外文翻译--燃料电池及其发展前景

文献翻译 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/m. 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 35C , 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 参考译文： 燃料电池及其发展前景 燃料电池是一种电化学转换装置。它产生的电流来自于燃料（阳极侧）和氧化剂（阴极侧）在电解液作用下的化学反应。反应物（燃料）源源不断地流入电池，而反应产品（也就是电能）则从电池中流出，同时电解液依然保留在电池内部。只要保持必要的燃料供给 ,燃料电池几乎可以持续不断地产生电能。 燃料电池是一种特殊的电化学电池，因为它们的反应消耗来源是从外部获得，所以必须加以补充，这是一个开放的热力学系统。相比之下，电池储存的是化学电能，因 此代表的是一个封闭的热力学系统。 有许多种燃料和氧化剂的组合都是可行的。氢燃料电池使用氢作为燃料，而用氧气（通常来自于空气）作为氧化剂。其它燃料包括碳氢化合物和醇类。其它氧化剂包括氯和二氧化氯。 燃料电池设计 燃料电池是通过催化作用进行工作的，催化剂通常包括铂族金属或合金。在催化作用下将反应燃料的组成部分电子和质子分离，并迫使电子沿回路移动，从而将其转化为电流。另一种催化过程需要将电子与质子和氧化剂相结合，形成废物产品（通常是简单的化合物，像水和二氧化碳）。 一个典型的燃料电池在额定负载下所 产生的电压从 至 不等。电压会随电流的增大而减小，主要取决于以下几个因素： （催化剂）活性的损失 欧姆损失（由于电池元件的自身电阻以及接触电阻引起的电压降） 大量传输损失（催化剂在高负荷下反应后枯竭 ,造成电压迅速降低） 为了提供所需的大量能源，燃料电池可以串联或者并联使用，串联可以产生较高的电压而并联可以获得较大的电流。这种设计通常被称为燃料电池堆。此外，还可以通过增加电池的表面积来获得更为强大的电流。 质子交换膜燃料电池 在氢氧质子交换膜燃料电池（ 原型中，一个质子导电聚合物膜（电 解质），将燃料电池的阳极和阴极分开在两边。这就是在 20 世纪 70 年代初期质子交换原理还没有被广泛认识之前，被人们称为的“固体聚合物电解质燃料电池”（ （请注意，“聚合物电解质膜”和“质子交换机制”） 在阳极侧，氢扩散到阳极 ,催化剂分裂成质子和电子。这些质子常常会与氧化剂反应使之成为通常被人们称作的简易化质子膜（ 质子是通过交换膜向阴极移动的，但电子则被迫沿着外部电路穿行（提供外电流），因为质子膜是绝缘的。在阴极催化剂的作用下，氧分子与（已穿过外部电路返回的）电子和质子发生化学反应 形成水。在这个反应模式中唯一的废物产品，要么是液体（水）要么是蒸汽。 除了这种纯粹的氢型燃料电池外，还有以碳氢作为燃料的燃料电池，包括柴油，甲醇（分直接甲醇燃料电池和间接甲醇燃料电池）和化学氢化物燃料电池。这些类型燃料电池的废料产品是二氧化碳和水。 不同类型的燃料电池使用的不同的反应材料。在一个典型的膜电极装置中，电极的两个极板通常都是采用金属制造的，镍或碳纳米管，并涂有催化剂（如铂，纳米铁粉或钯），从而使其具有更高的效率。复写纸将它们与电解质分开，电解质可以是陶瓷材料或者交换膜。 氧离 子交换燃料电池 在固体氧化物燃料电池的设计中，阳极和阴极是由能够传导氧离子但是不能传导电子的电解质分隔开来。电解质通常是由参杂氧化钇的氧化锆材料组成。 在阴极一侧，氧气与电子通过催化反应成为氧离子，它通过电解液扩散到阳极侧。在阳极一侧，氧离子与氢反应形成水和自由电子。于是连接在阳极和阴极之间的外接负载形成了电流的完整通路。 燃料电池设计问题 燃料电池的费用 2002 年，典型的燃料电池催化剂包含在电力输出中的费用约为 1000 美元每千瓦。在 2008 年美国联合技术公司安装 400 千瓦燃料电池的费用是 100 万美元。我 们的目标是降低发电成本，以便于同当前市场上的常规发电方式比如汽油内燃机等竞争。许多公司正致力于提高技术，试图通过各种方式减少成本，包括减少铂在每个电池中的使用量。巴拉德动力系统曾经采用增强型碳丝催化剂做过实验，实验表明在不影响电池性能的情况下可减少 30（ 1 毫克 / 至 克 / 铂金使用量。 子交换膜）的生产成本费用。目前的 费用 400 /平方米。在 2005 年巴拉德动力系统宣布，该公司的燃料电池将使用 ，一种由制并拥有专利权的多孔聚 乙烯薄膜。 质子交换膜燃料电池中水和空气的管理。在此类型的燃料电池中，膜必须含水，水的蒸发速度要与该膜生产过程中的蒸发速度严格一致。如果交换膜中水的蒸发过快，膜就会太干燥，阻值增大，并最终裂缝，导致氢气和氧气直接结合形成天然气短路的现象，这样会产生大量的热量损坏燃料电池。如果水的蒸发速度太慢，电极将被淹没，从而阻止了反应物与催化剂的结合，化学反应停止。用电水泵流量控制的方法来管理燃料电池交换膜中的水是侧重点，正如在内燃机中保持反应物和氧气稳定的比例是非常重要的一样，从而保持燃料电池有效地运作。 温度管理 必 须保持整个电池维持相同的温度，以防止热负荷对电池的破坏，这是特别具有挑战性的。 2 2反应会在燃料电池中产生大量的热，损坏燃料电池。 特种类型的电池要求耐用性和使用寿命 固定式燃料电池应该能够 在 35 至 40的 温度下稳定运行超过 4 万小时，而汽车的燃料电池需要在极端温度下有 5千小时的寿命（相当于行驶 15万英里）。 汽车发动机也必须能够可靠地运行在 30温度下，并且具有较高的升功率（通常为 ）。 历史 燃料电池的原理最初是由德国科学家 1838年发表在当时的一本科学杂志上。在此基础上，由威尔士科学家威 廉 罗伯特格罗夫在 1839 年 2 月版的哲学杂志和科学期刊上首次论证了燃料电池，并于 1842年在同一期刊上提出了设计原理图。他设计的燃料电池使用的材料类似于今天的磷酸燃料电池。 1955 年，在通用电气公司（ 作的化学工程师托马斯格拉布，进一步修改了原来的燃料电池设计方案，采用磺化聚苯乙烯离子交换膜作为电解质。三年后，另一位通用电气的化学工程师莱昂纳多涅德拉茨发明了一种方法，在膜上沉积铂作为氢与氧的氧化还原反应所必需 的催化剂，这被称为格拉布 用电气公司继续与美国航空航天局和麦道飞机公司合作研发这种技术，使其应用在了双子星项目上。这是燃料电池的第一次商业性使用。此后直到 1959 年，英国工程师托马斯弗朗西斯培根才成功地开发出了 5 千瓦固定式燃料电池。 1959 年，哈 里艾琳格 所领导的设计小组为爱丽 丝 查尔莫斯研制了一台 15 千瓦的燃料电池拖拉机，该机在美国国家博览会上进行了展出。该系统采用氢氧化钾作为电解质，压缩氢气和氧气为反应物。后来在 1959 年，培根和他的同事们研制出了一台实用的 5 千瓦燃料电池机组，能 够为电焊机提供电能。在 20 世纪 60 年代，普拉特和惠特尼获得美国政府特许将培根的专利用于美国在太空计划中的供电和饮用水供应（氢气和氧气在太空舱可以轻松的得到）。 联合技术公司的子公司 要用于为医院，大学和大型办公楼提供备用电站。 续以纯净电池 200 的名字在市场上推销这款 200 千瓦的产品（虽然很快就要更换400 千瓦的版本，预计将在 2009 年末上市销售）。目前 力公司仍然是美国宇航局太空车辆燃料电池的唯一供应商，并曾经在阿波罗登月和近年来的太 空船项目中为宇航局提供帮助。该公司正在开发燃料电池汽车，公共汽车和手机基站；该公司已经展示了第一台能在冰点以下启动的质子交换膜电动汽车燃料电池。 燃料电池的效率 燃料电池的效率依赖于从它得出的功率。因此，输出的功率越多、电流越大，电池的损耗也就越大，效率也就越低。而大多数损耗都是以电压降的形式体现出来的，故而电池的效率几乎和它的输出电压成正比。出于这个原因，厂家通常都会给出任何一款电池的伏安特性曲线（所谓的极化曲线）。一个典型的运行在 0，也就是说氢燃料中的 50的能量 转化为了电能，其余的 50将转换成热量散失掉了。（根据燃料电池系统的设计，一些燃料会散失掉并没有参与反应，从而构成了另外一部分额外的损失） 对于一个工作在额定条件下并且没有反应物流失的氢燃料电池，其发电效率等于电池电压除以 ，这是基于热焓或反应热值的影响。对于同一块电池，另一种计算效率的公式是将电池电压除以 （此电压比值会随所用燃料类型、质量和温度而变）。上述两种计算方法之间的差异反应了热焓和吉布斯自由能之间的差异。这种差异似乎总是以发热的形式体现出来，伴随着其它的电转换效率损失。 燃料电池 不是在热循环方式下运行的。因此，它们不会像内燃机那样受到热力学限制，比如卡诺循环效率。有时人们会错误地说：燃料电池免受热力学定律的限制。因为至少大多数人单就燃烧过程生成热焓而言是这样认为的。热力学定律同样适用于类似燃料电池这样的化学反应过程（吉布斯自由能），但是其理论热效率（在热力学温度 298K 时的热效率为 83%）要高于奥托循环热效率（在压缩比为 10，绝热系数为 的热效率为 60%）。比较带有限制条件的热力学不是对实际应有效率的好的预测。同样，如果是用于电力拖动，那么燃料电池的输出不得不再次转换为相应低 效率的机械功率。关于上文中提到的豁免要求，正确的说法是：“热力学第二定律对于燃料电池的工作所施加的限制要比对常规的能量转换系统所施加的限制小得多”。 因此，燃料电池在将化学能转化成电能的过程中具有很高的效率，尤其是当它们运行在低功率密度下，并且利用纯氢气和氧气作为反应剂。 在实际使用过程中，使用空气（而不是瓶装氧气）的燃料电池，在送风系统中造成的损失也必须加以考虑，这是指为空气增压和除湿。这大大降低了效率，使得燃料电池的效率和压缩点火式内燃机非常接近。此外燃料电池的效率随负荷的增加而降低。 燃料电池汽车在低 负荷时的油箱到车轮效率为 45左右，在被用作测试工况的 欧洲行驶工况）下运行时所显示的效率平均值为 36。对比同样行驶在 况下的柴油机车辆，其效率仅为 22。在 2008 年本田公司推出了一款声称油箱到车轮效率可达 60%的使用燃料堆栈的概念汽车。 燃料电池不可能像电池一样储存能量，但在某些应用场合，比如说建立在不连续动力源如太阳能和风能基础上的独立的发电厂，它们可以和电解槽以及蓄电池组共同构成储能系统 ,这种类型发电厂（电力，氢再到电力）的总效率（称为往返效率）介于 3050之间，具体数值要看 工况而定。虽然更便宜的铅酸电池其返回效率可能会达到 90左右，但电解槽 /燃料电池系统可以存储无限量的氢，因此更适合长期储存。