2025年大学《能源化学》专业题库- 燃料电池在城市能源系统中的应用效果

2025年大学《能源化学》专业题库——燃料电池在城市能源系统中的应用效果考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪种燃料电池类型最适用于需要快速启动和停机、功率密度较高的城市分布式能源应用场景？A.固体氧化物燃料电池（SOFC）B.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）C.质子交换膜燃料电池（PEMFC）D.燃料电池-热电联产（CHP）系统本身并非一种电池类型2.燃料电池在城市能源系统中实现电热联产（CCHP）的主要优势在于？A.大幅提高发电效率，通常能达到50%以上B.显著降低燃料电池本身的制造成本C.无需额外的热交换设备即可直接利用电力产生热能D.燃料电池产生的热量可以直接用于烹饪3.在评估燃料电池在偏远地区或紧急情况下作为备用电源的效果时，通常最关注的性能指标是？A.长期运行的平均功率密度B.系统的启动时间和功率调节范围C.燃料电池的理论最高效率D.燃料电池的初始投资成本4.将燃料电池系统与城市建筑进行一体化设计的主要目的是？A.减少建筑外墙的面积B.提高建筑自身的能源自给率，降低对电网的依赖C.降低建筑内部的噪音水平D.增加建筑物的可出租面积5.与传统集中式供热系统相比，城市区域供能中采用大型燃料电池电站的主要潜在优势之一是？A.运行维护更加简单，无需专业技术人员B.能源输送效率更高，热损失更少C.可以更灵活地根据区域负荷需求进行调峰D.燃料电池系统本身占地面积更小6.燃料电池在城市能源系统中应用面临的主要经济障碍之一是？A.燃料电池发电的电能成本通常低于电网电价B.燃料电池系统的高初始投资成本和较长的投资回收期C.燃料电池可以利用城市中废弃的电力资源D.燃料电池产生的热能无法有效利用7.在分析燃料电池对城市环境的影响时，需要重点考虑的温室气体排放指标通常是？A.燃料电池系统运行过程中产生的二氧化碳（CO2）排放量B.燃料电池制造成本中包含的间接碳排放C.城市交通排放的氮氧化物（NOx）D.燃料电池系统产生的废热对城市热岛效应的贡献8.燃料电池在城市能源系统中与可再生能源（如太阳能光伏）结合应用时，主要解决的问题是？A.太阳能发电的间歇性问题B.太阳能电池板的高初始投资C.太阳能发电无法满足基荷需求D.燃料电池系统对电网的冲击9.燃料电池系统中使用的燃料氢气（H2）在城市中大规模应用的挑战之一是？A.氢气的能量密度非常低B.氢气的储存和运输成本高昂，安全风险较高C.氢气燃烧产物是水，对环境无影响D.氢气无法与现有城市天然气管网兼容10.下列哪项措施不利于提高燃料电池在城市能源系统中的应用效果？A.建立支持分布式能源发展的电价政策和容量电价机制B.提升燃料电池技术的可靠性和降低其成本C.加强城市中热、电、冷等多种能源需求的协同规划D.强制要求所有城市建筑必须安装燃料电池系统二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.燃料电池直接将燃料的化学能转化为__________能，无需经过传统的热力循环过程。2.在城市能源系统中，燃料电池通过__________和__________联产（或热、电、冷联产）来提高能源利用效率。3.衡量燃料电池性能的重要指标之一是__________密度，它表示单位面积或单位体积产生的电功率。4.为了解决燃料电池难以直接使用城市天然气的问题，通常需要建设__________系统。5.燃料电池在城市能源系统中的应用效果评估需要综合考虑__________、经济性、环境影响和__________等多个维度。6.将燃料电池系统集成到城市电网中，需要考虑其对电网__________和__________的影响。7.燃料电池系统产生的余热在城市中可用于__________、供暖或驱动吸收式制冷系统。8.氢燃料电池的排放物主要是__________，被认为是较为清洁的能源转换方式。9.城市能源需求的__________和__________特点，对燃料电池等分布式能源系统的设计和运行提出了挑战。10.政府的__________和__________政策对燃料电池在城市能源系统中的应用推广起着至关重要的作用。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述质子交换膜燃料电池（PEMFC）的基本工作原理。2.与传统的中央集中式发电厂相比，燃料电池作为城市分布式能源在其应用效果上有哪些主要优势？3.燃料电池在城市能源系统中应用面临的主要技术挑战有哪些？四、计算题（6分）假设一个用于城市建筑供能的质子交换膜燃料电池系统，其额定功率为50kW（电），在满负荷运行时，电效率为45%，热效率（按电效率定义热量价值）为30%。该系统使用氢气作为燃料，氢气热值为142MJ/kg。请计算该系统在满负荷运行时：（1）每小时的电输出能量是多少（单位：kWh）？（2）每小时的电-热联合输出总能量是多少（单位：MJ）？（3）若电价按0.5元/kWh计，热价按20元/MJ计（假设热量价值按电效率折算），该系统满负荷运行1小时的能源价值总和是多少？五、论述题（9分）结合当前城市能源系统面临的挑战（如能源安全、环境污染、气候变化、电价波动等），论述燃料电池技术作为城市能源系统的重要组成部分，其应用前景和潜在价值。在论述中，请至少提及燃料电池在提高能源利用效率、减少碳排放、增强能源供应可靠性等方面的作用，并分析其当前推广应用的主要障碍及可能的解决方案。---试卷答案一、选择题1.C2.A3.B4.B5.C6.B7.A8.A9.B10.D二、填空题1.电2.电，热3.功率4.转换5.环境，可靠性6.负荷，稳定性7.吸收式制冷8.水9.波动，峰谷差10.推动，引导三、简答题1.答：PEMFC以质子交换膜为固体电解质，在阴极处通入空气或氧气，水分解产生氧气自由基；在阳极处通入氢气，氢气分解产生质子和电子；质子通过质子交换膜到达阴极，电子通过外部电路到达阴极，在阴极处质子、电子和氧气反应生成水。整个过程将氢气的化学能直接转化为电能和水。2.答：优势包括：①发电效率高，能量利用充分；②运行噪音低，环境影响小；③能源形式灵活，可用氢气或合成气等燃料；④可实现电、热、冷等多种能源形式的联产；⑤分布式部署，提高能源供应可靠性和安全性，减少对中心电网的依赖；⑥有助于城市能源结构多元化和可持续发展。3.答：主要技术挑战包括：①系统成本仍然较高，尤其是催化剂和膜电极组件（MEA）的成本；②燃料电池的长期运行可靠性和寿命有待进一步提高；③氢气等燃料的制备、储存、运输基础设施不完善；④燃料电池系统运行控制策略和与电网的智能互动技术需要发展；⑤大规模集成应用中的标准化、模块化设计和建设问题；⑥安全问题，如氢气泄漏、电池热失控等。四、计算题（1）电输出能量=额定功率×运行时间×电效率=50kW×1h×45%=22.5kWh（2）总能量=电输出能量/电效率（按热量价值定义）=22.5kWh/45%=50MJ（注意：这里假设热效率是指总能量中热能所占的比例，与电效率定义方式一致）或者更准确地，总能量=电能量换算成MJ+热能量换算成MJ。电能量=22.5kWh=22.5×3.6MJ=81MJ。热效率定义为热输出能量/电输出能量，所以热输出能量=81MJ×30%=24.3MJ。总能量=81MJ+24.3MJ=105.3MJ。我们采用第一种理解方式，因为它更符合CCHP的常见效率表述。总能量=50MJ。（3）能源价值总和=电价值+热价值=(电输出能量×电价)+(热输出能量×热价)=(22.5kWh×0.5元/kWh)+(50MJ×20元/MJ)=11.25元+1000元=1111.25元五、论述题燃料电池技术因其高效率、低排放、燃料灵活性和分布式特性，在城市能源系统中展现出广阔的应用前景和重要价值。首先，燃料电池发电效率远高于传统热力循环发电，且通过电热联产（CCHP）模式，可将能源利用效率进一步提升至80%以上，显著减少能源浪费。其次，当使用氢气等清洁燃料时，燃料电池几乎不产生温室气体和空气污染物，有助于改善城市空气质量，应对气候变化挑战，符合城市绿色低碳发展目标。再次，燃料电池系统可部署在负荷中心，实现就近供能，减少长距离输电损耗，提高能源供应的可靠性和安全性，缓解城市电网高峰负荷压力。此外，燃料电池的启动速度快，可灵活调节功率，适合配合波动性强的可再生能源（如太阳能、风能）使用，构成灵活的储能和调峰单元，提升可再生能源并网消纳能力。其应用前景体现在可作为城市建筑的自供能单元，降低用能成本和碳排放；也可组成区域级燃料电池电站，为周边区域提供稳定可靠的电热能源。然而，当前推广应用面临的主要障碍包括高昂的初始投资成本、氢气等燃料的