Fuel Cell1 บทท่ี 1 แนะนํา เคร่ืองกําเนิดพลังงานโดยเซลลเชื้อเพลิง

เซลลเชื้อเพลิงคืออะไร ?

เมื่อกวา 150 ปที่ผานมา เซลลเชื้อเพลิง (Fuel Cell) ไดถูกผลิตและทดลองครั้งแรกเมื่อป ค.ศ. 1838 โดย Sir William Robert Grove ศาสตราจารยสาขาปรัชญาการทดลองที่ The Royal Institution ในกรุงลอนดอน จนทุกวันนี้เขาเปนที่รูจกัในฐานะบดิาแหงเซลลเชื่อเพลิงการทดลองของเขาเรื่องขบวนการอิเล็กโทรไลต ( Electrolysis) โดยใชกระแสไฟฟาแยกน้ําใหเปนไฮโดรเจนและออกซิเจน นํามาซึ่งการกลาวถึงอุปกรณช้ินหนึ่งเปนครั้งแรกตอมาเรียกวา “เซลลเชื้อเพลิง” เขาใหสมมุติฐานวานาจะเปนไปไดในการแปลงยอนกลับ

ในปจจุบนัวกิฤตพลังงานและมลพิษกําลังเปนปญหาสําคัญไปทั่วโลกอยางรวดเร็ว ซ่ึงทําใหมีการศกึษาคนควาแหลงพลังงานทดแทนที่สะอาด หนึ่งในพลังงานทางเลือกก็คือ “เซลลเชื้อเพลิง” ซ่ึงนักวิทยาศาสตรกําลังทดลองเซลลเชื้อเพลิงในหลายๆ ชนิด แตละชนิดขึ้นอยูกับเชื้อเพลิงและสารอิเล็กโทรไลต (electrolyte) ที่ใชขอดีของเซลลเชื้อเพลิงชนิดพอลิเมอรอิเล็กโตรไลตเมมเบรน (PEMFC) คือมีน้ํานกัเบางายตอการผลิตและมีขนาดเล็ก เซลลเชื้อเพลิงชนิด PEM ผลิตเปนครั้งแรกโดยบริษัท General Electric (GE) และถูกนําไปใชโดยองคการอวกาศนาซา ในปชวงยุคป ค.ศ. 60 ในสวนหนึง่ของโครงการอวกาศเจอรมินี่ (Gemini space program) ระบบกําเนดิพลังงานแบบเซลลเชื้อเพลิงกําลังถูกนําไปใชงานเพิ่มขึ้น สําหรับแหลงพลังงานพกพาแหลงพลังงานยานยนตและแหลงผลิตไฟฟาขนาดใหญ ซ่ึงระบบเซลลเชื้อเพลิงไดให

1

คัดลอกมาจาก Schneider Newsletter

ทั้งพลังงานและความรอนดวยประสิทธิภาพการผลิตรวมกันสูงถึง 80 % ทุกวนันีพ้ลังงานไฟฟาสําหรับสถานีอวกาศของนาซานั้นผลิตจากเซลลเชื้อเพลิงดังรูปที่ 1 ซ่ึงออกแบบพัฒนาและผลิตโดยบริษัท United Technologies (UTC) เซลลเชื้อเพลิงคือ อุปกรณแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเปนพลังงานไฟฟาโดยตรง โดยไมกอมลพิษ พลังงาน (อิเล็กตรอน) จะถกูสงออกมาเมือ่เชื้อเพลิง (ไฮโดรเจน) ทําปฏิกิริยาเคมีกบัออกซิเจนในอากาศและทําใหเกิดน้ําบริสุทธิ์และความรอนควบคูตามมา ปฏิกริิยาไฟฟาเคมไีดเกิดขึ้นและพลงังานถูกสงออกมาในรูปแบบของพลังงานไฟฟาคือไฟฟากระแสตรงและแรงดันต่ําพรอมกับความรอน

รูปท่ี 1: แหลงกระจายไฟโดยเซลลเชื้อเพลิง (12 kW) สําหรับสถานีอวกาศของนาซา

หลักการทํางานของเซลลเชื้อเพลิง โครงการสรางของเซลลเชื้อเพลิงชนิด PEM แสดงไวในรูปที่ 2 กาชซึ่งไหลมาจากทิศทาง X มาจากชองที่ถูกออกแบบเปนแผนแบบสองขั้ว (หนา 1-10 mm) ไอน้ําถูกนํามารวมกับกาชเพื่อใหความชื้นกับเมมเบรน ช้ันการกระจายตัว (diffusion layers: 100-500 m) มีไวเพื่อการแพรกระจายทีด่ีของกาชไปยังชั้นปฏิกิริยา (reaction layers :5-50 m) ช้ันเหลานี้ไดประกอบดวยขัว้ไฟฟาของเซลลซ่ึงทําดวยแพลตินัมทําหนาทีเ่ปนตัวเรงปฏกิิริยา

รูปท่ี 2 : ช้ันตางๆของเซลลพื้นฐานในเซลลเชื้อเพลิงชนิด PEM

การทําปฏิกิริยาของไฮโดรเจนและออกซิเจน ถูกแยกจากกันโดยเมมเบรน (20-200 m) ซ่ึงนําโปรตรอนจากขัว้แอโหนดไปขัว้แคโทดที่ซ่ึงอิเล็กตรอนไมสามารถทะลุผานไปได การเคลื่อนที่ของโปรตรอนนี้ไดดึงโมเลกลุของน้ํามาดวยทําใหเกิดการกระจายของความชื้นในเมมเบรน โมเลกุลของน้ําสามารถไปไดทั้งสองทิศทางภายในเมมเบรนและโดยตรงกับการปริมาณน้ําทีผ่ลิตในฝงแคโทด อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นในฝงแอโนดนั้นไมสามารถผานเมมเบรนและไดถูกใชในวงจรไฟฟาภายนอกเชน มอเตอรหลอดไฟ อ่ืนๆ กอนยอนกลับสูแคโทด การไหลของอิเล็กตรอนหรือเรียกวากระแสไฟฟานั้น สัมพันธโดยตรงกับความหนาแนนของกระแสไฟฟา

ท่ีซ่ึง F คือคาคงที่ของฟาราเดย (Faraday)

คาแรงดันเอาตพุตของเซลลหนึ่งเซลลมาจากพลังงานปลดปลอยอิสระของกิบบ (Gibb’s free energy G) คือ

ซ่ึงแรงดันนี้ไมเคยไดถึงคาทางทฤษฏี แมกระทั่งในสภาพที่ไมมีโหลดแรงดันของเซลลหนึ่งเซลลที่พิกัดกระแส (ประมาณ 0.5 A.cm-2) มีคาประมาณ 0.6-0.7 V ดังนั้นเซลลเชื้อเพลิงไดถูกสรางโดยนําเซลลมาตออนุกรมกันโดยประกอบเปนชัน้ ๆ ดังรูปที่ 3 เพื่อที่จะเพิ่มแรงดันใหสูงขึน้

รูปที่ 3 แสดงทอที่มีหนาทีส่งลําเลียงกาซ 2x4 ทอ ซ่ึงประกอบดวย 2 ขั้วตอสําหรับกระแสไฟฟา 2x2 ทอสําหรับกาซและ 1x2 ทอสําหรับระบบทําระบายความรอนกาซจะถูกปอนใหเกินปริมาณเล็กนอยของการทําปฏิกิริยาเพือ่ใหแนใจในการทําปฏิกิริยาที่สมบูรณกาซที่ไมไดถูกทําปฏิกิริยาจะถูกปลอยออกมาพรอมกับน้ําทีถู่กผลิต โดยทั่วไปการหมนุเวยีนของน้ําจะถูกใชควบคมุอุณภูมิปฏิบัตกิารไหลของเซลลเชื้อเพลิง(ประมาณ 60 -70) เมื่อเร่ิมทาํงาน เซลลเชื้อเพลิงจะถูกทาํใหรอนและตอมาจะถูกทําใหเยน็ลงหลังจากการทํางานไปแลว ขณะเดยีวกันที่กระแสพิกดั เซลลเชื้อเพลิงผลิตพลังงานออกมาเกือบเทากนัของพลังงานความรอนและไฟฟา

รูปท่ี 3 : เซลลเชื้อเพลิงแบบ PEM (23 cells, 50 W, 40 A, ประมาณ 12.5 V) ผลิตโดยบริษัท ZSW

ระบบเซลลเชื้อเพลิง เนื่องจากมีความจําเปนในการปอนกาซและการระบายความรอนใหกบัเซลลเชื้อเพลิง ดังนั้น ระบบเซลลเชื้อเพลิงจึงประกอบดวยอุปกรณตาง ๆ กัน รูปที่ 4 แสดงระบบอยางงายของเซลลเชื้อเพลิงแบบ PEM ซ่ึงไดถูกนํามาศึกษาวิจัยทีห่องทดลองทางดานวิศวกรรมไฟฟาที่นองซี ่ประเทศฝรั่งเศส ถูกสรางโดยบริษัท ZSW ประเทศเยอรมนี ซ่ึงชั้นของเซลลมี 23 เซลลขนาด 100 cm-2 มีพิกัดกาํลังที่ 500 W สําหรับพิกัดกระแส 40 A และพิกัดแรงดนัประมาณ 12.5 V และที่ไมมีโหลดประมาณ 23 V

รูปท่ี 4 : ระบบอยางงายของเซลลเชื้อเพลิงแบบ PEM ขนาด 500 W

รูปท่ี 5 : วงจรแปลงไฟสําหรับเซลลเชื้อเพลิง

วงจรแปลงไฟสําหรับเซลลเชื้อเพลิง เซลลเชื้อเพลิงกําเนิดไฟฟากระแสตรงและมีแรงดันต่ํา ดงันั้นจึงใชวงจรทบแรงดัน (boost converter) ดังนั้นรูปที่ 5 เพื่อปรับคาแรงดันต่ํา 12.5 V ที่พิกัดจากเซลลเชื้อเพลิงเปนแรงดันสูง เชนระบบมาตรฐานไฟฟาในรถยนตที่ 42 V

รูปท่ี 6: ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิงที่กระแสเปลี่ยนแปลงเปนขั้นจาก 10 A ถึง 40 A

รูปท่ี 7: ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิงที่ความถี่สวิตช 25 kHz และพิกดักระแส 40

ลักษณะสมบัติทางไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิง แรงดันของเซลลเชื้อเพลิงจะสูงสุดเมื่อไมมีประแสไหลและจะลดลงขณะทีก่ระแสเพิ่มขึ้นเนื่องจากทําปฏิกิริยา และความตานทานภายใน (รายละเอียดเพิ่มเติมในฉบับหนา) แรงดันของเซลลเชื้อเพลิงที่พิกดักระแสจะลดลงครึ่งหนึ่งจากแรงดันทีไ่มมีโหลดดังแสดงในรูปที่ 6 สวนรูปที่ 7 แสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิงเมื่อทํางานรวมกับวงจรทบแรงดันทีค่วามถี่สวิตชที่ 25 kHz เนื้อหาฉบับนีไ้ดแนะนําเครื่องกําเนิดพลังงานไฟฟาชนดิใหมนั่นคือ เซลลเชื้อเพลิงซึ่งจะมีบทบาทเปนเครื่องกําเนิดพลังงานในอนาคต ไดมีการพัฒนาและเพื่อเปนทางเลือกสําหรับการใชงานในหลายๆรูปแบบเชนระบบสงจายไฟในรถยนตและอปุกรณพกพาตางๆ คุณสมบัติหลักของเซลลเชื้อเพลิงคือ ประสิทธิภาพทีสู่งเมื่อเทียบกบัอุปกรณแปลงพลังงานอื่น ๆ ในตลาดไดเร่ิมมีธุรกิจเซลลเชื้อเพลิงแลว บริษัทเชน H-Power หรือ Ballard หรือ ZSW ซ่ึงใชในงานวจิัยนี้และ Plug Power ก็ไดมีโฆษณาผลิตภณัฑตวันี้แลว สวนเซลลเชื้อเพลิงเพื่อการสาธิตนั้นจะมาจากหลายแหลางที่กําลังพัฒนา ตลาดสําหรับเซลลเชื้อเพลิงสําหรับการใชงานอื่นๆ ก็เร่ิมแพรหลายมากขึ้นทายสุดนี้ขอบอกวา “เซลลเชื้อเพลิงกําลังจะมา”

บทท่ี 2 : ลักษณะสมบัติสภาวะอยูตัว

กลาวนํา ในยุคนี้เซลลเชื้อเพลิงเปนทีรู่กันโดยทัว่ไปวาเปนเทคโนโลยีที่สําคัญสําหรับความตองการพลังงานในอนาคต เพราะวาเซลลเชื้อเพลิงไดเปลี่ยนเชื้อเพลิงที่ทําปฏิกิริยากบัอากาศโดยตรง(กระบวนการไฟฟาเคมี)กลายเปนกระแสไฟฟา จึงไดคาประสิทธิภาพการผลิตเกือบ 60% ซ่ึงสูงกวาประมาณ 3 เทาของคาประสิทธิภาพของเครื่องยนตที่ใชกระบวนการสนัดาปภายใน (รถยนตที่เราขับขี่อยูในปจจุบัน) อีกทั้งเซลลเชื้อเพลิงยังปลอยมลพษิเชน CO2 ในระดบัที่ต่ํามากเมื่อเทียบกับเครื่องยนตสันดาปภายใน เซลลเชื้อเพลิงนั้นมีหลายประเภทขึน้อยูกับวัสดุที่ใชทําเปนอิเล็กโทรไลด ดังแสดงในตารางที่ 1 เซลลเชื้อเพลิงชนิดพอลิเมอรอิเล็กโตรไลตเมมเบรน (PEMFC) กําลังไดรับความสําคัญเปนอยางมากโดยเปนแหลงจายไฟสําหรับการใชงานหลายอยาง เนื่องจากมอุีณภูมิระหวางการทํางานต่ํา ใหความหนาแนนกําลังไฟฟาสูง ใหกําลังไฟฟาที่สูง อายุการใชงานนาน มีความทนทานและมีไดนามิกสที่สูง เซลลเชื้อเพลิงไดถูกพฒันาสําหรับเปนแหลงจายไฟที่พกพาไดและโรงจักรไฟฟา เซลลเชื้อเพลิงกําลังถูกนําไปใชงานในรถบัส

ตารางที่ 1 : ชนิดตางๆ ของเซลลเชื้อเพลิง อุณหภูมิการทาํงาน การใชงานแตละแบบ

และอยูในขั้นการวิจยัเพื่อใชงานในรถยนต สวนการใชงานเปนโรงไฟฟา (ดังแสดงในรูปที่ 1) กําลังถูกทดลองติดตั้งสําหรับการใชงานเพื่อที่พกัอาศัยและตามอาคารพานิชยในสหรัฐอเมริกาและยุโรป ซ่ึงมีองคกรมากมายในสหรัฐอเมริกา ยุโรป (เชนในฝรั่งเศส – CEA (French Atomic Energy Centre), CNRS (French National Center for Scientific Research)) ญ่ีปุนและ เกาหลีใตที่มีการวิจยัและพัฒนาระบบเซลลเชื้อเพลิง รูปที่ 2 แสดงเซลลเชื้อเพลิงชนิดพอลิเมอรอิเล็กโตรไลตมม u3648 .บรน (ขนาด 2 kW 200 A) ออกแบบและผลิตโดย CEA ที่เมอืง Grenoble ประเทศฝรั่งเศส สําหรับใชงานหรือเรือดําน้ํา

รูปท่ี 1: ระบบจายกําลังไฟฟาโดยเซลลเชื้อเพลิง

รูปท่ี 2: เซลลเชื้อเพลิงชนิดพอลิเมอรเล็กโตรไลตเมมเบรน (ขนาด 2 kW 200 A) พัฒนาโดย CEA

สําหรับใชงานในเรือดําน้ํา ลักษณะสมบัติสภาวะอยูตัว ในฉบับที่แลว ไดแนะนําเทคโนโลยีของเซลลเชื้อเพลิง พูดถึงหลักการทํางานและระบบ ในฉบับนี้จะพดูถึงเรื่องลักษณะสมบัติสภาวะอยูตัวของเซลลเชื้อเพลิงรูปที่ 3 แสดงแรงดันไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิงในฟงกชันของกระแสไฟฟา กราฟที่ไดประกอบดวยสามสวนลักคือ

- ปรากฏการณกระตุนปฏิกิริยาเคมีไฟฟา - สวนที่เปนเชิงเสนที่แรงดันตก มีสาเหตุจากความตานทานภายใน - สวนสุดทายคอืพลังงานจลนในการแตกตวัของกาซผานอิเล็กโทรด กลายเปนปจจัย

จํากัดทําใหแรงดันตกอยางมาก

รูปท่ี 3 กราฟแรงดันตอกระแสของเซลลเชื้อเพลิงหนึ่งเซลลชนิดพอลิเมอรอิเล็กโตรไลตเมมเบรน

ชุดทดลองระบบเซลลเชื้อเพลิงขนาด 500 W 400 A ที่หองปฏิบัติการ GREEN (CNRS:

UMR 7037, INPL เมืองนองซี่ ประเทศฝรั่งเศส) แสดงในรูปที่ 4 โดยที่โหลดของเซลลเชื้อเพลิงคือคอนเวอรเตอรชนิดทบแรงดนั รูปที่ 5 แสดงการเปรียบเทียบผลทดลองกับผลคํานวณ ที่ไดจากตัวแปรตางๆ ของเซลลเชื้อเพลิงนี้ จะสังเกตไดวาประสิทธิภาพทางไฟฟาของเซลลเชื้อเพลิงคือ 50 % เนื่องจากแรงดนัไฟฟาตกจาก 23 โวลตที่ไมมีโหลด เปน 12 โวลตที่พิกดักําลัง 500 วตัต

ฉบับนี้ไดอธิบายถึงลักษณะสมบัติสภาวะอยูตัวของเซลลเชื้อเพลิง เทคโนโลยีเซลลเชื้อเพลิงไดถูกกลาวถึงเมื่อไมกี่ปมานีว้าจะเปนแหลงจายพลังงานที่ประหยัดในอนาคต ทุกวนันี้เทคโนโลยีเซลลเชื้อเพลิงเริ่มเปนที่สนใจในทางการคาโดยบริษัทเกิดใหม เร่ิมหันมาสนใจเทคโนโลยีนี้มากขึ้น

รูปท่ี 4 ชุดทดลองระบบเซลลเชื้อเพลิง

รูปท่ี 5 ลักษณะสมบัติสภาวะอยูตวัของเซลลเชื้อเพลิงขนาด 500 วัตต

- ในระยะยาวเซลลเชื้อเพลิงจะกลายเปนสวนสําคัญของพลังงานไฮโดรเจนเชนเดยีวกับแหลงพลังงานที่ประหยดั และสะอาดอื่นๆ

- ในระยะสั้น เซลลเชื้อเพลิงใหการแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงกวาแหลงพลังงานแบบสันดาปภายใน อีกทั้งมกีารกําเนดิมลภาวะที่ต่ํามาก

หนังสืออิเล็กทรอนิกส

ฟสิกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสิกส 1 (ความรอน)

ฟสิกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวิทยาฟสิกส เอกสารคําสอนฟสิกส 1ฟสิกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสิกสดวยภาษา c ฟสิกสพิศวง สอนฟสิกสผานทางอินเตอรเน็ต

ทดสอบออนไลน วีดีโอการเรียนการสอน หนาแรกในอดีต แผนใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร

แบบฝกหัดออนไลน สุดยอดสิ่งประดิษฐ

การทดลองเสมือน

บทความพิเศษ ตารางธาตุ)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานุกรมฟสิกส ลับสมองกับปญหาฟสิกส

ธรรมชาติมหัศจรรย สูตรพื้นฐานฟสิกส

การทดลองมหัศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหัดกลาง

แบบฝกหัดโลหะวิทยา แบบทดสอบ

ความรูรอบตัวท่ัวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐี( คดีปริศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คําศัพทประจําสัปดาห ความรูรอบตัว

การประดิษฐแของโลก ผูไดรับโนเบลสาขาฟสิกส

นักวิทยาศาสตรเทศ นักวิทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพิศวง การทํางานของอุปกรณทางฟสิกส

การทํางานของอุปกรณตางๆ

การเรียนการสอนฟสิกส 1 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร3. การเคลื่อนท่ีแบบหนึ่งมิต ิ 4. การเคลื่อนท่ีบนระนาบ5. กฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน 6. การประยุกตกฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน7. งานและพลังงาน 8. การดลและโมเมนตัม9. การหมุน 10. สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง11. การเคลื่อนท่ีแบบคาบ 12. ความยืดหยุน13. กลศาสตรของไหล 14. ปริมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอท่ีหน่ึงและสองของเทอรโมไดนามิก 16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17. คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง การเรียนการสอนฟสิกส 2 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. ไฟฟาสถิต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตัวเก็บประจุและการตอตัวตานทาน 5. ศักยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหล็ก 8.การเหนี่ยวนํา9. ไฟฟากระแสสลับ 10. ทรานซิสเตอร 11. สนามแมเหล็กไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเห็น13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตัม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นิวเคลียร

การเรียนการสอนฟสิกสท่ัวไป ผานทางอินเตอรเน็ต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปลฮารโมนิก คลื่น และเสียง

5. ของไหลกับความรอน 6.ไฟฟาสถิตกับกระแสไฟฟา 7. แมเหล็กไฟฟา 8. คลื่นแมเหล็กไฟฟากับแสง9. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร

ฟสิกสราชมงคล