Đề kiểm tra giữa kỳ I môn Năng lượng tái tạo - Năm học 2013-2014 (Có đáp án)

Câu hỏi phần Pin nhiên liệu:
Cho 1 tế bào pin nhiên liệu dùng nhiên liệu là khí hydro và khí oxy tạo thành nước ở thể lỏng. Pin nhiên liệu làm việc ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1 atm, 25oC). 
Tính nhiệt lượng cực đại và cực tiểu tỏa ra từ mỗi kg hydro?	(0,5-1 đ)
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại của pin nhiên liệu trên? Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết, tính lượng điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg hydro?	(0,5-1 đ)
Cho biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 2 lit khí hydro trong một giờ. Tính dòng điện, công suất lý thuyết cực đại, và điện áp lý thuyết của pin? 	(0,5-1 đ)
Giả sử hiệu suất thực của pin ở câu c bằng 60% hiệu suất lý thuyết, khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn, tính công suất và điện áp thực của pin. Giả sử mật độ dòng điện qua màng lọc của mỗi tế bào là 0,45A/cm2. Tính diện tích màng lọc của pin? 	(0,5-1 đ)
(Quý Thầy cân nhắc thời lượng và tổng quan đề thi, cho ý kiến có thể giảm bớt nội dung (câu a, d), hoặc giảm thang điểm cho từng câu).
Đáp án:
Tính nhiệt lượng cực đại và cực tiểu tỏa ra từ mỗi kg hydro?	(0,5-1 đ)
	H2 (khí) + ½ O2 (khí) ® H2O (lỏng)
Ho	0	½.0	-285,8	kJ/mol
So	0,13	½.0,205	0,0699	kJ/mol-K
Go	0	½.0	-237,2	kJ/mol
DH = -285,8 kJ/mol
Nhiệt lượng cực đại: 
HHV=|DH| =285,8 kJ/mol hydro =285,8 kJ/2g hydro =142 900 kJ/kg hydro.
DS = 0,13 + ½.0,205 – 0,0699 = 0,1626 kJ/mol-K
Nhiệt lượng cực đại và cực tiểu:
Qmin = T. DS = (273,15+25) * 0,1626 = 48,4792 kJ/mol hydro = 24240 kJ/kg hydro.
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại của pin nhiên liệu trên? Giả sử hiệu suất thực của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết, tính lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro?	(0,5-1 đ)
Tính hiệu suất lý thuyết cực đại:
Cách 1:
hmax = 1 - Qmin / HHV = 1- 48,4792 / 285,8 = 0,83 = 83%
Cách 2:
DG = -237,2 kJ/mol hydro.
hmax = DG / DH = 237,2 / 285,8 = 0,8300 = 83%
We = |DG| = HHV – Qmin = 237,2 kJ/mol hydro.
Hiệu suất thực của pin sẽ là hr = 0,5 * 0,83 = 0,415
Vậy Wer = hr * HHV = 0,415 * 285,8 kJ/mol = 118,66 kJ/mol hydro = 118,66 (kW.s)/(2g hydro)
Hay Wer=118,662 kW.h3600 1000kg hydro=118,662*3,6kWh/kg hydro=16,48 kWh/kg hydro 
Lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro là 16,48 kWh.
Vậy Wer = |DG| = 0,415 * 237,2 kJ/mol = 98,438 kJ/mol hydro = 98,438 (kW.s)/(2g hydro)
Hay Wer=98,4382 kW.h3600 1000kg hydro=98,4382*3,6kWh/kg hydro=13,672 kWh/kg hydro 
Lượng điện năng được tạo ra từ 1 kg hydro là 13,672 kWh.
Cho biết pin nhiêu liệu tiêu thụ 2 lit khí hydro trong một giờ. Tính dòng điện, công suất lý thuyết cực đại, và điện áp lý thuyết của pin?	(0,5-1 đ)
Dòng điện: I=222,4*13600*6,022.1023*2*1,602.10-19=4,7853 A 
Công suất lý thuyết: Pmax=1000*DG222,4*13600=1000*237,2*222,4*13600=5,8829 W
Điện áp lý thuyết: Vr=PmaxI=5,88294,7853=1,229 V
Giả sử hiệu suất thực của pin ở câu c bằng 60% hiệu suất lý thuyết, khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn, tính công suất và điện áp thực của pin. Giả sử mật độ dòng điện qua màng lọc của mỗi tế bào là 0,45A/cm2. Tính diện tích màng lọc của pin? 	(0,5-1 đ)
Công suất thực: Pd=0,6*Pmax=0,6*5,8829=3,5297 W
Khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn nên dòng điện qua pin không thay đổi: I=4,7853 A
Điện áp thực: Vd=PdI=3,52974,7853=0,7376 V
Diện tích màn lọc: A=I0,45=4,78530,45=10,634087cm2
Ket qua _________________________________________________________
a) HHV = 285.800000 [kJ/mol] = 142900.000000 [kJ/kg]
a) Qmin = 48.479190 [kJ/mol] = 24239.595000 [kJ/kg]
b) Eff_max = 0.830374 [%]
b) Wer = 13.678100 [kWh/kg]
c) I = 4.785339 [A]
c) Pmax = 5.882937 [W]
c) Vr = 1.229367 [V]
d) Pd = 3.529762 [W]
d) Vd = 0.737620 [V]
d) Ad = 10.634087 [cm2]
% Lop NLTT 2013, thi HK
% Cau 3_Fuel cell
% Matlab tinh goc theo rad!
clc
clear all
T=25+273.15 %[oK]
% Cau a
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (liquid)
%0 0 (-285.8)
delta_H = -285.8 - (0+0) %[kJ/mol CH3OH]
HHV_mol=abs(delta_H)
%MW = 2*1.008
MW = 2*1
HHV_kg=HHV_mol/MW*1000 %[kJ/kg]
% Cau b
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (liquid)
%0.130 1/2*0.205 0.0699
delta_S=0.13+1/2*0.205-(0.0699) %[kJ/mol-K]
Qmin=T*delta_S %[kJ/mol]
Qmin_kg=Qmin/MW*1000 %[kJ/kg]
H=HHV_mol
Eff_max=1-Qmin/H
%CH3OH + 3/2*O2 -> CO2 + 2*H2O 
%H2 + 1/2*O2 -> H2O (liquid)
%0 0 -237.2
delta_G=(-237.2)-0-0 %[kJ/mol-K]
We=abs(delta_G)
We=H-Qmin
Eff_max=We/H
Eff_r = 0.5 * Eff_max
Wer = Eff_r * abs(delta_G) %[kJ/mol]
Wer = Wer/3600*1000/2 %[kWh/kg]
% Cau c
n = 2
I=n/22.4*1/3600*6.022e23*2*1.602e-19
P_max=1000*abs(delta_G)*2/22.4*1/3600
Vr=P_max/I
% Cau d
P_d=0.6 * P_max
V_d=P_d/I
A_d=I/0.45
disp('Ket qua _________________________________________________________')
TEXT = sprintf('a) HHV = %f [kJ/mol] = %f [kJ/kg]', HHV_mol, HHV_kg); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('a) Qmin = %f [kJ/mol] = %f [kJ/kg]', Qmin, Qmin_kg); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) Eff_max = %f [%%]', Eff_max); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('b) Wer = %f [kWh/kg]', Wer); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) I = %f [A]', I); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Pmax = %f [W]', P_max); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('c) Vr = %f [V]', Vr); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Pd = %f [W]', P_d); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Vd = %f [V]', V_d); disp(TEXT)
TEXT = sprintf('d) Ad = %f [cm2]', A_d); disp(TEXT)