ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับประเภทเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน

เซลล์เชื้อเพลิงเป็นระบบทางชีวภาพและไฟฟ้าเคมีที่จำแนกตามอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้และกระบวนการผลิต เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ผลิตพลังงานในรูปแบบต่างๆ ผ่านกระบวนการเคมีไฟฟ้า หรือใช้เพื่อสร้างพลังงานความร้อนหรือไฟฟ้าโดยไม่จำเป็นต้องใช้กระบวนการต่างๆ เช่น การเผาไหม้หรือการทำให้เป็นแก๊ส ปัจจุบันมีเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงหลายอย่างที่อยู่ในขั้นตอนการพัฒนาต้นแบบหรือการวิจัย โดยเทคโนโลยีที่โดดเด่นบางส่วนจะแตกต่างกันไปในอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง อุณหภูมิในการทำงาน และประเภทของเชื้อเพลิงที่ใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้น ข้อมูลต่อไปนี้จะให้ข้อมูลเบื้องต้นสั้นๆ เกี่ยวกับการจำแนกประเภทและคุณลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิงที่ทราบในปัจจุบัน รูปภาพด้านล่างนี้แสดงโดยย่อเกี่ยวกับเชื้อเพลิงที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่างๆ ตลอดจนคำอธิบายเชิงโครงสร้างอย่างง่ายและอุณหภูมิในการทำงาน ตารางต่อไปนี้แสดงอิเล็กโทรไลต์ อุณหภูมิในการทำงาน เชื้อเพลิง ข้อดีและข้อเสียที่จำเป็นสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละประเภท

I. เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEMFC - เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์)

       ความหนาแน่นของพลังงานสูงและน้ำหนักเบาของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนโพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEMFC) ทำให้เป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมมากกว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ นอกจากนี้ยังเป็นเส้นทางเทคโนโลยีที่ใช้กันทั่วไปและได้รับการส่งเสริมอย่างกว้างขวางสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ ชื่อนี้ใช้สลับกันได้กับเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน และในที่นี้ยังหมายถึงเซลล์เชื้อเพลิงอุณหภูมิต่ำ (LT-PEM) โดยเฉพาะ อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งและอิเล็กโทรดคาร์บอนที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมหรือแพลตตินัมอัลลอยด์ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ใช้เฉพาะไฮโดรเจนและออกซิเจน (อากาศ) โดยทั่วไปแล้ว PEMFC จะใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ (99.99%+) จากถังเก็บหรือเครื่องรีฟอร์มเมอร์เป็นเชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า ประมาณ 80°C (176°F) ส่งผลให้เวลาสตาร์ทเร็วขึ้น และการสึกหรอของส่วนประกอบของระบบน้อยลง ซึ่งหมายถึงความทนทานที่ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า เช่น แพลทินัม จะทำให้ต้นทุนของระบบเพิ่มขึ้น แม้ว่า PEMFC จะใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการขนส่งเป็นหลัก แต่ยังสามารถนำมาใช้ในการผลิตพลังงานความร้อนแบบคงที่และการใช้พลังงานความร้อนร่วมได้อีกด้วย เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในยานพาหนะ เช่น รถโดยสาร รถยนต์ และรถบรรทุกหนัก มีผู้เล่นรายใหญ่หลายราย เช่น Toyota ของญี่ปุ่น Hyundai ของเกาหลีใต้ Ballard ฯลฯ และบริษัทในประเทศก็มีจำนวนมากเกินไปที่จะกล่าวถึง

ครั้งที่สอง เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง (DMFC - เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง)

เซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ใช้พลังงานจากไฮโดรเจน ซึ่งสามารถจ่ายเข้าระบบได้โดยตรงหรือผลิตโดยการปฏิรูปเชื้อเพลิงที่อุดมด้วยไฮโดรเจน เช่น เมทานอล เอทานอล หรือไฮโดรคาร์บอน อย่างไรก็ตาม การทำงานของ DMFC (เซลล์เชื้อเพลิงเมธานอลโดยตรง) ขึ้นอยู่กับเมทานอล 100% ทั้งหมด ซึ่งโดยปกติจะผสมกับน้ำก่อนจะถูกฉีดเข้าไปในขั้วบวกของเซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง DMFC ไม่ประสบปัญหาในการจัดเก็บเชื้อเพลิงซึ่งเหมือนกับระบบเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ เนื่องจากเมทานอลมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าไฮโดรเจน (แม้ว่าจะต่ำกว่าเชื้อเพลิงเบนซินหรือดีเซลก็ตาม) นอกจากนี้ เมทานอลยังเป็นของเหลวเหมือนกับน้ำมันเบนซิน ซึ่งทำให้การขนส่งและกระจายผ่านโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ง่ายขึ้น โดยทั่วไปแล้ว DMFC จะใช้ในการใช้งานเซลล์เชื้อเพลิงแบบพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อป ปัจจุบัน บางบริษัทกำลังส่งเสริมการขายเชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ต่างๆ เช่น อุตสาหกรรมการทหารและสถานีฐาน หลักการโครงสร้างแสดงในรูป:

III. เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC - เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์)

น้ำอัลคาไลน์อิเล็กโทรไลต์ (AEC) เป็นที่รู้จักกันดีสำหรับทุกคน แต่เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC) อาจไม่เป็นเช่นนั้น แม้ว่า AFC จะเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่เก่าแก่ที่สุดที่คิดค้นขึ้นและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงการอวกาศของสหรัฐอเมริกาเพื่อผลิตไฟฟ้าและน้ำบนยานอวกาศ อิเล็กโทรไลต์จะใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์และน้ำ ซึ่งจะทำให้มีอิสระในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะไม่มีตระกูลจำนวนมากที่ขั้วบวกและแคโทด เมื่อเร็ว ๆ นี้ AFC ใหม่ที่ใช้เมมเบรนโพลีเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์ได้เกิดขึ้น เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้คล้ายคลึงกับเซลล์เชื้อเพลิง PEM แบบดั้งเดิม แต่ใช้เมมเบรนอัลคาไลน์แทนเมมเบรนที่เป็นกรด อุปสรรคสำคัญประการหนึ่งต่อเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ (AFC) คือความอ่อนแอต่อพิษของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) แม้แต่ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศที่ติดตามมาก็สามารถสร้างการสะสมของคาร์บอเนตซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ในขณะที่ AFC ที่มีอิเล็กโทรไลต์ของเหลวสามารถทำงานในโหมดหมุนเวียนเพื่อสร้างอิเล็กโทรไลต์ใหม่และลดการก่อตัวของคาร์บอเนต โหมดนี้จะแนะนำปัญหากระแสสับเปลี่ยนและปัญหาอื่นๆ เช่น ความสามารถในการเปียกน้ำ การกัดกร่อน และการจัดการแรงดันต่างกัน เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนอัลคาไลน์ (AMFC) แก้ปัญหาเหล่านี้และมีความไวต่อการเป็นพิษของคาร์บอนไดออกไซด์น้อยกว่า AFC ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว อย่างไรก็ตาม คาร์บอนไดออกไซด์ยังคงส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน และในปัจจุบันยังตามหลังเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) ทั้งในด้านประสิทธิภาพและความทนทาน ขณะนี้ AMFC กำลังอยู่ในระหว่างการศึกษาถึงศักยภาพการใช้งานในช่วงหลายวัตต์ถึงหลายกิโลวัตต์ อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง ความท้าทายบางประการจำเป็นต้องได้รับการแก้ไข เช่น ความทนทานต่อคาร์บอนไดออกไซด์ การนำไฟฟ้าของเมมเบรน และความทนทาน การส่งเสริมการขายเชิงพาณิชย์ยังอ่อนแอและบริษัทที่มีชื่อเสียงมีน้อย

IV. เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFCs—— เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก)

เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก (PAFC) ใช้กรดฟอสฟอริกเหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งถูกห่อด้วยเมทริกซ์ซิลิคอนคาร์ไบด์และเชื่อมด้วยโพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) อิเล็กโทรดประกอบด้วยคาร์บอนที่มีรูพรุนซึ่งมีตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม PAFC มักถูกเรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิง 'รุ่นแรก' สมัยใหม่ และถือเป็น เซลล์เชื้อเพลิง ประเภทหนึ่งที่เติบโตเต็มที่ที่สุด และมีการใช้ในเชิงพาณิชย์มาระยะหนึ่งแล้ว ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ แต่ก็มีตัวอย่างของ PAFC ที่ขับเคลื่อนยานพาหนะขนาดใหญ่ เช่น รถโดยสารประจำทางในเมือง เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) PAFC มีข้อได้เปรียบในการทนต่อสิ่งเจือปนในเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ถูกแปลงเป็นไฮโดรเจน เซลล์ PEM 'เป็นพิษ' ได้ง่ายจากคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งจับกับตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมในขั้วบวก ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงลดลง ในทางตรงกันข้าม PAFC มีความทนทานต่อสิ่งเจือปนในระดับหนึ่ง และมีประสิทธิภาพมากกว่า 85% เมื่อรวมกับความร้อนและพลังงาน อย่างไรก็ตาม จะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่อผลิตไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว โดยมีประสิทธิภาพตั้งแต่ 37%-42% ระดับประสิทธิภาพนี้ดีกว่าโรงไฟฟ้าที่ใช้การเผาไหม้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพประมาณ 33% นอกจากนี้ PAFC ยังมีพลังน้อยกว่าและใหญ่กว่าเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ ที่มีน้ำหนักและปริมาตรเท่ากัน ทำให้มีราคาแพงกว่าในการผลิต การผลิตเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมราคาแพงจำนวนมาก ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น บริษัทตัวแทน เช่น ดูซาน (DOOSAN ของเกาหลีใต้ ) PAFC ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าแบบอยู่กับที่และโดรน

วี ​เซลล์เชื้อเพลิงหลอมเหลวคาร์บอเนต (MCFC-เซลล์เชื้อเพลิงหลอมเหลวคาร์บอเนต)

การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงคาร์บอเนตหลอมเหลว (MCFCs) กำลังดำเนินการอยู่โดยมีเป้าหมายเพื่อใช้ในโรงไฟฟ้าที่ใช้ก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน สำหรับการใช้งานที่หลากหลายในภาคสาธารณูปโภคไฟฟ้า อุตสาหกรรม และการทหาร เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 650°C (1200°F) และถือเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอุณหภูมิสูง อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ใน MCFC คือเกลือคาร์บอเนตหลอมเหลวที่แขวนลอยอยู่ในเมทริกซ์ลิเธียมอลูมิเนียมออกไซด์เซรามิกเฉื่อยที่มีรูพรุน ข้อดีประการหนึ่งของการทำงานที่อุณหภูมิสูงก็คือโลหะไม่มีตระกูลสามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับทั้งขั้วบวกและแคโทด ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้ MCFC สามารถลดต้นทุนได้อย่างมากเนื่องจากประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น เมื่อรวมกับกังหัน เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้สามารถบรรลุประสิทธิภาพได้สูงถึง 6 5% ซึ่งเกินกว่า ประสิทธิภาพ 37-42% ของเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก อย่างมาก นอกจากนี้ เมื่อความร้อนเหลือทิ้งถูกดักจับและนำไปใช้ ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงโดยรวมอาจเกิน 85% ต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ กรดฟอสฟอริก และ PEM ตรงที่ MCFC ไม่ต้องการรีฟอร์มเมอร์ภายนอกเพื่อแปลงเชื้อเพลิง เช่น ก๊าซธรรมชาติและก๊าซชีวภาพให้เป็นไฮโดรเจน แต่เซลล์เชื้อเพลิงเองจะแปลงมีเทนและไฮโดรคาร์บอนเบาอื่นๆ ให้เป็นไฮโดรเจนโดยผ่านการปฏิรูปภายใน ซึ่งจะช่วยลดต้นทุน ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน MCFC เผชิญกับข้อบกพร่องที่สำคัญในด้านความทนทาน สภาพการทำงานที่รุนแรงที่อุณหภูมิสูงและการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะเร่งการกัดกร่อนและการสลายตัวของส่วนประกอบ ส่งผลให้ อายุการใช้งาน สั้น ลง ในที่สุด นักวิจัยกำลังตรวจสอบการใช้วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน และพัฒนาการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถเพิ่มอายุการใช้งานปัจจุบันเป็นสองเท่าที่ 40,000 ชั่วโมง (ประมาณห้าปี) โดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง บริษัทตัวแทน เช่น Fuel Cell Energy ในสหรัฐอเมริกา

VI : แบตเตอรี่โซลิดออกไซด์อุณหภูมิสูง (เซลล์เชื้อเพลิง SOFC-โซลิดออกไซด์)

เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) ใช้สารประกอบเซรามิกที่แข็งและไม่มีรูพรุนเป็นอิเล็กโทรไลต์ และมีประสิทธิภาพสูงในการแปลงเชื้อเพลิงเป็นไฟฟ้าประมาณ 60% ในการใช้งานความร้อนและพลังงานร่วม ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงโดยรวมสามารถเกิน 84% โดยการดักจับและใช้ประโยชน์จากความร้อนทิ้งของระบบ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้ทำงานที่อุณหภูมิสูงมากถึง 1,830°F

การดำเนินการที่อุณหภูมิสูงนี้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า จึงช่วยลดต้นทุน นอกจากนี้ SOFC ยังสามารถปฏิรูปเชื้อเพลิงภายใน ทำให้สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลาย และลดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มตัวแปลงลงในระบบ เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) มีข้อได้เปรียบเหนือเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ อย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น พวกมันสามารถทนต่อกำมะถันมากกว่าชนิดอื่นๆ และไม่ไวต่อพิษของคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลาย เช่น ก๊าซธรรมชาติ ก๊าซชีวภาพ และก๊าซที่ได้จากถ่านหิน นอกจากนี้ การทำงานที่อุณหภูมิสูงยังช่วยลดความจำเป็นในการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า ทำให้ราคาถูกลง อย่างไรก็ตาม การทำงานที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดความท้าทาย รวมถึงข้อกำหนดในการสตาร์ทเครื่องช้าและการป้องกันความร้อน ซึ่งทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการขนส่ง นอกจากนี้ ความทนทานยังเป็นปัญหาสำคัญเนื่องจากสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องพัฒนาวัสดุต้นทุนต่ำที่สามารถทนต่อสภาวะเหล่านี้ได้ แนวทางหนึ่งที่น่าหวังคือการพัฒนา SOFC ที่อุณหภูมิเย็นลง ซึ่งมีปัญหาด้านความทนทานน้อยลงและต้นทุนการดำเนินงานลดลง แม้ว่า SOFC ที่อุณหภูมิต่ำเหล่านี้จะยังไม่บรรลุประสิทธิภาพเช่นเดียวกับระบบที่มีอุณหภูมิสูง แต่ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังพัฒนากองวัสดุที่สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้ ปัจจุบันมีบริษัทที่เกี่ยวข้องกันมากมายทั้งในและต่างประเทศ หลักการทำงานและโครงสร้างเฉพาะแสดงไว้ในภาพ

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว . เซลล์เชื้อเพลิงแบบพลิกกลับได้ (RFC - เซลล์เชื้อเพลิงแบบพลิกกลับได้)

พูดอย่างเคร่งครัด เซลล์เชื้อเพลิงแบบพลิกกลับไม่ได้หมายถึงเส้นทางทางเทคนิคเฉพาะ ในปัจจุบัน สารทั่วไปเป็นแบบอัลคาไลน์แบบผันกลับได้, PEM แบบย้อนกลับได้ และ SOC แบบย้อนกลับได้ (หมายถึงอิเล็กโทรไลซิสแบบผันกลับได้ของน้ำและเซลล์เชื้อเพลิง) หลักการทำงานของมันคล้ายกับเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆ เพราะพวกมันผลิตไฟฟ้าและความร้อนจากไฮโดรเจน ออกซิเจน และน้ำเป็นผลพลอยได้ อย่างไรก็ตาม ระบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบพลิกกลับได้มีความสามารถเพิ่มเติมในการทำอิเล็กโทรลิซิสและผลิตเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้ไฟฟ้าจากแหล่งหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม ซึ่งหมายความว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบพลิกกลับได้ไม่เพียงแต่จ่ายกระแสไฟฟ้าเมื่อจำเป็นเท่านั้น แต่ยังสามารถกักเก็บพลังงานส่วนเกินในรูปของไฮโดรเจนเมื่อเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนผลิตพลังงานได้มากกว่าที่จำเป็นในปัจจุบัน ศักยภาพในการกักเก็บพลังงานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำให้พลังงานทดแทนที่ไม่ต่อเนื่องมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากขึ้น