»
S
I
D
E
B
A
R
«
Fuel Cell เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับวันพรุ่งนี้
July 20th, 2011 by kusa 251 views

เซลล์เชื้อเพลิง หรือ Fuel cell มีหลักการทำงานคล้ายๆ กับเแบตเตอรี่ที่จัดเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมี นั่นคือสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีจากปฏิกิริยาเคมีโดยตรงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ จะแตกต่างจากกันก็ตรงที่เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้จากก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซออกซิเจนจากอากาศโดยไม่ต้องมีการเผาไหม้ ทั้งยังสามารถผลิตไฟฟ้าได้ต่อเนื่องโดยไม่ต้องมีการชาร์จใหม่ดังเช่นแบตเตอรี่ตราบใดที่ยังมีก๊าซไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นก๊าซเชื้อเพลิงและมีก๊าซออกซิเจนจากอากาศทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี จึงเกิดไฟฟ้าออกมาให้ใช้ได้ตลอดเวลา ด้วยคุณสมบัติของเซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถนำมาผลิตไฟฟ้าได้ จึงมีการนำเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้ประโยชน์ในการเป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าสำหรับบ้านเรือน แหล่งที่อยู่อาศัย ชุมชนขนาดเล็กที่ห่างไกลจากโรงงานไฟฟ้าหรือสายส่งไฟฟ้า หรือแม้แต่ในรถยนต์หรือยานพาหนะอื่นๆ จนถึงกับมีการคาดการณ์กันว่า เซลล์เชื้อเพลิงอาจเป็นแหล่งพลังงานทางเลือกใหม่สำหรับอนาคตได้อีกทางหนึ่ง เพราะเซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้โดยที่ไม่เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากในกระบวนการผลิตไฟฟ้านั้น ไม่มีการเผาไหม้เชื้อเพลิงหรือถ่านหินที่ทำให้เกิดก๊าซที่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม เช่น คาร์บอนมอนอกซ์ไซด์ ซัลเฟอร์ออกไซด์หรือไฮโดรคาร์บอน เป็นต้น นอกจากนั้น ในกระบวนการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงจะมีเพียงน้ำและความร้อนเท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมาเป็นผลพลอยได้ที่อาจนำไปใช้ประโยชน์ต่อได้
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง
ก๊าซเชื้อเพลิง คือ ก๊าซไฮโดรเจนซึ่งอาจจะได้มาจากแหล่งต่างๆ เช่น อัลกอฮอล์ ซึ่งในที่นี้รวมทั้งเอธานอลและเมธานอล หรือ แม้แต่ก๊าซธรรมชาติที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ หรือ ไบโอก๊าซที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ ก็เป็นก๊าซเชื้อเพลิงเช่นเดียวกันที่สามารถนำมาใช้ผลิตไฟฟ้าในเซลล์เชื้อเพลิงได้ หลักการทำงาน ก๊าซไฮโดรเจนจะเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงทางด้านขั้วบวก หรือ anode ซึ่ง ณ จุดนี้จะเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้ไฮโดรเจนแตกตัวเป็นไฮโดรเจนอิออนที่มีประจุบวก (H+) และอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ  (e-) ขึ้นมา อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะไหลไปตามสายไฟเข้าสู่ขั้วลบหรือ cathode ซึ่งในช่วงของการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างขั้วทั้งสอง จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ในทำนองเดียวกัน ก๊าซออกซิเจนจากอากาศที่ไหลเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงทางขั้วลบ ก็จะเกิดการแตกตัวเป็นออกซิเจนอะตอมซึ่งมีประจุลบ (O-) ทำให้รวมกับไฮโดรเจนอิออนซึ่งมีประจุบวก (H+) กลับมาเป็นน้ำ (H2O) และมีความร้อนเกิดขึ้น น้ำและความร้อนที่เกิดขึ้นจะถูกปล่อยออกไปจากขั้วอิเล็กโตรไลต์ หากต้องการตรวจดูไฟฟ้าที่เกิดขึ้น สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ตรวจหรือโหลดที่ช่วงเชื่อมต่อระหว่างขั้วบวก(Anode) และขั้วลบ (Cathode) ทั้งนี้ไฟฟ้าที่ผลิตได้จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ของเซลล์ที่ใช้ ส่วนแรงดัวไฟฟ้าที่ได้จะถูกจำกัดด้วยปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีทำให้มีค่าประมาณ 1.23 โวลต์ต่อหนึ่งเซลล์เท่านั้น (ตามทฤษฎี)
ศูนย์เทคโนโลยีและวัสดุแห่งชาติ มีงานวิจัยทางด้านเซลล์เชื้อเพลิง ชนิดออกไซด์ของแข็ง หรือ Solid oxide fuel cell ซึ่งดำเนินการโดยนักวิจัยของศูนย์ฯ ร่วมกับหน่วยงานต่างๆ ซึ่งในปัจจุบันมีการดำเนินงานวิจัยร่วมกันอยู่หลายโครงการ ตัวอย่าง โครงการวิจัยที่ได้ดำเนินการเสร็จสิ้นแล้ว เช่น หน่วยต้นแบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิง (แบบท่อ) สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในบ้านและชุมชน (Tubular SOFC Stack for Household Distributed Generator) การดำเนินโครงการวิจัยนี้ ดร.ภาวดี อังค์วัฒนะ และ ดร.ดวงเดือน อาจองค์ และทีมวิจัยได้ร่วมมือกับบริษัท Henson CDeramics Limited (HCL) ประเทศอังกฤษ มหาวิทยาลัยแม่ฟ้าหลวง มหาวิทยาลัย South Carolina สหรัฐอเมริกา และบริษัท HyGen Power Co.Ltd. ประเทศไทย โดยได้รับการสนับสนุนทางเทคนิคและงบประมาณจากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ โครงการสมองไหลกลับ สวทช. สังกัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี  การดำเนินโครงการคณะนักวิจัยได้ร่วมมือกันวิจัยและพัฒนาหน่วนต้นแบบผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในบ้านเรือนและชุมชน ซึ่งใช้เวลาประมาณ 3 ปี โครงการเริ่มต้นประมาณมกราคม พ.ศ. 2548 และสิ้นสุดลงในเดือน มกราคม 2551 วัตถุประสงค์หลักของโครงการ คือ การวิจัยและพัฒนาต้นแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กไม่เกิน 3 กิโลวัตต์ ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีจากปฏิกิริยาเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงได้ โดยไม่ต้องอาศัยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือถ่านหิน โดยเลือกพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้จากปฏิกิริยาเคมีของก๊าซไฮโดรเจนที่ใช้เเป็นก๊าซเชื้อเพลิงกับก๊าซออกซิเจนจากอากาศ โดยให้สามาถผลิตไฟฟ้าได้ต่อเนื่องโดยไม่ต้องมีการชาร์จใหม่ตราบเท่าที่มีก๊าซเชื้อเพลิงทั้งสองชนิดอยู่ เพื่อให้สามารถผลิตไฟฟ้าใช้ได้ตลอดเวลา ไม่ว่าจะเป็นไฟฟ้าสำหรับบ้านเรือนแหล่งที่อยู่อาศัย ชุมชนขนาดเล็กที่ห่างไกลจากโรงไฟฟ้าหรือแม้แต่ในรถยนต์หรือยานพาหนะอื่นๆ ซึ่งในอนาคตคณะนักวิจัยวางแผนที่จะพัฒนาต้นแบบในการสร้างหน่วยผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงขนาดที่ใหญ่ขึ้นถึง 100-250 กิโลวัตต์เพื่อใช้งานในหมู่บ้านหรือชุมชนที่ใหญ่ขึ้น ตัวอย่างงานวิจัยชิ้นนี้ เป็นการเพิ่มทางเลือกใหม่ในการจัดหาแหล่งพลังงานทดแทน นอกเหนือจากแหล่งพลังงานที่มีอยู่อย่างจำกัด เพื่อช่วยให้เกิดความมั่นคงทางด้านพลังงานแก่ประเทศชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คณะนักวิจัยได้พัฒนาชุดสาธิตอุปกรณ์การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็งแบบท่อให้มีประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้าสูงกว่าพลังงานรูปแบบอื่น จึงทำให้สามารถใช้พลังงานในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างเต็มที่ ส่งผลให้ต้นทุนในการผลิตกระแสไฟฟ้าต่อหน่วยพลังงานที่ป้อนเข้า มีค่าต่ำลงนอกจากนี้ยังช่วยลดปัญหาด้านมลพิษ การทำงานของตัวอย่างชุดสาธิตแสดงให้ว่าในขณะที่ผลิตกระแสไฟฟ้า ชุดสาธิตก่อให้เกิดมลภาวะในปริมาณที่ต่ำมาก คณะนักวิจัยมีความหวังว่าผลงานวิจัยจะสร้างความสนใจให้มีความต้องการด้านอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องในการผลิตอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในหน่วยผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิงประเภทนี้กันมากขึ้นในอนาคต
บรรณานุกรม : Science in action  4,  6(มิถุนายน  2551) : 22-23

Share

Comments are closed

»  Substance: WordPress   »  Style: Ahren Ahimsa