甲醇燃料电池的催化性能比较外文翻译资料

 2022-12-24 16:06:12

英文原文:

Fuel Cells and Their Prospects

A fuel cell is an electrochemical conversion device. It produces electricity from fuel (on the anode side) and an oxidant (on the cathode side), which react in the presence of an electrolyte. The reactants flow into the cell, and the reaction products flow out of it, while the electrolyte remains within it. Fuel cells can operate virtually continuously as long as the necessary flows are maintained.

Fuel cells are different from electrochemical cell batteries in that they consume reactant from an external source, which must be replenished--a thermodynamically open system. By contrast batteries store electrical energy chemically and hence represent a thermodynamically closed system.

Many combinations of fuel and oxidant are possible. A hydrogen cell uses hydrogen as fuel and oxygen (usually from air) as oxidant. Other fuels include hydrocarbons and alcohols. Other oxidants include chlorine and chlorine dioxide.

Fuel cell design

A fuel cell works by catalysis, separating the component electrons and protons of the reactant fuel, and forcing the electrons to travel though a circuit, hence converting them to electrical power. The catalyst typically comprises a platinum group metal or alloy. Another catalytic process takes the electrons back in, combining them with the protons and oxidant to form waste products (typically simple compounds like water and carbon dioxide).

A typical fuel cell produces a voltage from 0.6 V to 0.7 V at full rated load. Voltage decreases as current increases, due to several factors:

  • Activation loss
  • Ohmic loss (voltage drop due to resistance of the cell components and interconnects)
  • Mass transport loss (depletion of reactants at catalyst sites under high loads, causing rapid loss of voltage)

To deliver the desired amount of energy, the fuel cells can be combined in series and parallel circuits, where series yield higher voltage, and parallel allows a stronger current to be drawn. Such a design is called a fuel cell stack. Further, the cell surface area can be increased, to allow stronger current from each cell.

Proton exchange fuel cells

In the archetypal hydrogen–oxygen proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) design, a proton-conducting polymer membrane, (the electrolyte), separates the anode and cathode sides. This was called a 'solid polymer electrolyte fuel cell' (SPEFC) in the early 1970s, before the proton exchange mechanism was well-understood. (Notice that 'polymer electrolyte membrane' and 'proton exchange mechanism' result in the same acronym.)

On the anode side, hydrogen diffuses to the anode catalyst where it later dissociates into protons and electrons. These protons often react with oxidants causing them to become what is commonly referred to as multi-facilitated proton membranes (MFPM). The protons are conducted through the membrane to the cathode, but the electrons are forced to travel in an external circuit (supplying power) because the membrane is electrically insulating. On the cathode catalyst, oxygen molecules react with the electrons (which have traveled through the external circuit) and protons to form water — in this example, the only waste product, either 参考译文:

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。

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)。

(催化剂)活性的损失

质子交换膜燃料电池

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(MFPM)。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。

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。

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。

燃料电池设计问题

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/ CM2降至0.7毫克/ CM2)的铂金使用量。

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。

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。2H2 O2 =2H2O的反应会在燃料电池中产生大量的热,损坏燃料电池。

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)。

历史

1955年,在通用电气公司(GE)工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-涅德拉茨燃料电池。通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)。

燃料电池的效率

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1.48伏,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1.23伏(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。

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30~50%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。

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