氢能与燃料电池-吴朝玲-主观题答案 第3-7章

第三章主观题

1.化石燃料的优点和缺点？

答：化石燃料的优点有：(1)较高的能量密度，如液态碳氢化合

物的能量密度为13.1KWh/Kg,石油的能量密度为42.7KWh/Kg,天

然气为37KWh/Kg,煤炭为25KWh/Kg；(2)具有良好的燃烧特性，

包括可燃性、火焰传播性、热效应，以及不产生烟雾和不易碳化等；

(3)便于处理、存储和运输；(4)具有低成本和普遍实用性的特点。

因此化石燃料被广泛应用在各个领域，如交通运输、产热、发电、工

业功能、以及作为化工工业的原材料。

但化石燃料缺点也很多，从几个方面阐述。首先，它们都是非可

再生资源，根据现有探明储量和R/P方法计算得到的石油和天然气的

使用年限仅为50多年，煤炭稍长还可以使用一百多年。尽管有一些

非常规化石资源，如焦油砂、深水石油、页岩油、煤层气、天然气砂

岩、可燃冰等，但受限于科技水平的限制，目前大多无法开采，而且

无论如何，即使包含非常规化石资源，它们也仍然属于不可再生的资

源，总有一天会消耗殆尽。其次，化石能源的开采、运输和存储过程

会对环境造成影响，期中包括对地质的影响、消耗淡水资源、产生大

量的工业废水、易于引入入侵物种、破坏水体生态环境等。第三化石

燃料的使用会破坏环境。他们的燃烧会产生酸性氧化物造成温室效应、

酸雨等，产生颗粒物造成雾霾等对人类身体健康造成不利影响。

2.学习了化石能源的储量和产量，这些化石能源会很快消耗殆尽吗？

答：根据学习，我们了解到化石能源的储量分为探明储量、控制

储量和预测储量，除了探明储量外，后两种的储量都具有很大的不确

定性。而我们目前预测化石能源的使用年限就是依据探明储量和实际

产量之间的比值（R/P比），虽然我们近年来对化石能能源大肆使用，

但是在过去的几十年中，R/P这个比值变化很小，说明探明储量是不

断提升的。

另外，储量还可以分为常规资源和非常规资源，常规资源为我们

所熟知的煤、石油和天然气，非常规资源包括焦油砂、深水石油、页

岩油、重油、煤层气、天然气砂岩、可燃冰，这些非常规资源虽然目

前在规模化的增产措施活特殊的回收工艺技术的辅助下，不能以具有

经济性的流量生产或者不具有经济性产量，但随着科学技术水平的提

升，或许在未来的某一天即可加入常规化石能源的行列，继续为人类

服务。所以说，化石能源短期内仍然会是人类能源的主要来源，不会

很快用光，但是同时我们也应该意识到它们和常规化石能源一样，都

属于非可再生资源，总有一天会消耗殆尽的。

3.温室效应的危害有哪些？如何应对二氧化碳的排放？

答：温室效应主要由大量燃烧化石燃料而排放的二氧化碳弓I起的，

它的主要危害为：（1）全球升温，南北极冰川融化，一些远古病毒出

现，因此地球上病虫害增加；（2）海平面上升，一些经济发达的沿海

城市将被淹没，经济损失不可估量；（3）会造成气候反常，海洋风暴

增多；（4）会造成土地干旱，沙漠化面积增加；（5）环境的变化会影

响地球生态，动物们失去栖息地。

针对二氧化碳的排放，我们有可能采取的措施：（1）对于大量产

生二氧化碳的源头区域，采用二氧化碳的封存隔离，可以将其隔离至

地下洞穴、废弃的油气田、储集岩和深海；（2）使用更清洁的使用技

术，如通过提高转化效率，使化石燃料燃烧产生相同电量的同时产生

更少的二氧化碳排放；（3）降低化石能源中的碳含量，如采用天然气

和液化石油气，通过煤加氢气化或者煤制烯烧技术，制备高氢低碳的

液体燃料，使用生物质燃料，终极燃料为全部为氢而不含碳的氢能燃

料。

第四章

1.请绘制氢相图，标注相区，简述各相的形成条件。

答案：

氢有6个相。

氢分子的临界点很低（Tc=33.0K,P=1293kPa）o氢的三相点为（13.8K,

7.04kPa）o

在临界点、三相点和固液线包围的区域，是氢的液相区。

在10K附近，负压或较低压力下，氢（叱或D。成为密排六方（hep）的固态晶体。

在极高的压力下（＞2x1/Pa）,固态氢从双原子分子相转变为单原子金属相，体

积密度可＞1000kgm*在此高压下，升高温度（5x10,K）,金属氢液化为液态

金属氢。

氢在很大的区域是气态。但当压力降低为负压，在高温（约10‘K）下，可以成为

气态氢原子。

难易程度：中

知识点：第四章

2.氢原子的电子结构为其外层电子轨道最多可以填充2个电子。因此，氢

的化学特性主要依赖于四个化学过程。请指出是哪四个化学过程。

1）失去1个价电子，成为氢离子（质子，H'）

2）获得1个价电子，成为氢化物离子（氢负离子，H'）

3）与周围的原子共享电子，形成共价键（H-H）

4）与全体原子分享电子，形成金属键（H°）

难易程度：易

知识点：第四章

3.根据以下图片，请从能量变化角度描述氢分子与金属表面及体相的相互作

用

O

METAL

5

I

018

W

2endothermic

R

UJ

0

exothermic

18

答案：

氢分子被离解成复原子后，氢原子被洁净金属表面吸附，继而被金属体相

溶解的过程可以用简化的势能曲线来描述。

在远离表面的气相区域，两条势能曲线被解离热EO=218kJ.(molH)」分开。

在界面区域，接近金属表面的氢分子与金属的首次相互作用是由弱的范德瓦

尔斯力形成的物理吸附，其吸附能Ephys*-5kJ.⑴olH)：距离金属表面大约1

个氢分子长度(=0.2n*)。当氢分子进一步接近金属表面，氢分子需要克服一个

能量势垒才能离解成氢原子，以及形成氢-金属键。氢原子与金属表面的原子共

享电子称为化学吸附，其吸附能Eche^Q-50kJ-(molH)一。最后，被化学吸附的氢

原子穿透金属表面，并以放热或吸热的反应方式在体相扩散、溶解和吸收，新形

成的氢化物相在金属基体中形核并生长。该反应过程中，无论是在金属体相，还

是在表面上，氢-金属键本质上都具有电子特性。

难易程度：难

知识点：第四章

第五章

1.请绘图描述电解水制氢的工作原理。

答案：

图电解水制氢的工作原理图

将水供应给电解槽，当外电路提供足够高的电压水平（高于理论分解电压，即开路电压

Eo）时，水中的氢离子在阴极得到电子产生氢气，氧离子在阳极失去电子产生氧气，反应

式如下：

阴极:4e+4H?O=2H?+4OH

阳极：40H-=O2+2H2C+4e

电解槽的阴极和阳极被隔膜或固态电解质分隔开。离子通过电解质（和隔膜）传输，使两

种气体分离。

难易程度：中

知识点：第五章

2.在标准状态下，水分解为氢气和氧气的理论分解电EE。为L23V。但是实际运行时，电

解水制氢的电能需求明显高于理论最小电能。请解释造成这种现象的原因。

答案：电解槽工作时的总电压是由四部分组成的。除了理论分解电压E。，还由电池中

的电流和欧姆电阻引起的电压降，以及阳极和阴极的过电位决定，如下式所示：

式中，E队八为阴极过电位，E器为阳极过电位，代表“激活”反应和克服浓度梯度所必

需的额外电能，可以衡量每个电极的反应动力学性能。iR为欧姆电压降，是电解液和电极的

电导率、电极之间的距离、隔膜或固态电解质的电导率与电流的函数，亦可理解为电池元件

之间的接触电阻。

难易程度：易

知识点：第五章

第Arfr八%早

1.据你所知，储氢技术有哪些？请列举其中两种储氢技术，简述其主要储氢原

理及其优缺点。

答案：（只需选其中2种）

储氢技术有：高压气态储氢，液态氢储存，金属氢化物储氢，吸附储氢，复杂

氢化物储氢,碱性制氢剂水解制氢（制储氢一体化）

工作原理及其优缺点分析：

1.高压气态储氢

原理：氢气被压缩为高压气态，储存在高压气瓶中，以获得较高的储氢密度。

优点：（1）质量储氢密度较高，如Mirai中的70Mpa高压氢瓶5.6wt%,

Dynetek的80MPa大型复合高压氢瓶可达13wt%。（2）操作简便，相对稳定

（无汽化损耗）。

缺点：⑴体积储氢密度相对较低，80MPa下约36kgH2/m3。（2）压缩氢气需

要压缩机，且耗能较高。（3）相较于其它储氢方式，高压氢罐体积大。（4）需高

度关注安全。

2.液态氢储存

原理：氢气经过焦耳•汤姆逊循环冷却并在21K液化。氢气首先被增压至10-15

MPa,然后在液氮温度下通过换热器预冷，继而在等焙条件下通过节流阀，完

成焦耳■汤姆逊膨胀制冷过程，产生一些液态氢。未液化的低温氢气从液氢中分

离，通过热交换器，返回压缩机进入下一个循环。

优点：（1）质量储氢密度高，可达20~40wt%0（2）体积储氢密度较高，可达

3

71kgHa/m）o（3）可大规模、较经济地储存和运输。

缺点：（1）由于易汽化，不适合在极低温（21K）长期存储。（2）液化时能耗高，

约为氢气热值的40%,导致成本也高。（3）因热泄漏引发的液氢罐中液氢汽化

量不可忽略，在密闭空间里安全性差。

3.金属氢化物储氢

原理：（1）少量氢溶入金属中，形成固溶体（。-相）。（2）更多的氢进入金属基

体，小相成核后长大。（3）金属中继续吸收少量氢。简单地讲，氢原子存在于

金属晶格间隙中，整个氢化过程为放热反应。

优点：（1）体积储氢密度很高，可达150kgFWnA（2）非常安全，因为氢原子

和金属形成了化学键，只有升高温度或降低压力才能放氢。（3）用金属氢化物

填充的储氢罐体积小，结构紧凑。

缺点：质量储氢密度较小。

4.物理吸附储氢

原理：一些高比表面积的材料具有良好的储氢能力。物理吸附氢是氢分子以弱

范德瓦尔斯力吸附在材料表面的。

优点：（1）吸放氢可逆性好。（2）吸放氢速度快。（3）无需高压。

缺点：（1）需要低温（工业上常用77K,液氮温度）。（2）体积储氢密度和质量

储氢密度均有限。

5.复杂金属氢化物

原理：氢与过渡金属（Fe,Co,Ni等）或者非过渡金属（B,AI,N等）元素以共价键形

成［MHx丁基团，而后［MHx］•基团与金属元素形成离子键。例如MgzNiH%UBH4

等。

优点：复杂金属氢化物通常具有很高的体积和质量储氢密度。

缺点：（1）复杂金属氢化物的热稳定性高，需高温条件释放氢气。比晶格间隙

储氢类金属氢化物（如LaNi5,TiFe,TiCr2,V基储氢合金等）放氢条件苛刻。⑵

复杂金属氢化物放氢是分步进行的。（3）复杂金属氢化物的吸放氢可逆性差。

6.碱性制氢剂水解制氢（制储氢T本化）

原理：碱性制氢剂通过与水发生反应产生氢气。例如：NaBH4+2H2O-

4H2+NaBO2（在NaOH溶液中）

优点：通常具有较高的体积储氢密度和质量储氢密度。无需高压和低温条件释

放氢气。可实现在线产氢、实时制氢。

缺点：水解产物不可在线可逆循环生成制氢剂，需要下线循环再生。一些制氢

剂价格高昂，例如NaBH4。

难易程度：中

知识点：第六章

第七章燃料电池主观题及参考答案

1.燃料电池有哪些关键材料和部件？它们在燃料电池中的作用是什么？

参考答案:

燃料电池主要由电极、催化剂、电解质（固体电解质又叫隔膜）等关键材料

构成。催化剂、电极（扩散气体时又叫气体扩散层（GasDiffusionLayer,简称

GDL））和隔膜又组成膜电极（MembraneElectrodeAssemblies,简称MEA）,它

是燃料电池的核心部件。其中电极是燃料电池的关键材料之一，它是燃料进行电

化学反应的场所，主要起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水

的作用。电极分为阳极和阴极，阳极主要发生电化学氧化反应，阴极则主要发生

电化学还原反应；催化剂是燃料进行电化学反应的另一关键材料，其作用是降低

电化学反应活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程，提高反应速率、泡池

工作电流密度和能量转化效率，是影响燃料电池性能的核心因素之一；双极板是

连接电池单元中关键材料和构建电堆的重要部件，又称集流板，是燃料电池电堆

的重要部件之一，其作用是提供气体流场（又叫流道），防止电池中的燃料与氧

气相互渗透，并在串联的阴阳两极之间收集电子，建立电流通路。此外，还包含

密封材料和端板等，主要起到密封和固定电池的作用。燃料电池的性能取决于电

堆中这些关键材料和部件性能的匹配和集成。

2.燃料电池的寿命（或耐久性）与哪些因素有关？分析燃料电池性能衰减的原

因。

参考合案.

燃料电池的耐久性取决于燃料电池电堆，而燃料电池电堆的耐久性又与其关

键材料和部件息息相关，如质子交换膜、催化层、气体扩散层和双极板。燃料电

池长时间运行后，这些关键材料和部件会发生降解。下面分别从燃料电池关键材

料和核心部件的降解机制来说明燃料电池的性能衰减。

质子交换膜的降解机制通常有两种：机械降解和化学降解。机械降解指质子

交换膜工作湿度不断发生变化，内部产生较大的内应力，在周期性变化内应力作

用下，质子交换膜强度会降低，甚至形成孔洞，严重降低寿命。化学降解是燃料

电池在怠速和开路状态下，电池内部形成大量HG，如果电池内部存在一些过渡

金属二价离子，在催化作用下，iy)2会转变成活性很强的基团，加速膜的降解。

由于阴极催化层电势要比阳极高，大多数情况下阴极催化层电化学环境要比

阳极催化层恶劣，因此阴极催化层更容易降解。通常催化层是由Pt/C催化剂和

一定量的Nafion粘结而成，因此催化层降解主要指Pt/C催化剂降解和Nafion

降解。碳载Pt催化剂的降解通常有四种机制：微晶迁移合并机制、电化学熟化

机制、Pt溶解且在离子导体中再沉积机制、碳腐蚀机制。催化层Nafion和质子

交换膜组成、结构相似，因此降解机制和质子膜类似。

气体扩散层通常由扩散层基质和微孔层组成。扩散层基质通常由碳纤维或碳

布经疏水处理形成；微孔层由碳粉通过PTFE溶液粘结而成。通常认为气体扩撒

层的降解机制有两种：机械降解和电化学降解。机械降解是在机械应力、气体和

水冲蚀等作用下，PTFE脱落降低疏水性影响水勺传输性能，同时微孔层孔径可

能发生变化甚至部分脱落。电化学降解是高电势条件下，气体扩散层基质中的碳

纤维和微孔层中的碳颗粒发生氧化腐蚀，改变组成和结构，影响性能和降低耐久

性。

目前常用的双极板材质为石墨双极板和金属双极板，通常认为这两种双极板

的降解机制如下：石墨机械性能较差，装电堆时不能承受过高的压力，长时司压

力作用下工作容易变形，甚至破裂，而且石墨的耐化学腐蚀性能较差，在酸碱和

强氧化条件下，会被逐渐腐蚀，甚至形成孔洞，影响单电池均一性，降低电池寿

命。采用不锈钢和钛为材料的金属双极板表面随着电池的运行，会逐渐形成不导

电的氧化物膜，使接触电阻增高，降低电池效率。

3.简述目前三代MEA制备技术。

目前，国内外已经发展了三代MEA制备技术：

(1)第一代制备技术CatalystCoatedSubstrate法(简称CCS法或GDE法)

是把催化剂涂布到气体扩散层上，然后用热压法将气体扩散电极和质子交换膜

粘合在一起，其技术已经基本成熟。CCS法制备MEA的优点在于制备工艺相对

简单，制备过程有利于气孔的形成，质子交换膜也不会因吸水而变形；缺点是

制备过程中催化剂容易渗透进入气体扩散层，造成催化剂的浪费和较低的催化

剂利用率。同时催化剂和质子交换膜结合力也通常较差，界面阻力大，导致膜

电极整体性能不佳。

(2)第二代制备技术CatalystCoatedMembrane法(简称CCM法)是将催

化剂涂布在质子交换膜两侧，再通过热压法将气体扩散层和附着催化层的质子交

换膜结合在一起。与传统的第一代MEA制备技术相比，CCM法主要拥有以下优

点：①催化剂层超薄化，催化剂催化效率得到了很大提高，从而降低了粕催化剂

的载量(一般可降低至0.4-0.6mg(Pt)/cm2以下)；②质子交换膜可超薄化，提

高了膜的表面电导率，而且还降低了膜的用量；③电池活化时间更短，电化学响

应加快；@增加了催化剂和质子交换膜的接触面积，降低了膜和催化剂之间的接

触阻抗，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性，提升了膜的电极性能。

因此，CCM技术被认为是燃料电池电堆技术的第二次革命。CCM法由美国洛斯

阿拉莫斯国家实验的Wilson等于1992发明,此后，美国Gore、3M、DuPont、

英国JM以及国内武汉理工大学、武汉理工新能源等企业及研究机构进一步发展

了CCM技术，并实现了商业化生产。CCM法是目前工业应用最广泛的主流方

法，难点在于催化剂涂布在质子交换膜上容易出现膜变形和膜吸收催化剂等'可题。

(3)第三代制备技术是制作有序化的MEA,把催化剂如粕制备到有序化

的纳米结构上，再结合质子交换膜，使膜电极呈有序化结构，有序的膜电极制

备技术可以扩大三相反应界面，形成优良的多相传质通道，加快反应气体、质

子、电子、水的传输，可降低大电流密度下的传质阻力，大幅提升催化剂利用

率、膜电极性能，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂载量。但这种制售技

术并不简单，有序化控制难度大，制备设备要求高，产业化应用还需时日。目

前，有序化膜电极产品中性能最好的是由3M公司开发的纳米结构薄膜电极

(NanostructuredThinFilm,简称NSTF)。

4.简述碱性燃料电池存在的问题。

参考答案.

虽然碱性燃料电池的研究和应用已比较成熟，但仍然存在以下问题：

(I)碱性燃料电池实际使用中，往往采用空气作为氧化剂，空气中的co2

会毒害碱性电解质生成碳酸根离子，对电池的效率和使用寿命会造成影响，使得

碱性燃料电池系统需要复杂的C5脱除装置，而且只能用纯H2作为燃料，增加

了原料成本；

(2)碱性燃料电池的电解质采用腐蚀性的碱液，长时间使用具有一定的危

险性，而且容易造成环境污染；

(3)碱性燃料电池的催化剂一般需采用贵金属粕才能获得高的电池性能，

并且需要一个控制体系来保持电解质浓度的恒定。这些因素使碱性燃料电池系统

变得复杂，成本提高，加上其功率密度不高，启动时间较长，导致其目前不适合

用于民用的交通工具和便携电源。

5.简述磷酸燃料电池的特点。

参考答案.

与其它类型的燃料电池相比，磷酸燃料电池主要具有以下特点：

(1)磷酸燃料电池与质子交换膜燃料电池及碱性燃料电池不同的是不需要

纯氢气作燃料，具有构造简单、稳定，电解质挥发度低且价廉，启动时间合理等

优点。目前，磷酸燃料电池能成功地应用于固定领域，已有许多发电能力为。2~

20MW的工作装置被安装在世界各地，为医院、学校和小型电站提供动力。

（2）磷酸燃料电池的工作温度比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的略

高，位于150~200C%工作压力为0.3~0.8MPa,单电池的电压为0.65~0.75V。

较高的工作温度使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1%〜2驰的CO和

百万分之几的硫化物时，磷酸燃料电池可以正常工作。尽管磷酸燃料电池的工作

温度较高，但仍需昂贵的粕催化剂来加速反应。

（3）高运行温度（150C。以上）引起的另一问题是与燃料电池电堆升温相伴

随的能量损耗。每当磷酸燃料电池启动时，必须消耗一些能量（即燃料）用于加

热电池直至其运行温度；反之，每当电池关闭时，相应的一些热量（即能量）也

将被耗损。若应用于轻型车辆上，由于市区内驾驶情况通常是短时运行，该损耗

是显著的。然而，在公共交通运输情况下，对于公共汽车这一问题是次要的。即

磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这

种燃料电池很难应用在轿车上。

（4）磷酸电解液的温度必须保持在42C。（磷酸冰点）以上。冻结的和再解

冻的磷酸将难以使电堆活化。保持电堆在该温度之上，需要额外的设备，这就需

要增加成本，增大系统的重量和体积，使系统更加复杂。磷酸燃料电池电堆的保

温措施对固定式应用而言是次要的，但对普通车辆应用来说是不相容、不合适的。

（5）磷酸燃料电池的缺点是采用了昂贵的催化剂（比如粕）、酸性电解液

的腐蚀性、二氧化碳的毒化和低效率。用贵金属铛作催化剂成本较高，如燃料气

中CO含量过高，则催化剂容易毒化而失去催化活性。磷酸燃料电池的效率比其

它燃料电池低，约为40%,其预热的时间也比质子交换膜燃料电池长。

6.绘制质子交换膜燃料电池的工作原理示意图并写出相应的反应方程式。

参考答案：

质子交换膜

氢气入口।——

%

多余氢气出巴_

丁।阳极阴极I,\

催化剂,6催化剂

图7-1质子交换膜燃料电池的工作原理示意图

如图1所示，当以氢气为燃料，氧气为氧化剂时，质子交换膜燃料电池的

阳极、阴极以及总反应式如下：

阳极反应：2H2f4F+4屋(7-1)

阴极反应：Oz+4万+4/-2HQ(7-2)

电池总反应：2H?+O?-2乩0(7-3)

7.什么是分布式冷热电联产系统？

参考答案：

分布式冷热电联产系统(CombinedCoolingHeatingandPower,简称

CCHP),又称冷热电联产系统，是能源综合梯级利用的解决方案，其总的能源

利用率可以达到75%~90%。它以水能、生物能、风能、太阳能、地热能、天然

气、垃圾能或工业余热等一切可以产生电或热的资源作为一次能源，将发电系

统和供热、供冷系统相结合的小规模、点状分布在用户附近的一种综合供能方

式，从而满足用户对热、电、冷等能源的需求。CCHP系统结构紧凑，重量

轻，占地面积小，安装方便，维护简单，自动化程度高，运行成本低。CCHP

系统既可使用户白成一个能源供应系统，又可与大电网并网运行，系统具有相

对的独立性、灵活性和安全性。CCHP系统可以一台独立运行，又可以多台并

联运行，可以满足不同功率负荷的用户需求。熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化

物燃料电池应用于CCHP中，可以将发电效率提高至85%以上。

8.对比管式、平板式和瓦楞式固体氧化物燃料电池。

笏石合策・

固体氧化物燃料电池按结构不同又可以分为管式、平板式和瓦楞式。

管式固体氧化物燃料电池是由许多一端封闭的电池基本单元以串、并联形式

组装而成，每个单电池从里到外由多孔的氧化错支撑管、锅掺杂的亚镒酸锢(LSM)

空气电极、氧化轨稳定的氧化锌(YSZ)固体电解质和Ni-YSZ金属陶瓷复合阳极

组成。其主要特点是电池组装相对简单，不涉及高温密封这一技术难题，比较容

易通过电池单元之间的并联和串联组合成大规模的电池系统。但是，管式SOFC

的电池单元制备工艺相当复杂，通常要采用电化学沉积法制备Y