วัชระ มั่งวิทิตกุล
Realyouenergy@yahoo.com

จากบทความเรื่องไฮโดรเจนอีโคโนมี และ ไฮโดรเจน เทคโนโลยี เมื่อผลิตไฮโดรเจนได้แล้ว ต่อไปก็เป็นการนำไฮโดรเจนไปประยุกต์ใช้ให้เกิดพลังงาน โดยเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) จะเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญในการนำไฮโดรเจนไปใช้ให้เกิดกำลังงานแทนพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิลแบบดั้งเดิม ดังนั้นการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงจึงมีความสำคัญต่ออนาคตของพลังงานสะอาด

เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell) ใช้พลังงานเคมีจากไฮโดรเจนในการผลิตกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงมีความพิเศษคือมีศักยภาพสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระบบผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่จนถึงอุปกรณ์ขนาดเล็กอย่างอุปกรณ์ดักจับควัน เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อดีเหนือกว่าเทคโนโลยีการเผาไหม้แบบดั้งเดิมที่ใช้ในโรงไฟฟ้าและยานพาหนะ เนื่องจากมันปล่อยก๊าซเรือนกระจกน้อยและถ้าผลิตจากไฮโดรเจนบริสุทธ์ และจะมีเพียงความร้อนและน้ำเป็นเพียงผลผลิตพลอยได้ออกมา 

รูปที่ 1 แสดงเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงคืออุปกรณ์ที่ใช้ไฮโดรเจน (หรือเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบมาก) กับออกซิเจน ในการผลิตไฟฟ้าโดยกระบวนการอิเล็กโตรเคมิคอล (Electro Chemical) เซลล์เชื้อเพลิง 1 ชุด ประกอบด้วย อิเล็กโตรไลต์ และขั้วอิเล็กโทรดเคลือบคาตาไลต์ 2 ชุด (อาโนด และคาโธด)

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายชนิดแล้วแต่ความเหมาะสมในการใช้งาน แต่ทุกชนิดมีหลักการทำงานเหมือนกัน กล่าวคือ ไฮโดรเจนถูกป้อนเข้าขั้วอาโนด คาตาไลต์จะแยกอิเล็กตรอน (ประจุลบ) ของไฮโดรเจนออกจากโปรตอน (ประจุบวก) ของไฮโดรเจน ที่คาโธดออกซิเจนจะรวมกับอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนจะได้น้ำและไฮดรอกไซด์ไอออนบางส่วน ส่วนอิเล็กตรอนจากขั้วอาโนดไม่สามารถเคลื่อนตัวผ่านอิเล็กโตรไลต์เพื่อไปที่ขั้วคาโธด อิเล็กตรอนต้องเคลื่อนผ่านวงจรไฟฟ้าทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

รูปที่ 2 หลักการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์เชื้อเพลิง

ถ้าพูดถึงระบบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อสามารถนำไปใช้งานได้ต้องมีอุปกรณ์ประกอบนอกเหนือจากตัวเซลล์เชื้อเพลิงเอง การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงค่อนข้างซับซ้อนขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงและการประยุกต์ใช้ อย่างไรก็ตามระบบเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนประกอบ 4 ส่วน ได้แก่ ปล่องเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cell Stack) ชุดแปลงเชื้อเพลิง (Fuel Processor) ตัวแปลงไฟฟ้า (Current Converter) และระบบนำความร้อนกลับ (Heat Recovery System)

รูปที่ 3 แสดงส่วนประกอบอื่น ๆ ได้แก่ ชุดควบคุมอุณหภูมิ ความชื้น ความดันก๊าซ และน้ำทิ้ง

Fuel Cell Stack เป็นหัวใจของระบบเซลล์เชื้อเพลิงทำหน้าที่ผลิตไฟฟ้า ในรูปไฟฟ้ากระแสตรงจากปฏิกิริยาเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell Stack 1 ชุด อาจจะประกอบด้วย Fuel Cell หลายร้อยชุด

Fuel Processor ทำหน้าที่แปลงเชื้อเพลิงเป็นรูปแบบที่ใช้ได้กับเซลล์เชื้อเพลิง แต่ถ้าป้อนไฮโดรเจนโดยตรง ชุด Processor อาจจะไม่จำเป็น แต่ถ้าใช้เชื้อเพลิงที่มีส่วนประกอบของไฮโดรเจน เช่น เมทานอล แก็สโซลีน ดีเซล ชุด Processor จะแปลงไฮโดรคาร์บอนเป็นก๊าซผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนและจะถูกป้อนไป ชุดปฏิกรณ์เพื่อกรองสิ่งเจือปน เช่น คาร์บอนออกไซด์ หรือซัลเฟอร์ ก่อนที่จะป้อนเชื้อเพลิงไปยัง Fuel Cell Stack กระบวนการนี้ช่วยป้องกันสิ่งเจือปนเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพและยืดอายุของ Fuel Cell

Current Converter แปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นกระแสสลับ

Heat Recovery System สำหรับโรงไฟฟ้าเนื่องจากวัตถุประสงค์หลักของเซลล์เชื้อเพลิงใช้เพื่อผลิตไฟฟ้า ไม่ใช่ความร้อน แต่เนื่องจากความร้อนที่ปล่อยออกมาจากเซลล์เชื้อเพลิงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอุณหภูมิสูง เช่น Solid Oxide และ Molten Carbonate ดังนั้นสามารถนำความร้อนที่ปล่อยออกมาไปปั่นแก๊สเทอร์ไบน์เพื่อผลิตไฟฟ้าเพิ่มเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ

ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายชนิด แตกต่างกันที่วัสดุที่ใช้เพื่อให้เหมาะสมต่อการประยุกต์ใช้งานและต้นทุนที่ต่ำลง ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิงหลัก ๆ มี 5 ชนิด และมีวัสดุ คุณสมบัติ การนำไปใช้ ข้อดีและ ข้อจำกัด ดังสรุปได้ในตาราง

• ยานพาหนะ เซลล์เชื้อเพลิงชนิด PEM เป็นเซลล์เชื้อเพลิงหลักที่นิยมใช้สำหรับระบบขนส่ง ยกเว้นยานอวกาศนิยมใช้เซลล์เชื้อเพลิงชนิด Alkaline

รูปที่ 4 รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

• โรงไฟฟ้า อยู่ในขั้นใช้เป็นระบบไฟฟ้าสำรอง หรือใช้ในพื้นที่ห่างไกลโดยมีขนาด ~ 10 kW ใช้ NG เป็นเชื้อเพลิงในการผลิตไฮโดรเจน นิยมใช้เซลล์เชื้อเพลิงชนิด PAFC แต่ชนิด MCFC และ SOFC เริ่มใช้กันมากขึ้น ส่วนถ้าขนาดเล็กกว่า 10 kW ใช้ตามที่พักอาศัยนิยมใช้ชนิด PEM

รูปที่ 5 แสดงระบบผลิตไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง

• อุปกรณ์เครื่องใช้ เช่นพลังงานสำหรับโทรศัพท์มือถือ วิทยุ คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก กล้องวิดีโอ และอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ ชนิดเซลล์เชื้อเพลิงที่นิยมใช้ PEM การประยุกต์ใช้สำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ยังอยู่ในช่วงพัฒนา

รูปที่ 6 แสดงเซลล์เชื้อเพลิงชนิดพกพา

Q : เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงมีมานานแค่ไหนแล้ว ?
A : เซลล์เชื้อเพลิงมีการพัฒนามากว่า 150 ปี เซลล์เชื้อเพลิงอันแรกคิดค้นโดย เซอร์ วิลเลี่ยม โกลฟ ในปี ค.ศ 1839 โกลฟใช้อิเล็กโตรทที่ทำจากแพลตินัม และใช้กรดซัลฟูริกเป็นอิเล็กโตรไลต์ จากนั้นมีการพัฒนาต่อเนื่อง ในช่วงปี 1920 ที่เยอรมัน ได้มีการคิดค้นเซลล์เชื้อเพลิงชนิด Carbonate และ Solid Oxide ช่วงปี 1960 องค์การ NASA เริ่มใช้เซลล์เชื้อเพลิงชนิด Alkaline สำหรับพลังงานในยานสำรวจอวกาศ

Q : เราจะสามารถหาซื้อรถเซลล์เชื้อเพลิงได้เมื่อไร ?
A :  ผู้เชี่ยวชาญให้ความเห็นค่อนข้างแตกต่างกันในเรื่องระยะเวลา บางคนก็บอกว่าอีกไม่กี่ปี ก็หาซื้อมาใช้ได้แล้ว อีกหลายท่านบอกว่าต้องใช้เวลาอีกหลายสิบปี ผู้ผลิตรถยนต์หลายค่ายอยู่ระหว่างการพัฒนารถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง ก่อนที่จะมั่นใจนำออกมาขาย โดยอุปสรรคที่สำคัญคือเรื่องของขนาดของถังเก็บไฮโดรเจนที่ยังมีขนาดใหญ่ และต้นทุนส่วนประกอบของระบบเซลล์เชื้อเพลิงยังแพง

Q : รถเซลล์เชื้อเพลิงเหมือนและต่างจากใช้แบตเตอรี่อย่างไร ?
A : รถทั้ง 2 ชนิดเหมือนกันคือใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นตัวขับเคลื่อน แต่ข้อแตกต่างคือแหล่งจ่ายไฟฟ้า รถไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ จะเก็บไฟฟ้าในแบตเตอรี่ ดังนั้นหน้าที่ของแบตเตอรี่สำหรับเก็บไฟฟ้าไม่ใช่ผลิตไฟฟ้า จึงต้องคอยชาร์จไฟฟ้าอยู่เสมอแต่เซลล์เชื้อเพลิงเป็นตัวผลิตไฟฟ้าจากไฮโดรเจนจึงต้องมีการเติมเชื้อเพลิง (เช่นเดียวกับรถยนต์เบนซินทั่วไป)

Q : รถเซลล์เชื้อเพลิงแตกต่างจากรถยนต์ใช้น้ำมันอย่างไร ?
A : รถเซลล์เชื้อเพลิงขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า แทนที่จะใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในและมีประสิทธิภาพสูงกว่า เสียงเงียบกว่า และยังช่วยลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม แต่รถยนต์ใช้น้ำมันวิ่งได้ไกลกว่า (400 - 600 ก.ม ต่อน้ำมัน 1 ถัง ส่วนรถเซลล์เชื้อเพลิง วิ่งได้ไกลประมาณ 300 ก.ม. ต่อไฮโดรเจน 1 ถัง)

Q : เซลล์เชื้อเพลิงชนิดไหนนำมาใช้กับรถ ?
A : ชนิด Polymer Electrolyte Membrane (PEM) เนื่องจากให้พลังงานสูง ขนาดเบา เล็ก ใช้พื้นที่น้อยกว่าชนิดอื่น ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ เริ่มต้นทำงานรวดเร็ว

เอกสารอ้างอิง 
• U.S Department of Energy – Energy Efficiency and Renewable Energy. Fuel Cell Program 2004