内燃机新技术讲座报告

1、内燃机新技术讲座课程报告 学生姓名： 学号： 班级： 报告完成时间： 年 月 日 课程报告要求1 正文用小四号宋体书写2 正文空格不够时可加页3 文献综述部分正文结束后，要求写出参考文献列表，并在文中相应位置标明。参考文献格式：作者，文章名/或教材名，文章出处，年代，页码杂志（例如： 黄海燕，汽车发动机试验学教程，清华大学出版社，2009.1）4 本报告要求在课程结束3周内提交，学生独立完成，提交电子版及纸板材料各一份，由班委收集交到任课老师处。报告内容1） 谈个人对课程内容体会、感想及课程建议（不少于1000字）内燃机新技术讲座课程可谓是丰富了我们正式学习之余的另一面更深层次的知识内容。学校

2、开设的课程之合理，让我们不仅在丰富了我们在学习内燃机的课程知识之时，更是让我们感受了新时代下的更高级的科学技术。总的来说，老师的讲课都是极其丰富的，从内燃机的传统属性，包括内燃机的摩擦、润滑，内燃机传热等，再讲到了燃料电池的在现当代的一个发展状况，旁征博引，给我们打开了一扇通往内燃机新世界的大门。内燃机CFD由肖国权老师给我们进行介绍，让我对模拟技术等有了初步的了解，随着计算机技术的发展，汽车等行业的与其相结合，催生了许许多多的行业与产品，模拟分析等的大量应用，使得成本节约的益处更加显著；另外，肖老师对当前国内的市场的了解也在一定程度上开阔了我的视野，让我在学习之余，更了解了市场。王红民老师讲

3、授的燃料电池介绍了当前国际国内的新能源的市场，包括应用与市场情况等，让我在学习传统发动机使用的传统燃料的同时，了解并初步掌握了未来发展趋势下的能源发展方向。而目前的态势下，对于新能源的研究的推进，值得我们每个人去努力，而也只有在科学领域中清醒的认识它们，才能真正了解到它们的发展前景；张勇老师的内燃机摩擦磨损与润滑，在我学习的课程基础知识之上给我带来了新的想法与观点，让我懂得了，新材料的应用，可以解决我们人类在现当代的情况下所出现的一些看似棘手的问题，更可以给内燃机带来一个全新的发展前景。现在看来，随着社会各行各业的发展，新材料、新技术的应用，很多地方是可以重新定义的。内燃机强化传热由王惜慧老师

4、给我们授课，课上介绍了如何将内燃机浪费的能源进行循环利用，让我明白了，原来内燃机方面，我们也可以在环保节约上贡献一份我们的力量。现当代以科学发展观为发展核心观点，节约能源、保护环境自然是人人有责，而新材料、新能源的应用，便能很好的为我们实现这一个目标。国家十三五规划要将汽车发动机的效率提高到50%，这个目标给了我们为之奋斗不息的目标前景，无论五年后实施情况如何，我想，这个目标定会在我国的科研人员的努力工作研究之下，一步步走向现实。可以说，在对内燃机新技术方面，个人是觉得，内燃机的发展主要潮流必定不是沿着传统内燃机方向发展，而是由于传统燃料，例如燃油等的短缺而往一种新型的方向发展变革，这个方向必

5、定可以是氢氧燃料、可以是生物燃料、甚至可以是太阳能电池，种类繁多，因此，我最感兴趣的也是燃料电池方面这一块的讲座内容。因此也是建议老师可以在一定基础上介绍一下将来有可能的在燃料电池方面我们能够力所能及所做的一些事情，不仅这方面如此，其他讲座也可以做些这样的介绍工作。另外，老师也可以在课程的富余时间，给我们介绍一下我们工作的方向以及我们专业与现当代的一个社会发展趋势的结合点，以便我们能够在上课之余，确定我们的职业兴趣方向。2） b 燃料电池燃料电池实质上是一台氢燃料发电机,它既不像普通电池那样用完后丢弃,也不像充电电池那样需要经常充电,使用过程中只需要为燃料电池添加燃料即可维持电力持续使用。由于

6、其能量是通过氢气和氧气的化学作用(并非经过燃烧)直接转变成电能的,化学反应过程中也不会产生有害产物,其能量转换效率也比内燃机要高23倍。因此,在目前石油资源日渐枯竭、环境污染目益加剧、全球气候变暖的多重压力下,实现能源应用多元化、改变传统的能源结构,提倡清洁、零排放新能源的研究与开发,已成为发达国家可持续性发展的重要战略目标。1.工作原理 燃料电池的组成与一般电池基本相同,其单体电池是由正、负2个电极(负极为燃料电极,正极为氧化剂电极)以及电解质组成；不同的是,一般电池的活性物质储存在电池内部,限制了电池容量,而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是一个催化转换元件。因此,燃料电池是将化学

7、能转化为电能的能量转换机器。燃料电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,原则上只要反应物不断地输入,反应产物不断地排除,燃料电池就能连续地发电。2.分类及组成2.1. 分类 根据所使用的电解质类型、燃料来源等不同,燃料电池可分为以下类型:按所采用电解质的不同,可将燃料电池分为:碱性燃料电池(AFC),一般以氢氧化钾为电解质;磷酸型燃料电池(PAFC),以磷酸为电解质;质子交换膜燃料电池(PEMFC),以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质；熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC),以熔融的锂-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐为电解质；固体氧化物燃料电池(SOFC),以固体氧化物为氧离子导体。按电池温度,又可将燃

8、料电池分为:低温燃料电池(工作温度低于100),包括碱性与质子交换膜燃料电池;中温燃料电池(工作温度100300),包括培根型碱性燃料电池和磷酸型燃料电池;高温燃料电池(工作温度6001000),包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。表1为燃料电池的各种分类及技术状况。2.2. 组成 燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板及其两侧配置的燃料极(阳极)、空气极(阴极)和气体流路构成,气体流路的作用是给燃料电池输送燃料气体和氧气。实用的燃料电池中因电解质的不同,经过电解质与反应相关的离子种类也不同。在燃料极中,供给的燃料气体中的H2变为H+和自由电子,H+移动到电解质中与空气极一侧供给的O2

9、发生反应。自由电子经由外部的负荷回路再返回到空气极一侧参与空气极一侧的反应,H2和O2生成H2O,除此以外没有其他反应,由此H2所具有的化学能就转变成了电能,其电效率可达40%60%以上,而且可以在部分负荷运行的情况下进行维修。3.材料构成燃料电池的关键材料与部件包括电极、隔膜与集流板(或称双极板)。电极是燃料(如氢)氧化和氧化剂(如氧)还原的电化学反应发生的场所。电极厚度一般为0.20.5mm,通常分为2层:一层为扩散层或支撑层,由导电多孔材料制备,起到支撑催化剂层、收集电流与传导气体及反应产物(如水)的作用;另一层为催化剂层,由电催化剂和防水剂(如聚四氟乙烯)等制备,其厚度仅为几微米至数十

10、微米。隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂(如氢和氧),并起到离子传导的作用。为减少欧姆电阻,隔膜的厚度一般为零点几毫米。至今在电池内采用的隔膜分为2类:一类为绝缘材料制备的多孔膜,如石棉膜、碳化砖坯膜和偏铝酸锂膜等。电解质(如氢氧化钾和熔融的锂-钾碳酸盐)靠毛细力浸入膜的孔内,其导电离子为氢氧根离子、氢离子和碳酸根离子。另一类隔膜为离子交换膜,如质子交换膜燃料电池中采用的全氟磺酸树脂膜,其导电离子为氢离子。隔膜性能的决定因素是隔膜材料与其制备技术。集流板也称双极板,它起收集电流、分隔氧化剂与还原剂的作用,并将反应物(氢和氧)均匀分配到电极各处,再传送到电极催化剂层进行电化学反应。集流板涉及的关键技

11、术是材料的选择、流体流动的流场设计与其加工技术。燃料电池具有常规电池的基本特性,即可由多台电池按串联、并联的组合方式向外供电。因此,燃料电池既适用于集中发电,也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。表2给出了各种燃料电池的技术状态。4. 国内外发展及应用现状1839年,英国科学家Grove首先介绍了燃料电池的原理性实验。20世纪60年代,燃料电池首次应用在美国航空航天管理局(NASA)的阿波罗登月飞船上作为辅助电源,为人类登上月球做出了积极贡献,燃料电池的研究进入了快速发展阶段,后来称这一时期为燃料电池开发的空间时代。1973年,在全球能源危机的刺激下,为了提高能源利用率,研究重点从航天转向地

12、面发电装置,磷酸燃料电池,熔融碳酸盐电池以及直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池作为电站或分散式电站相继问世,燃料电池的研究与开发掀起了新高潮,这一时期称为燃料电池开发的能源时代。其后,随着能源危机的缓解,燃料电池的研究也随之冷淡下来。20世纪80年代末期,环境污染问题逐步恶化。1987年,美国公布了来自发电站和交通运输方面的废气,如CO、NOx、SOx、粉尘等污染物几乎相等,且总量超过大气中污染物的90%,以提高能源利用率、减少环境污染为目标的燃料电池研究开发工作引起了各国政府及科学家的重视,促进了燃料电池开发的环境时代的到来。1993年,加拿大Ballard电力公司展

13、示了一辆零排放、最高时速为72km/h、以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为动力的公交车,引发了全球性燃料电池电动汽车的研究开发热潮。目前国内外研究较多、技术上较为成熟的是质子交换膜燃料电池,质子交换膜燃料电池技术最早应用在人造卫星和航天器上作为电源使用,在航天器被地球挡住阳光不能使用太阳能电池时可使用燃料电池。后来由于化石能源的紧缺和减少污染、保护环境的要求越来越高,人们开始将燃料电池应用在各种交通工具上。由于燃料电池的低热、低噪特性,使其具有极强的隐蔽性,因此许多国家还将燃料电池用作潜水艇的动力。由于燃料电池大规模集中供电易造成设备故障、长距离输送成本高、损耗大等原因,越来越多的人们认识到

14、采用燃料电池小范围分布式供电是未来供电的可行模式,将燃料电池作为小型电站或工业通讯、民用备用电源也是很好的应用方向。因此燃料电池应用于汽车工业已获得日益广泛的重视与应用。由于燃料电池汽车可以实现零排放,驱动系统几乎无噪音,且氢能取之不尽用之不竭,因而燃料电池汽车一问世即成为各国汽车企业关注的焦点。为了获得竞争优势,各国纷纷出台政策,加速推进燃料电池关键技术的研发。2008年5月,欧盟议会通过了氢能源和燃料电池联合技术发展计划,提供10亿欧元科研经费,用于燃料电池技术的研究;英国、德国、法国等国家也在近期加大了对氢燃料电池的研发资助力度。美国能源部制订的氢计划%,在未来5年内投入30多亿美元开发

15、氢燃料技术,逐步加大燃料电池汽车的市场份额。世界各大汽车厂商如通用、宝马、奔驰、丰田、三菱、福特、现代等,都组织了很强的人力、物力来研发燃料电池汽车,仅美国通用汽车公司投入到燃料电池研发的人员就有600多人,使得燃料电池的发展速度大大加快。我国燃料电池研究始于20世纪50年代末,70年代国内的燃料电池研究出现了第一次高峰,主要是国家投资的航天用AFC,如氨/空气燃料电池、肼/空气燃料电池、乙醇/空气燃料电池等。80年代我国燃料电池研究处于低潮,90年代以来,随着国外燃料电池技术取得了重大进展,在国内又形成了新一轮的燃料电池研究热潮。1996年召开的第59次香山科学会议上专门讨论了燃料电池的研究

16、现状与未来发展。国家九五%和863%计划都启动了燃料电池和燃料电池汽车研究课题,此后燃料电池技术才有了长足的进步。鉴于PAFC在国外技术己成熟,并进入商品开发阶段,我国重点研究开发PEMFC、MCFC和SOFC。在我国,近几年各研究单位在PEMFC研究方面取得了巨大的成就。10年前,我国尚生产不出1台几千瓦的燃料电池堆,现在可以生产出几百千瓦的燃料电池电堆,且体积功率密度和质量功率密度、寿命、效率都有较大提高,燃料电池大巴车的小客车在奥运会上示范运行取得成功。目前我国有规模的燃料电池生产厂家达到6家,能够研发燃料电池的高等院校有60多家。哈尔滨工程大学、北京理工大学、中国科学院大连化学物理研究

17、所等单位相继成功组装了PEMFC单体、电动车用PEMFC石墨电池堆和千瓦级质子交换膜燃料电池组,电池组的性能已达到国际先进水平,部分技术已达国际领先水平,具备了商业开发的条件。燃料电池汽车是十五%期间全国12个重大研究专项之一。上海大众汽车还成立了100多人的专业队伍,投资约10亿元研发燃料电池汽车。5.制约我国燃料电池产业发展的主要问题目前我国燃料电池的研究方向主要在燃料电池的应用方面,投入的人力、资金大多集中在如何应用于汽车上作为动力让汽车跑起来,如何用在通讯机站上,并能够快速切换电源;而燃料电池生产企业在提高燃料电池性能、寿命、降低成本方面的研发工作也大多集中在如何改善气道、提高催化剂的

18、均匀性和生产工艺的研究上。目前我国质子交换膜燃料电池尚未实现市场化,无论是燃料电池发动机、备用电源还是电站,都只是由政府买单的研发-示范项目的少量应用,还谈不上商业化市场运行,能真正运行测试的也只有燃料汽车。燃料电池汽车是清洁能源汽车发展的最终目标,由于材料技术等方面的原因和生产技术水平还不高,体积能量密度和质量密度还不高,燃料电池微型化的技术进步缓慢。要想进一步提高性能、提高寿命和降低成本,主要精力应该放在燃料电池的四大主材上,如果这四大主材在性能上没有新的突破、没有新功能材料的出现、没有材料的国产化,那么要想达到上述目标几乎是不可能的。首先,从技术上,新概念的产生、发展与完善是燃料电池发展

19、的关键。其次,材料科学是燃料电池发展的基础。一种新的、性能优良的材料的发现并在燃料电池中的应用,将会促进燃料电池的飞速发展。现在质子交换膜主要是从美国DuPont公司进口,碳纸主要从日本东丽公司进口,而这2家公司卖给我国企业的价格比卖给他们本国或其他国家的价格要高出许多,这种现象大大制约了中国燃料电池技术的发展。我国燃料电池的发展要向高性能、高寿命、低成本的方向发展,这就要求我们要加大燃料电池用材料研发力度,加快燃料电池原材料的国产化步伐。虽然我国也有企业在研制质子交换膜、碳纤维材料、催化剂和石墨材料,但由于国家在这方面的支持力度没有像支持燃料电池生产企业的力度那样大,所以企业本身研发新材料的积极性不高,致使我国燃料电池企业生产了10多年还没有能够用上国产四大主材中的三大主材。近年来石墨材料已有了很大突破,板厚从3mm降到了现在的1mm,价格从最早的1元/cm2,降到了现在的0.25元/cm2,但仍不能满足商业化的要求。影响燃料电池产业化技术发展的因素,除了材料的问题,还有配套系统的设备问题。由于燃料电池供气系统中空气压缩机不能提供足够压力和足够流量的空气,致使有些厂家牺牲掉燃料电池的效率去配套汽车的要求。因此为了达到设计功率就势必要增加膜电极数量,这样做虽然可以解决空气泵配套问题,却也大大