เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงก้าวหน้าสู่อนาคตพลังงานที่ยั่งยืน

ลองนึกภาพโซลูชันพลังงานที่สร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ปล่อยมลพิษเกือบเป็นศูนย์ เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงแสดงให้เห็นถึงวิสัยทัศน์นี้ โดยแปลงพลังงานเคมีของไฮโดรเจนหรือเชื้อเพลิงอื่นๆ ให้เป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรง เมื่อใช้ไฮโดรเจน ผลิตภัณฑ์พลอยได้เพียงอย่างเดียวคือไฟฟ้า น้ำ และความร้อน ด้วยการใช้งานตั้งแต่โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ไปจนถึงแล็ปท็อปขนาดเล็ก เซลล์เชื้อเพลิงแสดงให้เห็นถึงความสามารถรอบด้านที่น่าทึ่ง แต่เทคโนโลยีนี้มีแนวโน้มอย่างไรกันแน่ และต้องเอาชนะอุปสรรคอะไรบ้าง?

เซลล์เชื้อเพลิงมีการใช้งานในหลายภาคส่วน รวมถึงการขนส่ง อาคารอุตสาหกรรม/พาณิชยกรรม/ที่อยู่อาศัย และระบบย้อนกลับสำหรับการจัดเก็บพลังงานกริดระยะยาว:

• การขนส่ง: ยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิง (FCV) เป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยานพาหนะสำหรับงานหนัก ซึ่งระยะทางไกลและการเติมเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วนั้นมีข้อได้เปรียบอย่างมาก
• การผลิตพลังงานแบบอยู่กับที่: ระบบเหล่านี้สามารถให้ไฟฟ้าและความร้อนสำหรับอาคาร ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานในขณะที่ลดการพึ่งพาโครงข่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่
• พลังงานแบบพกพา: เซลล์เชื้อเพลิงจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น แล็ปท็อปและโดรน ซึ่งให้เวลาการทำงานที่ยาวนานกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป
• การจัดเก็บพลังงาน: ระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบย้อนกลับสามารถจัดเก็บพลังงานผ่านการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า โดยแปลงไฮโดรเจนกลับเป็นไฟฟ้าเมื่อจำเป็นเพื่อปรับสมดุลความต้องการของกริด

เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อดีที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการเผาไหม้แบบเดิม:

• ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า: การแปลงพลังงานเคมีเป็นไฟฟ้าโดยตรงช่วยให้มีประสิทธิภาพเกิน 60% ซึ่งสูงกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายในอย่างมาก
• การปล่อยมลพิษน้อยที่สุด: เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนผลิตเฉพาะไอน้ำเท่านั้น ซึ่งช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และช่วยต่อสู้กับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงการปล่อยสารมลพิษทางอากาศที่เป็นอันตราย เช่น ออกไซด์ของไนโตรเจนและอนุภาค
• ประสิทธิภาพที่เงียบ: ด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อย เซลล์เชื้อเพลิงจึงทำงานเกือบเงียบ ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ไวต่อเสียงรบกวน เช่น โรงพยาบาลและพื้นที่อยู่อาศัย

ทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่แต่ไม่ต้องชาร์จใหม่ เซลล์เชื้อเพลิงจะสร้างกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องเมื่อได้รับเชื้อเพลิง หน่วยทั่วไปประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้ว (แอโนดและแคโทด) ที่คั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์:

1. เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเข้าสู่แอโนด ในขณะที่ออกซิเจน (จากอากาศ) ไหลไปยังแคโทด
2. ที่แอโนด ตัวเร่งปฏิกิริยาจะแยกโมเลกุลไฮโดรเจนออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน
3. อิเล็กตรอนเดินทางผ่านวงจรภายนอก สร้างกระแสไฟฟ้า
4. โปรตอนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด
5. ที่แคโทด โปรตอน อิเล็กตรอน และออกซิเจนรวมกันเป็นน้ำและความร้อน

สถาบันวิจัยทั่วโลกมุ่งเน้นไปที่การจัดการกับความท้าทายที่สำคัญสามประการสำหรับการนำเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้:

กลยุทธ์หลัก ได้แก่ การพัฒนาส่วนประกอบสแต็กราคาประหยัด การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต และลดการพึ่งพาตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตินัมราคาแพงผ่าน:

• การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้นและวัสดุทางเลือก
• เทคนิคการผลิตขั้นสูงสำหรับการผลิตจำนวนมาก
• วัสดุเมมเบรนและขั้วไฟฟ้าที่เป็นนวัตกรรมใหม่

นักวิจัยมีเป้าหมายที่จะปรับปรุง:

• ความหนาแน่นของพลังงานเพื่อลดขนาดและน้ำหนักของระบบ
• ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเพื่อลดการใช้เชื้อเพลิง
• ความเร็วในการตอบสนองสำหรับสภาวะโหลดแบบไดนามิก

อายุการใช้งานเป้าหมายแตกต่างกันไปตามการใช้งาน:

• 8,000 ชั่วโมงสำหรับยานพาหนะสำหรับงานเบา
• 30,000 ชั่วโมงสำหรับรถบรรทุกหนัก
• 80,000 ชั่วโมงสำหรับระบบพลังงานแบบอยู่กับที่

ความท้าทายด้านความทนทาน ได้แก่ การลดการกัดกร่อน การเป็นพิษของตัวเร่งปฏิกิริยา และความเครียดทางกลจากสภาวะการทำงาน

เมื่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยียังคงดำเนินต่อไปและต้นทุนลดลง เซลล์เชื้อเพลิงพร้อมที่จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในระบบพลังงานทั่วโลก ความสามารถในการให้พลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพในแอปพลิเคชันที่หลากหลายทำให้เป็นส่วนประกอบสำคัญในการเปลี่ยนไปสู่โซลูชันพลังงานที่ยั่งยืน