การจำแนกชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง - สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ
 
สารานุกรมไทย
สำหรับเยาวชน  เมนู 33
เล่มที่ ๓๓
เรื่องที่ ๑ สุนทรภู่
เรื่องที่ ๒ เพลงลูกทุ่ง
เรื่องที่ ๓ คลอง
เรื่องที่ ๔ วิวัฒนาการของมนุษย์
เรื่องที่ ๕ เซลล์เชื้อเพลิง
เรื่องที่ ๖ เปลือกโลกและหิน
เรื่องที่ ๗ อาหารกับโรคเรื้อรัง
เรื่องที่ ๘ การแพทย์แผนไทย
รายชื่อผู้เขียน

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๓๓ / เรื่องที่ ๕ เซลล์เชื้อเพลิง / การจำแนกชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง

 การจำแนกชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง
การจำแนกชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายชนิดแตกต่างกันไปตามชนิดของสารอิเล็กโทรไลต์ และชนิดของเชื้อเพลิง ปัจจุบัน อาจแบ่งเซลล์เชื้อเพลิงออกเป็น ๖ ชนิด คือ

๑. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์ (alkaline fuel cell: AFC)
๒. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดคาร์บอเนตหลอมเหลว  (molten carbonate fuel cell: MCFC)
๓. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดกรดฟอสฟอริก (phosphoric acid fuel cell: PAFC)
๔. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (proton exchange membrane fuel cell: PEMFC)
๕. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง (solid oxide fuel cell: SOFC)
๖. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดใช้เมทานอลโดยตรง (direct methanol fuel cell : DMFC)

๑. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์

เซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถนำมาใช้งานได้จริงชนิดแรก คือ เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์ ที่ทำงานภายใต้ความดันของแก๊สไฮโดรเจน และแก๊สออกซิเจน โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้าทำด้วยแพลทินัม ซึ่งมีราคาสูงมาก และใช้สารแอลคาไลน์ เช่น สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ในน้ำเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ อุณหภูมิของเซลล์ขณะทำงานไม่สูงมากนัก คือประมาณ ๑๕๐ - ๒๐๐ องศาเซลเซียส กลุ่มเซลล์ทั่วไปให้กำลังไฟฟ้าออกมาในช่วง ๓๐๐ วัตต์ ถึง ๒๐ กิโลวัตต์ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ประมาณร้อยละ ๗๐ เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นมา สำหรับใช้งานภาคพื้นดิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้กับยานยนต์ และบ้านพักอาศัย นอกจากนี้ในอดีต องค์การนาซาได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ขึ้น เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า และผลิตน้ำดื่ม สำหรับใช้ในยานอวกาศ อะพอลโล

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์

เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอื่น เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์มีข้อได้เปรียบตรงที่มีอัตราส่วน ของพลังงานต่อน้ำหนัก ในเกณฑ์ค่อนข้างสูง ดังนั้น เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์จึงเหมาะสำหรับ การใช้งานด้านอวกาศ

อย่างไรก็ตาม การประยุกต์สำหรับงานภาคพื้นดินนั้น ยังมีปัญหาจากการเกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ทำปฏิกิริยากับไฮดรอกซิลไอออน (hudroxyl ion) ในสารอิเล็กโทรไลต์  ซึ่งทำให้ความเข้มข้น ของไฮดรอกซิลไอออนในสารอิเล็กโทรไลต์ลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของเซลล์เชื้อเพลิง ลดลงตามไปด้วย   

ดังนั้น การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง เพื่อใช้งานภาคพื้นดินจึงมุ่งเน้นการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง ที่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์อย่างอื่น ซึ่งไม่ใช่แอลคาไลน์   

๒. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดคาร์บอเนตหลอมเหลว

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดคาร์บอเนตหลอมเหลวเป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอุณหภูมิสูง เกลือคาร์บอเนตที่นิยมใช้เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ ได้แก่ โซเดียมคาร์บอเนต โพแทสเซียมคาร์บอเนต และแมกนีเซียมคาร์บอเนต ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้ามักใช้โลหะนิกเกิลเป็นส่วนใหญ่ แก๊สเชื้อเพลิงที่ใช้กับเซลล์ชนิดนี้ นิยมผลิตจากถ่านหิน หรือแก๊สธรรมชาติ อุณหภูมิขณะทำงานของเซลล์จะสูงเหนือจุดหลอมเหลวของสารอิเล็กโทรไลต์ คือ ประมาณ ๖๕๐ องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพของเซลล์มีประมาณร้อยละ ๖๐ - ๘๐ จึงนิยมใช้เป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้าขนาดใหญ่ สำหรับโรงไฟฟ้า ตั้งแต่ พ.ศ. ๒๕๔๒ เป็นต้นมา โดยเฉพาะในประเทศญี่ปุ่นมีโรงไฟฟ้าที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้หลายแห่ง และมีกำลังผลิตไฟฟ้าตั้งแต่ ๒๐๐ - ๑,๐๐๐ กิโลวัตต์

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดคาร์บอเนตหลอมเหลว
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดคาร์บอเนตหลอมเหลว

เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิสูง จึงสามารถนำความร้อนจากเซลล์ไปใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าเสริม ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบกังหันความร้อน หรือใช้ทำความอบอุ่นในบ้านเรือนได้ด้วย

๓. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดกรดฟอสฟอริก

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดกรดฟอสฟอริกใช้ขั้วไฟฟ้าที่มีแพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแพร่กระจายอยู่บนกระดาษคาร์บอน และใช้กรดฟอสฟอริกในเมทริกซ์ของซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ อุณหภูมิขณะทำงานอยู่ที่ประมาณ ๑๕๐ - ๒๐๐ องศาเซลเซียส ถึงแม้อุณหภูมิจะไม่สูงมากนัก แต่เนื่องจากสารอิเล็กโทรไลต์มีฤทธิ์เป็นกรด อุปกรณ์ภายในเซลล์จึงต้องสามารถต้านทานการกัดกร่อนจากกรดได้ดี ประสิทธิภาพของเซลล์มีประมาณร้อยละ ๔๐ - ๘๐ กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากกลุ่มเซลล์มีตั้งแต่ ๒๐๐ กิโลวัตต์ จนถึง ๑๑ เมกะวัตต์ สามารถทำงานได้แม้มีความเข้มข้นของแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์เพิ่มขึ้นถึงร้อยละ ๑.๕ นอกจากแก๊สไฮโดรเจนแล้ว ยังสามารถเลือกใช้เชื้อเพลิงอื่นได้อีกหลายชนิด เช่น แก๊สมีเทน หรือเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนอื่น ที่แยกกำมะถันออกแล้ว

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดกรดฟอสฟอริก
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดกรดฟอสฟอริก

๔. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนเป็นเซลล์เชื้อเพลิงขนาดกะทัดรัดที่สุด สารอิเล็กโทรไลต์อยู่ในรูปของแผ่นเยื่อบางๆ ที่ไอออนสามารถซึมผ่านได้ ทำจากพอลิเมอร์ชนิดฟลูออโรซัลโฟเนต (fluoro-sulfonate polymers) ซึ่งมีผู้ผลิตหลายรายและมีชื่อทางการค้าต่างๆ กัน เช่น แนฟิออน (Nafion) เฟลมิออน (Flemion) เอซิเพล็กซ์ (Aciplex) นีโอเซปตา-เอฟ (Neosepta-F) แผ่นเยื่อนี้มีความหนาประมาณ ๕๐ - ๑๗๕ ไมโครเมตร ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้าที่นิยมใช้กันมากคือ แพลทินัม หรือแพลทินัมผสมโลหะบางชนิด อุณหภูมิขณะทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ที่ประมาณ ๘๐ องศาเซลเซียส และมีประสิทธิภาพประมาณร้อยละ ๔๐ - ๕๐ การต่อเป็นกลุ่มเซลล์สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้ตั้งแต่ ๕๐ - ๒๕๐ กิโลวัตต์ และการที่ใช้แผ่นเยื่ออิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นของแข็งที่ไม่แตกหรือรั่วไหล สามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำได้ดี ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้มีความทนทาน มีขนาดกะทัดรัด และมีน้ำหนักเบากว่าเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอื่น จึงเหมาะสำหรับการนำมาใช้ในบ้านเรือน ใช้กับรถยนต์หรือยานพาหนะต่างๆ และด้วยเหตุที่แก๊สไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง ต้องมีความบริสุทธิ์สูง ประกอบกับตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองข้าง ของแผ่นเยื่อประกอบด้วยแพลทินัม ซึ่งมีราคาแพงมาก จึงทำให้ต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ สูงมาก ตามไปด้วย

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน

๕. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งใช้สารอิเล็กโทรไลต์แข็งเป็นเซรามิกทนความร้อนสูง ที่ทำจากสารประกอบ โลหะออกไซด์ เช่น แคลเซียมออกไซด์ (calcium oxide) หรือเซอร์โคเนียมออกไซด์ (zirconium oxide) โดยแคโทดทำด้วยโลหะแลนทานัมแมงกาเนต (lanthanum manganate) ส่วนแอโนด ทำด้วยโลหะ นิกเกิล-เซอร์โคเนีย (nickel-zirconia) ขั้วไฟฟ้าและส่วนประกอบอื่นๆ ภายในเซลล์ทนความร้อนสูงได้ดี โดยสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง ๑,๐๐๐ องศาเซลเซียสได้ เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้มีประสิทธิภาพประมาณร้อยละ ๖๐ กลุ่มเซลล์สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้สูงถึง ๑๐๐ กิโลวัตต์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก เซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง ทำงานที่อุณหภูมิสูงมากและมีขนาดใหญ่ จึงทำให้การนำไปประยุกต์ใช้ ในงานต่างๆ ยังมีอยู่ไม่มากนัก

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง

๖. เซลล์เชื้อเพลิงชนิดใช้เมทานอลโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดใช้เมทานอลโดยตรงมีลักษณะคล้ายเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน กล่าวคือ เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ใช้แผ่นเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนเป็นสารอิเล็กโทรไลต์เช่นกัน แต่แผ่นเยื่อด้านแอโนดต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดอื่นที่นอกเหนือจากแพลทินัม ซึ่งส่วนใหญ่มักใช้นิกเกิลทำหน้าที่ให้เมทานอลแตกตัวเป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจนไอออน และให้อิเล็กตรอนออกมา อิเล็กตรอนนี้จะไหลจากแอโนดผ่านวงจรโหลดภายนอกไปสู่แคโทด ขณะเดียวกันแก๊สออกซิเจนที่เข้ามาสู่แคโทดแตกตัวเป็นอะตอมออกซิเจน แล้วรวมตัวกับไฮโดรเจนไอออน ที่แพร่ผ่านแผ่นเยื่อไปสู่ด้านแคโทด และอิเล็กตรอนเกิดเป็นน้ำ

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดใช้เมทานอลโดยตรง
หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดใช้เมทานอลโดยตรง

เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้า โดยใช้เมทานอลเป็นเชื้อเพลิงโดยตรง และไม่ต้องใช้อุปกรณ์ เปลี่ยนสภาพเชื้อเพลิงเป็นแก๊สไฮโดรเจน ทำให้สามารถลดขนาดเซลล์ให้เล็กลง จึงเหมาะสำหรับใช้เป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า ให้แก่อุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดเล็ก เช่น คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก เครื่องเสียงแบบพกพา โทรศัพท์เคลื่อนที่
หัวข้อก่อนหน้า หัวข้อถัดไป