中职《新能源汽车概论》教案第13课认识燃料电池.docx

课题认识燃料电池课时2课时(90min)教学目标知识目标：(I)掌握燃料电池的性能指标(2)掌握燃料电池的结构及工作原理(3)熟悉燃料电池的分类和特点技能目标：能够分析燃料电池的工作原理和特点素质目标：(1)树立科技成才、技能报国的人生理想(2)强化安全生产意识和集体责任感(3)践行节能环保、共筑绿色家园的生活理念教学重难点教学重点：掌握燃料电池的结构及工作原理、熟悉燃料电池的分类和特点教学难点：能够分析燃料电池的工作原理和特点教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：课前任务T考勤(2min)任务引入(5min)传授新知(33min)课堂讨论(5min)第2节课：传授新知(30min)课堂讨论(10min)课堂小结(3min)作业布置(2min)教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单认识燃料电池”，并根据任务工单迸行组内分工，同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集认识燃料电池的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勤(2min)【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况任务引入(5min)【教师】讲述“燃料电池"的案例，然后提出以下问题：燃料电池有哪些优势？【学生】聆听、思考、举手回答通过与本任务相关的创新故事引出任务，激发学生的学习兴趣，让学生带着相关背景去探索新知识传授新知(33min)【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解燃料电池的性能指标、结构及工作原理通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化成电能的电化学装置。7.1.1 燃料电池的性能指标燃料电池的性能指标主要有额定电压、额定电流、额定功率、电流密度、功率密度、寿命、效率等。额定电压：在特定工况条件下，在额定功率时电堆的端电压。额定电流：制造商规定的最大连续电流，是在特定工况条件下，在额定功率时电堆的电流。额定功率：在制造商规定的正常运行条件下，所设计的燃料电池发电系统的最大连续电输出功率。电流密度：单位活性（有效）面积上的电流强度，单位为Am2或Acm2,是单个燃料电池的关键指标。功率密度：燃料电;也单位活性面积的功率。寿命：燃料电池在一个规定的运行条件下，从首次启动到其电压降至低于规定的最低可接受电压时的时间间隔。效率：设备输出的有用能量流和输入能量流的比，与能源利用率密切相关，是燃料电池的重要指标。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述燃料电池的电流强度的影响因素燃料电池的电流强度不与电极面积成正比,这与燃料电池的类型和设计等因素有关。【学生】聆听、思考7.1.2 燃料电池的结构和工作原理【多媒体演示】组织学生扫码观看“燃料电池的工作原理“视频，帮助学生了解燃料电池的工作原理燃料电池主要由阴极、阳极、电解质和外部电路组成。燃料电池的工作原理与普通电化学电池类似，燃料（氢气）在阳极氧化，氧化剂（氧气）在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阳极构成电流回路，如图所示。让学生了解燃料电池的性能指标、结构及工作原理（叵不f之外，E氧化齐U氨气T弗r过量的氢也I收再利用）司于普通电化学电池日极本身不包含活性，,燃料电池就能一直学生】聆听、思考、1:I,燃料自物质，F供电，艮理解、IlB1.d负奉3池的;I作为彳目而可己忆I1、氧气水氧化剂）干要不断地务限的。彳储在电池总供燃料和5国舌性物应崔化转擦以认为里IliOi（燃料和I元件。只工容量是无课堂讨论（5min） 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：燃料电池主要由哪几部分组成? 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解第二节课传授新知（30min）【教师】通过大家的发言，期入新知，讲解燃料电池的分类及特点7.1.3燃料电池的分类燃料电池根据使用的电解质种类的不同，可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）等.1.质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池采用具有离子交换能力的聚合物作为电解质，所以也叫通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解燃料电池的分类及特点聚合物电解质燃料电池（PEFC）或固体聚合物燃料电池（SPFC）,是目前应用最为广泛的燃料电池。1）质子交换膜燃料电池的结构和工作原理质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜、催化剂、电极（阳极与阴极）等组成.质子交换膜燃料电池的工作原理如图7-2所示。工作时，在阳极，氢气被转换为氢离子并释放出电子，电子通过外部电路回到电池阴极形成电流,与此同时，氢离子通过电池内部的质子交换膜到达阳极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，并与氢离子结合生成水。质子交换膜【知识链接】拓展知识面【教师】讲述什么是质子交换膜质子交换膜是质子交换膜燃料电池最重要的部件,其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。质子交换膜不仅是一种将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开的隔膜材料,还是电解质和电极活性物质（催化剂）的基底，即兼具隔月窗口电解质的作用；另外，它还是一种选择透过性膜，只允许氢离子通过。【学生】聆听、思考2）质子交换膜燃料电池的特点（1）优点。能量转换效率高。质子交换膜燃料电池经过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，期间没有热机过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。可实现零排放。水是唯一的排放物，没有污染物排放，是环保型能源.噪声低。没有机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。维护方便。内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，组装和维护都很方便.发电效率平稳。负荷变化对发电效率的影响很小，很适合用作新能源汽车的动力源。燃料来源广泛。氢气来源极其广泛，可通过对石油、天然气等重整制氢气，也可通过电解水、光解水等制氢气.氢气是一种可再生的能源资源。(2)缺点.成本高。质子交换膜和催化剂都十分昂贵。对氢气的纯度要求较高。质子交换膜燃料电池需要纯净的氢气，而氢气极易受到一氧化碳和其他杂质的污染。2.碱性燃料电池碱性燃料电池的设计基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。碱性燃料电池具有以下特点。(1)优点。能量转换效率高。碱性燃料电池的能量转换效率可达55%.可靠性高。可以使用非贵金属作为催化剂，增加了碱性燃料电池的可靠性。技术发展快。碱性燃料电池是当前技术发展最快的一种电池，可用于新能源汽车，也可为飞机提供动力和饮用水等，具有很大的发展空间和应用前景。成本低。碱性燃料电池是燃料电池中生产成本最低的一种电池.(2)缺点。具有一定的危睑性。由于使用具有腐蚀性的液态电解质，因此具有一定的危险性.易污染环境。电解质泄漏会造成环境污染.系统复杂性较高。为解决二氧化碳毒化所采用的一些方法，增加了系统的复杂性。3.磷酸燃料电池磷酸燃料电池是以磷酸水溶液作为电解质的酸性燃料电池。磷酸燃料电池是目前唯一进行了商业化运行的燃料电池。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电湖口碱性燃料电池的略高，为15020(C,但仍需电极上的白金催化剂来加速反应.其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的快。磷酸燃料电池具有以下特点。(1)优点。对杂质的耐受性较强。较高的工作温度使磷酸燃料电池对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1%2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池仍然可以工作。电解质挥发度低。构造简单。(2)缺点。能量转换效率低。磷酸燃料电池的能量转换效率比其他燃料电池低，约为40%。加热时间较长。4.熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极和金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融碳酸盐。当温度加热到650时，碳酸盐会熔化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子，电子通过外部电路返回阴极，从而完成循环放电。熔融碳酸盐燃料电池具有以下特点。(1)优点。能量转换效率高。熔融碳酸盐燃料电池的能量转换效率高于40%.噪声低、无污染。成本低。不需要使用贵金属催化剂，因此成本较低。易于操作。(2)缺点.寿命短。高温条件下熔融电解质的管理较困难，长期操作过程中，腐蚀和渗漏现象严重，影响了电池的寿命。易污染环境.5.固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池使用离子导电氧化物作为电解质，是一种在中高温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态电化学装置。固体氧化物燃料电池工作温度高，为8001()(X)O(Z.在固体氧化物燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳极时，氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)便产生电能，即在阳极生成电子，电子通过外部电路返回到阴极形成电流，从而完成循环放电。固体氧化物燃料电池具有以下特点.(1)优点。能量转换效率高。固体氧化物燃料电池直接将化学能转化为电能，期间没有热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转换效率高。寿命长。固体氧化物燃料电池是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题，无须配置电解质管理系统，可实现长寿命运行。低排放、低噪声。废热的再利用价值高。(2)缺点。组装困难。电解质材料为陶瓷材料，质脆易裂，电堆组装困难。自由能存在损失。不适用于需要经常启动的非固定场所。工作温度较高，预热时间较长，因此不适用于需要经常启动的非固定场所。6.直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池通常以质子交换膜为电解质，直接使用气态或液态形式的甲醇作为燃料，而不需要通过重整器重整甲醇、汽油及天然气等再取出氢气以供发电。直接甲醇燃料电池具有以下特点。(I)优点。燃料来源丰富。甲醇来源丰富，且价格低廉，储存、携带方便。结构简单，操作方便。(2)缺点。当甲醇低温转换为氢二氧化碳时，要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。六种燃料电池的主要特征参数如表所示燃料电池破饯燃料电池磷酸燃料电池培总旗酸盐燃料电池因体制化物燃料电池直接甲SI燃料电池I氧气氢气氢气氧气、一家化碳氧气、一家化碳甲酹电解质质子交换股碱溶液破酸水溶液熔鞋碳酸盐固态二复化锅质子交换膜工作逼度80C左右60-l20r170210C60-650IOoOiC左右M)C左右氧化剂空气或需气翅气空气空气空气空气或然气电卧用CCCNi-MNi-YSZC催伽PtPt.NiPtNiNiPi中强强无中寿命100OOOh100OOhISOOOhDOOOh7OOOh100OOOh1»1>60%60%-70%40%-50%>60%>60%>60%Wti功率密度高，运行灵活,无府蚀住效率幅有腐蚀性效率低,有Ja蚀性效率高,控脱复杂，有麻蚀性效率高,运行温度高，有IetS性功率空度高.运行灵活.无IS蚀性应用领域*航天、军事，汽车'固定式用途航天、军事大客车.中小电厂、冏定式用途大型电厂大型电厂、热站、固定式用途航天，军事、汽车、固定式用途【大道至简】拓展知识面【教师】讲述科技的重要性科技的发展贵在不断钻研、不断创新，中国科技能有今天的成就正是全国人民不懈努力、不断创新的体现。今后，我们在自己的工作岗位上也要爱岗敬业、钻研创新，充分利用国家为人民提供的良好资源，为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献一份力量。【学生】聆听、思考7.1.4燃料电池的特点与动力电池相比，燃料电池具有以下优点.(1)运转效率高。燃料电池在额定功率下的效率可达60%,在部分功率输出条件下效率可达70%,在过载功率输出条件下效率可达55%。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述科技的重要性燃料电池短时间的过载能力可达额定功率的200%,因此完全能满足车辆在加速和爬坡时的动力性能要求。【学生】聆听、思考(2)基本实现零污染。燃料电池的排放物主要是水、一氧化碳和二氧化碳等，属于"超低排放".(3)噪声低、寿命长。燃料电池是通过燃料和氧化剂分别在两个电极上发生反应，由电解质和外部电路构成回路，将反应中的化学能转换为电能，在整个工作过程中，没有噪声和机械振动的产生，从而减少了机械磨损，延长了寿命。(4)结构简单、运行平稳。燃料电池是在静态下完成能量转换的，结构比较简单；由于无机械振动，因此运行时比较平稳。燃料电池具有以下缺点。(1)燃料种类单一。氢气是燃料电池的主要燃料，氢气的生产、储存、保管、运输和罐装都比较复杂，对安全性要求很高。(2)价格高。制造成本高，电池价格昂贵。(3)密封要求严格。燃料电池有严格的密封要求，密封不良会导致氢气泄漏到燃料电池的外面，降低氢气的利用率并严重影响燃料电池的效率，还会引起氧气燃烧事故。由于密封要求严格，因此燃料电池的制造工艺很复杂，维护也不方便。(4)需要配备辅助电池系统。燃料电池可以持续发电，但不能充电、不能回收燃料电池电动汽车的制动能量，因此通常需要在燃料电池电动汽车上增加辅助电池，用以储存富裕的电能和回收制动能量。【行业资讯】拓展知识面【教师】讲述车用燃料电池需要解决的问题车用燃料电池要得到进一步的发展，还需要解决以下关键问题。(1)提高车用燃料电池的单位质量、电流密度及功率密度，提高车辆所需要的快速启动和动力响应的能力。(2)需要开发质量轻、体积小、能储存更多氢气的储氢罐，以便充分利用燃料能量，提高续驶里程和载重量。(3)需要解决氢气的安全问题。在一定的条牛下，氢气比汽油更具危险性。无论采取什么方式储存氢气，存储器及其安全措施都要满足使用要求。(4)电池组件必须采用“积木化”设计，通过开发有效的制造工艺，对其进行高效的自动化生产，以降低成本。(5)开发结构紧凑、性能可靠的质子交换膜燃料电池，同时开发使用其他燃料(如甲烷、柴油等)的燃料电池。【学生】聆听、思考【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论(10min) 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问Sg：六种燃料电池对比，优缺点分别是什么？ 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解课堂小结(3min)【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了燃料电池的性能指标、结构、工作原理、分类、特点。希望大家课下能多练习，对燃料电池的性能指结构、工作原理、分类、特点有一定认识，并能正确、熟练的分析分析燃料电池的工作原理和特点【学生】总结回顾知识点总结知识点，巩固印象作业布置(2min)【教师】布置课后作业【学生】完成课后任务复习巩固学到的知识，并能学以致用本节课本节课学生接触了新的知识，学习兴趣较高。不过知识点较多，全部消化还是难。每个教学反思学生都积极参与到教学活动中，发挥了自己的价值。在教学中，教师要时刻关注学生学习成绩、方法等各方面的变化，引导学生从被动学习转为自主学习和思考，从而提高学习的积极性和主动性。