หลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง: การแปลงพลังงานทางเคมีไฟฟ้าและการดำเนินงานที่ปล่อยมลทัศศูนย์

กระบวนการทางเคมีไฟฟ้าหลัก: การออกซิเดชันของไฮโดรเจนและการลดของออกซิเจน

เซลล์เชื้อเพลิงสร้างไฟฟ้าโดยใช้ปฏิกิริยาเคมีระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจน และที่สำคัญคือ ทำเช่นนี้โดยไม่ต้องเผาไหม้อะไร เมื่อไฮโดรเจนเข้ามาถึงขั้วแอนโธด มันจะถูกแยกออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำส่วนใหญ่จากพลาตินัม อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านสายไฟภายนอกเซลล์ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่เราสามารถนำไปใช้งานได้ ในขณะเดียวกัน โปรตอนเหล่านี้จะแทรกผ่านสิ่งที่เรียกว่าเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (หรือ PEM ย่อจาก Proton Exchange Membrane) ไปยังอีกฝั่งของเซลล์ เมื่อถึงขั้วแคโทด โปรตอนเหล่านี้จะรวมตัวกับโมเลกุลของออกซิเจนและอิเล็กตรอนที่ไหลกลับมาจากวงจรไฟฟ้า แล้วร่วมกันก่อให้เกิดน้ำบริสุทธิ์เพียงอย่างเดียวเป็นของเสีย กระบวนการทั้งหมดนี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเพราะไม่ได้อาศัยการถ่ายเทความร้อนเหมือนเครื่องยนต์แบบดั้งเดิม ผลก็คือ เซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEM โดยทั่วไปสามารถแปลงพลังงานป้อนเข้าประมาณครึ่งหนึ่งถึงสองในสามให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ซึ่งสูงกว่ารถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินประมาณสองเท่า เนื่องจากประสิทธิภาพของรถยนต์เหล่านั้นถูกจำกัดด้วยหลักการทางเทอร์โมไดนามิกพื้นฐานที่รู้จักกันในชื่อวัฏจักรคาร์โนต์

ข้อดีหลัก ได้แก่:

• ทำงานเกือบไร้เสียง โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว เว้นแต่ระบบเสริม
• ให้กำลังไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องตราบเท่าที่ยังมีการจ่ายเชื้อเพลิงและออกซิแดนต์
• สามารถปรับขนาดแบบโมดูลาร์ได้ — จากหน่วยพกพาขนาดกิโลวัตต์ไปจนถึงโรงงานสถานีขนาดหลายเมกะวัตต์

ต่างจากแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิงเป็นตัวแปลงพลังงาน ไม่ใช่อุปกรณ์เก็บพลังงาน ทำให้สามารถดำเนินการต่อเนื่องได้โดยไม่ต้องหยุดชาร์จ

เหตุใดเซลล์เชื้อเพลิงจึงปล่อยออกมาเพียงน้ำ — ไม่มี CO₂, NO₂ หรือสารอนุภาค

เซลล์เชื้อเพลิงไม่ปล่อยสารใดๆ ที่อยู่ในข่ายควบคุม เนื่องจากทำงานผ่านปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี แทนการเผาไหม้ โดยไฮโดรเจนไม่มีคาร์บอนปนอยู่เลย จึงไม่สามารถเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ขึ้นระหว่างการใช้งานได้ นอกจากนี้ ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงสุดประมาณ 100 องศาเซลเซียส ซึ่งต่ำกว่าระดับ 1,300 องศาที่เริ่มมีการก่อตัวของออกไซด์ของไนโตรเจน อีกทั้งยังไม่มีเปลวไฟเกี่ยวข้อง จึงไม่มีเขม่าควัน ขี้เถ้า หรือไฮโดรคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดซึ่งก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ สิ่งที่ออกมาจึงเป็นเพียงไอระเหยของน้ำบริสุทธิ์ บางครั้งอาจถูกเก็บรวบรวมและนำไปใช้ใหม่ในกระบวนการอุตสาหกรรม นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบเหล่านี้จึงเหมาะสำหรับใช้ภายในอาคาร พื้นที่เมืองที่มีผู้คนพลุกพล่าน หรือบริเวณใดๆ ที่มีความละเอียดอ่อนต่อมาตรฐานคุณภาพอากาศ ระบบนี้สอดคล้องกับคำแนะนำของสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมสหรัฐฯ (EPA) ตรงตามกฎระเบียบด้านอากาศสะอาดของยุโรป และเป็นไปตามแนวทางขององค์การอนามัยโลก

การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงในภาคส่วนที่ลดการปล่อยมลพิษได้ยาก

การขนส่งหนัก: รถบรรทุก รถโดยสาร รถไฟ และเรือเดินทะเล

เมื่อพูดถึงการขนส่งหนัก เซลล์เชื้อเพลิงสามารถแก้ไขจุดบกพร่องสำคัญบางประการที่แบตเตอรี่ไม่สามารถจัดการได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลองพิจารณาความสามารถในการเก็บพลังงาน เวลาที่ใช้ในการเติมใหม่ และผลกระทบต่อน้ำหนักรถยนต์ ขณะนี้รถบรรทุกที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นแรงขับกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้น เพราะรถบรรทุกขนาดใหญ่เหล่านี้สามารถวิ่งได้ไกล 500 ถึง 800 กิโลเมตรจากถังเดียว และใช้เวลาเติมเชื้อเพลิงไม่ถึงยี่สิบนาที ซึ่งใกล้เคียงกับเครื่องยนต์ดีเซลแบบดั้งเดิม ซึ่งเหนือกว่าการต้องขนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่จะเพิ่มน้ำหนักให้รถอีกประมาณสามถึงสี่ตัน เราเริ่มเห็นเทคโนโลยีนี้แพร่หลายไปทั่วโลกแล้ว โดยมีรถโดยสารไฮโดรเจนกว่าห้าพันคันที่กำลังให้บริการในประเทศจีน ส่วนต่างๆ ของยุโรป และแม้แต่รัฐแคลิฟอร์เนีย การใช้งานยังขยายออกไปนอกเหนือจากรถบัสอีกด้วย เช่น รถไฟ Coradia iLint ในเยอรมนี หรือโครงการเรือเฟอร์รี่ HYDROGEN ของนอร์เวย์ อีกทั้งท่าเรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งจะได้รับประโยชน์ เนื่องจากการดำเนินงานส่วนใหญ่ในท่าเรือขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ดีเซลที่ปล่อยออกไซด์ของไนโตรเจนและฝุ่นละอองจำนวนมาก การเปลี่ยนมาใช้เซลล์เชื้อเพลิงหมายถึงการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ ณ จุดที่เกิดขึ้นจริง ซึ่งช่วยให้หน่วยงานท่าเรือสามารถบรรลุเป้าหมายที่เข้มงวดขององค์การระหว่างประเทศเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนภายในปี 2030 และ 2050

ระบบพลังงานอุตสาหกรรมและระบบสำรองพลังงาน: การแทนที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล

เซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานที่สะอาดและเชื่อไวสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ เช่น ศูนย์ข้อมูล โรงพยาบาล และโรงงาน ซึ่งโดยทั่วดั้งเดิวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลมักใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟสำรอง เมื่เทียบกับตัวเลือกที่ใช้ดีเซล ระบบทั้งเหล่านี้ไม่ปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ที่เป็นอันตราย ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ หรืออนุภาคจิ๋วเข้าไปภายในอาคารหรือบริเวนที่มีการทำงานละเอียดอ่อน การออกแบบของเซลล์เชื้อเพลิงช่วยให้สามารถปรับขนาดได้ง่ายตั้งแต่ติดตั้งขนาดเล็กที่ 50 กิโลวัตต์ ไปจนถึงระบบที่ใหญ่สุดถึง 3 เมกาวัตต์ ระยะเวลาการใช้งานขึ้นขึ้นส่วนใหญ่ขึ้นต่อการจัดหาไฮโดรเจนที่มีพร้อม มากกว่ากังวลเกี่ยวกับแบตเตอรี่ที่เสื่อมสภาพตามอาย่าการใช้งาน เมื่อใช้ถังไฮโดรเจนที่ถูกอัดความดัน ส่วนใหญ่ของหน่วยสามารถรองรับภาระการทำงานเต็มกำลังเป็นเวลามากกว่าสามวันติด ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงจากอัคคีภัยเมื่ีเทียบกับการจัดเก็บดีเซลปริมาณใหญ่ในสถานที่ กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริการายงานว่าบริษัทที่นำระบบสำรองด้วยเซลล์เชื้อเพลิงเข้าใช้เพิ่มขึ้นประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ในปีที่ผ่าน ความเติบโตนี้มีเหตูมีเหตุเมื่อมองอัตราความเชื่อไวที่สูงเกิน 99.999 เปอร์เซ็นต์ บวกกับความเป็นจริงที่บริษัทใหญ่หลายคนในปัจจุบันให้ความสำคัญต่อเป้าหมายสิ่งแวดล้อม สังคม และการกำกับดูดู (ESG) ในการตัดสินทางธุรกิจ

การขับเคลื่อนระบบนิเวศเซลล์เชื้อเพลิง: โครงสร้างพื้นฐาน ความปลอดภัย และนโยบาย

ระบบจัดเก็บไฮโดรเจน โครงสร้างพื้นฐานสถานีเติมเชื้อเพลิง และมาตรการความปลอดภัยในการดำเนินงาน

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงในขนาดใหญ่ ขึ้นอยู่กับการมีวิธีการที่ปลอดภัย ในการส่งไฮโดรเจน ที่ไม่ทําลายธนาคาร มีวิธีหลักในการเก็บไฮโดรเจนอยู่สามวิธี คือ ถังแก๊สดันที่มีความดันประมาณ 350 ถึง 700 บาร์, น้ําเหลวเย็นมากที่เก็บไว้ที่อุณหภูมิลบ 253 องศาเซลเซียส และตัวเลือกใหม่ๆ ที่ใช้ฮิดริดโลหะหรือวัสดุ วิธีแต่ละวิธีทํางานได้ดีขึ้น สําหรับสถานการณ์ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับสิ่งที่จําเป็นต้องทํา ถ้าเราดูตัวเลขเมื่อเราเข้าสู่ปี 2023 มีสถานีจ้างน้ํามันฮิดรอเจนสาธารณะกว่า 160 แห่งทั่วโลก ส่วนใหญ่พบได้ในสถานที่ เช่น แคลิฟอร์เนีย, ญี่ปุ่น, เกาหลีใต้ และบางส่วนของเยอรมัน แต่เมื่อมันมาถึงการขยายพื้นฐานนี้ ให้เข้าถึงยานยนต์ขนาดใหญ่ เช่น รถบรรทุกและรถบัส สิ่งต่างๆ จะยากขึ้นอย่างรวดเร็ว การสร้างสถานีไฟฟ้าขนาดดีๆ หนึ่งตัว ค่าใช้จ่ายประมาณ 2-3 ล้านดอลลาร์ ไม่รวมเอกสารที่ต้องใช้เพื่ออนุญาต และการเชื่อมต่อกับเครือไฟฟ้าที่มีอยู่ ซึ่งเพิ่มอีกชั้นหนึ่งของความซับซ้อนที่ไม่มีใครอยากจัดการ

ความปลอดภัยได้รับการกำหนดตามมาตรฐานวิศวกรรมที่มีการประสานงานกันในระดับสากล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ISO/TS 15916, SAE J2601 และ European Hydrogen Safety Handbook ซึ่งกำหนดให้:

• ถังไฮโดรเจนคอมโพสิตที่ผ่านการรับรองให้สามารถทนต่อรอบการกดดันมากกว่า 10,000 รอบ และทนต่อแรงกระแทกจากกระสุนได้
• หัวจ่ายเชื้อเพลิงที่มีระบบตรวจจับการรั่วซึมโดยอัตโนมัติ การตัดความร้อน และอุปกรณ์ปล่อยแรงดัน
• ระบบระบายอากาศในสถานที่ปิดที่ออกแบบมาเพื่อรักษาระดับความเข้มข้นของไฮโดรเจนให้อยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดการติดไฟต่ำสุดที่ 1%

การพิสูจน์ความเป็นจริงเกิดขึ้นจากการดำเนินงานต่างๆ เช่น โครงการ H2 Mobility ของยุโรป ซึ่งได้กำหนดมาตรฐานโปรโตคอลสำหรับสถานีจำนวน 29 แห่ง แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำงานร่วมกัน ความปลอดภัย และความมั่นใจของผู้ใช้ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย

เซลล์เชื้อเพลิงในเส้นทางสู่ความเป็นกลางคาร์บอน

เซลล์เชื้อเพลิงถือเป็นองค์ประกอบสำคัญในการขับเคลื่อนสู่เศรษฐกิจที่เป็นกลางทางคาร์บอน โดยเฉพาะในภาคส่วนที่การใช้ไฟฟ้าแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบโจทย์ได้ ระบบเหล่านี้ใช้ไฮโดรเจนสีเขียวซึ่งผลิตจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนผ่านกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส และเปลี่ยนให้กลายเป็นไฟฟ้า โดยปล่อยออกมาเพียงไอน้ำเท่านั้น หมายความว่าไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไม่มีออกไซด์ของไนโตรเจน และไม่มีอนุภาคอันตรายใดๆ ออกมาสู่อากาศ สิ่งที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงน่าสนใจยิ่งขึ้นคือการที่พวกมันสามารถทำงานร่วมกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อมีการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมเกินความต้องการ เราจะไม่ต้องเสียพลังงานส่วนเกินนั้นไป แต่สามารถนำพลังงานส่วนเกินนั้นมาเก็บไว้ในรูปของไฮโดรเจนได้ จากนั้นเมื่อความต้องการพลังงานเพิ่มสูงขึ้น ก็สามารถแปลงไฮโดรเจนที่เก็บไว้กลับเป็นไฟฟ้าได้อีกครั้ง แนวทางนี้ช่วยเสริมความยืดหยุ่นและเสถียรภาพให้กับโครงข่ายไฟฟ้าของเรา โดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพาโรงไฟฟ้าสำรองที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งทุกคนต่างต้องการเลิกใช้

โลกกำลังลงทุนด้วยเงินจริงเพื่อผลักดันไฮโดรเจนเป็นผู้เล่นหลัก: ตามรายงานของสำนักพลังงานระหว่างประเทศ ประมาณ 100 พันล้านดอลลาร์สหรัฐถูกจัดสรรเพื่อโครงสร้างพื้นฐานของไฮโดรเจนภายในปี 2030 ราค่าเซลล์เชื้อเพลิงก็ลดลงอย่างมากเกือร้อย 60% นับตั้งแต่ปี 2015 เนื่องจากการผลิตในสเกลที่ใหญ่ขึ้นและวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้น นโยบายของรัฐบาลก็เริ่มตามมาอย่างใกล้กิด เช่น กฎหมายการลดเงินเฟ้อล่าสุดของสหรัฐอเมริกาที่ให้การลดภาษี 3 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัมสำหรับไฮโดรเจนสะอาด รวมกับคำแนะนำด้านพลังงานหมุนเวียนที่ปรับปรุงล่าสุดของสหภาพยุโรป การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้หมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงไม่ใช่แค่อุปกรณ์ทดลองอีกต่อไป แต่กำลังกลายเป็นส่วนของโครงสร้างพื้นฐานทั่วทั่วอย่างแท้จริง มองไปข้างหน้า ประมาณการบ่งชี้ว่าระบบทั้งเหล่านี้อาจตอบสนองความต้องการพลังงานโดยประมาณร้อย 15% ในภาคส่วนที่การลดการปล่อยก๊าซเป็นเรื่องยากอย่างมาก สิ่งนี้ทำให้มันมีความสำคัญอย่างยิ่งหากเราต้องการบรรลุเป้าหมายสุทธิเป็นศูนย์ แม้ว่ายังคงมีงานที่ต้องทำก่อนเซลล์เชื้อเพลิงสามารถใช้งานอย่างแพร่หลาย

คำถามที่พบบ่อย

เซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร?
เซลล์เชื้อเพลิงคืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานทางเคมีจากไฮโดรเจนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีกับออกซิเจน

เซลล์เชื้อเพลิงผลิตมลพิษหรือไม่
เซลล์เชื้อเพลิงผลิตไอน้ำเป็นของเสียหลัก และไม่ปล่อยมลพิษที่ควบคุม เช่น CO2, NOx หรือฝุ่นละออง

สามารถใช้เซลล์เชื้อเพลิงในการขนส่งได้หรือไม่
ได้ เซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้มากขึ้นในภาคการขนส่งหนัก รวมถึงรถบรรทุก รถโดยสาร รถไฟ และเรือเดินทะเล

มาตรการความปลอดภัยสำหรับการใช้ไฮโดรเจนคืออะไร
มาตรการความปลอดภัยรวมถึงถังเก็บไฮโดรเจนที่ได้รับการรับรอง ระบบตรวจจับการรั่ว และการระบายอากาศที่เหมาะสม เพื่อรักษาระดับความเข้มข้นของไฮโดรเจนให้อยู่ในระดับปลอดภัย