เซลล์เชื้อเพลิงมีกี่ประเภทหลัก?

เซลล์เชื้อเพลิงกำลังปฏิวัติวิธีคิดเกี่ยวกับพลังงานของเรา ตั้งแต่การให้พลังงานแก่บ้านเรือนไปจนถึงการเติมเชื้อเพลิงให้กับรถยนต์ เซลล์เชื้อเพลิงเป็นทางเลือกที่สะอาดและยั่งยืนกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล 

โดยพิจารณาจากชนิดของอิเล็กโทรไลต์แล้ว สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทหลัก เซลล์เชื้อเพลิง การจำแนกประเภทนั้นจะกำหนดว่าปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าแบบใดเกิดขึ้นในเซลล์ ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทใด ช่วงอุณหภูมิในการทำงานของเซลล์ ประเภทของเชื้อเพลิงที่ต้องการ ฯลฯ 

ต่อไปนี้เป็นรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงหลัก 5 ประเภท วิธีการทำงาน และแหล่งที่พบได้ในโลกแห่งความเป็นจริง

เซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร และทำงานอย่างไร?

เซลล์เชื้อเพลิง (FCs) เป็นอุปกรณ์ทางเคมีไฟฟ้าที่แปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิง ซึ่งโดยทั่วไปคือไฮโดรเจน ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง เซลล์เชื้อเพลิงปล่อยมลพิษน้อยมากเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาป จึงเป็นแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เซลล์เชื้อเพลิง ปัจจุบัน การเปลี่ยนรูปแบบการใช้พลังงานทำได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากความอเนกประสงค์ ประสิทธิภาพ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีความสำคัญต่อการสนับสนุนความพยายามต่างๆ เช่น การลดการปล่อยคาร์บอนในระบบเศรษฐกิจ ซึ่งเราจะไม่พึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลอีกต่อไป

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิง PEM (เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน) )

เซลล์เชื้อเพลิง PEM ใช้พอลิเมอร์แข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดคาร์บอนพรุนที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นแพลทินัมหรือโลหะผสมแพลทินัม เซลล์เชื้อเพลิง PEM มีอุณหภูมิการทำงานต่ำ (~ 80 °C | 176 °F) อุณหภูมิการทำงานต่ำนี้ช่วยให้สตาร์ทเครื่องได้เร็ว (เวลาในการอุ่นเครื่องน้อยลง) ลดความเครียดของชิ้นส่วน และมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น เซลล์เชื้อเพลิง PEM ส่วนใหญ่ใช้ในงานด้านการขนส่ง และมีการใช้งานแบบอยู่กับที่เพียงเล็กน้อย

วิธีการทำงาน

ที่ขั้วบวก ไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างโปรตอนและอิเล็กตรอนที่มีคุณสมบัติเป็นพาราแมกเนติก เมื่อโปรตอนเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ อิเล็กตรอนจะไหลไปตามวงจรภายนอกเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

การประยุกต์ใช้ PEMFC

• ระบบพลังงานแบบพกพา
• รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง
• เครื่องสำรองไฟภายในบ้าน

ประโยชน์ที่ได้รับ: 

เวลาเริ่มต้นทำงานสั้นมาก ขนาดกะทัดรัด และอุณหภูมิในการทำงานต่ำ

ข้อเสีย: 

ตัวเร่งปฏิกิริยามีราคาแพงและไวต่อการปนเปื้อนของเชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแข็ง (SOFC) ใช้สารอิเล็กโทรไลต์เซรามิกแข็งที่มีอุณหภูมิการทำงาน 600-1000 องศาเซลเซียส สารอิเล็กโทรไลต์เป็นสารประกอบเซรามิกแข็งและไม่มีรูพรุน ประสิทธิภาพการแปลงเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้าของ SOFC อยู่ที่ประมาณ 60% ในการใช้งานแบบผลิตพลังงานร่วม (cogeneration) ที่มีการนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงโดยรวมอาจสูงกว่า 85%

หลักการทำงาน

ไอออนออกซิเจนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์เซรามิก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า น้ำ และความร้อน

การใช้งานหลักของ SOFC

• การผลิตไฟฟ้าของโรงงานอุตสาหกรรม
• โคเจนเนอเร

ข้อดี 

มีประสิทธิภาพสูง และสามารถใช้ไฮโดรคาร์บอนได้

ข้อเสีย

เซลล์เชื้อเพลิงแบบของแข็ง (SOFC) ทำงานที่อุณหภูมิสูงมากถึง 1,000 องศาเซลเซียส (1,830 องศาฟาเรนไฮต์) ซึ่งทำให้วัสดุเสื่อมสภาพลงเมื่อเวลาผ่านไป

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC)

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFCs) ใช้อิเล็กโทรไลต์โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ AFCs เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่พัฒนาขึ้นในยุคแรกๆ และเป็นเซลล์เชื้อเพลิงกลุ่มแรกที่ถูกนำมาใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐฯ เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าและน้ำบนยานอวกาศ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้คล้ายกับเซลล์เชื้อเพลิง PEM ทั่วไป เพียงแต่แทนที่จะใช้เยื่อกรด จะใช้เยื่ออัลคาไลน์แทน เหตุผลที่ AFCs มีประสิทธิภาพสูงนั้นเนื่องมาจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าภายในเซลล์ และยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพถึง 60% สำหรับการใช้งานในอวกาศ

ฟังก์ชั่นและกลไก

เซลล์เชื้อเพลิงแบบอัลคาไลน์ใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ในน้ำเป็นอิเล็กโทรไลต์ และสามารถใช้โลหะที่ไม่ใช่โลหะมีค่าหลากหลายชนิดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วบวกและขั้วลบ ไฮโดรเจนและออกซิเจนทำปฏิกิริยากันในตัวกลางที่เป็นด่าง ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า น้ำ และความร้อน

การใช้งานทั่วไป

• ภารกิจอวกาศ (โครงการอพอลโล เป็นต้น)
• พลังงานสำรอง

ข้อดี: 

มันมีประสิทธิภาพและน่าเชื่อถือมาก

ข้อเสีย : 

มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFCs) ทำงานที่อุณหภูมิปานกลาง (150–200°C) และใช้กรดฟอสฟอริกเป็นเชื้อเพลิง ในเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFCs) กรดฟอสฟอริกเหลวทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ บรรจุอยู่ภายในเมทริกซ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ยึดติดด้วยเทฟลอน โดยใช้ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนพรุนที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมสำหรับทั้งขั้วแอโนดและแคโทด

ดังนั้น PAFC จึงถูกเรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิง "รุ่นแรก" เป็นหนึ่งในประเภทเซลล์เชื้อเพลิงที่พัฒนามาอย่างดีที่สุดและเป็นประเภทแรกที่นำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ การใช้งานแบบอยู่กับที่นั้นพบได้บ่อยที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ แต่ PAFC บางชนิดก็ถูกนำไปใช้ในยานพาหนะขนาดใหญ่ เช่น รถบ้านเคลื่อนที่ในเมือง

ประสิทธิภาพของ PAFC นั้นจำกัดอยู่ที่ระดับสูงกว่าโรงไฟฟ้าแบบเผาไหม้เล็กน้อย ซึ่งโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพประมาณ 33% นอกจากนี้ PAFC ยังมีน้ำหนักและปริมาตรน้อยกว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น ๆ ส่งผลให้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มักมีขนาดใหญ่และหนัก PAFC ยังมีราคาแพง และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมมากกว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น ๆ ซึ่งทำให้ราคาสูงขึ้น

มันทำงานอย่างไร

ไฮโดรเจนเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าและน้ำ

การใช้งานหลัก

• พลังงานและความร้อนสำหรับโรงพยาบาลและโรงแรม
• โรงไฟฟ้าขนาดเล็ก

ข้อดี: 

ทนทานต่อสิ่งปนเปื้อนในเชื้อเพลิงได้ดีมาก

ข้อเสีย: 

ขนาดและประสิทธิภาพจะแตกต่างกันไปตามขนาด แม้จะมีขนาดเล็กกว่า แต่ก็ไม่ได้มีในทุกกรณี

เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFC) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิสูง (600-7000 องศาเซลเซียส) โดยใช้ส่วนผสมของเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ MCFC กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในด้านการผลิตไฟฟ้า อุตสาหกรรม และการทหาร โดยใช้โรงไฟฟ้าที่ใช้ก๊าซธรรมชาติหรือถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง 

เซลล์เชื้อเพลิงแบบ MCFC ใช้ส่วนผสมของเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลวที่กระจายตัวอยู่ในเมทริกซ์เซรามิกที่มีรูพรุนและเฉื่อยทางเคมีซึ่งประกอบด้วยลิเธียมอะลูมิเนียมออกไซด์ ทำให้สามารถใช้โลหะที่ไม่ใช่โลหะมีค่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วบวกและขั้วลบ ซึ่งเป็นทางเลือกที่ช่วยประหยัดต้นทุนเนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานสูงถึง 650°C (ประมาณ 1,200°F)

หลักการทำงานขั้นพื้นฐาน

ไอออนคาร์บอเนตจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าของไฮโดรเจนกับออกซิเจนได้

ประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

• การผลิตไฟฟ้าด้วยระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่
• ระบบดักจับคาร์บอน

ข้อดี : 

ประสิทธิภาพสูง สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิด

จุดด้อย : 

ปัญหาเรื่องการกัดกร่อนและความทนทาน

พวกมันแตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นอย่างไร

ระดับประสิทธิภาพ เซลล์เชื้อเพลิงแบบ SOFC และ MCFC มีประสิทธิภาพสูงสุด ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEMFC มีประสิทธิภาพต่ำกว่า แต่สามารถสตาร์ทได้เร็วกว่า

สภาพการทำงาน เซลล์เชื้อเพลิง PEMFC ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ แต่เซลล์เชื้อเพลิง SOFC และ MCFC จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูง (HT)

แอปพลิเคชันที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ : ยานยนต์ (PEMFC), อุตสาหกรรม (SOFC), โรงไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ (PAFC)

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง

• ข้อดีของสิ่งแวดล้อม : ไม่มีหรือมีการปล่อยมลพิษน้อยที่สุด
• มีประสิทธิภาพมาก : มีประสิทธิภาพในการแปลงเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้าได้ดีกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน
• ขยายขีดความสามารถ: ตั้งแต่อุปกรณ์พกพาไปจนถึงโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่

เซลล์เชื้อเพลิง : ความท้าทาย ข้อจำกัด และอนาคต

ปัจจัยต้นทุน

เซลล์เชื้อเพลิง มีราคาแพงเนื่องจากต้นทุนวัสดุสูง โดยเฉพาะตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น แพลทินัม

ปัญหาโครงสร้างพื้นฐาน

การผลิตไฮโดรเจนมีจำกัด เช่นเดียวกับสถานีเติมเชื้อเพลิง

ความท้าทายด้านเทคนิค

ความท้าทายสำคัญอีกประการหนึ่งคือความทนทานในระยะยาวและการเสื่อมประสิทธิภาพ

ความก้าวหน้าในด้านวัสดุ

เซลล์เชื้อเพลิงจำเป็นต้องมีราคาถูกลง ดังนั้นนักวิจัยจึงกำลังมองหาวัสดุที่ราคาไม่แพงและทนทานกว่าเดิม

ตลาดที่มีศักยภาพ

โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการขนส่ง การใช้งานในภาคอุตสาหกรรม และระบบไฟฟ้าในที่พักอาศัย

ความสำคัญในการบูรณาการพลังงานหมุนเวียน

ด้วยการจัดเก็บและผลิตพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เซลล์เชื้อเพลิงจึงสามารถทำหน้าที่เป็นสินทรัพย์พลังงานสะอาดที่ช่วยเสริมศักยภาพของระบบโครงข่ายไฟฟ้าของเราได้

ติดต่อ lydia.sales1@tmnetch.com หรือเยี่ยมชมเว็บไซต์ของเรา  Facebook  และ  หน้า LinkedIn  สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม.

https://tmnetch.com/hydrogen-cars-refuel-and-future-of-fuel-cells/

5 วิธีที่การเคลือบแผ่นขั้วคู่สามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงได้

คำถามที่พบบ่อย

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดใดมีประสิทธิภาพมากที่สุด?

SOFC เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดที่มีประสิทธิภาพสูงมากสำหรับการใช้งานแบบอยู่กับที่

เชื้อเพลิงประเภทใดบ้างที่สามารถนำมาใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงได้?

โดยหลักแล้วจะใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง แต่บางประเภทก็สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติ ก๊าซชีวภาพ หรือเมทานอลเป็นเชื้อเพลิงได้เช่นกัน

เซลล์เชื้อเพลิงดีกว่าแบตเตอรี่หรือไม่?

เซลล์เชื้อเพลิง มีประสิทธิภาพมากกว่าแบตเตอรี่สำหรับการใช้งานในระยะยาวและแอปพลิเคชันที่ต้องการกำลังสูง

เป็นไปได้หรือไม่ที่จะนำเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้ในยานยนต์?

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) เป็นที่นิยมใช้ในยานยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิงมีอายุการใช้งานนานเท่าใด?

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงจะมีอายุการใช้งานตั้งแต่ 5,000 ถึงมากกว่า 40,000 ชั่วโมง หากรวมการบำรุงรักษาด้วย ขึ้นอยู่กับประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง