PMP10-1

ตนแบบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน The Prototype of Aluminum-air Battery Cell with Circulating Electrolyte

จกรากร เชญชยภม (Juggaragorn Chearnchaiyaphum)* ดร.ชยภทร เครอหงส (Dr.Chaiyaput Kruehong)**

ดร.อภชาต อาจนาเสยว (Dr. Apichart Artnaseaw) **

บทคดยอ การวจยนมวตถประสงคเพอศกษาและออกแบบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศทมอเลกโทรไลตแบบ

ไหลเวยน โดยใชวธการปมอากาศผานหวทรายท าใหเกดฟองอากาศลอยตวขนเหนอผวของสารละลายท าใหเกดการเคลอนทของสารละลายอเลกโทรไลตไหลเวยนภายในเซลล ขอมลการดานพลงงานของเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน วดคาศกยไฟฟา 1.085 โวลต มคากระแสไฟฟา 2.43 มลลแอมแปร สวนการทดสอบการปลดปลอยกระแสไฟฟาโดยใชเครองโพเทนชโอมเตอรในโหมดกลวาโนสแตตก การปลดปลอยกระแสคงท 9 มลลแอมแปร เวลาททดสอบ 15 นาท ผลการทดลองแบบเซลลแบบสารละลายไมไหลเวยน วดคาศกยไฟฟาได 0.5 โวลต สวนเซลลทมสารละลายแบบไหลเวยนโดยการควบคมอตราการไหลของอากาศ 5 ลบ.ซม./วนาท วดคาศกยไฟฟาได 0.7 โวลต เปรยบเทยบแลวคาศกยไฟฟาเพมขนถง 40% การท อเลกโทรไลตมการเคลอนทแบบไหลเวยนภายในเซลลนนท าใหเซลลแบตเตอรสามารถผลตพลงงานไฟฟาไดเพมขน

ABSTRACT

This research aims to study and design of the aluminum - air battery cell with electrolyte circulation. By means of pumping air through the equipment, cause bubbles floating above the surface of the electrolyte causes movement of the electrolyte circulation inside the cell. Information on energy of the aluminum - air battery cell. With electrolyte circulation model. Measure the electric potential is 1.085 volts of electric current 2.43 mA Testing discharge electricity using a composition potentiometers in static mode galvanostatic. 9 mA constant current discharge test at 15 minutes. results of experiments with cell electrolyte does not flow. Measured voltage is 0.5 volts. The cells with electrolyte flow by controlling the air flow rate of 5 ml / sec. Measured voltage is 0.7 volts and then compare the voltage increases up to 40%. The electrolyte circulation is movement within the cell, causing cell battery can produce electricity has increased.

ค าส าคญ: เซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ, อเลกโทรไลตแบบไหลเวยน, การออกแบบแบตเตอร Keywords: Battery cell aluminum – air, Electrolyte circulation, Design of the battery * นกศกษา หลกสตรวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมพลงงาน คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน ** ผชวยศาสตราจารย สาขาวศวกรรมเคม คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน

- 253 -

PMP10-2

บทน า แบตเตอรอลมเนยม-อากาศ เปนนวตกรรมใน

การออกแบบพฒนาแบตเตอร ใหเปนแหลงพลงงานทางไฟฟาทสามารถใชทดแทนพลงงานสนเปลองได เซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทใชในปจจบนจะเปนแบบเซลลปฐมภ ม ท ช า ร จ ไฟไม ได โดยข วลบ เ ป นโลหะอลมเนยมทแชในสารละลายอเลกโทรไลต โดยจะท าปฏกรยากบออกซเจนในชนบรรยากาศ ทขวบวกเกดเปนอล ม เนยมไฮดรอกไซด (Al (OH)3) ซงจะท าใหประสทธภาพการท างานของแบตเตอรชนดนลดลง ปจจบนการศกษาวจยในเรองเทคโนโลย แบตเตอรอลมเนยม-อากาศของประเทศไทยถอวายงมนอยมากเมอเทยบกบตางประเทศทมศกษาพฒนาแบตเตอรอลมเนยม-อากาศเพอเปนแหลงพลงงานทมความส าคญในอนาคต

แบตเตอรอลมเนยม-อากาศ มจดเดนและจดดอยหลายประการทนาสนใจ โดยจดเดนทส าคญคอสามารถสรางพลงงานในการขบเคลอนเครองยนตไดอยางเพยงพอ และใหอตราเรงทคลายคลงกบรถยนตเครองยนตเบนซน อยางไรกตามยงคงมปญหาทางเทคนคทตองไดรบการแกไขทจะท าใหแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ เหมาะสมส าหรบยานพาหนะไฟฟา เชน ขวลบทท าจากอลมเนยมบรสทธจะสกกรอนโดยอเลกโทรไลต ดงนนจงน ยมน าอล ม เ น ยมอลลอยด ท ม มกจะม ด บกหรอองคประกอบอนๆ มาใชเปนสวนผสม อลมเนยมไฮเดรททเกดขนจากปฏกรยาของเซลลมรปแบบสารคลายเจลจะเกดขนทข วลบท าใหกระแสไฟฟาทผลตไดลดลง ซงปญหาดงกลาวทเกดขนอาจแกไขไดโดยวธการตางๆ เชน การเพมสารเตมแตงในรปแบบผงเพอยบย งการเกดเจลสะสมทพนผว และพบวาทขวบวกในสวนทอากาศเขาสเซลลแบตเตอรจะประกอบดวยวสดทมราคาสง เชน คารบอน ทมสวนผสมของนกเกล-กรด (nickel-grid ) ตวเรงปฏกรยา (โคบอลต) รวมถง ฟลม PTFE ทใชในการปองกนการรวไหลของอเลกโทรไลตและยอมใหอากาศผานไดยงคงมราคาทสง นอกจากนแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ แบบด งเดมจะมอายการใชงานทส น เพราะ

อลมเนยมท าปฏกรยากบสารละลายอเลกโทรไลต และยงพบวาเมอปลอยแบตเตอรทงไวโดยไมไดใชงานจะเกดกาชไฮโดรเจนขนซงอาจท าใหเซลลเสยหายหรอเกดอนตรายเมอมประกายไฟ Yang,S. (2002) นอกจากนยงมปญหาหลกๆของการน าอลมเนยมมาใชเปนขวไฟฟาในแบตเตอร คอ การกดกรอนในอลมเนยมเนองจากปฏกรยารดกชนทขวลบในขณะไมมโหลดไฟฟา และการกอตวของชนไฮดรอกไซดทบนพนผวของอลมเนยมในขณะจ ายกระแสไฟฟ า ซ ง เ ป นกระบวนการ ท ท า ใหประสทธภาพการจายกระแส และศกยไฟฟาของระบบลดลงG.S.Frankel,J. Electrochem (1998), Z. Szklarska-Smialowska (1999), C.F.W.Norman (1986) ส าหรบการแกปญหาสวนใหญจะเนนในเรองของการใชอ เลก โทรไลตแบบหมนเวยน โดยจะสบสารละลายจากถงดานนอก เพอปองกนไมใหเกดการกอตวของสารประกอบ ไฮดรอกไซน และหยดการเกดการอดตนภายในชองวาง รทขวแคโทด G.Scamans (1986) อกทงยงชวยก าจดฟองไฮโดรเจนออกจากผวของอลมเนยม M.L.Doche, F.Novel-Cattin, R. Durand, J.J.Rameau (1997) และยงสามารถผสมผสานกบกระบวนการตางๆ ไดหลากหลายรปแบบ ไดแก การแลกเปลยนทางความรอน การกรอง และการตกผ ล ก T.A. Dougherty, A.P.Karpinski, J.H.Stannard, W. Halliop, S. Warner (1996) ดงนนงานวจยนจงมวตถประสงคเพอศกษาและออกแบบตนแบบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทม อเลกโทรไลตแบบไหลเวยน เพอเพมประสทธภาพการท างานของแบตเตอรอลมเนยม-อากาศแบบด งเดมหรอแบบไมมการไหลเวยนของสารละลาย โดยออกแบบระบบการไหลเวยนของสารละลายอเลกโทรไลตทใหเคลอนทในระหวางทระบบท าการผลตไฟฟาโดยใชการเคลอนทของสารละลายเกดจากการลอยตวของฟองอากาศ ซงกระบวนการดงกลาวอาจชวยลดการสะสมของสารผลตภณฑทเปนอปสรรคตอการท างานของขวไฟฟา และการเคลอนทของสารละลายอเลกโทรไลตจะชวยในการเพมอตราการถายโอนมวลสารของอากาศทเกดขนทพนผวของขวไฟฟาเพมขน

- 254 -

PMP10-3

วตถประสงคของการวจย 1. ศกษาและออกแบบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-

อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน 2. วเคราะหและเปรยบเทยบขอมลพลงงานทได

ระหวาง เซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน กบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไมไหลเวยน

3. เพอศกษาปจจยเนองจากรปแบบการตดต งขวไฟฟา และระบบไหลเวยนสารทมตอประสทธภาพการท างานของแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน

วธการวจย 1. ศกษาและรวบรวมงานวจยหรอขอมลท

เกยวของการผลตเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ 2. ศกษาขอมลการไหลเวยนอเลกโทรไลตท

มผลตอคายประจของแผนอลมเนยม 3. ออกแบบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ

และรปแบบการตดต งข วไฟฟา และระบบไหลเวยนสารละลาย

4. ออกแบบวธการการทดลอง และเตรยมเครองมอในการทดลอง เชน สารเคม, แผนอลมเนยม, เครองวดคาพลงงานไฟฟา, แผนเหลกกลาไรสนม เปนตน

5. ป ร ะ ก อบ ตน แ บ บ เ ซ ล ล แ บ ต เ ต อ รอลมเนยม-อากาศทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน

6. ศกษาปจจยเนองจากรปแบบการตดต งขวไฟฟา และการไหลเวยนสารละลายอเลกโทรไลตทมตอการปลดปลอยกระแสไฟฟา

7. วเคราะหและเปรยบเทยบขอมลพลงงานทไดระหวาง เซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศทม อเลกโทรไลตแบบไหลเวยนกบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศทมอเลกโทรไลตแบบไมไหลเวยน

8. ก า ร ท ดสอบ ศ กษ า ก า ร ป ลดป ล อ ยกระแสไฟฟาโดยใชเครองโพเทนชโอมเตอรในโหมด

galvanostatic ทดสอบการปลอยกระแสคงท 9 mA. เวลา 15 นาท 9. สรปงานวจยและผลทไดจากการวจย

วสด/อปกรณทใชในการทดลอง 1. ใชแผนอลมเนยมเปนขวลบ มพนทจมลง

ในสารละลาย 36 ตางรางเซนตเมตร ท าการเปดผวโดยการขดดวยกระดาษทราย

2. ใชแผนเหลกกลาไรสนมเกรด 304 เปนขวบวก มพนทจมลงสารละลาย 36 ตางรางเซนตเมตร

3. เซลลแบตเตอรท าดวยแผนอะครลคใสขนาด กวางxยาวxสง = 4.8x11.5x8 เซนตเมตร หนา 2 มลลเมตร 4. ใชสารละลาย NaCl เปนสารละลายอเลกโทรไลต 3.5 M (โมลาร)

5. เครองปมลม อตราการไหลของอากาศสงสดท 23 ลบ.ซม./วนาท

การออกแบบขนาดของเซลล ขนาดของเซลลและรปแบบการตดตงขวไฟฟา

ถอเปนปจจยทมผลตอในการผลตพลงงานไฟฟาของเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมสารละลายอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน ดงน นเซลลแบตเตอรจงออกแบบใหมขนาด กวางxยาวxสง เทากบ 4.8x11.5x8 เซนตเมตร มระยะหางระหวางหวทรายกบขวไฟฟาเทากบ 8 เซนตเมตร

ภาพท 1 การออกแบบขนาดของเซลลแบตเตอร อลมเนยม-อากาศ

การออกแบบเซลล

- 255 -

PMP10-4

วธการทดลอง 1. ทดสอบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ

ทมอเลกโทรไลตแบบไมมการไหลเวยนของสารละลาย แ ลว ท า ก า ร วด ค า ค ว ามต า ง ศ ก ย ไ ฟ ฟ า แ ล ะ ค ากระแสไฟฟา

ภาพท 2 เซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศอากาศ ทม อเลกโทรไลตแบบไมมการไหลเวยน

2. ทดสอบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยนภายในเซลล หลกการออกแบบการไหลเวยนของสารอเลกโทรไลตโดยใชการปมอากาศผานหวทรายท าใหเกดฟองอากาศลอยตวขนบนผวของอเลกโทรไลตท าใหเกดการเคลอนทของสารสารละลายอเลกโทรไลตดงภาพท 3 แลวท าการวดคาความตางศกยไฟฟาและคากระแสไฟฟา

ภาพท 3 การไหลเวยนสารละลายอเลกโทรไลตโดยใช ฟองอากาศในเซลลแบตเตอรอลมเนยม- อากาศ

3. ทดสอบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยนภายในเซลลทดสอบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ออกแบบการไหลเวยนของสารอเลกโทรไลตโดยใชการปมอากาศผานหวทรายท าใหเกดฟองอากาศลอยตวขนบนผวของอเลกโทรไลตท าใหเกดการเคลอนทของสารสารละลายอเลกโทรไลตทระหวางขวทงสองดงภาพท 4 แลวท าการวดคาความตางศกยไฟฟาและคากระแสไฟฟา

ภาพท 4 การไหลเวยนสารละลายอเลกโทรไลตโดยใช ฟองอากาศระหวางขวในเซลลแบตเตอร อลมเนยม-อากาศ

4.ก า ร ท ด ส อ บ ศ ก ษ า ก า ร ป ล ด ป ล อ ยกระแสไฟฟาโดยใชเครองโพเทนชโอมเตอรในโหมดgalvanostatic ทดสอบการปลอยกระแสคงท 9 mA. เวลา 15 นาท เป รยบเ ทยบการปลอยกระแสของเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอ เลกโทรไลตแบบไหลเวยนควบคมอตราการไหลของอากาศ 3,5,23 ลบ.ซม./วนาท และแบบอเลกโทรไลตไมไหลเวยน

ผลการวจย 1.ผลการทดลองเซลลแบตเตอรอลมเนยม-

อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไมไหลเวยน โดยใชเหลกกลาไรสนม (ขวบวก) อลมเนยมบรสทธ (ขวลบ) ใชสารละลาย NaCl เปนสารละลายอเลกโทรไลต 3.5 M (โมลาร) แลวท าการวดคาความตางศกยไฟฟาได 0.778 V.คากระแสไฟฟา 1.55 mA.

ST Al

- 256 -

PMP10-5

ภาพท 5 การทดลองเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ แบบไมไหลเวยนของสารอเลกโทรไลต

2. ผลการทดลองเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยนภายในเซลลทดสอบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทออกแบบการไหลเวยนของสารอเลกโทรไลตโดยใชการปมอากาศผานหวทรายท าใหเกดฟองอากาศลอยตวขนบนผวของอ เลกโทรไลตท าให เ กดการเค ลอนทของสารละลายอเลกโทรไลต โดยควบคมอตราการไหลของอากาศ 5 ลบ.ซม./วนาท จากการวดคาศกยไฟฟา คาศกยไฟฟาเกดการเพมขนจาก 0.778 V.เพมขนถง 1.085 V. คากระแสไฟฟา 2.43 mA.

ภาพท 6 การทดลองออกแบบการไหลเวยนสารละลาย อเลกโทรไลตโดยใชฟองอากาศในเซลล แบตเตอรอลมเนยม-อากาศ

3. ผลการทดลองเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยนภายในเซลล โดยออกแบบการไหลเวยนของสารอเลกโทรไลตโดยใชการปมอากาศผานหวทรายท าใหเกดฟองอากาศลอยตวขนบนผวของอเลกโทรไลตท าใหเกดการเคลอนทของสารสารละลายอเลกโทรไลตทระหวางขว พบวาจากการวดคาศกยไฟฟา คาศกยไฟฟาลดลงเนองจากฟองอากาศไปเกาะตามข วท า ให พน ทผ วของข วท งสองลดลง ฟองอากาศนนถอวาเปนเหมอนฉนวนท าใหขดขวางการถายเทอเลคตรอนท าใหประสทธภาพในการผลตไฟฟาต าลง

ภาพท 7 ทดสอบการไหลเวยนสารละลายอเลกโทรไลต โดยใชฟองอากาศระหวางขว

4. ผลการทดลอง ศกษาการปลดป ลอยกระแสไฟฟาโดยใชเครองโพเทนชโอมเตอรในโหมดgalvanostatic ทดสอบการปลอยกระแสคงท 9 mA. เวลา 15 นาท เป รยบเทยบการปลอยกระแสของเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอเลกโทรไลตแบบไหลเวยนโดยควบคมอตราการไหลของอากาศ 3,5,23 ลบ.ซม./วนาท และแบบสารละลายอเลกโทรไลตไมไหลเวยน มผลการทดลองดงภาพท 8

- 257 -

PMP10-6

Curve คอสารอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน ทมการควบคมอตราการไหลของอากาศ 5 ลบ.ซม./วนาท Curve คอสารอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน ทมการควบคมอตราการไหลของอากาศ 23 ลบ.ซม./วนาท Curve คอสารอเลกโทรไลตแบบไหลเวยน ทมการควบคมอตราการไหลของอากาศ 3 ลบ.ซม./วนาท Curve คอสารอเลกโทรไลตแบบไมไหลเวยน ภาพท 8 กราฟเปรยบเทยบการทดสอบศกษา การปลดปลอยกระแสไฟฟาโดยใชเครอง โพเทนชโอมเตอรในโหมด galvanostatic

จากการทดลองระบบไหลเวยนของสารละลายน นผลตอประสทธภาพการท างานของแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ การทดลองระบบไหลเวยนของสารละลายโดยควบคมอตราการไหลของอากาศ 5 ลบ.ซม./วนาท การปลอยกระแสคงท 9 mA. คาศกยไฟฟามากถง 0.7 V. ซงใหประสทธภาพการผลตพลงงานไฟฟามากทสด สวนการควบคมอตราการไหลของอากาศ 23 ลบ.ซม./วนาท คาศกยไฟฟา 0.65 V. คาศกยมคาต ากวานนเกดจากการปอนอากาศทแรงเกนไป ท าใหฟองอากาศไปเกาะตามขวท าใหพนทผวของขวทงสองลดลง ฟองอากาศน นถอวาเปนเหมอนฉนวนท าใหขดขวางการถายเทอเลคตรอนท าใหประสทธภาพในการผลตไฟฟาต าลง สวนการควบคมอตราการไหลของอากาศ 3 ลบ.ซม./วนาท คาศกยไฟฟา 0.64 V.คาศกยมคาต ากวาเกดจากอตราการไหลของอากาศทปอนนอย

มากสงผลใหไหลเวยนของสารละลายภายเซลลนอยลง สวนการทดลองเซลลแบบสารละลายแบบไมไหลเวยน วดคาศกยไฟฟาไดเพยง 0.5 V.

อภปรายและสรปผลการวจย ผลการทดลองเซลลแบตเตอรอลมเนยม-

อากาศ ทมอ เลกโทรไลตแบบไมไหลเวยนโดยใชเหลกกลาไรสนม (ขวบวก) อลมเนยมบรสทธ (ขวลบ) ใชสารละลาย NaCl เปนสารละลายอเลกโทรไลต 3.5 M (โมลาร) ว ดคาความตางศกยไฟฟาได 0.778 V.คากระแสไฟฟา 1.55 mA. แลวท าการทดสอบเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศ ทมอ เลกโทรไลตแบบไหลเวยน โดยการออกแบบการไหลเวยนของสารอเลกโทรไลตโดยใชการปมอากาศผานหวทรายท าใหเกดฟองอากาศลอยตวขนบนผวของอเลกโทรไลตท าใหเกดการเคลอนทของสารสารละลายอเลกโทรไลต ของเซลลแบตเตอรท าดวยแผนอะครลคใสขนาด กวางxยาวxสง เทากบ 4.8x11.5x8 เซนตเมตร หนา 2 มลลเมตร วดคาศกยไฟฟามากทสด คอ 1.085 V. คากระแสไฟฟา 2.43 mA สวนการทดสอบศกษาการปลดป ลอยกระแสไฟฟาโดยใชเครองโพเทนชโอมเตอรในโหมด galvanostatic เซลลแบบท 3 ทดสอบการปลอยกระแสคงท 9 mA. เวลา 15 นาท ผลการทดลองเซลลแบบสารละลายแบบไมไหลเวยน วดคาศกยไฟฟาได 0.5 V. สวนเซลลแบบสารละลายแบบไหลเวยน โดยการควบคมอตราการไหลของอากาศ 5 ลบ.ซม./วนาท วดคาศกยไฟฟามากถง 0.7 V. เปรยบเทยบกบเชลลสารละลายไมไหลเวยนคาศกยไฟฟา เ พม ขน ถง 40% การ ทสารละลายอเลกโทรไลตมการเคลอนทน นท าใหเกดกระบวนการทชวยลดการสะสมของสารผลตภณฑทเปนอปสรรคตอการท างานของขวไฟฟา สงผลตอเซลลแบตเตอรอลมเนยม-อากาศสามารถผลตพลงงานไดเพมขน ทงคาศกยไฟฟาและกระแสไฟฟา

- 258 -

PMP10-7

กตตกรรมประกาศ ผท าการวจยขอขอบพระคณภาควชาวศวกรรม

เคม คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน ทสนบสนนอปกรณในการทดลองและสถานทในการทดลอง

เอกสารอางอง C.F.W. Norman, Corrosion of aluminium, PhD thesis, University of Southampton, 1986. G. Scamans, Chem. Ind. (1986) 192. G.S. Frankel, J. Electrochem. Soc. 145 (1998) 2186. M.L. Doche, F. Novel-Cattin, R. Durand, J.J. Rameau,

J. Power Sources 65 (1997) 197. T.A. Dougherty, A.P. Karpinski, J.H. Stannard, W. Halliop, S. Warner, in: Energy Conversion 5 Engineering Conference, 1996. IECEC 96, Proceedings of the 31st Intersociety, vol. \

1172, 51996, pp. 1176e1180. Yang, S. (2002). "Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles". Journal

of Power Sources 112: 162–201. Z. Szklarska-Smialowska, Corros. Sci. 41 (1999) 1743.

- 259 -