สาวมอเตอร์โชว กับรถใช้น้ำ
Hydrogen Idol !
เป็นเวลากว่า 200 ปี มาแล้ว นับจากที่ Jacques Charles นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ทดลองเดินทางโดยบัลลูนโดยใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นครั้งแรก แม้ว่าการทดลองจะจบลงด้วยความล้มเหลวแต่แรงปรารถนาของมนุษย์ในการนำไฮโดรเจนมาใช้เป็นแหล่งพลังงานยังคงมีต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน
ไฮโดรเจน เป็นธาตุที่ได้ชื่อว่ามีน้ำหนักเบาที่สุดในจักรวาล เป็นธาตุที่มนุษย์ปรารถนาจะนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานของรถยนต์ในอนาคต เนื่องจากมีอยู่ทั่วไป สามารถผลิตได้ในท้องที่ ไม่ต้องพึ่งพาการนำเข้าอย่างการใช้น้ำมัน นอกจากนั้นการเผาไหม้ยังไม่ทำให้เกิดก๊าซพิษต่างๆที่เป็นอันตรายอีกด้วย ดังนั้นหากเราสามารถบรรจุไฮโดรเจนลงไปในถังเก็บโดยให้ทำงานคล้ายๆกับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ที่จ่ายไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่ของประจุไอโดรเจน และ ออกซิเจน โดยจะได้ น้ำ และความร้อนเป็นของแถม (by product) จากขบวนการ มีการทดสอบพบว่ารถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้ เซลพลังงาน (Fuel Cell) จะมีประสิทธิภาพมากกว่าเท่าตัว เมื่อเทียบกับรถยนต์ที่มีใช้ในปัจจุบัน ดังนั้นหากสามารถนำไฮโดรเจนมาใช้งานได้จะเกิดประโยชน์ทั้งทางด้านสังคม สิ่งแวดล้อม และลดการพึ่งพาการนำเข้าเชื้อเพลิงจากต่างประเทศได้
แต่ในความเป็นจริง ยังมีข้อจำกัดอีกมากมายในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้งาน ประการแรกคือการบรรจุไฮโดรเจนในถังเก็บภายในรถยนต์เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก นักวิจัยและพัฒนาได้กำหนดขนาดของถังเก็บที่เหมาะสมว่าจะต้องติดตั้งในรถยนต์ได้โดยจ่ายพลังงานให้รถยนต์สามารถแล่นได้ในระยะทางต่ำสุด (Min. Range) ที่ 300 ไมล์ โดยจะต้องไม่ไปลดขนาดของห้องโดยสารหรือห้องบรรทุกให้เล็กลง อีกทั้งการจ่ายไฮโดรเจนให้กับเครื่องยนต์จะต้องเป็นไปตามระดับการใช้งาน เช่นเมื่อมีการเร่งเครื่องยนต์ เป็นต้น นอกจากนั้นแล้วจะต้องอยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน ณ อุณหภูมิปกติ การเติมหรือการชาร์จจะต้องใช้เวลาไม่นานนัก และ มีต้นทุนไม่แพงจนเกินไป ซึ่งปัจจุบันเทคโนโลยีในการบรรจุก๊าซยังไม่สามารถทำได้
สาเหตุที่การบรรจุไฮโดรเจนเพื่อใช้งานเป็นเรื่องยากก็เนื่องจาก ที่อุณหภูมิ และ ความดันปกติ ไฮโดรเจนจะอยู่ในสถานะเป็นก๊าซ โดยมีระดับค่าพลังงานอยู่ที่ 1/3000 เท่าของน้ำมันเชื้อเพลิง ดังนั้นหากบรรจุไฮโดรเจนไว้ในถังน้ำมันขนาด 20 ลิตรแบบปกติจะให้พลังงานเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ได้เพียง 500 ฟุตเท่านั้น นักวิจัยพยายามหาหนทางเพื่อให้สามารถบรรจุไฮโดรเจนให้ได้มากขึ้นเพื่อให้สามารถใช้งานได้ในระยะทาง 300 ไมล์เช่นเดียวกับรถยนต์ปกติที่จะต้องเติมน้ำมันเชื้อเพลิงประมาณ 20 ลิตร ในขณะที่หากใช้เซลพลังงานจะต้องใช้ไฮโดรเจนเพียงประมาณ 8 กิโลกรัมเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจากการใช้ไฮโดรเจนจะให้พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ซึ่งจากการทดสอบรถต้นแบบของค่ายต่างๆพบว่าระยะทางจะอยู่ที่ประมาณ 100-190 ไมล์โดยเฉลี่ย
มีการตั้งเป้าไว้ว่า จะผลิตรถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นต้นกำลังแบบที่ใช้งานได้จริงให้ได้ภายในปี 2010 โดยนักวิจัยได้วางหลักการไว้ว่า เชื้อเพลิงที่ใช้จะต้องมีน้ำหนักไม่เกิน 6 % ของน้ำหนักรวมของรถ ดังนั้นหากรถยนต์มีน้ำหนักที่ 100 กิโลกรัม จะกำหนดให้เติมไฮโดรเจนได้ 6 กิโลกรัมเท่านั้น ซึ่งดูเหมือนไม่มากเท่าไร แต่ในความเป็นจริงในปัจจุบัน ข้อจำกัดในเรื่องวัสดุที่ใช้ทำถังบรรจุ อย่างดีที่สุดก็สามารถบรรจุไฮโดรเจนได้เพียง 2 กิโลกรัมเท่านั้น
ปัจจุบัน รถต้นแบบของค่ายต่างๆ ส่วนมากจะใช้ถังบรรจุที่มีลักษณะคล้ายกับถังออกซิเจนของนักประดาน้ำ ที่ทำจาก สารประกอบประเภท คาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon-fiber Composite) ที่มีน้ำหนักเบา และบรรจุไฮโดรเจนที่ระดับความดัน 5,000 – 10,000 psi (350-700 เท่าของความดันปกติ) แต่การเพิ่มความดันขึ้นก็ไม่ได้หมายความว่าจะได้ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เพราะแม้ที่ระดับความดันที่ 10,000 psi ก็จะบรรจุไฮโดรเจนปริมาณที่สามารถให้พลังงานได้เพียง 15 % ของที่ได้จากเชื้อเพลิงปกติที่ปริมาตรเท่ากันเท่านั้น
ถังบรรจุความดันสูงนั้นเหมาะสำหรับการใช้งานกับรถยนต์บางประเภทเท่านั้นเช่นในรถโดยสารขนาดใหญ่ เนื่องจากตัวรถมีขนาดใหญ่ทำให้สามารถติดตั้งถังบรรจุขนาดใหญ่เพื่อให้เติมไฮโดรเจนเพียงพอต่อการใช้งานได้ แต่การนำมาใช้กับรถยนต์นั่งธรรมดาไม่สามารถทำได้เนื่องจากมีพื้นที่ไม่เพียงพอ นอกจากนี้ราคาของถังดังกล่าวยังสูงกว่าถังเชื้อเพลิงปกติถึง 10 เท่า
ทางเลือกอีกทางหนึ่งคือการทำให้ไฮโดรเจนของในสถานะของเหลวเพื่อให้ได้ค่าพลังงานต่อปริมาตรไฮโดรเจนมากขึ้น ซึ่งการที่จะทำให้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวได้จะต้องควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ที่ระดับ -253 องศา C โดยจะได้ไฮโดรเจนเหลว ที่มีน้ำหนัก 71 กรัม / ลิตร หรือให้ค่าพลังงานที่ระดับ 30 % ของเชื้อเพลิงปกติที่น้ำหนักเท่ากัน
ไฮโดรเจนเหลว
การใช้ไฮโดรเจนเหลวก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ประการแรกคือจุดเดือดของไฮโดรเจนต่ำมากจึงต้องควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำอยู่ตลอด จะต้องมีระบบป้องกัน และ ฉนวนกันความร้อนที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนั้นการทำให้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวจะต้องใช้ความดันและพลังงานจำนวนมาก จึงเป็นส่วนที่ทำให้ค่าใช้จ่ายต่างๆสูงขึ้นและลดประสิทธิภาพของพลังงานลง
แต่อย่างไรก็ตาม BMW ก็นำเทคโนโลยีนี้มาใช้กับรถ Hydrogen7 ที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ได้ทั้ง เชื้อเพลิงปกติ (ได้ระยะทาง 300 ไมล์)และ ไฮโดรเจนเหลว(ได้ระยะทาง 125 ไมล์)ของตนที่จะออกมาขายให้กับลูกค้าเฉพาะในสหรัฐ และ ประเทศที่มีสถานีบริการเติมไฮโดรเจนภายในปีนี้
การสร้างองค์ประกอบทางเคมี
เพื่อหาหนทางในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานให้มากขึ้น นักวิจัยอาจจะนำคุณสมบัติของไฮโดรเจนเองมาใช้ประโยชน์ได้ เพราะในสถานะ ของเหลว และ ก๊าซ ไฮโดรเจนจะประกอบด้วยโมเลกุล 2 ตัวเกาะกันแต่เมื่อ ไฮโดรเจนเกาะกับอนุภาคของธาตุอื่นๆมันจะเกาะกันแน่นมากขึ้น มากกว่าเมื่อมันอยู่ในสถานะของเหลวเสียอีก ดังนั้นนักวิจัยจึงพยายามเน้นไปที่สารประกอบตัวหนึ่งที่เรียกว่า “โลหะ ไฮไดร์ แบบย้อนปฏิกิริยากลับได้” (Reversible metal hydrides) ที่ถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี 1969 ในห้องทดลองในเนเธอร์แลนด์ โดยค้นพบว่า เมื่อโลหะอัลลอย ซามาเรี่ยม โคบอล (samarium-cobalt alloy) สัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจนอัดความดันมันจะดูดซึมไฮโดรเจนไว้ เหมือนกับฟองน้ำดูดซับน้ำไว้ และเมื่อลดความดันลง ไฮโดรเจนก็จะแยกตัวออกมา
กรรมวิธีนี้ทำให้สามารถทำให้ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น 150 % ของไฮโดรเจนเหลวเนื่องจากอนุภาคของไฮโดรเจนจะถูกบีบอันอยู่ระหว่างอนุภาคของโลหะดังรูป นอกจากนั้นคุณสมบัติอื่นๆของโลหะไฮไดร์นี้ยังเหมาะสมกับการนำมาใช้ในรถยนต์ เนื่องจากสามารถนำมาใช้งานที่ระดับความดันในช่วงระดับ 10 – 100 เท่าของความดันบรรยากาศ นอกจากนั้นยังมีความเสถียรสูง จึงใช้พลังงานน้อยมากในการรักษาสถานภาพอาศัยความร้อนเพียงบางส่วนเพื่อให้เกิดการปลดปล่อยก๊าซ แต่ข้อด้อยของมันก็คือ มีน้ำหนักมากเกินกว่าที่จะติดตั้งในรถยนต์ได้(น้ำหนักรวม 1000 ปอนด์ เพื่อการขับขี่ในระยะทาง 300 ไมล์ ถือว่ามากเกินไปสำหรับรถยนต์ขนาด 3,000 ปอนด์ในปัจจุบัน )
ปัจจุบันมีการพยายามหาโลหะชนิดอื่นๆมาใช้งานเพื่อให้สามารถใช้งานไฮโดรเจนที่ระดับอุณหภูมิ 100 องศา C ณ ระดับความดันที่ 10 – 100 เท่าของความดันบรรยากาศ และสามารถปลดปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็วเมื่อต้องการเร่งความเร็ว โลหะส่วนมากที่ทดลองนำมาใช้งานมีความเสถียรสูงเกินไป จนทำให้ต้องใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ปลดปล่อยไฮโดรเจนออกมา ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการให้ เม็กนีเซียมไฮไดร์ เริ่มปลดปล่อยไฮโดรเจน จะต้องให้ความร้อนที่ระดับ 300 องศา C ดังนั้นหากต้องการนำมาใช้งานให้ได้จริงจะต้องพยายามลดอุณหภูมิดังกล่าวนี้ลงมา
ดีสเตอร์บิไลด์ ไฮไดร์
ดีสเตอร์บิไลด์ ไฮไดร์ (Destabilized hydrides ) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของโลหะที่ดูดซึมไฮโดรเจนได้ที่เรียกว่า Complex Hydrides ที่เป็นทางเลือกที่ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยลดอุณหภูมิในการปลดปล่อยไฮโดรเจนลง แต่ก่อนเชื่อกันว่าสารประกอบนี้ไม่เหมาะกับการนำมาใช้ในรถยนต์ เนื่องจากเมื่อมีการปลดปล่อยไฮโดรเจนแล้วจะไม่สามารคืนสภาพได้เอง จะต้องนำมาผ่านกระบวนการคืนสภาพใหม่ แต่เมื่อปี 1996 ได้มีการทดลองพบว่าหากเติมไทนาเนียมปริมาณเล็กน้อยเข้าไปผสม ทำให้โลหะผสมดังกล่าวสามารถดูดซับไฮโดรเจนได้โดยไม่ต้องผ่านขบวนการใดๆอีก ซึ่งการทดลองสามารถเพเมความหนาแน่นของไฮโดรเจนได้ 9 % และสามารถทำปฏิกริยาย้นกลับ ที่อุณหภูมิ 200 องศา C แม้ว่า อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยายังสูงอยู่มากก็ตามแต่ก็มีโอกาสในการพัฒนาให้ต่ำลงกว่านี้ได้ ค้นพบอันเดียวกันนี้ทำให้เกิดการพัฒนา
Hydrogen Carriers
อีกแนวทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานในรถยนต์นั่งได้ แต่มีข้อจำกัดในขั้นตอนของการเติมไฮโดรเจน คือสารเคมีที่ใช้จะต้องนำมาผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถทำได้ขณะติดตั้งที่ตัวรถได้จะต้องถอดออกไปดำเนินการในโรงงานเท่านั้น
เมื่อ 20 กว่าปีที่ผ่านมา นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ได้ทำการทดลองโดยใช้ ให้ความร้อนแก่ ดีคาลีน ( decalin ) (C10H18) มันจะกลายสภาพเป็น เนฟทีลีน (naphthalene) ที่จะปลดปล่อย โมเลกุลของไฮโดรเจนออกมา 5 ตัว และการเติมไฮโดรเจนแรงดันสูงลงใน เนฟทีลีนก็จะได้ดีคาลีนกลับคืนมา
ปัจจุบันนักวิจัยหลายๆ สำนักอาศัยเทคนิคเดียวกันนี้กับสารปะกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวชนิดอื่นๆ อาทิเช่น แอมมิโนโบลาน (aminoboranes)เพื่อใช้เป็นตัวพาหะในการกับเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากได้ และ จะปล่อยออกมาในระดับอุณหภูมิปานกลาง
การออกแบบวัสดุบรรจุภัณฑ์
ปัญหาสำคัญอีกประการคือ การหาวัสดุที่มีน้ำหนักเบาที่มีพื้นผิวสัมผัสมากที่สามารถยึด หรือซึมซับโมเลกุลไฮโดรเจนไว้ได้ ซึ่งการพัฒนาของนาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันสามารถสร้างวัสดุให้มีพื้นที่หน้าสัมผัสมากถึง 5,000 ตารางเมตร ต่อน้ำหนักวัสดุ 1 กรัม (เทียบได้เท่ากับพื้นที่ 3 เอเคอร์ ต่อวัสดุขนาด 1 ช้อนชา) วัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมเป็นที่น่าจับตาอย่างที่สุด เนื่องจากมีน้ำหนัดเบา ต้นทุนต่ำ และ สามารถนำมาสร้างโครงสร้างทางนาโนได้หลายรูปแบบ อีกทั้งยังสามารถบรรจุไฮโดรเจนได้สูงถึง 5 % ของน้ำหนัก
แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นเดียวกับแบบอื่นๆเช่นกันคือ พันธะโมเลกุลระหว่างคาร์บอน และ ไฮโดรเจนมักไม่ค่อยแข็งแรง ทำให้ไม่ค่อยจะเสถียร จึงต้องรักษาอุณหภูมิไว้ที่ระดับเดียวกับไนโตรเจนเหลว หรือ – 196 องศา C
แต่ถึงแม้ว่าการพัฒนายังไปไม่ถึงจุดที่จะนำมาใช้งานได้จริง แต่ความปรารถนาในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นพลังงานของมนุษย์ก็ยังคงเหมือนเดิมไม่เปลี่ยนแปลง
อีกแนวทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานในรถยนต์นั่งได้ แต่มีข้อจำกัดในขั้นตอนของการเติมไฮโดรเจน คือสารเคมีที่ใช้จะต้องนำมาผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถทำได้ขณะติดตั้งที่ตัวรถได้จะต้องถอดออกไปดำเนินการในโรงงานเท่านั้น เมื่อ 20 กว่าปีที่ผ่านมา นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ได้ทำการทดลองโดยใช้ ให้ความร้อนแก่ ดีคาลีน ( decalin ) (CH) มันจะกลายสภาพเป็น เนฟทีลีน (naphthalene) ที่จะปลดปล่อย โมเลกุลของไฮโดรเจนออกมา 5 ตัว และการเติมไฮโดรเจนแรงดันสูงลงใน เนฟทีลีนก็จะได้ดีคาลีนกลับคืนมาปัจจุบันนักวิจัยหลายๆ สำนักอาศัยเทคนิคเดียวกันนี้กับสารปะกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวชนิดอื่นๆ อาทิเช่น แอมมิโนโบลาน (aminoboranes)เพื่อใช้เป็นตัวพาหะในการกับเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากได้ และ จะปล่อยออกมาในระดับอุณหภูมิปานกลาง
ที่มา: Gassing up with hydrogen: Scientific American, April 2007
...................................................
Fuel Cells พลังงานแห่งอนาคต
โดย สุรัฐ ขวัญเมือง
ธนิษฐ์ ปราณีนรารัตน์
อธิคม เพียงโงก
วรรณศิริ ลิ้มสุขนิรันดร์
ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา แหล่งพลังงานที่ใช้ส่วนใหญ่ได้จาก น้ำมันเชื้อเพลิง แต่ความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น และแหล่งผลิตที่มีอยู่จำกัด ทำให้เกิดปัญหาการขาดแคลนน้ำมัน จากเหตุดังกล่าว จึงได้มีการค้นคว้า และพัฒนาแหล่งพลังงาน เพื่อทดแทนพลังงานจากน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งทางเลือกอันหนึ่งก็คือ การใช้เซลล์เชื้อเพลิง
Fuel Cells คืออะไร
เซลล์เชื้อเพลิง คือ อุปกรณ์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี-ไฟฟ้า ระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจนซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงพลังงานของเชื้อเพลิง ไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ไม่ต้องผ่านการเผาไหม้ ทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงนี้ไม่ก่อมลภาวะทางอากาศ ทั้งยังมีประสิทธิภาพสูงกว่า เครื่องยนต์เผาไหม้ 1-3 เท่า ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง และชนิดของเชื้อเพลิงที่ใช้
เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายแบบขึ้นอยู่กับสารที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเช่นเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน ไฮโดรเจน-ไฮดราซีน โพรเพน-ออกซิเจน เป็นต้น และชนิดที่เป็นที่นิยมใช้คือ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน เพราะเมื่อปฏิกิริยาในเซลล์เกิดขึ้นแล้วนอกจากพลังงานจะได้น้ำบริสุทธิ์ และความร้อนไว้ใช้ตามความเหมาะสมด้วย นอกจากนี้เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ยังไม่ชั้นบรรยากาศโอโซนเพราะไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เช่นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ
เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วหรือที่เรียกกันโดยทั่วไปว่าแบตเตอรี่มากในด้านที่สามารถอัดประจุใหม่ได้เรื่อยๆ เซลล์เชื้อเพลิงยังไม่เป็นที่นิยมใช้ทั่วไปอย่างแบตเตอรีเพราะต้นทุนการผลิตอุปกรณ์ในครั้งแรกสูงและยังมีอันตรายที่ต้องใช้ความรู้เฉพาะ ควบคุมหลายประการ แต่ในปัจจุบันได้นำมาใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิดเช่น โทรศัพท์มือถือ ปาล์ม notebook
ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง
Fuel Cells มีหลายชนิด แต่ทุกชนิดจะให้กระแสไฟฟ้าออกเป็นไฟฟ้ากระแสตรง(DC) ที่สามารถนำไปขับมอเตอร์ หลอดไฟ หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆได้ โดยชนิดของตัว Fuel Cells จะแบ่งโดยสารเคมีที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเป็นหลัก โดยมีชนิดดังต่อไปนี้
1. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) เป็นชนิดที่ได้รับความนิยมและจะถูกนำไปใช้ในรถยนต์ในอนาคต
2. Alkaline fuel cell (AFC) เป็นชนิดแรกที่มีการสร้างขึ้นมา เคยถูกใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐในช่วงปี 1960 แต่เนื่องระบบไวต่อการปนเปื้อนมาก จึงต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์เท่านั้น ทำให้ระบบมีราคาสูงมาก ไม่สามารถนำมาขายในท้องตลาดได้
3. Phosphoric-acid fuel cell (PAFC) เป็นระบบที่มีแนวโน้มที่จะถูกนำไปใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดเล็ก เนื่องจากทำงานที่อุณภูมิสูงกว่าแบบ PEMFC ทำให้ต้องใช้เวลาในการอุ่นระบบที่นานกว่า ทำให้มันไม่เสถียรในการนำมาใช้ในรถยนต์
4. Solid oxide fuel cell (SOFC) เป็นระบบที่เหมาะสมในการนำมาใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มาก แต่เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงมาก(ประมาณ 1,832 F, 1,000 C) ทำให้มีปัญหาเรื่องเสถียรภาพ แต่ก็มีข้อดีตรงที่ว่า ไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เป็นผลผลิตจากกระบวนการนี้ สามารถนำไปใช้ปั่นกังหันก๊าซต่อได้ ทำให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นอย่างมาก
5. Molten carbonate fuel cell (MCFC) เป็นอีกประเภทหนึ่งที่เหมาะสมสำหรับสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่ แต่ชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่าคือที่ประมาณ 1,112 F หรือ 600 C และยังสามารถให้ไอน้ำความดันสูงเพื่อมาช่วยผลิตกระแสไฟฟ้าได้อีกด้วย และเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า SOFC ทำให้ไม่ต้องใช้วัสดุพิเศษ จึงทำให้ระบบนี้ใช้งบประมาณที่น้อยกว่า
การทำงานของ Fuel Cell
Fuel Cell มีอยู่ด้วยกันหลายประเภท โดยแบ่งตามประเภทของสารพาประจุ (Electrolyte) โดยจะกล่าวถึงการทำงานโดยละเอียดของเซลล์ประเภท Proton exchange membrane
เซลล์เชื้อเพลิงจะแบ่งโครงสร้างออกเป็น 4 ส่วนใหญ่ๆ ได้แก่
1. ขั้วแอโนด (Anode) เป็นขั้วลบ มีหน้าที่ส่งอิเลคตรอนออกจากขั้ว โดยอิเลคตรอนได้จากปฏิกิริยา H2 ==> 2H+ + 2e- โดยที่ขั้วจะมีช่องที่ติดกับตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งฉาบอยู่บนผิวหน้าของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน โดยปฏิกิริยาจะเกิดเมื่อผ่านก๊าซไฮโดรเจนเข้าไป
2. ขั้วแคโทด (Cathode) เป็นขั้วบวก โดยมีช่องติดกับเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ทำหน้าที่รับโปรตอนและก๊าซออกซิเจนซึ่งถูกปล่อยออกมาที่ผิวหน้าของเยื่อซึ่งฉาบตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ และทำหน้าที่รับอิเลคตรอนกลับมาจากวงจรภายนอก เพื่อรวมกันเป็นน้ำ ดังปฏิกิริยา O2 + 4H+ + 4e- ==> 2H2O
3. สารพาประจุ (Electrolyte) เป็นส่วนที่มาความสำคัญ เพราะ เป็นส่วนที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอออนชนิดต่างๆ และเป็นส่วนที่เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภทแตกต่างกัน โดยประเภทที่เรากล่าวถึงอยู่นี้ สารพาประจุ จะเป็นเพียงเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane) เท่านั้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนแผ่นพลาสติกในการทำครัว โดยจะให้โปรตอนผ่านใด แต่จะไม่ยอมให้อิเลคตรอนผ่าน
4. ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เป็นวัสดุพิเศษที่ช่วยให้ปฏิกิริยาในขั้นตอนต่างๆเกิดได้ดี โดยส่วนใหญ่จะเป็นผงแพลทินัมเคลือบอยู่บนเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจะมีลักษณะขรุขระเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการสัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจน และ ออกซิเจน
หลักการทำงาน คือ H2 จะถูกปล่อยไปในด้านแอโนดโดยใช้ความดัน เมื่อก๊าซไปสัมผัสกับตัวเร่งปฏิกิริยา ก็จะเกิดการแตกตัวออกเป็น โปรตอนและอิเลคตรอน โดยอิเลคตรอนจะถูกส่งต่อไปยังวงจรภายนอก ส่วนโปรตอนนั้น จะผ่านช่องของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนไปยังขั้วแคโทด ซึ่งจะไปรวมตัวกับอิเลคตรอนที่รับมาจากวงจรภายนอก รวมไปถึงอะตอมของออกซิเจนซึ่งแตกตัวโดยการเร่งของตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดเป็นโมเลกุลของน้ำขึ้นมา ซึ่งการไหลของอิเลคตรอนนี้ จะนำไปใช้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงได้ เพื่อประโยชน์ในงานด้านต่างๆ
แต่เนื่องจาก H2 เป็นก๊าซที่อันตราย เนื่องจากติดไฟได้ จึงไม่เหมาะสมในการบรรจุ หรือ เคลื่อนย้ายไปมา และทำให้จึงมีการพัฒนา Fuel Processor ซึ่งมีหลักการคือ
1. ใช้เครื่อง Reformer เปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ, H2O และ O2 ให้กลายเป็น H2, CO, CO2
2. ใช้เครื่อง Catalytic Converter เปลี่ยน CO ให้กลายเป็น CO2
3. จากนั้น ก็นำ H2 มาใช้ได้ตามต้องการ ส่วน CO2 ก็ถูกปล่อยสู่อากาศต่อไป
วิธีนี้ นอกจากจะเพิ่มความปลอดภัยแล้ว ยังเป็นการประหยัดอีกด้วย เนื่องจากสามารถเปลี่ยนสารอื่นๆมาเป็น H2 ได้
การใช้ประโยชน์ของเซลล์เชื้อเพลิง
เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำมาใช้งานได้หลายด้าน ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด และอาจจะกล่าวได้ว่า เป็นเครื่องใช้แห่งอนาคต มีดังนี้
รถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง (Automobiles)
คาดกันว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถแทนที่เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซลล์ได้ในปี 2548 รถพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงจะมีลักษณะคล้ายกับรถยนต์พลังงานไฟฟ้ามาก ต่างกันเพียงแค่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงแทนแบตเตอรี่ รถพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่จะใช้เมทานอลเป็นเชื้อเพลิง แต่ก็มี บางบริษัทออกแบบรถให้ใช้น้ำมันเบนซิน แต่ในอนาคตเราอาจจะสามารถออกแบบถังเชื้อเพลิงสำหรับ บรรจุไฮโดรเจนได้อย่างปลอดภัย
แหล่งพลังงานพกพา (Portable Power)
เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์พกพา โทรศัพท์มือถือ หรือเครื่องช่วยฟังได้ การใช้งานกับอุปกรณ์เหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้งานได้นานกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป และสามารถประจุไฟ (recharge) ใหม่ได้อย่างรวดเร็วโดยเชื้อเพลิงเหลว หรือแก๊ส
เครื่องผลิตไฟฟ้าภายในบ้าน (Home Power Generation)
ในปี 2545 บริษัท General Electric สามารถผลิตเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าภายในบ้าน ที่ใช้แก๊สธรรมชาติหรือโพรเพนเป็นเชื้อเพลิง และสามารถผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 7 กิโลวัตต์ (เพียงพอสำหรับ ใช้ภายในบ้าน) นอกจากนี้ยังให้พลังงานความร้อนซึ่งสามารถใช้ทำความร้อนภายในบ้านได้อีกด้วย
เครื่องผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ (Large Power Generation)
ด้วยเทคโนโลยีด้านเซลล์เชื้อเพลิงที่ก้าวหน้า ทำให้มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะทดแทนโรงไฟฟ้า พลังงานความร้อนที่ใช้กันอยู่ เซลล์เชื้อเพลิงขนาดใหญ่นั้นมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงกว่าโรงไฟฟ้า ที่มีอยู่ในปัจจุบัน เทคโนโลยีด้านเซลล์เชื้อเพลิงได้ถูกพัฒนาจนสามารถผลิตไฟฟ้าได้โดยตรงจากไฮโดรเจน ในเซลล์เชื้อเพลิง นอกจากนี้ยังสามารถใช้ความร้อนและน้ำที่ได้ ปั่นเทอร์ไบน์เพื่อผลิตไฟฟ้าได้อีกด้วย
ไฮโดรเจน เป็นธาตุที่ได้ชื่อว่ามีน้ำหนักเบาที่สุดในจักรวาล เป็นธาตุที่มนุษย์ปรารถนาจะนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานของรถยนต์ในอนาคต เนื่องจากมีอยู่ทั่วไป สามารถผลิตได้ในท้องที่ ไม่ต้องพึ่งพาการนำเข้าอย่างการใช้น้ำมัน นอกจากนั้นการเผาไหม้ยังไม่ทำให้เกิดก๊าซพิษต่างๆที่เป็นอันตรายอีกด้วย ดังนั้นหากเราสามารถบรรจุไฮโดรเจนลงไปในถังเก็บโดยให้ทำงานคล้ายๆกับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ที่จ่ายไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่ของประจุไอโดรเจน และ ออกซิเจน โดยจะได้ น้ำ และความร้อนเป็นของแถม (by product) จากขบวนการ มีการทดสอบพบว่ารถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้ เซลพลังงาน (Fuel Cell) จะมีประสิทธิภาพมากกว่าเท่าตัว เมื่อเทียบกับรถยนต์ที่มีใช้ในปัจจุบัน ดังนั้นหากสามารถนำไฮโดรเจนมาใช้งานได้จะเกิดประโยชน์ทั้งทางด้านสังคม สิ่งแวดล้อม และลดการพึ่งพาการนำเข้าเชื้อเพลิงจากต่างประเทศได้
แต่ในความเป็นจริง ยังมีข้อจำกัดอีกมากมายในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้งาน ประการแรกคือการบรรจุไฮโดรเจนในถังเก็บภายในรถยนต์เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก นักวิจัยและพัฒนาได้กำหนดขนาดของถังเก็บที่เหมาะสมว่าจะต้องติดตั้งในรถยนต์ได้โดยจ่ายพลังงานให้รถยนต์สามารถแล่นได้ในระยะทางต่ำสุด (Min. Range) ที่ 300 ไมล์ โดยจะต้องไม่ไปลดขนาดของห้องโดยสารหรือห้องบรรทุกให้เล็กลง อีกทั้งการจ่ายไฮโดรเจนให้กับเครื่องยนต์จะต้องเป็นไปตามระดับการใช้งาน เช่นเมื่อมีการเร่งเครื่องยนต์ เป็นต้น นอกจากนั้นแล้วจะต้องอยู่ในสภาพพร้อมใช้งาน ณ อุณหภูมิปกติ การเติมหรือการชาร์จจะต้องใช้เวลาไม่นานนัก และ มีต้นทุนไม่แพงจนเกินไป ซึ่งปัจจุบันเทคโนโลยีในการบรรจุก๊าซยังไม่สามารถทำได้
สาเหตุที่การบรรจุไฮโดรเจนเพื่อใช้งานเป็นเรื่องยากก็เนื่องจาก ที่อุณหภูมิ และ ความดันปกติ ไฮโดรเจนจะอยู่ในสถานะเป็นก๊าซ โดยมีระดับค่าพลังงานอยู่ที่ 1/3000 เท่าของน้ำมันเชื้อเพลิง ดังนั้นหากบรรจุไฮโดรเจนไว้ในถังน้ำมันขนาด 20 ลิตรแบบปกติจะให้พลังงานเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ได้เพียง 500 ฟุตเท่านั้น นักวิจัยพยายามหาหนทางเพื่อให้สามารถบรรจุไฮโดรเจนให้ได้มากขึ้นเพื่อให้สามารถใช้งานได้ในระยะทาง 300 ไมล์เช่นเดียวกับรถยนต์ปกติที่จะต้องเติมน้ำมันเชื้อเพลิงประมาณ 20 ลิตร ในขณะที่หากใช้เซลพลังงานจะต้องใช้ไฮโดรเจนเพียงประมาณ 8 กิโลกรัมเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจากการใช้ไฮโดรเจนจะให้พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ซึ่งจากการทดสอบรถต้นแบบของค่ายต่างๆพบว่าระยะทางจะอยู่ที่ประมาณ 100-190 ไมล์โดยเฉลี่ย
มีการตั้งเป้าไว้ว่า จะผลิตรถยนต์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นต้นกำลังแบบที่ใช้งานได้จริงให้ได้ภายในปี 2010 โดยนักวิจัยได้วางหลักการไว้ว่า เชื้อเพลิงที่ใช้จะต้องมีน้ำหนักไม่เกิน 6 % ของน้ำหนักรวมของรถ ดังนั้นหากรถยนต์มีน้ำหนักที่ 100 กิโลกรัม จะกำหนดให้เติมไฮโดรเจนได้ 6 กิโลกรัมเท่านั้น ซึ่งดูเหมือนไม่มากเท่าไร แต่ในความเป็นจริงในปัจจุบัน ข้อจำกัดในเรื่องวัสดุที่ใช้ทำถังบรรจุ อย่างดีที่สุดก็สามารถบรรจุไฮโดรเจนได้เพียง 2 กิโลกรัมเท่านั้น
ปัจจุบัน รถต้นแบบของค่ายต่างๆ ส่วนมากจะใช้ถังบรรจุที่มีลักษณะคล้ายกับถังออกซิเจนของนักประดาน้ำ ที่ทำจาก สารประกอบประเภท คาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon-fiber Composite) ที่มีน้ำหนักเบา และบรรจุไฮโดรเจนที่ระดับความดัน 5,000 – 10,000 psi (350-700 เท่าของความดันปกติ) แต่การเพิ่มความดันขึ้นก็ไม่ได้หมายความว่าจะได้ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เพราะแม้ที่ระดับความดันที่ 10,000 psi ก็จะบรรจุไฮโดรเจนปริมาณที่สามารถให้พลังงานได้เพียง 15 % ของที่ได้จากเชื้อเพลิงปกติที่ปริมาตรเท่ากันเท่านั้น
ถังบรรจุความดันสูงนั้นเหมาะสำหรับการใช้งานกับรถยนต์บางประเภทเท่านั้นเช่นในรถโดยสารขนาดใหญ่ เนื่องจากตัวรถมีขนาดใหญ่ทำให้สามารถติดตั้งถังบรรจุขนาดใหญ่เพื่อให้เติมไฮโดรเจนเพียงพอต่อการใช้งานได้ แต่การนำมาใช้กับรถยนต์นั่งธรรมดาไม่สามารถทำได้เนื่องจากมีพื้นที่ไม่เพียงพอ นอกจากนี้ราคาของถังดังกล่าวยังสูงกว่าถังเชื้อเพลิงปกติถึง 10 เท่า
ทางเลือกอีกทางหนึ่งคือการทำให้ไฮโดรเจนของในสถานะของเหลวเพื่อให้ได้ค่าพลังงานต่อปริมาตรไฮโดรเจนมากขึ้น ซึ่งการที่จะทำให้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวได้จะต้องควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ที่ระดับ -253 องศา C โดยจะได้ไฮโดรเจนเหลว ที่มีน้ำหนัก 71 กรัม / ลิตร หรือให้ค่าพลังงานที่ระดับ 30 % ของเชื้อเพลิงปกติที่น้ำหนักเท่ากัน
ไฮโดรเจนเหลว
การใช้ไฮโดรเจนเหลวก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ประการแรกคือจุดเดือดของไฮโดรเจนต่ำมากจึงต้องควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำอยู่ตลอด จะต้องมีระบบป้องกัน และ ฉนวนกันความร้อนที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนั้นการทำให้ไฮโดรเจนเป็นของเหลวจะต้องใช้ความดันและพลังงานจำนวนมาก จึงเป็นส่วนที่ทำให้ค่าใช้จ่ายต่างๆสูงขึ้นและลดประสิทธิภาพของพลังงานลง
แต่อย่างไรก็ตาม BMW ก็นำเทคโนโลยีนี้มาใช้กับรถ Hydrogen7 ที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ได้ทั้ง เชื้อเพลิงปกติ (ได้ระยะทาง 300 ไมล์)และ ไฮโดรเจนเหลว(ได้ระยะทาง 125 ไมล์)ของตนที่จะออกมาขายให้กับลูกค้าเฉพาะในสหรัฐ และ ประเทศที่มีสถานีบริการเติมไฮโดรเจนภายในปีนี้
การสร้างองค์ประกอบทางเคมี
เพื่อหาหนทางในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานให้มากขึ้น นักวิจัยอาจจะนำคุณสมบัติของไฮโดรเจนเองมาใช้ประโยชน์ได้ เพราะในสถานะ ของเหลว และ ก๊าซ ไฮโดรเจนจะประกอบด้วยโมเลกุล 2 ตัวเกาะกันแต่เมื่อ ไฮโดรเจนเกาะกับอนุภาคของธาตุอื่นๆมันจะเกาะกันแน่นมากขึ้น มากกว่าเมื่อมันอยู่ในสถานะของเหลวเสียอีก ดังนั้นนักวิจัยจึงพยายามเน้นไปที่สารประกอบตัวหนึ่งที่เรียกว่า “โลหะ ไฮไดร์ แบบย้อนปฏิกิริยากลับได้” (Reversible metal hydrides) ที่ถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี 1969 ในห้องทดลองในเนเธอร์แลนด์ โดยค้นพบว่า เมื่อโลหะอัลลอย ซามาเรี่ยม โคบอล (samarium-cobalt alloy) สัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจนอัดความดันมันจะดูดซึมไฮโดรเจนไว้ เหมือนกับฟองน้ำดูดซับน้ำไว้ และเมื่อลดความดันลง ไฮโดรเจนก็จะแยกตัวออกมา
กรรมวิธีนี้ทำให้สามารถทำให้ความหนาแน่นของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น 150 % ของไฮโดรเจนเหลวเนื่องจากอนุภาคของไฮโดรเจนจะถูกบีบอันอยู่ระหว่างอนุภาคของโลหะดังรูป นอกจากนั้นคุณสมบัติอื่นๆของโลหะไฮไดร์นี้ยังเหมาะสมกับการนำมาใช้ในรถยนต์ เนื่องจากสามารถนำมาใช้งานที่ระดับความดันในช่วงระดับ 10 – 100 เท่าของความดันบรรยากาศ นอกจากนั้นยังมีความเสถียรสูง จึงใช้พลังงานน้อยมากในการรักษาสถานภาพอาศัยความร้อนเพียงบางส่วนเพื่อให้เกิดการปลดปล่อยก๊าซ แต่ข้อด้อยของมันก็คือ มีน้ำหนักมากเกินกว่าที่จะติดตั้งในรถยนต์ได้(น้ำหนักรวม 1000 ปอนด์ เพื่อการขับขี่ในระยะทาง 300 ไมล์ ถือว่ามากเกินไปสำหรับรถยนต์ขนาด 3,000 ปอนด์ในปัจจุบัน )
ปัจจุบันมีการพยายามหาโลหะชนิดอื่นๆมาใช้งานเพื่อให้สามารถใช้งานไฮโดรเจนที่ระดับอุณหภูมิ 100 องศา C ณ ระดับความดันที่ 10 – 100 เท่าของความดันบรรยากาศ และสามารถปลดปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็วเมื่อต้องการเร่งความเร็ว โลหะส่วนมากที่ทดลองนำมาใช้งานมีความเสถียรสูงเกินไป จนทำให้ต้องใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ปลดปล่อยไฮโดรเจนออกมา ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการให้ เม็กนีเซียมไฮไดร์ เริ่มปลดปล่อยไฮโดรเจน จะต้องให้ความร้อนที่ระดับ 300 องศา C ดังนั้นหากต้องการนำมาใช้งานให้ได้จริงจะต้องพยายามลดอุณหภูมิดังกล่าวนี้ลงมา
ดีสเตอร์บิไลด์ ไฮไดร์
ดีสเตอร์บิไลด์ ไฮไดร์ (Destabilized hydrides ) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของโลหะที่ดูดซึมไฮโดรเจนได้ที่เรียกว่า Complex Hydrides ที่เป็นทางเลือกที่ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยลดอุณหภูมิในการปลดปล่อยไฮโดรเจนลง แต่ก่อนเชื่อกันว่าสารประกอบนี้ไม่เหมาะกับการนำมาใช้ในรถยนต์ เนื่องจากเมื่อมีการปลดปล่อยไฮโดรเจนแล้วจะไม่สามารคืนสภาพได้เอง จะต้องนำมาผ่านกระบวนการคืนสภาพใหม่ แต่เมื่อปี 1996 ได้มีการทดลองพบว่าหากเติมไทนาเนียมปริมาณเล็กน้อยเข้าไปผสม ทำให้โลหะผสมดังกล่าวสามารถดูดซับไฮโดรเจนได้โดยไม่ต้องผ่านขบวนการใดๆอีก ซึ่งการทดลองสามารถเพเมความหนาแน่นของไฮโดรเจนได้ 9 % และสามารถทำปฏิกริยาย้นกลับ ที่อุณหภูมิ 200 องศา C แม้ว่า อุณหภูมิในการทำปฏิกิริยายังสูงอยู่มากก็ตามแต่ก็มีโอกาสในการพัฒนาให้ต่ำลงกว่านี้ได้ ค้นพบอันเดียวกันนี้ทำให้เกิดการพัฒนา
Hydrogen Carriers
อีกแนวทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานในรถยนต์นั่งได้ แต่มีข้อจำกัดในขั้นตอนของการเติมไฮโดรเจน คือสารเคมีที่ใช้จะต้องนำมาผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถทำได้ขณะติดตั้งที่ตัวรถได้จะต้องถอดออกไปดำเนินการในโรงงานเท่านั้น
เมื่อ 20 กว่าปีที่ผ่านมา นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ได้ทำการทดลองโดยใช้ ให้ความร้อนแก่ ดีคาลีน ( decalin ) (C10H18) มันจะกลายสภาพเป็น เนฟทีลีน (naphthalene) ที่จะปลดปล่อย โมเลกุลของไฮโดรเจนออกมา 5 ตัว และการเติมไฮโดรเจนแรงดันสูงลงใน เนฟทีลีนก็จะได้ดีคาลีนกลับคืนมา
ปัจจุบันนักวิจัยหลายๆ สำนักอาศัยเทคนิคเดียวกันนี้กับสารปะกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวชนิดอื่นๆ อาทิเช่น แอมมิโนโบลาน (aminoboranes)เพื่อใช้เป็นตัวพาหะในการกับเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากได้ และ จะปล่อยออกมาในระดับอุณหภูมิปานกลาง
การออกแบบวัสดุบรรจุภัณฑ์
ปัญหาสำคัญอีกประการคือ การหาวัสดุที่มีน้ำหนักเบาที่มีพื้นผิวสัมผัสมากที่สามารถยึด หรือซึมซับโมเลกุลไฮโดรเจนไว้ได้ ซึ่งการพัฒนาของนาโนเทคโนโลยีในปัจจุบันสามารถสร้างวัสดุให้มีพื้นที่หน้าสัมผัสมากถึง 5,000 ตารางเมตร ต่อน้ำหนักวัสดุ 1 กรัม (เทียบได้เท่ากับพื้นที่ 3 เอเคอร์ ต่อวัสดุขนาด 1 ช้อนชา) วัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมเป็นที่น่าจับตาอย่างที่สุด เนื่องจากมีน้ำหนัดเบา ต้นทุนต่ำ และ สามารถนำมาสร้างโครงสร้างทางนาโนได้หลายรูปแบบ อีกทั้งยังสามารถบรรจุไฮโดรเจนได้สูงถึง 5 % ของน้ำหนัก
แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นเดียวกับแบบอื่นๆเช่นกันคือ พันธะโมเลกุลระหว่างคาร์บอน และ ไฮโดรเจนมักไม่ค่อยแข็งแรง ทำให้ไม่ค่อยจะเสถียร จึงต้องรักษาอุณหภูมิไว้ที่ระดับเดียวกับไนโตรเจนเหลว หรือ – 196 องศา C
แต่ถึงแม้ว่าการพัฒนายังไปไม่ถึงจุดที่จะนำมาใช้งานได้จริง แต่ความปรารถนาในการนำเอาไฮโดรเจนมาใช้เป็นพลังงานของมนุษย์ก็ยังคงเหมือนเดิมไม่เปลี่ยนแปลง
อีกแนวทางหนึ่งที่อาจเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานในรถยนต์นั่งได้ แต่มีข้อจำกัดในขั้นตอนของการเติมไฮโดรเจน คือสารเคมีที่ใช้จะต้องนำมาผ่านกระบวนการทางอุตสาหกรรมเพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถทำได้ขณะติดตั้งที่ตัวรถได้จะต้องถอดออกไปดำเนินการในโรงงานเท่านั้น เมื่อ 20 กว่าปีที่ผ่านมา นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ได้ทำการทดลองโดยใช้ ให้ความร้อนแก่ ดีคาลีน ( decalin ) (CH) มันจะกลายสภาพเป็น เนฟทีลีน (naphthalene) ที่จะปลดปล่อย โมเลกุลของไฮโดรเจนออกมา 5 ตัว และการเติมไฮโดรเจนแรงดันสูงลงใน เนฟทีลีนก็จะได้ดีคาลีนกลับคืนมาปัจจุบันนักวิจัยหลายๆ สำนักอาศัยเทคนิคเดียวกันนี้กับสารปะกอบไฮโดรคาร์บอนเหลวชนิดอื่นๆ อาทิเช่น แอมมิโนโบลาน (aminoboranes)เพื่อใช้เป็นตัวพาหะในการกับเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากได้ และ จะปล่อยออกมาในระดับอุณหภูมิปานกลาง
ที่มา: Gassing up with hydrogen: Scientific American, April 2007
...................................................
Fuel Cells พลังงานแห่งอนาคต
โดย สุรัฐ ขวัญเมือง
ธนิษฐ์ ปราณีนรารัตน์
อธิคม เพียงโงก
วรรณศิริ ลิ้มสุขนิรันดร์
ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา แหล่งพลังงานที่ใช้ส่วนใหญ่ได้จาก น้ำมันเชื้อเพลิง แต่ความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้น และแหล่งผลิตที่มีอยู่จำกัด ทำให้เกิดปัญหาการขาดแคลนน้ำมัน จากเหตุดังกล่าว จึงได้มีการค้นคว้า และพัฒนาแหล่งพลังงาน เพื่อทดแทนพลังงานจากน้ำมันเชื้อเพลิง ซึ่งทางเลือกอันหนึ่งก็คือ การใช้เซลล์เชื้อเพลิง
Fuel Cells คืออะไร
เซลล์เชื้อเพลิง คือ อุปกรณ์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี-ไฟฟ้า ระหว่างออกซิเจนกับไฮโดรเจนซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงพลังงานของเชื้อเพลิง ไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ไม่ต้องผ่านการเผาไหม้ ทำให้เครื่องยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงนี้ไม่ก่อมลภาวะทางอากาศ ทั้งยังมีประสิทธิภาพสูงกว่า เครื่องยนต์เผาไหม้ 1-3 เท่า ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง และชนิดของเชื้อเพลิงที่ใช้
เซลล์เชื้อเพลิงมีหลายแบบขึ้นอยู่กับสารที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเช่นเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน ไฮโดรเจน-ไฮดราซีน โพรเพน-ออกซิเจน เป็นต้น และชนิดที่เป็นที่นิยมใช้คือ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจน เพราะเมื่อปฏิกิริยาในเซลล์เกิดขึ้นแล้วนอกจากพลังงานจะได้น้ำบริสุทธิ์ และความร้อนไว้ใช้ตามความเหมาะสมด้วย นอกจากนี้เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ยังไม่ชั้นบรรยากาศโอโซนเพราะไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เช่นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอื่นๆ
เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่วหรือที่เรียกกันโดยทั่วไปว่าแบตเตอรี่มากในด้านที่สามารถอัดประจุใหม่ได้เรื่อยๆ เซลล์เชื้อเพลิงยังไม่เป็นที่นิยมใช้ทั่วไปอย่างแบตเตอรีเพราะต้นทุนการผลิตอุปกรณ์ในครั้งแรกสูงและยังมีอันตรายที่ต้องใช้ความรู้เฉพาะ ควบคุมหลายประการ แต่ในปัจจุบันได้นำมาใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายชนิดเช่น โทรศัพท์มือถือ ปาล์ม notebook
ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง
Fuel Cells มีหลายชนิด แต่ทุกชนิดจะให้กระแสไฟฟ้าออกเป็นไฟฟ้ากระแสตรง(DC) ที่สามารถนำไปขับมอเตอร์ หลอดไฟ หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆได้ โดยชนิดของตัว Fuel Cells จะแบ่งโดยสารเคมีที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเป็นหลัก โดยมีชนิดดังต่อไปนี้
1. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) เป็นชนิดที่ได้รับความนิยมและจะถูกนำไปใช้ในรถยนต์ในอนาคต
2. Alkaline fuel cell (AFC) เป็นชนิดแรกที่มีการสร้างขึ้นมา เคยถูกใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐในช่วงปี 1960 แต่เนื่องระบบไวต่อการปนเปื้อนมาก จึงต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์เท่านั้น ทำให้ระบบมีราคาสูงมาก ไม่สามารถนำมาขายในท้องตลาดได้
3. Phosphoric-acid fuel cell (PAFC) เป็นระบบที่มีแนวโน้มที่จะถูกนำไปใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดเล็ก เนื่องจากทำงานที่อุณภูมิสูงกว่าแบบ PEMFC ทำให้ต้องใช้เวลาในการอุ่นระบบที่นานกว่า ทำให้มันไม่เสถียรในการนำมาใช้ในรถยนต์
4. Solid oxide fuel cell (SOFC) เป็นระบบที่เหมาะสมในการนำมาใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มาก แต่เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงมาก(ประมาณ 1,832 F, 1,000 C) ทำให้มีปัญหาเรื่องเสถียรภาพ แต่ก็มีข้อดีตรงที่ว่า ไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เป็นผลผลิตจากกระบวนการนี้ สามารถนำไปใช้ปั่นกังหันก๊าซต่อได้ ทำให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นอย่างมาก
5. Molten carbonate fuel cell (MCFC) เป็นอีกประเภทหนึ่งที่เหมาะสมสำหรับสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่ แต่ชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่าคือที่ประมาณ 1,112 F หรือ 600 C และยังสามารถให้ไอน้ำความดันสูงเพื่อมาช่วยผลิตกระแสไฟฟ้าได้อีกด้วย และเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า SOFC ทำให้ไม่ต้องใช้วัสดุพิเศษ จึงทำให้ระบบนี้ใช้งบประมาณที่น้อยกว่า
การทำงานของ Fuel Cell
Fuel Cell มีอยู่ด้วยกันหลายประเภท โดยแบ่งตามประเภทของสารพาประจุ (Electrolyte) โดยจะกล่าวถึงการทำงานโดยละเอียดของเซลล์ประเภท Proton exchange membrane
เซลล์เชื้อเพลิงจะแบ่งโครงสร้างออกเป็น 4 ส่วนใหญ่ๆ ได้แก่
1. ขั้วแอโนด (Anode) เป็นขั้วลบ มีหน้าที่ส่งอิเลคตรอนออกจากขั้ว โดยอิเลคตรอนได้จากปฏิกิริยา H2 ==> 2H+ + 2e- โดยที่ขั้วจะมีช่องที่ติดกับตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งฉาบอยู่บนผิวหน้าของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน โดยปฏิกิริยาจะเกิดเมื่อผ่านก๊าซไฮโดรเจนเข้าไป
2. ขั้วแคโทด (Cathode) เป็นขั้วบวก โดยมีช่องติดกับเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ทำหน้าที่รับโปรตอนและก๊าซออกซิเจนซึ่งถูกปล่อยออกมาที่ผิวหน้าของเยื่อซึ่งฉาบตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ และทำหน้าที่รับอิเลคตรอนกลับมาจากวงจรภายนอก เพื่อรวมกันเป็นน้ำ ดังปฏิกิริยา O2 + 4H+ + 4e- ==> 2H2O
3. สารพาประจุ (Electrolyte) เป็นส่วนที่มาความสำคัญ เพราะ เป็นส่วนที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอออนชนิดต่างๆ และเป็นส่วนที่เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภทแตกต่างกัน โดยประเภทที่เรากล่าวถึงอยู่นี้ สารพาประจุ จะเป็นเพียงเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane) เท่านั้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนแผ่นพลาสติกในการทำครัว โดยจะให้โปรตอนผ่านใด แต่จะไม่ยอมให้อิเลคตรอนผ่าน
4. ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เป็นวัสดุพิเศษที่ช่วยให้ปฏิกิริยาในขั้นตอนต่างๆเกิดได้ดี โดยส่วนใหญ่จะเป็นผงแพลทินัมเคลือบอยู่บนเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจะมีลักษณะขรุขระเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการสัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจน และ ออกซิเจน
หลักการทำงาน คือ H2 จะถูกปล่อยไปในด้านแอโนดโดยใช้ความดัน เมื่อก๊าซไปสัมผัสกับตัวเร่งปฏิกิริยา ก็จะเกิดการแตกตัวออกเป็น โปรตอนและอิเลคตรอน โดยอิเลคตรอนจะถูกส่งต่อไปยังวงจรภายนอก ส่วนโปรตอนนั้น จะผ่านช่องของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนไปยังขั้วแคโทด ซึ่งจะไปรวมตัวกับอิเลคตรอนที่รับมาจากวงจรภายนอก รวมไปถึงอะตอมของออกซิเจนซึ่งแตกตัวโดยการเร่งของตัวเร่งปฏิกิริยา เกิดเป็นโมเลกุลของน้ำขึ้นมา ซึ่งการไหลของอิเลคตรอนนี้ จะนำไปใช้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงได้ เพื่อประโยชน์ในงานด้านต่างๆ
แต่เนื่องจาก H2 เป็นก๊าซที่อันตราย เนื่องจากติดไฟได้ จึงไม่เหมาะสมในการบรรจุ หรือ เคลื่อนย้ายไปมา และทำให้จึงมีการพัฒนา Fuel Processor ซึ่งมีหลักการคือ
1. ใช้เครื่อง Reformer เปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนชนิดต่างๆ, H2O และ O2 ให้กลายเป็น H2, CO, CO2
2. ใช้เครื่อง Catalytic Converter เปลี่ยน CO ให้กลายเป็น CO2
3. จากนั้น ก็นำ H2 มาใช้ได้ตามต้องการ ส่วน CO2 ก็ถูกปล่อยสู่อากาศต่อไป
วิธีนี้ นอกจากจะเพิ่มความปลอดภัยแล้ว ยังเป็นการประหยัดอีกด้วย เนื่องจากสามารถเปลี่ยนสารอื่นๆมาเป็น H2 ได้
การใช้ประโยชน์ของเซลล์เชื้อเพลิง
เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนำมาใช้งานได้หลายด้าน ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด และอาจจะกล่าวได้ว่า เป็นเครื่องใช้แห่งอนาคต มีดังนี้
รถยนต์พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง (Automobiles)
คาดกันว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะสามารถแทนที่เครื่องยนต์เบนซินและเครื่องยนต์ดีเซลล์ได้ในปี 2548 รถพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงจะมีลักษณะคล้ายกับรถยนต์พลังงานไฟฟ้ามาก ต่างกันเพียงแค่ใช้ เซลล์เชื้อเพลิงแทนแบตเตอรี่ รถพลังงานเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่จะใช้เมทานอลเป็นเชื้อเพลิง แต่ก็มี บางบริษัทออกแบบรถให้ใช้น้ำมันเบนซิน แต่ในอนาคตเราอาจจะสามารถออกแบบถังเชื้อเพลิงสำหรับ บรรจุไฮโดรเจนได้อย่างปลอดภัย
แหล่งพลังงานพกพา (Portable Power)
เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์พกพา โทรศัพท์มือถือ หรือเครื่องช่วยฟังได้ การใช้งานกับอุปกรณ์เหล่านี้ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้งานได้นานกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป และสามารถประจุไฟ (recharge) ใหม่ได้อย่างรวดเร็วโดยเชื้อเพลิงเหลว หรือแก๊ส
เครื่องผลิตไฟฟ้าภายในบ้าน (Home Power Generation)
ในปี 2545 บริษัท General Electric สามารถผลิตเครื่องผลิตกระแสไฟฟ้าภายในบ้าน ที่ใช้แก๊สธรรมชาติหรือโพรเพนเป็นเชื้อเพลิง และสามารถผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 7 กิโลวัตต์ (เพียงพอสำหรับ ใช้ภายในบ้าน) นอกจากนี้ยังให้พลังงานความร้อนซึ่งสามารถใช้ทำความร้อนภายในบ้านได้อีกด้วย
เครื่องผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ (Large Power Generation)
ด้วยเทคโนโลยีด้านเซลล์เชื้อเพลิงที่ก้าวหน้า ทำให้มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะทดแทนโรงไฟฟ้า พลังงานความร้อนที่ใช้กันอยู่ เซลล์เชื้อเพลิงขนาดใหญ่นั้นมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงกว่าโรงไฟฟ้า ที่มีอยู่ในปัจจุบัน เทคโนโลยีด้านเซลล์เชื้อเพลิงได้ถูกพัฒนาจนสามารถผลิตไฟฟ้าได้โดยตรงจากไฮโดรเจน ในเซลล์เชื้อเพลิง นอกจากนี้ยังสามารถใช้ความร้อนและน้ำที่ได้ ปั่นเทอร์ไบน์เพื่อผลิตไฟฟ้าได้อีกด้วย
Posts
No comments:
Post a Comment