Pin nhiên liệu kiềm không cần sử dụng màng ngăn

 
Việc loại bỏ các màng ngăn trong các bộ pin nhiên liệu không chỉ giúp đơn giản hóa thiết kế của pin, nó còn cho phép lần đầu tiên chế tạo được các pin nhiên liệu kiềm. Theo ông Paul Kenis thuộc Đại học Illinois (Mỹ), người đã chế tạo ra loại pin không màng ngăn đầu tiên này, thì loại vật liệu này hứa hẹn có hiệu suất cao hơn tới 40% so với các loại vật liệu có tính a-xít mà người ta sử dụng trong các pin nhiên liệu ngày nay.

Hệ thống pin nhiên liệu của ông Paul khai thác một hiện tượng có tên là "luồng chảy lớp", khi các dòng dung dịch cực nhỏ có độ kết dính quá cao sẽ không hòa trộn khi chảy qua các dòng dung dịch khác. Nhà hóa học Shelley Minteer thuộc đại học St Louis cho rằng: "Khái niệm về một loại pin nhiên liệu không màng ngăn là một ý tưởng tuyệt vời, bởi chi phí của chiếc màng ngăn chiếm khoảng từ 20 đến 40% giá thành của bộ pin".

Các pin nhiên liệu hoạt động bằng cách phá vỡ một dung dịch nhiên liệu, thí dụ như methanol, thành các proton và các điện tử, kết hợp chúng với ô-xy trong không khí  và sử dụng năng lượng được giải phóng để tạo ra một dòng điện. Các nhà khoa học hy vọng đây sẽ là một nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường để thay thế các loại pin lithium-ion hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện thoại di động và máy tính xách tay. Các bộ pin nhiên liệu có phụ phẩm duy nhất là nước và chúng có khả năng tạo ra một nguồn năng lượng nhiều gấp mười lần lượng điện mà cùng một lượng nhiên liệu có thể tạo ra.

Trước đây, các bộ pin nhiên liệu thường bao gồm hai ô riêng biệt, một ô chứa dung dịch nhiên liệu để tạo ra proton và cung cấp điện tử cho cực dương của pin, còn ô kia thì chứa hỗn hợp nước - ô-xy, được dùng để hấp thụ điện tử. Hai ô này được ngăn cách bởi một chiếc màng polymer có những lỗ cực nhỏ vừa đủ để các proton có thể xuyên qua nhưng có thể ngăn được sự thẩm thấu của các phân tử ô-xy cũng như methanol.

Một vấn đề nảy sinh khi sử dụng những màng ngăn này là tất cả các pin nhiên liệu đều phải dựa trên sự trao đổi của các proton của các vật liệu mang tính a-xit. Ông Kenis giải thích, do các ion hydroxide kẽm lớn hơn nhiều so với các proton, nên không một loại màng ngăn nào có khả năng cho các ion này xuyên qua mà vẫn ngăn được sự trộn lẫn của dung dịch từ hai ô và chính chiếc mang ngăn này là hạn chế của các pin nhiên liệu. Nhưng ông vẫn khẳng định rằng các pin nhiên liệu kiềm vì thế mà sẽ có hiệu suất cao hơn.

Bởi vậy ông đã quyết định loại bỏ lớp màng ngăn này. Ông nhận ra rằng nếu ông thu nhỏ các ô chứa xuống còn khoảng 0,25mm và đảm bảo rằng các dung dịch luôn vận động thì hai luồng dung dịch này sẽ chảy qua nhau mà không bị hòa trộn, thậm chí ngay cả khi không cần sự ngăn cách của màng ngăn. Và chúng vẫn sẽ cho phép truyền các proton hoặc các ion hydroxide từ bên này pin sang bên kia.

Lý do mà hai dung dịch thường hòa trộn vào với nhau, thí dụ như lớp kem hòa trong ly cà-phê, chính là một hiệu ứng vật lý có tên là sự nhiễu loạn. Nhưng hiệu ứng này sẽ biến mất khi kích thước các luồng dung dịch nhỏ hơn 1cm.

Ông đã đăng ký sáng chế ý tưởng về loại pin nhiên liệu không màng ngăn của mình và đã giới thiệu mẫu pin nhiên liệu kiềm không màng ngăn đầu tiên tại cuộc họp của Hội Vật lý Hoa Kỳ ở Los Angeles ngày 22-3 vừa qua. Đây là một bộ pin nhiên liệu hình khối có kích thước 3cm x 1mm x 1mm và có thể tạo ra một lượng điện là 0,25w. Ông đã thử dùng bộ pin này để cấp điện cho một chiếc quạt cực nhỏ trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, để có thể sử dụng loại pin này cấp điện cho các máy tính xách tay thì phải cần tới hàng trăm chiếc pin cực nhỏ sắp xếp song song với nhau.

Tuy nhiên, mẫu pin nhiên liệu này vẫn chưa cho thấy hiệu suất cao như người ta mong đợi từ loại pin nhiên liệu kiềm do ô-xy không hòa tan tốt trong nước. Ông Kenis khẳng định là đã có giải pháp để giải quyết vấn đề này, nhưng sẽ không tiết lộ cho tới khi ông đăng ký bản quyền ý tưởng của mình.

Có thể bạn quan tâm