2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——燃料電池技術(shù)與能源化學(xué)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，水熱管理的主要目的是什么？A.提高氫氣的利用率B.降低電池的運(yùn)行溫度C.控制電池的輸出功率D.防止電極發(fā)生濃差極化，維持電化學(xué)反應(yīng)均勻進(jìn)行2.以下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B.陽(yáng)極催化劑C.氧化鋯（ZrO2）基固體氧化物D.鉑碳（Pt/C）催化劑3.燃料電池的電壓-電流特性曲線（V-ICurve）通常在哪一個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)近似線性的負(fù)斜率？A.開(kāi)路電壓點(diǎn)B.飽和電流點(diǎn)C.極限電流區(qū)域D.線性區(qū)（電化學(xué)控制區(qū)）4.燃料電池中，電極的催化活性主要取決于哪種因素？A.電極的幾何面積B.電極的導(dǎo)電性C.催化劑的種類和數(shù)量D.電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率5.氫燃料電池的“燃料靈活性”是指什么？A.使用多種不同的氫氣來(lái)源B.可以使用多種不同的燃料C.可以適應(yīng)不同的工作溫度D.可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行6.燃料電池電堆中，雙極板的主要功能是什么？A.傳導(dǎo)電流B.分離反應(yīng)氣體C.提供催化活性D.傳導(dǎo)離子7.燃料電池的效率通常指什么？A.電能輸出功率與燃料化學(xué)能輸入功率之比B.電能輸出功率與熱能輸入功率之比C.熱能輸出功率與燃料化學(xué)能輸入功率之比D.燃料利用率8.與質(zhì)子交換膜燃料電池相比，固體氧化物燃料電池的主要優(yōu)勢(shì)之一是什么？A.工作溫度較低B.對(duì)燃料純度要求較低C.不需要貴金屬催化劑D.啟動(dòng)時(shí)間較快9.燃料電池的“耐久性”是指什么？A.電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持性能穩(wěn)定的能力B.電池的最大輸出功率C.電池的瞬時(shí)響應(yīng)速度D.電池的制造成本10.燃料電池技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一是什么？A.燃料成本過(guò)高B.催化劑資源稀缺且易中毒C.電解質(zhì)材料性能有待提高D.以上都是二、填空題1.燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為_(kāi)_________能的裝置。2.質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中常用的電解質(zhì)材料是__________。3.燃料電池中，發(fā)生在電極表面的、涉及電子轉(zhuǎn)移的化學(xué)反應(yīng)稱為_(kāi)_________反應(yīng)。4.固體氧化物燃料電池（SOFC）通常在__________氣氛下工作。5.為了提高燃料電池的性能和耐久性，需要優(yōu)化__________、__________和__________管理。6.燃料電池的電極通常由催化劑、__________和導(dǎo)電劑組成。7.氫燃料電池中，水的產(chǎn)生發(fā)生在__________電極。8.燃料電池電堆的性能不僅取決于單個(gè)電池的性能，還與__________、__________和__________等因素密切相關(guān)。9.燃料電池的功率密度是指單位__________的輸出功率。10.氫能被認(rèn)為是未來(lái)重要的能源載體之一，它與燃料電池技術(shù)相結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)__________的能源系統(tǒng)。三、名詞解釋1.電化學(xué)阻抗譜(EIS)2.氫燃料電池的極化曲線3.燃料電池電堆4.碳酸化四、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。2.簡(jiǎn)述影響固體氧化物燃料電池（SOFC）性能的主要因素。3.簡(jiǎn)述燃料電池中水熱管理的重要性。五、計(jì)算題某PEMFC單電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下工作，電極面積為50cm2。當(dāng)施加的電壓為0.6V時(shí)，測(cè)得電流為0.5A。假設(shè)該電池的活化過(guò)電位為0.1V，濃差過(guò)電位為0.05V。請(qǐng)計(jì)算：(1)該電池此時(shí)的輸出功率(單位：mW/cm2)；(2)該電池的極化電壓(單位：V)。六、論述題結(jié)合能源化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，論述燃料電池技術(shù)在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的作用和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.D解析思路：PEMFC工作過(guò)程中，水在陽(yáng)極生成，氫氣解離的質(zhì)子和陰極還原的氧氣生成的羥基離子在膜中移動(dòng)，并在陰極復(fù)合生成水。如果水管理不當(dāng)，水會(huì)在電極表面積累，導(dǎo)致氣體擴(kuò)散受限，形成濃差極化，降低電極反應(yīng)速率和電池整體性能。因此，水熱管理的主要目的是防止?jié)獠顦O化，維持電化學(xué)反應(yīng)均勻進(jìn)行。2.C解析思路：SOFC是一種高溫固體燃料電池，其電解質(zhì)需要在高溫下具有高離子電導(dǎo)率且化學(xué)穩(wěn)定性好。氧化鋯（ZrO2）基固體氧化物，特別是摻雜了釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ），在高溫下能傳導(dǎo)氧離子，滿足SOFC對(duì)電解質(zhì)的要求。3.D解析思路：在燃料電池的電壓-電流特性曲線中，當(dāng)電流密度較低時(shí)，電池的電壓主要由歐姆電阻和活化過(guò)電位決定，呈現(xiàn)近似線性的負(fù)斜率。此時(shí)，歐姆電阻是主要的電壓損失來(lái)源，隨著電流增加，歐姆壓降增大，電壓線性下降。此區(qū)域通常被稱為電化學(xué)控制區(qū)。4.C解析思路：電極的催化活性直接關(guān)系到電化學(xué)反應(yīng)的速率。燃料電池的陽(yáng)極和陰極反應(yīng)都是電化學(xué)反應(yīng)，其速率受到所用催化劑（如鉑）種類、數(shù)量、分散度和表面結(jié)構(gòu)的顯著影響。高效的催化劑能降低反應(yīng)過(guò)電位，從而提高電池性能。5.B解析思路：“燃料靈活性”通常指燃料電池能夠使用多種不同種類的燃料，而不需要或只需少量修改其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雖然使用多種氫氣來(lái)源也是其特點(diǎn)之一，但更核心的含義是燃料的多樣性，例如燃料電池理論上可以使用氫氣、甲醇、天然氣等多種燃料。6.A解析思路：雙極板是燃料電池電堆中的關(guān)鍵組件，主要功能是分隔相鄰的單電池，允許燃料氣和氧化氣在板間流道中流動(dòng)，并傳導(dǎo)電池內(nèi)部產(chǎn)生的電流，將一個(gè)電池的負(fù)極連接到下一個(gè)電池的正極。7.A解析思路：燃料電池效率通常指電池輸出的電能與輸入的燃料所具有的化學(xué)能之比。這是一個(gè)衡量能量轉(zhuǎn)換效率的指標(biāo)，反映了燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能力。8.B解析思路：SOFC工作在高溫（通常600-1000°C）下，高溫有利于提高離子電導(dǎo)率，降低歐姆電阻，并且可以利用多種燃料（如天然氣、甲醇等），且對(duì)燃料純度要求相對(duì)較低（相比PEMFC對(duì)氫氣純度的要求）。9.A解析思路：燃料電池的耐久性是指電池在規(guī)定的工作條件下（包括溫度、壓力、燃料類型、濕度等）能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，其性能（如電壓、功率密度）和結(jié)構(gòu)完整性保持在一個(gè)可接受范圍內(nèi)的能力。10.D解析思路：燃料電池技術(shù)發(fā)展面臨多重挑戰(zhàn)：氫氣等燃料成本較高，特別是綠氫制取成本；貴金屬催化劑（如鉑）價(jià)格昂貴且資源有限，且易受毒化；電解質(zhì)材料在高溫、濕氣、化學(xué)腐蝕等條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定性有待提高；電池的制造成本與性能仍有優(yōu)化空間。因此，以上都是主要挑戰(zhàn)。二、填空題1.電解析思路：燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。2.質(zhì)子交換膜解析思路：PEMFC的核心是質(zhì)子交換膜，它作為固體電解質(zhì)，在陽(yáng)極側(cè)允許質(zhì)子（H?）通過(guò)，而在陰極側(cè)則不允許質(zhì)子和電子通過(guò)，起到傳導(dǎo)質(zhì)子和分隔反應(yīng)氣體的作用。3.電化學(xué)反應(yīng)解析思路：燃料電池的工作基礎(chǔ)是電化學(xué)反應(yīng)，即在電極表面發(fā)生涉及電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)。陽(yáng)極發(fā)生燃料氧化反應(yīng)，釋放電子和質(zhì)子；陰極發(fā)生氧化劑還原反應(yīng)，接受電子和質(zhì)子。4.缺氧(或負(fù)氧平衡)解析思路：SOFC在高溫下，陽(yáng)極發(fā)生的燃料氧化反應(yīng)和陰極發(fā)生的氧還原反應(yīng)需要精確匹配。由于燃料氧化通常會(huì)消耗比理論需要量更多的氧原子，因此SOFC通常在陰極附近保持缺氧或接近負(fù)氧平衡的狀態(tài)，以維持反應(yīng)平衡。5.熱量，水，氣體解析思路：燃料電池運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需要有效管理以防止過(guò)熱；會(huì)生成水，需要管理水的產(chǎn)生、傳輸和排出以防止電極濕化和濃差極化；需要管理反應(yīng)氣體（氫氣、氧氣、氮?dú)獾龋┑墓?yīng)和排出以保證反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。6.支撐體(或基體)解析思路：電極通常由催化劑分散在多孔的支撐體上，支撐體提供了電極的結(jié)構(gòu)支撐，增加了電極的比表面積，并確保良好的導(dǎo)電性。7.陰解析思路：在典型的氫燃料電池（如PEMFC）中，陰極發(fā)生氧還原反應(yīng)：O?+4H?+4e?→2H?O。這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，氧氣得到電子并與質(zhì)子結(jié)合生成水。8.單電池設(shè)計(jì)，連接方式，密封結(jié)構(gòu)解析思路：電堆的性能不僅取決于單個(gè)電池的物理化學(xué)性能，還取決于電池如何被組裝成電堆。這包括單電池的堆疊方式、電池之間的連接（雙極板設(shè)計(jì)）、整個(gè)電堆的密封性等，這些都會(huì)影響電堆的總電壓、功率和穩(wěn)定性。9.體積解析思路：功率密度是衡量燃料電池緊湊程度和能量密度的重要指標(biāo)，定義為單位體積（或有時(shí)是單位質(zhì)量）的燃料電池所能輸出的功率。單位通常為W/cm3或W/kg。10.可持續(xù)，清潔解析思路：氫燃料電池只產(chǎn)生水，是一種清潔的能源轉(zhuǎn)換方式。將其與可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能）結(jié)合制氫，可以實(shí)現(xiàn)不產(chǎn)生溫室氣體排放的可持續(xù)能源系統(tǒng)。三、名詞解釋1.電化學(xué)阻抗譜(EIS)：一種通過(guò)測(cè)量燃料電池在正弦交流小信號(hào)激勵(lì)下阻抗隨頻率變化的曲線，來(lái)分析電池內(nèi)部電化學(xué)過(guò)程（如活化極化、歐姆極化、濃差極化）和傳質(zhì)阻力等信息的技術(shù)。2.氫燃料電池的極化曲線：描述燃料電池輸出電壓隨輸出電流（或電流密度）變化的曲線。它綜合反映了電池的活化過(guò)電位、歐姆過(guò)電位和濃差過(guò)電位，是評(píng)價(jià)電池性能的重要指標(biāo)。3.燃料電池電堆：由多個(gè)單電池通過(guò)雙極板和連接件按一定方式堆疊而成的復(fù)合裝置，是燃料電池實(shí)際應(yīng)用中的基本發(fā)電單元，能夠提供較高的功率輸出。4.碳酸化：在固體氧化物燃料電池（SOFC）中，如果燃料（如天然氣）中含有碳?xì)浠衔?，其在?yáng)極氧化時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。如果SOFC的運(yùn)行溫度過(guò)高或陰極區(qū)域氧分壓過(guò)低，二氧化碳可能與陰極催化劑或電解質(zhì)材料發(fā)生反應(yīng)，形成碳化物或碳酸鹽，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞和性能下降的現(xiàn)象。四、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。解析思路：PEMFC以質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)，單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成。工作時(shí)，氫氣（H?）輸入陽(yáng)極，在陽(yáng)極催化劑作用下被分解為質(zhì)子（H?）和電子（e?）。質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子通過(guò)外部電路流向陰極。在陰極，電子、質(zhì)子和氧氣（O?）在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)，生成水（H?O）。電子的流動(dòng)形成電流，質(zhì)子和電子的重新結(jié)合生成水。能量以電能和熱能的形式釋放。2.簡(jiǎn)述影響固體氧化物燃料電池（SOFC）性能的主要因素。解析思路：影響SOFC性能的因素眾多，主要包括：(1)電解質(zhì)性能：離子電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；(2)電極性能：催化劑活性（尤其是陰極氧還原反應(yīng)活性）、電極電導(dǎo)率、電極與電解質(zhì)的界面接觸；(3)熱管理：溫度均勻性，避免熱點(diǎn)；(4)水熱管理：水的產(chǎn)生、傳輸和排出，避免電極濕化和碳酸化；(5)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：?jiǎn)坞姵卦O(shè)計(jì)、電堆堆疊方式、密封性等。3.簡(jiǎn)述燃料電池中水熱管理的重要性。解析思路：水熱管理對(duì)于燃料電池的性能和耐久性至關(guān)重要。在PEMFC中，水的產(chǎn)生需要在電極表面保持平衡，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致氣體擴(kuò)散受阻，形成濃差極化，降低性能；水過(guò)少則可能導(dǎo)致電極干燥，增加歐姆電阻和催化劑流失風(fēng)險(xiǎn)。有效的水熱管理可以維持電極表面適當(dāng)?shù)臐穸?，保證反應(yīng)氣體暢通，降低電阻，并減少副反應(yīng)（如陽(yáng)極碳化），從而提高電池的功率密度、效率和使用壽命。五、計(jì)算題(1)輸出功率P=V*I=0.6V*0.5A=0.3W單電池面積A=50cm2=50*10??m2功率密度P_density=P/A=0.3W/(50*10??m2)=0.3W/0.005m2=60W/m2轉(zhuǎn)換為mW/cm2：60W/m2*(1000mW/W)*(1m2/10?cm2)=60*1000/10000mW/cm2=6mW/cm2答：該電池此時(shí)的輸出功率為6mW/cm2。(2)極化電壓V_ext=V_cell+η_act+η_ohm+η_conc其中V_cell是理想電池電壓，η_act是活化過(guò)電位，η_ohm是歐姆過(guò)電位，η_conc是濃差過(guò)電位。通常在低電流密度下，歐姆過(guò)電位和濃差過(guò)電位較小，可以近似認(rèn)為V_ext≈V_cell+η_act。已知V_ext=0.6V，η_act=0.1V。則V_cell≈V_ext-η_act=0.6V-0.1V=0.5V。如果考慮歐姆電阻和過(guò)電位，更精確的極化電壓計(jì)算需要知道電池的歐姆電阻和具體的電流密度下的濃差過(guò)電位。但在題目信息不全的情況下，按此近似計(jì)算。答：該電池的極化電壓（近似值）為0.5V。六、論述題結(jié)合能源化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，論述燃料電池技術(shù)在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的作用和面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：燃料電池技術(shù)作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。作用：1.提高能源轉(zhuǎn)換效率：燃料電池將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，理論效率可達(dá)60%以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（約30-40%）。當(dāng)與可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能）結(jié)合制氫發(fā)電時(shí)，可實(shí)現(xiàn)能量鏈的多次轉(zhuǎn)換和梯級(jí)利用，整體效率更高。2.促進(jìn)可再生能源消納：通過(guò)可再生能源電解水制氫，可以將間歇性的可再生能源轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，再通過(guò)燃料電池穩(wěn)定輸出電能，有效解決可再生能源并網(wǎng)消納的難題，構(gòu)建靈活、可靠