เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนคืออะไร?

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีของไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้า พวกมันทํางานผ่านกระบวนการไฟฟ้าเคมีที่ไฮโดรเจนรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ํา ผลิตกระแสไฟฟ้าเป็นผลพลอยได้.
เทคโนโลยีพลังงานสะอาดที่มีแนวโน้มสูงเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะเป็นส่วนสําคัญของความพยายามในการลดคาร์บอนในอุตสาหกรรม จนถึงขณะนี้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกนํามาใช้ในการใช้งานรวมถึงยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิงสําหรับงานหนักยานอวกาศศูนย์ข้อมูลคลังสินค้าและอื่น ๆ การใช้งานในอนาคตที่มีศักยภาพมีตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาไปจนถึงโรงพยาบาลไปจนถึงการใช้งานทางทหาร.

พวกเขาทํางานอย่างไร?

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทํางานเหมือนอิเล็กโทรไลเซอร์ในทางกลับกัน ในขณะที่อิเล็กโทรไลเซอร์ใช้ไฟฟ้าเพื่อทําลายน้ําให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนเซลล์เชื้อเพลิงผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการรวมไฮโดรเจนกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ํา.
เชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกจ่ายที่ด้านแอโนดของเซลล์เชื้อเพลิงจากถังเก็บภายนอกในขณะที่ออกซิเจนที่ด้านแคโทดจะถูกดึงจากอากาศ ไฮโดรเจนถูกออกซิไดซ์ (สูญเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นประจุบวก) ที่ขั้วบวกในขณะที่ออกซิเจนจะลดลง (ได้รับอิเล็กตรอนกลายเป็นประจุลบ) ที่แคโทด อิเล็กโทรไลต์ใช้ในการถ่ายโอนไอออนระหว่างแคโทดและแอโนด น้ําเกิดขึ้นที่แคโทดหรือขั้วบวกขึ้นอยู่กับประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง.
ในระหว่างการเกิดออกซิเดชันอิเล็กตรอนส่วนเกินจะเดินทางผ่านวงจรโหลดภายนอกจากขั้วบวกไปยังแคโทด กระแสไฟฟ้านี้ให้กําลังขับของเซลล์เชื้อเพลิง.

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีสี่ประเภทหลัก ซึ่งแตกต่างกันเป็นหลักในอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในการเริ่มต้นการเกิดออกซิเดชัน แต่ละคนมีข้อดีของตัวเอง.

เซลล์เชื้อเพลิง PEM

เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) เรียกอีกอย่างว่าเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ ไฮโดรเจนถูกจ่ายที่ขั้วบวกและออกซิไดซ์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ไฮโดรเจนไอออนผ่าน PEM เพื่อไปถึงแคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนไปถึงแคโทดผ่านวงจรโหลดภายนอก ออกซิเจนจะลดลงที่แคโทดซึ่งจะรวมกับไฮโดรเจนไอออนเพื่อสร้างน้ํา กระแสที่สร้างขึ้นโดยการไหลของอิเล็กตรอนให้กําลังขับของเซลล์เชื้อเพลิง PEM.
เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน PEM ทํางานที่อุณหภูมิต่ํากว่า (โดยทั่วไปคือ 50-100 °C) มากกว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอื่นๆ ในขณะที่ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงและเวลาเริ่มต้นที่รวดเร็ว พวกเขาได้รับการพัฒนาเพื่อการขนส่งเป็นหลัก รวมถึงรถยนต์นั่งส่วนบุคคลและเพื่อการพาณิชย์ ตลอดจน การใช้งานด้านการบินและอวกาศไร้คนขับที่มีศักยภาพ.‍

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ที่เป็นของแข็ง

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ที่เป็นของแข็งมีความทนทานสูงและประหยัดพลังงาน และเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานที่สามารถเก็บเกี่ยวความร้อนเหลือทิ้งได้ ซึ่งแตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิง PEM เวลาเริ่มต้นที่ยาวนานและอุณหภูมิในการทํางานสูงถึง 1,000 °C ทําให้เซลล์เชื้อเพลิงไม่เหมาะสมสําหรับการใช้งานด้านการขนส่งส่วนใหญ่ เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ที่เป็นของแข็งได้รับการพัฒนาเป็นหลักสําหรับเครื่องกําเนิดไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ในอาคาร เช่น โรงพยาบาลและศูนย์ข้อมูล.

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ใช้อิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์ในน้ํา (ส่วนใหญ่เป็นโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์) เพื่อนําไฮดรอกไซด์ไอออนจากแคโทดไปยังขั้วบวก เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์โซลิดสเตตที่ใช้เมมเบรนแลกเปลี่ยนประจุลบก็มีการทดลองเช่นกัน น้ําเกิดขึ้นที่ขั้วบวกทําให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนในวงจรโหลด.

เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่เก่าแก่ที่สุด คิดค้นขึ้นในปี 1932 NASA ใช้ในภารกิจ Apollo ตั้งแต่ปี 1968 ถึง 1972 แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ส่วนใหญ่จะถูกแทนที่ด้วย PEM หรือทางเลือกออกไซด์ที่เป็นของแข็ง แต่ก็เห็นการใช้งานในยานอวกาศเนื่องจากประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของพลังงานสูง ต้นทุนวัสดุที่ค่อนข้างต่ําเป็นข้อดีอีกประการหนึ่งของเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์.

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก 

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกใช้อิเล็กโทรไลต์กรดฟอสฟอริกเหลว เช่นเดียวกับเซลล์เชื้อเพลิง PEM ไฮโดรเจนไอออนจะผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทดในขณะที่อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจรโหลด ไฮโดรเจนไอออนรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ําที่แคโทด.

เมื่อเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอื่นๆ เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกมีความทนทานต่อสิ่งสกปรก เช่น CO₂ ในกระแสเชื้อเพลิงมากกว่า สิ่งนี้ทําให้สามารถใช้ไฮโดรเจนที่ผลิตจากการปฏิรูปไอน้ํา ซึ่งปล่อย CO₂ เป็นผลพลอยได้ ทํางานที่อุณหภูมิ 150-200 °C ทําให้สามารถเก็บความร้อนเหลือทิ้งได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ที่เป็นของแข็งที่อุณหภูมิสูงเกินไป.

เปิดประตูสู่เทคโนโลยีพลังงานสะอาด‍

ความสําคัญของไฮโดรเจนสีเขียว
เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับการคาดหวังอย่างกว้างขวางว่าจะมีบทบาทสําคัญในการสนับสนุนการเปลี่ยนผ่านพลังงานสะอาดและช่วยให้บรรลุเป้าหมายด้านสภาพภูมิอากาศทั่วโลก ในระหว่างการทํางานของเซลล์เชื้อเพลิงมีเพียงสามสิ่งเท่านั้น: ไฟฟ้าความร้อนและน้ํา.
อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่จําเป็นต้องทําให้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นเทคโนโลยีที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ CO₂ ยังคงสามารถปล่อยออกมาได้ในระหว่างการผลิตไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับวัตถุดิบและแหล่งพลังงานที่ใช้.
ไฮโดรเจนที่ผลิตผ่านอิเล็กโทรลิซิสในน้ําโดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ปล่อยมลพิษต่ําเช่นลมหรือแสงอาทิตย์เรียกว่าไฮโดรเจนสีเขียว เซลล์เชื้อเพลิงที่มาพร้อมกับไฮโดรเจนสีเขียวสามารถให้พลังงานจํานวนมากโดยมีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยมาก ช่วยลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลของอุตสาหกรรมและปูทางไปสู่การลดคาร์บอน.‍

ผู้ให้บริการพลังงานหมุนเวียน‍

สิ่งสําคัญคือต้องเข้าใจว่าไฮโดรเจนไม่ใช่แหล่งพลังงาน ซึ่งแตกต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติใต้ดินและให้พลังงานเมื่อสกัดและกลั่นแล้ว การผลิตไฮโดรเจนจะใช้พลังงานมากกว่าเชื้อเพลิงเสมอ.
ไฮโดรเจนเป็นตัวพาพลังงานแทน ช่วยให้สามารถจัดเก็บ ขนส่ง และใช้พลังงานจากแหล่งอื่นได้.
สําหรับแหล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องเช่นลมหรือแสงอาทิตย์การผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นวิธีการจัดเก็บพลังงานส่วนเกินที่เกิดขึ้นในช่วงเอาต์พุตสูงสุด เซลล์เชื้อเพลิงช่วยให้สามารถเข้าถึงพลังงานนี้ได้ในช่วงนอกช่วงเวลาเร่งด่วนและในการใช้งาน (เช่น ยานพาหนะ) ที่ห่างไกลจากแหล่งพลังงาน นี่คือบทบาทสําคัญของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในเทคโนโลยีพลังงานสะอาดและการลดคาร์บอนในอุตสาหกรรม.‍

ข้อดีเหนือแบตเตอรี่‍

เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนช่วยให้สามารถใช้พลังงานหมุนเวียนในการใช้งานที่หลากหลาย เซลล์เชื้อเพลิงจะเปลี่ยนเชื้อเพลิงจากถังเก็บไฮโดรเจนเป็นพลังงานแทนที่จะเก็บพลังงานเอง.

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีข้อดีหลายประการเหนือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน.

ประการแรก ไฮโดรเจนมีพลังงานหนาแน่นกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปมาก ในการใช้งานยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและถังเก็บสามารถช่วยให้มีระยะทางที่กว้างขึ้นโดยมีน้ําหนักน้อยกว่าการออกแบบรถยนต์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่เทียบเคียงได้.

ประการที่สอง การเติมเชื้อเพลิงเซลล์เชื้อเพลิงนั้นเร็วกว่าการชาร์จแบตเตอรี่โดยเฉลี่ยมาก นี่เป็นสิ่งสําคัญในการขนส่งเชิงพาณิชย์และการขนส่ง (รถบรรทุกกึ่งพ่วงระยะไกลและรถตู้ส่งของระยะสุดท้าย) ซึ่งต้องลดเวลาหยุดทํางานของยานพาหนะให้น้อยที่สุด.

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่มาก และช่วยให้สามารถรีไซเคิลได้ดีขึ้นเมื่อหมดอายุการใช้งาน สิ่งนี้ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นจากการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง.