Fuel cell

เ ซ ล ล์ เ ชื้ อ เ พ ลิ ง

FUEL
CELLS

นายสิรภัทร กันหา เลขที่ 21 ม.6.13

คำนำ

E-Book เล่มนี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชาวิทยาศาสตร์กายภาพ
ว30101 ระดับชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ภาคเรียนที่ 2 ปีการศึกษา 2564

โดยมีหัวข้อคือ เซลล์เชื้อเพลิงประกอบไปด้วย การกำเนิดของเซลล์
เชื้อเพลิง ประเภท ข้อดี และข้อเสีย และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

ผู้จัดทำหวังเป็นอย่างยิ่งว่า E-Book เล่มนี้จะเป็นประโยชน์ต่อผู้ที่
กำลังศึกษาหาความรู้อยู่ หากมีข้อผิดพลาดประการใดก็ขออภัยมา ณ
ที่นี้ด้วย

ผู้จัดทำ

FUEL CELLS คืออะไร

พลังงานเป็นปัญหาสำคัญของโลกในอนาคตเนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่ที่ใช้ใน
ปัจจุบันกำลังหมดไปอย่างรวดเร็วหากใช้เพิ่ มขึ้นด้วยอัตราปัจจุบันเช่นก๊าซ
ธรรมชาติจะหมดไปในราว 20-30 ปีน้ำมันจะหมดไปใน 30-40 ปีและถ่านหินจะหมด
ไปในราว 80-100 ปีเป็นต้นดังนั้นจึงมีความพยายามในการวิจัยและพัฒนาเพื่อ
ค้นหาพลังงานรูปแบบใหม่ที่สามารถนำมาใช้ทดแทนpในเชิงพาณิชย์ได้ในอนาคต
เซลเชื้อเพลิงเป็นนวัตกรรมใหม่ที่มีการพั ฒนาอย่างรวดเร็วจนใกล้ที่เข้าสู่การใช้
งานในชีวิตประจำวันได้บทความนี้มุ่งนำเสนอประวัติความเป็นมาเทคโนโลยี
พั ฒนาการที่เกิดขึ้นในโลกและการวิจัยและพั ฒนาที่เกิดขึ้นในประเทศไทยด้วย

เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cells) คือ
อุปกรณ์ที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่าน
กระบวนการทางเคมีไฟฟ้า โดยการ
เปลี่ยนโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจน
ให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยไม่ผ่าน
ปฏิกิริยาการเผาไหม้ จึงไม่ก่อให้เกิด
มลภาวะทางอากาศ จึงเป็นพลังงาน
สะอาด และยังมีประสิทธิภาพสูงกว่า
เครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานจากการเผา

ไหม้เชื้อเพลิงถึง 2-3 เท่า

สารตั้งต้นที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์เชื้อเพลิงได้แก่ ก๊าซH2ที่ด้าน Anodeและ
ก๊าซO2ที่ด้าน Cathode ดังภาพโดยปกติแล้วเมื่อมีสารตั้งต้นไหลเข้าสู่ระบบ สาร
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นก็จะไหลออกจะระบบไปด้วย ดังนั้นการทำงานของเซลล์เชื้อ
เพลิงจึงดำเนินต่อไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่เราสามารถควบคุมการไหลได้

กำเนิดเซลล์เชื้อเพลิง

กว่า 170 ปีมาแล้ว Sir William Robert
Grove ศาสตราจารย์สาขาปรัชญาการ
ทดลองที่ The Royal Institution ในกรุง
ลอนดอนทำการผลิตและทดลองเซลล์เชื้อ
เพลิงเป็นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1838 ต่อมา
ท่านได้รับการยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งเซลล์
เชื้อเพลิงท่านทำการทดลองในเรื่องกระบวน
การอิเล็กโทรไลซิส (Electrolysis) โดยใช้
กระแสไฟฟ้าแยกน้ำให้เป็นไฮโดรเจนและ
ออกซิเจนอันนำมาสู่อุปกรณ์ชิ้นหนึ่งที่ต่อมา
เรียกว่า“ เซลล์เชื้อเพลิง” โดยคิดผลิตกระแส
ไฟฟ้าจากปฏิกิริยาระหว่างออกซิเจนกับ
ไฮโดรเจน

นอกจากนี้ยังมีนักวิจัยอีกหลายคนที่ได้เป็นผู้ประดิษฐ์ค้นค้นเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้
อิเล็กโตรไลต์ต่างกันไปเช่น Ludwid Mond และ Charles Langer ประดิษฐ์
เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้งานได้จริงโดยการใช้อากาศและก๊าซถ่านหิน William White
Jacques ใช้กรดฟอสฟอริกเป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์เป็นคนแรก

ในปี ค.ศ. 1950 หลักการการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงที่ Grove ได้คิดไว้ได้รับ
ความสนใจอีกครั้งโดยความต้องการเทคโนโลยีระบบพลังงานไฟฟ้าขนาดเล็ก
เพื่ องานด้านอวกาศและการทหารยานอวกาศและเรือดำน้ำต้องการระบบ
พลังงานไฟฟ้าซึ่งต้องไม่ใช่เทคโนโลยีเครื่องยนต์สันดาปภายในและอีก 10 ปีต่อ
มาองค์การนาซ่า (National Aeronautics and Space Administration,
NASA) ได้ทุ่มงบประมาณถึง 10 ล้านเหรียญสหรัฐเพื่อพัฒนาเชื้อเพลิงสำหรับ
โครงการ Apollo ซึ่งใช้หลักการของ Bacon เพื่อผลิตน้ำดื่มและพลังงานและ
เป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติการใช้พลังงานของโลกในอนาคต United
Technologies (UTX) เป็น บริษัท แรกที่ได้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิงและสร้างเซลล์
เชื้อเพลิงให้องค์การนาซา

ส่วนประกอบของเซลล์เชื้อเพลิง

1.ขั้วแอโนด (Anode)เป็นขั้วลบ มีหน้าที่ส่งอิเล็กตรอนออก
จากขั้ว โดยอิเล็กตรอนได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือ
H2==> 2H++ 2e-โดยที่ขั้วจะมีช่องที่ติดกับตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่ง
ฉาบอยู่บนผิวหน้าของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ปฏิกิริยาจะเกิด
ขึ้นเมื่อผ่านก๊าซไฮโดรเจนเข้าไป

2.ขั้วแคโทด (Cathode)เป็นขั้วบวก โดยมีช่องติดกับเยื่อแลก
เปลี่ยนโปรตอน ทำหน้าที่รับโปรตอนและก๊าซออกซิเจนซึ่งถูก
ปล่อยออกมาที่ผิวหน้าของเยื่อซึ่งฉาบตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้

และทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนกลับมาจากวงจรภายนอก เพื่อรวม
กันเป็นน้ำ ดังปฏิกิริยารีดักชัน O2+ 4H++ 4e-==> 2H2O

3.สารพาประจุ (Electrolyte)เป็นสารที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของ
ไอออนชนิดต่างๆ และเป็นส่วนที่เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภทแตก
ต่างกัน โดยประเภทที่เรากล่าวถึงอยู่นี้ สารพาประจุ จะเป็นเพียง
เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane)
เท่านั้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนแผ่นพลาสติกโดยจะให้โปรตอนผ่าน
ได้ แต่จะไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน

4.ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst)เป็นตัวช่วยให้ปฏิกิริยาในขั้นตอน
ต่างๆ เกิดได้ดียิ่งขึ้น ส่วนใหญ่จะเป็นผงแพลทินัมเคลือบอยู่บน
เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจะมีลักษณะขรุขระเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว

ในการสัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจน และ ออกซิเจน

ประเภทของ
เซลล์เชื้อเพลิง

Proton exchange membrane
fuel cell (PEMFC)

Proton Exchange Membrane fuel
cells เป็นเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานยนต์ ซึ่ง
ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (Hydrogen fuel)
กับออกซิเจน (Oxygen gas) ในอากาศ
เพื่ อมาผลิตพลังงานไฟฟ้าสำหรับใช้ในยาน
ยนต์ไฟฟ้า (Electric Vehicle) ซึ่งผู้พัฒนา
ระบบเซลล์เชื้อเพลิงนี้คือ บริษัท Ballard
Power System เซลล์เชื้อเพลิง PEM นี้จะ
คล้ายๆ กับแบตเตอร์รี่ที่ประกอบรวมกัน
เป็นกล่องใหญ่ โดย PEM fuel cells นี้
โดยแต่ละเซลล์ของ PEM นี้ผลิตแรงดัน
ไฟฟ้าน้อยกว่า 1.6 โวลต์

นำมาประยุกต์ใช้กับยานยนต์ที่หลาก
หลายเช่น รถยนต์ รถโดยสาร หรือ
รถบรรทุก เพียงแค่นำ PEM fuel
cell มาต่อรวมกันให้ได้ไฟฟ้าที่
เพี ยงพอต่อการใช้งาน

Alkaline fuel cell (AFC)

เป็นชนิดแรกที่มีการสร้างขึ้นมา เคยถูกใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐในช่วง
ปี 1960 แต่เนื่องระบบไวต่อการปนเปื้ อนมาก จึงต้องใช้ไฮโดรเจนและ
ออกซิเจนบริสุทธิ์เท่านั้น

เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุด (50–70%) มีราคาสูงมาก ดังนั้นเซลล์เชื้อ
เพลิงชนิดนี้จะถูกใช้ในงานด้านอวกาศ เป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากมีประสิทธิภาพ สูงสุด
อุณหภูมิขณะที่ทำงานอยู่ต่ำกว่า 80 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ของเสียที่ได้จากเซลล์เชื้อ
เพลิงคือ น้ำบริสุทธ์ ซึ่งนักบินอวกาศสามารถใช้บริโภคได้

Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแบบกรดฟอสฟอริก
ใช้กรดฟอสฟอริก(H3PO4) เป็น
สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ไฮโดรเจน
ไอออนเคลื่อนที่ผ่านสารละลายอิเล็ก
โทรไลต์จากแอโนดไปยังแคโทด
อิเล็กตรอนซึ่งเกิดที่ขั้วแอโนดให้
กระแสไฟฟ้าและกลับไปที่ขั้วแคโทด
ซึ่งที่ขั้วแคโทด อิเล็กตรอนรวมตัว
กับไฮโดรเจนไอออนและแก๊ส
ออกซิเจนเกิดเป็นน้ำ ซึ่งใช้แพลตินัม
เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

เป็นระบบที่มีแนวโน้มที่จะถูกนำไปใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดเล็ก นักวิจัยที่ Los Alamos
National Laboratory ศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงแบบกรดฟอสฟอริก เพื่อนำไปพัฒนา
ยานพาหนะไฟฟ้า มหาวิทยาลัย Georgetown พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้เพื่อใช้ใน
รถประจำทางขนส่ง ซึ่งให้กำลังไฟฟ้า 50 กิโลวัตต์ เนื่องจากทำงานที่อุณภูมิสูงกว่า
แบบ PEMFC ทำให้ต้องใช้เวลาในการอุ่นระบบที่นานกว่า ทำให้มันไม่เสถียรในการนำ
มาใช้ในรถยนต์

Solid oxide fuel cell (SOFC)

เป็นระบบที่เหมาะสมในการนำมาใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากสามารถผลิต
กระแสไฟฟ้าได้มาก แต่เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงมาก(ประมาณ
1,832 F, 1,000 C) ทำให้มีปัญหาเรื่องเสถียรภาพ แต่ก็มีข้อดีตรงที่ว่า ไอน้ำ
อุณหภูมิสูงที่เป็นผลผลิตจากกระบวนการนี้ สามารถนำไปใช้ปั่ นกังหันก๊าซต่อได้
ทำให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่ มขึ้นอย่างมาก

การใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิง หน่วยผลิตไฟฟ้าขนาด 220 กิโล
แบบโซลิดออกไซด์สำหรับครัว วัตต์ ประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิง
เรือนขนาด 1 kW ของบริษัท แบบโซลิดออกไซด์ และเครื่องกังหัน
Sulzer Hexis ที่จ่ายทั้งกระแส แก๊ส (micro turbine) ผลิตโดย
ไฟฟ้าและน้ำร้อน
Siemens Westinghouse

Molten carbonate fuel

cell (MCFC)

เซลล์เชื้อเพลิงแบบโซลิดออกไซด์
เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้สารเซรามิก
เป็นอิเล็กโตรไลต์ ซึ่งสารที่ใช้มากคือ
สารประกอบของเซอร์โคเนีย โดยให้
ความร้อนสารละลายอิเล็กโทรไลต์
1,000 องศาเซลเซียส ไอออน
ออกซิเจนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยัง
แอโนด แก๊สไฮโดรเจนซึ่งอยู่ที่ขั้ว
ไฟฟ้าแอโนดทำปฏิกิริยากับไอออน
ออกซิเจนให้น้ำและอิเล็กตรอน ซึ่ง
อิเล็กตรอนจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

เซลล์เชื้อเพลิงแบบโซลิดออกไซด์ เป็น
เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้สารเซรามิกเป็นอิเล็ก
โตรไลต์ ซึ่งสารที่ใช้มากคือ สารประกอบ
ของเซอร์โคเนีย โดยให้ความร้อนสารละ
ลายอิเล็กโทรไลต์ 1,000 องศา
เซลเซียส ไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่จาก
แคโทดไปยังแอโนด แก๊สไฮโดรเจนซึ่ง
อยู่ที่ขั้วไฟฟ้าแอโนดทำปฏิกิริยากับ
ไอออนออกซิเจนให้น้ำและอิเล็กตรอน
ซึ่งอิเล็กตรอนจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง

1.ได้พลังงานที่มีความปลอดภัย

2.ลดการนำเข้าแก๊สธรรมชาติและน้ำมันดิบ
3.พลังงานที่เกิดขึ้นมามีความน่าเชื่อถือในการให้กระแส
ไฟฟ้าและมีประสิทธิภาพสูง

4.ราคาในการติดตั้งไม่สูง

5.กำลังการผลิตสูงสามารถใช้กับอุตสาหกรรมยานยนต์แทนการ
ใช้น้ำมันเบนซิน ดีเซลได้

6.การหาวัตถุดิบเช่นแก๊สไฮโดรเจนหรือออกซิเจนสามารถ
หาได้งานจากหลายแห่ง

7.ในระบบเครื่องยนต์สามารถลดปัญหามลพิ ษทางเสียงได้

ผลเสียของเซลล์เชื้อเพลิง

การกักเก็บแก๊สไฮโดรเจน เพื่อนำไปใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิงทำได้ยาก
ปัญหานี้จึงเป็นปัญหาที่สำคัญที่สุด ปัจจุบันนักวิจัยพยายามแก้ปัญหานี้
โดยผลิตอุปกรณ์ชนิดหนึ่ง เรียกว่า รีฟอร์มเมอร์ (reformer) มีหน้าที่
เปลี่ยนสารไฮโดรคาร์บอน(เมทานอล, แก๊สโพรเพน) หรือแอลกอฮอล์ให้
เป็นไฮโดรเจน แต่การออกแบบรีฟอร์มเมอร์ยังไม่สมบูรณ์ ขณะใช้งานมี
ความร้อนเกิดขึ้นและได้แก๊สอื่นออกมาด้วย ทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์
เชื้อเพลิงลดลง

สถานีเติมเชื้อเพลิง เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงต้องใช้พลังงานจากแก๊ส
ไฮโดรเจน จำเป็นต้องลงทุนใช้จำนวนเงินที่มาก ที่จะต้องสร้างสถานี
เติมเชื้อเพลิง

การเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึ งประสงค์หลายอย่างเกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าและตัวเร่ง
ปฏิกิริยา เช่น เกิดการปนเปื้ อนจากสารอื่น ซึ่งในขณะนี้ยังไม่มีขั้วไฟฟ้า
ชนิดใดที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสำหรับการทำงานเป็นเวลานาน ๆ
โดยไม่มีการปนเปื้ อนจากสารอื่น การรั่วเซลล์เชื้อเพลิงเกิดการรั่วได้ง่าย
เพราะสารที่ใช้เป็นเบสแก่

แหล่งที่มา

เซลล์เชื้อเพลิง https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7156-
fuel-cells



พลังงานไฮโดรเจน เชื้อเพลิงไฮโดรเจน
http://www.theenergy.biz/Hydrogen1.html



เซลล์เชื้เพลิงกับการนาไปใช้งาน โดย ธนารัฐ สิง
หาhttp://teenet.cmu.ac.th/emac/journal/2002/16/05.php



เซลล์เชื้อเพลิง พลังงานสะอาดแห่งอนาคต http://www.ku.ac.th/e-

magazine/sep51/agri/agri4.htm



เซลล์เชื้อเพลิง https://th.m.wikipedia.org/wiki/เซลล์เชื้อเพลิง