Pin nhiên liệu là gì (chi tiết nhất)

Bài viết Pin nhiên liệu là gì lớp 12 chi tiết nhất là kiến thức có trong chương trình Hóa học 12 giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm về Pin nhiên liệu.

Pin nhiên liệu là gì (chi tiết nhất)

1. Pin nhiên liệu là gì?

- Pin nhiên liệu là loại pin điện hoá chuyển đổi hoá năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hoá - khử giữa nhiên liệu và chất oxi hoá. Trong đó, các nhiên liệu thường là methane, methanol, ethanol, hydrogen,... còn chất oxi hoá thường là oxygen. Pin nhiên liệu hydrogen - oxygen có nhiều ứng dụng và triển vọng trong tương lai.

2. Kiến thức mở rộng

2.1. Phản ứng oxi hoá - khử và dòng điện

Phản ứng oxi hoá - khử luôn kèm theo sự chuyển electron từ chất khử sang chất oxi hoá. Nếu các quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hoá học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

2.2. Pin Galvani

Minh hoạ 1 pin Galvani:

Ở 25 °C, nhúng một thanh Zn vào cốc đựng dung dịch ZnSO₄ 1 M, nhúng một thanh Cu vào cốc đựng dung dịch CuSO₄ 1 M. Nối thanh Zn và thanh Cu bằng dây dẫn, lắp một vôn kế để đo hiệu điện thế. Đóng kín mạch bằng một cầu muối.

- Ở thanh Zn xảy ra quá trình: Zn  →  Zn²⁺ + 2e

Thanh Zn trở thành nguồn cung cấp electron nên đóng vai trò là cực âm (anode). Các electron theo dây dẫn di chuyển sang điện cực Cu.

- Ở thanh Cu xảy ra quá trình: Cu²⁺ + 2e  →  Cu

Điện cực Cu là nơi nhận electron nên đóng vai trò là cực dương (cathode).

- Trong pin Zn - Cu xảy ra quá trình oxi hoá và quá trình khử trên các điện cực, nghĩa là xảy ra phản ứng oxi hoá - khử: Zn + Cu²⁺  →  Zn²⁺ + Cu

Phản ứng này giống như phản ứng xảy ra khi cho Zn tác dụng trực tiếp với dung dịch CuSO₄. Việc bố trí tách biệt hai cặp oxi hoá - khử ở hai điện cực tạo ra sự truyền electron từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn để tạo ra dòng điện.

- Trong quá trình pin hoạt động, cầu muối cho phép các ion di chuyển qua, do đó vừa đóng kín mạch điện, vừa duy trì tính trung hoà điện của mỗi dung dịch.

- Sức điện động của pin đo ở điều kiện chuẩn gọi là sức điện động chuẩn. Sức điện động chuẩn có thể xác định dựa vào thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá - khử tương ứng:

E° _pin = E°_cathode - E°_anode

Ví dụ: đối với pin Zn - Cu:

Tại anode:

Zn → Zn²⁺ + 2e                           $E_{Z{n}^{2+}/Zn}^o=-0,762V\left(E_{anode}^o\right)$

Tại cathode:

Cu²⁺ + 2e → Cu                          $E_{C{u}^{2+}/Cu}^o=+0,340V\left(E_{{{}_{cath}}_{ode}}^o\right)$

E_pin = E°_cathode - E°_anode = 0,340 V - (-0,762 V) = 1,102 V.

2.3. Một số loại pin khác

- Acquy là nguồn điện được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị lưu điện, phát điện. Acquy thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều.

- Pin Mặt Trời (solar cell) gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép nối với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng.

Ưu, nhược điểm của acquy, pin nhiên liệu và pin Mặt Trời

Pin	Ưu điểm	Nhược điểm
Acquy chì	Dễ sản xuất, giá thành thấp. Hoạt động ổn định. Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế.	Nặng, tuổi thọ thấp (trung bình khoảng 1 năm). Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ.
Pin nhiên liệu	Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát.	Giá thành cao.
Pin Mặt Trời	Là nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời.	Sản xuất khá phức tạp, giá thành cao. Cần nhiều ánh nắng nên phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. Các tấm pin Mặt Trời hết hạn sử dụng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

Ngoài ra:

- Pin lithium-ion:

+ Pin lithium - ion thuộc loại pin sạc, được sử dụng trong máy tính laptop, điện thoại, máy quay phim, phương tiện giao thông chạy điện,...

+ Pin lithium - ion có nhiều ưu điểm như nhẹ, nhỏ gọn, bền, mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và có thể sạc mọi thời điểm. Pin lithium - ion có nhược điểm là giá thành cao, dễ hư hỏng bởi nhiệt, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

- Pin khô:

+ Pin khô thuộc loại pin sơ cấp (không sạc được), được dùng trong thiết bị điều khiển, máy ảnh, đồ chơi,...

+ Pin khô có nhiều ưu điểm như năng lượng ổn định, giá rẻ, phù hợp các thiết bị di động. Pin khô có nhược điểm là điện áp thấp, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường.

3. Bài tập minh họa

Câu 1. Pin nào sau đây là pin nhiên liệu?

A. Pin lithium - ion.

B. Pin chì.

C. Pin mặt trời.

D. Pin hydrogen - oxygen.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Pin hydrogen - oxygen là pin nhiên liệu.

Câu 2. Nhận định nào sau đây về pin nhiên liệu là không đúng?

A. Khác với acquy, chất phản ứng của pin nhiên liệu phải được cung cấp liên tục từ nguồn bên ngoài.

B. Pin nhiên liệu tạo ra điện năng nhờ năng lượng mặt trời.

C. Pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp năng lượng hoá học thành điện năng.

D. Một trong những hạn chế của pin nhiên liệu là sự lưu trữ nhiên liệu.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

B. Sai do điện năng sinh ra từ pin nhiên liệu là nhờ quá trình giải phóng điện tử của nhiên liệu.

Câu 3. Trong pin nhiên liệu hydrogen, H₂ có vai trò tương tự như kim loại mạnh hơn trong pin Galvani. Phản ứng nào sau đây diễn ra ở điện cực dương khi pin nhiên liệu hydrogen hoạt động?

A. 2H₂ + O₂ → 2H₂O

B. H₂ → 2H⁺ + 2e

C. O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

D. 2H⁺ + 2e → H₂

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Phản ứng diễn ra ở điện cực dương khi pin nhiên liệu hydrogen hoạt động là O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

Câu 4. Phát biểu nào sau đây về pin nhiên liệu là đúng?

A. Cho hiệu suất chuyển hoá điện năng thấp.

B. Biến đổi trực tiếp hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxi hoá trực tiếp nhiên liệu.

C. Gây ô nhiễm môi trường khi hoạt động.

D. Hoạt động liên tục không nghỉ nếu nhiên liệu được cung cấp liên tục.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

A. Sai do pin nhiên liệu cho hiệu suất chuyển hóa điện năng cao.

B. Sai do là oxi hoá gián tiếp

C. Sai do đa số các pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu là hydrogen nên không sinh ra sản phẩm gây ô nhiễm

D. Đúng.

Câu 5. Pin nhiên liệu là loại pin biến đổi trực tiếp năng lượng hoá học thành điện năng nhờ quá trình oxi hoá gián tiếp nhiên liệu diễn ra trong pin. Trong pin nhiên liệu hydrogen, các quá trình xảy ra ở hai điện cực như sau:

Phát biểu nào dưới đây không đúng?

A. Tại anode xảy ra quá trình khử: H₂ → 2H⁺ + 2e; tại cathode xảy ra quá trình oxi hoá: O₂ + 4e → 2O²⁻.

B. Các electron sinh ra ở anode theo dây dẫn di chuyển đến cathode.

C. Chi phí sản xuất pin khá cao, công nghệ chưa được phổ biến nên chưa được sử dụng rộng rãi.

D. Pin nhiên liệu hydrogen không tạo ra sản phẩm gây ô nhiễm môi trường.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

A. Sai. Sự oxi hoá H₂, sự khử O₂

Câu 6. Phát biểu nào dưới đây về pin điện là không đúng?

A. Trong pin Galvani Fe-Cu, quá trình oxi hoá và quá trình khử ở hai điện cực là tự diễn biến.

B. Sức điện động của pin Galvani càng lớn khí kích thước bề mặt hai điện cực càng lớn

C. Acquy và pin nhiên liệu hydrogen cũng có quá trình oxi hoá và quá trình khử ở hai điện cực tương tự như pin Galvani.

D. Pin nhiên liệu hydro và pin năng lượng mặt trời được ví như nguồn năng lượng xanh vì không tạo ra các chất gây ô nhiễm môi trường.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

B. Sai vì sức điện động của pin là hiệu số thế điện cực chuẩn của hai điện cực, không phụ thuộc vào kích thước điện cực.

Câu 7.  Trong pin propane – oxygen, phản ứng tổng cộng xảy ra khi pin hoạt động như sau:

C₃H₈ (g) + 5O₂ (g) + 6OH⁻ (aq) → 3CO₃²⁻ (aq) + 7H₂O (l)

Ở điều kiện chuẩn, khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol propane theo phản ứng trên thì sinh ra một lượng năng lượng là 2497,66 kJ. Một bóng đèn LED công suất 20W được thắp sáng bằng pin nhiên liệu propane – oxygen. Biết hiệu suất quá trình oxi hóa propane là 80,0%; hiệu suất sử dụng năng lượng là 100% và trung bình cứ 1 giờ bóng đèn LED nói trên nếu được thắp sáng liên tục thì cần tiêu thụ hết một lượng năng lượng bằng 72,00 kJ. Khi sử dụng 176 gam propane làm nhiên liệu ở điều kiện chuẩn, thời gian bóng đèn được thắp sáng liên tục là

A. 178 giờ.

B. 111 giờ.

C. 120 giờ.

D. 100 giờ.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

$n_{C_3{H}_8}$= 4 mol, thời gian đèn sáng là x giờ.

Ta có: 2497,66.4.80% = 72x ⟶ x = 111 giờ.   

Xem thêm các bài viết về định nghĩa & khái niệm môn Hóa học hay, chi tiết khác:

• Pin điện hóa là gì

• Pin mặt trời là gì

• Pin khô là gì

• Pin lithium - ion là gì

• Acquy chì là gì

• Sức điện động chuẩn là gì

---