燃料電池在“燃燒學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用*

齊永鋒，單小偉，王妹婷，葛攀樂

(揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 “燃燒學(xué)”課程介紹

1.1 “燃燒學(xué)”課程特點(diǎn)

“燃燒學(xué)”作為基礎(chǔ)應(yīng)用類學(xué)科，主要對燃燒理論進(jìn)行研究，通過理論知識來解決工程實(shí)際中的相關(guān)問題[1]。“燃燒學(xué)”與傳熱學(xué)、流體力學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科內(nèi)容關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，在教學(xué)過程中涉及多門課程的知識[2]。從學(xué)科角度講，“燃燒學(xué)”銜接了傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展延伸，介紹了燃燒過程所需要的基礎(chǔ)理論知識，有助于解決工程實(shí)際中的問題，同時(shí)還具有過渡作用，為學(xué)生深入地理解汽輪機(jī)、鍋爐原理、熱力發(fā)電廠等專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)[3-4]。隨著全球氣候變化和能源危機(jī)問題的日益嚴(yán)重，“燃燒學(xué)”作為能源利用類的核心基礎(chǔ)課程，在全世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注[5]。

1.2 “燃燒學(xué)”課程主要內(nèi)容

“燃燒學(xué)”主要研究燃燒過程的基礎(chǔ)和應(yīng)用知識，如從反應(yīng)流的一維守恒方程出發(fā)來分析層流預(yù)混火焰，研究可燃極限、著火和熄火等過程的機(jī)理[6]。同時(shí)，通過理論結(jié)果分析來解決工程實(shí)際中的相關(guān)問題，如燃燒過程產(chǎn)生的污染物控制、燃燒、工業(yè)燃燒設(shè)施的改進(jìn)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(chuàng)造有效的、環(huán)境友好的能源?！叭紵龑W(xué)”課程將傳質(zhì)、化學(xué)動力學(xué)、熱力學(xué)及傳熱學(xué)等概念聯(lián)系起來，導(dǎo)出反應(yīng)系統(tǒng)的簡化守恒方程，從而深入分析層流預(yù)混火焰、層流非預(yù)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(kuò)散控制和動力學(xué)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(fā)去解決實(shí)際問題[8]。

1.3 傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問題

“燃燒學(xué)”作為工程應(yīng)用類學(xué)科，相較于其他課程而言，公式、模型較多，概念內(nèi)容更加抽象難懂，難以理解記憶[9]。在教學(xué)過程中，教師大多采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，仍是教師作為教學(xué)主體，以PPT和板書的方式單方面向?qū)W生灌輸，學(xué)生被動接受[10]。這種傳統(tǒng)的理論講解，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，失去對課程的興趣，從而降低了專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性。傳統(tǒng)的教學(xué)評估指標(biāo)大多采用最后的期末成績，這樣的教學(xué)評估手段使得學(xué)生片面追求成績、考前臨時(shí)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(xué)習(xí)方法給學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)帶來嚴(yán)重的危害。探索“燃燒學(xué)”課程改革的方法和措施，通過教學(xué)實(shí)例帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

2 燃燒學(xué)在氫氧燃料電池中的應(yīng)用

氫氧燃料電池主要是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其中還原劑是氫氣，而氧化劑為氧氣。在反應(yīng)過程中，氫氣從燃料電池的陽極進(jìn)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(dá)陰極，而氫離子進(jìn)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(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)形成水，因此燃料電池的反應(yīng)過程中沒有污染物產(chǎn)生，是一種清潔高效的能源[11]。只要燃料供應(yīng)不斷，它就能一直產(chǎn)生電能，這就與燃燒學(xué)中的氫氣-氧氣系統(tǒng)的化學(xué)機(jī)理密切相關(guān)。

圖1 氫氧燃料電池的原理示意圖

氫氧燃料電池反應(yīng)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(dāng)反應(yīng)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(shí)，氫氣和氧氣分子接觸不會發(fā)生爆炸；而當(dāng)反應(yīng)溫度和壓力處在第一極限和第二極限之間時(shí)，由于引起爆炸的自由基的快速積累和增加，氫氣和氧氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱量，使得氣體在狹小空間內(nèi)迅速膨脹，發(fā)生爆炸。因此在系統(tǒng)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(xué)當(dāng)量的混合物在溫度-壓力坐標(biāo)中的爆炸極限區(qū)域劃分[12]。溫度與壓力關(guān)系在此是指在充滿反應(yīng)物的球形容器的初始狀態(tài)。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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力，由于激發(fā)的步驟和隨后發(fā)生的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所產(chǎn)生的自由基被容器的壁面反應(yīng)所消耗而中斷，因此在壓力低于1.5 mmHg時(shí)沒有爆炸發(fā)生。

圖2 在球形容器中氫-氧化學(xué)當(dāng)量混合物的爆炸極限

當(dāng)初始壓力高于1.5 mmHg時(shí)，氣相鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度超過了自由基壁面的消耗速度，混合物因此發(fā)生爆炸[13]。繼續(xù)沿500 ℃等溫線向上，壓力達(dá)到50 mmHg之前一直處于爆炸區(qū)域；而在50 mmHg之后，由于過氧羥基HO2相對不活躍，因此發(fā)生了鏈中斷反應(yīng)，使得這一自由基擴(kuò)散到壁面處被消耗，從而降低了混合物爆炸的特性。

3 教學(xué)改革的主要內(nèi)容

3.1 教學(xué)組織方法

在課程教學(xué)之前，教師引導(dǎo)學(xué)生提前查閱復(fù)習(xí)本章節(jié)中涉及到的傳熱學(xué)、流體力學(xué)等其他學(xué)科的內(nèi)容，將難以理解的公式、概念標(biāo)記出來，并進(jìn)行小組討論。在課堂教學(xué)中，部分的章節(jié)內(nèi)容由學(xué)生分組講解，小組之間互相提問，進(jìn)行啟發(fā)式思考與討論，最后每個(gè)小組進(jìn)行課堂總結(jié)。教師根據(jù)小組討論、總結(jié)情況進(jìn)行補(bǔ)充說明，針對學(xué)生尚未理解的知識點(diǎn)進(jìn)行深入分析與講解。這種方式有利于調(diào)動課堂的學(xué)習(xí)氣氛，使學(xué)生深入到課程學(xué)習(xí)中來，幫助學(xué)生積極思考，通過與專業(yè)基礎(chǔ)課相互連接，構(gòu)建專業(yè)知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的思維判斷能力。

燃燒學(xué)是理論與應(yīng)用兼?zhèn)涞膶W(xué)科，教學(xué)實(shí)踐是必不可少的。通過教學(xué)實(shí)踐，可以幫助學(xué)生深入理解課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。通過實(shí)際應(yīng)用加強(qiáng)對抽象理論理解，將所學(xué)的理論知識與氫氧燃料電池的實(shí)際制作過程相結(jié)合，運(yùn)用所學(xué)的知識自己動手制作氫氧燃料電池。

針對燃燒學(xué)的課程章節(jié)，將全班分成六個(gè)小組，每個(gè)小組進(jìn)行分工合作，前期進(jìn)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(jìn)行測試，最后提交優(yōu)化后的成品。通過動手制作燃料電池小車，理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生的動手能力。重點(diǎn)考察學(xué)生對理論知識的掌握和對實(shí)際知識的靈活運(yùn)用能力，同時(shí)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也是學(xué)生走上工作崗位必不可少的能力。根據(jù)每個(gè)小組課程章節(jié)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(jìn)行小組評價(jià)，最終落實(shí)到個(gè)人評價(jià)。

3.2 教學(xué)效果評估方法

在考核評估方式上，采用多元化的課程評價(jià)手段，綜合考慮學(xué)生基礎(chǔ)理論內(nèi)容的掌握、動手實(shí)踐能力、課程知識的綜合運(yùn)用能力等多方面的內(nèi)容，因此最終課程考核成績體現(xiàn)了學(xué)生的綜合能力。教學(xué)過程中，可以將學(xué)生分成幾個(gè)組，采用每個(gè)大的課程模塊結(jié)束之后，要求學(xué)生分組查閱相關(guān)資料，針對章節(jié)內(nèi)容涉及的實(shí)際問題在課堂上進(jìn)行討論。教師針對每個(gè)小組的表現(xiàn)進(jìn)行評分，最終計(jì)入學(xué)科期末考核成績中。同時(shí)，動手實(shí)踐作業(yè)的完成情況也計(jì)入總成績。

4 結(jié) 語

“燃燒學(xué)”作為熱能動力類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，涉及多門專業(yè)基礎(chǔ)課的知識，為畢業(yè)生在相關(guān)行業(yè)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！叭紵龑W(xué)”作為研究燃燒和燃燒應(yīng)用的課程，需要針對其獨(dú)特的特點(diǎn)去提高其教學(xué)效果。本文以燃料電池為例，通過讓學(xué)生分組制作燃料電池小車，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，不斷更新學(xué)習(xí)內(nèi)容。同時(shí)，通過多元化的評估手段，綜合評價(jià)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為“燃燒學(xué)”的教學(xué)改革提供了新的思路和方法。