当氢燃料电池的电解液是H2SO4溶液（酸性电解质）时负极的电极反应式为：正极的电极反应式为：（3）当氢燃料电池的电解液是NaCl溶液（中性电解质）时负极的电极反应式为：正极的电极反应式为：3.燃料电池系统的结构【教师】通过多媒体展示“燃料电池系统结构”图片，并进行讲解（1）电堆（2）氢气供给循环系统（3）空气供给系统（4）水热管理系统（5）电控系统（6）数据采集系统4．氢燃料电池的应用【教师】通过多媒体展示“丰田Mirai的主要部件”、“丰田Mirai的工作原理”等图片，并进行讲解氢燃料电池的应用主要围绕丰田Mirai氢燃料电池汽车展开介绍。Mirai是丰田首款量产的氢燃料电池汽车。正如其名，Mirai被丰田汽车视为“未来之车”，Mirai在行驶过程中不加油、不充电、不排放尾气，唯一排放的废物是纯净水。Mirai代表着未来，一个真正节能而环保的汽车。储氢罐中的氢气与车头吸入的氧气在燃料电池内发生反应，产生的电能驱动电机从面动车辆，反应产生的剩余电能存入储能电池内。燃料电池及升压系统安装于前排座椅的下方，由370个单体蓄电池组成，可以输出114k的发电功率，由单体蓄电池产生的电流驱动车辆。而升压系统能够将最终输出的电压升至650V，满足电机的最大输出需求。两个储氢罐位于车身后部，其容积分别为60L和62.4L，储气压力可达70MPa。5．燃料电池的发展路径【教师】通过多媒体播放“燃料电池的发展路径”视频，并进行讲解燃料电池是未来能源转型的重要技术手段。目前，随着燃料电池技术的快速进步，中国已经具备了生产高功率质子交换膜燃料电池堆和系统的水平，为了在提高燃料电池性能和寿命的同时大幅降低成本，质子交换膜燃料电池的发展路径也逐渐清晰。质子交换膜燃料电池中的大多数关键材料和部件都是进口的，这严重限制了燃料电池的制造成本，并且在未来的商业化过程中无法确保关键材料的安全供应。因此，当前发展的重点任务是大力推动形成具有自主知识产权的燃料电池堆和关键材料产业链，确保质子交换膜燃料电池商业化发展的技术支持和生产能力。【教师】布置任务查询相关资料，调研市面上3家生产燃料电池的厂家，分析行业发展现状及前景，调研并列举氢燃料电池汽车品牌和车型。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答超级电容器超级电容器也叫作双电层电容器，是一种通过极化电解质来储能的电化学元件，但在储能过程中并不发生化学反应，而且储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器也像飞轮电池一样，是一种物理储能电池。1．超级电容器的工作原理和结构【教师】通过多媒体展示“超级电容器的结构”图片，并进行讲解超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，正极板存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫作双电层，因此电容量非常大。2．超级电容器特性【教师】通过多媒体展示“超级电容器特性”图片，并进行讲解超级电容器主要有以下特点：（1）输出功率密度高。超级电容器的内阻很小，输出功率密度高达数千瓦每千克。（2）极长的充放电循环寿命。超级电容器循环寿命可达上万次。（3）非常短的充电时间。超级电容器完全充电时间只要10～12min。（4）储存寿命极长。理论上超级电容器的储存寿命几乎可以认为是无限的。（5）比能量低。这一缺陷制约了超级电容器的应用。3.超级电容电池的应用情况【教师】通过多媒体播放“超级电容电池的应用情况”视频，并进行讲解（1）超级电容器在太阳能能源系统中的应用（2）超级电容器在风力发电系统中的应用（3）超级电容器在新能源汽车发展中的机遇【教师】布置任务查询相关资料，请阐述超级电容器的特殊性能？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答钠离子电池1．钠离子电池概述【教师】通过多媒体展示“钠离子电池”图片，并进行讲解锂离子动力蓄电池作为绿色环保的储能器件，因具有能量密度高、循环寿命长、安全无污染等突出优势，在电子市场、新能源汽车等储能领域得到了广泛应用，大大提高了人类的生产生活水平。钠离子电池体系的嵌钠材料实际上与嵌锂材料的研究工作基本同时出现，即在二十世纪七八十年代就开始相关探索，但由于相对嵌锂材料来说，嵌钠材料的容量和结构稳定性都较差，且构建全电池的比能量也较低，因此，在便携式电子产品蓬勃发展的爆发年代，这种较低能量密度的电池体系难以受到重视。2．钠离子电池的内部结构【教师】通过多媒体展示“钠离子电池的内部结构”图片，并进行讲解钠离子电池的内部结构主要由四个部分组成，分别是正极、隔膜、负极和电解液。这四部分通常被固定包裹在某种电池结构内部，以防止其在电化学反应过程中与外界环境介质接触。以2032型纽扣电池例，这四部分就被包裹在不锈钢电池壳内。正、负极分别是由一定比例的电极活性材料、导电剂和黏结剂等经过混合制浆、涂覆和干燥而制成。3.钠离子电池的工作原理【教师】通过多媒体播放“钠离子电池的工作原理”视频，并进行讲解同锂离子动力蓄电池的工作原理类似，钠离子电池的工作原理也是基于离子和电子的“摇椅式”迁移。在充电过程中，正极内发生氧化反应，钠离子从正极中脱出，进入电解液中，随后穿过隔膜迁移到负极；与此同时，电子离开正极，经过外部电路向负极迁移。4.钠离子电池的特点【教师】通过多媒体展示“钠离子电池的特点”图片，并进行讲解钠离子电池的特点主要包括以下几个方面：1）相比锂离子动力蓄电池，钠离子电池不需要使用锂、钴等高价稀有金属；2）电解质材料主要是钠盐，在自然界中含量非常丰富，是“取之不尽”的物质；3）钠离子电池的工作机制与锂离子动力蓄电池相同，可以沿用现有的生产工序和设备，不需要额外的设备再投资；4）钠离子电池的电化学性能相对稳定、热稳定性较好，安全运行表现比锂离子动力蓄电池更好；5）钠离子电池具有较好的倍率性能，能够适应响应型储能和规模供电；6）钠离子电池应用领域广泛，未来有望应用于储能和动力两个领域，包括两轮车和电动汽车等方面。适用于新能源汽车市场和储能板块，市场需求将大幅提升；7）钠离子电池集流体可以使用铝箔，极耳可以使用铝极耳。相比于锂离子动力蓄电池的铜集流体和镍极耳，铝极耳和集流体更加轻便且便宜。。【教师】布置任务查询相关资料，请阐述钠离子电池的发展现状。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答实践应用【教师】带领学生到实操间进行实践操作1．准备工作（1）实训场所：理实一体化实训室。（2）工具及设备：拆装专用工具、防护用具等。（3）台架/车辆：丰田Mirai燃料电池系统。（4）辅助资料：车辆维修手册、教材等。2．操作步骤【教师】通过多媒体展示图片，并进行讲解根据Mirai燃料电池系统构件实物，记录构件名称及参数，包含：名称、作用、最大功率、功率密度等信息完成燃料电池系统组成构件认知检查