2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——生物質(zhì)氣化燃料電池在能源化學(xué)中的發(fā)展趨勢(shì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.請(qǐng)簡(jiǎn)述生物質(zhì)氣化過(guò)程中主要的化學(xué)反應(yīng)類型及其對(duì)氣化產(chǎn)物的影響。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明生物質(zhì)氣化燃料電池相比于直接使用傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電，在環(huán)境友好性方面具有哪些優(yōu)勢(shì)。3.影響生物質(zhì)氣化燃料電池系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵因素有哪些？請(qǐng)至少列舉三項(xiàng)。4.當(dāng)前生物質(zhì)氣化燃料電池技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？請(qǐng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)維度進(jìn)行闡述。二、論述題（每題10分，共30分）5.論述提高生物質(zhì)氣化燃料電池燃料氣中氫氣含量（H2）的重要性，并針對(duì)當(dāng)前技術(shù)路線，分析幾種主要的富氫策略及其優(yōu)缺點(diǎn)。6.生物質(zhì)氣化燃料電池的電催化劑（特別是陽(yáng)極催化劑）是影響其性能的關(guān)鍵。請(qǐng)論述當(dāng)前研究的主要方向，以及開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本電催化劑所面臨的挑戰(zhàn)。7.結(jié)合當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)，論述生物質(zhì)氣化燃料電池在特定應(yīng)用場(chǎng)景（如農(nóng)村地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)或與碳捕獲技術(shù)結(jié)合）的發(fā)展?jié)摿懊媾R的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。三、開(kāi)放性論述題（20分）8.生物質(zhì)氣化燃料電池技術(shù)的未來(lái)發(fā)展可能涉及材料科學(xué)、人工智能、過(guò)程優(yōu)化等多個(gè)領(lǐng)域的交叉融合。請(qǐng)結(jié)合你的理解，暢想未來(lái)五年該技術(shù)可能出現(xiàn)的重大突破方向，并闡述這些突破可能帶來(lái)的影響。試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.生物質(zhì)氣化過(guò)程中主要的化學(xué)反應(yīng)類型及其對(duì)氣化產(chǎn)物的影響。答案：主要反應(yīng)類型包括：氣化（主要是有機(jī)物的熱解和與氣化劑的反應(yīng)）、干餾（熱解過(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)與固體殘留物的分離）、催化反應(yīng)（催化劑促進(jìn)的氧化還原反應(yīng)）。這些反應(yīng)將復(fù)雜的有機(jī)大分子轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的氣體、液體和固體產(chǎn)物。氣化反應(yīng)直接影響產(chǎn)物的熱值、組分（如H2、CO、CH4、焦油等）的分布，進(jìn)而影響下游燃料電池的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。解析思路：考察對(duì)生物質(zhì)氣化基本化學(xué)過(guò)程的理解。需要區(qū)分氣化、干餾等概念，并說(shuō)明這些過(guò)程如何將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣化燃料，以及這些轉(zhuǎn)化過(guò)程和產(chǎn)物組成對(duì)后續(xù)應(yīng)用（如燃料電池）的影響。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明生物質(zhì)氣化燃料電池相比于直接使用傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電，在環(huán)境友好性方面具有哪些優(yōu)勢(shì)。答案：主要優(yōu)勢(shì)包括：生物質(zhì)具有碳中性特點(diǎn)，其燃燒和氣化過(guò)程釋放的CO2與生物質(zhì)生長(zhǎng)過(guò)程中吸收的CO2相抵消，整體生命周期碳排放較低；相比化石燃料，其氣化產(chǎn)物中含硫、氮化合物含量通常更低，可減少大氣污染物排放；能利用固體廢棄物（如秸稈、垃圾），實(shí)現(xiàn)資源化利用，減少環(huán)境污染。解析思路：考察對(duì)生物質(zhì)能源環(huán)境優(yōu)勢(shì)的認(rèn)知。核心在于理解生物質(zhì)“碳循環(huán)”的特點(diǎn)，以及與傳統(tǒng)化石燃料在污染物排放和資源利用方面的差異。3.影響生物質(zhì)氣化燃料電池系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵因素有哪些？請(qǐng)至少列舉三項(xiàng)。答案：關(guān)鍵因素包括：生物質(zhì)氣化效率（影響單位原料產(chǎn)生的有效燃料能量）；燃料電池電化學(xué)反應(yīng)效率（影響化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化率）；系統(tǒng)熱能回收利用效率（氣化過(guò)程產(chǎn)生的大量熱量若未能有效利用則降低系統(tǒng)凈效率）；燃料電池與氣化爐的匹配性（如燃料氣組分與電池類型的適配度）。解析思路：考察對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率鏈的理解。需要從輸入端（氣化）、轉(zhuǎn)換端（電化學(xué)）、能量利用以及系統(tǒng)整體匹配等多個(gè)角度思考影響效率的因素。4.當(dāng)前生物質(zhì)氣化燃料電池技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？請(qǐng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)維度進(jìn)行闡述。答案：技術(shù)挑戰(zhàn)：氣化過(guò)程控制不穩(wěn)定，燃料氣組分波動(dòng)大，難以滿足燃料電池苛刻要求；催化劑成本高、壽命短、易中毒；燃料電池部件（如膜、電極）在生物質(zhì)氣化燃料（含焦油、硫等）環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐腐蝕性不足；系統(tǒng)集成優(yōu)化難度大，成本高。經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)：初始投資成本高，導(dǎo)致發(fā)電成本競(jìng)爭(zhēng)力不足；原料預(yù)處理成本；運(yùn)維成本高；商業(yè)模式尚不成熟，缺乏穩(wěn)定的市場(chǎng)需求。解析思路：考察對(duì)技術(shù)瓶頸和市場(chǎng)障礙的全面認(rèn)識(shí)。要求學(xué)生能從技術(shù)本身的難點(diǎn)（材料、反應(yīng)、穩(wěn)定性等）和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的角度（成本、投資、商業(yè)模式等）分析阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的因素。二、論述題5.論述提高生物質(zhì)氣化燃料電池燃料氣中氫氣含量（H2）的重要性，并針對(duì)當(dāng)前技術(shù)路線，分析幾種主要的富氫策略及其優(yōu)缺點(diǎn)。答案：提高H2含量的重要性在于：H2是燃料電池的主要反應(yīng)物，高H2濃度可以提高電化學(xué)反應(yīng)速率，提升電池功率密度和效率；降低CO含量（CO在燃料電池中會(huì)毒化催化劑），延長(zhǎng)電池壽命；可能簡(jiǎn)化燃料處理系統(tǒng)，降低成本。主要富氫策略包括：水煤氣變換（WGS）反應(yīng)，將CO與水蒸氣轉(zhuǎn)化為H2和CO2，但需要高溫高壓和催化劑，且產(chǎn)生CO2；部分氧化法，控制氧氣供應(yīng)量，增加H2生成，但控制難度大，易產(chǎn)生焦油；重整法，如蒸汽重整，適用于含碳?xì)浠衔镙^高的氣體，但能耗較高。WGS技術(shù)成熟，效率高，但需處理CO2副產(chǎn)物；部分氧化法操作條件要求苛刻；重整法成本較高。選擇策略需綜合考慮原料特性、成本、效率、環(huán)境影響等因素。解析思路：考察對(duì)燃料電池運(yùn)行需求與氣化產(chǎn)物特性的關(guān)聯(lián)理解，以及對(duì)多種富氫技術(shù)原理、效果和局限性的掌握。需要闡述為何H2重要，并能列舉并分析至少兩種主流技術(shù)路線。6.生物質(zhì)氣化燃料電池的電催化劑（特別是陽(yáng)極催化劑）是影響其性能的關(guān)鍵。請(qǐng)論述當(dāng)前研究的主要方向，以及開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本電催化劑所面臨的挑戰(zhàn)。答案：當(dāng)前研究主要方向包括：開(kāi)發(fā)非貴金屬催化劑，如鎳基、鐵基合金，以降低成本；提高催化劑對(duì)CO毒化的耐受性；增強(qiáng)催化劑的電子傳導(dǎo)和反應(yīng)物/產(chǎn)物擴(kuò)散能力；改善催化劑與氣體擴(kuò)散層、基膜的界面接觸；開(kāi)發(fā)多相催化體系，實(shí)現(xiàn)多種反應(yīng)（如CO氧化、H2氧化、ORR）協(xié)同進(jìn)行。面臨的挑戰(zhàn)：如何在保持高活性的同時(shí)，確保長(zhǎng)期運(yùn)行下的高穩(wěn)定性（抗燒結(jié)、抗腐蝕）；如何有效抑制CO等毒物的催化毒化；如何平衡成本與性能；如何實(shí)現(xiàn)催化劑的高負(fù)載量和良好的分布均勻性；如何將實(shí)驗(yàn)室成果有效轉(zhuǎn)化為可大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。解析思路：考察對(duì)燃料電池核心部件催化劑的理解。要求學(xué)生了解當(dāng)前的研究熱點(diǎn)（如成本、穩(wěn)定性、抗毒化），并能分析在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面面臨的技術(shù)難題。7.結(jié)合當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)，論述生物質(zhì)氣化燃料電池在特定應(yīng)用場(chǎng)景（如農(nóng)村地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)或與碳捕獲技術(shù)結(jié)合）的發(fā)展?jié)摿懊媾R的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。答案：發(fā)展?jié)摿Γ涸谵r(nóng)村地區(qū)，可利用當(dāng)?shù)刎S富的生物質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)能源自給，解決秸稈焚燒污染問(wèn)題，提供清潔電力和熱力；在偏遠(yuǎn)地區(qū)，可作為可靠的分布式電源，補(bǔ)充太陽(yáng)能、風(fēng)能等間歇性能源的不足；與碳捕獲技術(shù)（如BECC，生物質(zhì)能發(fā)電碳捕獲）結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，為碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。機(jī)遇：政策支持（如可再生能源發(fā)展、碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)）；原料資源豐富且分布廣泛；可提供綜合能源解決方案。挑戰(zhàn)：初始投資成本仍然較高；部分地區(qū)原料收集和運(yùn)輸成本高；技術(shù)成熟度和可靠性有待提高；缺乏成熟穩(wěn)定的商業(yè)模式；與傳統(tǒng)能源競(jìng)爭(zhēng)。解析思路：考察對(duì)技術(shù)宏觀應(yīng)用前景的理解。要求學(xué)生能結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求（能源轉(zhuǎn)型、碳中和），分析技術(shù)在特定環(huán)境下的適用性、優(yōu)勢(shì)（機(jī)遇）以及實(shí)際推廣中可能遇到的困難（挑戰(zhàn)）。三、開(kāi)放性論述題8.生物質(zhì)氣化燃料電池技術(shù)的未來(lái)發(fā)展可能涉及材料科學(xué)、人工智能、過(guò)程優(yōu)化等多個(gè)領(lǐng)域的交叉融合。請(qǐng)結(jié)合你的理解，暢想未來(lái)五年該技術(shù)可能出現(xiàn)的重大突破方向，并闡述這些突破可能帶來(lái)的影響。答案：未來(lái)五年可能出現(xiàn)的重大突破方向可能包括：開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異、成本極低的非貴金屬催化劑和長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性的燃料電池部件材料；通過(guò)人工智能和大數(shù)據(jù)優(yōu)化氣化過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)燃料氣組分穩(wěn)定在電池最佳運(yùn)行窗口；開(kāi)發(fā)出高效、低成本的生物質(zhì)預(yù)處理和燃料氣凈化技術(shù)，特別是針對(duì)焦油和微顆粒物的去除；實(shí)現(xiàn)氣化爐與燃料電池的高度集成和熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化；發(fā)展出與碳捕獲、利用或封存（CCUS）技術(shù)高效耦合的生物質(zhì)氣化燃料電池系統(tǒng)。這些突破將顯著提高系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性，降低技術(shù)門(mén)檻，增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而加速其在分布式能源