โครงสร้างและส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนคืออะไร?

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน หรือที่รู้จักกันในชื่อเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ เป็นเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำที่โดยทั่วไปทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C หากต้องการเปรียบเทียบ PEMFC กับระบบ AFC, MCFC, SOFC และ DMFC โปรดดูที่นี่ คู่มือการจำแนกประเภทเซลล์เชื้อเพลิงสิ่งนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย การใช้งานเซลล์เชื้อเพลิง PEMรวมถึงยานพาหนะ รถไฟ ระบบทางทะเล ระบบไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ และระบบไฟฟ้าสำรองสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ เทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดยบริษัทเจเนอรัลอิเล็กทริกในทศวรรษ 1960 และต่อมาได้ถูกนำไปใช้ในยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุมลำแรกของอเมริกา

หมายเหตุ เรียนรู้เกี่ยวกับประวัติการพัฒนาของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิง PEM ทำงานอย่างไร? ทีละขั้นตอน

ขั้นตอนที่ 1: ไฮโดรเจนเข้าสู่ด้านขั้วบวก

ก๊าซไฮโดรเจนไหลเข้าสู่บริเวณการไหลของขั้วบวกผ่านช่องทางในแผ่นไบโพลาร์ บริเวณการไหลนี้จะกระจายไฮโดรเจนไปทั่วพื้นที่ใช้งานของชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน การกระจายก๊าซอย่างสม่ำเสมอมีความสำคัญเนื่องจากการขาดแคลนไฮโดรเจนในบริเวณใดบริเวณหนึ่งอาจลดผลผลิตและเร่งการเสื่อมสภาพได้

ขั้นตอนที่ 2: ตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดจะแยกโมเลกุลไฮโดรเจน

ที่ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนด โมเลกุลของไฮโดรเจนจะแยกตัวออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โดยทั่วไปมักใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีแพลทินัมเป็นองค์ประกอบหลัก เนื่องจากช่วยให้ปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจน (HOR) เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาต้องรักษาการสัมผัสที่ดีกับทั้งเมมเบรนและชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ

ขั้นตอนที่ 3: โปรตอนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน

เยื่อหุ้มเซลล์ยอมให้โปรตอนเคลื่อนที่จากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ในขณะเดียวกันก็กั้นอิเล็กตรอนและช่วยแยกไฮโดรเจนออกจากออกซิเจน การขนส่งแบบเลือกสรรนี้เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิง PEMFC สามารถแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีประโยชน์ได้

ขั้นตอนที่ 4: อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอก

อิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง พวกมันต้องเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานได้สำหรับมอเตอร์ โมดูลกำลัง หรือโหลดที่เชื่อมต่อ หลังจากทำงานทางไฟฟ้าแล้ว อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังด้านแคโทด

ขั้นตอนที่ 5: ออกซิเจนเข้าสู่แคโทดและทำปฏิกิริยากับโปรตอนและอิเล็กตรอน

ออกซิเจนจากอากาศไหลเข้าสู่ด้านแคโทดผ่านช่องทางการไหลอีกช่องหนึ่ง ที่ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับโปรตอนและอิเล็กตรอน ปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนนี้ หรือที่เรียกว่า ORR นั้นช้ากว่าปฏิกิริยาที่แอโนดและส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง PEM

ขั้นตอนที่ 6: เกิดน้ำและความร้อนขึ้น

ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือน้ำและความร้อน โดยไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนโดยตรงที่ช่องระบายอากาศ ต้องระบายน้ำออกอย่างระมัดระวัง เพราะน้ำมากเกินไปจะทำให้เกิดน้ำท่วม แต่น้ำน้อยเกินไปก็อาจทำให้เยื่อกรองแห้งและเพิ่มความต้านทานภายในได้

ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าพื้นฐานมีดังนี้:

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ที่ขั้วแอโนด:
2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ที่แคโทด:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

ปฏิกิริยาโดยรวม:
2H₂ + O₂ → 2H₂O + ไฟฟ้า + ความร้อน

ส่วนประกอบของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

ในแผนภาพด้านบน นอกจากหลักการปฏิกิริยาเคมีพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงแล้ว ยังมีส่วนประกอบสำคัญอื่นๆ อีก ได้แก่ ชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) และแผ่นไบโพลาร์ MEA ประกอบด้วยเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ชั้นกระจายก๊าซ และชั้นอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยา มีเทคนิคการผลิต MEA สองแบบที่ใช้กันทั่วไป คือ การพ่นตัวเร่งปฏิกิริยาลงบนชั้นกระจายก๊าซอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเรียกว่าอิเล็กโทรดกระจายก๊าซ (GDE) และการพ่นตัวเร่งปฏิกิริยาลงบนเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเรียกว่าเมมเบรนเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยา (CCM) การใช้เทคนิค CCM สามารถลดปริมาณโลหะมีค่าที่ใช้ได้

จากบทนำสั้นๆ นี้ คุณคงได้เข้าใจหลักการพื้นฐานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนแล้ว ต่อไปเราจะแนะนำส่วนประกอบแต่ละอย่างโดยละเอียด

1. ชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA)

ชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน หรือ MEA เป็นหน่วยทางเคมีไฟฟ้าหลักของเซลล์เชื้อเพลิง PEM โดยทำหน้าที่รวมส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกัน เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน, ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา และ ชั้นการแพร่กระจายก๊าซ รวมเข้าเป็นโครงสร้างการทำงานเดียว กระทรวงพลังงานสหรัฐ อธิบายว่า MEA เป็นหัวใจของเซลล์เชื้อเพลิง PEM และระบุว่าเมมเบรน ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ชั้นกระจายก๊าซ ปะเก็น และแผ่นไบโพลาร์เป็นส่วนประกอบสำคัญของเซลล์ ในรายละเอียดที่สมบูรณ์ ชุดเซลล์เชื้อเพลิง PEMโดยทั่วไปแล้ว MEA จำนวนมากจะถูกบีบอัดระหว่างแผ่นขั้วคู่เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าที่ต้องการ ดังนั้นคุณภาพของ MEA จึงมีผลโดยตรงต่อแรงดันไฟฟ้า ความทนทาน ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า และประสิทธิภาพ

• เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนเป็นส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) โดยมีหน้าที่หลักคือ การแยกเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์ การรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า และการทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างราบรื่น รวมถึงการนำโปรตอนอย่างเลือกสรรในขณะที่ปิดกั้นการส่งผ่านอิเล็กตรอน ประสิทธิภาพของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และต้นทุนของ PEMFC โดยขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการใช้งานของ PEMFC วัสดุเยื่ออิเล็กโทรไลต์ที่ดีควรมีคุณสมบัติเด่นคือ การนำโปรตอนสูง เสถียรภาพทางเคมีที่ดี เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี คุณสมบัติเชิงกลที่ดี การซึมผ่านของก๊าซต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การลากอิเล็กโทรออสโมติกของน้ำต่ำ ต้นทุนต่ำ และขึ้นรูปและแปรรูปได้ง่าย

เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทหลัก:

• เมมเบรนกรดเพอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก: นาฟิออนเป็นตัวอย่างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด มีคุณสมบัติเด่นคือ เสถียรภาพทางเคมีสูง ความแข็งแรงเชิงกลดี และการนำไฟฟ้าของโปรตอนสูงในสภาวะชื้น อย่างไรก็ตาม มีราคาแพง ผลิตยาก และขึ้นอยู่กับการจัดการน้ำเป็นอย่างมาก
• เมมเบรนที่มีฟลูออรีนบางส่วนและเมมเบรนไฮโดรคาร์บอน: เยื่อเหล่านี้กำลังได้รับการศึกษาในฐานะทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่าเยื่อกรดเพอร์ฟลูออโรซัลโฟนิก เยื่อเหล่านี้แปรรูปได้ง่ายกว่าและสามารถดูดซับน้ำได้ดี แต่ยังคงต้องการความสมดุลที่ดีกว่าระหว่างการนำไฟฟ้าของโปรตอน ความแข็งแรงเชิงกล และความทนทานในระยะยาว
• เมมเบรนคอมโพสิต: เยื่อเหล่านี้เป็นการผสมผสานวัสดุพอลิเมอร์เข้ากับวัสดุรองรับที่มีรูพรุนหรือสารเติมแต่งที่มีคุณสมบัติเฉพาะ สามารถช่วยปรับปรุงความคงตัวของขนาด การกักเก็บน้ำ ความแข็งแรงเชิงกล หรือประสิทธิภาพในการกั้นก๊าซได้ อย่างไรก็ตาม สารเติมแต่งบางชนิดอาจลดการนำไฟฟ้าของโปรตอนโดยรวม ดังนั้นการเลือกวัสดุจึงมีความสำคัญ

• ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา

โดยทั่วไปแล้วชั้นอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยาจะเตรียมจากตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าและสารละลายเรซินแลกเปลี่ยนโปรตอน เป็นโครงสร้างบางๆ ที่มีรูพรุนและมีกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าสำหรับการออกซิเดชันของไฮโดรเจนหรือการรีดักชันของออกซิเจน ความหนาของชั้นอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยาโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 5 ถึง 10 ไมโครเมตร ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเป็นวัสดุสำคัญอย่างหนึ่งในเซลล์เชื้อเพลิง หน้าที่ของมันคือการลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยา ส่งเสริมกระบวนการรีดอกซ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจนที่อิเล็กโทรด และเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา

ปริมาณแพลทินัมในชั้นอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยา

แพลทินัมถูกนำมาใช้เป็นหลักในชั้นอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสนับสนุนปฏิกิริยาสำคัญสองอย่าง:

• ปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจน (HOR) ที่ขั้วบวก
• ปฏิกิริยาลดออกซิเจน (ORR) ที่แคโทด

ปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนดเกิดขึ้นค่อนข้างเร็วและมีศักย์ไฟฟ้าเกินต่ำมาก ด้วยเหตุนี้ ขั้วแอโนดจึงสามารถทำงานได้โดยใช้แพลทินัมในปริมาณน้อยมาก เช่น ประมาณ 0.05 มิลลิกรัม/ตารางเซนติเมตร โดยไม่สูญเสียพลังงานมากนัก

ปฏิกิริยาที่แคโทดมีความซับซ้อนมากกว่ามาก ปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนมีจลนศาสตร์ช้า ความหนาแน่นกระแสแลกเปลี่ยนต่ำ และมีขั้นตอนปฏิกิริยาระดับกลางหลายขั้นตอน ส่งผลให้ปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนที่แคโทดกลายเป็นขั้นตอนที่จำกัดอัตราของปฏิกิริยาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด

เหตุใดชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดจึงมีความสำคัญ

ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทดมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ในเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำ ปฏิกิริยาลดออกซิเจนอาจเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียประสิทธิภาพโดยรวม นี่คือเหตุผลที่การปรับปรุงกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทดเป็นหนึ่งในทิศทางการวิจัยที่สำคัญสำหรับการนำเซลล์เชื้อเพลิงไปใช้ในเชิงพาณิชย์

ตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทดที่ดีต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• กิจกรรมการลดออกซิเจนสูง
• มีความเสถียรดีภายใต้สภาวะที่เป็นกรด
• ปริมาณแพลทินัมต่ำ
• ทนทานต่อการเสื่อมสภาพระหว่างการใช้งานรถยนต์ได้ดี
• ต้นทุนที่ยอมรับได้สำหรับการผลิตในปริมาณมาก

ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C เชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน

ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าแคโทดที่พบได้บ่อยที่สุดใน PEMFC คือตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C เชิงพาณิชย์ ซึ่งโดยทั่วไปประกอบด้วยอนุภาคนาโนแพลทินัมที่รองรับอยู่บนคาร์บอน อนุภาคนาโนแพลทินัมเหล่านี้มักมีขนาดประมาณ 3–5 นาโนเมตร

ตัวอย่างเช่น ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C 40 wt% ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์นั้นถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพต่อมวลและประสิทธิภาพจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ยังต่ำกว่าเป้าหมายด้านประสิทธิภาพที่กำหนดไว้สำหรับการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์ในอนาคต ซึ่งหมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันยังคงต้องการการปรับปรุงทั้งในด้านประสิทธิภาพและการใช้ประโยชน์จากแพลทินัม

เหตุใดจึงต้องลดการใช้แพลทินัม

ต้นทุนที่สูงและปริมาณที่จำกัดของแพลทินัมยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการนำเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC มาใช้ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง รถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงอาจต้องการแพลทินัมในปริมาณมาก ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนโดยรวมของระบบ

แม้ว่าปริมาณการใช้แพลทินัมจะลดลงแล้วเมื่อเทียบกับระบบ PEMFC รุ่นก่อนๆ แต่ก็ยังจำเป็นต้องลดลงอีก เป้าหมายระยะยาวคือการลดปริมาณการใช้แพลทินัมให้ต่ำลงมากยิ่งขึ้น ในขณะที่ยังคงรักษาพลังงาน ประสิทธิภาพ และความทนทานเอาไว้

ความท้าทายด้านความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมยังประสบปัญหาเรื่องความทนทานในระหว่างการใช้งานจริงของยานยนต์ ภายใต้สภาวะการทำงานแบบไดนามิก อนุภาคนาโนแพลทินัมอาจ:

• รวมตัวกันเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น
• เคลื่อนที่ผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา
• ละลายและตกตะกอนใหม่
• พื้นที่ผิวที่ใช้งานได้จะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป

นอกจากนี้ ศักย์ไฟฟ้าสูงที่เกิดจากวงจรเปิด การเดินเครื่องเปล่า และการสตาร์ท-หยุดเครื่องบ่อยครั้ง สามารถเร่งการกัดกร่อนของตัวรองรับคาร์บอนได้ เมื่อตัวรองรับคาร์บอนเกิดการกัดกร่อน อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาอาจหลุดออกหรือมีประสิทธิภาพลดลง ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงและทำให้อายุการใช้งานสั้นลง

กลยุทธ์หลักในการลดการใช้แพลทินัม

นักวิจัยกำลังศึกษาวิธีการต่างๆ เพื่อลดปริมาณแพลทินัมที่ใช้ พร้อมทั้งปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยา:

• ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมแพลทินัม: มีการเติมโลหะทรานซิชันลงในแพลทินัมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเร่งปฏิกิริยาและลดปริมาณแพลทินัม
• การควบคุมโครงสร้างผลึก: โครงสร้างอะตอมของตัวเร่งปฏิกิริยาถูกปรับเพื่อให้มีตำแหน่งออกฤทธิ์มากขึ้น
• ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแกนและเปลือก: มีการนำแผ่นแพลทินัมบางๆ มาวางหุ้มวัสดุแกนกลางที่มีต้นทุนต่ำกว่า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์จากแพลทินัม
• ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ไม่ใช่โลหะมีค่า: นักวิจัยกำลังพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โลหะราคาถูกกว่า แม้ว่าประสิทธิภาพและความทนทานของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านั้นยังคงต้องได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมก็ตาม

โดยรวมแล้ว ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยายังคงเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญในการพัฒนา PEMFC ความก้าวหน้าในอนาคตขึ้นอยู่กับการลดการใช้แพลทินัม การปรับปรุงกิจกรรม ORR ของแคโทด และการเพิ่มเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาในระยะยาวภายใต้สภาวะการทำงานจริง

• ชั้นการแพร่กระจายก๊าซ

ชั้นกระจายก๊าซ (GDL) ตั้งอยู่ระหว่างบริเวณการไหลและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา หน้าที่หลักของมันคือการเป็นช่องทางในการลำเลียงก๊าซที่ทำปฏิกิริยาและน้ำที่เกิดขึ้น รวมถึงการรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้น ประสิทธิภาพของวัสดุพื้นผิว GDL จึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง GDL ที่มีประสิทธิภาพสูงต้องมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดี โครงสร้างรูพรุนที่เหมาะสม การนำไฟฟ้าที่ดี และความเสถียรสูง

องค์ประกอบของชั้นการแพร่กระจายก๊าซ

ชั้นกระจายก๊าซโดยทั่วไปประกอบด้วยวัสดุรองรับเส้นใยคาร์บอนที่มีรูพรุนและชั้นที่มีรูพรุนขนาดเล็ก วัสดุรองรับเส้นใยคาร์บอนที่มีรูพรุนมักจะเป็นกระดาษคาร์บอนหรือผ้าคาร์บอนที่มีรูพรุนซึ่งผ่านการบำบัดด้วยสารกันน้ำ มีความหนา 200-400 ไมโครเมตร ชั้นที่มีรูพรุนขนาดเล็ก หรือที่เรียกว่าชั้นจัดการน้ำ (ประมาณ 100 ไมโครเมตร) โดยทั่วไปประกอบด้วยผงคาร์บอนนำไฟฟ้าและสารยึดเกาะ หน้าที่ของมันคือลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและชั้นรองรับ ช่วยให้การกระจายตัวของก๊าซตั้งต้นและน้ำที่เป็นผลิตภัณฑ์ระหว่างสนามการไหลและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ เพิ่มการนำไฟฟ้า และปรับปรุงประสิทธิภาพของอิเล็กโทรด

หน้าที่ของชั้นกระจายก๊าซ (GDL)

ชั้นกระจายก๊าซ (GDL) ทำหน้าที่กระจายก๊าซตั้งต้นไปทั่วอิเล็กโทรด และนำอิเล็กตรอนและความร้อนระหว่างอิเล็กโทรดกับแผ่นไบโพลาร์ ที่สำคัญกว่านั้น GDL มีบทบาทสำคัญในการจัดการน้ำในเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนในชุดประกอบอิเล็กโทรดแบบเมมเบรนจำเป็นต้องนำโปรตอนภายใต้สภาวะชื้น ในขณะที่น้ำส่วนเกินอาจทำให้เกิดน้ำท่วมอิเล็กโทรด ดังนั้น GDL จึงต้องรักษาสมดุลปริมาณน้ำที่เหมาะสมบนพื้นผิวอิเล็กโทรด

ชั้นกระจายก๊าซประสิทธิภาพสูง

GDL ประสิทธิภาพสูงสามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงได้โดยตรง แล้วอะไรคือคุณสมบัติของประสิทธิภาพสูง? มันต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่อไปนี้:

ความต้านทานการกัดกร่อน: ชั้น GDL สัมผัสโดยตรงกับชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและอาจเกิดการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีสูงในระหว่างปฏิกิริยา

ความพรุนและการระบายอากาศ: ชั้น GDL ต้องเป็นวัสดุที่มีรูพรุนและระบายอากาศได้ เนื่องจากทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการแพร่กระจายของไฮโดรเจน/ออกซิเจน หรือเมทานอล/อากาศไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา

ค่าการนำไฟฟ้าสูง: เนื่องจาก GDL สามารถนำอิเล็กตรอนได้ จึงต้องมีค่าการนำไฟฟ้าสูง

การนำความร้อนสูง: ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนเสียหายได้ ดังนั้นชั้น GDL ต้องสามารถนำความร้อนออกไปได้เพื่อป้องกันความเสียหายต่อเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน

คุณสมบัติกันน้ำสูง: น้ำที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาในเซลล์เชื้อเพลิงสามารถลดประสิทธิภาพการทำงานได้ ดังนั้นชั้นกระจายก๊าซ (GDL) จึงต้องสามารถระบายน้ำออกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• แผ่นไบโพลาร์

การขอ แผ่นขั้วคู่ของเซลล์เชื้อเพลิง แผ่นไบโพลาร์เป็นส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน มีช่องทางอยู่ทั้งสองด้าน ด้านหนึ่งสัมผัสกับขั้วบวกของเซลล์หนึ่งเพื่อสร้างสนามการไหลของแอโนด และอีกด้านหนึ่งสัมผัสกับขั้วลบของอีกเซลล์หนึ่งเพื่อสร้างสนามการไหลของแคโทด โดยทั่วไปแล้ว ช่องทางน้ำจะถูกแยกออกจากช่องทางการไหลของแอโนดและแคโทดภายในแผ่นไบโพลาร์ แผ่นไบโพลาร์ทำหน้าที่ต่างๆ เช่น การรวบรวมและนำกระแสไฟฟ้า การแยกก๊าซ การรองรับชุดเซลล์ และการเชื่อมต่อเซลล์แต่ละเซลล์แบบอนุกรม

โครงสร้างของแผ่นไบโพลาร์

แผ่นขั้วคู่คิดเป็น 70%-80% ของมวลเซลล์ และต้นทุนการผลิตแผ่นกราไฟต์สำหรับช่องทางการไหลคิดเป็น 60%-70% ของต้นทุนการผลิตเซลล์ทั้งหมด โครงสร้างและขนาดของช่องทางการไหลมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเซลล์ ดังนั้น การออกแบบและโครงสร้างของแผ่นขั้วคู่จึงมีผลกระทบอย่างมากต่อเซลล์ การวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับแผ่นขั้วคู่ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การเลือกวัสดุเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับการนำเซลล์เชื้อเพลิงไปใช้ในเชิงพาณิชย์

หมายเหตุ ผลกระทบของช่องทางการไหลของแผ่นขั้วคู่ต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง

ประเภทของแผ่นไบโพลาร์

แผ่นขั้วคู่ต้องมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า ความแข็งแรงเชิงกล การซึมผ่านของไฮโดรเจนต่ำ ความต้านทานการกัดกร่อน ความเสถียรของขนาด น้ำหนักเบา และความสามารถในการผลิตที่ดี

โดยพิจารณาจากวัสดุแล้ว แผ่นขั้วไฟฟ้าแบบสองขั้วแบ่งออกเป็นสามประเภทหลักๆ ดังนี้:

• แผ่นขั้วคู่กราไฟต์
• แผ่นไบโพลาร์โลหะ
• แผ่นไบโพลาร์แบบผสม

แผ่นไบโพลาร์กราไฟต์

แผ่นขั้วคู่กราไฟต์ถูกนำมาใช้ในช่วงแรกของการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดี ความหนาแน่นต่ำ และเสถียรภาพทางเคมีสูง

ข้อจำกัดหลักของแผ่นกราไฟต์คือ ความเปราะบาง การขึ้นรูปยาก และการควบคุมขนาดที่ไม่ดีระหว่างกระบวนการผลิต เพื่อให้ได้ความแข็งแรงตามที่ต้องการ แผ่นกราไฟต์มักจะต้องมีความหนามากขึ้น ซึ่งจะทำให้ขนาดของกองแผ่น น้ำหนัก และต้นทุนการผลิตสูงขึ้น

หมายเหตุ ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแผ่นขั้วคู่กราไฟต์: ส่วนประกอบสำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง

แผ่นไบโพลาร์โลหะ

แผ่นขั้วคู่โลหะมีความแข็งแรงสูง ความเหนียวดี การนำไฟฟ้าและการนำความร้อนดีเยี่ยม นอกจากนี้ยังสามารถผลิตให้บางกว่าแผ่นกราไฟต์ได้ ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าในชุดเซลล์เชื้อเพลิง วิศวกรที่เลือกวิธีการขึ้นรูปช่องสัญญาณสามารถเปรียบเทียบได้ การกัดด้วยแสงเคมี การปั๊มขึ้นรูป การขึ้นรูปด้วยแรงดันน้ำ และการตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC.

แผ่นขั้วคู่โลหะมักถูกออกแบบให้มีความหนาน้อยกว่า 1 มม. แม้ว่าความเป็นไปได้ในขั้นสุดท้ายจะขึ้นอยู่กับวัสดุ รูปทรงของแผ่น ความลึกของช่อง ความคลาดเคลื่อน และวิธีการผลิต สำหรับโครงการที่ทำจากสแตนเลส คู่มือเปรียบเทียบวัสดุแผ่นขั้วคู่ 304 กับ 316L อธิบายถึงความแตกต่างในด้านความต้านทานการกัดกร่อน ต้นทุน ความต้องการในการเคลือบ และความเหมาะสมในการผลิต

ความท้าทายหลักคือการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดและชื้นของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ดังนั้น อาจจำเป็นต้องมีการเคลือบหรือการปรับสภาพพื้นผิวเพื่อควบคุมการกัดกร่อนและความต้านทานการสัมผัสระหว่างพื้นผิว ผู้ซื้อควรเข้าใจด้วยว่า... คุณภาพการกัดกรดส่งผลต่อประสิทธิภาพการเคลือบแผ่นขั้วไฟฟ้าอย่างไรซึ่งรวมถึงผลกระทบจากความสะอาดของพื้นผิว ความแม่นยำของช่อง และสภาพของขอบ

TMNetch ตรวจสอบโครงการแผ่นขั้วไฟฟ้าแบบโลหะบางตามวัสดุ ความหนาของแผ่น รูปทรงช่อง ความลึกของช่อง การเคลือบผิว และข้อกำหนดด้านความคลาดเคลื่อน ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ ความสามารถในการผลิตแผ่นขั้วคู่แบบกำหนดเอง.

หมายเหตุ ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแผ่นขั้วโลหะสองขั้วสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง PEM

แผ่นไบโพลาร์แบบผสม

แผ่นขั้วไฟฟ้าแบบผสมเป็นวัสดุที่รวมวัสดุตัวนำ โครงโพลีเมอร์ แผ่นโลหะบาง หรือโครงสร้างเสริมแรงอื่นๆ เข้าด้วยกัน โดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างความสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้า ความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน น้ำหนัก และต้นทุน

สารเหล่านี้สามารถลดน้ำหนักของชุดเซลล์เชื้อเพลิงและเพิ่มความยืดหยุ่นในการออกแบบได้ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติการนำไฟฟ้า ความแข็งแรงเชิงกล และความทนทานในระยะยาว ยังคงต้องการการปรับปรุงเพิ่มเติมสำหรับการใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ที่ต้องการประสิทธิภาพสูง

• เครื่องอัดอากาศ

เครื่องอัดอากาศเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบจ่ายอากาศสำหรับแคโทดในเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์ การอัดอากาศที่เข้าสู่ชุดเซลล์เชื้อเพลิงจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง และลดขนาดของระบบเซลล์เชื้อเพลิง อย่างไรก็ตาม การใช้พลังงานส่วนเกินของเครื่องอัดอากาศค่อนข้างสูง คิดเป็นประมาณ 80% ของการใช้พลังงานเสริมของเซลล์เชื้อเพลิง ประสิทธิภาพของเครื่องอัดอากาศส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ ความกะทัดรัด และลักษณะสมดุลน้ำของระบบเซลล์เชื้อเพลิง ดังนั้น โครงการเซลล์เชื้อเพลิงทั่วโลกจึงให้ความสำคัญอย่างมากกับการวิจัยเครื่องอัดอากาศ

แตกต่างจากแบตเตอรี่รองทั่วไป การผลิตพลังงานด้วยเซลล์เชื้อเพลิงต้องใช้ระบบเสริมที่ซับซ้อนหลายระบบ เช่น ระบบจ่ายวัสดุ ระบบควบคุมอุณหภูมิ และอื่นๆ ระบบผลิตพลังงานด้วยเซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปประกอบด้วยระบบย่อยอากาศ ระบบย่อยไฮโดรเจน ระบบย่อยการจัดการความร้อน และระบบย่อยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ส่วนประกอบสำคัญ ได้แก่ เครื่องอัดอากาศ เครื่องเพิ่มความชื้น ปั๊มหมุนเวียนไฮโดรเจน และอื่นๆ

หากคุณกำลังเลือกชิ้นส่วนสำหรับชุดประกอบที่สมบูรณ์ นี่คือ คู่มือการเลือกส่วนประกอบชุดเซลล์เชื้อเพลิง อธิบายวิธีการทำงานร่วมกันของแผ่นขั้วคู่, MEA, GDL, ซีล และตัวเก็บกระแสไฟฟ้า

ข้อมูลประสิทธิภาพและสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิง PEM

ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง PEM ขึ้นอยู่กับขอบเขตการวัด เซลล์เดี่ยวหรือชุดเซลล์อาจแสดงประสิทธิภาพสูงกว่าระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่สมบูรณ์ ระบบที่สมบูรณ์ยังรวมถึงคอมเพรสเซอร์ เครื่องเพิ่มความชื้น วงจรระบายความร้อน การหมุนเวียนไฮโดรเจน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุม ดังนั้น ข้อมูลประสิทธิภาพจึงควรระบุให้ชัดเจนว่าหมายถึงระดับเซลล์ ระดับชุดเซลล์ หรือระดับระบบ

จุดเด่นด้านประสิทธิภาพที่สำคัญ ได้แก่:

• ประสิทธิภาพเชิงปฏิบัติ: โดยทั่วไป ประสิทธิภาพของระบบ PEMFC มักถูกกล่าวถึงอยู่ในช่วงประมาณ 40–60% ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมในระดับเซลล์เชื้อเพลิง ค่าบางค่าอาจเข้าใกล้ 60–70% แต่ตัวเลขเหล่านี้ควรได้รับการตรวจสอบจากแหล่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ก่อนเผยแพร่
• การสูญเสียประสิทธิภาพ: ประสิทธิภาพที่แท้จริงลดลงเนื่องจากการสูญเสียหลักสามประการ การสูญเสียจากการกระตุ้นส่วนใหญ่เกิดจากการลดออกซิเจนที่แคโทดช้า การสูญเสียจากความต้านทานโอห์มเกิดจากความต้านทานในเมมเบรน อิเล็กโทรด แผ่นไบโพลาร์ และส่วนต่อประสาน การสูญเสียจากการขนส่งมวลเกิดขึ้นเมื่อการจ่ายก๊าซ การกำจัดน้ำ หรือการแพร่กระจายไม่สามารถตามทันความต้องการในปัจจุบันได้
• ความหนาแน่นของพลังงาน: ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิง PEMFC มีความสำคัญสำหรับระบบยานยนต์และระบบขนาดกะทัดรัด ชุดเซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์อาจรายงานค่าความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าต่อปริมาตรที่หลากหลาย เช่น ประมาณ 2–6 กิโลวัตต์/ลิตร ขึ้นอยู่กับการออกแบบชุดเซลล์เชื้อเพลิง พื้นที่ใช้งาน แรงดันใช้งาน และระบบระบายความร้อน ควรตรวจสอบข้อมูลปัจจุบันจากผู้ผลิตรถยนต์ก่อนนำช่วงค่านี้ไปใช้
• เซลล์เชื้อเพลิง PEMFC อุณหภูมิสูง: HT-PEMFC ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าระบบ PEMFC ทั่วไป โดยมักอยู่ที่ประมาณ 80–200°C ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของเมมเบรน อุณหภูมิที่สูงขึ้นสามารถเพิ่มความทนทานต่อ CO2 ลดความซับซ้อนในการจัดการน้ำ และให้ความร้อนเหลือทิ้งที่มีประโยชน์มากขึ้น อย่างไรก็ตาม ก็ยังนำมาซึ่งความท้าทายใหม่ๆ ในด้านวัสดุ ความทนทาน และพฤติกรรมการเริ่มต้นทำงานด้วย

หากโครงการ PEMFC ของคุณต้องการ แผ่นขั้วคู่โลหะสลักลายตามสั่งTMNetch สามารถตรวจสอบวัสดุพื้นฐาน รูปแบบการไหล ความลึกของช่องทาง ข้อกำหนดการเคลือบ เป้าหมายความคลาดเคลื่อน และแผนการสร้างต้นแบบก่อนการผลิตได้

คำถามที่พบบ่อย

PEMFC และ SOFC แตกต่างกันอย่างไร?

PEMFC ย่อมาจาก Proton Exchange Membrane Fuel Cell (เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน) ใช้เมมเบรนโพลีเมอร์และโดยทั่วไปทำงานที่อุณหภูมิต่ำ ประมาณ 50–100 องศาเซลเซียส ส่วน SOFC ย่อมาจาก Solid Oxide Fuel Cell (เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง) ใช้อิเล็กโทรไลต์เซรามิกและทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่ามาก หลายร้อยองศาเซลเซียส PEMFC เหมาะสำหรับยานยนต์และระบบผลิตไฟฟ้าขนาดกะทัดรัดมากกว่า ส่วน SOFC มักใช้ในระบบผลิตไฟฟ้าแบบอยู่กับที่และงานที่อุณหภูมิสูง

เซลล์เชื้อเพลิง PEM มีอายุการใช้งานนานเท่าใด?

อายุการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิง PEM ขึ้นอยู่กับการใช้งาน รูปแบบการโหลด รอบการสตาร์ท-หยุด ความชื้น อุณหภูมิ ความบริสุทธิ์ของเชื้อเพลิง และคุณภาพของชิ้นส่วน ระบบยานยนต์ ระบบติดตั้งอยู่กับที่ และระบบพกพา มีข้อกำหนดด้านความทนทานที่แตกต่างกัน ปัจจัยการเสื่อมสภาพทั่วไป ได้แก่ การสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยา การบางลงของเมมเบรน การกัดกร่อนของคาร์บอน การกัดกร่อนของแผ่นขั้วคู่ และการเสื่อมสภาพของซีล สำหรับการจัดซื้อ ควรตรวจสอบการอ้างอิงอายุการใช้งานผ่านมาตรฐานการทดสอบ ข้อมูลการลดลงของแรงดันไฟฟ้า และรูปแบบการใช้งานจริง มากกว่าที่จะดูแค่จำนวนชั่วโมงที่ระบุไว้เพียงอย่างเดียว

ความท้าทายหลักที่ขัดขวางการนำ PEMFC ไปใช้ในเชิงพาณิชย์มีอะไรบ้าง?

ความท้าทายหลักๆ ได้แก่ โครงสร้างพื้นฐานด้านไฮโดรเจน ต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม ความทนทานของเมมเบรน การจัดการน้ำ ต้นทุนของแผ่นขั้วคู่ และความน่าเชื่อถือในระดับระบบ ความบริสุทธิ์ของเชื้อเพลิงก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากสารปนเปื้อน เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์ สามารถทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาได้ สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง ผู้ผลิตต้องลดต้นทุนในขณะที่ปรับปรุงความทนทาน ซึ่งต้องอาศัยความก้าวหน้าในด้านวัสดุ การผลิต การเคลือบ การประกอบชุดเซลล์เชื้อเพลิง และการควบคุมคุณภาพ

แผ่นขั้วคู่มีผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง PEM อย่างไร?

แผ่นขั้วคู่มีผลต่อการกระจายก๊าซ การรวบรวมกระแสไฟฟ้า การระบายความร้อน การจัดการน้ำ การปิดผนึก และความกะทัดรัดของชุดเซลล์เชื้อเพลิง การออกแบบสนามการไหลที่ไม่ดีอาจทำให้การกระจายตัวของสารตั้งต้นไม่สม่ำเสมอหรือเกิดน้ำท่วม ความต้านทานการสัมผัสสูงจะลดประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การกัดกร่อนอาจปนเปื้อน MEA และลดอายุการใช้งานของชุดเซลล์เชื้อเพลิง แผ่นขั้วคู่โลหะบางสามารถเพิ่มความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าได้ แต่ต้องใช้สนามการไหลที่แม่นยำและการเคลือบที่เชื่อถือได้ ดูเพิ่มเติม“กระบวนการผลิตแผ่นขั้วไฟฟ้าคู่” สำหรับคู่มือการผลิตที่ละเอียดกว่านี้

สรุป

บทความนี้ได้สรุปเนื้อหาทั้งหมด โดยส่วนใหญ่กล่าวถึงหลักการของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) และโครงสร้างของส่วนประกอบต่างๆ บทความนี้อธิบายสูตรหลักการทำงานของ PEMFC และเน้นย้ำถึงบทบาทสำคัญของส่วนประกอบหลักทั้งห้าใน PEMFC ได้แก่ ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ชั้นกระจายก๊าซ ชั้นอิเล็กโทรดตัวเร่งปฏิกิริยา และแผ่นไบโพลาร์ แต่ละส่วนประกอบส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และต้นทุนของ PEMFC

บทความที่เกี่ยวข้อง:

ความแตกต่างหลักระหว่างเซลล์เชื้อเพลิง PEM, FCAFC, MCFC, SOFC และ DMFC คืออะไร?

การประยุกต์ใช้งานจริงของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน