ทำความรู้จักกับแบตชนิดต่างๆ – เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

 ในยุคพลังงานใหม่ การพัฒนาแบตเตอรี่ประเภทใหม่ๆ และการนำไปใช้ในชีวิตประจำวันถือเป็นความก้าวหน้าในอุตสาหกรรม ในปัจจุบัน ผู้คนเข้าใจประเภทของแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่อะลูมิเนียมอากาศ แบตเตอรี่โซเดียมไอออน และแบตเตอรี่สังกะสีอากาศ นอกจากนี้ เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนยังได้รับความสนใจอีกด้วย บทความนี้จะแนะนำองค์ประกอบ ลักษณะ แนวโน้มการพัฒนา ฯลฯ ของแบตเตอรี่ประเภทนี้

หลักการและองค์ประกอบของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

หลักการทำงาน

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมี เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเผาไหม้เชื้อเพลิงแบบเดิมๆ แบตเตอรี่ประเภทนี้มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานสูงกว่าและปล่อยมลพิษน้อยกว่า ทำให้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในอนาคต

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

หลักการพื้นฐานของแบตเตอรี่ประเภทนี้คือการใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนเพื่อสร้างปฏิกิริยารีดิวซ์ออกซิเดชันบนขั้วไฟฟ้าเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า สมการปฏิกิริยามีดังนี้:

2H2 + O2 → 2H2O + 2e-

ใไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์เป็นไอออนและอิเล็กตรอนที่ขั้วลบละออกซิเจนจะลดลงเป็นน้ำที่ขั้วบวก ไอออนจะถูกถ่ายโอนไปยังแคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ และอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังขั้วลบผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า เนื่องจากความต่างศักย์ที่เกิดจากปฏิกิริยารีดอกซ์ กระแสไฟฟ้าจึงสามารถใช้เพื่อขับเคลื่อนวงจรและอุปกรณ์ภายนอกได้

อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรดของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมักทำจากโลหะมีค่า เช่น แพลทินัม แพลเลเดียม และโรเดียม ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าบนขั้วลบจะส่งเสริมปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจน ซึ่งทำให้เกิดอิเล็กตรอน ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าบนขั้วบวกส่งเสริมปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน ซึ่งรับอิเล็กตรอนและก่อตัวเป็นน้ำ การแยกทางกายภาพระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์จะป้องกันไม่ให้ออกซิเจนและไฮโดรเจนผสมกันและทำให้เกิดการระเบิด

อิเล็กโทรไลต์เป็นสารที่สามารถแตกตัวเป็นไอออนได้ ซึ่งโดยปกติจะเป็นโพลีเมอร์แข็งหรือสารละลายของเหลว พวกมันมีคุณสมบัติการขนส่งไอออนที่ดีและปิดกั้นการขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถป้องกันการถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรด ขณะเดียวกันก็ปล่อยให้ไอออนถูกถ่ายโอนไปยังแคโทด อิเล็กโทรไลต์ทั่วไปประกอบด้วยเมมเบรนโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งและสารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลว

การป้อนไฮโดรเจน

การป้อนไฮโดรเจนเป็นส่วนสำคัญในการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน โดยทั่วไปแล้ว ไฮโดรเจนจะถูกเก็บไว้ในขวดแรงดันและต่อเข้ากับขั้วลบ เพื่อให้มั่นใจในความบริสุทธิ์และคุณภาพของอินพุตไฮโดรเจน จึงมักจำเป็นต้องมีระบบการทำให้บริสุทธิ์ด้วยไฮโดรเจน ระบบการทำให้บริสุทธิ์ด้วยไฮโดรเจนสามารถปรับปรุงความบริสุทธิ์และคุณภาพของไฮโดรเจนได้โดยการกำจัดสิ่งเจือปนและสารที่ไม่บริสุทธิ์ ดังนั้นจึงรับประกันการทำงานตามปกติของแบตเตอรี่

แนวโน้มการใช้งาน

เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีแนวโน้มการใช้งานในวงกว้างและมีมูลค่าสูงในด้านการแปลงและกักเก็บพลังงาน ในฐานะแหล่งพลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ ไฮโดรเจนสามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการขนส่ง การผลิตทางอุตสาหกรรม การบินและอวกาศ พลังงานในครัวเรือน และสาขาอื่นๆ การใช้แบตเตอรี่ประเภทนี้สามารถลดการใช้พลังงานและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุการพัฒนาที่ยั่งยืนและการพัฒนาพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการแปลงพลังงานแบบเดิม เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงมีข้อดีหลายประการ ดังนั้นจึงมีแนวโน้มการใช้งานอย่างมาก

• มีประสิทธิภาพมากขึ้น

เซลล์เชื้อเพลิงแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ตามทฤษฎี ประสิทธิภาพการแปลงเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถเข้าถึง 85%~90% อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดโพลาไรเซชันต่างๆ ในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์เชื้อเพลิงในการทำงานจริงจึงอยู่ในช่วง 40% ถึง 60%

อย่างไรก็ตาม หากบรรลุความร้อนและพลังงานร่วม อัตราการใช้เชื้อเพลิงทั้งหมดอาจสูงถึงมากกว่า 80% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบเดิมมาก

• เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

เมื่อใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง น้ำเป็นเพียงผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยาเท่านั้น ซึ่งสามารถปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ได้ นอกจากนี้ การผลิตพลังงานแบตเตอรี่ประเภทนี้ไม่ผ่านกระบวนการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ความร้อน ดังนั้นจึงแทบไม่ปล่อยไนโตรเจนออกไซด์และ ซัลเฟอร์ออกไซด์ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม

• ความมั่นคงด้านพลังงาน

การใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง แม้ว่าไฮโดรเจนจะไม่อยู่ในรูปแบบอิสระในธรรมชาติ แต่ก็สามารถผลิตได้ผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำหรือการปฏิรูปไฮโดรคาร์บอนโดยใช้แหล่งพลังงานที่มีอยู่ในท้องถิ่น (พลังงานหมุนเวียน นิวเคลียร์ ชีวมวล ถ่านหิน หรือก๊าซธรรมชาติ) สิ่งนี้สามารถลดการพึ่งพาพลังงานปิโตรเลียมภายนอกได้มาก

• โครงสร้างเรียบง่าย สัญญาณรบกวนต่ำ

โครงสร้างของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นเรียบง่ายและกะทัดรัด มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยจึงทำงานเงียบและส่งเสียงรบกวนน้อยมาก

• ความน่าเชื่อถือสูง

เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อย จึงมีความน่าเชื่อถือสูง และสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานฉุกเฉินและเครื่องสำรองไฟได้

• เข้ากันได้ดีและปรับขนาดได้

เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะเฉพาะแบบ Building Block ของแบตเตอรี่ทั่วไป สามารถใช้จ่ายพลังงานให้กับโลกภายนอกโดยเชื่อมต่อแบตเตอรี่หลายก้อนแบบอนุกรมหรือแบบขนานก็ได้ ดังนั้นระดับการผลิตไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงสามารถปรับได้โดยการปรับจำนวนเซลล์เดี่ยวเพื่อให้ได้การผลิตไฟฟ้าจากไมโครวัตต์เป็นเมกะวัตต์

ความแตกต่างระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและแบตเตอรี่ลิเธียม

ปัจจุบันระบบพลังงานและสิ่งแวดล้อมโลกกำลังเผชิญกับความท้าทายครั้งใหญ่ ในหมู่พวกเขา อุตสาหกรรมยานยนต์ซึ่งเป็นผู้บริโภคน้ำมันและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์รายใหญ่ กำลังเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่เช่นกัน ประเทศต่างๆ ทั่วโลกต่างเห็นพ้องต้องกันว่าระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้าล้วนๆ รวมถึงเทคโนโลยีไฟฟ้าและเซลล์เชื้อเพลิงล้วนเป็นทิศทางทางเทคนิคหลักของรถยนต์พลังงานใหม่

รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอีกทิศทางที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จะเห็นได้ชัดเจนว่าทั้งสองมีข้อดีและข้อเสียที่ชัดเจน เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าที่แปลงพลังงานเคมีของไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง โดยผลิตเฉพาะน้ำและความร้อนเท่านั้น

จากข้อได้เปรียบนี้ หากผลิตไฮโดรเจนผ่านแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์และการผลิตพลังงานลม กระบวนการทั้งวงจรจะไม่สร้างมลภาวะใดๆ และไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

ในขั้นตอนนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมและเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นเทคโนโลยีหลักที่คาดว่าจะเข้ามาแทนที่ยานยนต์ปิโตรเลียม หากแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและยืดอายุวงจรให้เหมาะสม แบตเตอรี่ลิเธียมจะมีการแข่งขันมากขึ้น เทคโนโลยีที่สำคัญของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ต้นทุนมหาศาลในการก่อสร้างยานยนต์และสถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจน และประเด็นต่างๆ เช่น ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ ยังคงเป็นปัญหาคอขวดอย่างล้นหลามในการพัฒนาอุตสาหกรรม

จากมุมมองของการปกป้องสิ่งแวดล้อมสีเขียวและการสร้างอารยธรรมในระบบนิเวศ แบตเตอรี่ไฮโดรเจนมีศักยภาพในการพัฒนามากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม อย่างไรก็ตาม ในแง่ของผลประโยชน์ทางสังคมและเศรษฐกิจในระยะสั้น แบตเตอรี่ลิเธียมที่เปลี่ยนรูปจะมีการแข่งขันในตลาดมากกว่าเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

แบตเตอรี่ลิเธียมทำงานอย่างไร
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ซึ่งอาศัยการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบเป็นหลักจึงจะทำงานได้
ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ Li+ จะอินเตอร์คาเลทและดีอินเทอร์คาเลทไปมาระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง: ในระหว่างการชาร์จ Li+ จะถูกแยกออกจากอิเล็กโทรดบวกและฝังเข้าไปในอิเล็กโทรดลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ และอิเล็กโทรดลบจะอยู่ในสถานะอุดมด้วยลิเธียม ซึ่งตรงกันข้ามเกิดขึ้นระหว่างการคายประจุ

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทำงานอย่างไร
กระบวนการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่โพลีเมอร์ลิเธียม (โซเดียม) และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นปฏิกิริยาทางเคมี ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือการเคลื่อนย้ายของโพซิตรอน (โปรตอน) เพื่อกักเก็บพลังงาน

ในระหว่างกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม (โซเดียม) ไอออนลิเธียม (โซเดียม) จะถูกแยกออกจากอิเล็กโทรดบวกและฝังอยู่ในอิเล็กโทรดลบ ในระหว่างกระบวนการคายประจุ ไอออนลิเธียม (โซเดียม) จะถูกแยกออกจากอิเล็กโทรดเชิงลบและฝังอยู่ในขั้วบวก อิเล็กโทรด

เนื่องจากไฮโดรเจนและออกซิเจนมักอยู่ในสถานะก๊าซ การชาร์จและการคายประจุของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจึงมักดำเนินการในอุปกรณ์สองชุด ความดันและอุณหภูมิของไฮโดรเจนเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ซึ่งต้องใช้ประสิทธิภาพและความแม่นยำสูงของอุปกรณ์ในระยะสั้น สามารถชาร์จและระบายออกได้ด้วยก๊าซมีเทนและผลิตภัณฑ์เฉพาะกาล เช่น แอมโมเนียเหลว แก้ปัญหาการจัดเก็บและการขนส่ง

ข้อดีและแนวโน้มการพัฒนาพลังงานไฮโดรเจน

• ความสามารถในการกักเก็บพลังงานไฮโดรเจนมีขนาดใหญ่และเวลาการปล่อยพลังงานอย่างต่อเนื่องยาวนาน และไฮโดรเจนเหลวมีความหนาแน่นในการกักเก็บพลังงานสูง
• เซลล์เชื้อเพลิงมีความหนาแน่นของพลังงานสูง (ระยะเวลาใช้งานนาน) สมรรถนะที่อุณหภูมิต่ำดี และความเร็วของไฮโดรจิเนชันที่รวดเร็ว ซึ่งมีข้อได้เปรียบในสถานการณ์การใช้งานระยะไกล อุณหภูมิต่ำ และการใช้งานอื่นๆ
• สามารถตระหนักถึงการใช้พลังงานข้ามภูมิภาคและฤดูกาล และใช้ประโยชน์จากการปรับพลังงานสีเขียวจากจุดสูงสุดและหุบเขา เช่น พลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และพลังงานลม
• ไฮโดรเจนมีแหล่งที่มาหลากหลาย มีต้นทุนที่เข้มงวดและควบคุมได้ ซึ่งสามารถลดการพึ่งพาพลังงานจากภายนอกได้
• ในอุปกรณ์การผลิต/การจัดเก็บ/การขนส่งไฮโดรเจน และอุปกรณ์ประยุกต์พลังงานไฮโดรเจน นอกเหนือจากเพอร์ฟลูออโรซัลโฟเนตและวาล์วที่สำคัญแล้ว วัตถุดิบและชิ้นส่วนที่รองรับยังสามารถทำได้ในประเทศ ซึ่งสามารถบรรลุผลตามขนาดและลดต้นทุนได้อย่างรวดเร็วในอนาคต
• เมื่อใช้เส้นทางแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน (พลังงานไฮโดรเจนและแบตเตอรี่ลิเธียม) ร่วมกัน การจัดเก็บพลังงานความถี่สูงและการจัดเก็บพลังงานความถี่ต่ำสามารถเสริมกันได้

แนวโน้มการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พลังงานใหม่ได้กลายเป็นเป้าหมายร่วมกันทั่วโลก และแบตเตอรี่ประเภทนี้ยังคงได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมที่เติบโตเต็มที่ เซลล์เชื้อเพลิงยังมีพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับการพัฒนา

จีนเริ่มสนับสนุนเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในปี 2014 ปัจจุบันปัญหาหลักที่จีนและโลกต้องเผชิญคือการจัดเก็บและการขนส่งพลังงานไฮโดรเจน แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าในด้านตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ห่วงโซ่อุตสาหกรรมของแบตเตอรี่ประเภทนี้ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ และเทคโนโลยีบางอย่างยังอยู่ในช่วงคอขวดอีกด้วย

ปัจจุบัน ญี่ปุ่นครองโลกทั้งในด้านจำนวน เทคโนโลยี และยอดขายรถยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ส่วนสหรัฐอเมริกา เยอรมนี และเกาหลีใต้ ก็กำลังเร่งตัวเช่นกัน ด้วยแนวทางที่ชัดเจนของนโยบายระดับสูงของจีน การปรับให้เข้ากับท้องถิ่นของแบตเตอรี่กำลังเร่งตัวขึ้น และเราหวังว่าจะถึงจุดเปลี่ยนในปี 2025

จากมุมมองของเส้นทางการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงของจีน นโยบายปูทางเป็นอันดับแรก โดยมีรถยนต์เพื่อการพาณิชย์อยู่ด้านหน้าและรถยนต์โดยสารอยู่ด้านหลัง ทิศทางทั่วไปของการค้าทางอุตสาหกรรมยังคงเป็นรถยนต์พลังงานใหม่

ด้วยการเปลี่ยนแปลงของพลังงานรถยนต์ การเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงไปเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถือเป็นก้าวสำคัญ อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงมีข้อได้เปรียบมากกว่าในการอนุรักษ์พลังงานและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก และรัฐบาลท้องถิ่นยังได้ออกนโยบายเพื่อสนับสนุนเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน บางทีชีวิตของเราอาจได้รับการปฏิวัติอีกครั้งในไม่ช้าเนื่องมาจากความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง