2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——氫能源技術在能源轉換中的角色考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內）1.下列哪種氫氣制備方法被認為是實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展且環(huán)境友好的主要途徑？A.天然氣重整B.熔鹽電解水C.電解水制氫（使用化石燃料發(fā)電）D.甲烷裂解2.在氫能源的儲存技術中，低溫液氫（LH2）的主要技術瓶頸是？A.儲氫密度相對較低B.需要極低的溫度進行液化和儲存C.儲存容器材料成本過高D.容易發(fā)生氫脆現(xiàn)象3.燃料電池的核心工作原理是將氫氣的化學能直接轉化為？A.熱能B.電能和熱能C.機械能D.光能4.與傳統(tǒng)的內燃機相比，氫內燃機的主要優(yōu)勢在于？A.燃料效率更高B.可以使用多種燃料C.排放物主要為水，環(huán)境友好D.結構更簡單5.在能源轉換領域，氫能作為靈活的儲能介質，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在？A.儲存成本極低B.可以長周期、大規(guī)模存儲可再生能源產生的電能C.運輸效率接近100%D.可以直接用于所有現(xiàn)有的電力設施6.目前商業(yè)化應用最廣泛的燃料電池類型是？A.熔融碳酸鹽燃料電池B.固態(tài)氧化物燃料電池C.質子交換膜燃料電池（PEMFC）D.陰極催化燃料電池7.氫能在工業(yè)領域的主要應用之一是合成氨，這個過程通常被稱為？A.氫燃料電池重整B.哈伯-博施法（Haber-Boschprocess）C.氫液化D.電解水制氫8.將氫氣注入現(xiàn)有天然氣管道進行運輸?shù)募夹g，通常被稱為？A.氫氣管束車運輸B.氫氣回注技術C.液氫槽車運輸D.氫氣液化運輸9.下列哪種技術不屬于可再生能源制氫的范疇？A.風電電解水制氫B.太陽能光熱電解水制氫C.生物質氣化制氫D.天然氣蒸汽重整制氫10.氫能產業(yè)鏈中，成本占比最高、最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)通常是？A.氫氣儲存B.氫氣運輸C.氫氣制備D.氫氣應用二、簡答題1.簡述電解水制氫的原理，并比較堿性電解槽和質子交換膜（PEM）電解槽的主要區(qū)別。2.解釋什么是燃料電池的“帕拉第效應”，并簡述如何緩解該效應的影響。3.簡述氫氣在交通運輸領域應用的主要形式及其面臨的技術挑戰(zhàn)。4.為什么說氫能的大規(guī)模應用與可再生能源的充分發(fā)展是相輔相成的？5.簡述氫氣在工業(yè)過程中（如合成氨、煉油加氫）的應用及其意義。三、論述題1.結合能源轉換的角度，論述氫燃料電池在解決未來能源系統(tǒng)中儲能和調峰問題方面的潛力和局限性。2.分析制約氫能技術實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應用的主要障礙（技術、經濟、基礎設施、政策等方面），并提出相應的對策建議。3.探討氫能技術（特別是綠氫）在實現(xiàn)全球碳中和目標中將扮演的角色，以及它與其他低碳/零碳技術（如碳捕集利用與封存CCUS、儲能技術、智能電網等）的協(xié)同作用。試卷答案一、選擇題1.B*解析思路：熔鹽電解水利用可再生能源或核能發(fā)電驅動，整個過程碳排放極低，且可以利用中低溫余熱，是實現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的主要途徑之一。天然氣重整和甲烷裂解依賴化石燃料，會產生大量二氧化碳。電解水制氫（使用化石燃料發(fā)電）雖然原料是水，但電力來源的碳排放會抵消其環(huán)保優(yōu)勢。2.B*解析思路：液氫需要在極低溫度（-253°C）下才能實現(xiàn)，這對低溫技術、絕熱材料、液化設備以及運輸和儲存過程中的保溫都提出了極高的要求，是低溫液氫儲存的主要技術瓶頸。雖然其儲氫密度（質量儲氫密度）較高，但體積儲氫密度因需要高壓或深冷而不如氣態(tài)壓縮氫。材料成本和氫脆是其他方面的問題。3.B*解析思路：燃料電池的基本工作原理是利用催化劑在陽極將氫氣氧化釋放電子和質子，質子通過電解質膜到達陰極，電子通過外電路到達陰極，在陰極氫氣和氧氣反應生成水，同時釋放大量能量。因此，核心是將氫氣的化學能直接轉化為電能和熱能。4.C*解析思路：氫內燃機燃燒氫氣，其主要的優(yōu)點是燃燒產物主要是水，對環(huán)境友好。雖然效率可能略低于純氫燃料電池，但可以利用現(xiàn)有的內燃機技術和基礎設施，且啟動速度較快。5.B*解析思路：氫能作為儲能介質，其核心價值在于能夠將不具存儲性的可再生能源（如風能、太陽能）產生的電能，通過電解水制氫儲存起來，在需要時再通過燃料電池或其他用氫途徑釋放出來，從而實現(xiàn)電力的時移和空間轉移，提高可再生能源的消納能力。其他選項描述不準確，如儲存成本并非極低，運輸效率受多種因素影響并非100%，且不能直接用于所有現(xiàn)有電力設施（需改造）。6.C*解析思路：質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有啟動快、功率密度高、工作溫度低（約80°C）、無腐蝕性問題、結構緊湊等優(yōu)點，目前已在汽車、固定式發(fā)電等領域得到較多商業(yè)化應用，是應用最廣泛的燃料電池類型。7.B*解析思路：將氮氣和氫氣在高溫高壓催化劑作用下合成氨（NH3）的過程，是工業(yè)上大規(guī)模生產氨的主要方法，由德國化學家弗里茨·哈伯和卡爾·博施在20世紀初開發(fā)并實現(xiàn)工業(yè)化，因此被稱為哈伯-博施法。8.B*解析思路：將氫氣（通常經過脫碳處理以去除雜質）以一定壓力注入現(xiàn)有的、經過適應性改造的天然氣管道中進行運輸?shù)募夹g，目的是利用現(xiàn)有龐大的天然氣基礎設施來降低氫氣運輸成本，這種方法被稱為氫氣回注技術。9.D*解析思路：可再生能源是指風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等來源于自然、可再生的能源。天然氣蒸汽重整制氫雖然原料是化石燃料（天然氣），但其過程依賴化石燃料，不屬于可再生能源制氫范疇。風電、太陽能光熱、生物質氣化都利用了可再生能源。10.C*解析思路：氫氣制備是氫能產業(yè)鏈的起始環(huán)節(jié)，其成本通常包括原料成本、電力成本（如果是電解水）、設備投資、建設運營成本等。目前，無論是電解水制氫還是化石燃料重整制氫，其單位制氫成本（尤其是綠氫）相對較高，是整個產業(yè)鏈中占比最大、技術挑戰(zhàn)和成本壓力最集中的環(huán)節(jié)。二、簡答題1.答：電解水制氫的原理是利用電能，在電解槽中通過催化劑將水（H2O）分解為氫氣（H2）和氧氣（O2）。在電解槽內，水分子在陽極失去電子被氧化生成氧氣和質子，質子通過電解質膜到達陰極，在陰極處水分子得到電子被還原生成氫氣。堿性電解槽和PEM電解槽的主要區(qū)別在于：*電解質膜：堿性電解槽使用堿性物質（如氫氧化鉀KOH或氫氧化鈉NaOH）溶液作為電解質，通常為隔膜；PEM電解槽使用質子交換膜（一種全氟磺酸質子交換膜）作為電解質。*工作溫度：堿性電解槽工作溫度較高（約80°C），PEM電解槽工作溫度較低（約60-80°C）。*功率密度：PEM電解槽功率密度通常遠高于堿性電解槽。*對氫氣純度要求：堿性電解槽產生的氫氣純度相對較低，需要進一步提純；PEM電解槽產生的氫氣純度較高。*成本：堿性電解槽技術成熟，初始成本相對較低；PEM電解槽技術較新，初始成本相對較高，但效率高、啟動快。2.答：帕拉第效應（ParasiticEffect）是指燃料電池在實際運行中，部分輸入的氫氣并沒有參與電化學反應產生電能，而是在陽極或陰極被副反應消耗掉的現(xiàn)象。這會導致燃料電池的的實際能量轉換效率低于理論效率。帕拉第效應的主要原因是陰極氧還原反應（ORR）的不完全性，即氧氣無法被氫氣完全還原成水，會生成副產物如氫析出反應（HER）、氧析出反應（OER）等，或者形成表面氧化物、氮化物等覆蓋催化劑活性位點，降低催化活性。緩解帕拉第效應的影響主要通過以下途徑：*開發(fā)高性能的陰極催化劑，提高ORR的動力學速率和選擇性。*優(yōu)化燃料電池的運行條件，如控制合適的操作溫度、壓力和反應氣體流速。*改進氣體擴散層和流場設計，確保反應氣體均勻分布到催化劑表面。*采用先進的電堆設計和管理策略，減少濃差極化和電荷傳遞阻力。3.答：氫氣在交通運輸領域的應用主要形式包括：*氫燃料電池汽車（FCV）：利用燃料電池將氫氣化學能轉化為電能驅動車輛，排放物為水，續(xù)航里程長，加氫速度快。*氫燃料電池公交車/卡車：同樣利用燃料電池發(fā)電，適用于公共交通和物流運輸，可減少城市空氣污染和噪音。*氫內燃機汽車/發(fā)動機：將氫氣作為燃料在內燃機中燃燒做功，技術相對成熟，可與現(xiàn)有發(fā)動機技術結合，啟動快，但效率可能低于燃料電池。*氫燃料電池船舶：用于大型船舶動力，可替代傳統(tǒng)的化石燃料，實現(xiàn)零排放航行。面臨的技術挑戰(zhàn)主要包括：*燃料電池成本高、壽命有待提高。*氫氣制備、儲存、運輸成本高，基礎設施不完善。*氫燃料電池汽車的續(xù)航里程和加氫便利性仍需提升。*氫內燃機技術成熟度相對較低，燃燒效率、尾氣處理等需進一步優(yōu)化。*安全性問題：氫氣的易燃易爆特性對車輛設計、加氫站安全等提出更高要求。4.答：氫能的大規(guī)模應用與可再生能源的充分發(fā)展是相輔相成的。一方面，可再生能源（如風能、太陽能）具有間歇性和波動性，難以直接大規(guī)模并網和穩(wěn)定利用，而氫能技術（特別是電解水制氫）可以將這些波動性的可再生能源電力轉化為化學能（氫氣）進行儲存，從而實現(xiàn)能量的時移和空間轉移，提高可再生能源的利用率，并為其提供靈活的消納渠道。另一方面，可再生能源發(fā)電成本的持續(xù)下降為大規(guī)模電解水制氫提供了廉價的電力來源，使得綠氫的生產成本不斷降低，推動了氫能產業(yè)鏈的發(fā)展和應用。同時，氫能作為清潔能源載體，可以替代化石燃料在交通、工業(yè)等領域應用，減少這些領域對傳統(tǒng)化石能源的依賴，進一步促進能源結構的清潔化轉型，為可再生能源的更大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。5.答：氫氣在工業(yè)過程中的應用主要是作為工業(yè)原料或燃料。*合成氨：氫氣是合成氨的主要原料，廣泛應用于農業(yè)化肥的生產，對保障糧食安全至關重要。*煉油加氫：氫氣用于煉油過程中的加氫裂化、加氫精制等環(huán)節(jié)，可以提高燃油品質（如去除硫、氮等雜質），生產清潔燃料（如汽油、柴油、航空煤油），并提高重質原油的利用率。*煉鋼：氫基直接還原鐵（H2-DRI）技術用氫氣替代傳統(tǒng)的碳一還原劑（焦炭）來還原鐵礦石，可以減少高爐煉鐵產生的碳排放，是鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)低碳轉型的重要途徑。*石油化工：氫氣用于生產乙烯、丙烯、甲醇等基本有機化工原料。氫氣在這些工業(yè)過程中的應用意義在于：*生產關鍵的基礎化工產品和能源產品。*改善產品質量，滿足環(huán)保要求（如生產低硫燃料）。*提高資源利用效率（如提高原油采收率、利用劣質煤）。*推動工業(yè)過程的綠色化、低碳化轉型。三、論述題1.答：氫燃料電池在解決未來能源系統(tǒng)中儲能和調峰問題方面具有巨大潛力。*儲能潛力：氫燃料電池可以將可再生能源（如風光）產生的電能通過電解水轉化為氫氣儲存起來，氫氣可以長期、大規(guī)模儲存，克服了電池儲能容量和壽命的限制。在需要時，再通過燃料電池發(fā)電或直接用作燃料，將儲存的化學能轉化為電能或熱能，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的“時移”儲能，從而平衡可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性，提高電網的穩(wěn)定性和對可再生能源的接納能力。*調峰潛力：氫燃料電池發(fā)電可以快速啟動和調節(jié)功率輸出，響應電網負荷的快速變化，充當靈活的調峰電源。特別是在夜間或可再生能源發(fā)電不足時，可以利用儲存的氫氣發(fā)電，滿足電網的峰荷需求，緩解火電調峰的壓力。氫燃料電池還可以與儲能電池等組合，提供更靈活、高效的儲能和調峰服務。局限性在于：*成本問題：燃料電池系統(tǒng)（尤其是電解槽和電池stack）的初始投資成本仍然較高，經濟性有待提升。*基礎設施：氫氣的制備、儲存、運輸和加注等基礎設施尚不完善，建設周期長、投資大。*效率損失：在“風光制氫-儲氫-燃料電池發(fā)電”的整個過程中，存在多次能量轉換，總效率會受到一定損失。*技術成熟度：燃料電池的壽命、耐久性、安全性以及長距離大規(guī)模運輸技術仍需持續(xù)研發(fā)和改進。*氫氣來源：若大規(guī)模應用依賴灰氫或藍氫，則無法真正實現(xiàn)零碳目標，綠色氫能的發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。2.答：制約氫能技術實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應用的主要障礙包括：*技術障礙：氫氣制備成本仍然較高，尤其是綠氫；儲運技術（特別是長距離、低成本運輸）存在瓶頸；燃料電池系統(tǒng)成本高、壽命和耐久性有待提高；氫氣與現(xiàn)有基礎設施（如天然氣管道）的兼容性問題。*經濟障礙：氫能產業(yè)鏈整體成本較高，缺乏與其他能源形式的經濟競爭力；市場規(guī)模較小，難以形成規(guī)模效應，進一步降低成本；投資回報周期長，投資風險較高，吸引社會資本投入面臨挑戰(zhàn)。*基礎設施障礙：缺乏完善的氫氣制備、儲存、運輸、分配和加注等基礎設施網絡，建設成本巨大，投資回報不確定。*政策與標準障礙：缺乏統(tǒng)一的、支持性的國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略和產業(yè)規(guī)劃；相關技術標準、安全規(guī)范、成本核算體系尚不完善；政策激勵措施力度不足或覆蓋面不夠。*安全與環(huán)境挑戰(zhàn)：氫氣的易燃易爆特性帶來安全風險，需要建立嚴格的安全管理和操作規(guī)范；氫氣泄漏對環(huán)境（如溫室效應）的影響需要科學評估和應對。對策建議：*加強技術研發(fā)：加大對低成本制氫、高效儲運、長壽命燃料電池、氫安全等關鍵核心技術的研發(fā)投入，突破技術瓶頸。*完善基礎設施：制定氫能基礎設施建設規(guī)劃，通過政府引導、市場化運作等方式，分階段、有重點地推進基礎設施建設。*制定支持政策：出臺財政補貼、稅收優(yōu)惠、價格支持等激勵政策，降低氫能應用成本，培育市場需求。建立健全氫能標準體系和安全監(jiān)管體系。*推動示范應用：選擇有條件的行業(yè)和區(qū)域，開展氫能應用示范項目，積累經驗，探索商業(yè)模式，帶動產業(yè)鏈發(fā)展。*加強國際合作：積極參與全球氫能技術合作與交流，引進先進技術和管理經驗，共同應對挑戰(zhàn)。3.答：氫能技術（特別是綠氫）在實現(xiàn)全球碳中和目標中將扮演重要角色。*氫能的角色：氫能是一種靈活的、可大規(guī)模存儲的清潔能源載體，可以替代化石燃料，在難以電氣化的領域實現(xiàn)深度脫碳。其主要作用包括：*交通領域脫碳：為商用車、船