เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง PEM Fuel Cells เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ประกอบไปด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้ว แอโนดและแคโทด สามารถสร้างไฟฟ้าด้วยหลักการเคมีไฟฟ้า โดยการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันที่ขั้วอิเล็กโทรดแต่ละด้าน เชื้อเพลิงหลักที่ใช้คือก๊าซไฮโดรเจน (H2) จะถูกป้อนเข้าที่ขั้วแอโนด ส่วนก๊าซออกซิเจนจะเข้าทางขั้วแคโทดทำหน้าที่เป็นสารออกซิแดนท์และใช้ในปริมาณที่น้อยกว่าเชื้อเพลิงหลักไฮโดรเจน ผลของปฏิกิริยาทางเคมีทำให้เกิดไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอน (e-) ที่หลุดออกมาจากอะตอมของไฮโดรเจน (H2) ผลลัพธ์ที่ได้จากการทำงานของ เซลล์เชื้อเพลิง คือ ไฟฟ้ากระแสตรง,ความร้อน และน้ำบริสุทธิ์
การอธิบายตามทฤษฎีหลักการทางเคมีปฏิกิริยาที่เกิดขั้นภายในเซลล์เชื้อเพลิงตามรูป มี 3 สมการดังนี้
สมการที่ (1) ไฮโดรเจน (H2) จะถูกป้อนเข้าที่ขั้วแอโนด เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันทำให้อิเล็คตรอน (e-) ของไฮโดรเจนหลุดออก และไฮโดรเจนที่สูญเสียอิเล็คตรอน (e-) จะเหลือเพียงนิวตรอนและโปรตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนทำให้ไฮโดรเจนเปลี่ยนไปอยู่ในรูป (H+) ขั้นตอนนี้คือตัวบ่งบอกประสิทธิภาพการสร้างไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell โดยวัตถุดิบที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีที่สุด คือ แพลทินัม (Pt) หรือทองคำขาว
สมการที่ (2) ไฮโดรเจน (H+) จะเคลื่อนที่จากขั้วแอโนดไปขั้วแคโทดโดยผ่าน แผ่นเมมเบรน ซึ่งอยู่ตรงกลางระหว่างขั้วทั้งสอง โดยแผ่นเมมเบรนมีคุณสมบัติในการนำโปรตอนสูง (High proton conductivity) แต่จะไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน (Electron barrier) ทำให้อิเล็กตรอน (e-) ไม่สามารถเคลื่อนที่จากขั้วแอดโนดไปขั้วแคโทดผ่านแผ่นเมมเบรนตรงกลางขั้วเหมือนไฮโดรเจน (H+) ได้ โดยอิเล็กตรอน (e-) จะเคลื่อนที่ขั้นไปด้านบนของขั้วแอโนด และจะสามารถเคลื่อนที่จากขั้วแอโนดไปขั้วแคโทดผ่านการต่อวงจรไฟฟ้าภายนอก (ตามรูป) หลังจากที่ ไฮโดรเจน (H+) และอิเล็กตรอน (e-) เคลื่อนที่ไปยังขั้วแคโทดจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (O2) เกิดปฏิกิริยารีดักชัน รวมตัวกันกลายเป็น น้ำ (H2O)
สมการที่ (3) จะสังเกตเห็นว่าพลังงานไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็คตรอน (e-) จากอะตอมของเชื้อเพลิงไฮโดรเจน (H2) ซึ่งเมื่อเคลื่อนที่ระหว่างขั้วไฟฟ้าแล้วไม่ได้มีการสูญหายไปไหน กลับไปรวมตัวกับไฮโดรเจนที่อยู่ในรูป (H+) และทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (O2) กลายเป็นน้ำ
หลักการสร้างไฟฟ้านี้ส่งผลให้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพในการสร้างพลังงานที่สูงถึง 40-60% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพการสร้างพลังงานด้วยวิธีการอื่นและไม่มีมลพิษใดๆ ออกมาจากระบบเลย Zero Emission ยกตัวอย่างการสร้างพลังงานที่มีการสูญเสียหรือการ loss ที่สูงเช่น การเผาไหม้หรือการจุดระเบิดในเครื่องยนต์น้ำมันที่มีการสูญเสียพลังงานไปกับกระบวนการการเผาไหม้เชื้อเพลิงและมีมลพิษที่สูง
ผู้สนใจต้นแบบเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell สำหรับสถาบันการศึกษา,บริษัทเอกชนด้านพลังงานและยานยนต์ไฟฟ้า ติดต่อ Tel.084-989-9888, Line id : horizonthailand, thailand@fuelcell.co.th
เซลล์เชื้อเพลิง PEM Fuel Cells ในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า
เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ประเภทพีอีเอ็ม PEM Fuel Cells เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่จัดได้ว่าเป็นพลังงานทดแทนที่สะอาด 100% (Zero Emission) เนื่องจากไม่มีมลพิษใดๆ ออกมาจากระบบการผลิตไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้เลย โดยผลลัพธ์ที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็ม คือ ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ความร้อน และน้ำบริสุทธิ์ (H2O) เท่านั้น
เซลล์เชื้อเพลิง PEM Fuel Cells เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิต่ำเมื่อผลิตกระแสไฟฟ้า จึงเหมาะสมนำมาประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ต่างๆในชีวิตประจำวันของมนุษย์ ยกตัวอย่างเช่น ยานยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cells EV ที่สามารถออกแบบระบบพลังงานของเซลล์เชื้อเพลิงให้ใช้งานร่วมกับแบตเตอรี่ เพื่อลดเวลาการชาร์ตไฟในรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ ที่ปกติใช้เวลาชาร์ต 30 นาที ถึง 3 ชั่วโมง (อยู่ที่รูปแบบการชาร์ต Quick Charge, Normal Charge) เมื่อเปลี่ยนมาเป็นการเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง จะใช้เวลาเพียง 3 นาทีต่อ 1 ถังไฮโดรเจน สามารถทำให้รถไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงวิ่งได้ระยะทางประมาณ 600-700 km. ส่วนเชื้อเพลิงออกซิเจน (O2) ที่เซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็ม PEM Fuel Cells ต้องใช้นั้น สามารถดึงจาก “อากาศ” เข้าสู่ระบบเซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์ไฟฟ้าได้โดยอัตโนมัติ โดยใช้ออกซิเจนในปริมาณที่น้อยกว่าไฮโดรเจนมากนัก
ระหว่างที่เซลล์เชื้อเพลิงผลิตพลังงานให้กับรถยนต์ไฟฟ้า ไฮโดรเจนและออกซิเจน ที่ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงจะไม่สูญหายไปไหน แต่จะรวมตัวกันกลายเป็น “น้ำบริสุทธิ์” (H2O) เนื่องจากไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเติมในรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง จะมีความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจน 99.99%
ผู้สนใจต้นแบบเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell สำหรับสถาบันการศึกษา,บริษัทเอกชนด้านพลังงานและยานยนต์ไฟฟ้า ติดต่อ thailand@fuelcell.co.th