2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——分子燃料電池技術(shù)的性能研究及應(yīng)用效果考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題均有多個正確選項(xiàng)，請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)。多選、錯選或未選均不得分）1.下列關(guān)于分子燃料電池（如直接甲醇燃料電池）工作原理的描述中，正確的有（）。A.燃料（如甲醇）在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，直接生成CO2和H+B.氫離子通過質(zhì)子交換膜從陽極遷移到陰極C.氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，與來自燃料的氫離子結(jié)合生成水D.陽極和陰極之間的電勢差驅(qū)動電子通過外部電路E.質(zhì)子交換膜同時起到隔離氣體和傳導(dǎo)質(zhì)子的作用2.影響分子燃料電池陽極性能的關(guān)鍵因素包括（）。A.催化劑的活性（對燃料氧化反應(yīng)）B.催化劑的穩(wěn)定性（抗中毒、抗衰減能力）C.質(zhì)子交換膜的離子傳導(dǎo)率D.燃料供應(yīng)的均勻性和壓力E.陽極通道的流場設(shè)計(jì)3.以下哪些指標(biāo)是評價分子燃料電池電化學(xué)性能的重要參數(shù)？（）A.開路電壓B.極化曲線C.比功率D.能量效率E.膜電極組件（MEA）的壽命4.在研究分子燃料電池性能時，線性掃描伏安法（LSV）通常用于（）。A.測量電池的電容B.確定電極的交換電流密度C.考察電池的耐久性D.分析電化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)E.評估質(zhì)子交換膜的透氣性5.分子燃料電池相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，在便攜式電源應(yīng)用方面具有的優(yōu)勢可能包括（）。A.能量密度更高B.排放物為零（或極少）C.運(yùn)行噪音更低d.冷啟動性能更好E.加注燃料更方便二、填空題（每空2分，共20分）6.分子燃料電池中，質(zhì)子交換膜不僅傳導(dǎo)________，還隔離了陽極產(chǎn)生的________和陰極所需的________。7.提高分子燃料電池陽極催化劑選擇性，有助于降低________的生成，從而提升電池性能和耐久性。8.評價分子燃料電池能量效率時，需要考慮電化學(xué)效率（理論能量輸出）和________（實(shí)際能量輸出）。9.增加分子燃料電池陽極反應(yīng)物濃度通?？梢蕴岣達(dá)_______密度，但可能伴隨副反應(yīng)增加和催化劑中毒風(fēng)險(xiǎn)。10.分子燃料電池的耐久性研究通常關(guān)注催化劑的________、膜的________以及電極結(jié)構(gòu)的________等問題。三、簡答題（每題5分，共20分）11.簡述質(zhì)子交換膜在分子燃料電池中的作用及其對性能的影響。12.簡要說明提高分子燃料電池功率密度的主要途徑。13.分子燃料電池在固定式發(fā)電中可能面臨哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？14.什么是燃料電池的極化曲線？它提供了哪些關(guān)于電池性能的信息？四、計(jì)算題（6分）15.某直接甲醇燃料電池在特定條件下工作，測得輸出電壓為0.6V，電流密度為300mA/cm2。已知該電池的活化極化損失為0.1V，濃度極化損失為0.05V。請計(jì)算該電池的歐姆極化損失是多少？五、論述題（18分）16.結(jié)合分子燃料電池的性能指標(biāo)和影響因素，論述如何通過優(yōu)化催化劑和膜電極組件（MEA）的設(shè)計(jì)來提升其整體性能（例如功率密度和耐久性），并分析這些優(yōu)化措施可能帶來的實(shí)際應(yīng)用效果和潛在問題。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題均有多個正確選項(xiàng)，請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)。多選、錯選或未選均不得分）1.(A,B,C,D,E)2.(A,B,D,E)3.(A,B,C,D,E)4.(B,D)5.(A,B,C)二、填空題（每空2分，共20分）6.質(zhì)子；氧氣；氫離子7.副產(chǎn)物（如CO）8.系統(tǒng)效率9.電流10.穩(wěn)定性；水穩(wěn)定性；穩(wěn)定性三、簡答題（每題5分，共20分）11.答：質(zhì)子交換膜是分子燃料電池的核心組件，主要作用是分隔陽極和陰極，允許質(zhì)子（H+）通過，同時阻止電子、氣體（如氫氣和氧氣）以及燃料分子（如甲醇）的相互滲透。其離子傳導(dǎo)率直接影響電池的電流輸出和歐姆電阻；膜的穩(wěn)定性（如化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、抗溶脹性）和選擇性（對質(zhì)子的傳導(dǎo)能力）決定了電池的長期運(yùn)行性能和耐久性。12.答：提高分子燃料電池功率密度的主要途徑包括：提高陽極和陰極催化劑的活性，以降低反應(yīng)過電位；優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)（如增加表面積、改善氣體擴(kuò)散層滲透性），提高反應(yīng)物傳質(zhì)效率；選擇低電阻的質(zhì)子交換膜；優(yōu)化反應(yīng)物（如甲醇）濃度和供應(yīng)方式；采用合適的流場設(shè)計(jì)等。13.答：分子燃料電池在固定式發(fā)電中可能面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有：相比傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，初始投資成本較高；燃料（如甲醇）的儲存、運(yùn)輸和加注基礎(chǔ)設(shè)施尚不完善；需要解決長期運(yùn)行下的耐久性問題，如催化劑衰減、膜性能下降等；需要與電網(wǎng)進(jìn)行有效并網(wǎng)，并可能涉及能量存儲系統(tǒng)以平抑波動；需要確保燃料供應(yīng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。14.答：燃料電池的極化曲線是指在一定電流密度下，電池輸出電壓隨電流密度變化的曲線。它提供了關(guān)于電池性能的多個重要信息：開路電壓（電流密度為零時的電壓，反映了電池的熱力學(xué)性能）；電壓下降的斜率（反映了電池的內(nèi)阻，包括歐姆電阻、活化極化電阻和濃度極化電阻）；可以通過作圖外推得到理論電壓和各種極化損失的數(shù)值；可以用來評估不同操作條件或不同設(shè)計(jì)電池的性能差異。四、計(jì)算題（6分）15.解：總極化損失=輸出電壓+活化極化損失+濃度極化損失=0.6V+0.1V+0.05V=0.75V。歐姆極化損失=總極化損失-活化極化損失-濃度極化損失=0.75V-0.1V-0.05V=0.6V。答：該電池的歐姆極化損失為0.6V。五、論述題（18分）16.答：分子燃料電池的性能主要表現(xiàn)在功率密度（單位質(zhì)量或體積的輸出功率）和能量效率（實(shí)際輸出能量與燃料化學(xué)能之比）上，同時也與耐久性密切相關(guān)。通過優(yōu)化催化劑和膜電極組件（MEA）的設(shè)計(jì)可以有效提升這些性能。首先，開發(fā)高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的催化劑是關(guān)鍵。例如，在陽極，使用更有效的甲醇氧化催化劑可以降低陽極過電位，減少副反應(yīng)（如CO生成），從而提高功率密度和能量效率，并延長催化劑壽命。在陰極，開發(fā)低成本、高活性的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑（如非貴金屬催化劑）可以顯著降低陰極過電位，提高功率密度。催化劑的優(yōu)化需要考慮成本、資源、毒性和穩(wěn)定性等多方面因素。其次，MEA的設(shè)計(jì)直接影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳質(zhì)效率以及電荷的傳輸效率。通過優(yōu)化氣體擴(kuò)散層（GDL）的孔隙率、厚度和結(jié)構(gòu)，可以改善氣體（燃料和氧氣）的傳輸和分布，減少濃差極化。通過增加電極的表面積（如使用多孔碳材料、納米結(jié)構(gòu)催化劑），可以提高反應(yīng)物的接觸面積和反應(yīng)速率。此外，選擇合適的催化劑層、擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜的組合，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的離子和電子傳輸路徑，對于降低歐姆電阻、提高整體性能至關(guān)重要。通過這些優(yōu)化措施，分子燃料電池的功率密度可以得到顯著提升，使其更適合需要高功率密度的應(yīng)用場景。同時，更高效的催化劑和優(yōu)化的MEA設(shè)計(jì)可以減緩電池的老化過程，提高耐久性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更長時間的安全穩(wěn)定運(yùn)行。然而，這些優(yōu)化也帶來實(shí)際應(yīng)用效果和潛在問題。例如，高性能的催化劑通常成本更高，可能增加電池的制造成本。某些高性能材料可能對操