รถไฟเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เซลล์พลังงานสะอาด

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ไฮโดรเจน(หรือเชื้อเพลิงที่อุดมไปด้วยไฮโดรเจน) และออกซิเจนเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานสูงกว่าการใชเครื่องยนต์สันดาป และไฮโดรเจนที่ใช้ในการให้พลังงานก็มาได้จากหลายแหล่ง แต่ถ้าใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงจะปล่อยเพียงความร้อนและน้ำ ซึ่งไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับมลพิษทางอากาศหรือก๊าซเรือนกระจก

ส่วนประกอบของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งที่พบได้ทั่วไปคือแบบ “โพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรน” polymer electrolyte membrane  (PEM) ประกอบไปด้วยอิเล็กโทรไลต์เมมเบรนคั่นอยู่ตรงกลางระหว่าง แอนโนด (ขั้วลบ) และ คาโทด (ขั้วบวก)

PEM polymer electrolyte membrane

เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นของแข็งและบางๆโดยปกติจะหุ้มด้วยพลาสติก โดยมีความหนาเท่ากับกระดาษประมาณ 2 ถึง 7 แผ่น โดยทำหน้าที่เป็นอิเลคโตรไลท์ สารที่เป็นตัวนำประจุไฟฟ้า (ในกรณีนี้คือโปรตอน) แต่จะไม่นำอิเลคตรอน ช่วยให้สารละลายสามารถนำไฟ้ฟ้าได้ และเมมเบรนนี้จะทำงานได้ต้องอยู่ในสภาพที่มีความชื้น

แอนโนด Anode

แอนโนด คืออิเลคโทรดที่เกิดการออกซิเชั่น (สูญเสียอิเลคตรอน) ในเซลล์เชื้อเพลิงนี้แอนโนดจะเป็นขั้วลบทางไฟฟ้า แอนโนดประกอบด้วยอานุภาคแพลทตินัมและอนุภาคคาร์บอน ตัวอนุภาคแพลทตินัมจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มอัตราของกระบวนการออกซิเดชั่น แอนโนดต้องมีรูพรุนเพื่อให้ไฮโดรเจนสามารถผ่านได้

แคโทด (Cathode)

แคโทดคืออิเลคโทดที่เกิดการรีดักชั่น (การได้รับอิเลคตรอน) ในเซลล์เชือเพลิงนี้แคโทดแสดงเป็นขั้วบวกทางไฟฟ้า แคโทดประกอบไปด้วยอนุภาคแพลทตินัมและอานุภาคคาร์บอน แพลตตินั่มทำหน้าที่เป็นตัวเร่งทำให้เพิ่มอัตราของกระบวนการรีดักชั่น แคโทดต้องมีรูพรุนเพื่อให้ออกซิเจนสามารถผ่านได้

Flow plate

flow plate มีหน้าที่หลายอย่างด้วยกัน

  • ส่งก๊าชไฮโดรเจนและก๊าชไฮโดรเจนไปยังอิเลคโทรด
  • กรองน้ำและระบายความร้อนออกจากเซลล์เชื้อเพลิง
  • นำอิเล็กตรอนจากขั้วบวกไปยังวงจรไฟฟ้าและจากวงจรกลับไปที่ขั้วลบ
โครงสร้าง เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ภาพโดย ENERGY.GOV

กระบวนการทางเคมี

ระหว่างก๊าชไฮโดรเจน H2 กับ แอนโนด Anode

เชื้อเพลิงก๊าชไฮโดรเจน H2 จะถูกส่งไปยังแอนโนดที่ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำการแยกก๊าชไฮโดรเจน โดยทำการแยกอิเลคตรอนประจุลบออกจากโปรตรอนประจุบวก

PEM  polymer electrolyte membrane  

เมมเบรนช่วยให้โปรตอนที่มีประจุบวกสามารถผ่านไปยังแคโทดได้ แต่ไม่ให้อิเล็กตรอนที่เป็นประจุลบผ่าน อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะต้องไหลไปรอบ ๆ เมมเบรนผ่านไปยังวงจรภายนอก การไหลของอิเล็กตรอนนี้ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า

แคโทด

ที่แคโทด อิเลคตรอนที่เป็นประจุลลบและโพรตรอนที่เป็นประจุบวกของไฮโดรเจนอิออนผสมกับออกซิเจนจะได้น้ำและความร้อน

Fuel Cell Stack

ปริมาณของพลังงานที่ผลิตโดยเซลล์เชื้อเพลิงขึ้อยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงขนาดของเซลล์อุณหภูมิที่มันทำงานและความดันที่ก๊าซถูกจ่ายให้กับเซลล์ เซลล์เชื้อเพลิงเพียงเซลล์เดียวผลิตไฟฟ้าได้น้อยกว่า 1.16 โวลต์ซึ่งแทบจะไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานที่เล็กที่สุด ดังนั้นต้องมีการรวมเซลล์เชื้อเพลิงหลายๆเซลล์เข้าด้วยกัน เรียกว่า Fuel Cell Stack เซลล์เชื้อเพลิงเป็นเทคโนโลยีที่ยืดหยุ่นและมีการใช้งานที่หลากหลาย

การขนส่ง เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำมาใช้ในกิจการขนส่งทั้งใช้ในการขับเคลื่อนและช่วยเสริมพลังการขับเคลื่อน เช่น รถยนต์ รถบรรทุก รถประจำทาง รถไฟ เรือ เรือดำน้ำ และถูกนำมาใช้เพื่อเสริมกำลังให้กับยานอวกาศมานานหลายทศวรรษแล้ว

รถยนต์โตโยต้า MIRAI เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

แหล่งพลังงานอยู่กับที่ หน่วย เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ที่อยู่กับที่สามารถใช้เป็นพลังงานสำรองพลังงานสำหรับสถานที่ห่างไกล โรงไฟฟ้าแบบเดี่ยวสำหรับในเมือง การสร้างเป็นแหล่งพลังงานกระจายตัวตามอาคารต่างๆ และการผลิตพลังงานร่วม (ซึ่งใช้พลังงานความร้อนส่วนเกินจากการผลิตไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อน)

แหล่งพลังงานแบบพกพา เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์พกพาได้หลากหลายตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือ และวิทยุไปจนถึงอุปกรณ์ขนาดใหญ่ เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพกพา สามารถใช้กับแอพพลิเคชั่นเกือบทุกชนิดที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ แต่สามารถใช้งานได้นานขึ้นถึงสามเท่าก่อนเติมเชื้อเพลิงอีก

ภาพฟีเจอร์โดย Florian Kropshofer จาก Pixabay

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.