การประยุกต์ใช้งานจริงของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

นับตั้งแต่การกำเนิดของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ในช่วงทศวรรษ 1950 นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกไม่เคยหยุดทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับ PEMFC อย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมากในด้านประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และต้นทุน ทำให้มีการนำไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในด้านการขนส่ง แหล่งพลังงานแบบพกพา และการผลิตพลังงานแบบกระจายศูนย์ ซึ่งค่อยๆ ส่งเสริมการนำ PEMFC ไปใช้ในเชิงพาณิชย์

เมื่อวันที่ 9 มกราคม 2024 GLOBE NEWSWIRE (Market.us) รายงานว่า ตลาดการผลิตไฮโดรเจนมีมูลค่าถึง 177 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2023 และคาดว่าจะเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ โดยจะแตะระดับ 489.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2033 ระหว่างปี 2024 ถึง 2033 ตลาดนี้คาดว่าจะมีการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) สูงที่สุดถึง 10.7% ตลาดไฮโดรเจนในที่นี้หมายถึงอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับการผลิต การจัดเก็บ และการจำหน่ายไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนมีศักยภาพในด้านพลังงานสะอาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงและเป็นวัตถุดิบในกระบวนการทางอุตสาหกรรม ซึ่งสามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ ดังนั้นความต้องการไฮโดรเจนจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในส่วนของเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนมีคุณสมบัติหลายประการที่ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในยานยนต์ไฟฟ้า ยานอวกาศ เรือดำน้ำ ระบบสื่อสาร โรงไฟฟ้าขนาดเล็กและขนาดกลาง แหล่งจ่ายไฟในครัวเรือน และสถานที่อื่นๆ ที่ต้องการแหล่งพลังงานเคลื่อนที่ ต่อไปนี้เราจะแนะนำการประยุกต์ใช้งานจริงของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนในด้านยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง รถรางเซลล์เชื้อเพลิง และพลังงานเรือเซลล์เชื้อเพลิง

รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV)

ย้อนกลับไปในปี 1966 เจเนอรัล มอเตอร์ส ได้พัฒนารถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงคันแรกของโลก โดยใช้ชื่อว่า เชฟโรเลต อิเล็กโทรแวน รถยนต์คันนี้ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) เป็นแหล่งพลังงาน มีกำลังขับ 5 กิโลวัตต์ ระยะทางการขับขี่ 193 กิโลเมตร และความเร็วสูงสุด 113 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

ต่อมา ประเทศต่างๆ เช่น สหรัฐอเมริกา สหภาพยุโรป ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และจีน ได้ลงทุนเงินทุนและทรัพยากรบุคคลจำนวนมากเพื่อส่งเสริมการวิจัยรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง บริษัทต่างๆ เช่น เจเนอรัลมอเตอร์ส ฟอร์ด โตโยต้า ฮอนด้า และเมอร์เซเดส-เบนซ์ ได้พัฒนาและผลิตรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงออกมาอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น:

เจเนอรัล มอเตอร์ส (GM): ได้พัฒนาเทคโนโลยีรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้แพลตฟอร์มของรถ SUV รุ่น Equinox ซึ่งเปิดตัวครั้งแรกในปี 2007 และส่วนใหญ่ใช้สำหรับโครงการสาธิตและทดสอบ

ฟอร์ด: ได้พัฒนารถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้พื้นฐานจากรถยนต์ฟอร์ด โฟกัส ซึ่งได้นำไปทดสอบและใช้งานในโครงการสาธิตในช่วงต้นทศวรรษ 2000

โตโยต้า: เปิดตัวรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงที่ผลิตในปริมาณมากและวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกของโลกในปี 2014 มิไร รุ่นที่สอง ซึ่งเปิดตัวในปี 2021 มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและระยะทางการขับขี่ที่ยาวนานขึ้น

ฮอนด้า: เปิดตัวรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงในปี 2008 ซึ่งเป็นรถยนต์รุ่นแรกที่เปิดให้ผู้บริโภคทั่วไปเช่าซื้อได้ รุ่นที่สามซึ่งเปิดตัวในปี 2015 ได้รับการปรับปรุงในด้านระยะทางการวิ่งและเทคโนโลยี

ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ได้มีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง โดยได้เปิดตัวรถยนต์รุ่นใหม่ๆ ที่ล้ำสมัยหลายรุ่น รถยนต์เหล่านี้ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นถึงทิศทางการพัฒนาของเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ยังวางรากฐานสำหรับการส่งเสริมการตลาดอีกด้วย

เพื่อให้เข้าใจสถานการณ์ปัจจุบันของสาขานี้ได้ดียิ่งขึ้น เราสามารถดูข้อมูลล่าสุดเพื่อเห็นภาพที่ชัดเจนขึ้นได้ ณ สิ้นปี 2023 จำนวนรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงทั่วโลกทะลุ 82,000 คัน เพิ่มขึ้น 21.4% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า เกาหลีใต้ยังคงเป็นผู้นำด้วยจำนวนรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงสะสม 34,000 คัน จีนอยู่อันดับสองของโลกด้วยจำนวนรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงมากกว่า 18,000 คัน แซงหน้าสหรัฐอเมริกา ในปี 2023 เพียงปีเดียว จีนเพิ่มจำนวนรถยนต์เกือบ 6,000 คัน ซึ่งเป็นการเพิ่มขึ้นสูงสุดในโลก ญี่ปุ่นและเยอรมนีมีรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงมากกว่า 8,500 และ 2,900 คัน ตามลำดับ สำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ การก่อสร้างสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในประเทศและภูมิภาคสำคัญทั่วโลกมีความคืบหน้าอย่างต่อเนื่อง ณ สิ้นปี 2023 มีสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ใช้งานได้ 930 แห่งทั่วโลก เพิ่มขึ้น 12.2% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า ยุโรปและอเมริกาเหนือมีสถานีตรวจวัด 188 และ 65 แห่งตามลำดับ ในขณะที่เอเชียตะวันออกเฉียงใต้มีสถานีตรวจวัด 650 แห่ง (ข้อมูลนี้ได้มาจากสถิติอย่างเป็นทางการที่เผยแพร่โดยประเทศต่างๆ และยินดีรับคำแนะนำแก้ไขหากพบข้อผิดพลาดใดๆ)

ข้อมูลบ่งชี้ว่าจำนวนรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงและสถานีเติมไฮโดรเจนทั่วโลกยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง สะท้อนให้เห็นถึงความสำคัญและการลงทุนที่ประเทศต่างๆ ให้ความสำคัญในด้านนี้ แม้ว่าความต้องการรถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในปัจจุบันจะยังมีจำกัด แต่คาดว่าตลาดจะมีการพัฒนามากขึ้นในอนาคต ด้วยการเพิ่มการผลิตและการปรับปรุงเครือข่ายสถานีเติมไฮโดรเจนอย่างต่อเนื่อง

ระบบขนส่งทางรางที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

นอกเหนือจากรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแล้ว การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในระบบขนส่งทางรางก็มีความก้าวหน้าอย่างมากเช่นกัน ในปี 2017 บริษัท Alstom ในฝรั่งเศสได้ส่งเสริมรถไฟเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ซึ่งเพิ่มความเร็วเป็น 140 กม./ชม. และวิ่งได้ไกล 600-800 กม. ตั้งแต่กลางเดือนมิถุนายนถึงปลายเดือนกันยายน 2023 Alstom ได้ขนส่งผู้โดยสารกว่า 10,000 คน ดำเนินการมากกว่า 130 เที่ยว และครอบคลุมระยะทาง 10,660 กิโลเมตร ในโครงการสาธิต โครงการนี้ใช้รถไฟที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ช่วยประหยัดน้ำมันดีเซลได้ประมาณ 8,400 ลิตร และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ 22 ตันในช่วงระยะเวลาทดลอง

เมื่อเร็วๆ นี้ ในเดือนกรกฎาคม 2024 รถรางอัจฉริยะพลังงานไฮโดรเจนที่พัฒนาขึ้นเองโดยสถาบัน CRRC Zhuzhou ในประเทศจีน ได้ถูกผลิตเสร็จและออกจากสายการผลิตที่เมืองอี้ปิน มณฑลเสฉวน และคาดว่าจะเริ่มใช้งานได้ในเดือนสิงหาคม รถรางนี้เป็นอุปกรณ์ขนส่งทางรางสีเขียวรูปแบบใหม่ที่พัฒนาขึ้นเองเป็นครั้งแรกของโลก ซึ่งรวมข้อดีของทั้งการขนส่งทางรางและทางถนนเข้าด้วยกัน รถรางอัจฉริยะนี้ใช้เทคโนโลยีการนำทางอัตโนมัติและการวิ่งตามรางที่เป็นนวัตกรรมใหม่ มีคุณสมบัติเด่นคือ การลงทุนด้านโครงสร้างพื้นฐานต่ำ วงจรการก่อสร้างสั้น การกำหนดตารางเวลาที่ยืดหยุ่น การปล่อยคาร์บอนต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และความสะดวกสบายอัจฉริยะ ในด้านประสิทธิภาพการทำงาน รถรางใช้ระบบจัดเก็บไฮโดรเจน 35 MPa และระบบเซลล์เชื้อเพลิงกำลังสูง ซึ่งมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงและการเติมไฮโดรเจนที่รวดเร็ว ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของรถได้อย่างมาก ในส่วนของระยะทาง รถรางอัจฉริยะพลังงานไฮโดรเจนมีระยะทางที่ไกลกว่า การเติมไฮโดรเจนเพียงครั้งเดียวสามารถทำให้รถรางวิ่งได้มากกว่า 200 กิโลเมตร ตอบสนองความต้องการการใช้งานระยะไกลของการขนส่งสาธารณะในเมือง ระบบนี้เป็นนวัตกรรมระบบขนส่งทางรางขนาดกลางถึงขนาดเล็กที่สร้างสมดุลระหว่างข้อได้เปรียบด้านความจุและต้นทุนสำหรับการขนส่งในเมือง

นอกจากนี้ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถรางกำลังมีความก้าวหน้ามากขึ้นเรื่อยๆ ในสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น สเปน และฝรั่งเศส ในปี 2022 ตลาดรถไฟเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทั่วโลกมีมูลค่า 1.45098 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ ผู้เชี่ยวชาญชี้ว่าภายในปี 2030 มูลค่าตลาดนี้คาดว่าจะเกิน 3.4 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปีแบบทบต้นที่ 11.5%

พลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับเรือ

เพื่อตอบสนองต่อแรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นและวิสัยทัศน์เรื่องจุดสูงสุดของการปล่อยคาร์บอนและการเป็นกลางทางคาร์บอน อุตสาหกรรมการต่อเรือจึงเร่งสำรวจเชื้อเพลิงทางเลือกสำหรับเรือ ตามรายงานล่าสุดของ American Bureau of Shipping (ABS) ก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงคาร์บอนต่ำที่ค่อนข้างพร้อมใช้ ได้รับการส่งเสริมและนำไปใช้ในด้านการเดินเรือ พลังงานสะอาด เช่น เมทานอล ไฮโดรเจน และแอมโมเนีย ก็กำลังเกิดขึ้นใหม่ในฐานะ "เชื้อเพลิงสำหรับเรือ" และเรือที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นหลักกำลังค่อยๆ กลายเป็นวิธีการสำคัญในการบรรลุเป้าหมายการปล่อยคาร์บอนเป็นศูนย์ในอุตสาหกรรมการขนส่งทางทะเล

ประเทศและภูมิภาคต่างๆ เช่น ยุโรป สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ เป็นผู้นำด้านการวิจัยและการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับเรือเดินทะเลมาตั้งแต่แรกเริ่ม ปัจจุบัน ประเทศเหล่านี้เป็นผู้นำด้านการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมและการส่งเสริม โดยมีโครงการประยุกต์ใช้และสาธิตมากมายที่เกี่ยวข้องกับระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับเรือเดินทะเล

ในปี 2008 เรือโดยสาร Alsterwasser ซึ่งใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนขนาด 48 กิโลวัตต์ ที่เปิดตัวโดยโครงการ Zemships ของเยอรมนี ได้เริ่มให้บริการอย่างเป็นทางการในแม่น้ำ Alster กลายเป็นเรือโดยสารที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงลำแรกของโลกที่เริ่มใช้งานจริง

โครงการสาธิตระบบเซลล์เชื้อเพลิงทางทะเล “FellowSHIP” ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากประเทศนอร์เวย์ ได้เปิดตัวเรือ Viking Lady เรือขนส่งสินค้าสำหรับปฏิบัติงานนอกชายฝั่ง ที่ติดตั้งระบบผลิตพลังงานจากเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 320 กิโลวัตต์ ในปี 2009 เรือลำนี้ได้รับการพัฒนาร่วมกับสมาคมจัดประเภทเรือและบริษัทต่างๆ ในยุโรปหลายแห่ง และเป็นเรือลำแรกของโลกที่ใช้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงในการผลิตพลังงานบนเรือ

ในปี 2017 เรือ Energy Observer ซึ่งพัฒนาขึ้นในประเทศฝรั่งเศส ได้ถูกปล่อยลงน้ำและเริ่มต้นการเดินทางรอบโลก เรือลำนี้ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ผลิตจากระบบอิเล็กโทรไลซิสที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม โดยเก็บไว้ในถัง ระบบเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนนี้จะให้พลังงานแก่เรือในช่วงที่มีเมฆมาก เวลากลางคืน และในช่วงเริ่มต้นของการเดินทางระยะไกล ทำให้เรือลำนี้เป็นเรือลำแรกของโลกที่สามารถผลิตไฮโดรเจนได้เอง

ในปี 2018 บริษัท Ballard Power Systems ของแคนาดาได้ประกาศการพัฒนาระบบเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนขนาดเมกะวัตต์ (MW) สำหรับการใช้งานทางทะเล โดยเน้นที่เรือสำราญ แผนการนี้คือการจ่ายพลังงานเมื่อเรือสำราญจอดเทียบท่า หรือใช้เป็นแหล่งพลังงานหลักในการขับเคลื่อนเมื่อแล่นอยู่ในทะเล

ในปี 2024 Advent Technologies และ Siemens Energy ได้ลงนามในข้อตกลงการพัฒนาร่วม (Joint Development Agreement: JDA) เพื่อบูรณาการโมดูลเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูง (HT-PEM) ขนาด 50 กิโลวัตต์ของ Advent ซึ่งใช้เทคโนโลยีชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรนคู่ไอออน (MEA) เข้ากับโซลูชันการใช้พลังงานไฟฟ้าและระบบอัตโนมัติสำหรับเรือเดินทะเลแบบไฮบริดและไฟฟ้าของ Siemens Energy โดยมีเป้าหมายเพื่อพัฒนาโซลูชันแบบบูรณาการขนาด 500 กิโลวัตต์สำหรับการใช้งานทางทะเล ตั้งแต่เรือยอชต์ขนาดใหญ่และเรือเมกะยอชต์ ไปจนถึงเรือเฟอร์รี่และเรือบรรทุกสินค้า/เรือพาณิชย์

สรุป

ส่วนข้างต้นได้อธิบายถึงการประยุกต์ใช้งานเชิงพาณิชย์ของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนในสามด้านหลัก ได้แก่ ยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง รถไฟเซลล์เชื้อเพลิง และระบบผลิตพลังงานสำหรับเรือเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง คาดว่าจะสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้างและบรรลุวิสัยทัศน์ความเป็นกลางทางคาร์บอนในอนาคต

บทความที่เกี่ยวข้อง:

ก้าวเข้าสู่โลกแห่งเซลล์เชื้อเพลิง: ทำความเข้าใจพัฒนาการของเซลล์เชื้อเพลิง

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

คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างและหลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน