เซลล์เชื้อเพลิง : พลังงานสะอาด ทางเลือกแห่งอนาคต

เรียบเรียงโดย ดร. สุมิตรา จรสโรจน์กุล

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

เซลล์เชื้อเพลิง หรือ Fuel Cells เริ่มเป็นที่รู้จักและคุ้นหูคนไทยมากขึ้นจากข่าวสารความก้าวหน้าทางด้านวิทยาการและเทคโนโลยี ในการเป็นเครื่องมือที่ให้กำเนิดไฟฟ้าได้จากกระบวนการทางเคมี การใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงที่เริ่มแพร่หลาย คือ การใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทนที่แบตเตอรี่ดังในปัจจุบัน เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ Notebook โทรศัพท์มือถือ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้ยังไม่มีวางจำหน่าย เป็นแต่เพียงไอเดีย และเครื่องต้นแบบเท่านั้น นอกจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แล้ว เซลล์เชื้อเพลิงยังได้มีการกล่าวถึงมากในอุตสาหกรรมยานยนต์ คือ รถยนต์ไฟฟ้าต้นแบบนั้น ส่วนใหญ่แล้ว เป็นรถที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิง หรือใช้ระบบไฮบริด ระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานอย่างไร ?

เซลล์เชื้อเพลิงให้กำเนิดกระแสไฟฟ้าได้โดยอาศัยปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ซึ่งคล้ายกับหลักการทำงานของแบตเตอรี่ เพียงแต่แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่แน่นอน ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุ และจ่ายประจุ ในการใช้งานจึงต้องทำการชาร์จไฟก่อนนำไปใช้งาน และต้องชาร์จไฟใหม่เมื่อหมดแรงดัน กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงนั้นมาจากการเกิดออกซิเดชันและรีดักชันที่ขั้วไฟฟ้าแต่ละด้าน เมื่อต่อขั้วไฟฟ้าจะก่อให้เกิดการไหลเวียนของอิเล็กตรอน โดยทั่วไปแล้วเชื้อเพลิง (fuel) ที่เป็นตัวอย่างของปฏิกิริยาเคมีคือ ก๊าซไฮโดรเจน และมีก๊าซออกซิเจนเป็นสารออกซิแดนต์ (oxidant) ปฏิกิริยารีดักชันของก๊าซออกซิเจนนั้นเกิดขึ้นที่ขั้วคาโทด และปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่ขั้วอาโนด อิเล็กตรอนจึงไหลจากขั้วอาโนดผ่านวงจรไปที่ขั้วคาโทดเพื่อทำปฏิกิริยา ดังแสดงในรูปที่ 1

ปฏิกิริยาของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นมีการรายงานครั้งแรกโดยศาสตราจารย์คริสเตียน เฟรเดอริก เชอนบาย (Christian Friedrich Schoenbein) ในปี ค.ศ.1839 ว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจน และออกซิเจน โดยใช้กรดซัลฟุริก และลวดแพลตินัม เซอร์วิลเลียม โกรว์ฟ (Sir William Grove) รายงานในอีก 1 เดือนถัดมาถึง เเบตเตอรี่ที่ใช้แพลตินัมและสังกะสี เมื่อใช้กรดซัลฟุริกและไนตริกเป็นอิเล็กโตรไลต์ ซึ่งถือว่าเป็นเซลล์เชื้อเพลิงเครื่องแรกในโลก หลังจากนั้นก็ได้มีการพัฒนาขึ้นมาอย่างรวดเร็วอีกครั้งในกลางศตวรรษที่ 20 ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นได้จากประสิทธิภาพทางเคมี โดยอาศัยหลักการทางเทอร์โมไดนามิก ไม่เกี่ยวข้องกับวัฏจักรคาร์โนต์ (Carnot cycle) ที่เป็นตัวควบคุมประสิทธิภาพการทำงานในเครื่องกำเนิดพลังงานจากความร้อน เช่น ระบบกังหันก๊าซ และเครื่องยนต์สันดาปภายใน เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จากปฏิกิริยาเคมีโดยตรง ประสิทธิภาพการทำงานจึงสูงถึง 85 % ในทางทฤษฎี ทั้งนี้เชื้อเพลิงที่นำมาใช้จะต้องนำมาคิดหาค่าประสิทธิภาพที่แท้จริงด้วยหากต้องมีการแปรสภาพก่อนการใช้งาน เซลล์เชื้อเพลิงจำแนกออกได้หลายระบบ ขึ้นอยู่กับอิเล็กโตรไลต์ โดยทั่วไปแล้วจะจำแนกได้เป็น 5 ประเภท คือ 1.

  1. Alkaline Fuel Cell (AFC) อิเล็กโตรไลต์ที่ใช้คือ โปแตสเซียมไฮดรอกไซด์เหลว โดยจะต้องใช้ก๊าซออกซิเจนบริสุทธิ์และก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์เท่านั้น การใช้งานจำกัดอยู่ในงานทางด้านอวกาศ เช่น ในยานอวกาศอพอลโล อุณหภูมิที่ใช้อยู่ในช่วง 60-120 องศาเซลเซียส
  2. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) ใช้กรดฟอสฟอริกเป็นอิเล็กโตรไลต์ สามารถทนต่อก๊าซเจือปนได้มากกว่าแบบ AFC แต่ก็ยังใช้เชื้อเพลิงและออกซิแดนต์ชนิดเดียวกัน อุณหภูมิการใช้งานอยู่ที่ประมาณ 200 องศาเซลเซียส ปัญหาของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือ การกัดกร่อนของกรดที่อุณหภูมิการใช้งาน ในปัจจุบันได้มีการใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว โดยมีขนาดกำลังไฟฟ้า ประมาณ 200 กิโลวัตต์
  3. Polymer Membrane Fuel Cell (PMFC) or Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC) เป็นชนิดที่ใช้โพลิเมอร์เมมเบรนเป็นอิเล็กโตรไลต์ ดังนั้นจึงไม่มีปัญหากับของเหลวอิเล็กโตรไลต์ที่กัดกร่อนเพราะของเหลวชนิดเดียวภายในเซลล์คือ น้ำ เซลล์ชนิดนี้ใช้งานที่อุณหภูมิไม่เกิน 120 องศาเซลเซียส ใช้ก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนในการทำปฏิกิริยา เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่นำมาใช้กับรถยนต์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ได้มีการพัฒนาเมมเบรนโพลิเมอร์เพิ่มเติม เพื่อให้สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้จากเชื้อเพลิงเมทานอล โดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจนก่อน จึงเรียกเซลล์เชื้อเพลิงชนิดใหม่นี้ว่า เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เมทานอลได้โดยตรง (Direct Methanol Fuel Cell) เพราะอุณหภูมิการใช้งานค่อนข้างต่ำจึงใช้เวลาในการเริ่มเดินเครื่องน้อยกว่าประเภทอื่น บริษัทรถยนต์ต่าง ๆ ตระหนักถึงปัญหาทางด้านสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ จึงได้มีการพัฒนา PMFC เพื่อใช้ในรถยนต์สำหรับอนาคตซึ่งได้เริ่มทำมาหลายปีแล้ว คาดว่าในอนาคตอันใกล้นี้ จะมีรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงออกสู่ตลาดในเชิงพานิชย์ ทั้งในรูปของรถยนต์นั่งส่วนบุคคล และรสบัส บริษัทที่มีการพัฒนาเช่น Daimler Chrysler โตโยต้า ฟอร์ด จีเอ็ม ฮอนด้า นิสสัน และมาสด้า เพื่อนำมาใช้ในการขับเคลื่อน
  4. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) อิเล็กโตรไลต์ที่ใช้เป็นพวกเกลือคาร์บอเนตหลอมของโซเดียม และโปแตสเซียมในเซรามิกเมตริกของ ลิเทียมอลูมิเนต (LiAlO2) โดยอุณหภูมิที่ใช้งานอยู่ที่ประมาณ 650 องศาเซลเซียส ดังนั้นปัญหาจากการกัดกร่อนจึงมีความสำคัญมาก เนื่องจากการใช้งานที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง สารไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ จึงสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ นิยมใช้เป็นโรงไฟฟ้าขนาดเมกกะวัตต์จึงจะเหมาะสมกับประสิทธิภาพการทำงานเนื่องจากระบบที่ใช้ค่อนข้างซับซ้อน
  5. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้สารเซรามิกเป็นอิเล็กโตรไลต์ ซึ่งสารที่ใช้มากคือ สารประกอบของเซอร์โคเนีย โดยใช้งานที่อุณหภูมิ 650-1000 องศาเซลเซียส ขึ้นอยู่กับการออกเเบบและสารที่ใช้เป็นอิเล็กโตรไลต์ เช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิงแบบเกลือคาร์บอเนตหลอม สารไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ สามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ และออกซิเจนในอากาศนำมาใช้เป็นออกซิแดนต์ได้ PMFC นั้นเป็นประเภทที่ถูกเลือกใช้ในด้านยานยนต์ มีเพียง BMW เท่านั้นที่ต้องการใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของเเข็ง (SOFC) มาใช้เป็นระบบจ่ายไฟโดยไม่ได้ใช้ในการขับเคลื่อน โดยรวมแล้ว SOFC ได้มีการพัฒนาให้ใช้เป็นเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าทั้งขนาดเล็กภายในครัวเรือน 1-2 kW โดยบริษัท Sulzer Hexis สวิสเซอร์แลนด์ หรือบริษัท Ceramic Fuel Cells Limited ของออสเตรเลียที่มีขนาดหลายสิบกิโลวัตต์ขึ้นไป เครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าในชุมชนเช่นของ บริษัท Siemens Westinghouse ของสหรัฐอเมริกา มีแนวโน้มการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้เพื่อเป็นโรงไฟฟ้าขนาดย่อม ในช่วงหลักร้อยกิโลวัตต์ ถึงเมกะวัตต์ โดยในอนาคตจะพัฒนาให้ทำงานร่วมกับการผลิตไฟฟ้าด้วยกังหันก๊าซ หรือกังหันไอน้ำด้วยความร้อนที่เหลือจากปฏิกิริยาในเซลล์

โดยสรุปแล้วการจำแนกประเภทของเซลล์เชื้อเพลิงทั้ง 5 ชนิดนี้ จะแบ่งได้อย่างคร่าวเป็นประเภทที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ คือ AFC PAFC และ PMFC ซึ่งต้องใช้แพลตินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง MCFC และ SOFC สามารถใช้สารไฮโดรคาร์บอนเป็นเชื้อเพลิงได้ และไม่ต้องใช้แพลตินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา จึงสามารถลดค่าใช้จ่ายลงได้มาก ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ นั้นแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ค่าประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงเปรียบเทียบกับเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ ลักษณะการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละชนิด แตกต่างกันออกไปตามข้อดีและข้อจำกัดโดยได้ยกตัวอย่างในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ลักษณะการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภทที่ได้มีการใช้งานแล้ว

Type
Capacity Application
AFC
1.5 kW
12 kW 		Apollo Programme
Space Shuttle Orbiter
PAFC
200 kW

11 MW 		Power Plant (40,000 hours at 40%LHV electric eff., 80% cogeneration)
Power Plant
PEMFC
1 kW
200 kW
250 kW
2 MW
< 24 W
Gemini Programme
Transport bus in Canada
Power Plant
Power Plant (8 stacks of 125 kW each, 58 %LHV electric eff.)
Mobile applications (mobile phone, laptop computer, PDA)
MCFC
2 MW Power Plant (44% LHV eff.)
SOFC
100 kW
220 kW (180kW) 		Power Plant (4000 hours at 45%LHV electric eff.)
Power Plant (combined cycle with micro turbine generator 75kW, 55% eff.)

รูปที่ 3 เซลล์เชื้อเพลิงแบบเกลืออัลคาไลน์ ที่ใช้ในยานอวกาศอพอลโล พัฒนาโดย United Technologies Corp.

รูปที่ 4 รถบัส Citaro ของ Daimler Chrysler คันแรกที่ใช้งานจริง ที่เมืองมาดริด ประเทศสเปน โดยเริ่มใช้งานเมื่อต้นเดือน พฤษภาคม ปีนี้ ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์ สามารถเดินทางได้ในระยะ 200 กิโลเมตร ด้วยความเร็วสูงสุด 80 กม./ช.ม.

รูปที่ 5 รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์ของบริษัท Daimler Chrysler ใช้โครงสร้างของ Mercedes Benz A-class ได้ทำการทดสอบระยะทางจากซานฟรานซิสโก ไปถึง วอชิงตัน ดีซี ภายใน 2 สัปดาห์ ระหว่าง 20 พฤษภาคม - 4 มิถุนายน ปี พ.ศ. 2545

รูปที่ 6 การใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์เมมเบรนในยานยนต์ของบริษัท Toyota แบบไฮบริด

โดยใช้โครงสร้างของรุ่น Kluger V (Highlander)

รูปที่ 7 รถยนต์ฟอร์ดที่ขับเคลื่อนด้วย เซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์เมมเบรน ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง (ปี 2545)

รูปที่ 8 รถยนต์แบบสปอร์ตของ GM ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์เมมเบรน ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง (ปี 2545)

รูปที่ 9 รถยนต์ ESORO เป็นรถระบบไฮบริดระหว่างแบตเตอรี่ Ni/MH และเซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์เมมเบรน ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง (ปี 2544)

รูปที่ 10 เครื่องคอมพิวเตอร์ Notebook ของ NEC ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงแบบโพลิเมอร์แทนเเบตเตอรี่ จ่ายไฟได้สูงสุด 24 วัตต์ สามารถทำงานติดต่อกันได้นาน 5 ชั่วโมง (กรกฎาคม 2546)

รูปที่ 11 การใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็งสำหรับครัวเรือนขนาด 1 kW ของบริษัท Sulzer Hexis ที่จ่ายทั้งกระแสไฟฟ้าและน้ำร้อน

รูปที่ 12 หน่วยผลิตไฟฟ้าขนาด 220 กิโลวัตต์ ประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง และเครื่องกังหันก๊าซ (micro turbine) ผลิตโดย Siemens Westinghouse

เซลล์เชื้อเพลิงจัดว่าเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะถ้าใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง จะไม่ก่อให้เกิดมลพิษเลยเพราะสิ่งที่ได้ออกมานั้นคือ น้ำบริสุทธิ์ ซึ่งสามารถใช้บริโภคได้ในกรณีของนักบินอวกาศ ก๊าซพิษอื่น ๆ เช่น NOx และ SOxจะมีปริมาณน้อยกว่าที่เกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากความร้อน เพราะอุณหภูมิที่ใช้ต่ำกว่ามาก นอกจากเรื่องมลพิษนี้แล้ว ไม่มีส่วนใดในเซลล์ที่เคลื่อนที่จึงไม่ก่อให้เกิดเสียงดังรบกวน สามารถติดตั้งไว้ในเมืองหรือแหล่งชุมชนได้ แม้ในบ้านเรือนที่มีพื้นที่จำกัดก็สามารถนำมาติดตั้งได้ เพราะใช้พื้นที่น้อย และแบ่งการใช้งานเป็นแบบโมดูล จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานแม้ว่าจะใช้กำลังไฟต่างกัน ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงแบบอุณหภูมิสูงนั้น หากนำมาประกอบการใช้งานกับเครื่องยนต์แบบกังหันก๊าซ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อีก จนคาดว่าอาจสูงถึง 75 %

ถึงแม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะมีข้อดีมากมาย แต่ในขณะนี้รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงยังมีราคาที่สูงมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในอยู่หลายเท่า จึงต้องมีการวิจัยและพัฒนาทางด้านวิศวกรรมเพื่อค้นหาวิธีการผลิตและประกอบที่มีประสิทธิภาพดี เหมาะสมที่สุดเพื่อนำมาใช้ในเชิงพานิชย์ ในอนาคตอันใกล้นี้ เซลล์เชื้อเพลิงที่จะเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันก็คือ ยานยนต์เพื่อสิ่งเเวดล้อม และในเวลาต่อไปจึงจะเป็นเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ที่จะค่อย ๆ เข้ามาเเทนที่เครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้าประสิทธิภาพต่ำและก่อมลภาวะในปัจจุบัน

อ้างอิง

  1. N.Q. Minh, and T. Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Elsevier, 1995.
  2. U. Bossel, The Birth of the Fuel Cell, European Fuel Cell Forum, 2000.
  3. Fuel Cell Handbook: 4th Edition, DOE/FETC-99/1076, edited by J.H. Hirschenhofer, D.B. Stauffer, R.R. Engleman, and M.G. Klett, U.S. Department of Energy, Federal Energy Technology Center, 1998.
  4. http://www.daimlerchrysler.com/index_e.htm?/products/products_e.htm
  5. http://www.toyota.com/html/about/environment/partner_tech/spaceship_common.html
  6. http://www.hexis.ch/english/frhexis.htm
  7. http://www.fe.doe.gov/
  8. http://www.pg.siemens.com/en/fuelcells
  9. http://www.cfcl.com.au/
  10. http://www.nec.com/
  11. http://www.ford.com/
  12. http://www.gm.com/
  13. http://www.h2cars.de/
กลับดีกว่า