外文翻譯--燃料電池及其發(fā)展前景

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文獻(xiàn)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(lái)自于燃料（陽(yáng)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(shí)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?yàn)樗鼈兊姆磻?yīng)消耗來(lái)源是從外部獲得，所以必須加以補(bǔ)充，這是一個(gè)開(kāi)放的熱力學(xué)系統(tǒng)。相比之下，電池儲(chǔ)存的是化學(xué)電能，因 此代表的是一個(gè)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(lái)自于空氣）作為氧化劑。其它燃料包括碳?xì)浠衔锖痛碱?。其它氧化劑包括氯和二氧化氯? 燃料電池設(shè)計(jì) 燃料電池是通過(guò)催化作用進(jìn)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(dòng)，從而將其轉(zhuǎn)化為電流。另一種催化過(guò)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(jiǎn)單的化合物，像水和二氧化碳）。 一個(gè)典型的燃料電池在額定負(fù)載下所 產(chǎn)生的電壓從 至 不等。電壓會(huì)隨電流的增大而減小，主要取決于以下幾個(gè)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(fù)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(jì)通常被稱為燃料電池堆。此外，還可以通過(guò)增加電池的表面積來(lái)獲得更為強(qiáng)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(gè)質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜（電 解質(zhì)），將燃料電池的陽(yáng)極和陰極分開(kāi)在兩邊。這就是在 20 世紀(jì) 70 年代初期質(zhì)子交換原理還沒(méi)有被廣泛認(rèn)識(shí)之前，被人們稱為的“固體聚合物電解質(zhì)燃料電池”（ （請(qǐng)注意，“聚合物電解質(zhì)膜”和“質(zhì)子交換機(jī)制”） 在陽(yáng)極側(cè)，氫擴(kuò)散到陽(yáng)極 ,催化劑分裂成質(zhì)子和電子。這些質(zhì)子常常會(huì)與氧化劑反應(yīng)使之成為通常被人們稱作的簡(jiǎn)易化質(zhì)子膜（ 質(zhì)子是通過(guò)交換膜向陰極移動(dòng)的，但電子則被迫沿著外部電路穿行（提供外電流），因?yàn)橘|(zhì)子膜是絕緣的。在陰極催化劑的作用下，氧分子與（已穿過(guò)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(gè)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?xì)渥鳛槿剂系娜剂想姵?，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(gè)典型的膜電極裝置中，電極的兩個(gè)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(kāi)，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(jì)中，陽(yáng)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(kāi)來(lái)。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(guò)催化反應(yīng)成為氧離子，它通過(guò)電解液擴(kuò)散到陽(yáng)極側(cè)。在陽(yáng)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(yáng)極和陰極之間的外接負(fù)載形成了電流的完整通路。 燃料電池設(shè)計(jì)問(wèn)題 燃料電池的費(fèi)用 2002 年，典型的燃料電池催化劑包含在電力輸出中的費(fèi)用約為 1000 美元每千瓦。在 2008 年美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司安裝 400 千瓦燃料電池的費(fèi)用是 100 萬(wàn)美元。我 們的目標(biāo)是降低發(fā)電成本，以便于同當(dāng)前市場(chǎng)上的常規(guī)發(fā)電方式比如汽油內(nèi)燃機(jī)等競(jìng)爭(zhēng)。許多公司正致力于提高技術(shù)，試圖通過(guò)各種方式減少成本，包括減少鉑在每個(gè)電池中的使用量。巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)曾經(jīng)采用增強(qiáng)型碳絲催化劑做過(guò)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(fèi)用。目前的 費(fèi)用 ＄ 400 /平方米。在 2005 年巴拉德動(dòng)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(guò)程中的蒸發(fā)速度嚴(yán)格一致。如果交換膜中水的蒸發(fā)過(guò)快，膜就會(huì)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(huì)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(méi)，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(lái)管理燃料電池交換膜中的水是側(cè)重點(diǎn)，正如在內(nèi)燃機(jī)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(yùn)作。 溫度管理 必 須保持整個(gè)電池維持相同的溫度，以防止熱負(fù)荷對(duì)電池的破壞，這是特別具有挑戰(zhàn)性的。 2 2反應(yīng)會(huì)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(yùn)行超過(guò) 4 萬(wàn)小時(shí)，而汽車的燃料電池需要在極端溫度下有 5千小時(shí)的壽命（相當(dāng)于行駛 15萬(wàn)英里）。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也必須能夠可靠地運(yùn)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(guó)科學(xué)家 1838年發(fā)表在當(dāng)時(shí)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(jì)原理圖。他設(shè)計(jì)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(jìn)一步修改了原來(lái)的燃料電池設(shè)計(jì)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(guó)航空航天局和麥道飛機(jī)公司合作研發(fā)這種技術(shù)，使其應(yīng)用在了雙子星項(xiàng)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(guó)工程師托馬斯·弗朗西斯·培根才成功地開(kāi)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(jì)小組為愛(ài)麗 絲· 查爾莫斯研制了一臺(tái) 15 千瓦的燃料電池拖拉機(jī)，該機(jī)在美國(guó)國(guó)家博覽會(huì)上進(jìn)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(lái)在 1959 年，培根和他的同事們研制出了一臺(tái)實(shí)用的 5 千瓦燃料電池機(jī)組，能 夠?yàn)殡姾笝C(jī)提供電能。在 20 世紀(jì) 60 年代，普拉特和惠特尼獲得美國(guó)政府特許將培根的專利用于美國(guó)在太空計(jì)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(chǎng)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(jì)將在 2009 年末上市銷售）。目前 力公司仍然是美國(guó)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(lái)的太 空船項(xiàng)目中為宇航局提供幫助。該公司正在開(kāi)發(fā)燃料電池汽車，公共汽車和手機(jī)基站；該公司已經(jīng)展示了第一臺(tái)能在冰點(diǎn)以下啟動(dòng)的質(zhì)子交換膜電動(dòng)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(lái)的，故而電池的效率幾乎和它的輸出電壓成正比。出于這個(gè)原因，廠家通常都會(huì)給出任何一款電池的伏安特性曲線（所謂的極化曲線）。一個(gè)典型的運(yùn)行在 0％，也就是說(shuō)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(jì)，一些燃料會(huì)散失掉并沒(méi)有參與反應(yīng)，從而構(gòu)成了另外一部分額外的損失） 對(duì)于一個(gè)工作在額定條件下并且沒(méi)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(duì)于同一塊電池，另一種計(jì)算效率的公式是將電池電壓除以 （此電壓比值會(huì)隨所用燃料類型、質(zhì)量和溫度而變）。上述兩種計(jì)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(lái)，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(yùn)行的。因此，它們不會(huì)像內(nèi)燃機(jī)那樣受到熱力學(xué)限制，比如卡諾循環(huán)效率。有時(shí)人們會(huì)錯(cuò)誤地說(shuō)：燃料電池免受熱力學(xué)定律的限制。因?yàn)橹辽俅蠖鄶?shù)人單就燃燒過(guò)程生成熱焓而言是這樣認(rèn)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(guò)程（吉布斯自由能），但是其理論熱效率（在熱力學(xué)溫度 298K 時(shí)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(duì)實(shí)際應(yīng)有效率的好的預(yù)測(cè)。同樣，如果是用于電力拖動(dòng)，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(jī)械功率。關(guān)于上文中提到的豁免要求，正確的說(shuō)法是：“熱力學(xué)第二定律對(duì)于燃料電池的工作所施加的限制要比對(duì)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(guò)程中具有很高的效率，尤其是當(dāng)它們運(yùn)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(shí)際使用過(guò)程中，使用空氣（而不是瓶裝氧氣）的燃料電池，在送風(fēng)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(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)非常接近。此外燃料電池的效率隨負(fù)荷的增加而降低。 燃料電池汽車在低 負(fù)荷時(shí)的油箱到車輪效率為 45％左右，在被用作測(cè)試工況的 歐洲行駛工況）下運(yùn)行時(shí)所顯示的效率平均值為 36％。對(duì)比同樣行駛在 況下的柴油機(jī)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(dá) 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(chǔ)存能量，但在某些應(yīng)用場(chǎng)合，比如說(shuō)建立在不連續(xù)動(dòng)力源如太陽(yáng)能和風(fēng)能基礎(chǔ)上的獨(dú)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(chǔ)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(huì)達(dá)到 90％左右，但電解槽 /燃料電池系統(tǒng)可以存儲(chǔ)無(wú)限量的氫，因此更適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存。