2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——燃料電池在能源轉(zhuǎn)化中的作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作過程主要基于以下哪種原理？A.熱力學(xué)循環(huán)B.電磁感應(yīng)C.電化學(xué)反應(yīng)D.核裂變反應(yīng)2.以下哪種燃料電池類型主要使用固體氧化物作為電解質(zhì)，工作溫度最高？A.質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)B.固體氧化物燃料電池(SOFC)C.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)D.堿性燃料電池(AFC)3.在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的陽極發(fā)生的主要反應(yīng)是？A.氧氣還原反應(yīng)B.氫氣氧化反應(yīng)生成水C.氫氣還原反應(yīng)生成氫離子D.氧氣氧化反應(yīng)生成氧氣離子4.PEMFC通常使用哪種材料作為電解質(zhì)？A.熔融的碳酸鹽B.固態(tài)的氧化物陶瓷C.質(zhì)子交換膜(如Nafion)D.酸性水溶液5.SOFC的電解質(zhì)在高溫下傳導(dǎo)哪種離子？A.氫離子(H?)B.氧離子(O2?)C.陽離子(如Na?)D.陰離子(如Cl?)6.燃料電池的功率密度通常用哪個(gè)參數(shù)來衡量？A.熱效率B.電化學(xué)效率C.單位質(zhì)量或體積產(chǎn)生的功率D.燃料利用率7.以下哪種因素通常會影響PEMFC的性能和耐久性？A.高溫操作B.低濕度環(huán)境C.純凈的氫氣燃料D.較低的電流密度8.燃料電池系統(tǒng)中，雙極板的主要功能是？A.實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)B.傳導(dǎo)電流和分離氣體C.傳導(dǎo)燃料或氧化劑D.交換質(zhì)子9.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的典型工作溫度范圍大約是？A.60-100°CB.200-300°CC.600-1000°CD.1200-1500°C10.將燃料電池視為分布式發(fā)電站，其主要優(yōu)勢之一是？A.需要頻繁的大電流沖擊啟動(dòng)B.運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量固體廢棄物C.發(fā)電效率高，且可同時(shí)提供熱電聯(lián)供D.對燃料純度要求極低，可以使用多種碳?xì)淙剂现苯影l(fā)電二、填空題1.燃料電池的工作過程主要涉及在______和______兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。2.質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中，質(zhì)子(H?)通過______傳導(dǎo)，電子通過______傳導(dǎo)。3.固體氧化物燃料電池(SOFC)的陽極反應(yīng)通常是氫氣與氧離子反應(yīng)生成______和水，同時(shí)釋放電子。4.影響燃料電池性能的關(guān)鍵參數(shù)包括開路電壓、______和功率密度。5.燃料電池的耐久性問題通常與______的穩(wěn)定性、______的耐腐蝕性以及______的長期性能有關(guān)。6.燃料電池在能源轉(zhuǎn)化中的重要作用體現(xiàn)在其可能作為______能源的載體，實(shí)現(xiàn)能源的______和______。7.與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換過程更接近______過程，具有更高的理論效率。三、簡答題1.簡述質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的工作原理。請說明其關(guān)鍵組成部分及其基本功能。2.比較固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)在工作溫度、電解質(zhì)類型和燃料適應(yīng)性方面的主要區(qū)別。3.簡述燃料電池在車載應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)，并列舉至少兩項(xiàng)相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展方向。四、論述題燃料電池被認(rèn)為是未來能源系統(tǒng)的重要組成部分，特別是在實(shí)現(xiàn)可再生能源消納和應(yīng)對氣候變化方面具有潛力。請結(jié)合燃料電池的技術(shù)特點(diǎn)，論述其在構(gòu)建可持續(xù)能源未來中可以扮演的角色，并分析其目前面臨的主要技術(shù)瓶頸和商業(yè)化推廣障礙。試卷答案一、選擇題1.C解析：燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。2.B解析：SOFC使用固體氧化物作為電解質(zhì)，其工作溫度通常在600-1000°C，是最高的一種。3.B解析：PEMFC陽極進(jìn)行的是氫氣氧化反應(yīng)，生成質(zhì)子和電子，反應(yīng)式為H?→2H?+2e?。4.C解析：PEMFC使用質(zhì)子交換膜（如Nafion）作為固體電解質(zhì)，允許質(zhì)子通過。5.B解析：SOFC在高溫下電解質(zhì)為固態(tài)氧化物，主要傳導(dǎo)氧離子(O2?)。6.C解析：功率密度是指單位質(zhì)量或單位體積燃料電池產(chǎn)生的電功率，是衡量其緊湊性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)。7.B解析：PEMFC對濕度敏感，低濕度環(huán)境會影響質(zhì)子傳導(dǎo)和催化劑活性，降低性能并可能損壞膜。8.B解析：雙極板是連接電池單體的部件，具有導(dǎo)電性，用于收集電流，并允許反應(yīng)氣體（燃料和氧化劑）在電池內(nèi)部流通。9.C解析：MCFC的典型工作溫度范圍在600-1000°C。10.C解析：燃料電池可以直接產(chǎn)生電能和熱能，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，提高能源利用效率。二、填空題1.陽極,陰極解析：燃料電池的核心是發(fā)生在陽極和陰極的electrochemicalreactions。2.膜,外部電路解析：在PEMFC中，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)，電子通過外部電路傳導(dǎo)。3.水解析：SOFC陽極的主要反應(yīng)是H?+O2?→H?O+2e?。4.電流密度解析：關(guān)鍵性能參數(shù)包括開路電壓（反映熱力學(xué)效率）、電流密度（反映電化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能）和功率密度。5.膜,雙極板,催化劑解析：這三者是燃料電池的核心部件，其長期穩(wěn)定性直接決定了電池的壽命。6.可再生,儲存,運(yùn)輸解析：燃料電池可以通過將氫等能源載體轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)可再生能源的儲存、運(yùn)輸和利用。7.熱力學(xué)可逆解析：燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)接近理想的熱力學(xué)可逆過程，因此具有很高的理論能量轉(zhuǎn)換效率。三、簡答題1.答：PEMFC的工作原理是基于電化學(xué)反應(yīng)將氫氣化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。其關(guān)鍵組成部分包括：陽極（含有鉑催化劑，氫氣在此反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子和電子）、質(zhì)子交換膜（固體電解質(zhì)，允許質(zhì)子通過，電子通過外部電路）、陰極（含有鉑銥催化劑，氧氣在此與電子和質(zhì)子結(jié)合生成水）、雙極板（導(dǎo)電板，用于收集電流和氣體分布）。氫氣在陽極分解，電子進(jìn)入外部電路，質(zhì)子通過膜到達(dá)陰極，在陰極與氧氣反應(yīng)生成水，外部電路的電子流向陰極完成回路。2.答：SOFC和MCFC的主要區(qū)別在于：工作溫度，SOFC更高（600-1000°C），MCFC中等（600-700°C）；電解質(zhì)類型，SOFC為固態(tài)氧化物陶瓷，MCFC為熔融碳酸鹽；燃料適應(yīng)性，SOFC理論上可使用多種燃料，MCFC通常使用二氧化碳作為稀釋劑。3.答：燃料電池在車載應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：功率密度不足（導(dǎo)致車輛續(xù)航里程有限）、成本過高（尤其是催化劑和膜的價(jià)格）、耐久性問題（如膜干燥、催化劑中毒、結(jié)構(gòu)衰減）、寒冷啟動(dòng)困難（低溫下性能下降快）、氫氣儲存和加注基礎(chǔ)設(shè)施不完善。技術(shù)發(fā)展方向包括：開發(fā)低成本、高活性、高耐久性的催化劑；提高電池本體的功率密度和效率；開發(fā)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料以增強(qiáng)耐久性；研究更適合車載應(yīng)用的燃料（如天然氣重整氫、直接甲醇燃料電池）；提高系統(tǒng)集成度和智能化控制水平。四、論述題答：燃料電池在構(gòu)建可持續(xù)能源未來中可以扮演重要角色。首先，它是一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，可以直接將氫等能源載體的化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能，過程中只排放水，無碳排放，有助于應(yīng)對氣候變化和改善環(huán)境質(zhì)量。其次，燃料電池技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源的靈活轉(zhuǎn)換和分布式部署，特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或需要備用電源的場景，能夠提高能源供應(yīng)的可靠性和獨(dú)立性。此外，燃料電池易于實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，能夠同時(shí)提供電能和熱能，進(jìn)一步提高能源利用效率，尤其適用于需要熱能的工業(yè)和商業(yè)用戶。因此，燃料電池被認(rèn)為是整合可再生能源（如太陽能、風(fēng)能制氫）、儲能系統(tǒng)和傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的重要技術(shù)，有助于構(gòu)建一個(gè)更加靈活、高效和可持續(xù)的能源基礎(chǔ)設(shè)施。然而，其目前面臨的主要技術(shù)瓶頸包括