《氢能源材料应用和检测》课程教学实践_刘洋.pdf

广 东 化 工 2023 年 第 4 期 232 第 50 卷 总第 486 期 氢能源材料应用和检测课程教学实践氢能源材料应用和检测课程教学实践 刘洋1*，李羽彤1，史华红2，岳秀1(1广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300；2佛山华铕光电材料股份有限公司，广东 佛山 528000)摘 要在双碳背景下，国内氢能产业迅速发展。目前氢能企业从业人员多来自化学化工、材料、机电等领域。而氢能产业的发展离不开专业人才，氢能人才是推动产业发展的核心资源，为氢能应用落地提供人才保障企业对氢能专业的人才需求，氢能专业出身的技术型人才缺口极大。氢能技术应用专业是为解决氢能产业人才需求而建设的新兴专业，是 2019 年教育部新增专业。本门课程氢能源材料应用和检测是一门面向高职院校学生开设的专业核心课程，在专业领域占据非常重要的位置。本文从课程的教学目标设计、课程体系规划、课程授课形式等方面初步探索氢能源材料应用和检测专业基础课的建设和实施。关键词氢能源；氢能技术应用专业；材料；课程标准；教学模式 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0232-02 Curriculum Teaching and Practicing of“The Application and Testing of Hydrogen Energy Materials”Liu Yang1*,Li Yutong1,Shi Huahong2,Yue Xiu1(1.Guangdong Industry Polytechnic,Guangzhou 510300；2.Foshan Huayoo Photoelectric Materials Co.,Ltd.,Foshan 528000,China)Abstract:Under the background of carbon neutrality and carbon peak,domestic hydrogen energy industry is developing rapidly.At present,most of the employees of hydrogen energy enterprises come from chemical and chemical,material,electromechanical and other fields.The development of hydrogen energy industry is inseparable from professional talents,and hydrogen energy talents are the core resources to promote the development of the industry,and provide talents to guarantee the demand of hydrogen energy professional talents for the landing of hydrogen energy application enterprises,and there is a great shortage of technical talents with hydrogen energy professional background.Hydrogen energy technology application is an emerging major built to solve the demand of hydrogen energy industry talents,and it is a new major of the Ministry of Education in 2019.The major hydrogen energy technology application is an emerging major built to address the demand for talent in the hydrogen energy industry.“The Application and Testing of Hydrogen Energy Materials”is a professional core course for students in higher education institutions and occupies a very important position in the professional field.This paper initially explores the construction and implementation of this foundation course of the major,“The Application and Testing of Hydrogen Energy Materials”,from the refinement of the teaching objectives of the course,the planning of the course system and the form of course delivery.Keywords:hydrogen energy；major in hydrogen energy technology application；materials；curriculum standards；teaching methods 氢能是一种新型的清洁高效能源，已经被美国列入能源转型的战略部署。氢能在我国起步较晚，氢能产业也正在经历从0 到 1 的过程。近年来，随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，氢能产业在我国迅速发展。产业涉及上游制氢、中游储运、下游加注及应用等环节，产业链条长。上游制氢环节包括工业副产制氢、水电解制氢等；中游储运环节包括储氢瓶(罐)设计、制造和安装、加氢站的建设、加氢管道等；下游加注领域主要包括燃料电池汽车(乘用车)、加氢系统应用、并向新能源发电领域拓展1-2。目前国内初步形成了氢能产业链的上、中、下游的产业布局。根据中国汽车工业协会统计，累计推广氢燃料电池商用车 3 万辆，占全球新增销量的 40%。广东省氢能产业的发展起步较早，早在 2009 年就启动了燃料电池汽车的研究，并出台了一系列氢能政策措施，其中包括 关于加快推进广东省氢能发展的若干意见 等多个文件以及氢能发展专项资金(“氢能发展专项资金”)3-4。2021 年，根据广东省工业和信息化厅公布的“十四五”时期工业转型升级高质量发展规划 以及 广东省“十四五”氢能产业发展规划显示，到 2025 年，珠三角地区氢能基础设施基本建成，产业链日趋完善，形成全国氢能产业发展高地。全省氢能产业总产值突破 2000 亿元；全省氢能装备年产量超 500 台(套)/年，氢能产业链年产值超 5000 亿元；全省加氢站数量达到 200 座以上，建成加氢站超过 150 座；省内具备氢能应用场景的公交、物流、环卫等车辆占比达 30%以上；累计推广应用氢燃料电池汽车 10000 辆以上。产业的发展离不开专业人才，氢能人才是推动产业发展的核心资源，为氢能应用落地提供人才保障5。氢能产业发展过程中，氢能产业链涉及多个行业领域和多个产业环节，如氢燃料电池系统、膜电极材料与零部件、储氢瓶材料与零部件、氢气制取与储运、氢燃料电池整车制造等环节，在双碳背景下，越来越多的企业加入到氢能产业链中，相关专业的毕业生需求量在不断增加。从氢能产业基础设施建设到燃料电池汽车制造，再到加氢站运营管理等环节，氢能专业对多元化人才的需求十分旺盛。2019 年教育部新成立的氢能技术应用专业(专业技术代码：530309)，与新能源开发利用关联度最大，为氢能产业链相关企业培养专业型人才。第一批招生的高职类院校全国一共8 所，相关的专业课程在此之前十分缺少。本文从课程的教学目标、课程体系规划、课程授课形式等方面初步探索氢能源材料应用和检测这门专业基础课的建设和实施。1 课程教学目标课程教学目标 氢能源材料应用和检测 这门课程，是氢能技术应用专业的一门专业基础课程。氢能源领域相关材料涉及面广，包含金属、无机非金属、高分子材料、复合材料等。依据氢燃料电池产业相关的国家标准、行业标准、企业标准等约 30 余项，所涉及到的基础非常广，知识包括无机化学、有机化学、材料制备、材料无损检测、结构力学、材料力学等化学、材料相关学科。本课程的教授，帮助学生建立材料学的基础构架，使学生对氢能领域涉及的材料基础知识有初步的了解和掌握，并引导学生具备一定的创新能力及解决工程问题的能力，为后续的氢能燃料电池专业课程的开展奠定基础。收稿日期 2023-01-17 基金项目 佛山市科技创新项目(20181T100121)作者简介 刘洋(1983-)，女，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，主要研究方向为储能材料。*为通讯作者。2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 233 图图 1 氢能源材料应用和检测课程的教学目标氢能源材料应用和检测课程的教学目标 Fig.1 Curriculum standards of“The Application and Testing of Hydrogen Energy Materials”2 课程教材的选用课程教材的选用 由于氢能技术应用专业是教育部在 2019 新增专业，在此前氢能方面相关的人才来自于材料专业、自动化、能源化工等相关专业，均是本科专业。国内第一批招收氢能专业的高职类院校包括广东轻工职业技术学院在内的 8 所职业院校，由于专业是新建专业，因此目前市面上氢能相关的专业课的书籍都是本科、研究生用书，完全实用于高职院校学生使用的专业书籍目前还是国内还是空白。鉴于上述原因，此门课节选了朱继平主编的新能源材料技术中氢燃料电池相关材料的知识，同时参考材料包括清华大学出版社的材料学基础、化学工业出版社高分子材料、天津大学出版社的复合材料、北京大学出版社的材料分析测试技术以及 GB/T37244-2018质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气。3 课程教学内容及形式课程教学内容及形式 3.1 教学内容 课程的框架及授课内容是以产业需求为导向，凝练而出。氢能源材料主要集中在两个部分：一是 PEM 制氢设备和燃料电池的组件，如 MEA 膜电极中的质子交换膜，催化剂，气体扩散层等；二是高压气态储氢瓶及低温液态氢的贮箱。以下按氢能产业链的上、中、下游对所涉及的材料进行梳理：(1)上游制氢环节：涉及到的关键材料主要是碱液电解制氢设备中的无机及有机膜材料，PEM 制氢设备中的质子交换膜材料、阴极和阳极催化剂等；(2)中游储运环节：主要是各类储氢瓶，按氢的储存形式，可以分为高压气态储氢、低温液态储氢、以及吸附储氢。其中，低温液态储氢主要是在航空航天领域；高压气态储氢气瓶目前市场应用最为广泛的是 35 MPa型瓶，瓶身为树脂基碳纤维复合材料，内衬为金属 Al、Ti 等合金，为了增加氢燃料电池汽车的行驶里程，研制了 70 MPa型瓶，其内衬为高分子材料，然而其气体阻隔性能相对金属内衬较弱。还有一种是材料吸附储氢方式，目前技术上相对成熟的镁合金储氢材料市场占有份额依然很非常低；(3)下游氢能转化环节：主要涉及到质子交换膜燃料电池、高温固态氧化物燃料电池中的各核心零部件及关键材料，如膜材料、各类催化剂、膜电极、碳纸、气体扩散层、金属双极板、石墨双极板。经过上述氢能源产业相关材料的梳理，将此门课程分为以下几个模块：模块一、氢能源相关材料概述，通过此章节的学习，学生了解整个氢能源产业链，产业链不同位置所涉及到的产品、设备等；模块二、金属及合金材料，此部分涉及到的氢能源核心零部件主要是金属双极板、端板；模块三、高分子材料，此章节涉及到的氢能源相关产品包括 PEM 制氢的膜材料、氢燃料电池