เซลล์เชื้อเพลิง​

​

เด็กๆ มักให้ความสนใจของเล่นที่ใช้ไฟฟ้า ซึ่งมีอยู่เป็นจำนวนมากในปัจจุบัน เช่น เครื่องเล่นเกม วิทยุพกพา โทรศัพท์เคลื่อนที่ โน้ตบุ๊กคอมพิวเตอร์ เครื่องคำนวณ ไฟฉาย เครื่องเล่นเหล่านี้ต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่หรือจากถ่านไฟฉาย โดยถ่านไฟฉายเป็นเซลล์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เกิดจากธาตุหรือเกลือของธาตุบางชนิดทำปฏิกิริยากัน ซึ่งทั้งหมด บรรจุอยู่ในกระบอกโลหะขนาดเล็ก และถ้านำหมู่เซลล์ไฟฟ้า หรือถ่านไฟฉายหลายก้อนมาต่อกันอย่างอนุกรม หรือต่อกันอย่างขนาน เพื่อให้ได้กำลังไฟฟ้ามากขึ้นก็เรียกว่า แบตเตอรี่

ยังมีเซลล์ไฟฟ้าอีกประเภทหนึ่งที่เกิดจากแก๊สไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจน แล้วให้พลังงานไฟฟ้าออกมาเช่นกัน เราเรียกเซลล์ไฟฟ้าประเภทนี้ว่า เซลล์เชื้อเพลิง หากต่อสายไฟจากขั้วไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิง ไปยังอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ จะทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ สามารถทำงานได้เช่นเดียวกับการใช้ถ่านไฟฉาย

เมื่อป้อนแก๊สไฮโดรเจน และแก๊สออกซิเจน เข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม แก๊สทั้งสองจะทำปฏิกิริยากัน ได้กระแสไฟฟ้าและน้ำออกมา ดังนั้น จึงกล่าวได้ว่า เซลล์เชื้อเพลิง เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่สะอาดปราศจากมลพิษ และไม่ทำให้สิ่งแวดล้อมเกิดการปนเปื้อน

เซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็กเพียงเซลล์เดียวอาจให้กำลังไฟฟ้าออกมาไม่มากนัก หากต้องการได้กำลังไฟฟ้ามากขึ้น จะต้องใช้เซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม หรือแบบขนานกัน ดังนั้น เราจึงสามารถใช้เซลล์เชื้อเพลิง เป็นทั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก แทนถ่านไฟฉาย หรือแบตเตอรี่ และใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ สำหรับโรงไฟฟ้า หรือใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สำหรับขับเคลื่อนรถยนต์ และรถไฟก็ได้ นอกจากนี้ในปัจจุบัน เรายังใช้เซลล์เชื้อเพลิง สำหรับผลิตพลังงานไฟฟ้าในยานอวกาศ เซลล์เชื้อเพลิง บางชนิดให้ความร้อนออกมาจำนวนมาก จึงเป็นประโยชน์ ทั้งในด้านการผลิตกระแสไฟฟ้า และในด้านการให้ความอบอุ่นในบ้านพักอาศัย อาคารสำนักงาน สำหรับประเทศที่มีอากาศหนาว 

เนื่องจากแก๊สไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำคัญสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงนั้น เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลของน้ำและสารอินทรีย์ ที่มีอยู่มากมายในธรรมชาติ เราจึงสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจนจำนวนมากได้จากการแยกโมเลกุลของน้ำด้วยไฟฟ้า หรือด้วยความร้อน หรือจากการสลายโมเลกุลของสารอินทรีย์บางชนิดด้วยวิธีการที่เหมาะสม

เพื่อความสะดวกในการใช้เซลล์เชื้อเพลิง นักวิทยาศาสตร์บางคนจึงได้คิดค้น และสร้างเซลล์เชื้อเพลิง ชนิดต่างๆ ขึ้น เช่น เซลล์เชื้อเพลิง ชนิดใช้เมทานอล (แอลกอฮอล์ชนิดหนึ่ง) เป็นเชื้อเพลิง โดยในกระบวนการผลิตพลังงานไฟฟ้า ของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ เมทานอลจะถูกเปลี่ยนเป็นแก๊สไฮโดรเจน และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ก่อน จากนั้น แก๊สไฮโดรเจนจะไหลเข้าสู่เซลล์เซลล์เชื้อเพลิง เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าออกมา ส่วนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งไม่มีประโยชน์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง จะถูกปล่อยทิ้งไป 

แก๊สไฮโดรเจนเป็นแก๊สที่เบาที่สุด และติดไฟได้ง่าย ดังนั้นจึงต้องเก็บรักษาด้วยวิธีการที่เหมาะสม และใช้ด้วยความระมัดระวัง จึงจะไม่เกิดอันตราย โดยทั่วไปมักเก็บแก๊สไฮโดรเจนโดยการอัดด้วยความดันสูงมาก จนกลายเป็นของเหลว บรรจุไว้ในถังเหล็กหนา และมั่นคง หรือโดยการอัดแก๊สไฮโดรเจนด้วยความดันสูงเก็บไว้ในถังเหล็กหนา อีกวิธีหนึ่งคือ การทำให้แก๊สไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับโลหะผสมบางชนิดในถังที่แข็งแรง เกิดเป็นสารประกอบโลหะไฮไดรด์ เมื่อต้องการใช้แก๊สไฮโดรเจนก็เพิ่มความร้อนให้สูงขึ้น เพื่อทำให้สารประกอบโลหะไฮไดรด์คายแก๊สไฮโดรเจนออกมา และนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิง สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง ต่อไป

พลังงานไฟฟ้าถือเป็นปัจจัยสำคัญต่อการดำรงชีวิตในปัจจุบัน มนุษย์ต้องการพลังงานไฟฟ้าสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าประจำบ้าน เช่น หม้อหุงข้าวไฟฟ้า กาต้มน้ำไฟฟ้า พัดลม ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ วิทยุ โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าแบบพกพา เช่น ไฟฉาย เครื่องคำนวณ เครื่องเล่นเกม โทรศัพท์เคลื่อนที่ ตลอดจนยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไฟฟ้า เช่น รถยนต์ไฟฟ้า รถจักรยานไฟฟ้า พลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ได้มาจากโรงงานผลิตไฟฟ้าประเภทต่างๆ นอกจากนี้เรายังได้พลังงานไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และจากปฏิกิริยาเคมี ซึ่งปัจจุบันยังมีใช้ในปริมาณไม่มากนัก

แหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้าที่เป็นทางเลือกอีกทางหนึ่ง คือ เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นเซลล์เคมีไฟฟ้าประเภทหนึ่ง เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนเชื้อเพลิง คือ แก๊สไฮโดรเจน ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิง เกิดจากการทำปฏิกิริยา ระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับแก๊สออกซิเจนภายในเซลล์ โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม เซลล์เชื้อเพลิงทั่วไป ประกอบด้วย ชั้นหรือแผ่นอิเล็กโทรไลต์ ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมเคลือบติดอยู่ที่ผิวทั้งสองด้าน ถัดออกไปเป็นแผ่นแพร่แก๊สและขั้วไฟฟ้า ด้านหนึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วบวก และอีกด้านหนึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วลบ แล้วประกบปิดทั้งสองด้านด้วยแผ่นปิดหัวท้ายเซลล์ 

เมื่อนำเซลล์เชื้อเพลิงหลายเซลล์มาต่อกันเป็นกลุ่มเซลล์แบบขนานหรืออนุกรม จะทำให้ได้กำลังไฟฟ้าสูงขึ้น จนสามารถใช้สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้

เซลล์เชื้อเพลิง มีหลายชนิด ถ้าพิจารณาตามประเภทของสารอิเล็กโทรไลต์และการทำงานของเซลล์ อาจจำแนกได้เป็น ๖ ชนิด ดังนี้

๑. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ใช้สารอิเล็กโทรไลต์แบบแอลคาไลน์ เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่สามารถใช้งานได้จริง โครงสร้างสำคัญของเซลล์ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาทำด้วยแพลทินัม ใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ในน้ำเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ สามารถให้กำลังไฟฟ้าออกมาในช่วง ๓๐๐ วัตต์ ถึง ๒๐ กิโลวัตต์ เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแรกที่องค์การนาซา (NASA)  ซึ่งย่อมาจากชื่อเต็มว่า องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (National Aeronautics and Space Administration) ของสหรัฐอเมริกา นำไปใช้บนยานอวกาศอะพอลโล เพื่อเดินทางไปลงบนพื้นผิวดวงจันทร์เป็นครั้งแรกใน พ.ศ. ๒๕๑๒

๒. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดคาร์บอเนตหลอมเหลว

เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่นิยมใช้เกลือคาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ ได้แก่ โซเดียมคาร์บอเนต โพแทสเซียมคาร์บอเนต และแมกนีเซียมคาร์บอเนต โดยใช้นิกเกิลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา มักใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่สำหรับโรงไฟฟ้าที่มีกำลังผลิตตั้งแต่ ๒๐๐ กิโลวัตต์ จนถึง ๑,๐๐๐ กิโลวัตต์

๓. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดกรดฟอสฟอริก

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ใช้กรดฟอสฟอริก เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ การต่อเป็นกลุ่มเซลล์ สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้ตั้งแต่ ๒๐๐ กิโลวัตต์ จนถึง ๑๑ เมกะวัตต์ ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ คือ เชื้อเพลิงที่ใช้กับเซลล์ชนิดนี้ นอกจากแก๊สไฮโดรเจนแล้ว ยังสามารถใช้เชื้อเพลิงประเภทไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ ได้อีกด้วย นอกจากนี้ ยังสามารถต่อกันเป็นกลุ่มเซลล์ ที่ให้กำลังสูงมาก เหมาะสำหรับโรงไฟฟ้าขนาดใหญ

๔. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน 

สารอิเล็กโทรไลต์สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ มีลักษณะเป็นแผ่นเยื่อบางๆ (ความหนาประมาณ ๕๐ - ๑๗๕ ไมโครเมตร) ที่ถ่ายทอดไอออนได้ดี ทำจากพอลิเมอร์ประเภทฟลูออโรซัลโฟเนต โดยใช้แพลทินัม หรือแพลทินัมผสมกับโลหะบางชนิด เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ สามารถทำให้มีขนาดเล็กกะทัดรัด น้ำหนักเบา และทนทาน จึงเหมาะสำหรับใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก และสะดวกในการพกพา หากนำมาต่อเป็นกลุ่มเซลล์ สามารถใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สำหรับบ้านพักอาศัย ยานอวกาศ หรือใช้กับยานพาหนะต่างๆ เช่น รถยนต์ รถจักรยานยนต์ 

๕. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งมีสารอิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็ง ทำจากสารประกอบโลหะออกไซด์ เช่น แคลเซียมออกไซด์ หรือเซอร์โคเนียมออกไซด์ กลุ่มเซลล์สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้สูงมากถึง ๑๐๐ กิโลวัตต์

๖. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดใช้เมทานอลโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ใช้เมทานอล ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่หาได้ง่าย และมีราคาไม่แพง เป็นเชื้อเพลิงโดยตรง ใช้นิกเกิลเป็นตัวกระตุ้น ให้เมทานอลแตกตัวเป็นเชื้อเพลิง

จะเห็นได้ว่า เราได้ประโยชน์จากเซลล์เชื้อเพลิงหลายประการ ในระยะแรกๆ องค์การนาซาใช้เซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้า และน้ำดื่ม สำหรับยานอวกาศ ต่อมา มีการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงให้มีประสิทธิภาพ และขนาดที่เหมาะสมกับการผลิตกระแสไฟฟ้า สำหรับบ้านพักอาศัย หรือที่ใหญ่กว่านั้น คือ สามารถผลิตไฟฟ้าให้ใช้ได้ทั้งเมือง ปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงได้รับการพัฒนา ให้สามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า สำหรับขับเคลื่อนรถยนต์ รถไฟ และยานพาหนะต่างๆ เซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็ก ก็ได้รับการปรับปรุงให้ใช้เป็นแหล่งพลังงาน สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก เช่น โทรศัพท์เคลื่อนที่ คอมพิวเตอร์ขนาดสมุดบันทึก หรือที่เรียกกันว่า โน้ตบุ๊กคอมพิวเตอร์ 

อย่างไรก็ตาม ต้นทุนการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงยังคงสูงมาก เมื่อเทียบกับพลังงานที่ได้จากน้ำมันเชื้อเพลิง แก๊สธรรมชาติ หรือถ่านหิน จึงยังไม่อาจใช้แทนที่พลังงานดังกล่าวได้อย่างเต็มที่

Content