เซลล์เชื้อเพลิง

จาก ChulaPedia

เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell)

เป็นอุปกรณ์ผลิตกระแสไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีประสิทธิภาพสูงและได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบันและคาดว่าจะเข้ามามีบทบาทต่อการผลิตพลังงานไฟฟ้าในอนาคต ข้อได้เปรียบของเซลล์เชื้อเพลิงคือสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีที่มีในเชื้อเพลิงไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงผ่านกระบวนการไฟฟ้าเคมี (electrochemical process) ดังนั้นการสูญเสียพลังงานระหว่างกระบวนการผลิตไฟฟ้าจึงเกิดขึ้นน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิมที่มีการเปลี่ยนรูปจากพลังงานที่มีในเชื้อเพลิง เป็นพลังงานความร้อน พลังงานกลและพลังงานไฟฟ้า ตามลำดับ ส่งผลให้เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานไฟฟ้าสูง นอกจากนี้กระบวนการผลิตไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเผาไหม้ จึงมีการปล่อยก๊าซเสีย เช่น NOx และ SOx ซึ่งเป็นมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมในปริมาณต่ำ โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงมีหลักการทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่ แต่มีข้อแตกต่างคือเซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิต กระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง ตราบที่ยังมีการป้อนก๊าซเชื้อเพลิง (ได้แก่ ก๊าซไฮโดรเจน) และก๊าซออกซิแดนซ์ (ได้แก่ ก๊าซออกซิเจน) เข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง ปัจจุบันมีการคิดค้นและพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงขึ้นมาหลายรูปแบบที่มีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันตามชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงและอิเล็กโตรไลต์ที่ใช้

เนื้อหา 1 เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 2 ข้อจำกัดและแนวทางการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง 3 การใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบที่ใช้ขั้วอิเล็กโทรดเป็นโครงสร้างรองรับ 4 การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ชนิดใหม่สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งเป็นเซลล์เชื้อเพลิงประเภทหนึ่งที่ใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งทำงานที่อุณหภูมิสูง ทำให้การออกแบบ การดำเนินงาน และการควบคุมเซลล์เชื้อเพลิงมักมีความซับซ้อน ทั้งนี้ปัญหาที่พบ ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงอาจเกิดการแตกหักเนื่องจากเกิดความเค้นภายในหรือเกิดการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุที่ใช้ภายในเซลล์ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องเลือกใช้วัสดุที่สามารถทนอุณหภูมิสูงได้ ทำให้ค่าใช้จ่ายในการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงสูง รวมทั้งอาจมีผลต่ออายุการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงด้วย

ภาพลักษณะการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

ข้อจำกัดและแนวทางการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งทำงานที่อุณหภูมิสูง ทำให้การออกแบบ การดำเนินงาน และการควบคุมเซลล์เชื้อเพลิงมักมีความซับซ้อน ทั้งนี้ปัญหาที่พบ ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงอาจเกิดการแตกหักเนื่องจากเกิดความเค้นภายในหรือเกิดการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุที่ใช้ภายในเซลล์ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องเลือกใช้วัสดุที่สามารถทนอุณหภูมิสูงได้ ทำให้ค่าใช้จ่ายในการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงสูง รวมทั้งอาจมีผลต่ออายุการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงด้วย

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบที่ใช้ขั้วอิเล็กโทรดเป็นโครงสร้างรองรับ

ขั้วแอโนดจะเป็นองค์ประกอบที่หนาที่สุดและทำหน้าที่เป็นโครงสร้างรองรับ ในขณะที่ชั้นอิเล็กโทรไลต์มีขนาดบางที่สุด ทำให้ค่าศักย์ไฟฟ้าสูญเสียเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้า (ohmic loss) ลดลง อย่างไรก็ตามเมื่อพิจารณาสมรรถนะทางไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ขั้วแอโนดเป็นโครงสร้างรองรับ พบว่าค่าศักย์ไฟฟ้าสูญเสียเนื่องจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี (activation loss) และค่าศักย์ไฟฟ้าสูญเสียเนื่องจากผลของการถ่ายโอนมวล (concentration loss) อาจมีค่ามากกว่าค่าศักย์ไฟฟ้าสูญเสียเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าที่ลดลงเนื่องจากการใช้ชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่บางลง ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ขั้วแอโนดเป็นโครงสร้างรองรับและดำเนินงานด้วยอุณหภูมิปานกลางอาจมีค่าความต้านทานจำเพาะมากกว่าเซลล์เชื้อเพลิงที่ดำเนินงานที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงมีความพยายามที่จะพัฒนาอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ โดยมุ่งเน้นที่จะให้เซลล์เชื้อเพลิงมีสมรรถนะที่ดีขึ้น ภายใต้การดำเนินงานด้วยอุณหภูมิที่ต่ำลง

การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ชนิดใหม่สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

เป็นอีกแนวทางหนึ่งในการลดค่าศักย์ไฟฟ้าสูญเสียเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าที่สูงขึ้นภายใต้การดำเนินงานที่อุณหภูมิปานกลาง โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้สามารถใช้อิเล็กโทรไลต์ได้ 2 ประเภท คือ อิเล็กโทรไลต์ที่มีความสามารถในการนำออกซิเจนไอออน (oxygen ion conducting) และอิเล็กโทรไลต์ที่มีความสามารถในการนำโปรตอน (proton conducting) ความแตกต่างหลักระหว่างการใช้อิเล็กโทรไลต์ทั้ง 2 ชนิดคือตำแหน่งของการเกิดน้ำที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิง สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงที่มีความสามารถในการนำออกซิเจนไอออน น้ำจะเกิดขึ้นทางด้านขั้วแอโนด ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงที่มีความสามารถในการนำโปรตอน น้ำจะ เกิดขึ้นทางด้านขั้วแคโทด ที่ผ่านมาพบว่างานวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีความสามารถในการนำออกซิเจนไอออนเพราะมีความเสถียรภาพทางเคมีและมีความต้านทานต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากน้ำที่เกิดขึ้นทางด้านแอโนดจะทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนเจือจางลง ส่งผลทำให้ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ได้ลดลง นอกจากนี้ยังต้องเสียค่าใช้จ่ายในการนำเชื้อเพลิงที่เหลือกลับมาใช้ประโยชน์ เนื่องจากในปัจจุบันมีการพัฒนาออกไซด์แข็งที่มีความสามารถในการนำโปรตอน ส่งผลให้นักวิจัยบางส่วนเริ่มหันมาสนใจศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งแบบที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีความสามารถในการนำโปรตอน โดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์ที่มีความสามารถในการนำโปรตอนมักใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงที่ดำเนินงานที่อุณหภูมิต่ำ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแผ่นแลกเปลี่ยนโปรตอน ดังนั้นการประยุกต์ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีความสามารถในการนำโปรตอนกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งจึงมีความน่าสนใจ

ลักษณะการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

อาจารย์ผู้ดูแลบทความ ผศ. ดร.อมรชัย อาภรณ์วิชานพ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี

ผู้รับผิดชอบบทความ ศูนย์การสื่อสารนานาชาติแห่งจุฬาฯ