Docstoc

Solid Oxide Fuel Cell

Document Sample
Solid Oxide Fuel Cell Powered By Docstoc
					                                เซลล์เชื้อเพลิงและการวิจัยพัฒนา Solid Oxide Fuel Cell
                            Fuel Cell and Research Development of Solid Oxide Fuel Cell

                                                                                              อภิรัตน์ เลาห์บุตรี 1
                                                                                               นัทธมน คูณแสง2
         บทนา
              เป็นที่ทราบกันดีว่า         เมื่อเชื้อเพลิงเกิด การเผาไหม้จะเกิดพลังงานความร้อนขึ้ นซึ่งสามารถแปร
         เปลี่ยนให้อยู่ในรูปของพลังงานไฟฟ้า            พลังงานในรูปของการขับเคลื่อนเครื่องยนต์          เครื่องจักร
         หรือในรูปของการทางานแบบอื่น ๆอีกมากมาย
         ทาให้การใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่า งมหาศาลในช่วงที่มี การพัฒนาอุ ตสาห
         กรรมภายหลังสงครามโลกครั้งที่สองและมีการใช้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน
         แหล่งเชื้อเพลิงที่ใช้เป็นพลังงานหลัก ได้แก่ ถ่านหิน ปิโตรเลียม และแก๊สธรรมชาติ
         ซึ่งเกิดจากฟอสซิลที่สะสมทับถมกันตามธรรมชาติหลายล้านปี
         ถ้ามีการใช้เชื้อเพลิง ฟอสซิลอย่างไม่ระมัดระวังในไม่ช้าแหล่ งพลังงานนี้ก็อาจหมดไป
         นอกจากนี้การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง ทาให้เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ เป็นสาเหตุทาให้บรรยากาศของโล
         กอุ่นขึ้น ซึ่งรู้จักกันดีว่าเป็น      ปรากฏการณ์เรือนกระจก               (Greenhouse              effect)
         ทาให้มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและมาตรฐานคุณภาพชีวิตของมนุษย์ รวมถึง สิ่งมีชีวิต บนโลก [1]




รูปที่                                                                                                           1
            กราฟแสดงความสัมพันธ์ของจานวนประชากรโลกและการคาดคะเนปริมาณพลังงานและพลังงานไฟ
         ฟ้าที่ต้องการ [1]



            1
             อาจารย์ ภาควิชาวิศวก รรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
            2
             ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
          ในปัจจุบันพบว่าความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ เพิ่มขึ้นจากเดิม                0.028%         ไปเป็น
0.036%โดยปริมาตร นักวิจัยได้ทานายว่า ถ้ายังมีการใช้เชื้อเพลิง ฟอสซิล อย่างต่อเนื่อง คาดว่า ในปี ค .ศ.
2100                        ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์จะเพิ่มขึ้นเป็น                             0.070–0.075%
และจะเพิ่มเป็นสองเท่าในกลางศตวรรษที่ 21 นอกจากนี้จานวนประชากรที่เพิ่มขึ้น 1.2–2% ต่อปี (ในปี
ค.ศ.             2050            ประมาณว่าจะมีประชากรโลกมากถึง                     12            ล้านล้านคน)
การพัฒนาทางเศรษฐกิจจะเพิ่มอย่างต่อเนื่องและจะมีการใช้พลังงานมาก ขึ้นตามมาด้วย โดยในปี ค .ศ.
2050 ความต้องการพลังงานพื้นฐานจะเพิ่มเป็น                           1.5 – 3 เท่า (รูปที่ 1)
ทาให้นักวิจัยคิดทบทวนเกี่ยวกับการใช้พลังงานในปัจจุบันและผลกระทบที่จะเกิดขึ้นตามมา
รวมถึงการหาแหล่งพลังงานใหม่ อาทิ พลังงานจากชีวภาพ (Biomass) พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar
energy)          และในขณะนี้แหล่งพลังงานใหม่ที่สาคัญ                 น่าสนใจและมีการตื่นตัวในหมู่นักวิจัยมาก
คือแหล่งพลังงานที่ ปราศจากการเกิดสันดาป เช่นดังในกรณีของเซลล์เชื้อเพลิง                     (Fuel         cell)
ซึ่งการใช้พลังงานจากแหล่งเซลล์เชื้อเพลิง นี้จะก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด เมื่อเทียบกับก
ารใช้พลังงานจากแหล่งอื่นๆ [1-2]
ประวัติและความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิง
     เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ชนิดหนึ่ง เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมี ขึ้นภายในแล้วจะให้พลังงานไฟฟ้ าออกมาอย่
างมีประสิทธิภาพ
จึงเป็นทางเลือกของแหล่งพลังงานใหม่ที่ยังมีการศึกษาและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะในยุโรป
อเมริกา และญี่ปุ่น พลังงานที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิงเกิดจากการเปลี่ย นพลังงานเคมีของเชื้อเพลิง เช่น
แก๊สไฮโดรเจน แก๊สธรรมชาติ มีเทน                 เมทานอล และแก๊             สจากถ่านหิน (Gasified coal)
โดยขบวนการทางเคมีไฟฟ้าไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง
ซึ่งการเกิดมลพิษจากเซลล์เชื้อเพลิงนี้น้อยมากเมื่อเทียบกับการใช้พลังงานจากแหล่งอื่น
          การทางานของเซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะคล้ายกับการทางานของแบตเตอรี่มาก
ต่างกันเพียงแต่เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานไว้ได้เหมือน แบตเตอรี่ ชาร์จไม่ได้
แต่เซลล์เชื้อเพลิงจะให้พลังงานไฟฟ้าออกมาเรื่อยๆ เมื่อมีการให้เชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ในเซลล์อย่างต่
อเนื่อง                                                             นอกจากนี้แล้วการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิง
ยังให้ผลดีในแง่ที่ไม่เกิดการเผาไหม้ทาให้ปราศจากมล ภาวะรวมถึง ไม่มีเสียงดังรบกวนเกิดขึ้น
จากข้อดีที่กล่าวถึงนี้ทาให้นักวิจัย พยายามที่จะพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อใช้เป็ นแหล่งพลัง งาน
                                                                                                            [1]
โดยเริ่มแรกจะเป็นพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง ที่ใช้กับยานอวกาศ
องค์การนาซาต้องจ่ายเงินถึงสิบล้านดอลลาร์เพื่อใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแห ล่งกาเนิดพลังงานไฟฟ้า ในการส่
งยานอพอลโลไปยังดวงจันทร์เมื่อปี ค                                        .ศ.                             1960
เซลล์เชื้อเพลิงนี้จะใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง และทาหน้าที่เป็นตัวรีดิวส์        (Reducing         agent)
และใช้แก๊สออกซิเจนเป็นตัวออกซิไดซ์                               (Oxidising                       agent)
ซึ่งนอกจากจะได้พลังงานไฟฟ้าจากปฏิกิริยาใ นเซลล์เชื้อเพลิง
และยังมีน้าเกิดขึ้นเป็นผลพลอยได้ซึ่ง มีความบริสุทธิ์สูงจนสามารถใช้เป็นน้าดื่ม ในยานอวกาศได้
ปัจจุบันมีการทดลองใช้เซลล์เชื้อเพลิงในระบบขนส่งมวลชน เช่น รถโดยสารในชิคาโก และแวนคูเวอร์
หรือใช้เป็นแหล่งกาเนิดพลังงานในบ้านพักอาศัย เป็นต้น [1]
ส่วนประกอบและการเกิดปฏิกิริยาเคมีในเซลล์เชื้อเพลิง
     องค์ประกอบหลักของเซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยขั้วอิเล็กโทรด (Electrode) สองขั้ว คือ แคโทด
(Cathode) และแอโนด (Anode) คั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) มีการเติมเชื้อเพลิง เช่น
แก๊สไฮโดรเจนเข้าไปที่แอโนด                      ในขณะที่แก๊สออกซิเจน                        (จากอากาศ)
จะผ่านเข้าไปในเซลล์เชื้อเพลิงที่แคโทด                เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาแก๊ส ไฮโดรเจน            (H2)
จะถูกออกซิไดซ์ ให้แตกตัวออกเป็นโปรตอน                              (H+)                   และอิเล็กตรอน
ซึ่งโปรตอนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังแคโทด
ในขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่ านวงจรภายนอกให้กระแสไฟฟ้าออกมาและวิ่งไปยังแคโทดเพื่อรีดิวซ์แก๊สอ
อกซิเจนให้เป็นออกซิเจนไอออน                                                                         (O2-)
ในที่สุดเมื่อโปรตอนและออกซิเจนไอออนรวมตัวกัน จะได้ผลผลิตเป็น น้าบริสุทธิ์ที่แคโทดพร้อมกับให้ความ
ร้อนออกมาด้วย ดังแสดงในรูปที่ 2 (ก) ปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนด และแคโทดเกิดดังนี้
แอโนด (ออกซิเดชัน ):
          2 H2 (g)                         4 H+ +               4 e-
แคโทด (รีดักชัน ):
          O2 (g)       + 4 e-                        2 O2-
ปฏิกิริยารวม (เซลล์):
          2 H2 (g ) + O2 (g)  4H+ + 2 O2-  2 H2O (l)




                                                  (ก)
                                 H2O (g)

                     Anode (-)              Cathode (+)




 H2                                                                O2




Porous carbon electrode    Molten Na2 CO3           Porous carbon electrode
     containing Ni                                   containing Ni and NiO


                                      (ข)

                          รูปที่ 2 แสดงเซลล์เชื้อเพลิง [1,3]
          ในรูปที่                                                      2                              (ข)
แสดงตัวอย่างของเซลล์เชื้อเพลิง ที่มีแก๊สไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ โดยมีแท่งคาร์บอนที่มีโลหะเป็นตัวเร่งฝัง อ
ยู่เป็นอิเล็กโทรด           และมีโซเดียมคาร์บอเนตเหลว             (Na2CO3(l))          เป็นอิเล็กโทรไลต์
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงนี้เป็นดังนี้
แอโนด (ออกซิเดชัน ):
          H2 (g)        + CO 3  (l)
                                  2
                                                                   H2O (g) + CO2 (g) + 2 e-
แคโทด (รีดักชัน ):
           1 O (g) + CO (g) + 2 e-                           CO 3  (l)     2
           2 2                2

ปฏิกิริยารวม (เซลล์):
          H2 (g) + 1 O2 (g)                                          H2O (g)          E = 1.2 โวลต์
                           2
ซึ่งอิเล็กตรอนจากแอโนดจะเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอกไปยังแคโทดเพื่อทาปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจน
โดยปฏิกิริยารวมของเซลล์ จะให้ผลผลิตเป็นไอน้าและจะควบแน่นเป็นน้าบริสุทธิ์ ในสถานะของเหลว [1,3]
          ตัวอย่างอื่นๆของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง ที่ใช้แอมโมเนีย (NH3) ไฮดราซีน (N2H4)
หรือแก๊สมีเทน (CH4) เป็นเชื้อเพลิง [3] ได้แก่
        2 NH3 (g) + 3 O2 (g)
                    2
                                                            N2 (g)            +       3 H2O (l)
        N2H4 (g)     + O2 (g)                                   N2 (g)        +       2 H2O (l)
          CH4 (g) + 2 O2 (g)                                 CO2 (g)     +       2 H2O (l)
          สาหรับในทางปฏิบัติแล้ว
เซลล์เชื้อเพลิงที่จะนาไปใช้ประโยชน์เกิดจากการนาเซลล์เชื้อเพลิงเซลล์เดี่ยว         (Single    cell)
หลายๆเซลล์มาวางต่อกันเป็นชุด ๆ โดยมีตัวเชื่อมระหว่างเซลล์ แต่ละชุดของเซลล์ที่ต่อกันแล้ว เรียกว่า
Fuel Cell Stack ซึ่งอาจมีการนาเอา Fuel Cell Stack แต่ละอันมาเรียงต่อกันในลักษณะแบบต่างๆ
ได้อีกหลากหลายขึ้นอยู่กับการออกแบบ                 เรียกว่า   Fuel Cell Stack Designs
ลักษณะรูปร่างของเซลล์เชื้อเพลิงจะแตกต่างกันไปขึ้ นอยู่กับการประยุกต์        ใช้งานและการออกแบบ
สาหรับความต่างศักย์รวมของเซลล์เชื้อเพลิง จะคานวณได้ จากจานวนเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมดทาให้สามารถ
สร้าง หรือออก แบบให้เซลล์เชื้อเพลิงมีความต่างศักย์ไฟฟ้าเป็นเท่าใดก็ได้
ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง
     การแบ่งชนิดของเซลล์เชื้อเพลิง สามารถแบ่ งได้โดยพิจารณาจากอุณหภูมิที่เซลล์ทางาน
รวมถึงชนิดและธรรมชาติของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้
ทาให้มีการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อใช้ในงานที่แตกต่างกันหลายประเภท
ซึ่งแต่ละประเภทก็มีการใช้สารเคมีที่ต่างกัน [1] ดังสรุปในตาราง 1
     ในบรรดาเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหลายที่แสดงในตาราง          1         เซลล์เชื้อเพลิงประเภท       PEMFC
เป็นเซลล์ที่สามารถใช้ ในรถยนต์ได้โดยไม่เพียงแต่สามารถใช้ กับเชื้อเพลิงที่เป็นแก๊สไฮโดรเจนเท่านั้น
แต่ยังสามารถใช้กับเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลว            เช่น             เมทานอล หรือเอทานอล
ซึ่งเป็นข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้          เพราะการที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงประเภท              PEMFC
สามารถใช้ของเหลวเป็นเชื้อเพลิง จะทาให้ง่ายต่อการจัดเก็บและการขนส่ง
นอกจากนี้เชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวใน                                                              PEMFC
ยังเกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าได้ค่อนข้างว่องไวที่อุณหภูมิต่า ค่าใช้จ่ายไม่สูงเกินไปนัก
และไม่ก่อให้เกิดมลพิษ
     สาหรับเซลล์เชื้อเพลิงประเภท                                                                  SOFC
เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพสูงและเป็นความหวังว่ามีความเป็นไปได้มากที่สุดที่จะใช้เป็นแหล่งกา เ
นิดไฟฟ้าสาหรับโรงผลิตไฟฟ้าในศต วรรษที่               21             ในที่นี้จึงจะขอกล่าวถึงหลักการทางาน
วัสดุที่ใช้และการวิจัยพัฒนาของเซลล์เชื้อเพลิง SOFC [1-2]

ตาราง 1 คุณลักษณะของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่าง ๆ

 ประเภทของเซลล์เชื้อเ                                   อุณหภูมิ
                                 อิเล็กโทรไลต์                                   เชื้อเพลิง
           พลิง                                           (oC)
 Alkaline fuel cell (AFC)     Potassium                  50-200      Pure hydrogen or hydrazine
                              hydroxide (KOH)
 Direct methanol fuel         Polymer                   60-200       Liquid methanol
 cell (DMFC)
 Phosphoric acid fuel         Phosphoric acid           160-210      Hydrogen from hydrocarbons
 cell (PAFC)                                                         and alcohol
 Sulphuric acid fuel cell     Sulphuric acid             80-90       Alcohol or impure hydrogen
 (SAFC)
 Proton-exchange              Polymer, proton            50-80       Less pure hydrogen from
 membrane fuel cell           exchange                               hydrocarbons or methanol
 (PEMFC)                      membrane
 Molten carbonate fuel        Molten salt such          630-650      Hydrogen, carbon monoxide,
 cell (MCFC)                  as nitrate,                            natural gas, propane, marine
                              sulphate,                              diesel
                              carbonates
 Solid oxide fuel cell        Stabilised zirconia      600-1000      Natural gas or propane
 (SOFC)                       and doped
                          perovskite
Solid polymer fuel cell   Solid sulphonated   90   Hydrogen
(SPFC)                    polystyrene
   หลักการทางานและอุณหพลศาสตร์ของเซลล์เชื้อเพลิง SOFC
        SOFC                                           เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้วัสดุเซรามิกส์เป็นอิเลคโทรไลต์
   ซึ่งเซรามิกส์นี้จะเป็นสารประกอบออกไซด์ที่ มีสมบัติเป็นตัวนาไอออน                  (Ion          conductor)
   โดยไอออนที่มีประจุลบ เช่น ออกซิเจนไอออน                                                                (O2-)
   สามารถเคลื่อนที่จากแคโทดผ่านเซรามิกส์นี้ไปยังแอโนด ทาให้เกิดการรวมตัวกับโปรตอน เกิดน้าขึ้น[2]
            ปัจจุบัน SOFC ประกอบด้วย Ni/ZrO2 Cermet (สารผสมระหว่างเซรามิกส์กับโลหะ) เป็นแอโนด
   และ La-manganite               เป็นแคโทด ระหว่างขั้วอิเล็กโทรดมี Y2O3 doped ZrO2 (YSZ)
   เป็นอิเล็กโทรไลต์ซึ่งทาหน้าที่เป็นตัวนาออกซิเจน ดัง ในรูปที่ 3




                                รูปที่ 3 การทางานของเซลล์เชื้อเพลิง SOFC

        ที่แคโทดออกซิเจนจากอากาศจะแตกตัวเป็นออกซิ เจนไอออน                                              (O2-)
                                             ิ
   เคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์เข้าไปทาปฏิกิ รยากับเชื้อเพลิงที่บริเวณผิวสัมผัสระหว่ างแอโนดกับ อิเล็กโทรไลต์
   (ดูรูปที่ 3) ความต่างศักย์ผันกลับ (Reversible voltage, Er) สามารถคานวณได้จากความสัมพันธ์
              Er =       - nF
                            G



   Er =       ความต่างศักย์ผันกลับ
G =  พลังงานอิสระที่เปลี่ยนไปของเชื้อเพลิงที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน
   n  =       จานวนอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาออกซิเดชัน - รีดักชัน
   F  =       ค่าคงที่ของฟาราเดย์ (Faraday’s constant)
      สาหรับเซลล์เชื้อเพลิงเดี่ยวเพียงเซลล์เดียว ความต่างศักย์ Er ที่คานวณได้มีค่าเท่ากับ 1.1-1.2 โวลต์
   ในภาวะที่เซลล์ทางานหนักความต่างศักย์ของเซลล์จะลดลงเป็น                   0.6-0.9               โวลต์
   มีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า                            800               มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเมตร
   ในความเป็นจริงแล้วเซลล์เชื้อเพลิง จะมีการสูญเสียพลังงานซึ่งเกิดจากความต้านทานของ อิเล็กโทรไลต์
         (IR)                    และความต่างศักย์เกินตัว                       (Overvoltage,                      )
         ที่บริเวณผิวสัมผัสของขั้วอิเล็กโทรดกับ อิเล็กโทรไลต์ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงต่าลง
         ดังนั้นความต่างศักย์ที่ได้ออกมาจากเซลล์เชื้อเพ ลิง (E) จึงมีค่าเป็นดังนี้
                        E              =       Er – IR - 
         และ                   E      =    E
                               Er
           เมื่อ E = ความต่างศักย์ที่ได้จากเซลล์เชื้อเพลิง
         Er      = ความต่างศักย์ผันกลับ
IR       =       ความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์
        =       ความต่างศักย์เกินตัว
E       =       ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า
         และจากความสัมพันธ์
                        F            =            G
                                                   H
         เมื่อ     F     = ประสิทธิภาพของเชื้อเพลิง
                   G = พลังงานอิสระที่เปลี่ยนไปของเชื้อเพลิงที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน
                   H = เอนทัลปีที่เปลี่ยนไปของเชื้อเพลิงที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั น
             จากค่าของ E และ F                        สามารถหาประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง ได้ซึ่งจะมีค่าเท่ากับ
        ผลคูณระหว่างประสิทธิภาพของเชื้อเพลิง (Fuel efficiency, F) และประสิทธิภาพทางไฟฟ้า (Electric
        efficiency,                                                                                               E)
        ส่วนพลังงานเคมีที่เ หลือจะอยู่ในรู ปของความร้อนซึ่งมีปริ มาณสูงมากสามารถนาไปใช้ประโยชน์เพื่อเพิ่ม
        กาลังผลิตไฟฟ้าได้อีก
        คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้สร้างเซลล์เชื้อเพลิง SOFC
             เนื่องจากการทางานเซลล์เชื้อเพลิง             SOFC      จะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง         (~     1000oC)
        ซึ่งชี้ให้เห็นว่าแก๊สออกซิเจนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ ได้ดีที่อุ ณหภูมิสูง
        ดังนั้นวัสดุที่ใช้สร้างเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ต้องแข็งแรงทนทานและเสถียรต่อสภาพแวดล้อมภายในเซลล์
        เช่น ทนต่อความดันของแก๊สออกซิเจน (>20 กิโลปาสคาล) ที่เข้าไปในเซลล์ที่ แคโทด ทนอุณหภูมิสูงได้ดี
        มีการขยายตัวน้อย มี                                                    ความดันไอต่าเพื่อเลี่ยงการสูญเสียวัสดุ
        ต้องสามารถใช้งานได้นาน และควรมีราคาถูก
        ทาให้ปัจจุบันมีการวิจัยอย่างมากที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาหาวัสดุที่เหมาะสมที่ใช้สาหรับสร้างเซลล์เชื้อเพ
        ลิง SOFC ซึ่งจะกล่าวต่อไป [1-2]
     ก.            อิเล็กโทรไลต์
     อิเล็กโทรไลต์ที่ดีสาหรับเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ต้องเป็นวัสดุที่มีสมบั ติหลายประการดังที่กล่าวข้างต้น
ในขณะนี้สารที่ใช้เป็น อิเล็กโทรไลต์ที่ดีที่สุดในเซลล์เชื้อเพลิง คือ zirconia (ZrO2) ที่ doped ด้วย trivalent
metal oxide เช่น Y2O3, Yb2O3, Sc2O3 หรือ divalent metal oxide เช่น CaO, MgO เป็นต้น
ปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ที่ใช้ในทางการค้าเชิ งพาณิชย์จะใช้ 8% yttria - stabilized zirconia (YSZ)
เป็นอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเซลล์สามารถทางานได้ที่อุณหภูมิ ประมาณ1000oC ปัญหาหลักของเซลล์เชื้อเพลิง
SOFC คืออุณหภูมิที่เซลล์ทางานสูงเกินไป ถ้าสามารถหาวัสดุทดแทนที่ทางานได้ที่ อุณหภูมิต่า จะลดต้น
ทุนของอิเล็กโทรดและวัส ดุที่เป็นตัวเชื่อมต่อของเซลล์เข้าด้วยกัน
ทาให้มีการวิจัยเพื่อมุ่งเน้นหาแนวทางที่ทาให้เซลล์เชื้อเพลิง            SOFC            ทางานได้ที่อุณหภูมิต่าลง
ซึ่งอาจทาได้โดยการใช้ อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง เช่น Ceria (CeO2) doped ด้วย CaO, Y2O3, Sm2O3,
Gd2O3 และ lanthanum gallate หรือ ทาให้ความหนาของ อิเล็กโทรไลต์บางลง เป็นต้น [1-2]
     ข. แคโทด
     โดยทั่วไปวัสดุที่ใช้ทาขั้วแคโทดในเซลล์เชื้อเพลิง SOFC คือ doped La-manganite (LaMnO3)
ซึ่งมีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนาแบบ p-type ปัจจุบันนิยมใช้ Sr doped La-manganite (LSM) มากที่สุด
แต่การเติม                         Sr                    มีทั้งข้อดีและข้อเสียคือ           ทาให้การนาไฟฟ้า ดี
ขณะเดียวกันสัมประสิทธิ์การขยายตัวของแคโทดก็มากขึ้นด้วย                        ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ
Morphology                  ที่ตรงบริเวณผิวสัมผัสระหว่างแคโทดและ อิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นบริเวณที่เกิดปฏิกิริยา
และยิ่งเมื่อเวลาผ่านไปมากเท่าไรการเปลี่ยนแปลงก็มากขึ้นตามไปด้วย
มีผลทาให้การแพร่ผ่านของแก๊สน้อยลง
จึงทาให้มีการศึกษาวิจัย เพื่อหาวัสดุอื่น ทดแทนสาหรับ ทาเป็นแคโทด                  เช่น          La-Sr-cobaltite
ที่นาไฟฟ้า และไอออนสามารถแพร่ซึมผ่านได้ดีกว่า                         LSM                   อย่างไรก็ตามข้อเสีย
คือมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวสูงและไม่เสถียร [1-2]
     ค. แอโนด
     โลหะที่ใช้ทาเป็นขั้วแอโนด ได้แก่ Ni, Co, Ru, Pt โดยโลหะ Ru จะทาหน้าที่เป็นแอโนดได้ดี
เพราะมีความเสถียร                       แต่มีราคาแพงและเป็นพิษ                     จึงนิยมใช้                Ni
                                                                                      [1-2]
ซึ่งมีราคาถูกทาหน้าที่เป็นแอโนดได้ดีพอสมควร และอยู่ในเกณฑ์เป็นที่ยอมรับได้
นอกจากนี้เพื่อคงไว้ซึ่งคุณลั กษณะของความพรุนจึงใช้แอโนดในรูป cermet ของโลหะกับ stabilized
zirconia ซึ่งจากการวิจัยพบว่า Ni/yttria-zirconia เป็นวัสดุที่ใช้ทาแอโนดได้ดีที่สุดในขณะนี้
     ง. วัสดุเชื่อมต่อระหว่างเซลล์
     วัสดุที่ใช้เป็นตัวเชื่อมต่อภายในเซลล์ เชื้อเพลิงต้องมีสมบัติต่อไปนี้คือ
เป็นสารที่มีความสามารถในการนาไฟฟ้าและความร้อนได้ดี ไม่ผุกร่อนง่าย สัมประสิทธิ์การขยายตัวต่า
ตัวอย่างของสารที่ มีสมบัติดังกล่าว ได้แก่ เซรามิกส์ โลหะอัลลอยด์ที่ทนอุณหภูมิสูง และ cermet เป็นต้น
นอกจากนี้การเลือกใช้ตัวเชื่อมต่ อที่เหมาะสมยังขึ้นอยู่กับลักษณะของการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงด้วย
เช่น เซลล์เชื้อ เพลิงแบบทรง           กระบอกจะเลือกใช้เซรามิกส์          La1-x(Sr,Mg)xCrO3       เป็นชั้นๆ
เชื่อมต่อภายในเซลล์และแต่ละเซลล์จะต่อกันด้วยแผ่นโลหะนิกเกิล
ปัจจุบันมีการศึกษาวิจัยและพัฒนาโลหะอัลลอยด์ของ โครเมียมอย่างต่อเนื่อง
เพื่อให้ได้โลหะอัลลอยด์ที่มีการขยายตัวได้พอเหมาะกับ             yttria–zirconia        ที่ทุกช่วงอุณหภูมิ
แต่อย่างไรก็ตามยังคงต้องมีงานวิจัย ต่อไปอีก
เพื่อให้ได้อัลลอยด์ที่เหมาะ สมที่สุดสาหรับใช้เป็นตัวเชื่อมต่อภายในของ เซลล์เชื้อเพลิง SOFC [1-2]
   รูปแบบของ Stack Designs สาหรับเซลล์เชื้อเพลิง SOFC
        ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่าการที่จะใช้เซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งกาเนิดพลังงานได้ต้องนาเซลล์เดี่ยวหลาย ๆเ
   ซลล์มาต่อกันเป็น Fuel Cell Stack ซึ่งอาจจะมีรูปทรงเรขาคณิตแตกต่างกันมากมายแล้วแต่การออกแบบ
   ทาให้สามารถแบ่งรูปแบบของ Stack Designs[1-2] ได้เป็น 2 ประเภทคือ
1. โครงสร้างของเซลล์เชื้อเพลิงเป็นตัวเซลล์เชื้อเพลิงเอง                    (Self                 supporting)
   ในที่นี้จะใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีความหนา 80-250 m เป็นโครงสร้างของเซลล์เชื้อเพลิง
2. โครงสร้างของเซลล์เชื้อเพลิงเป็นตัวพยุงที่มีรูพรุน            (Porous          support           structure)
   มีอิเล็กโทรไลต์เป็นชั้นบางๆ (< 50 m) เกาะบนตัวพยุงที่มีความพรุนเป็นโครงสร้างของเซลล์เชื้อเพลิง




          รูปที่ 4 เซลล์เชื้อเพลิงชนิด SOFC: (ก) Tubular design (ข) Planar or Flat Plate design

   ตัวอย่างของ SOFC Stack Designs มีดังนี้
             Tubular Designs เป็นเซลล์เชื้อเพลิง                     SOFC ที่ออกแบบเป็นรูปทรงกระบอก
   หลอดที่เป็นตัวพยุงทาด้วย Ca-stabilized zirconia หรือแบบล่าสุดที่ มีการออกแบบไว้ทาจาก LSM
   ซึ่งทาหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดในตัว มี YSZ และ Ni/YSZ เป็นอิเล็กโทรไลต์ และแอโนดตามลาดับ
   รูปทรงกระบอกของเซลล์เดี่ยวหนึ่งเซลล์แสดงในรูปที่ 4 (ก) ขณะนี้ SOFC แบบ Tubular Designs
   ที่ได้มีการพัฒนาไปได้มากที่สุด นั้นจะให้พลังงาน                           25                     กิโลวัตต์
   จากการสร้างเซลล์โดยนาเซลล์เดี่ยวทรงกระบอกหลายๆ                   เซลล์มาต่อเข้าด้วยกันโดยใช้แผ่น        Ni
   เป็นตัวเชื่อม
        ข้อดีของเซลล์รูปทรงกระบอก                           คือไม่ต้องใช้ตัวประสานระหว่างแคโทดและแอโนด
   แต่มีข้อเสียคือให้พลังต่อพื้นที่ต่าเมื่อเทียบกับแบบอื่นๆ
   และมีราคาสูงมากเกินกว่าที่จะทาเพื่อประกอบการทางเชิงพาณิชย์
             Planar         or         Flat        Plate      Designs          เป็นเซลล์เชื้อเพลิง    SOFC
   ที่ออกแบบให้มีลักษณะเป็นแผ่นดังแสดงในรูปที่                                  4                         (ข)
   โดยที่อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์จะทาให้เป็นชั้นบางๆ
   แผ่นที่ใช้เชื่อมระหว่างอิเล็กโทรดกับอิเล็กโทรไลต์ ทาจากวัสดุที่เป็นเซรามิกส์หรือโลหะอัลลอยด์ที่มีความเ
   สถียรที่อุณหภูมิสูงและมีช่องให้แก๊สผ่านเข้าไปได้
   แต่ละเซลล์จะเชื่อมต่อกั นด้วยตัวประสานที่ทนต่อความร้อนสูง
   เซลล์ที่ออกแบบด้วยวิธีนี้มีแนวโน้มว่าจะเป็นเซลล์ SOFC ที่ราคาถูกที่สุด
        Monolithic                  design                       เซลล์เชื้อเพลิง                      SOFC
   ที่ออกแบบลักษณะนี้กาลังอยู่ในระหว่างการวิจัยพัฒนาภายใต้หน่วยงาน Allied Signal Aerospace
   โดยมีข้อพิจารณาอยู่ 3 ประการคือการให้เชื้อเพลิงและตัวออกซิไดซ์ผ่านเข้าไปในเซลล์ในทิศทางเดียวกัน
   หรือให้ผ่านสวนทางกันหรืออาจให้ผ่านในทิศทางที่ตัดกัน เซลล์                                          SOFC
   ในลักษณะนี้มีแนวโน้มให้พลังงานต่อพื้นที่สูง
   จึงเป็นที่น่าสนใจและดึงดูดใจที่จะพัฒนาขึ้นมาใช้สาหรับการเดินทางไปอวกาศ
   และประยุกต์ใช้ในการคมนาคมประเภทต่างๆ นอกจากนี้โรงงานอุตสาหกรรมหนักของ Mitsubishi
   ยังมีการลองออกแบบสร้าง SOFC ให้เป็นแบบผสมระหว่าง Monolithic และ Planar design เรียกว่า
   MOLB (Mono Block Layer Built) โดยใช้เทคนิค Screen-printing เพื่อให้อิเล็กโทรดเกาะ
   ติดบนแผ่นอิเล็กโทรไลต์                        จากนั้นแล้วนาไปเผาที่อุณหภูมิ                      1400oC
   จะได้แคโทด/อิเล็กโทรไลต์/แอโนดเป็นแผ่นแบนบางๆ และใช้ La-Mg-chromite เป็นตัวเชื่อมภายในเซลล์
   ซึ่งเซลล์แบบ MOLB ที่ Mitsubishi สร้างประกอบด้วยเซลล์เชื้อเพลิง 40 เซลล์ จานวน 3 stack
   ระบบให้พลังงาน 1.1 กิโลวัตต์
   ทิศทางของการวิจัยพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิง SOFC ในอนาคต
        วิวัฒนาการของเซลล์เชื้อเพลิงชนิด SOFC มีแนวโน้มสูงที่จะใช้ในสถานีผลิตไฟฟ้าในศตวรรษหน้า
   ในปัจจุบันจะเห็นว่าการวิจัยพัฒนาเซลล์ชนิด                  SOFC               นี้จะมีความเป็นไปได้สูงมาก
   แต่อย่างไรก็ตามในแง่ของการนาไปใช้ งานเพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุด ยังมีรายละเอียดอีกมาก
   และในปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงที่พัฒนาขึ้นมายังมีข้อ                  บกพร่องบางประการดังได้กล่าวไปแล้ว
   จึงต้องมีการศึกษาวิจัยต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การวิจัยและพัฒนาเกี่ยวข้องกับสิ่งต่อไปนี้
1. ปรับปรุงวัสดุที่ใช้เป็นตัวเชื่อมต่อและตัวประสานในเซลล์เชื้อเพลิง
2. ปรับปรุงในด้านราคาให้ต่าลง
3. ปรับปรุงให้สามารถใช้งานได้นานและมี ความทนทานสูง
        ปัญหาหลักของเซลล์เชื้อเพลิง                                  SOFC                                คือ
   เมื่อเซลล์เชื้อเพลิง มีการผลิตพลังงานไฟฟ้า ในขณะที่มีอุณหภูมิสูง
   จะมีผลทาให้อิเล็กโทรดและบริเวณรอยต่อระหว่ างอิเล็กโทรดกับอิเล็กโทรไลต์ที่เกิดปฏิกิริยาเคมี ขึ้นมีอัตร
   าการเสื่อมสภาพเร็วขึ้น
   ขณะเดียวกันวัสดุที่ใช้และวิธีการสร้างเซลล์เชื้อเพลิงยังมีข้อจากัดอยู่มากทาให้เซลล์เชื้อเพลิงชนิด SOFC
                                                                                                 ิ
     ยังคงมีราคาแพง แต่ถ้าสามารถทาให้เซลล์ เชื้อเพลิงสามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ที่อุณห ภูมที่ต่าลงจาก
     1000oC เป็น 800-850oC จะส่งผลให้ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamic efficiency)
     สูงขึ้น                                รวมทั้งลดอัตราการเสื่อมสภาพของวัสดุที่เป็นองค์ประกอบในเซลล์
     สามารถเลือกใช้วัสดุอื่นๆได้อีกหลากหลายชนิดเพื่อมาสร้างเซลล์เชื้อเพลิงซึ่งจะทาให้ราคาถู กลงมาก
     แต่อุณหภูมิมีผลต่อ                        การเคลื่อนที่เข้าไปในอิเล็กโทรไลต์                       YSZ
     ของออกซิเจนไอออนซึ่งต้องถูกกระตุ้นด้วยพลังงานสูงมาก เกิดการสูญเสียศักย์ไฟฟ้า (Voltage loss)
     บางส่วนไปแต่ข้อจากัดนี้สามารถแก้ไขได้โดย ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีความต้ านทานต่าที่อุณหภูมิปานกลาง
     อาจพัฒนาปรับปรุง อิเล็กโทรไลต์เดิมที่ใช้กันอยู่แล้วให้ดีขึ้น                   หรือวิจัยหาสารชนิดใหม่
     นอกจากนี้การเพิ่มความสามารถในการนาไฟฟ้าของ อิเล็กโทรไลต์ โดยใช้ Thin film concept เช่น
     พัฒนาเทคโนโลยีของตัว substrate และวิธีการ deposit ก็เป็นการแก้ไขอีกทางหนึ่ง
     ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิง
1.   เป็นแหล่งพลังงานที่ปลอดภัย                       ลดการใช้น้ามัน                     ลดการนาเข้าน้ามัน
     จึงเป็นการอนุรักษ์แหล่งพลังงานจากธรรมชาติ
2.   มีประสิทธิภาพสูงมาก สามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้สูงระหว่าง 50-
     70%                                                   (ขึ้นอยู่กับชนิดและการออกแบบของเซลล์เชื้อเพลิง )
     ในขณะที่โรงงานผลิตไฟฟ้าใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงไปเป็นพลังงา
     นไฟฟ้าได้เพียง                                   40%                                   สาหรับในรถยนต์
     น้ามันแก๊สโซลีนเมื่อเกิดการเผาไหม้ ให้พลังงานเพื่อใช้ในการขับเคลื่อนเพียง 25% เท่านั้น
3.   สามารถเลือกเชื้อเพลิงได้ เช่น แก๊สไฮโดรเจน แก๊สโปรเพน แก๊สบิวเทน เมทานอล หรือน้ามันดีเซล เป็นต้น
4.   เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม                  ผลผลิตที่เกิดขึ้น จากเซลล์เชื้อเพลิง              คือน้าบริสุทธิ์
     อาจปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซ ด์ออกมาบ้างขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงที่ใช้
     แต่เมื่อเทียบกับการเผาไหม้ตามปกติจะเห็นว่าเซลล์ เชื้อเพลิงไม่ผลิต NOx และ SO2 ออกสู่บรรยากาศ
     และในขณะที่เซลล์กาลังทางานจะไม่มีเสียงดังรบกวน
     เนื่องจากไม่มีวัสดุหรือส่วนใดของเซลล์ มีการเคลื่อนที่จึงไม่ก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศและทางเสีย ง
     ข้อจากัดของเซลล์เชื้อเพลิง
1.   ไม่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในเซลล์แต่จะให้พลังงานไฟฟ้า อย่างต่อเนื่องถ้า ในเซลล์ยังมีเชื้อเพลิงและ
     ตัวออกซิไดซ์
2.   วัสดุที่ใช้เป็นขั้วอิเล็กโทรดราคาแพง และมีอายุการใช้งานสั้น
3.   การขนส่งและการจัดเก็บแก๊สไฮโดรเจนซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิงในเซลล์เชื้อเพลิง
     ต้องใช้ความระมัดระวังและ ต้องใช้เทคนิคพิเศษจากผู้ที่ชานาญมิเช่นนั้นอาจเกิดอันตรายได้
     จึงเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทาให้มีการใช้ไฮโดรคาร์บอน
     หรือแอลกอฮอล์เป็นเชื้อเพลิงแทนแก๊ สไฮโดรเจนทั้งๆที่เมื่อใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง จะไม่มีผลกระทบต่อสิ่
     งแวดล้อมเลย เพราะจะเกิดน้าบริสุทธิ์เพียงอย่างเดียวเท่านั้น
4.   การทางานของเซลล์เชื้อเพลิงจะเกิดที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง เช่น SOFC และ MOFC เป็นต้น
     เอกสารอ้างอิง
1.   A. B. Stambouli, and E. Traversa, (2002). “Fuel cells, an alternative to standard sources of
     energy” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 6, pp. 297-306.
2.   S. P. S. Badwel, and K. Foger, (1996). “Solid oxide electrolyte fuel cell review” Ceramics
     International, Vol. 22, pp. 257-265.
3.   M. S. Silberberg (2000). Chemistry: The molecular nature of matter and change, McGraw Hill,
     USA.

				
DOCUMENT INFO
Lingjuan Ma Lingjuan Ma MS
About work for China Compulsory Certification. Some of the documents come from Internet, if you hold the copyright please contact me by huangcaijin@sohu.com