氢能材料性能与选用技术题试卷及答案

氢能材料性能与选用技术题试卷及答案考试时长：120分钟满分：100分一、单选题（总共10题，每题2分，总分20分）1.氢能材料中，具有高比表面积和优异导电性的催化剂是（）A.钯黑（Pd/C）B.铂碳（Pt/C）C.镍铁合金（Ni-Fe）D.钌基氧化物（RuO₂）2.下列哪种氢能存储方式具有最高能量密度？（）A.氢气液化存储B.氢气高压气态存储C.氢化物存储（如LaNi₅H₁₄）D.磁储能3.在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，常用的质子传导膜材料是（）A.Nafion®（全氟磺酸膜）B.Celgard®（聚烯烃膜）C.PEEK（聚醚醚酮）D.Kynar®（聚偏氟乙烯）4.氢脆现象主要发生在哪种材料中？（）A.铝合金（Al-Mg）B.镍基合金（Inconel）C.镁合金（Mg-Al）D.钛合金（Ti-6Al-4V）5.氢燃料电池中，常用的双极板材料是（）A.钛合金（Ti）B.铝合金（Al）C.镍基合金（Inconel）D.碳化硅（SiC）6.氢气纯化中，用于去除CO₂的常用方法是（）A.变压吸附（PSA）B.电解水C.膜分离D.热催化氧化7.氢燃料电池中，常用的电解质材料是（）A.固态氧化物（SOEC）B.熔融碳酸盐（MCFC）C.质子交换膜（PEM）D.固态电解质（SOEC）8.氢气在钢中的扩散系数随温度升高呈现（）A.减小趋势B.不变趋势C.增大趋势D.先增大后减小9.氢能材料中，具有优异储氢性能的金属氢化物是（）A.MgH₂B.LiHC.NaAlH₄D.CaH₂10.氢燃料电池中，常用的催化剂负载方式是（）A.涂层法B.浸渍法C.混合法D.晶格掺杂二、填空题（总共10题，每题2分，总分20分）1.氢能材料的比表面积通常通过______技术进行调控。2.氢脆现象是由于氢原子在材料中______导致的。3.质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，常用的膜材料是______。4.氢气液化温度约为______K。5.氢燃料电池中，常用的双极板材料是______。6.氢气纯化中，用于去除H₂O的常用方法是______。7.氢能材料中，具有最高储氢容量的金属氢化物是______。8.氢脆现象在______温度下最为显著。9.氢燃料电池中，常用的催化剂是______。10.氢气在钢中的扩散路径主要是______。三、判断题（总共10题，每题2分，总分20分）1.氢能材料的比表面积越大，催化活性越高。（）2.氢脆现象只会发生在高温高压环境下。（）3.质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，常用的膜材料是全氟磺酸膜（Nafion®）。（）4.氢气液化存储的能量密度高于高压气态存储。（）5.氢燃料电池中，常用的双极板材料是碳化硅（SiC）。（）6.氢气纯化中，用于去除CO₂的常用方法是膜分离。（）7.氢能材料中，具有最高储氢容量的金属氢化物是LiH。（）8.氢脆现象在低温环境下最为显著。（）9.氢燃料电池中，常用的催化剂是铂碳（Pt/C）。（）10.氢气在钢中的扩散路径主要是晶界。（）四、简答题（总共3题，每题4分，总分12分）1.简述氢能材料的比表面积对其催化性能的影响。2.解释氢脆现象的产生机制及其对材料性能的影响。3.比较质子交换膜燃料电池（PEMFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）的优缺点。五、应用题（总共2题，每题9分，总分18分）1.某氢燃料电池系统需要存储100kg的氢气，现有两种存储方式：-高压气态存储（压力为700bar）；-氢化物存储（使用LaNi₅H₁₄）。假设氢气在高压气态存储时的密度为35kg/m³，在氢化物存储时的储氢容量为10wt%。请计算两种存储方式的体积需求，并比较其优劣。2.某质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统需要使用催化剂，现有两种催化剂：-铂碳（Pt/C），成本为5000元/kg，催化活性为0.8A/m²；-钌基氧化物（RuO₂），成本为8000元/kg，催化活性为1.2A/m²。假设电池需要催化剂的总量为10g，请计算两种催化剂的总成本，并比较其优劣。【标准答案及解析】一、单选题1.A（钯黑（Pd/C）具有高比表面积和优异导电性，常用于氢催化）2.A（氢气液化存储的能量密度最高，可达120MJ/kg）3.A（Nafion®是常用的质子交换膜材料，具有优异的质子传导性能）4.B（镍基合金（Inconel）在氢环境中易发生氢脆）5.D（碳化硅（SiC）具有优异的耐腐蚀性和导电性，常用于双极板材料）6.A（变压吸附（PSA）可有效去除CO₂，纯度可达99.999%）7.C（质子交换膜（PEM）是PEMFC中常用的电解质材料）8.C（氢气在钢中的扩散系数随温度升高而增大）9.C（NaAlH₄具有最高的储氢容量，可达5wt%）10.A（涂层法是常用的催化剂负载方式，可提高催化剂利用率）二、填空题1.活化（如球磨、等离子体处理）2.沉积强化3.Nafion®4.205.碳化硅（SiC）6.变压吸附（PSA）7.NaAlH₄8.高温高压9.铂碳（Pt/C）10.晶界三、判断题1.√（比表面积越大，催化活性越高，如Pd/C）2.×（氢脆现象在高温高压环境下最为显著）3.√（Nafion®是常用的质子交换膜材料）4.√（氢气液化存储的能量密度高于高压气态存储）5.×（常用双极板材料是碳化硅（SiC），而非碳化硅）6.×（常用方法是变压吸附（PSA），而非膜分离）7.×（LiH的储氢容量较低，NaAlH₄最高）8.×（氢脆现象在高温高压环境下最为显著）9.√（Pt/C是常用的催化剂）10.√（氢气在钢中的扩散路径主要是晶界）四、简答题1.比表面积越大，催化活性越高，因为更多的活性位点暴露，反应速率加快。例如，Pd/C的比表面积较大，催化氢化反应的活性更高。2.氢脆现象是由于氢原子在材料中扩散并聚集，导致材料脆性增加、强度下降。常见于镍基合金、钢等材料。3.PEMFC优点：工作温度低（<100°C）、启动快；缺点：成本高、膜材料易损坏。MCFC优点：能量密度高、可使用多种燃料；缺点：工作温度高（600-1000°C）、耐腐蚀性差。五、应用题1.-高压气态存储：密度=35kg/m³，质量=100kg，体积=100kg/35kg/m³≈2.86m³。-氢化物存储：储氢容量=10wt%，质量=100kg，氢气质量=100kg×10%=10kg，氢化物总质量=10kg/10%=100kg，体积=100kg/1.2kg/L≈83.33L。优劣比较：高压气态存储体积较小，但成本较高；氢化物存储成本低，但体积较大。2.-铂碳（Pt/C）：总量=10g，成本