ความหมายของเซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cells) คือ อุปกรณ์ที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าผ่านกระบวนการทางเคมีไฟฟ้า โดยการเปลี่ยนโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยไม่ผ่านปฏิกิริยาการเผาไหม้ จึงไม่ก่อให้เกิดมลภาวะทางอากาศ จึงเป็นพลังงานสะอาด และยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้พลังงานจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงถึง 2-3 เท่า

ที่มา :http://www.eng.rpi.edu/magazine/w06/research_fuelcell.cfm

สารตั้งต้นที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์เชื้อเพลิงได้แก่ ก๊าซH2ที่ด้าน Anodeและก๊าซO2ที่ด้าน Cathode ดังภาพโดยปกติแล้วเมื่อมีสารตั้งต้นไหลเข้าสู่ระบบ สารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นก็จะไหลออกจะระบบไปด้วย ดังนั้นการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงจึงดำเนินต่อไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่เราสามารถควบคุมการไหลได้

การทำงานของ Fuel Cells

การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง ประกอบไปด้วย 4 ส่วนที่สำคัญ ได้แก่

1.ขั้วแอโนด (Anode)เป็นขั้วลบ มีหน้าที่ส่งอิเล็กตรอนออกจากขั้ว โดยอิเล็กตรอนได้จากปฏิกิริยาออกซิเดชัน คือ H2==> 2H++ 2e-โดยที่ขั้วจะมีช่องที่ติดกับตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งฉาบอยู่บนผิวหน้าของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเมื่อผ่านก๊าซไฮโดรเจนเข้าไป

2.ขั้วแคโทด (Cathode)เป็นขั้วบวก โดยมีช่องติดกับเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ทำหน้าที่รับโปรตอนและก๊าซออกซิเจนซึ่งถูกปล่อยออกมาที่ผิวหน้าของเยื่อซึ่งฉาบตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้ และทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนกลับมาจากวงจรภายนอก เพื่อรวมกันเป็นน้ำ ดังปฏิกิริยารีดักชัน O2+ 4H++ 4e-==> 2H2O

3.สารพาประจุ (Electrolyte)เป็นสารที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไอออนชนิดต่างๆ และเป็นส่วนที่เซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภทแตกต่างกัน โดยประเภทที่เรากล่าวถึงอยู่นี้ สารพาประจุ จะเป็นเพียงเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane) เท่านั้น ซึ่งมีลักษณะเหมือนแผ่นพลาสติกโดยจะให้โปรตอนผ่านได้ แต่จะไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน

4.ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst)เป็นตัวช่วยให้ปฏิกิริยาในขั้นตอนต่างๆ เกิดได้ดียิ่งขึ้น ส่วนใหญ่จะเป็นผงแพลทินัมเคลือบอยู่บนเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจะมีลักษณะขรุขระเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการสัมผัสกับก๊าซไฮโดรเจน และ ออกซิเจน

"ชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง

การแบ่งชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง จะแบ่งตามสารเคมีที่ใช้ในการผลิตพลังงาน ได้แก่

1. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)เป็นชนิดที่ได้รับความนิยมและจะถูกนำไปใช้ในรถยนต์ในอนาคต

1. Alkaline fuel cell (AFC)เป็นชนิดแรกที่มีการสร้างขึ้นมา เคยถูกใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐในช่วงปี 1960 แต่เนื่องระบบไวต่อการปนเปื้อนมาก จึงต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์เท่านั้น ทำให้ระบบมีราคาสูงมาก ไม่สามารถนำมาขายในท้องตลาดได้

1. Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)เป็นระบบที่มีแนวโน้มที่จะถูกนำไปใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดเล็ก เนื่องจากทำงานที่อุณภูมิสูงกว่าแบบ PEMFC ทำให้ต้องใช้เวลาในการอุ่นระบบที่นานกว่า ทำให้มันไม่เสถียรในการนำมาใช้ในรถยนต์

1. Solid oxide fuel cell (SOFC)เป็นระบบที่เหมาะสมในการนำมาใช้ในสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่เนื่องจากสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มาก แต่เซลล์ไฟฟ้าชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงมาก(ประมาณ 1,832 F, 1,000 C) ทำให้มีปัญหาเรื่องเสถียรภาพ แต่ก็มีข้อดีตรงที่ว่า ไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เป็นผลผลิตจากกระบวนการนี้ สามารถนำไปใช้ปั่นกังหันก๊าซต่อได้ ทำให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นอย่างมาก

1. Molten carbonate fuel cell (MCFC)เป็นอีกประเภทหนึ่งที่เหมาะสมสำหรับสถานีไฟฟ้าขนาดใหญ่ แต่ชนิดนี้ทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่าคือที่ประมาณ 1,112 F หรือ 600 C และยังสามารถให้ไอน้ำความดันสูงเพื่อมาช่วยผลิตกระแสไฟฟ้าได้อีกด้วย และเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า SOFC ทำให้ไม่ต้องใช้วัสดุพิเศษ จึงทำให้ระบบนี้ใช้งบประมาณที่น้อยกว่า

ที่มา :http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html

How Does A Fuel Cell Work? (Scrapbook Version)

เซลล์เชื้อเพลิงเเบคทีเรีย (Microbial Fuel Cell)

หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงเเบคทีเรียจะคล้ายกันเซลล์เชื้อเพลิงทั่วๆ ไป คือ ใช้ก๊าซไฮโดรเจน เป็นแหล่งเชื้อเพลิง โดยที่เซลล์เชื้อเพลิงเเบคทีเรีย หรือ เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพจะใช้แบคทีเรียในการย่อยสลายสารอินทรีย์ในน้ำทิ้ง และดึงอิเล็กตรอนจากพลังงานที่ได้จากสารอินทรีย์ออกมาและส่งไปยังขั้ว Anodeอิเล็กตรอนจะถูกส่งผ่านไปยังขั้ว Cathode โดยทางวงจรไฟฟ้าภายนอก ส่วน โปรตอนจะไหลไปยังขั้ว Cathode ผ่านตัว Membraneซึ่งการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าดังกล่าว กับการต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้ครบวงจรภายนอกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ดังภาพ

อ่านบทความ เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ : พลังงานแห่งอนาคต โดย ผศ. ผกาวดี แก้วกันเนตร

http://home.kku.ac.th/uac/journal/year_18_1_2553/3.pdf

How Microbial Fuel Cells Work?