燃料電池在“燃燒學”教學中的應用*

齊永鋒，單小偉，王妹婷，葛攀樂

(揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

1 “燃燒學”課程介紹

1.1 “燃燒學”課程特點

“燃燒學”作為基礎應用類學科，主要對燃燒理論進行研究，通過理論知識來解決工程實際中的相關問題[1]。“燃燒學”與傳熱學、流體力學等專業基礎學科內容關聯性較強，在教學過程中涉及多門課程的知識[2]。從學科角度講，“燃燒學”銜接了傳熱學、流體力學等學科內容，并在此基礎上進行了拓展延伸，介紹了燃燒過程所需要的基礎理論知識，有助于解決工程實際中的問題，同時還具有過渡作用，為學生深入地理解汽輪機、鍋爐原理、熱力發電廠等專業課程奠定基礎[3-4]。隨著全球氣候變化和能源危機問題的日益嚴重，“燃燒學”作為能源利用類的核心基礎課程，在全世界范圍內受到廣泛關注[5]。

1.2 “燃燒學”課程主要內容

“燃燒學”主要研究燃燒過程的基礎和應用知識，如從反應流的一維守恒方程出發來分析層流預混火焰，研究可燃極限、著火和熄火等過程的機理[6]。同時，通過理論結果分析來解決工程實際中的相關問題，如燃燒過程產生的污染物控制、燃燒、工業燃燒設施的改進等，從而提高燃料的利用率，控制燃燒過程中污染物的生成和排放，創造有效的、環境友好的能源。“燃燒學”課程將傳質、化學動力學、熱力學及傳熱學等概念聯系起來，導出反應系統的簡化守恒方程，從而深入分析層流預混火焰、層流非預混火焰、湍流火焰等火焰基本問題[7]。例如以碳燃燒作為固體燃燒原型，引入擴散控制和動力學控制燃燒的概念，使用簡化物理模型的分析方法，從基本理論出發去解決實際問題[8]。

1.3 傳統教學方法存在的問題

“燃燒學”作為工程應用類學科，相較于其他課程而言，公式、模型較多，概念內容更加抽象難懂，難以理解記憶[9]。在教學過程中，教師大多采用傳統的教學方法，仍是教師作為教學主體，以PPT和板書的方式單方面向學生灌輸，學生被動接受[10]。這種傳統的理論講解，容易使學生產生畏難情緒，失去對課程的興趣，從而降低了專業學習的積極性。傳統的教學評估指標大多采用最后的期末成績，這樣的教學評估手段使得學生片面追求成績、考前臨時突擊，不注重對課程的深入理解，流于表面的成績，這種目的性和功利性的學習方法給學生的專業學習帶來嚴重的危害。探索“燃燒學”課程改革的方法和措施，通過教學實例帶動學生的學習熱情，理論聯系實際，培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

2 燃燒學在氫氧燃料電池中的應用

氫氧燃料電池主要是將燃料的化學能轉化為電能，其中還原劑是氫氣，而氧化劑為氧氣。在反應過程中，氫氣從燃料電池的陽極進入，在催化劑的作用下，使得氫原子分解成氫離子和電子。電子通過外部電路形成電流后到達陰極，而氫離子進入電解液中，在催化劑的作用下，電解液中的氫離子、空氣中的氧氣和到達陰極的電子發生反應形成水，因此燃料電池的反應過程中沒有污染物產生，是一種清潔高效的能源[11]。只要燃料供應不斷，它就能一直產生電能，這就與燃燒學中的氫氣-氧氣系統的化學機理密切相關。

圖1 氫氧燃料電池的原理示意圖

氫氧燃料電池反應的過程中需要不斷地供給氫氣，這就涉及到了氫氣的存儲問題。氫氣是一種容易爆炸的氣體，它對純度要求較高。當反應溫度和壓力處在第一爆炸極限以下或第二爆炸極限和第三爆炸極限中間時，氫氣和氧氣分子接觸不會發生爆炸；而當反應溫度和壓力處在第一極限和第二極限之間時，由于引起爆炸的自由基的快速積累和增加，氫氣和氧氣發生劇烈的化學反應，放出大量的熱量，使得氣體在狹小空間內迅速膨脹，發生爆炸。因此在系統中要考慮到氫氣易爆炸的問題，從而提高氫氧燃料電池的安全性。

如圖2表示的是在球形容器中氫氣和氧氣化學當量的混合物在溫度-壓力坐標中的爆炸極限區域劃分[12]。溫度與壓力關系在此是指在充滿反應物的球形容器的初始狀態。取圖中的一條垂直線，以500 ℃線為例討論爆炸行為。從最低1 mmHg的壓力上升到幾個標準大氣壓的壓力，由于激發的步驟和隨后發生的鏈式反應所產生的自由基被容器的壁面反應所消耗而中斷，因此在壓力低于1.5 mmHg時沒有爆炸發生。

圖2 在球形容器中氫-氧化學當量混合物的爆炸極限

當初始壓力高于1.5 mmHg時，氣相鏈式反應速度超過了自由基壁面的消耗速度，混合物因此發生爆炸[13]。繼續沿500 ℃等溫線向上，壓力達到50 mmHg之前一直處于爆炸區域；而在50 mmHg之后，由于過氧羥基HO2相對不活躍，因此發生了鏈中斷反應，使得這一自由基擴散到壁面處被消耗，從而降低了混合物爆炸的特性。

3 教學改革的主要內容

3.1 教學組織方法

在課程教學之前，教師引導學生提前查閱復習本章節中涉及到的傳熱學、流體力學等其他學科的內容，將難以理解的公式、概念標記出來，并進行小組討論。在課堂教學中，部分的章節內容由學生分組講解，小組之間互相提問，進行啟發式思考與討論，最后每個小組進行課堂總結。教師根據小組討論、總結情況進行補充說明，針對學生尚未理解的知識點進行深入分析與講解。這種方式有利于調動課堂的學習氣氛，使學生深入到課程學習中來，幫助學生積極思考，通過與專業基礎課相互連接，構建專業知識體系，培養學生的思維判斷能力。

燃燒學是理論與應用兼備的學科，教學實踐是必不可少的。通過教學實踐，可以幫助學生深入理解課程內容，培養學生的動手能力和創新能力。通過實際應用加強對抽象理論理解，將所學的理論知識與氫氧燃料電池的實際制作過程相結合，運用所學的知識自己動手制作氫氧燃料電池。

針對燃燒學的課程章節，將全班分成六個小組，每個小組進行分工合作，前期進行原理查詢、收集制作氫氧燃料電池小車的原料，中期對燃料電池小車進行測試，最后提交優化后的成品。通過動手制作燃料電池小車，理論聯系實際，提高學生的動手能力。重點考察學生對理論知識的掌握和對實際知識的靈活運用能力，同時團隊協作能力也是學生走上工作崗位必不可少的能力。根據每個小組課程章節的講解情況及燃料電池小車的制作情況以及最后的理論成績進行小組評價，最終落實到個人評價。

3.2 教學效果評估方法

在考核評估方式上，采用多元化的課程評價手段，綜合考慮學生基礎理論內容的掌握、動手實踐能力、課程知識的綜合運用能力等多方面的內容，因此最終課程考核成績體現了學生的綜合能力。教學過程中，可以將學生分成幾個組，采用每個大的課程模塊結束之后，要求學生分組查閱相關資料，針對章節內容涉及的實際問題在課堂上進行討論。教師針對每個小組的表現進行評分，最終計入學科期末考核成績中。同時，動手實踐作業的完成情況也計入總成績。

4 結 語

“燃燒學”作為熱能動力類專業最重要的專業基礎課之一，涉及多門專業基礎課的知識，為畢業生在相關行業發展打下了堅實的基礎。“燃燒學”作為研究燃燒和燃燒應用的課程，需要針對其獨特的特點去提高其教學效果。本文以燃料電池為例，通過讓學生分組制作燃料電池小車，增強學生的動手能力，不斷更新學習內容。同時，通過多元化的評估手段，綜合評價學生的課程學習效果，提高學生的學習積極性，大大激發了學生的學習興趣，為“燃燒學”的教學改革提供了新的思路和方法。