2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——燃料電池技術(shù)在能源化學(xué)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.燃料電池直接將什么能轉(zhuǎn)化為電能？A.化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能再轉(zhuǎn)化為電能B.內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能C.化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能D.光能轉(zhuǎn)化為電能2.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，質(zhì)子（H?）是如何穿過電解質(zhì)的？A.通過電子導(dǎo)電B.通過離子導(dǎo)電C.通過固體框架傳導(dǎo)D.隨氣體一起擴(kuò)散3.下列哪種材料通常用作固體氧化物燃料電池（SOFC）的電解質(zhì)？A.質(zhì)子交換膜（PEM）B.陽離子交換陶瓷，如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）C.堿性水溶液D.鉑碳催化劑4.燃料電池的電壓主要由哪個(gè)因素決定？A.電極的表面積大小B.電解質(zhì)的厚度C.陽極反應(yīng)的難易程度D.理論電池電動(dòng)勢(shì)5.燃料電池中，通常使用哪種物質(zhì)作為燃料？A.氧氣B.氮?dú)釩.氫氣D.空氣6.燃料電池的功率密度通常用什么來衡量？A.單位體積的功率輸出B.單位質(zhì)量的功率輸出C.單位面積的功率輸出D.單位時(shí)間的能量輸出7.在燃料電池中，雙極板的主要功能是？A.承擔(dān)電流B.分離陰陽極反應(yīng)區(qū)域并提供氣體通道C.傳導(dǎo)質(zhì)子D.催化電化學(xué)反應(yīng)8.氫燃料電池汽車面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.氫氣的來源廣泛易得B.燃料電池效率高C.氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本高、安全性要求高D.燃料電池壽命長9.與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，燃料電池發(fā)電的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.需要更高的運(yùn)行溫度B.產(chǎn)生大量的固體廢棄物C.運(yùn)行過程中幾乎沒有污染物排放D.對(duì)燃料的適應(yīng)性差10.燃料電池根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，可以分為多種類型，以下哪一項(xiàng)不屬于常見的燃料電池類型？A.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）B.燃料電池汽車（FCV）C.堿性燃料電池（AFC）D.氫燃料電池（HFC）二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.燃料電池中，發(fā)生在陽極的反應(yīng)通常是燃料的________反應(yīng)。2.燃料電池中，發(fā)生在陰極的反應(yīng)通常是氧氣的________反應(yīng)。3.固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）通常在________攝氏度以上的高溫下運(yùn)行。4.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）使用的電解質(zhì)是________膜。5.增加燃料電池電堆的________數(shù)量通?？梢蕴岣咂淇偣β瘦敵觥?.燃料電池的耐久性是指其長期運(yùn)行的________和性能保持能力。7.燃料電池系統(tǒng)效率是指產(chǎn)生的________能量與消耗的燃料化學(xué)能之比。8.氫燃料電池的陰極催化劑目前主要依賴________。9.燃料電池按工作溫度可以分為低溫燃料電池（如PEMFC）、中溫燃料電池和________燃料電池。10.燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域包括固定式發(fā)電、便攜式電源和________。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的基本工作原理。2.比較固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在運(yùn)行溫度和電解質(zhì)類型上的主要區(qū)別。3.簡(jiǎn)述燃料電池在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。四、論述題（每小題10分，共20分）1.論述提高燃料電池性能（如功率密度和效率）的主要途徑。2.分析燃料電池技術(shù)在未來能源結(jié)構(gòu)中的潛在作用和面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。五、材料題（每小題5分，共10分）1.說明燃料電池電極催化劑的作用，并簡(jiǎn)述提高電極催化活性的常用方法。2.解釋燃料電池電解質(zhì)材料需要具備哪些關(guān)鍵性能，并舉例說明一種常用電解質(zhì)材料及其優(yōu)缺點(diǎn)。試卷答案一、選擇題1.C*解析：燃料電池直接通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，無需經(jīng)過熱能或機(jī)械能的中間轉(zhuǎn)換。2.B*解析：在PEMFC中，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜中的水合離子（H?O?）以離子形式導(dǎo)電。3.B*解析：SOFC的工作原理需要在高溫下進(jìn)行，因此通常采用離子導(dǎo)電的固體氧化物電解質(zhì)，如YSZ。4.D*解析：根據(jù)能斯特方程，理論電池電動(dòng)勢(shì)是基于反應(yīng)物和產(chǎn)物化學(xué)勢(shì)決定的，是決定燃料電池電壓的基礎(chǔ)。5.C*解析：雖然氫氣是理想燃料，但其他如甲醇重整氣等也可用作燃料，但氫氣是純?nèi)剂想姵刈畛Ｓ玫摹?.C*解析：功率密度是指單位電極面積的功率輸出，是衡量電堆性能的重要指標(biāo)，單位通常是W/cm2。7.B*解析：雙極板不僅需要傳導(dǎo)電流（通常是金屬板），還需要讓反應(yīng)氣體（氫氣、氧氣）順暢流過，并有效分離陰陽極。8.C*解析：氫氣的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸成本高昂且存在安全風(fēng)險(xiǎn)，是制約氫燃料電池汽車普及的主要因素。9.C*解析：燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，過程接近熱力學(xué)效率極限，且燃燒產(chǎn)物主要是水，污染小。10.B*解析：燃料電池汽車（FCV）是燃料電池的一種應(yīng)用形式，而不是燃料電池的類型。常見的類型按電解質(zhì)分有PEMFC,SOFC,AFC,DMFC,MCFC等。二、填空題1.氧化*解析：在陽極，燃料（如H?）與電解質(zhì)中的水或質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，失去電子，被氧化。2.還原*解析：在陰極，氧化劑（通常是O?）得到電子和質(zhì)子（或水），發(fā)生還原反應(yīng)生成水。3.高溫*解析：SOFC工作溫度通常在600-1000°C之間，遠(yuǎn)高于PEMFC和AFC。4.質(zhì)子交換膜*解析：PEMFC的核心是使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，允許質(zhì)子通過，同時(shí)阻止電子和氣體通過。5.電堆*解析：電堆是由多個(gè)單電池串聯(lián)或并聯(lián)組成的單元，增加電堆中的單電池?cái)?shù)量（即增加反應(yīng)面積和串聯(lián)數(shù)量）可提高總功率。6.穩(wěn)定性*解析：耐久性衡量燃料電池在長期運(yùn)行條件下，結(jié)構(gòu)、性能（如電壓、功率密度）保持穩(wěn)定的能力。7.電能*解析：系統(tǒng)效率定義的是輸出的電能與輸入的燃料化學(xué)能之比。8.鉑*解析：目前PEMFC和SOFC陰極常用的催化劑是鉑（Pt），但鉑成本高、資源有限，非鉑催化劑研究是熱點(diǎn)。9.高溫*解析：燃料電池按工作溫度可分為低溫（<200°C，如PEMFC,AFC）、中溫（200-800°C，如SOFC部分范圍）、高溫（>800°C，如SOFC,MCFC）。10.車用*解析：燃料電池的應(yīng)用廣泛，包括固定式發(fā)電、便攜式電源、車用（如燃料電池汽車）等。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的基本工作原理。*解析：PEMFC以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，在陽極，燃料氫氣（H?）在催化劑作用下分解為質(zhì)子（H?）和電子（e?）；質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極；電子通過外部電路流向陰極；在陰極，氧氣（O?）與來自陽極的質(zhì)子和電子在催化劑作用下反應(yīng)生成水（H?O）。整個(gè)過程將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能、熱量和水。2.比較固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在運(yùn)行溫度和電解質(zhì)類型上的主要區(qū)別。*解析：主要區(qū)別在于：*運(yùn)行溫度：SOFC工作溫度高（600-1000°C），PEMFC工作溫度低（60-120°C）。*電解質(zhì)類型：SOFC使用固體氧化物陶瓷電解質(zhì)（如YSZ），PEMFC使用質(zhì)子交換膜（如Nafion?）。*溫度差異導(dǎo)致SOFC無需使用貴金屬催化劑（或較少），啟動(dòng)慢；PEMFC啟動(dòng)快，但電解質(zhì)在高溫下易被水汽侵蝕，需要使用昂貴的鉑基催化劑。3.簡(jiǎn)述燃料電池在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。*解析：主要挑戰(zhàn)包括：*成本：燃料電池系統(tǒng)（特別是催化劑和電解質(zhì)）成本仍然較高，與內(nèi)燃機(jī)相比缺乏經(jīng)濟(jì)性。*儲(chǔ)氫：氫氣的高效、安全、低成本儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)尚未完全成熟。*基礎(chǔ)設(shè)施：加氫站等配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)緩慢，覆蓋范圍有限。*耐久性與壽命：在車輛復(fù)雜、嚴(yán)苛的運(yùn)行條件下，燃料電池系統(tǒng)的耐久性和壽命仍需提高。*功率密度：與內(nèi)燃機(jī)相比，相同體積或重量下的功率密度仍有差距，影響車輛性能。四、論述題1.論述提高燃料電池性能（如功率密度和效率）的主要途徑。*解析：提高燃料電池性能的主要途徑包括：*提高電極催化活性：開發(fā)更高效、更廉價(jià)的非貴金屬催化劑或改進(jìn)現(xiàn)有貴金屬催化劑的利用效率，可以降低反應(yīng)過電位，提高電極反應(yīng)速率，從而提高電壓和功率密度。*優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和材料：增加電極表面積（如使用多孔結(jié)構(gòu)、納米材料），改善氣體擴(kuò)散和反應(yīng)物傳輸，減少濃差極化損失，提高電流密度和功率密度。*降低電解質(zhì)電阻：選擇更薄、離子電導(dǎo)率更高的電解質(zhì)材料，減少歐姆電阻損失，提高電壓。*改善氣體管理和熱管理：優(yōu)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)，確保反應(yīng)氣體均勻分布并充分接觸電極；有效控制電池溫度，避免局部過熱或過冷，維持最佳工作狀態(tài)。*提高系統(tǒng)效率：優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括燃料處理器效率、余熱回收利用等，減少系統(tǒng)內(nèi)部能量損失，提高整體能源利用效率。*延長耐久性：改進(jìn)材料抗衰減能力，優(yōu)化運(yùn)行策略，減緩副反應(yīng)，延長電池壽命，間接提升長期性能。2.分析燃料電池技術(shù)在未來能源結(jié)構(gòu)中的潛在作用和面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。*解析：潛在作用：*提供清潔能源：燃料電池發(fā)電過程幾乎不產(chǎn)生污染物（只產(chǎn)生水），有助于應(yīng)對(duì)氣候變化和改善空氣質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)。*提高能源利用效率：燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)60%以上，系統(tǒng)效率更高），可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，提高綜合能源利用效率。*增強(qiáng)能源供應(yīng)靈活性：燃料電池可快速啟動(dòng)、響應(yīng)負(fù)荷變化，可與可再生能源（如太陽能、風(fēng)能）結(jié)合，構(gòu)成靈活的分布式能源系統(tǒng)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。*推動(dòng)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展：燃料電池是氫能利用的核心技術(shù)，可促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展和應(yīng)用普及。*拓展應(yīng)用場(chǎng)景：在交通（燃料電池汽車）、固定發(fā)電、工業(yè)、建筑、移動(dòng)電源等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。*面臨的機(jī)遇：*技術(shù)持續(xù)進(jìn)步：催化劑、電解質(zhì)、材料等不斷優(yōu)化，成本逐步下降。*政策支持：全球多國政府出臺(tái)政策支持燃料電池研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。*基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速：加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施逐步布局。*與其他技術(shù)融合：與儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合創(chuàng)造新的應(yīng)用模式。*面臨的挑戰(zhàn)：*成本問題：系統(tǒng)成本仍遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)，商業(yè)化普及的關(guān)鍵。*儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)：成本、效率、安全仍需突破。*基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：加氫站等配套建設(shè)緩慢，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足。*標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化：缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。*供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈：需要建立穩(wěn)定、高效的供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)體系。五、材料題1.說明燃料電池電極催化劑的作用，并簡(jiǎn)述提高電極催化活性的常用方法。*解析：作用：電極催化劑的核心作用是加速電化學(xué)反應(yīng)速率，降低反應(yīng)過電位。在陽極，催化劑幫助燃料（如H?）分解產(chǎn)生質(zhì)子和電子；在陰極，催化劑幫助氧氣與質(zhì)子和電子結(jié)合生成水。催化劑的性能直接影響燃料電池的電壓、功率密度和運(yùn)行穩(wěn)定性。*提高方法：*使用更高活性的催化劑：研發(fā)或采用本征活性更高、即使用少量也能達(dá)到良好催化效果的催化劑材料。例如，研究和應(yīng)用非鉑催化劑。*增加催化劑負(fù)載量：在電極中合理增加催化劑的負(fù)載量，但需注意成本和潛在毒化問題。*優(yōu)化催化劑形貌和尺寸：制備具有特定形貌（如納米顆粒、納米線、納米管）和尺寸的催化劑，增大比表面積，暴露更多活性位點(diǎn)，改善與電解質(zhì)/氣體擴(kuò)散層的接觸。*改善催化劑與電極基底的結(jié)合：確保催化劑在長期運(yùn)行中能夠穩(wěn)定附著在支撐材料（如碳紙）上，防止脫落。*構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)或復(fù)合催化劑：設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)的催化劑，例如將催化活性金屬核與高導(dǎo)電性或高穩(wěn)定性殼層結(jié)合，或與導(dǎo)電基底材料復(fù)合，以優(yōu)化電子傳輸、