เซลล์เชื่อเพลิงไฮโดรเจน(1)

เรื่องเซลล์เชื ้อเพลิงอวกาศ จัดท าโดย สามเณรอรรถพร อ้วนสอาด ชั ้นมัธยมศึกษาปีที่ 6/1เลขที่ 3 เสนอ อาจารย์บัณฑิต ผ่องผึ ้ง รายงานเล่มนี ้เป็นส่วนหนึ่งของวิชาเคมี ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2561 โรงเรียนมหาวชิราลงกรณ์ราชวิทยาลัย

ค าน า รายงานเล่มนี ้จัดท าขึ ้นเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของวิชาเคมีชั ้นมัธยมศึกษาปีที่ 6/1เพื่อไห้ได้ ศึกษาหาความรู้ในเรื่องเซลล์เชื ้อเพลิงอวกาศและได้ศึกษาอย่างเข้าใจเพื่อเป็น ประโยชน์แก่การเรียน ผู้จะท าหวังว่า รายงานเล่มนี ้จะเป็นประโยชน์กับผู้อ่านหรือนักเรียนที่ก าลังหาข้อมูล เรื่องนี ้อยู่หากมีข้อแนะน าหรือข้อผิดพลาดประการใดผู้จัดท าขอน้อมรับไว้และขออภัย มา ณ ที่นี ้ด้วย ผู้จัดท า สามเณรอรรถพร อ้วนสอาด ชั ้นมัธยมศึกษาปีที่ 6/1

บทน ำ ควำมส ำคัญของเซลล์เชื่อเพลิงไฮโดรเจน ปัจจุบันเป็นยุคที่ผู้คนแสวงหาแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม หนึ่ง ในชื่อที่ หลายคนพูดถึงย่อมต้องมีเชื ้อเพลิงไฮโดรเจนปรากฎอยู่ เพราะนี่คือพลังงานที่มีการ เผาไหม้อย่างสะอาดปราศจากการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นต้นตอของ ภาวะโลกร้อนเเละยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ก๊าซไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดเเละ เป็ นธาตุที่พบมากที่สุดในเอกภพร่วมไปถึงยังเป็ นส่วนประกอบของน ้าที่เป็ น สารประกอบมากที่สุดบนโลก

เซลล์กัลวำนิก เซลล์กัลวานิกในเชิงพาณิชย์ คือ เซลล์กัลวานิกที่ผลิตขึ ้นมาเพื่อท าการค้าขายในเชิง พาณิชย์ จ าแนกออกเป็น 2 ประเภทดังนี ้ เซลล์ปฐมภูมิ (Primary cell) เซลล์ปฐมภูมิ คือ เซลล์ไฟฟ้าประเภทหนึ่งที่เมื่อสร้างเสร็จแล้วน าไปใช้เพื่อ จ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้ทันที เมื่อใช้ไปแล้วส่วนประกอบบางส่วนจะหมดเปลืองไป โดยไม่กลับคืนเป็นสภาพเดิมได้อีก หรือไม่สามารถน ากลับไปอัดไฟและน ากลับมา ใช้ได้อีก เช่น เซลล์ดาเนียล เซลล์แห้ง เป็นต้น เซลล์ทุติยภูมิ (Secondary cell หรือ Reversible cell) เซลล์ทุติยภูมิ คือ เซลล์ไฟฟ้าประเภทหนึ่งที่เมื่อสร้างเสร็จแล้วต้องน าไปอัดไฟ เสียก่อนแล้วจึงจะน าไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกได้ เมื่อใช้ไปแล้วส่วนประกอบ บางส่วนจะหมดเปลือง และแปรสภาพไป แต่อาจท าให้กลับคงสู่สภาพเดิมได้อีก โดยน าเซลล์ไฟฟ้าอัดไฟใหม่ เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์นิกเกิล - แคดเมียม เป็นต้น

เซลล์เชื ้อเพลิง (Fuel cells) ความหมายของเซลล์เชื ้อเพลิง เซลล์เชื ้อเพลิง(Fuelcells)คืออุปกรณ์ที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านกระบวนการ ทางเคมีไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนให้กลายเป็นพลังงาน ไฟฟ้า โดยไม่ผ่านปฏิกิริยาการเผาไหม้ จึงไม่ก่อให้เกิดมลภาวะทางอากาศ จึงเป็น พลังงานสะอาด และยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานจากการเผาไหม้ เชื ้อเพลิงถึง2-3เท่า สารตั ้งต้นที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์เชื ้อเพลิงได้แก่ ก๊าซH2ที่ด้าน Anodeและก๊าซ O2ที่ด้าน Cathode ดังภาพโดยปกติแล้วเมื่อมีสารตั ้งต้นไหลเข้าสู่ระบบ สาร ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ ้นก็จะไหลออกจะระบบไปด้วย ดังนั ้นการท างานของเซลล์เชื ้อเพลิง จึงด าเนินต่อไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่เราสามารถควบคุมการไหลได้

กำรท ำงำนของ Fuel Cells การท างานของเซลล์เชื ้อเพลิง ประกอบไปด้วย 4 ส่วนที่ส าคัญ ได้แก่ 1.ขั ้วแอโนด (Anode)เป็นขั ้วลบ มีหน้าที่ส่งอิเล็กตรอนออกจากขั ้ว โดย อิเล็กตรอนได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือ H2➔ 2H++ 2e-โดยที่ขั ้วจะมีช่องที่ติด กับตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งฉาบอยู่บนผิวหน้าของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ปฏิกิริยาจะ เกิดขึ ้นเมื่อผ่านก๊าซไฮโดรเจนเข้าไป 2.ขั ้วแคโทด (Cathode)เป็นขั ้วบวก โดยมีช่องติดกับเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ท าหน้าที่รับโปรตอนและก๊าซออกซิเจนซึ่งถูกปล่อยออกมาที่ผิวหน้าของเยื่อซึ่งฉาบ ตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ และท าหน้าที่รับอิเล็กตรอนกลับมาจากวงจรภายนอก เพื่อ รวมกันเป็นน ้า ดังปฏิกิริยารีดักชัน O2+ 4H++ 4e-➔ 2H2O 3.สารพาประจุ (Electrolyte)เป็นสารที่ท าให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอออนชนิด ต่างๆ และเป็นส่วนที่เซลล์เชื ้อเพลิงแต่ละประเภทแตกต่างกัน โดยประเภทที่เรา กล่าวถึงอยู่นี ้ สารพาประจุ จะเป็นเพียงเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane) เท่านั ้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนแผ่นพลาสติกโดยจะให้โปรตอนผ่านได้ แต่ จะไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน 4.ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst)เป็นตัวช่วยให้ปฏิกิริยาในขั ้นตอนต่างๆ เกิดได้ดี ยิ่งขึ ้น ส่วนใหญ่จะเป็นผงแพลทินัมเคลือบอยู่บนเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจะมี ลักษณะขรุขระเพื่อเพิ่มพื ้นที่ผิวในการสัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจน และ ออกซิเจน

ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง การแบ่งชนิดของเซลล์เชื ้อเพลิงจะแบ่งตามสารเคมีที่ใช้ในการผลิตพลังงาน ได้แก่ 1.Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)เป็นชนิดที่ได้รับความ นิยมและจะถูกน าไปใช้ในรถยนต์ในอนาคต 2. Alkaline fuel cell (AFC)เป็นชนิดแรกที่มีการสร้างขึ ้นมา เคยถูกใช้ในโครงการ อวกาศของสหรัฐในช่วงปี 1960 แต่เนื่องระบบไวต่อการปนเปื ้อนมาก จึงต้องใช้ไฮโดรเจน และออกซิเจนบริสทุธิ์เท่านนั้ท าให้ระบบมีราคาสงูมาก ไม่สามารถน ามาขายในท้องตลาด ได้ 3.Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)เป็นระบบที่มีแนวโน้มที่จะถูก น าไปใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดเล็ก เนื่องจากท างานที่อุณภูมิสูงกว่าแบบ PEMFC ท าให้ต้องใช้เวลาในการอุ่นระบบที่นานกว่า ท าให้มันไม่เสถียรในการ น ามาใช้ในรถยนต์ 4.Solid oxide fuel cell (SOFC)เป็นระบบที่เหมาะสมในการน ามาใช้ในสถานี ไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มาก แต่เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี ้ ท างานที่อุณหภูมิที่สูงมาก(ประมาณ 1,832 F, 1,000 C) ท าให้มีปัญหาเรื่อง เสถียรภาพ แต่ก็มีข้อดีตรงที่ว่า ไอน ้าอุณหภูมิสูงที่เป็นผลผลิตจากกระบวนการนี ้ สามารถน าไปใช้ปั่นกังหันก๊าซต่อได้ ท าให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ ้นอย่างมาก 5.Molten carbonate fuel cell (MCFC)เป็นอีกประเภทหนึ่งที่เหมาะสม ส าหรับสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่แต่ชนิดนี ้ท างานที่อุณหภูมิที่ต ่ากว่าคือที่ประมาณ 1,112 F หรือ 600 C และยังสามารถให้ไอน ้าความดันสูงเพื่อมาช่วยผลิตกระแสไฟฟ้า

ได้อีกด้วย และเนื่องจากท างานที่อุณหภูมิที่ต ่ากว่า SOFC ท าให้ไม่ต้องใช้วัสดุพิเศษ จึงท าให้ระบบนี ้ใช้งบประมาณที่น้อยกว่า เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง (Fuel Cells Technology) เทคโนโลยีเซลล์เชื ้อเพลิง Fuel Cells เป็นเครื่องก าเนิดพลังงานแห่งอนาคต ที่องค์การ NASA ใช้ในยานอวกาศ Apollo โดยมีทองค าขาว (Platinum,Pt) เป็น ส่วนประกอบส าคัญของเซลล์เชื ้อเพลิง เทคโนโลยีเซลล์เชื ้อเพลิงมีวิธีการสร้ าง พลังงานโดยใช้หลักการไฟฟ้าเคมี ที่เปลี่ยนรูปพลังงานเคมีของเชื ้อเพลิงไปเป็น พลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง ไม่ต้องผ่านกระบวนการเผาไหม้ เชื ้อเพลิงส าหรับเซลล์ เชื ้อเพลิง คือ ไฮโดรเจน (H2) และออกซิเจน (O2) เชื ้อเพลิงหลักของเซลล์เชื ้อเพลิงใน ขณะที่ผลิตไฟฟ้า คือ ไฮโดรเจน (H2) ส่วนออกซิเจน (O2) จะใช้ในปริมาณที่น้อยกว่า มาก โดยผลลัพธ์ที่เกิดขึ ้นจากการผลิตพลังงานไฟฟ้าของเซลล์เชื ้อเพลิง คือ น ้า บริสทุธิ์(H2O) เหตุผลหลักๆที่น ามาใช้เป็นเชื ้อเพลิง 1.ปริมาณพลังงานสูงต่อหน่วยน ้าหนักเพราะย่านอวกาศต้องการพลังงาน มหาศาลเเต่พื ้นที่บรรทุกมีจ ากัดจึงเหมาะกับเชื่อเพลิงไฮโดรเจน 2.เชื ้อเพลิงไฮโดรเจนมีน ้าหนักเบาไม่มีสีไม่มีกลิ่น 3.ไม่มีการเผาไหม้ที่เกิดการคาร์บอนไดออกไซด์ท าให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ประเภทของเชื้อ เพลิงไฮโดรเจน (Types of hydrogen fuel) การจ าแนกประเภทของเชื ้อเพลิงไฮโดรเจนนั ้นแบ่งออกเป็น 3 สีหลัก ได้แก่ ไ ไฮโดรเจนสีเทา (Grey hydrogen) ไฮโดรเจนสีน ้าเงิน (Blue hydrogen) ไฮโดรเจนสี เขียว (Green hydrogen) โดยจ าแนกจากชนิดของแหล่งพลังงานและวิธีในการผลิต ไฮโดรเจน ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้จากก๊าซธรรมชาติ ถ่านหิน หรือชีวมวล แต่แหล่ง พลังงานเหล่านี ้มีการปล่อยก๊ าซเรือนกระจก (greenhouse gas) ซึ่งการผลิต ไฮโดรเจนสามารถท าได้ โดยใช้ กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสเพื่อแยกน ้าออกเป็ น ออกซิเจนและไฮโดรเจน ทั ้งนี ้ สามารถประเภทของไฮโดรเจนตามแหล่งและ กระบวนการผลิต และใช้ “สี” ต่าง ๆ ในการเรียกชื่อ โดยมีสีที่ใช้เรียกกระบวนการผลิต หลักทั ้งหมด 4 สี ได้แก่ ไฮโดรเจนสีเทา (Grey hydrogen) ไฮโดรเจนสีเทาคือไฮโดรเจนที่ผลิตขึ ้นโดยใช้ เชื ้อเพลิงฟอสซิล เช่น ก๊าซ ธรรมชาติหรือถ่านหิน ไฮโดรเจนสีเทาคิดเป็นประมาณ 95% ของไฮโดรเจนที่ผลิตได้ ในโลกในปัจจุบัน กระบวนผลิตนี ้จะปล่อยคาร์ บอนไดออกไซด์ (CO2) ถ้ า คาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยสู่ชั ้นบรรยากาศ ไฮโดรเจนที่ผลิตขึ ้นจะเรียกว่า ไฮโดรเจนสีเทา ดั ้งนั ้นไฮโดรเจนสีเทาไม่ถือเป็นเชื ้อเพลิงคาร์บอนต ่า ไฮโดรเจนสีน ้าตาล (brown hydrogen) ไฮโดรเจนสีน ้าตาล (brown hydrogen)ผลิตจากถ่านหินผ่านกระบวนการแก๊ส ซิฟิ เคชัน (gasification) ซึ่งมี CO2 เป็นผลิตภัณฑ์ร่วมโดยมีสัดส่วน CO2 ต่อ ไฮโดรเจนที่ผลิตได้สูงกว่าไฮโดรเจนสีเทา

ไฮโดรเจนสีน ้าเงิน (Blue hydrogen) ไฮโดรเจนสีน ้าเงินคล้ายกับไฮโดรเจนสีเทา ยกเว้นว่าการปล่อย CO2 ส่วนใหญ่ จะถูกกักเก็บ (เก็บไว้ในพื ้นดิน) โดยใช้การดักจับและกักเก็บคาร์บอน(CCS: Carbon Capture and Storage)[4] การจับและจัดเก็บคาร์บอนไดออกไซด์แทนที่จะปล่อยสู่ ชั ้นบรรยากาศจึงท าให้ไฮโดรเจนสีน ้าเงินเป็นเชื ้อเพลิงคาร์บอนต ่าได้ ไฮโดรเจนสีน ้า เงินเป็นทางเลือกที่สะอาดกว่าไฮโดรเจนสีเทาแต่มีราคาแพงเนื่องจากใช้เทคโนโลยี การดักจับคาร์บอน ไฮโดรเจนสีเขียว (green hydrogen ไฮโดรเจนสีเขียว (green hydrogen):ผลิตจากกระบวนการแยกไฮโดรเจนจาก น ้าด้วยพลังงานไฟฟ้า (electrolysis) ที่ได้มาจากพลังงานหมุนเวียน อาทิ พลังงาน แสงอาทิตย์และพลังงานลม **กระบวนการแยกน ้าด้วยไฟฟ้า (electrolysis) นอกจากนี ้ ยังมีไฮโดรเจนสีอื่น ๆ ได้แก่ ไฮโดรเจนสีฟ้าน ้าทะเล (turquoise hydrogen): ผลิตจากมีเทนด้วยความร้อน (methane pyrolysis) โดยได้คาร์บอน (ของแข็ง) เป็นผลิตภัณฑ์ร่วมไฮโดรเจนสีชมพู (pink hydrogen): ผลิตจากกระบวนการแยกไฮโดรเจนจากน ้าด้วยพลังงานไฟฟ้า (electrolysis) ที่ได้มาจากพลังงานนิวเคลียร์ไฮโดรเจนสีเหลือง (yellow hydrogen): ผลิตจากกระบวนการแยกไฮโดรเจนจากน ้าด้วยพลังงานไฟฟ้า (electrolysis) ที่ได้มา จากแหล่งพลังงานหลากหลาย (mixed sources)ไฮโดรเจนสีขาว (white hydrogen): เป็นไฮโดรเจนที่เป็นผลพลอยได้จากกระบวนการทางอุตสาหกรรม

บรรณานุกรม https://www.changfi.com/fix/2021/11/14/electriccell/# https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7156-fuel-cells https://www.fuelcell.co.th/home/article?article_id=155 https://ienergyguru.com/2022/06/types-of-hydrogen-fuel/