รู้รอบเรื่อง เคมี

ลำดับตอนที่ #53 : เซลล์เชื้อเพลิง

     เซลล์เชื้อเพลิง เป็นกัลวานิกเซลล์ (galvanic cell) ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี (electrochemical)

เซลล์เชื้อเพลิงแตกต่างจากแบตเตอรี่อย่างไร

          1. เซลล์เชื้อเพลิงใช้แก๊สออกซิเจนกับไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง เมื่อใช้แก๊สหมด ต้องเติมเชื้อเพลิงเข้าไปเรื่อย ๆ ปฏิกิริยาในเซลล์ไม่ย้อนกลับ แต่การอัดแบตเตอรี่เป็นการทำให้ปฏิกิริยาในเซลล์ย้อนกลับ

          2. เซลล์เชื้อเพลิง เก็บพลังงานเคมีไว้ไม่ได้ จึงเป็นเซลล์กัลวานิกแบบปฐมภูมิ เนื่องจากสารตั้งต้นต้องผ่านเข้าเซลล์ตลอดเวลาและสารผลิตภัณฑ์ต้องผ่านเข้าออกเซลล์ตลอดเวลา แต่แบตเตอรี่สามารถเก็บพลังงานเคมีไว้ได้

หลักการทำงาน

     องค์ประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง ได้แก่
          แอโนด (anode) เป็นขั้วไฟฟ้าที่ให้ประจุลบกับเซลล์เชื้อเพลิง มีหน้าที่ส่งผ่านประจุอิเล็กตรอนหรือประจุไฟฟ้าลบออกไปทางขั้วไฟฟ้า เมื่อต่อสายไฟกับขั้วไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าจะไหลออกไป ส่วนแก๊สไฮโดรเจนที่ถูกดึงอิเล็กตรอนออกไป จะแสดงประจุบวก เรียกว่า โปรตอน
          แคโทด (Cathode) เป็นขั้วไฟฟ้าที่ให้ประจุบวกกับเซลล์เชื้อเพลิง มีหน้าที่ต่อเข้ากับสายไฟภายนอก รับอิเล็กตรอนมารวมกับอะตอมของแก๊สออกซิเจนกับไฮโดรเจนกลายเป็นโมเลกุลของน้ำ
          อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ทำจากวัสดุต่าง ๆ เช่น สารละลาย, แผ่นพลาสติก มีหน้าที่คือยอมให้ประจุบวกหรือโปรตอนเคลื่อนที่ผ่าน

     หลักการทำงาน

          เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วคือขั้วแอโนด(ขั้วลบ) และขั้วแคโทด(ขั้วบวก) รอบสารละลายอิเล็กโทรไลต์
          ที่ขั้วแอโนด ให้แก๊สไฮโดรเจนเข้าไป แก๊สไฮโดรเจนแพร่ผ่านแอโนด แก๊สไฮโดรเจนถูกเร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาให้ไฮโดรเจนไอออนกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนถูกส่งผ่านเข้าไปในสายไฟ เกิดกระแสไฟฟ้า จากนั้นเคลื่อนที่ไปยังขั้วแคโทด ดังสมการ

2H₂ 4H⁺+ 4e^-

          ที่ขั้วแคโทด ให้แก๊สออกซิเจนจากอากาศเข้าไปที่ขั้วแคโทด เมื่อไฮโดรเจนไอออนกับอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่มายังขั้วแคโทดทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนจากอากาศที่ให้เข้าไปเกิดเป็นโมเลกุลของน้ำ  โดยอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งทำจากแพลตินัม จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้น้ำบริสุทธิ์ออกมา ดังสมการ

4H⁺ + 4e^- + O₂ 2H₂O

          แรงดันไฟฟ้าที่ได้ต่อหนึ่งเซลล์มีค่าประมาณ 1 โวลต์และได้กระแสออกมาประมาณ 10 แอมแปร์ ซึ่งถ้านำมาต่ออนุกรมกัน (fuel cell stack) 12 เซลล์ ก็จะได้แรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์เหมือนกับแบตเตอรี่ ปฏิกิริยารวมของเซลลเชื้อเพลิงเป็นการรวมตัวของไฮโดรเจนและออกซิเจนเกิดเป็นน้ำ ดังสมการ

2H₂ + O₂ 2H₂O

เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภท

ประเภทของ เซลล์เชื้อเพลิง	อิเล็กโทรไลต์	ทำงานที่ อุณหภูมิ(°C)	การประยุกต์	ข้อดี	ข้อเสีย
เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน	พอลิเมอร์	60 - 80	- การขนส่ง - ยานพาหนะ - โรงไฟฟ้า - อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ เคลื่อนย้ายได้สะดวก	- ไม่ต้องใช้เวลา อุ่นเครื่อง - ใช้อุณหภูมิต่ำ - ไม่มีปัญหา การสึกกร่อน ของอิเล็กโทรไลต์	- ไวต่อเชื้อเพลิงที่มี สิ่งปนเปื้อน
แอลคาไลน์	โพแทสเซียม- ไฮดรอกไซด์(KOH)	90 - 100	- การขนส่ง - การทหาร - ยานอวกาศ - เรือดำน้ำ	- ปฏิกิริยาที่แอโนด เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
กรดฟอสฟอริก	กรดฟอสฟอริก (H3PO4)	175 - 200	- การขนส่ง - โรงไฟฟ้าแบบ ความร้อนร่วม	- ประสิทธิภาพ 85% - ใช้ H2 ที่มี สิ่งเจือปนเป็น เชื้อเพลิงได้	- ใช้ Pt ซึ่งมีราคาแพง เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา - ให้กระแสไฟฟ้าน้อย - ขนาดใหญ่
คาร์บอเนตหลอมเหลว	โซเดียม คาร์บอเนต (Na2CO3)	600 - 800	- โรงไฟฟ้าแบบ ความร้อนร่วม	- ประสิทธิภาพสูง - ปรับชนิดของ เชื้อเพลิงได้หลายแบบ	- ใช้อุณหภูมิสูงทำให้ เกิดการสึกกร่อนและ สารประกอบของ เซลล์เชื้อเพลิงเสียไป
ออกไซด์แข็ง	เซอร์โคเนียม- ออกไซด์ (ZrO2)	600 - 1000	- โรงไฟฟ้าแบบ ความร้อนร่วม	- ประสิทธิภาพสูง - ตัวเร่งปฏิกิริยา ราคาถูก	- ใช้อุณหภูมิสูงทำให้ เกิดการสึกกร่อนและ สารประกอบของ เซลล์เชื้อเพลิงเสียไป

ข้อดี

     - เป็นแหล่งพลังงานสะอาด
     - ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะ
     - เป็นเชื้อเพลิงในยานอวกาศ

     - ผลิตไฟฟ้า
     - น้ำดื่มสำหรับนักบินอวกาศ ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาคือไอน้ำ เมื่อกลั่นตัวแล้วใช้เป็นน้ำดื่มให้นักบินอวกาศดื่ม
     - ประสิทธิภาพสูง เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพสูงถึง 70% ประมาณ 2 เท่าของประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ชนิดเผาไหม้ภายใน
     - ปราศจากเสียง การสั่นสะเทือนและการถ่ายเทความร้อน

ปัญหา

     1. การกักเก็บแก๊สไฮโดรเจน เพื่อนำไปใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิงทำได้ยาก ปัญหานี้จึงเป็นปัญหาที่สำคัญที่สุด ปัจจุบันนักวิจัยพยายามแก้ปัญหานี้โดยผลิตอุปกรณ์ชนิดหนึ่ง เรียกว่า รีฟอร์มเมอร์ (reformer) มีหน้าที่เปลี่ยนสารไฮโดรคาร์บอน(เมทานอล, แก๊สโพรเพน) หรือแอลกอฮอล์ให้เป็นไฮโดรเจน แต่การออกแบบรีฟอร์มเมอร์ยังไม่สมบูรณ์ ขณะใช้งานมีความร้อนเกิดขึ้นและได้แก๊สอื่นออกมาด้วย ทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงลดลง

       2. ต้นทุนในการผลิตสูง การทำราคาขายให้ผู้บริโภคทั่วไปเป็นเจ้าของยังคงห่างไกลความจริง

       3. สถานีเติมเชื้อเพลิง เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงต้องใช้พลังงานจากแก๊สไฮโดรเจน จำเป็นต้องลงทุนไม่ต่ำกว่า 20 ล้านบาท

     4. เป็นสนิมง่าย เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงบางชนิดต้องใช้อุณหภูมิสูงทำให้เกิดสนิมได้ง่าย

     5. การเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึงประสงค์หลายอย่างเกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าและตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น เกิดการปนเปื้อนจากสารอื่น ซึ่งในขณะนี้ยังไม่มีขั้วไฟฟ้าชนิดใดที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสำหรับการทำงานเป็นเวลานาน ๆ โดยไม่มีการปนเปื้อนจากสารอื่น

     6. เกิดการรั่วได้ เซลล์เชื้อเพลิงเกิดการรั่วได้ง่ายเพราะสารที่ใช้เป็นเบสแก่