新能源汽車動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)構(gòu)造與檢修 教案-項(xiàng)目三任務(wù)3-4 燃料電池及其他類型動(dòng)力蓄電池認(rèn)知

課題任務(wù)3-4燃料電池及其他類型動(dòng)力蓄電池認(rèn)知課時(shí)4課時(shí)（180min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）掌握氫燃料電池、超級(jí)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(gòu)件認(rèn)知素質(zhì)目標(biāo)：（1）培養(yǎng)學(xué)生的愛國(guó)主義精神和創(chuàng)新精神，立志科技報(bào)國(guó)（2）培養(yǎng)學(xué)生“敬、精、專、創(chuàng)”的工匠精神教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：氫燃料電池、超級(jí)電容器、鈉離子電池工作原理和種類教學(xué)難點(diǎn)：能完成燃料電池系統(tǒng)組成構(gòu)件認(rèn)知教學(xué)方法情景模擬法、問(wèn)答法、理實(shí)一體化教學(xué)法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)過(guò)程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，組織學(xué)生下載“任務(wù)工單——燃料電池系統(tǒng)組成構(gòu)件認(rèn)知”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行組內(nèi)分工，同時(shí)提醒同學(xué)通過(guò)超星APP或其他學(xué)習(xí)軟件，收集燃料電池及其他類型動(dòng)力蓄電池認(rèn)知的相關(guān)資料，并進(jìn)行了解【學(xué)生】提前上網(wǎng)觀看相關(guān)資料，熟悉教材考勤【教師】使用超星APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到互動(dòng)導(dǎo)入【教師】播放“燃料電池及其他類型動(dòng)力蓄電池”視頻，并提出問(wèn)題你所了解的燃料電池及其他類型動(dòng)力蓄電池有哪些？請(qǐng)簡(jiǎn)要闡述?！緦W(xué)生】聆聽、思考、討論、回答傳授新知【教師】通過(guò)大家的發(fā)言，引入新的知識(shí)點(diǎn)，講解氫燃料電池、超級(jí)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(dòng)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(chǎng)普及，新能源汽車作為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，作為車企需要在技術(shù)方面占領(lǐng)先機(jī)，需不斷進(jìn)行新型電池的研發(fā)，滿足市場(chǎng)需求。例如氫燃料電池及其他類型動(dòng)力蓄電池，都屬于新型動(dòng)力蓄電池。氫燃料電池1．氫燃料電池概述【教師】通過(guò)多媒體展示“氫燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)”圖片，并進(jìn)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能，并作為主要?jiǎng)恿υ打?qū)動(dòng)的汽車。氫燃料電池汽車實(shí)質(zhì)上是電動(dòng)汽車的一種，在車身、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面，氫燃料電池汽車與普通電動(dòng)汽車基本相同，主要區(qū)別在于動(dòng)力蓄電池的工作原理不同。與傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車相比，氫燃料電池汽車具有以下特點(diǎn)：（1）能量轉(zhuǎn)化效率高（2）無(wú)污染，零排放（3）氫來(lái)源廣泛（4）續(xù)駛里程長(zhǎng)（5）加氫時(shí)間短（6）噪聲和振動(dòng)小2．氫燃料電池的工作原理【教師】通過(guò)多媒體展示“氫燃料電池工作原理”圖片，并進(jìn)行講解氫氣通入陽(yáng)極，在催化劑作用下，一個(gè)氫分子分解為兩個(gè)氫離子，并釋放出兩個(gè)電子，在電池另一端，氧氣或空氣到達(dá)陰極；同時(shí)，氫離子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過(guò)外電路到達(dá)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(yīng)生成水。（1）當(dāng)氫燃料電池的電解液是KOH溶液（堿性電解質(zhì)）時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式為：正極的電極反應(yīng)式為：（2）當(dāng)氫燃料電池的電解液是H2SO4溶液（酸性電解質(zhì)）時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式為：正極的電極反應(yīng)式為：（3）當(dāng)氫燃料電池的電解液是NaCl溶液（中性電解質(zhì)）時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式為：正極的電極反應(yīng)式為：3.燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)【教師】通過(guò)多媒體展示“燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”圖片，并進(jìn)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(yīng)用【教師】通過(guò)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(jìn)行講解氫燃料電池的應(yīng)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(lái)之車”，Mirai在行駛過(guò)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(lái)，一個(gè)真正節(jié)能而環(huán)保的汽車。儲(chǔ)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(yīng)，產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)從面動(dòng)車輛，反應(yīng)產(chǎn)生的剩余電能存入儲(chǔ)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(gè)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(dòng)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(jī)的最大輸出需求。兩個(gè)儲(chǔ)氫罐位于車身后部，其容積分別為60L和62.4L，儲(chǔ)氣壓力可達(dá)70MPa。5．燃料電池的發(fā)展路徑【教師】通過(guò)多媒體播放“燃料電池的發(fā)展路徑”視頻，并進(jìn)行講解燃料電池是未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段。目前，隨著燃料電池技術(shù)的快速進(jìn)步，中國(guó)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(shí)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(guān)鍵材料和部件都是進(jìn)口的，這嚴(yán)重限制了燃料電池的制造成本，并且在未來(lái)的商業(yè)化過(guò)程中無(wú)法確保關(guān)鍵材料的安全供應(yīng)。因此，當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)是大力推動(dòng)形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池堆和關(guān)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(shù)支持和生產(chǎn)能力?！窘處煛坎贾萌蝿?wù)查詢相關(guān)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(xué)生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學(xué)生的回答超級(jí)電容器超級(jí)電容器也叫作雙電層電容器，是一種通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的電化學(xué)元件，但在儲(chǔ)能過(guò)程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器也像飛輪電池一樣，是一種物理儲(chǔ)能電池。1．超級(jí)電容器的工作原理和結(jié)構(gòu)【教師】通過(guò)多媒體展示“超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)”圖片，并進(jìn)行講解超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，正極板存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)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(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫作雙電層，因此電容量非常大。2．超級(jí)電容器特性【教師】通過(guò)多媒體展示“超級(jí)電容器特性”圖片，并進(jìn)行講解超級(jí)電容器主要有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率密度高。超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，輸出功率密度高達(dá)數(shù)千瓦每千克。（2）極長(zhǎng)的充放電循環(huán)壽命。超級(jí)電容器循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次。（3）非常短的充電時(shí)間。超級(jí)電容器完全充電時(shí)間只要10～12min。（4）儲(chǔ)存壽命極長(zhǎng)。理論上超級(jí)電容器的儲(chǔ)存壽命幾乎可以認(rèn)為是無(wú)限的。（5）比能量低。這一缺陷制約了超級(jí)電容器的應(yīng)用。3.超級(jí)電容電池的應(yīng)用情況【教師】通過(guò)多媒體播放“超級(jí)電容電池的應(yīng)用情況”視頻，并進(jìn)行講解（1）超級(jí)電容器在太陽(yáng)能能源系統(tǒng)中的應(yīng)用（2）超級(jí)電容器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用（3）超級(jí)電容器在新能源汽車發(fā)展中的機(jī)遇【教師】布置任務(wù)查詢相關(guān)資料，請(qǐng)闡述超級(jí)電容器的特殊性能？【學(xué)生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學(xué)生的回答鈉離子電池1．鈉離子電池概述【教師】通過(guò)多媒體展示“鈉離子電池”圖片，并進(jìn)行講解鋰離子動(dòng)力蓄電池作為綠色環(huán)保的儲(chǔ)能器件，因具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全無(wú)污染等突出優(yōu)勢(shì)，在電子市場(chǎng)、新能源汽車等儲(chǔ)能領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(shí)際上與嵌鋰材料的研究工作基本同時(shí)出現(xiàn)，即在二十世紀(jì)七八十年代就開始相關(guān)探索，但由于相對(duì)嵌鋰材料來(lái)說(shuō)，嵌鈉材料的容量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都較差，且構(gòu)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(gòu)【教師】通過(guò)多媒體展示“鈉離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”圖片，并進(jìn)行講解鈉離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)部分組成，分別是正極、隔膜、負(fù)極和電解液。這四部分通常被固定包裹在某種電池結(jié)構(gòu)內(nèi)部，以防止其在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(fù)極分別是由一定比例的電極活性材料、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑等經(jīng)過(guò)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(guò)多媒體播放“鈉離子電池的工作原理”視頻，并進(jìn)行講解同鋰離子動(dòng)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(guò)程中，正極內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)，鈉離子從正極中脫出，進(jìn)入電解液中，隨后穿過(guò)隔膜遷移到負(fù)極；與此同時(shí)，電子離開正極，經(jīng)過(guò)外部電路向負(fù)極遷移。4.鈉離子電池的特點(diǎn)【教師】通過(guò)多媒體展示“鈉離子電池的特點(diǎn)”圖片，并進(jìn)行講解鈉離子電池的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：1）相比鋰離子動(dòng)力蓄電池，鈉離子電池不需要使用鋰、鈷等高價(jià)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(jī)制與鋰離子動(dòng)力蓄電池相同，可以沿用現(xiàn)有的生產(chǎn)工序和設(shè)備，不需要額外的設(shè)備再投資；4）鈉離子電池的電化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性較好，安全運(yùn)行表現(xiàn)比鋰離子動(dòng)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(yīng)響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電；6）鈉離子電池應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)有望應(yīng)用于儲(chǔ)能和動(dòng)力兩個(gè)領(lǐng)域，包括兩輪車和電動(dòng)汽車等方面。適用于新能源汽車市場(chǎng)和儲(chǔ)能板塊，市場(chǎng)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(dòng)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?wù)查詢相關(guān)資料，請(qǐng)闡述鈉離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀。【學(xué)生】聆聽、思考、回答【教師】總結(jié)學(xué)生的回答實(shí)踐應(yīng)用【教師】帶領(lǐng)學(xué)生到實(shí)操間進(jìn)行實(shí)踐操作1．準(zhǔn)備工作（1）實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所：理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)室。（2）工具及設(shè)備：拆裝專用工具、防護(hù)用具等。（3）臺(tái)架/車輛：豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)。（4）輔助資料：車輛維修手冊(cè)、教材等。2．操作步驟【教師】通過(guò)多媒體展示圖片，并進(jìn)行講解根據(jù)Mirai燃料電池系統(tǒng)構(gòu)件實(shí)物，記錄構(gòu)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(gòu)件認(rèn)知檢查