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第六章 氢能
重点：
1. 掌握氢气和氢能的概念和特点。
2. 掌握燃料电池的工作原理、特点和分类。 3. 了解氢制备、储存和运输的基本方法。 4. 了解燃料电池发电系统的组成及作用
5. 掌握氢经济的基本概念，了解氢能利用的关键技术和未来发展前景。
难点：
1. 氢的制备、储存和运输。
2. 不同种类燃料电池的工作原理、组成和发展前景。 一、陈述题
1、 根据运输时氢气所处的物理状态不同，可以分为气氢（Gaseous H2）输送、液氢（Liquid
H2）输送和固氢（Solid H2）输送，目前大规模使用的是气氢和液氢输送。
2、 氢气的工业纯化方法主要有低温吸附法、低温分离法、变压吸附法和无机膜分离法等。 二、概念题 1. 金属氢化物储氢
金属氢化物储氢：将氢气以金属氢化物的形式储存在合金中的储氢方式。 2. 燃料电池
燃料电池：是按照电化学原理，即原电池（如锌锰干电池）的工作原理，等温地把燃料地化学能直接转化为电能的能量转换装置。 3. 燃料电池效率
燃料电池效率：是指燃料电池中转换为电能的那部分能量占燃料中所含能量的比值，是衡量燃料电池性能的重要指标。 4. 氢经济
氢经济：是能源以氢为媒介（储存、运输和转化）的一种未来的经济结构设想，是20世纪70年代提出的。 三、简答题
1. 简述氢能具有特点及其氢能利用所需解决的关键问题。
作为21世纪理想的清洁能源，氢能有如下优点：（1）氢的资源丰富。（2）氢的来源多样性。（3）氢能是最环保的能源。（4）氢气具有可储运性。（5）氢的可再生性。（6）氢气是和平能源。（7）氢气是安全的能源。 氢能利用待解决的关键问题：（1）廉价的制氢技术。（2）安全可靠的储氢技术和输氢方法。
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（3）大规模高效利用氢能的末端设备。
2. 氢气制备新技术有哪些？与常规制氢方法相比它们有哪些优点。
氢气制备新技术：高温电解水蒸气制氢；高温热解水制氢；热化学循环分解水制氢；太阳能制氢生物质制氢；其他制氢工艺。
与常规制氢方法相比它们有哪些优点：效率高、利用可再生能源、低污染等。 3. 氢气是如何储存的？简述常见的氢气储存方式及其特点。
氢的储存方法也是多种多样，诸如常压储氢、高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢、碳纤维储氢、碳纳米管储氢、玻璃微球储氢、有机液体储氢等。
归纳起来不外乎两种方式，一种是物理方式贮氢，如压缩、冷冻、吸附等；另一种是化学方式，如金属氢化物等。高压贮氢和液氢贮氢是比较传统而成熟的方法，它们无需任何材料做载体，只需耐压或绝热的容器就行，它们的发展历史较早。而其他几种方法均是近二三十年才发展起来的，它们都需要利用一定性质的材料做介质。根据贮氢材料的特性可分为金属储氢材料、非金属贮氢材料和有机液体储氢材料3类。 4. 常见的非金属储氢材料有哪些？各有什么特点？Ref. P275-278
常见的非金属储氢材料：主要是指碳材（如活性炭、碳纤维、碳纳米管）和玻璃微球等这类材料，是最近几年刚发展起来的新型贮氢材料，由于它们具有优良的吸、放氢性能，引起了世界各国的广泛关注。这类贮氢材料均属于物理吸附型材料，也就是说利用其极大的活性比表面积，在一定的温度与压力下，吸取大量氢气，而当提高温度或减压下，则将氢气放出。
5. 简述燃料电池的工作原理、特点和分类。Ref. P286-290
工作原理：燃料电池是由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。以氢氧燃料电池为例，工作时，向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种\发电机\。 特点：燃料电池作为一种能量发生装置，其不可比拟的优越性主要表现在能量转化效率高、低污染、低噪音、清洁、燃料来源广泛和运行安全可靠等方面。
分类：按照所用的电解质不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）以及与PEMFC同样使用质子交换膜为电解质的直接甲醇燃料电池（DMFC）等。
6. 构成燃料电池的关键材料和部件有哪些？简述各部件的主要作用。
构成燃料电池关键材料和部件包括：电极、隔膜和集流板。
电极：是燃料（如氢）氧化和氧化剂（如氧）还原的电化学反应的场所。电极厚度一般为0.2~0.5mm。电极通常分为两层，一层为扩散层，另一层为催化剂层。扩散层由导电多孔材料制成，起到支撑催化剂层、收集电流与传递气体和反应产物的作用。催化剂层由催化
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剂和防水剂（如聚四氟乙烯）制成，其厚度仅为几微米至几十微米。影响电极性能好坏的关键因素是电催化剂的性能、电极材料和电极的制备技术。
隔膜：是分隔氧化剂与还原剂并起离子传导的作用。为减少欧姆电阻，隔膜的厚度一般为零点几毫米。燃料电池中采用的隔膜分为两类，一类为绝缘材料制备的多孔膜，如石棉膜、碳化膜和偏铝酸锂膜等；另一类为离子交换膜，如质子交换膜电池中采用的全氟酸树酯膜，在固体氧化物燃料电池中采用氧化锆膜。
集流板：也称双极板，它起着收集电流、分隔氧化剂与还原剂的作用，并将反应物均匀分配到电极各处，再传送到电极催化层进行电化学反应。集流板的关键技术是材料的选择、流体流场的设计和集流板的加工。
7. 燃料电池发电系统由哪些部分组成，简述各部分的主要作用。
燃料电池发电系统组成：主要包括燃料重整系统、空气供应系统、燃料电池本体、直流-交流逆变系统、余热回收系统以及控制系统等周边装置。 （1）燃料供应系统。提供燃料电池反应时所需要的反应物。 （2）空气供给装置。提供燃料电池反应时所需空气。
（3）直-交流逆变系统。经过电压逆变系统将燃料电池输出的直流电转换成交流电。 （4）排热回收系统。燃料电池工作时还排出废热，应将此废热及时排出或加以利用。 （5）控制系统。燃料电池是一个自动运行的发电装置，电池的供气、水热管理、电输出、电流调控均需要自动控制系统来控制燃料电池的自动运行。
（6）剩余气体循环系统。在高温燃料电池发电装置中，由于电池排热温度高，因此装设有可以使用燃气轮机与蒸汽轮机剩余气体的循环系统。
8. 简述质子膜燃料电池的工作原理、特点和应用前景。Ref. P298-300 四、论述题
1. 什么是氢能系统和氢经济，简述其对21世纪能源结构体系可能产生的影响？ 氢能系统：氢能的利用将渗透到经济生活的方方面面。氢能系统是一个以氢为基础的能源体系，它包括氢源的开发、制氢、贮氢、输氢以及氢的利用等一系列环节，是一个有机的系统工程。
氢经济（Hydrogen Economy）：是美国通用汽车公司（General Motors）于1970年发生第一次能源危机时所创，主要为描绘未来氢气取代石油成为支撑全球经济的主要能源后，整个氢能源生产、配送、贮存及使用的市场运作体系。
影响：主要从氢能系统的各个具体方面论述，具体论述氢能源生产、配送、贮存及使用的任一方面对经济社会发展产生的影响即可。
2. 您认为21世纪的清洁能源的主要发展方向是什么？
首先：简述传统能源和新能源的利用现状及特点，提出清洁能源的概念。 其次：指出当前能源利用存在的问题
第三：指出21实际清洁能源发展的主要方面。
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第七章 能源利用过程中产生的环境污染物控制
重点：
1. 掌握地球生态系统的组成和特点，了解影响生态平衡的因素 2. 掌握化石能源利用对环境的影响
3. 掌握全球主要环境问题（气候变化、臭氧层破坏、酸雨、生物多样性锐减等）产生的原因和破坏机理，了解其基本解决途径。 4. 掌握中国主要的环境问题及其特点。
5. 了解环境监测、环境评价的目的和基本方法。 6. 了解环境污染物及其控制的基本概念。
难点：
1. 化石能源利用对环境产生的影响。
2. 中国主要的环境问题产生的原因和控制措施。 3. 掌握各种环境污染物的基本概念及其净化技术。 一、陈述题
1、 生态系统是一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位。从人类
的角度理解，生态系统包括人类本身和人类的生命支持系统—大气、水、生物、土壤和岩石，这些要素也在相互作用构成一个整体。
2、 生态系统是一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位。生态系
统包括无机物、有机化合物、气候因素、生产者、消费者和分解者六种组分。 3、 主要的温室气体有CO2、CH4、N2O、臭氧、氯氟烃、H2O等。
4、 生物多样性是指地球上所有生物－动物、植物和微生物及其所构成的综合体。生物多
样性通常包括生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性3个层次。
5、 环境评价是按照一定的评价标准和评价方法，评估环境质量的优劣，预测环境质量的
发展趋势和评价人类活动的环境影响。根据所评价的环境质量的时间属性，可以分为回顾评价、现状评价和影响评价三种。
6、 环境监测是环境保护工作的基础，是执行环境保护法规的依据，是污染治理、环境科
研、设计规划、环境管理不可缺少的重要手段。按环境监测的目的可划分为：监视性监测（例行监测、常规监测）、应急性监测（事故性监测)、研究性监测（科研监测） 、本底值监测（背景值监测）和其它特定目的监测。 二、概念题
1. 温室气体和温室效应 2. 臭氧和臭氧层 3. 环境监测和环境评价 4. 水体中的主要污染物
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对水体污染影响较大的污染物有：固体污染物、需氧污染物、植物营养物质污染、有毒污染物、酸碱污染物、生物污染物等。
5. 水体自净
水体自净：进入水体的污染物，通过一系列屋里、化学和生物等作用，使污染物的浓度逐渐降低，经过一段时间后，水体将恢复到受污染前的状态，这一现象称为水体自净。 6. 主要大气污染物
按照大气污染物的存在状态可分为气溶胶状态污染物和气体污染物，按照与污染的关系，可以将其分为一次污染物和二次污染物。
7. 固体废物分类
按化学性质：无机废物、有机废物
按来源：矿业固体废物、工业固体废物、城市垃圾、农业废物、放射性固体废物 按理化性质：城市生活垃圾、工业固体废物、有毒有害固体废物 8. 固体废物处理三大原则
无害化（Recycle）、减量化（Reduction）、资源化（Reuse） 三、简答题
1. 简述地球生态系统的概念、组成和特点。
生态系统：是一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位。从人类的角度理解，生态系统包括人类本身和人类的生命支持系统—大气、水、生物、土壤和岩石，这些要素也在相互作用构成一个整体。
生态系统：包括无机物、有机化合物、气候因素、生产者、消费者和分解者六种组分。 特点：1）具有能量流动、物质循环和信息传递三大功能；2）具有自我调节的能力；3）3）是一种动态系统。
2. 简述能源开发过程带来的环境效应。Ref. 306-309 化石能源（煤炭、石油、天然气）： 核能： 生物质能： 水能： 风能： 太阳能： 地热能： 海洋能：
3. 简述我国主要环境问题产生的原因及特点
人口压力巨大：由于庞大的人口基数的原因，对环境的压力仍然很大。人均耕地、森林、草原、水面等资源也非常紧张，而这些因素又将加剧环境的恶化。
工业企业构成不合理：工业数量多、布局混乱、产品结构不合理、技术装备差、经营管理不善、资源和能源消耗大、绝大部分没有防止污染的设施，使污染危害变得更为突出和难
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