2025年大学《能源化学》专业题库- 燃料电池技术的化学原理

2025年大学《能源化学》专业题库——燃料电池技术的化学原理考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.燃料电池直接将化学能转化为电能的装置，其基本工作原理是基于（）。A.热力学第二定律B.酸碱中和反应C.氧化还原反应D.电磁感应现象2.下列哪种燃料电池以质子交换膜作为电解质？（）A.碱性燃料电池B.磷酸盐燃料电池C.固体氧化物燃料电池D.质子交换膜燃料电池3.燃料电池中，发生在阳极的典型反应是（）。A.O2+4H++4e-→2H2OB.2H2+2O2→2H2O+4e-C.H2O→O2+2H++4e-D.CO+H2O→CO2+H+4.燃料电池中，发生在阴极的典型反应是（）。A.O2+4H++4e-→2H2OB.2H2+2O2→2H2O+4e-C.H2O→O2+2H++4e-D.CO+H2O→CO2+H+5.下列哪种物质可以作为氢燃料电池的燃料？（）A.甲醇B.甲烷C.氢气D.氨6.下列哪种物质可以作为甲醇燃料电池的燃料？（）A.甲醇B.甲烷C.氢气D.氨7.下列哪种物质可以作为甲烷燃料电池的燃料？（）A.甲醇B.甲烷C.氢气D.氨8.下列哪种物质可以作为氨燃料电池的燃料？（）A.甲醇B.甲烷C.氢气D.氨9.燃料电池中，质子交换膜的主要作用是（）。A.传导电子B.传导质子C.传导离子D.传导分子10.燃料电池中，固体氧化物电解质的典型工作温度是（）。A.60-100°CB.200-300°CC.500-800°CD.1000-1200°C二、填空题（每空1分，共20分）1.燃料电池的阳极反应通常是燃料的________反应，阴极反应通常是氧化剂的________反应。2.质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用的电解质是________。3.碱性燃料电池（AFC）使用的电解质是________。4.磷酸盐燃料电池（PAFC）使用的电解质是________。5.固体氧化物燃料电池（SOFC）使用的电解质是________。6.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）使用的电解质是________。7.燃料电池的性能参数包括单电池电压、________、能量密度和________。8.燃料电池的催化剂通常分为________催化剂和________催化剂。9.燃料电池的电极通常由气体扩散层、________层和集流层组成。10.燃料电池的常见故障包括________、______和________。三、简答题（每题5分，共30分）1.简述燃料电池的基本工作原理。2.简述质子交换膜燃料电池（PEMFC）的结构。3.简述碱性燃料电池（AFC）的优点和缺点。4.简述固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作温度及其影响。5.简述燃料电池的性能参数有哪些，并简述其含义。6.简述燃料电池的常见故障有哪些，并简述其产生的原因。四、计算题（每题10分，共20分）1.一个氢燃料电池单电池的面积是1cm²，在0.6V的电压下工作，电流密度为500mA/cm²，计算该单电池的功率密度是多少瓦特每平方厘米？2.一个甲醇燃料电池系统，输入的甲醇浓度为6mol/L，空气过量20%，电池的效率为40%，计算每消耗1mol甲醇可以产生多少千焦耳的能量？五、论述题（每题15分，共30分）1.论述燃料电池技术的发展趋势和面临的挑战。2.论述燃料电池在能源领域的应用前景。试卷答案一、选择题1.C2.D3.D4.A5.C6.A7.B8.D9.B10.C二、填空题1.氧化，还原2.质子交换膜3.碱性溶液4.磷酸盐熔融物5.固体氧化物陶瓷6.熔融碳酸盐7.功率密度，系统效率8.贵金属，非贵金属9.催化10.电极极化，膜中毒，积碳三、简答题1.燃料电池通过燃料在阳极发生的氧化反应和氧化剂（通常是氧气）在阴极发生的还原反应，在电解质的作用下，将化学能直接转化为电能的装置。燃料和氧化剂分别通入燃料电池的阳极和阴极，在电化学反应中产生电子和离子。电子通过外部电路从阳极流向阴极，形成电流；离子通过电解质从阳极迁移到阴极，以维持电荷平衡。这样，燃料电池实现了将化学能转化为电能的过程。2.质子交换膜燃料电池（PEMFC）的结构通常包括阳极、阴极、质子交换膜电解质和双极板。阳极和阴极通常由气体扩散层、催化层和集流层组成。气体扩散层负责传递气体和水分，催化层负载催化剂，促进电化学反应的进行，集流层负责收集和传导电流。质子交换膜电解质位于阳极和阴极之间，负责传导质子，并隔离气体。双极板位于阳极和阴极的气体扩散层之间，负责传导电流，并分配气体到各个单电池。3.碱性燃料电池（AFC）的优点包括启动速度快、成本相对较低、对CO具有较好的耐受性等。缺点包括对湿度和温度敏感、电解质稳定性较差、使用寿命相对较短等。4.固体氧化物燃料电池（SOFC）的工作温度通常在500-800°C之间。较高的工作温度可以提高离子电导率，从而提高电池的效率。然而，较高的工作温度也对材料和结构提出了更高的要求，例如需要使用耐高温的陶瓷材料，并需要解决热应力问题。5.燃料电池的性能参数包括单电池电压、功率密度、能量密度和系统效率。单电池电压是指单个燃料电池在特定电流密度下的电压输出。功率密度是指单位面积或单位体积的燃料电池产生的功率。能量密度是指燃料电池单位质量或单位体积可以提供的能量。系统效率是指燃料电池系统将燃料的化学能转化为电能的效率。6.燃料电池的常见故障包括电极极化、膜中毒和积碳。电极极化是指由于电化学反应的阻力导致电池电压下降的现象。膜中毒是指燃料或氧化剂中的杂质中毒了催化剂或电解质，导致电池性能下降的现象。积碳是指燃料在阳极不完全燃烧产生碳沉积在电极上的现象，会导致电极堵塞和电池性能下降。四、计算题1.功率密度=电流密度×电压=500mA/cm²×0.6V=0.5W/cm²2.甲醇的摩尔质量为32g/mol，1mol甲醇的质量为32g。甲醇的燃烧热为726kJ/mol。系统效率为40%，因此每消耗1mol甲醇可以产生的能量为726kJ/mol×40%=290.4kJ。五、论述题1.燃料电池技术的发展趋势包括提高效率、降低成本、延长寿命、提高可靠性和扩大应用领域等。面临的挑战包括材料科学、催化剂、系统集成、运行维护等方面的技术难题，以及燃