ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์วัสดุของเซลล์เชื้อเพลิง

บทบาทของนาโนเทคโนโลยีในการพัฒนาวัสดุเซลล์เชื้อเพลิง

วัสดุเซลล์เชื้อเพลิงกำลังได้รับการพัฒนาอย่างมากด้วยเทคนิควิศวกรรมระดับนาโน เมื่อนักวิทยาศาสตร์ทำงานกับโครงสร้างในระดับอะตอม พวกเขาสามารถเพิ่มการนำไฟฟ้าไอออนิกในเยื่อหุ้มได้ประมาณ 15% ในขณะที่ทำให้ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาบางลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับความสามารถก่อนหน้านี้ การวิจัยล่าสุดจาก Fraunhofer IPT ในปี 2024 ยังเปิดเผยว่า สิ่งที่น่าสนใจคือ การเติมกราฟีนออกไซด์ลงในแผ่นไบโพลาร์จะช่วยลดความต้านทานที่ผิวสัมผัสลงประมาณ 27% สิ่งนี้มีความสำคัญเพราะช่วยในการกระจายความร้อนตลอดระบบ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นต่อการรักษาประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงในระยะยาว

นวัตกรรมในเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMs)

เยื่อหุ้มล่าสุดที่ใช้สารไฮโดรคาร์บอนสามารถเทียบเคียงกับเยื่อหุ้มแบบโพลิเมอร์ฟลูออรีนรุ่นเก่าในด้านประสิทธิภาพ แต่ยังมาพร้อมกับข้อได้เปรียบเพิ่มเติม เจ้าวัสดุใหม่นี้แสดงให้เห็นถึงความเสถียรทางเคมีที่ดีกว่าประมาณสามเท่า ในขณะที่ต้นทุนต่ำกว่ารุ่นก่อนหน้าราว 30 เปอร์เซ็นต์ การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับพอลิเมอร์ซัลโฟเนตที่ผ่านการเชื่อมขวาง (crosslinked) ทำให้เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMs) มีความทนทานมากยิ่งขึ้น โดยสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 120 องศาเซลเซียสได้โดยไม่แห้งหรือเสื่อมสภาพ ตามรายงานการวิจัยที่ตีพิมพ์ใน ScienceDirect เมื่อปี ค.ศ. 2021 การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยลดการเสื่อมสภาพของวัสดุลงได้ประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ในระหว่างการทำงานภายใต้สภาวะอุตสาหกรรมที่เข้มงวด ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนจะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น และผู้จัดการโรงงานจะสามารถดำเนินการได้อย่างยืดหยุ่นมากขึ้น แม้ต้องเผชิญกับสภาวะที่ท้าทายอยู่ทุกวัน

การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ขั้นสูงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFCs)

เซรามิกนาโนคอมโพสิตที่ออกแบบเส้นทางการเคลื่อนที่ของไอออนออกซิเจนไว้ล่วงหน้าสามารถบรรลุค่าการนำไฟฟ้าไอออนได้ถึง 1.2 ซีเมนต์/เซนติเมตร ที่อุณหภูมิ 650°C ซึ่งสูงกว่าวัสดุไซโบรเนียที่เติมอิเล็กโทรไลต์ด้วยอิเรีย (YSZ) รุ่นก่อนหน้าถึง 45% วัสดุเหล่านี้มีชั้นป้องกันที่ผิวสัมผัสซึ่งช่วยลดการปนเปื้อนจากโครเมียมได้ถึง 80% ทำให้อายุการใช้งานของชุดเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC) ยาวนานเกินกว่า 50,000 ชั่วโมง ความก้าวหน้านี้ช่วยให้การทำงานที่อุณหภูมิสูงมีความทนทานและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

ตัวเร่งปฏิกิริยานาโนสตรัคเจอร์แบบฟิล์มบางที่แทนที่วัสดุแบบดั้งเดิม

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผลิตผ่านกระบวนการสะสมชั้นบางแบบอะตอมสามารถใช้โลหะกลุ่มแพลตินัมได้ในอัตราสูงกว่า 90% ซึ่งดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดผงแบบดั้งเดิมที่เราเห็นอยู่ประมาณ 30% อย่างมาก เมื่อพิจารณาในระดับวัสดุจริง ฟิล์มบางไนโตรไดด์ของนิกเกิลและเหล็กก็แสดงศักยภาพที่น่าสนใจเช่นกัน โดยมีสมรรถนะใกล้เคียงกับแพลตินัมซึ่งมีราคาแพงในการทำปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน แต่มีต้นทุนการผลิตเพียงประมาณ 2% ของแพลตินัมเท่านั้น สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งไปกว่านั้นคือความเสถียรของวัสดุชนิดนี้ ที่สามารถคงอยู่ได้นานเกินกว่า 1,000 ชั่วโมงในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด เมื่อมองดูจากความก้าวหน้าเหล่านี้ ดูเหมือนว่าจะมีแรงผลักดันที่แท้จริงในการพัฒนาระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่เพียงแต่มีสมรรถนะยอดเยี่ยม แต่ยังช่วยลดต้นทุนลงได้อย่างมากเมื่อเทียบกับข้อจำกัดในอดีต

ปัญหาด้านวัสดุในเซลล์เชื้อเพลิง: ความจำเป็นในการแลกเปลี่ยนระหว่างความทนทานและการนำไฟฟ้า

การค้นหาจุดสมดุลที่ดีระหว่างการนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพกับความแข็งแรงเชิงกลที่คงทน ยังคงเป็นหนึ่งในอุปสรรคสำคัญในสาขานี้ ตัวอย่างเช่น แคโทดเพอรอฟสไกต์ที่ผ่านการโดป (doped perovskite cathodes) สิ่งเหล่านี้สามารถให้ความหนาแน่นของพลังงานได้ประมาณ 2.5 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร เมื่อทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 750 องศาเซลเซียส แต่ก็มีข้อเสียตรงที่พวกมันมักจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าวัสดุที่นำไฟฟ้าน้อยกว่าถึงร้อยละ 20 อย่างไรก็ตาม ในทางที่เป็นบวก งานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วได้ศึกษาเกี่ยวกับอิเล็กโทรดที่มีปริมาณรูพรุนแบบเกรเดียนต์ (gradient porosity electrodes) ผลการศึกษาชี้ให้เห็นว่า เมื่อวิศวกรออกแบบโครงสร้างรูพรุนโดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ พวกเขาสามารถลดความเสียหายจากความเครียดทางความร้อนลงได้เกือบครึ่งหนึ่ง แนวทางในลักษณะนี้ดูเหมือนจะช่วยยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนเหล่านี้ได้อย่างมีนัยสำคัญก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว

ความก้าวหน้าในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่แพลตินัมสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงที่ประหยัดต้นทุน

เหตุใดตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่แพลตินัมจึงมีความสำคัญต่อการลดต้นทุนในระบบเซลล์เชื้อเพลิง

ต้นทุนของพลาตินัมคิดเป็นประมาณ 40% ของค่าใช้จ่ายในการผลิตชุดเซลล์เชื้อเพลิงไฟฟ้า ตามการวิจัยจากห้องปฏิบัติการอาร์กอนเนชันแนลในปี 2023 และราคาที่สูงมากนี้กำลังเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการยอมรับเทคโนโลยีนี้ในวงกว้าง การเปลี่ยนไปใช้โลหะทั่วไปมากขึ้น เช่น เหล็กหรือโคบอลต์ อาจลดต้นทุนของตัวเร่งปฏิกิริยาลงได้ระหว่าง 60 ถึง 75 เปอร์เซ็นต์ โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพในการผลิตพลังงานมากนัก การศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาศาสตร์วัสดุยังชี้ให้เห็นสิ่งที่น่าสนใจด้วย: ทางเลือกที่ใช้โลหะที่ไม่ใช่โลหะมีค่าในปัจจุบันใกล้เคียงกับพลาตินัมมากขึ้นในการทำปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน โดยอยู่ที่ประมาณ 85% เมื่อเทียบกับเพียง 63% ในปี 2018 ความก้าวหน้าในระดับนี้สอดคล้องกับเป้าหมายของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ที่ต้องการเห็นการลดต้นทุนระบบโดยรวมให้ต่ำกว่า 80 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ภายในสิ้นทศวรรษหน้า

ความก้าวหน้าล่าสุดของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้โลหะทรานซิชัน

ตัวเร่งปฏิกิริยาล่าสุดที่ทำจากเหล็ก-ไนโตรเจน-คาร์บอน (Fe-N-C) ซึ่งผลิตผ่านกระบวนการไพโรไลซิส สามารถแข่งขันกับพลาตินัมได้จริงในด้านประสิทธิภาพการลดออกซิเจน (ORR) ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ นักวิจัยพบว่า การเติมโคบอลต์ลงในเส้นใยคาร์บอนนาโน ช่วยสร้างโครงสร้าง 3 มิติ ซึ่งเพิ่มความเร็วของปฏิกิริยาได้ประมาณ 42% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า ตามรายงานของทีมเดงในปี 2023 สิ่งนี้ถือว่ามีความสำคัญอย่างมาก เพราะหนึ่งในปัญหาหลักของโลหะทรานซิชันคือ ความเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วภายใต้การใช้งานซ้ำๆ สิ่งที่ทำให้วัสดุใหม่เหล่านี้โดดเด่นคือ ความสามารถในการคงความเสถียร แม้อยู่ภายใต้สภาวะที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการประยุกต์ใช้งานจริงที่อุปกรณ์ต้องเผชิญกับแรงเครียดและอุณหภูมิที่ผันผวนอย่างต่อเนื่อง

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ: พลาตินัม เทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยานาโนสตรัคเจอร์แบบฟิล์มบาง

แม้ว่าการสร้างโครงสร้างระดับนาโนจะช่วยลดช่องว่างด้านประสิทธิภาพ แต่ความทนทานยังคงเป็นอุปสรรคหลักต่อการนำไปใช้ในวงกว้าง

ความท้าทายด้านการขยายขนาดของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โลหะมีค่าในเซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์

การผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาขั้นสูงที่ไม่ใช่โลหะมีค่าต้องอาศัยสภาวะไพโรไลซิสที่แม่นยำ (900–1100°C) ทำให้การผลิตจำนวนมากซับซ้อนมากขึ้น รายงานของ DOE ปี 2024 พบว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบโลหะเปลี่ยนรูปเบื้องต้นสูญเสียประสิทธิภาพเริ่มต้นไป 37% หลังจากใช้งาน 5,000 ชั่วโมง เมื่อเทียบกับระบบแบบพลาตินัมที่ลดลงเพียง 15% การปิดช่องว่างนี้จำเป็นต้องมีความก้าวหน้าควบคู่กันไปในการสังเคราะห์ที่สามารถขยายขนาดได้และวิธีการรวมเข้ากับขั้วไฟฟ้าที่มีความทนทาน

วิวัฒนาการของการออกแบบในเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง

แนวโน้มของเซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEMFC ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำสำหรับการขนส่ง

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า PEMFCs สามารถทำงานได้ดีแม้อุณหภูมิจะลดต่ำกว่า 80 องศาเซลเซียส นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ผู้ผลิตรถยนต์ให้ความสนใจในการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในยานพาหนะมากขึ้นในช่วงหลัง มุ่งเน้นไปที่การจัดการการสตาร์ทเครื่องในสภาพอากาศเย็น และผลกระทบจากการแช่แข็งและละลายซ้ำๆ งานวิจัยบางชิ้นเมื่อปีที่แล้วระบุว่า การปรับปรุงการออกแบบชุดเมมเบรนอิเล็กโทรดสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ประมาณ 40% ในสภาวะที่หนาวจัด ในขณะเดียวกัน ต้นแบบจำนวนมากเริ่มผสมผสานเทคโนโลยี PEMFC เข้ากับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม ส่งผลให้รถยนต์ต้นแบบที่ใช้ไฮโดรเจนสามารถวิ่งได้ระยะทางประมาณ 450 ไมล์ต่อการเติมเชื้อเพลิงหนึ่งครั้ง ซึ่งช่วยแก้ไขข้อกังวลสำคัญอย่างหนึ่งที่ผู้ซื้ออาจมีต่อยานยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไป

เมมเบรนที่บางลงและทนทานมากขึ้น ทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น

เยื่อ Sulfonated poly(ether ether ketone) หรือที่เรียกว่าเยื่อ SPEEK กำลังเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมในขณะนี้ วัสดุเหล่านี้ให้การนำไฟฟ้าของโปรตอนได้ดีขึ้นประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่มีความหนาน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ในปี 2020 ตามงานวิจัยจาก ScienceDirect เมื่อปีที่แล้ว สิ่งที่น่าประทับใจคือความเสถียรของวัสดุเหล่านี้ที่สามารถคงไว้ได้ตลอดหลายพันชั่วโมงในการใช้งานด้านยานยนต์ โดยสามารถทนต่อรอบการใช้งานมากกว่า 8,000 รอบโดยไม่เสื่อมสภาพ นอกจากนี้ยังช่วยลดปัญหาการซึมผ่านของไฮโดรเจนลงได้ประมาณ 22% ซึ่งหมายถึงปัญหาที่เกิดขึ้นระหว่างการใช้งานจะลดลง สำหรับรุ่นล่าสุดที่เสริมด้วยกราฟีนออกไซด์ดูมีแนวโน้มดีขึ้นไปอีก โดยอาจทำให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 4.2 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญเมื่อเทียบกับเยื่อแบบดั้งเดิม โดยมีประสิทธิภาพดีขึ้นประมาณ 65% ในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดสำหรับผู้ผลิตที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพ

การปรับปรุงการจัดการน้ำและการออกแบบชั้นกระจายก๊าซในเซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEMFC

แผ่นไบโพลาร์รุ่นล่าสุดนี้ได้รวมช่องไมโครฟลูอิดิกส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ ซึ่งช่วยลดปัญหาน้ำสะสมได้ประมาณครึ่งหนึ่ง และช่วยกระจายออกซิเจนอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิว นักวิจัยพบว่าเมื่อใช้สนามไหลแบบแฟรคทัลเลียนแบบธรรมชาติ ผลผลิตแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ที่กระแสไฟ 2 แอมป์ต่อตารางเซนติเมตร ตามการศึกษาที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้ว ชั้นการแพร่ก๊าซที่สร้างจากเส้นใยคาร์บอนนาโนทิวบ์มีคุณสมบัติที่น่าประทับใจเช่นกัน — มีพื้นที่เปิดโล่งประมาณ 90% สำหรับการเคลื่อนที่ของก๊าซ และนำไฟฟ้าได้ที่ระดับ 0.5 ซีเมนส์ต่อเซนติเมตรตามแนวระนาบ คุณลักษณะเหล่านี้สร้างความสมดุลที่ดีระหว่างการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนอย่างมีประสิทธิภาพและการขนส่งก๊าซอย่างเหมาะสมภายในระบบ

นวัตกรรมวัสดุในอิเล็กโทรไลต์และแอโนดเซรามิก SOFC

เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งในปัจจุบันมักใช้สารอิเล็กโทรไลต์เซเรียที่ผสมกับแกโดลิเนียม (gadolinium doped ceria) ร่วมกับแคโทด LSCF ที่เราได้กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ซึ่งทำให้สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องที่ประมาณ 650 องศาเซลเซียส ถือว่าน่าประทับใจมาก เพราะแบบจำลองรุ่นเก่าเมื่อปี 2019 ต้องการอุณหภูมิสูงกว่านี้เกือบ 200 องศาเพื่อให้ทำงานได้อย่างเหมาะสม เมื่อมองไปที่ขั้วแอโนด นักวิจัยได้พัฒนาคอมโพสิต Ni-YSZ ที่มีรูพรุนขนาดเล็กเพียง 50 นาโนเมตร ซึ่งยังให้ผลผลิตพลังงานที่ค่อนข้างดี จากข้อมูลของ ScienceDirect เมื่อปีที่แล้ว พบว่าสามารถผลิตพลังงานได้ 1.2 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ที่แรงดันเพียง 0.7 โวลต์ เมื่อใช้เชื้อเพลิงมีเทน ถือเป็นผลลัพธ์ที่ดีพิจารณาจากคนส่วนใหญ่ยังคงมองว่าไฮโดรคาร์บอนไม่เหมาะกับเซลล์เชื้อเพลิง

การลดอุณหภูมิการทำงานของ SOFC ผ่านนาโนไอโอ닉ส์

การเคลือบผิวขั้วไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงแบบโซลิดออกไซด์ (SOFC) ด้วยชั้นนำไฟฟ้าแบบนาโนไอออนิก สามารถลดความต้านทานที่ผิวสัมผัสลงได้ประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ ส่งผลให้ระบบเหล่านี้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิเพียง 550 องศาเซลเซียส และยังคงใช้ประโยชน์จากเชื้อเพลิงได้สูงถึงประมาณ 95% นักวิจัยพบว่า ฟิล์มบางแซนเดีย-เสถียรรูปซิเรเนีย (ScSZ) ที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการสะสมชั้นอะตอม (atomic layer deposition) สามารถทำให้เกิดการนำไฟฟ้าไอออนิกที่ระดับ 0.1 S/cm ที่อุณหภูมิต่ำเพียง 500°C ซึ่งเทียบเท่ากับประสิทธิภาพของ YSZ ที่อุณหภูมิสูงกว่ามากถึง 800°C ตามรายงานล่าสุดจาก MDPI ในปี 2023 การพัฒนานี้ทำให้กระบวนการสตาร์ทเครื่องเร็วขึ้น และสามารถจัดการกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดีขึ้นตามเวลาที่ผ่านไป สำหรับอุตสาหกรรมที่พึ่งพาหน่วยกำลังเสริมในเครื่องบินและยานพาหนะขนส่งขนาดใหญ่ ความก้าวหน้าเหล่านี้ถือเป็นความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในการเข้าสู่ทางแก้ปัญหาด้านพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

การรวมระบบเซลล์เชื้อเพลิงและการประยุกต์ใช้งานจริง

การปรับสมดุลความสม่ำเสมอทางความร้อนและไฟฟ้าในโครงสร้างซ้อนเซลล์เชื้อเพลิง

เมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชั้นของสแต็กล้ำเกิน 15 องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพจะลดลงระหว่าง 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ ตามการวิจัยจาก ScienceDirect เมื่อปีที่แล้ว นั่นคือเหตุผลที่การรักษาระดับอุณหภูมิให้สม่ำเสมอทั่วทั้งระบบยังคงมีความสำคัญอย่างมาก โซลูชันการระบายความร้อนแบบใหม่เริ่มนำแผ่นไมโครแชนแนลมาใช้ร่วมกับซอฟต์แวร์คาดการณ์ความร้อนอัจฉริยะ ส่งผลให้สามารถรักษาระดับแรงดันได้อย่างเสถียรประมาณ 92% แม้ในขณะที่จัดการกับสแต็กที่มีเซลล์เดี่ยวมากกว่า 100 เซลล์ การปรับปรุงเหล่านี้เปิดโอกาสให้เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงขยายตัวออกไปนอกเหนือจากการประยุกต์ใช้งานขนาดเล็ก เราเริ่มเห็นศักยภาพจริงในด้านต่างๆ เช่น เรือขนาดใหญ่ที่ต้องการพลังงานต่อเนื่อง และอุปกรณ์การผลิตหนักที่ต้องการแหล่งพลังงานที่เชื่อถือได้โดยไม่หยุดชะงัก

ระบบผสมผสาน SOFC-Turbine เพื่อการผลิตไฟฟ้าแบบสถานีที่มีประสิทธิภาพ

เมื่อเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งถูกจับคู่กับกังหันก๊าซ จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 68 ถึง 72 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งดีกว่ากังหันทั่วไปที่ทำงานเพียงลำพังราว 30% เทคนิคอยู่ที่การนำความร้อนที่เหลือทิ้งจากไอเสียของกังหันมาป้อนกลับเข้าสู่แคโทดของ SOFC ซึ่งช่วยให้ระบบที่รวมกันนี้สามารถดึงพลังงานที่ใช้ได้ทั้งหมดออกมาให้มากที่สุด การทดสอบในสภาพจริงยังแสดงให้เห็นถึงสิ่งที่น่าประทับใจอีกด้วย ระบบผลิตไฟฟ้าและพลังงานความร้อนร่วม (CHP) ช่วยลดการปล่อยคาร์บอนอย่างมีนัยสำคัญ สำหรับการผลิตไฟฟ้า 1 เมกะวัตต์ ระบบที่รวมกันนี้จะช่วยลดการปล่อยก๊าซประจำปีลงประมาณ 8.2 ตัน เมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบดั้งเดิม เมื่อพิจารณาถึงความสำคัญของการลดก๊าซเรือนกระจกในระบบโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่ เทคโนโลยีไฮบริดประเภทนี้จึงเริ่มกลายเป็นตัวเปลี่ยนเกมที่แท้จริงในการทำให้เครือข่ายไฟฟ้าของเราสะอาดและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงในภาคขนส่งและการลดการปล่อยมลพิษทางอุตสาหกรรม

เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ปรากฏเฉพาะในรถยนต์อีกต่อไป จากข้อมูลของ ScienceDirect เมื่อปีที่แล้ว รถโฟร์คลิฟต์ที่ผลิตใหม่ประมาณ 45 เปอร์เซ็นต์ และรถไฟระดับภูมิภาคราวหนึ่งในห้า ได้เปลี่ยนมาใช้ไฮโดรเจนแทนเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมแล้ว อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ถือว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เกิดขึ้นในภาคอุตสาหกรรมที่ยากต่อการลดคาร์บอน โดยโรงงานผลิตซีเมนต์และโรงหลอมเหล็กทั่วโลกเริ่มทดลองติดตั้งระบบเซลล์เชื้อเพลิงขนาดใหญ่ เพื่อแทนที่ระบบเผาถ่านหินแบบเดิม ผลเบื้องต้นบางประการแสดงให้เห็นว่า การติดตั้งใหม่นี้สามารถลดการปล่อยมลพิษระหว่างกระบวนการผลิตได้เกือบ 9 ใน 10 หน่วย สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ยังคงทำงานได้อย่างต่อเนื่องและเชื่อถือได้แม้ในสภาวะที่รุนแรง ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตต้องการเมื่อพยายามลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยไม่กระทบต่อผลผลิต

แนวโน้มในอนาคต: การเชื่อมโยงนวัตกรรมกับการยอมรับในตลาด

แนวโน้มการวิจัยและพัฒนาทั่วโลกในวัสดุเซลล์เชื้อเพลิงและการค้นพบที่ขับเคลื่อนด้วยปัญญาประดิษฐ์

ทั่วโลกใช้เงินมากกว่า 7.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐทุกปีในการวิจัยเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ตามรายงาน Clean Energy Trends 2024 สิ่งที่น่าสนใจยิ่งไปกว่านั้นคือ การเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) กำลังเปลี่ยนแปลงสิ่งต่าง ๆ อย่างรวดเร็ว งานศึกษาบางชิ้นแสดงให้เห็นว่ามันสามารถเร่งการค้นพบวัสดุใหม่ได้เร็วกว่าเดิมถึง 3 ถึง 4 เท่า ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียรและอิเล็กโทรไลต์ที่ทนทานได้เร็วกว่าในอดีตมาก แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ยังมีบทบาทสำคัญ โดยลดระยะเวลาที่เคยใช้เวลานานหลายปีลงเหลือเพียงไม่กี่เดือนเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (solid oxide fuel cells) ที่ตอนนี้ด้วยความช่วยเหลือจากปัญญาประดิษฐ์ ระบบเหล่านี้สามารถทำงานได้มีประสิทธิภาพประมาณ 92% ที่อุณหภูมิ 650 องศาเซลเซียส ซึ่งจริงๆ แล้วต่ำกว่าอุณหภูมิปกติก่อนหน้าถึง 150 องศาเซลเซียส การปรับปรุงในระดับนี้มีความสำคัญอย่างมากต่อการนำไปใช้งานจริง

อุปสรรคหลัก: ต้นทุน ความทนทาน และข้อบกพร่องของโครงสร้างพื้นฐานไฮโดรเจน

นวัตกรรมกำลังเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่การนำเทคโนโลยีเหล่านี้ออกสู่ตลาดยังคงเป็นเรื่องยาก สิ่งที่เป็นปัญหากับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่มีพลาตินัมคือ มักจะสึกหรอเร็วกว่าประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากโลหะมีค่า เมื่อนำไปใช้งานจริงในเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน นอกจากนี้ยังมีประเด็นเรื่องการผลิตและจัดเก็บไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งในปัจจุบันทำให้ต้นทุนโดยรวมเพิ่มขึ้นระหว่าง 18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ โครงสร้างพื้นฐานยังล้าหลังออกไปอีก จากสถานีเติมไฮโดรเจนทั้งหมดที่มีการวางแผนไว้ มีเพียงประมาณเจ็ดเปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่สามารถรองรับความต้องการแรงดันอัดที่ 700 บาร์ ซึ่งจำเป็นสำหรับรถบรรทุกและยานพาหนะหนักประเภทอื่นๆ และยังไม่ควรลืมเรื่องกฎระเบียบต่างๆ อีกด้วย ณ ขณะนี้ มีเพียง 14 ประเทศทั่วโลกเท่านั้นที่สามารถจัดทำมาตรฐานที่สอดคล้องกันสำหรับการรับรองเซลล์เชื้อเพลิงได้ ส่งผลให้ตลาดส่วนใหญ่ยังคงกระจัดกระจายและสร้างความสับสนให้กับผู้ผลิตที่พยายามปฏิบัติตามข้อกำหนดที่แตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ

จากห้องปฏิบัติการสู่ตลาด: การขยายขนาดนวัตกรรมเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อการใช้งานเชิงพาณิชย์

การปิดช่องว่างระหว่างโครงการนำร่องกับการผลิตในระดับเต็มที่แท้จริงนั้น ขึ้นอยู่กับการค้นหาวิธีการผลิตในขนาดใหญ่ ALD หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า Atomic Layer Deposition ในวงการ มีความน่าสนใจอย่างมากในปัจจุบันสำหรับการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยานาโนสตรัคเจอร์ขนาดเล็กที่จำเป็นสำหรับการใช้งานต่างๆ เทคโนโลยีการแปรรูปเมมเบรนแบบโรลต่อโรล (roll to roll) ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นสำหรับแผงโซลาร์เซลล์ กลับช่วยลดต้นทุนได้ประมาณ 33 เปอร์เซ็นต์เมื่อนำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง ห้องปฏิบัติการแห่งชาติที่ทำงานร่วมกับผู้ผลิตรถยนต์อย่างใกล้ชิด ได้ช่วยเร่งความเร็วกระบวนการพัฒนาอย่างชัดเจน ความร่วมมือร่วมกันนี้ทำให้เราเห็นการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนรุ่นใหม่ที่สามารถใช้งานได้นานประมาณ 25,000 ชั่วโมงก่อนต้องเปลี่ยน ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าอย่างมากเมื่อเทียบกับรุ่นปี 2020 ที่ใช้งานได้เพียงประมาณ 14,900 ชั่วโมงเท่านั้น ด้วยความก้าวหน้าในอัตราที่รวดเร็วเช่นนี้ ดูเหมือนว่าการนำเทคโนโลยีขั้นสูงเหล่านี้ออกสู่ตลาดไม่ใช่แค่เป็นไปได้อีกต่อไป แต่กำลังกลายเป็นเรื่องที่เป็นจริงได้มากยิ่งขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

ข้อดีของการใช้นาโนเทคโนโลยีในเซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร

นาโนเทคโนโลยีช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุในเซลล์เชื้อเพลิง โดยการปรับปรุงการนำไฟฟ้าแบบไอออน ลดความต้านทานที่ผิวสัมผัส และทำให้สามารถสร้างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่บางลง ส่งผลให้การกระจายความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่พลาตินัมช่วยลดต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงได้อย่างไร

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่พลาตินัม เช่น ที่ใช้เหล็กหรือโคบอลต์ ช่วยลดต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงอย่างมาก โดยลดค่าใช้จ่ายของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ถึง 75% ในขณะที่ยังคงรักษาระดับประสิทธิภาพในการทำปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจนไว้ได้ใกล้เคียงกัน

อุปสรรคหลักในการขยายเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงมีอะไรบ้าง

อุปสรรคสำคัญ ได้แก่ ต้นทุนและความทนทานของวัสดุ การขาดโครงสร้างพื้นฐานไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพ และความจำเป็นในการมีมาตรฐานสากลที่สอดคล้องกัน รวมถึงกระบวนการผลิตที่สามารถขยายขนาดได้สำหรับการประยุกต์ใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงในเชิงพาณิชย์

ระบบเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง-เทอร์ไบน์แบบผสมช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างไร

ระบบไฮบริด SOFC-เทอร์ไบน์ เพิ่มประสิทธิภาพโดยการใช้ความร้อนที่เหลือจากไอเสียของเทอร์ไบน์เพื่อยกระดับสมรรถนะทางไฟฟ้า ทำให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพได้สูงถึง 72% ซึ่งสูงกว่าเทอร์ไบน์แบบดั้งเดิมมาก

ปัญญาประดิษฐ์ (AI) มีบทบาทอย่างไรในการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิง

ปัญญาประดิษฐ์เร่งกระบวนการค้นพบและพัฒนาวัสดุ ช่วยลดระยะเวลาที่ต้องใช้ในการระบุตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรไลต์ที่มีเสถียรภาพ ซึ่งในท้ายที่สุดจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและสมรรถนะในแอปพลิเคชันเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้งานจริง