外文翻譯--燃料電池及其發(fā)展前景

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文獻翻譯 英文原文： is an It on an on in of an of as as in an be By a of A as as by of to a to a or to A a at as to ? ? to of ? of at of To of be in a to be a is a be to n a ( a "(in 970s, (in On to it to is to as to to in an is On to in or In to of in by In a of or a or be or a n a by an is to to is On a of to to On to A n 2002, a S$1000 of 008 001,000,000 00kW is to in to on to in a of of in a a 30% 1 mg/.7 mg/in in of 400/m2. 005 a In of be to be at it is If is it it a If is to in on as in a a is to he be in to of is as 2is so a of is of 0,000 of at a 35°C , a 5,000 50,000 be to 30 °C a to .5 kW he of 838 in of of on in 839 of 842, in he to s 955, W. a by a as E a of as as . GE on to to of a It t 959 a 5 kW 959, a a 15 kW S at as as 959, a of a In 960s, s in to s to a as a in to as 00, a 200 kW to be by a 400 kW in 009). to be of in is of he of a is on of in As a as a in so of a is to it is to of A an of 0%, 0% of of is 0% be (on an a at no is to , on or of is to . (of s as in do on a As as in by At is by of of in of of of is 83% 98K) 60% 0 by is a of if is of to be In to is by of on of on in to at as In a on to be to of it to of a as of a is 5% at of 6% a is as a 2%. 008 a a 60% a in as on as or to an to to of as is 0 0%, on a 0%, of is 參考譯文： 燃料電池及其發(fā)展前景 燃料電池是一種電化學(xué)轉(zhuǎn)換裝置。它產(chǎn)生的電流來自于燃料（陽極側(cè)）和氧化劑（陰極側(cè)）在電解液作用下的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)物（燃料）源源不斷地流入電池，而反應(yīng)產(chǎn)品（也就是電能）則從電池中流出，同時電解液依然保留在電池內(nèi)部。只要保持必要的燃料供給 ,燃料電池幾乎可以持續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。 燃料電池是一種特殊的電化學(xué)電池，因為它們的反應(yīng)消耗來源是從外部獲得，所以必須加以補充，這是一個開放的熱力學(xué)系統(tǒng)。相比之下，電池儲存的是化學(xué)電能，因 此代表的是一個封閉的熱力學(xué)系統(tǒng)。 有許多種燃料和氧化劑的組合都是可行的。氫燃料電池使用氫作為燃料，而用氧氣（通常來自于空氣）作為氧化劑。其它燃料包括碳氫化合物和醇類。其它氧化劑包括氯和二氧化氯。 燃料電池設(shè)計 燃料電池是通過催化作用進行工作的，催化劑通常包括鉑族金屬或合金。在催化作用下將反應(yīng)燃料的組成部分電子和質(zhì)子分離，并迫使電子沿回路移動，從而將其轉(zhuǎn)化為電流。另一種催化過程需要將電子與質(zhì)子和氧化劑相結(jié)合，形成廢物產(chǎn)品（通常是簡單的化合物，像水和二氧化碳）。 一個典型的燃料電池在額定負載下所 產(chǎn)生的電壓從 至 不等。電壓會隨電流的增大而減小，主要取決于以下幾個因素： ? （催化劑）活性的損失 ? 歐姆損失（由于電池元件的自身電阻以及接觸電阻引起的電壓降） ? 大量傳輸損失（催化劑在高負荷下反應(yīng)后枯竭 ,造成電壓迅速降低） 為了提供所需的大量能源，燃料電池可以串聯(lián)或者并聯(lián)使用，串聯(lián)可以產(chǎn)生較高的電壓而并聯(lián)可以獲得較大的電流。這種設(shè)計通常被稱為燃料電池堆。此外，還可以通過增加電池的表面積來獲得更為強大的電流。 質(zhì)子交換膜燃料電池 在氫氧質(zhì)子交換膜燃料電池（ 原型中，一個質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜（電 解質(zhì)），將燃料電池的陽極和陰極分開在兩邊。這就是在 20 世紀 70 年代初期質(zhì)子交換原理還沒有被廣泛認識之前，被人們稱為的“固體聚合物電解質(zhì)燃料電池”（ （請注意，“聚合物電解質(zhì)膜”和“質(zhì)子交換機制”） 在陽極側(cè)，氫擴散到陽極 ,催化劑分裂成質(zhì)子和電子。這些質(zhì)子常常會與氧化劑反應(yīng)使之成為通常被人們稱作的簡易化質(zhì)子膜（ 質(zhì)子是通過交換膜向陰極移動的，但電子則被迫沿著外部電路穿行（提供外電流），因為質(zhì)子膜是絕緣的。在陰極催化劑的作用下，氧分子與（已穿過外部電路返回的）電子和質(zhì)子發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 形成水。在這個反應(yīng)模式中唯一的廢物產(chǎn)品，要么是液體（水）要么是蒸汽。 除了這種純粹的氫型燃料電池外，還有以碳氫作為燃料的燃料電池，包括柴油，甲醇（分直接甲醇燃料電池和間接甲醇燃料電池）和化學(xué)氫化物燃料電池。這些類型燃料電池的廢料產(chǎn)品是二氧化碳和水。 不同類型的燃料電池使用的不同的反應(yīng)材料。在一個典型的膜電極裝置中，電極的兩個極板通常都是采用金屬制造的，鎳或碳納米管，并涂有催化劑（如鉑，納米鐵粉或鈀），從而使其具有更高的效率。復(fù)寫紙將它們與電解質(zhì)分開，電解質(zhì)可以是陶瓷材料或者交換膜。 氧離 子交換燃料電池 在固體氧化物燃料電池的設(shè)計中，陽極和陰極是由能夠傳導(dǎo)氧離子但是不能傳導(dǎo)電子的電解質(zhì)分隔開來。電解質(zhì)通常是由參雜氧化釔的氧化鋯材料組成。 在陰極一側(cè)，氧氣與電子通過催化反應(yīng)成為氧離子，它通過電解液擴散到陽極側(cè)。在陽極一側(cè)，氧離子與氫反應(yīng)形成水和自由電子。于是連接在陽極和陰極之間的外接負載形成了電流的完整通路。 燃料電池設(shè)計問題 燃料電池的費用 2002 年，典型的燃料電池催化劑包含在電力輸出中的費用約為 1000 美元每千瓦。在 2008 年美國聯(lián)合技術(shù)公司安裝 400 千瓦燃料電池的費用是 100 萬美元。我 們的目標是降低發(fā)電成本，以便于同當前市場上的常規(guī)發(fā)電方式比如汽油內(nèi)燃機等競爭。許多公司正致力于提高技術(shù)，試圖通過各種方式減少成本，包括減少鉑在每個電池中的使用量。巴拉德動力系統(tǒng)曾經(jīng)采用增強型碳絲催化劑做過實驗，實驗表明在不影響電池性能的情況下可減少 30％（ 1 毫克 / 至 克 / 鉑金使用量。 子交換膜）的生產(chǎn)成本費用。目前的 費用 ＄ 400 /平方米。在 2005 年巴拉德動力系統(tǒng)宣布，該公司的燃料電池將使用 ，一種由制并擁有專利權(quán)的多孔聚 乙烯薄膜。 質(zhì)子交換膜燃料電池中水和空氣的管理。在此類型的燃料電池中，膜必須含水，水的蒸發(fā)速度要與該膜生產(chǎn)過程中的蒸發(fā)速度嚴格一致。如果交換膜中水的蒸發(fā)過快，膜就會太干燥，阻值增大，并最終裂縫，導(dǎo)致氫氣和氧氣直接結(jié)合形成天然氣短路的現(xiàn)象，這樣會產(chǎn)生大量的熱量損壞燃料電池。如果水的蒸發(fā)速度太慢，電極將被淹沒，從而阻止了反應(yīng)物與催化劑的結(jié)合，化學(xué)反應(yīng)停止。用電水泵流量控制的方法來管理燃料電池交換膜中的水是側(cè)重點，正如在內(nèi)燃機中保持反應(yīng)物和氧氣穩(wěn)定的比例是非常重要的一樣，從而保持燃料電池有效地運作。 溫度管理 必 須保持整個電池維持相同的溫度，以防止熱負荷對電池的破壞，這是特別具有挑戰(zhàn)性的。 2 2反應(yīng)會在燃料電池中產(chǎn)生大量的熱，損壞燃料電池。 特種類型的電池要求耐用性和使用壽命 固定式燃料電池應(yīng)該能夠 在－ 35℃ 至 40℃的 溫度下穩(wěn)定運行超過 4 萬小時，而汽車的燃料電池需要在極端溫度下有 5千小時的壽命（相當于行駛 15萬英里）。 汽車發(fā)動機也必須能夠可靠地運行在 － 30℃溫度下，并且具有較高的升功率（通常為 ）。 歷史 燃料電池的原理最初是由德國科學(xué)家 1838年發(fā)表在當時的一本科學(xué)雜志上。在此基礎(chǔ)上，由威爾士科學(xué)家威 廉· 羅伯特·格羅夫在 1839 年 2 月版的哲學(xué)雜志和科學(xué)期刊上首次論證了燃料電池，并于 1842年在同一期刊上提出了設(shè)計原理圖。他設(shè)計的燃料電池使用的材料類似于今天的磷酸燃料電池。 1955 年，在通用電氣公司（ 作的化學(xué)工程師托馬斯·格拉布，進一步修改了原來的燃料電池設(shè)計方案，采用磺化聚苯乙烯離子交換膜作為電解質(zhì)。三年后，另一位通用電氣的化學(xué)工程師萊昂納多·涅德拉茨發(fā)明了一種方法，在膜上沉積鉑作為氫與氧的氧化還原反應(yīng)所必需 的催化劑，這被稱為格拉布 用電氣公司繼續(xù)與美國航空航天局和麥道飛機公司合作研發(fā)這種技術(shù)，使其應(yīng)用在了雙子星項目上。這是燃料電池的第一次商業(yè)性使用。此后直到 1959 年，英國工程師托馬斯·弗朗西斯·培根才成功地開發(fā)出了 5 千瓦固定式燃料電池。 1959 年，哈 里·艾琳格 所領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計小組為愛麗 絲· 查爾莫斯研制了一臺 15 千瓦的燃料電池拖拉機，該機在美國國家博覽會上進行了展出。該系統(tǒng)采用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，壓縮氫氣和氧氣為反應(yīng)物。后來在 1959 年，培根和他的同事們研制出了一臺實用的 5 千瓦燃料電池機組，能 夠為電焊機提供電能。在 20 世紀 60 年代，普拉特和惠特尼獲得美國政府特許將培根的專利用于美國在太空計劃中的供電和飲用水供應(yīng)（氫氣和氧氣在太空艙可以輕松的得到）。 聯(lián)合技術(shù)公司的子公司 要用于為醫(yī)院，大學(xué)和大型辦公樓提供備用電站。 續(xù)以純凈電池 200 的名字在市場上推銷這款 200 千瓦的產(chǎn)品（雖然很快就要更換400 千瓦的版本，預(yù)計將在 2009 年末上市銷售）。目前 力公司仍然是美國宇航局太空車輛燃料電池的唯一供應(yīng)商，并曾經(jīng)在阿波羅登月和近年來的太 空船項目中為宇航局提供幫助。該公司正在開發(fā)燃料電池汽車，公共汽車和手機基站；該公司已經(jīng)展示了第一臺能在冰點以下啟動的質(zhì)子交換膜電動汽車燃料電池。 燃料電池的效率 燃料電池的效率依賴于從它得出的功率。因此，輸出的功率越多、電流越大，電池的損耗也就越大，效率也就越低。而大多數(shù)損耗都是以電壓降的形式體現(xiàn)出來的，故而電池的效率幾乎和它的輸出電壓成正比。出于這個原因，廠家通常都會給出任何一款電池的伏安特性曲線（所謂的極化曲線）。一個典型的運行在 0％，也就是說氫燃料中的 50％的能量 轉(zhuǎn)化為了電能，其余的 50％將轉(zhuǎn)換成熱量散失掉了。（根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計，一些燃料會散失掉并沒有參與反應(yīng)，從而構(gòu)成了另外一部分額外的損失） 對于一個工作在額定條件下并且沒有反應(yīng)物流失的氫燃料電池，其發(fā)電效率等于電池電壓除以 ，這是基于熱焓或反應(yīng)熱值的影響。對于同一塊電池，另一種計算效率的公式是將電池電壓除以 （此電壓比值會隨所用燃料類型、質(zhì)量和溫度而變）。上述兩種計算方法之間的差異反應(yīng)了熱焓和吉布斯自由能之間的差異。這種差異似乎總是以發(fā)熱的形式體現(xiàn)出來，伴隨著其它的電轉(zhuǎn)換效率損失。 燃料電池 不是在熱循環(huán)方式下運行的。因此，它們不會像內(nèi)燃機那樣受到熱力學(xué)限制，比如卡諾循環(huán)效率。有時人們會錯誤地說：燃料電池免受熱力學(xué)定律的限制。因為至少大多數(shù)人單就燃燒過程生成熱焓而言是這樣認為的。熱力學(xué)定律同樣適用于類似燃料電池這樣的化學(xué)反應(yīng)過程（吉布斯自由能），但是其理論熱效率（在熱力學(xué)溫度 298K 時的熱效率為 83%）要高于奧托循環(huán)熱效率（在壓縮比為 10，絕熱系數(shù)為 的熱效率為 60%）。比較帶有限制條件的熱力學(xué)不是對實際應(yīng)有效率的好的預(yù)測。同樣，如果是用于電力拖動，那么燃料電池的輸出不得不再次轉(zhuǎn)換為相應(yīng)低 效率的機械功率。關(guān)于上文中提到的豁免要求，正確的說法是：“熱力學(xué)第二定律對于燃料電池的工作所施加的限制要比對常規(guī)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所施加的限制小得多”。 因此，燃料電池在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的過程中具有很高的效率，尤其是當它們運行在低功率密度下，并且利用純氫氣和氧氣作為反應(yīng)劑。 在實際使用過程中，使用空氣（而不是瓶裝氧氣）的燃料電池，在送風系統(tǒng)中造成的損失也必須加以考慮，這是指為空氣增壓和除濕。這大大降低了效率，使得燃料電池的效率和壓縮點火式內(nèi)燃機非常接近。此外燃料電池的效率隨負荷的增加而降低。 燃料電池汽車在低 負荷時的油箱到車輪效率為 45％左右，在被用作測試工況的 歐洲行駛工況）下運行時所顯示的效率平均值為 36％。對比同樣行駛在 況下的柴油機車輛，其效率僅為 22％。在 2008 年本田公司推出了一款聲稱油箱到車輪效率可達 60%的使用燃料堆棧的概念汽車。 燃料電池不可能像電池一樣儲存能量，但在某些應(yīng)用場合，比如說建立在不連續(xù)動力源如太陽能和風能基礎(chǔ)上的獨立的發(fā)電廠，它們可以和電解槽以及蓄電池組共同構(gòu)成儲能系統(tǒng) ,這種類型發(fā)電廠（電力，氫再到電力）的總效率（稱為往返效率）介于 30~50％之間，具體數(shù)值要看 工況而定。雖然更便宜的鉛酸電池其返回效率可能會達到 90％左右，但電解槽 /燃料電池系統(tǒng)可以存儲無限量的氫，因此更適合長期儲存。