燃料电池在“燃烧学”教学中的应用*

齐永锋，单小伟，王妹婷，葛攀乐

(扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

1 “燃烧学”课程介绍

1.1 “燃烧学”课程特点

“燃烧学”作为基础应用类学科，主要对燃烧理论进行研究，通过理论知识来解决工程实际中的相关问题[1]。“燃烧学”与传热学、流体力学等专业基础学科内容关联性较强，在教学过程中涉及多门课程的知识[2]。从学科角度讲，“燃烧学”衔接了传热学、流体力学等学科内容，并在此基础上进行了拓展延伸，介绍了燃烧过程所需要的基础理论知识，有助于解决工程实际中的问题，同时还具有过渡作用，为学生深入地理解汽轮机、锅炉原理、热力发电厂等专业课程奠定基础[3-4]。随着全球气候变化和能源危机问题的日益严重，“燃烧学”作为能源利用类的核心基础课程，在全世界范围内受到广泛关注[5]。

1.2 “燃烧学”课程主要内容

“燃烧学”主要研究燃烧过程的基础和应用知识，如从反应流的一维守恒方程出发来分析层流预混火焰，研究可燃极限、着火和熄火等过程的机理[6]。同时，通过理论结果分析来解决工程实际中的相关问题，如燃烧过程产生的污染物控制、燃烧、工业燃烧设施的改进等，从而提高燃料的利用率，控制燃烧过程中污染物的生成和排放，创造有效的、环境友好的能源。“燃烧学”课程将传质、化学动力学、热力学及传热学等概念联系起来，导出反应系统的简化守恒方程，从而深入分析层流预混火焰、层流非预混火焰、湍流火焰等火焰基本问题[7]。例如以碳燃烧作为固体燃烧原型，引入扩散控制和动力学控制燃烧的概念，使用简化物理模型的分析方法，从基本理论出发去解决实际问题[8]。

1.3 传统教学方法存在的问题

“燃烧学”作为工程应用类学科，相较于其他课程而言，公式、模型较多，概念内容更加抽象难懂，难以理解记忆[9]。在教学过程中，教师大多采用传统的教学方法，仍是教师作为教学主体，以PPT和板书的方式单方面向学生灌输，学生被动接受[10]。这种传统的理论讲解，容易使学生产生畏难情绪，失去对课程的兴趣，从而降低了专业学习的积极性。传统的教学评估指标大多采用最后的期末成绩，这样的教学评估手段使得学生片面追求成绩、考前临时突击，不注重对课程的深入理解，流于表面的成绩，这种目的性和功利性的学习方法给学生的专业学习带来严重的危害。探索“燃烧学”课程改革的方法和措施，通过教学实例带动学生的学习热情，理论联系实际，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

2 燃烧学在氢氧燃料电池中的应用

氢氧燃料电池主要是将燃料的化学能转化为电能，其中还原剂是氢气，而氧化剂为氧气。在反应过程中，氢气从燃料电池的阳极进入，在催化剂的作用下，使得氢原子分解成氢离子和电子。电子通过外部电路形成电流后到达阴极，而氢离子进入电解液中，在催化剂的作用下，电解液中的氢离子、空气中的氧气和到达阴极的电子发生反应形成水，因此燃料电池的反应过程中没有污染物产生，是一种清洁高效的能源[11]。只要燃料供应不断，它就能一直产生电能，这就与燃烧学中的氢气-氧气系统的化学机理密切相关。

图1 氢氧燃料电池的原理示意图

氢氧燃料电池反应的过程中需要不断地供给氢气，这就涉及到了氢气的存储问题。氢气是一种容易爆炸的气体，它对纯度要求较高。当反应温度和压力处在第一爆炸极限以下或第二爆炸极限和第三爆炸极限中间时，氢气和氧气分子接触不会发生爆炸；而当反应温度和压力处在第一极限和第二极限之间时，由于引起爆炸的自由基的快速积累和增加，氢气和氧气发生剧烈的化学反应，放出大量的热量，使得气体在狭小空间内迅速膨胀，发生爆炸。因此在系统中要考虑到氢气易爆炸的问题，从而提高氢氧燃料电池的安全性。

如图2表示的是在球形容器中氢气和氧气化学当量的混合物在温度-压力坐标中的爆炸极限区域划分[12]。温度与压力关系在此是指在充满反应物的球形容器的初始状态。取图中的一条垂直线，以500 ℃线为例讨论爆炸行为。从最低1 mmHg的压力上升到几个标准大气压的压力，由于激发的步骤和随后发生的链式反应所产生的自由基被容器的壁面反应所消耗而中断，因此在压力低于1.5 mmHg时没有爆炸发生。

图2 在球形容器中氢-氧化学当量混合物的爆炸极限

当初始压力高于1.5 mmHg时，气相链式反应速度超过了自由基壁面的消耗速度，混合物因此发生爆炸[13]。继续沿500 ℃等温线向上，压力达到50 mmHg之前一直处于爆炸区域；而在50 mmHg之后，由于过氧羟基HO2相对不活跃，因此发生了链中断反应，使得这一自由基扩散到壁面处被消耗，从而降低了混合物爆炸的特性。

3 教学改革的主要内容

3.1 教学组织方法

在课程教学之前，教师引导学生提前查阅复习本章节中涉及到的传热学、流体力学等其他学科的内容，将难以理解的公式、概念标记出来，并进行小组讨论。在课堂教学中，部分的章节内容由学生分组讲解，小组之间互相提问，进行启发式思考与讨论，最后每个小组进行课堂总结。教师根据小组讨论、总结情况进行补充说明，针对学生尚未理解的知识点进行深入分析与讲解。这种方式有利于调动课堂的学习气氛，使学生深入到课程学习中来，帮助学生积极思考，通过与专业基础课相互连接，构建专业知识体系，培养学生的思维判断能力。

燃烧学是理论与应用兼备的学科，教学实践是必不可少的。通过教学实践，可以帮助学生深入理解课程内容，培养学生的动手能力和创新能力。通过实际应用加强对抽象理论理解，将所学的理论知识与氢氧燃料电池的实际制作过程相结合，运用所学的知识自己动手制作氢氧燃料电池。

针对燃烧学的课程章节，将全班分成六个小组，每个小组进行分工合作，前期进行原理查询、收集制作氢氧燃料电池小车的原料，中期对燃料电池小车进行测试，最后提交优化后的成品。通过动手制作燃料电池小车，理论联系实际，提高学生的动手能力。重点考察学生对理论知识的掌握和对实际知识的灵活运用能力，同时团队协作能力也是学生走上工作岗位必不可少的能力。根据每个小组课程章节的讲解情况及燃料电池小车的制作情况以及最后的理论成绩进行小组评价，最终落实到个人评价。

3.2 教学效果评估方法

在考核评估方式上，采用多元化的课程评价手段，综合考虑学生基础理论内容的掌握、动手实践能力、课程知识的综合运用能力等多方面的内容，因此最终课程考核成绩体现了学生的综合能力。教学过程中，可以将学生分成几个组，采用每个大的课程模块结束之后，要求学生分组查阅相关资料，针对章节内容涉及的实际问题在课堂上进行讨论。教师针对每个小组的表现进行评分，最终计入学科期末考核成绩中。同时，动手实践作业的完成情况也计入总成绩。

4 结 语

“燃烧学”作为热能动力类专业最重要的专业基础课之一，涉及多门专业基础课的知识，为毕业生在相关行业发展打下了坚实的基础。“燃烧学”作为研究燃烧和燃烧应用的课程，需要针对其独特的特点去提高其教学效果。本文以燃料电池为例，通过让学生分组制作燃料电池小车，增强学生的动手能力，不断更新学习内容。同时，通过多元化的评估手段，综合评价学生的课程学习效果，提高学生的学习积极性，大大激发了学生的学习兴趣，为“燃烧学”的教学改革提供了新的思路和方法。