Công nghệ mới pin proton

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin proton. Ảnh: oto.edu.vn

Pin proton là một công nghệ mới đang dần thay Pin lithium-ion vì có nhiều ưu điểm nổi bật như hiệu suất chuyển đổi năng lượng rất cao, giúp tận dụng tối đa nguồn năng lượng từ hydro và oxy; sản phẩm phụ chỉ tạo ra nước và nhiệt, không có khí thải độc hại như CO₂, giúp giảm ô nhiễm môi trường. Pin proton được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xe điện, thiết bị điện tử, hệ thống dự phòng năng lượng và các ứng dụng quân sự và không gian; có khả năng khởi động và tăng tốc nhanh chóng, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu phản ứng tức thời; có tuổi thọ dài và hoạt động ổn định, giúp giảm chi phí bảo trì và thay thế; pin hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với nhiều loại pin nhiên liệu khác, nên rất an toàn.

Pin proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell-PEMFC), hay còn gọi là pin nhiên liệu proton là một loại pin sử dụng khí hydro (H₂) và oxy (O₂) để tạo ra điện. Màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane-PEM) là thành phần chính của pin và có một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc dẫn proton từ cực âm đến cực dương của pin, cho phép quá trình điện hóa diễn ra hiệu quả.

Cấu tạo của PEM thường được làm từ vật liệu polymer đặc biệt như Nafion, có khả năng dẫn proton. Màng polymer có cấu trúc gồm các nhóm sulfonic acid, giúp tạo ra các kênh dẫn proton khi ngậm nước; có cấu trúc dạng lưới với nhiều lỗ nhỏ, giúp các proton dễ dàng di chuyển qua màng trong khi ngăn cản các electron và khí. PEM có độ ẩm nhất định để duy trì khả năng dẫn proton, quá trình điện phân tạo nước tại cực dương giúp cung cấp nước cho màng. PEM chịu được môi trường acid và nhiệt độ cao trong quá trình hoạt động, nên vật liệu được lựa chọn làm PEM phải có độ bền cao và ổn định hóa học. Hai bên của màng PEM thường được phủ một lớp chất xúc tác, thường là platin, để tăng tốc quá trình phân tách hydro và kết hợp với oxy.

Nguyên lý hoạt động của pin proton dựa trên PEM bao gồm các bước chính:

Phân tách hydro: Hydro (H₂) được cung cấp vào cực âm của pin nhiên liệu, tại đây, chất xúc tác (thường là platin) giúp tách hydro thành proton (H⁺) và electron (e⁻).

Di chuyển proton: Các proton đi qua PEM, một màng đặc biệt chỉ cho phép proton đi qua và ngăn cản electron.

Dòng điện: Các electron không thể đi qua PEM, vì vậy chúng phải di chuyển qua một mạch ngoài để quay trở lại cực dương của pin, tạo ra dòng điện.

Kết hợp với oxy: Tại cực dương, các proton di chuyển qua PEM kết hợp với oxy từ không khí và các electron quay trở lại để tạo thành nước (H₂O). Phương trình hóa học tổng quát của quá trình này: 2H₂+O₂ → 2H₂O+điện năng+nhiệt năng.

Pin proton có rất nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm: Sử dụng trong xe ô tô, xe buýt và xe tải chạy bằng pin nhiên liệu proton, giúp giảm lượng khí thải CO₂ và bảo vệ môi trường. Pin proton cung cấp năng lượng lâu dài cho điện thoại, máy tính xách tay và các thiết bị điện tử khác mà không cần sạc pin thường xuyên. Pin được sử dụng như một nguồn năng lượng dự phòng cho các cơ sở hạ tầng quan trọng như bệnh viện, trung tâm dữ liệu và cơ sở công nghiệp. Pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị quân sự, tàu vũ trụ và các hệ thống cảm biến tiên tiến; sử dụng trong các nhà máy điện cỡ nhỏ, đặc biệt là tại các khu vực xa xôi, nơi nguồn điện truyền thống khó tiếp cận.

Pin proton không chỉ có khả năng lưu trữ năng lượng nhanh mà còn có tuổi thọ dài và hoạt động hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ dưới 0⁰C. Pin hoàn toàn hữu cơ này có chu kỳ sạc, xả lên đến 3.500 lần, kết hợp dung lượng cao và hiệu suất tốt trong điều kiện lạnh, từ đó mở ra triển vọng mới cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo, giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy phát triển năng lượng sạch. Việc phát triển pin proton không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy sử dụng năng lượng bền vững.

Pin proton mang lại bước đột phá không chỉ cho lưu trữ năng lượng mà còn thúc đẩy phát triển bền vững toàn cầu. Với tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực, từ năng lượng tái tạo đến xe điện, đây sẽ là giải pháp thay thế vượt trội cho pin lithium-ion, mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành năng lượng.

 Nguyễn Thanh Tùng