เซลล์เชื้อเพลิง

Toyota FCEV ใช้เซลล์เชื้อเพลิง

ภาพแสดงเซลล์เชื้อเพลิงแบบทำงานด้วยโปรตอน (อังกฤษ: proton-conducting fuel cell)

เซลล์เชื้อเพลิง (อังกฤษ: fuel cell) เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานเคมีจากเชื้อเพลิงชนิดหนึ่งให้เป็นกระแสไฟฟ้าผ่านทางปฏิกิริยาเคมีของไอออนของไฮโดรเจนประจุบวกกับออกซิเจนหรือตัวทำออกซิเดชันอื่น^[1] เซลล์เชื้อเพลิงแตกต่างจากแบตเตอรี่ที่ว่ามันต้องการแหล่งจ่ายเชื้อเพลิงและออกซิเจนหรืออากาศอย่างต่อเนื่องเพื่อความยั่งยืนของปฏิกิริยาเคมี ในขณะที่ในแบตเตอรี่สารเคมีภายในจะทำปฏิกิริยาต่อกันเพื่อผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องนานเท่าที่เชื้อเพลิงและออกซิเจนหรืออากาศยังคงถูกใส่เข้าไป ไม่เหมือนกับแบตเตอรี่ที่จะหยุดจ่ายกระแสไฟฟ้าถ้าสารเคมีหมดอายุการใช้งาน

เซลล์เชื้อเพลิงถูกคิดค้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1838 เซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์ครั้งแรกถูกใช้มากว่าหนึ่งศตวรรษต่อมาในโครงการอวกาศของนาซ่า ที่จะผลิตพลังงานให้กับดาวเทียมและแคปซูลอวกาศ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาเซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้ในงานที่หลากหลายอื่น ๆ เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้สำหรับพลังงานหลักและพลังงานสำรองเพื่อการพาณิชย์ อุตสาหกรรมและอาคารที่อยู่อาศัยและในพื้นที่ห่างไกลและไม่สามารถเข้าถึงได้ พวกมันยังถูกใช้เพื่อให้พลังงานกับยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิง รวมทั้งรถยก, รถยนต์, รถโดยสาร, เรือ, รถจักรยานยนต์และเรือดำน้ำ

เซลล์เชื้อเพลิงมีอยู่หลายชนิด ทุกชนิดประกอบด้วยแอโนด แคโทดและอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์จะยอมให้ไอออนไฮโดรเจนประจุบวก (หรือโปรตอน) สามารถเคลื่อนที่ได้จากแอโนดไปแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง แอโนดและแคโทดประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เชื้อเพลิงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่สร้างไอออนไฮโดรเจนประจุบวกและอิเล็กตรอน ไอออนไฮโดรเจนจะถูกดึงผ่านอิเล็กโทรไลต์หลังจากการเกิดปฏิกิริยาและเคลื่อนที่ไปยังแคโทด ในขณะเดียวกันอิเล็กตรอนที่เหลือจากอะตอมของไฮโดรเจนจะถูกดึงจากแอโนดไปยังแคโทดผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดกระแสตรงที่แคโทดไอออนไฮโดรเจน อิเล็กตรอนและออกซิเจนทำปฏิกิริยากันก่อตัวเป็นน้ำ เนื่องจากความแตกต่างหลักระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงในแต่ละประเภทคืออิเล็กโทรไลต์ เซลล์เชื้อเพลิงจึงถูกแยกประเภทตามชนิดของอิเล็กโทรไลต์ที่พวกมันใช้ และแยกตามระยะเวลาเริ่มต้นตั้งแต่ 1 วินาทีสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเยื่อหุ้มแลกเปลี่ยนโปรตอน (อังกฤษ: proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)) จนถึง 10 นาทีสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (อังกฤษ: solid oxide fuel cell (SOFC)) เซลล์เชื้อเพลิงเดี่ยว ๆ จะผลิตกระแสไฟฟ้าที่มีแรงดันขนาดค่อนข้างเล็ก ประมาณ 0.7 โวลต์ ดังนั้นเซลล์จึงต้องวาง "ซ้อน" กัน หรือถูกวางเรียงกันเป็นแถว เพื่อที่จะสร้างแรงดันเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการของการใช้งาน^[2] นอกเหนือไปจากกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงยังผลิตน้ำ ความร้อนและ(ขึ้นอยู่กับแหล่งเชื้อเพลิง)ปริมาณขนาดเล็กมากของก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ และก๊าซอื่นๆ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 40-60% หรือสูงขึ้นถึง 85% ในการผลิตแบบความร้อนร่วม (อังกฤษ: cogeneration) ถ้าความร้อนที่เหลือทิ้งถูกนำกลับมาใช้งานอีก

ตลาดของเซลล์เชื้อเพลิงกำลังเจริญเติบโตและบริษัท Pike Research ได้ประมาณการว่าตลาดเซลล์เชื้อเพลิงอยู่กับที่จะสูงถึง 50 GW ในปี 2020^[3]

สารตั้งต้นที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์เชื้อเพลิงได้แก่ ก๊าซไฮโดรเจนที่ด้านแอโนด และก๊าซออกซิเจนที่ด้านแคโทด (เซลล์ไฮโดรเจน) โดยปกติแล้วเมื่อมีสารตั้งต้นไหลเข้าสู่ระบบ สารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นก็จะไหลออกจะระบบไปด้วย ดังนั้นการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงจึงดำเนินต่อไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่เราสามารถควบคุมการไหลได้

เซลล์เชื้อเพลิงมักจะถูกมองว่าเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงและปราศจากมลพิษ เมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิง เช่น มีเทนและก๊าซธรรมชาติ ซึ่งทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ ผลิตภัณฑ์อย่างเดียวที่เกิดจากการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงคือน้ำ อย่างไรก็ตามยังมีความกังวลอยู่ในขั้นตอนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนซึ่งใช้พลังงานมาก การผลิตไฮโดรเจนจำเป็นต้องใช้วัตถุดิบที่มีไฮโดรเจน เช่น น้ำ หรือ เชื้อเพลิงอื่นๆ นอกจากนั้นยังต้องใช้ไฟฟ้าซึ่งก็ก็ผลิตมาจากแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิม ได้แก่ น้ำมัน ถ่านหิน หรือแม้แต่พลังงานนิวเคลียร์ ในขณะที่พลังงานทางเลือกเช่น ลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ก็อาจสามารถใช้ได้ แต่ราคาก็ยังสูงมากในปัจจุบัน ดังนั้นเราจึงยังไม่อาจกล่าวได้ว่าเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงเป็นอิสระจากเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ จนกว่าเราจะสามารถหาวิธีการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากด้วยพลังงานทดแทนหรือพลังงานนิวเคลียร์

เทคโนโลยี

เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง

ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้ถูกจำกัดด้วยประสิทธิภาพในระบบของวัฏจักรการ์โนต์ ซึ่งใช้กับระบบเครื่องยนต์ที่มีการสันดาป เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้มีการทำงานเป็นวัฏจักรที่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ดังนั้นเซลล์เชื้อเพลิงจึงสามารถมีประสิทธิภาพการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าที่สูงมากได้

ในตัวอย่างง่ายๆ ของเซลล์เชื้อเพลิงแบบ hydrogen/oxygen proton-exchange membrane หรือ polymer electrolyte (PEMFC) พอลิเมอร์ที่ให้โปรตอนผ่านได้จะแยกฝั่งแอโนดและแคโทดออกจากกัน แต่ละด้านจะมีขั้วไฟฟ้าของตัวเอง ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นแผ่นคาร์บอนเคลือบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม

ในด้านของแอโนด ไฮโดรเจนจะแพร่เข้าสู่ตัวเร่งปฏิกิริยาด้านแอโนด ทำให้มันแตกตัวออกเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนจะวิ่งผ่านเยื่อกั้นไปที่แคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกบังคับให้วิ่งเข้าสู่วงจรไฟฟ้าภายนอก (ให้พลังงานออกมา) เพราะว่าเยื่อกั้นนั้นไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้

ในด้านของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แคโทด โมเลกุลของออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอน ซึ่งวิ่งมาจากแอโนดผ่านวงจรภายนอก และมาพบกับออกซิเจนและโปรตอนที่ด้านนี้กลายเป็นน้ำ

ในตัวอย่างนี้ของเสียที่เกิดขึ้นคือไอน้ำหรือน้ำที่เป็นของเหลวเท่านั้น แม้ในสภาวะเยือกแข็งน้ำก็ต้องถูกกำจัดออกจากระบบ ประสิทธิภาพและอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิต่ำลง นอกจากนี้ปัญหาอีกอย่างหนึ่งได้แก่ปัญหาความทนทานต่อ CO ของแอโนดซึ่งค่อนข้างจำกัด

เซลล์เชื้อเพลิงไม่สามารถเก็บพลังงานได้เหมือนกับแบตเตอรี่ แต่ในบางสถานการณ์ เช่นเดียวกับ โรงไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง (แสงอาทิตย์ ลม) มันสามารถทำงานร่วมกับ electrolyzer และระบบเก็บสะสมพลังงานเพื่อเก็บพลังงานไว้ได้ ประสิทธิภาพโดยรวมจากไฟฟ้าเป็นไฮโดรเจนและกลับมาสู่ไฟฟ้าอีกสำหรับโรงไฟฟ้าแบบนี้อยู่ที่ 30-40%

นอกจากไฮโดรเจนบริสุทธิ์ นักวิจัยยังได้ใช้เชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนประเภทอื่น เช่น ดีเซลล์ เมทานอล และสารเคมีที่เก็บไฮโดรเจนได้ ได้แก่โลหะบางชนิด

ประสิทธิภาพ

เซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ถึงราว 50% ประสิทธิภาพนี้ขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านเซลล์ ยิ่งกระแสถูกดึงไปมากประสิทธิภาพก็ลดลงมาก

เราจำเป็นต้องนำการสูญเสียที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิต ขนส่งและจัดเก็บมาพิจารณาด้วย รถที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ไฮโดรเจอัดอาจมีประสิทธิภาพจากแหล่งพลังงานไปสู่การขับเคลื่อนอยู่ที่ 22% ถ้าไฮโดรเจนถูกเก็บอยู่ในรูปก๊าซความดันสูง และ 17%ถ้าไฮโดรเจนถูกเก็บอยู่ในรูปก๊าซเหลว

รูปแบบการใช้งานอีกอย่างหนึ่งในประเทศที่อากาศหนาวเย็น คือ การใช้เซลล์เชื้อเพลิงให้พลังงานไฟฟ้าและความร้อนไปพร้อมกัน ในระบบนี้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องสูงมากนัก ปกติแล้วอยู่ที่ 15-20% เนื่องจากความร้อนก็สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ความร้อนบางส่วนสูญเสียไปกับก๊าซที่ปล่อยออกจากระบบเช่นเดียวกับระบบที่มีการเผาไหม้ทั่วไป ดังนั้นในระบบนี้ประสิทธิภาพโดยรวมจึงยังไม่ใช่ 100% แต่อยู่ที่ราว 80%

เศรษฐศาสตร์

ในปัจจุบันเซลล์เชื้อเพลิงยังมีราคาสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน ซึ่งค่าใช้จ่ายที่สูงมากนี้มักมีสาเหตุมาจากตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม ซึ่งเร็วนี้ก็ได้มีการใช้แผ่นกั้นเซลล์ซึ่งทำหน้าที่เป็นสองขั้ว (bipolar plate) ได้ในแผ่นเดียวทำให้ราคาถูกลงมาได้ในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตามมันยังต้องการเครื่องจักรที่แม่นยำหรือฝีมือการประกอบที่ดี เนื่องจากความต้องการยังมีน้อยทำให้การประกอบเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ยังต้องใช้แรงงานคน อย่างไรก็ตามมีคนเชื่อว่าความต้องการเซลล์เชื้อเพลิงจะเพิ่มขึ้นและราคาจะถูกลงอย่างมากเนื่องจากการผลิตในปริมาณมาก ในปี 2002 เซลล์โดยทั่วไปใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีราคาสูงถึง 1000 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ ซึ่งคาดหมายว่าในปี 2007ราคาจะตกลงมาอยู่ที่เพียง 30 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ นอกจากนี้ยังเป็นที่กังวลว่าปริมาณแพลทินัมที่มีอยู่ในปัจจุบันไม่พอเพียง (ความจริงแล้วมีเพียงหนึ่งในสี่) ที่จะเปลี่ยนยานพาหนะทั้งหมดมาเป็นเซลล์เชื้อเพลิง ดังนั้นการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงในระดับใหญ่จะถูกจำกัดได้ด้วยราคาแพลทินัมที่ถีบตัวสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว General Motors เชื่อว่ารถที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงจะออกสู่ตลาดในราคาที่เข้าถึงได้ในปลายทศวรรษนี้ บริษัทอื่นก็กำลังเร่งศึกษาค้นคว้าเพื่อให้เซลล์เชื้อเพลิงสามารถประยุกต์ใช้ได้จริง Ballard Power System ผู้บุกเบิกรายหนึ่งของเทคโนโลยีนี้ยินดีที่จะผลิตเซลล์เชื้อเพลิงให้กับผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ อาทิเช่น

Toyota^[4] Ford Volvo Mazda General Motors และ Honda ความสำเร็จของ Ballard ในปัจจุบันคือการลดต้นทุนการผลิต โดยใช้แพลทินัมน้อยลงเหลือเพียงหนึ่งในสิบของระบบเก่า

ประวัติ

หลักการของเซลล์เชื้อเพลิงถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวิส Christian Friedrich Schönbein ในปี ค.ศ. 1838 และตีพิมพ์ในเดือนมกราคมปีถัดมาใน "Philosophical Magazine" อาศัยหลักการจากบทความชิ้นนี้ เซลล์เชื้อเพลิงได้ถูกสร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาว Welsh Sir William Grove ต้นแบบของเขาได้ตีพิมพ์ในปี 1843 จนกระทั่งในปี 1959 วิศวกรชาวอังกฤษ Francis Thomas Bacon ได้สร้างเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 5 กิโลวัตต์ได้สำเร็จ ในปีเดียวกันนี้เองที่กลุ่มที่นำโดย Harry Ihrig ได้ผลิตแทรกเตอร์ขนาด 15 กิโลวัตต์ให้กับ Allis-Chalmers ซึ่งได้นำไปแสดงทั่วสหรัฐอเมริกา ระบบนี้ใช้โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นอิเล็กทรอไลต์ ไฮโดรเจนอัดและแก๊สออกซิเจนเป็นสารตั้งต้น ในปีเดียวกันนี้เองที่ Bacon และทีมงานได้สร้างเครื่องผลิตไฟฟ้าขนาด 5 กิโลวัตต์ที่ใช้งานได้จริงสำหรับเครื่องเชื่อม ซึ่งนำไปสู่สิทธิบัตรของ Bacon ในช่วง 1960s ซึ่งหลักการเดียวกันนี้ก็ถูกนำไปใช้ในโครงการอวกาศของสหรัฐด้วยเพื่อผลิตน้ำดื่มและพลังงาน ต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงในช่วงต้นนี้ยังสูงอยู่มากเพราะค่าวัสดุที่แพง นอกจากนี้ยังทำงานในอุณหภูมิที่สูงมากจนเป็นปัญหาในการประยุกต์ใช้ อย่างไรก็ตามเซลล์เชื้อเพลิงยังดูเป็นตัวเลือกที่ดีเนื่องจากเชื้อเพลิงที่หาง่าย (ไฮโดรเจนและออกซิเจน) และการใช้งานที่สะอาด

การพัฒนาต่อไปในช่วงปี 1980s และ 1990s โดย Geoffrey Ballard เจ้าของบริษัทเซลล์เชื้อเพลิงในแคนาดาที่โด่งดัง Ballard Power Systems Inc. นำมาซึ่งการใช้ Nafion วัสดุที่ถูกกว่าและทนทานเป็นอิเล็กโทรไลต์ และการลดการใช้แพลทินัม ทำให้อนาคตการใช้เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับผู้บริโภค เช่นในรถยนต์มีความเป็นไปได้มากขึ้น

อุตสาหกรรมเซลล์เชื้อเพลิง

United Technologies (UTX) เป็นบริษัทแรกที่ได้ผลิตเซลล์เชื้อเพลิง ในช่วง 1960s บริษัทได้สร้างเซลล์เชื้อเพลิงให้องค์การนาซาเพื่อภารกิจอะพอลโล บริษัทลูกของ UTX ชื่อว่า UTC Power ได้เป็นบริษัทแรกที่ผลิตและจำหน่ายเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อเป็นระบบผลิตไฟฟ้าร่วมในโรงพยาบาล มหาวิทยาลัย และอาคารสำนักงานขนาดใหญ่ PureCell 200 เป็นระบบขนาด 200 กิโลวัตต์ที่บริษัทได้จำหน่ายออกมาอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวการทางบริษัทก็ได้เป็นผู้จำหน่ายเซลล์เชื้อเพลิงรายเดียวให้กับนาซ่า ซึ่งปัจจุปันได้ก้าวไปสู่ภารกิจกระสวยอวกาศ นอกจากนี้ยังได้มีความพยายามที่จะพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยวดยานและสถานีกระจายสัญญาณโทรศัพท์ UTC Power อ้างตนเองว่าเป็นผู้นำของโลกในการพัฒนาและผลิตเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง ทั้งสำหรับตลาดระบบจ่ายพลังงานเคลื่อนที่และจ่ายพลังงาน ณ ไซต์งาน ในระบบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อรถยนต์ UTC ได้สร้างเซลล์เชื้อเพลิงอันแรกที่เริ่มทำงานได้แม้ในสภาวะเยือกแข็ง โดยใช้ Proton Exchange Membrane (PEM)

Ballard Power Systems เป็นผู้ผลิตและพัฒนา PEM รายใหญ่ และอ้างว่าเป็นผู้นำของโลกในด้านเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อยานพาหนะ Ford Motor Company และ Daimler เป็นผู้ลงทุนรายใหญ่ใน Ballard ในปี 2003 บริษัทรถยนต์โดยส่วนใหญ่เป็นลูกค้าของ Ballard มีแต่ General Motors และ Toyota เท่านั้นที่มีหน่วยพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงของตนเองซึ่งยกเลิกไปในปี 2005 ในปี 2004 Nissan และ Honda ก็ได้เริ่มโครงการเช่นเดียวกันนี้ ปัจจุบันนี้พบว่า GM กำลังร่วมมือกับ Daimler และ BMW เพื่อพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงร่วมกัน

ในขณะนี้ที่ออสเตรเลียตะวันตกได้มีการทดลองใช้รถประจำทางขับเคลื่อนโดยเซลล์เชื้อเพลิงระหว่างเมือง Perth และเมืองท่า Fremantle จำนวนทั้งสิ้น 3 คัน และกำลังจะขยายการทดลองนี้ไปสู่เมืองอื่นๆ ในออสเตรเลียในอีกสามปีข้างหน้า

Plug Power Inc. เป็นอีกหนึ่งในผู้นำการออกแบบและพัฒนา PEM เพื่อการใช้งานอยู่กับที่ เพื่อใช้ประโยชน์สำหรับการสื่อสาร แหล่งพลังงานหลัก ระบบความร้อนร่วม และระบบเชื่อมโครงข่ายพลังงาน

ในปลายปี 2004 MTI MicroFuel Cells บริษัทลูกของ Mechanical Technology Inc. ได้ออกเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เมทานอลDirect Methanol Fuel Cell (DMFC) รุ่นแรกที่ใช้งานได้จริงทางการค้าออกมา MTI's Mobion™ เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้เมทานอล 100% ชาร์จพลังงานใหม่ได้โดยไม่ต้องใช้สาย ซึ่งใช้ได้ทั้งสำหรับวงการอุตสาหกรรม ผู้บริโภคทั่วไป รวมไปถึงทางการทหารเพื่อทดแทน Li-ion แบตเตอรี่

ผลกระทบและการนำไปใช้ประโยชน์

ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อม

สิ่งที่มักเข้าใจผิดกันอยู่เสมอคือการใช้ธาตุไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ความจริงแล้วไฮโดรเจนไม่ใช่แหล่งพลังงานหลัก มันเป็นเพียงตัวเก็บพลังงานและต้องผลิตขึ้นมาจากแหล่งพลังงานอื่น

จากหลักการอนุรักษ์พลังงานทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงอาจถูกจำกัดโดยการผลิตพลังงานในขั้นแรก ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมอาจต่ำกว่าเครื่องยนต์เบนซินที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งพบได้เมื่อก๊าซไฮโดรเจนต้องถูกอัดภายใต้ความดันสูงหรือทำให้เป็นของเหลวสำหรับยานยนต์ (การสลายน้ำด้วยไฟฟ้ามีประสิทธิภาพเพียง 50%)

อีกทางเลือกหนึ่งของการผลิตไฮโดรเจนคือการใช้มีเทนซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงถึงราว 80% หรือใช้สารประกอบไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ ซึ่งมีประสิทธิภาพต่างกันออกไป อย่างไรก็ตามการใช้ไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้ก่อให้เกิดแก๊สเรือนกระจกได้ อย่างไรก็ตามหากได้มีการจัดการให้ดีภายในโรงงานเราก็สามารถกำจัด CO₂ ได้ง่ายกว่าและดีกว่าปล่อยให้รถยนต์ทุกคันปล่อยก๊าซเสียออกมา โครงการกำจัด CO₂ ปริมาณมากในขั้นตอนนี้ได้ดำเนินการโดยบริษัทจากนอร์เวย์ Statoil

เซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ ไม่พบปัญหาเช่นเดียวกันนี้ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงทางชีวภาพ (biological fuel cells) ใช้กลูโคสและเมทานอลจากเศษอาหารที่หมักด้วยจุลินทรีย์

อย่างไรก็ตามปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมอีกอย่างหนึ่งที่กลุ่มของนักวิทยาศาสตร์จาก Caltech ได้ตั้งข้อสังเกตขึ้นคือ หากเราเปลี่ยนจากระบบเก่ามาเป็นเซลล์เชื้อเพลิงทั้งหมด ปริมาณไฮโดรเจนเพียงเล็กน้อยที่รั่วไหลจาการเก็บและขนส่งอาจเป็นอันตรายต่อชั้นโอโซนได้ แต่อย่างไรก็ตามปริมาณไฮโดรเจนที่ทางกลุ่มตั้งข้อสังเกตได้ถูกปฏิเสธโดยกลุ่มอุตสาหกรรม ปัจจุบันนี้ 50% ของพลังงานในสหรัฐอเมริกาผลิตมาจากถ่านหิน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ไม่สะอาด ถ้าไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงมาจากการสลายน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งยังใช้พลังงานจากโรงไฟฟ้าเหลานี้ เราก็ไม่อาจปฏิเสธได้เลยว่าปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมก็ยังจะเกิดขึ้นที่โรงงานไฟฟ้านั่นเอง

การออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง

เพื่อให้สามารถแข่งขันทางการค้าได้ยังมีปัญหาในทางปฏิบัติที่ต้องแก้ไขอีกจำนวนมาก การจัดการน้ำเป็นปัญหาสำคัญใน Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) ซึ่งเยื่อกั้นต้องชุ่มน้ำอยู่ตลอดเวลา ทำให้น้ำที่ระเหยออกไปต้องเท่ากับน้ำที่ผลิตขึ้นมา ถ้าน้ำระเหยเร็วเกินไป น้ำจะแห้งจากเยื่อกั้นและทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้น และเยื่อกั้นจะแตกออก ทำให้เกิดการลัดวงจรของก๊าซ ซึ่งไฮโดรเจนและออกซิเจนจะรวมกันโดยตรง ทำให้เกิดความร้อนสูง ทำลายเซลล์ไปได้ แต่ถ้าน้ำระเหยออกช้าเกินไป ขั้วไฟฟ้าจะถูกน้ำท่วมทำให้สารตั้งต้นไม่อาจเข้าทำปฏิกิริยากับตัวเร่งได้และทำให้ปฏิกิริยาสิ้นสุด วิธีการจัดการน้ำที่เหมาะสมกำลังถูกพัฒนาขึ้นมาในหลายบริษัท

ปัจจัยอื่นๆ ก็มีความสำคัญไม่แพ้กันได้แก่ อุณหภูมิตลอดทั้งเซลล์ ซึ่งบางครั้งอาจเปลี่ยนแปลงและทำลายเซลล์ได้ สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ในลำดับต่างๆ ของเซลล์แต่ละชนิด การเลือกวัสดุต้องพิจารณาปัจจัยหลายอย่างประกอบกัน ทั้งนี้ไม่มีวัสดุใดที่จะให้ผลดี 100% พร้อมกันในทุกๆ ด้าน นอกจากนี้สำหรับเซลล์บางประเภทจะเน้นที่ความทนทานและอายุการใช้งาน ในขณะที่บางประเภทจะเน้นที่พลังงาน ซึ่งปัญหาการพัฒนาเซลล์ที่เหมาะสมยังเป็นปัญหาที่ท้าทายอยู่มาก

สำหรับการใช้ในยานยนต์ปัญหานั้นมีความซับซ้อนมากขึ้น เช่น รถต้องสามารถติดเครื่องได้ในทุกอุณหภูมิที่คนทั่วทุกมุมโลกอาศัยอยู่ ประมาณ 80% ของที่จอดรถในโลกจำเป็นต้องติดเครื่องได้แม้ในอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศา เซลล์เชื้อเพลิงไม่มีปัญหาการทำงานในที่อุณหภูมิสูงแต่ในที่อุณหภูมิต่ำอาจมีปัญหาได้ FCX ของ Honda เป็นเซลล์เชื้อเพลิงรุ่นแรกที่ใช้ในรถที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิต่างๆ แต่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -20 °C ก็ยังเป็นปัญหาในการติดเครื่องยนต์

การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิง

เซลล์เชื้อเพลิงมีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานในที่ห่างไกล เช่น ในยานอวกาศ สถานีตรวจอากาศที่ห่างไกล สวนสาธารณะขนาดใหญ่ ชนบท และการประยุกต์ใช้ทางการทหาร เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบาและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

การประยุกต์ใช้ในอนาคตอันใกล้นี้คงเป็นระบบไฟฟ้าและพลังงานความร้อน combined heat and power (CHP) สำหรับอาคารสำนักงานและโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งระบบนี้จะผลิตไฟฟ้าในอัตราที่คงที่ สามารถขายไฟฟ้าคืนสู่ระบบส่งได้เมื่อไม่ใช้งาน นอกจากนี้ยังผลิตอากาศอุ่นได้เป็นผลพวงมาจากความร้อนที่สูญเสียออกมาระหว่างการทำงาน Phosphoric-acid fuel cells (PAFC) เป็นระบบที่ใช้กันมากสำหรับการผลิตไฟฟ้าและให้ความร้อนร่วมกัน ซึ่งประสิทธิภาพรวมสูงถึง 80% (45-50% เป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนที่เหลือเป็นพลังงานความร้อน) ผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดได้แก่ UTC Power บริษัทลูกของ United Technologies Corporation นอกจากนี้ยังมีการใช้งาน Molten-carbonate fuel cells ในรูปแบบนี้อยู่บ้าง รวมไปถึงการใช้งาน Solid-oxide fuel cell ในขั้นทดลอง

เนื่องจากเซลล์เชื้อเพลิงมีต้นทุนที่สูงต่อกิโลวัตต์ และเพราะว่าประสิทธิภาพจะลดลงตามความหนาแน่นของพลังงาน ดังนั้นมันจึงไม่เหมาะกับการใช้กระแสไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงมาก โดยเฉพาะไม่เหมาะกับระบบเก็บสะสมพลังงานไฟฟ้าในระดับเล็กและกลาง อิเล็กโทรไลต์เซอร์และเซลล์เชื้อเพลิงรวมกันสามารถคืนพลังงานไฟฟ้าได้น้อยกว่า 50% ของพลังงานที่ป้อนเข้าไป (เรียกว่าround-trip efficiency ) ในขณะที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ราคาถูกกว่าสามารถคืนพลังงานได้ราว 90%

อย่างไรก็ตามระบบอิเล็กโทรไลต์เซอร์ไม่ได้เก็บเชื้อเพลิงไว้โดยตรง แต่พึ่งพาหน่วยเก็บสารเคมีภายนอก ดังนั้นในระบบเก็บพลังงานขนาดใหญ่ เช่นในชนบท แบตเตอรี่ต้องมีขนาดใหญ่มากเกินกว่าที่จะทำงานได้จริง ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงต้องการพื้นที่เพิ่มสำหรับหน่วยเก็บสารเท่านั้น (โดยทั่วไปมีราคาถูกกว่าอุปกรณ์ทางไฟฟ้าเคมี)

การใช้เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับผลิตไฟฟ้าร่วมและให้น้ำร้อนในบ้านเป็นอีกหนึ่งในแนวทางการประยุกต์ใช้ระยะยาวซึ่งจะมีโครงการทดลองเริ่มต้นในปี 2005

รถยนต์ไฮโดรเจนและการเติมเชื้อเพลิง

โตโยต้า มิไร

สถานบริการไฮโดรเจนแห่งแรกอยู่ใน Reykjavík Iceland เปิดบริการในเดือนเมษายน ปี 2003 ซึ่งให้บริการกับรถบัสสามคันสร้างโดย Daimler ซึ่งให้บริการแก่สาธารณชนโดยทั่วไปในเขต Reykjavík สถานีไฮโดรเจนแห่งนี้ผลิตไฮโดรจนด้วยตัวเองโดยใช้การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า (ผลิตโดย Norsk Hydro) ซึ่งไม่ต้องการอะไรนอกเหนือไปจากน้ำและไฟฟ้า Shell เป็นอีกหนึ่งในผู้ร่วมโครงการ สถานีบริการแห่งนี้ไม่มีหลังคาเพื่อให้ไฮโดรเจนที่อาจรั่วไหลออกไปสู่บรรยากาศได้

มีรถยนต์และรถบัสต้นแบบจำนวนมากซึ่งอยู่บนพื้นฐานของเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงที่อยู่ระหว่างการพัฒนา งานวิจัยก็กำลังเดินหน้าต่อไปในหลายบริษัทเช่น BMW Hyundai และ Nissan รถที่สามารถออกจำหน่ายได้จริงคงยังไม่ออกสู่ตลาดจนกว่าจะถึงปี 2010 อย่างไรก็ตามได้มีรถบัสเซลล์เชื้อเพลิงที่กำลังดำเนินการกันอยู่ เช่น Thor ของ UTC Power ในแคลิฟอร์เนีย ดำเนินการโดย SunLine Transit Agency

เร็วๆ นี้ มีนักศึกษากลุ่มที่ชื่อว่า Energy-Quest กำลังจะเดินทางรอบโลกด้วยเรือที่ใช้พลังงานเซลล์เชื้อเพลิง การเดินทางนี้มีชื่อว่า Triton

นอกจากนี้ปัญหาการจัดเก็บไฮโดรเจนอาจถูกกำจัดให้หมดไปได้ด้วยการใช้ Sodium borohydride (NaBH₄) ซึ่งทำให้เก็บไฮโดรเจนไว้ได้มากแม้ที่ความดันบรรยากาศ

การนำไปใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

บมความหลัก: ตัวจ่ายพลังงานบลูม

ตัวจ่ายพลังงานบลูม (อังกฤษ: Bloom Energy Server (the Bloom Box) เป็นเซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง (SOFC) สร้างขึ้นโดยบริษัท Bloom Energy แห่งซันนีเวล, แคลิฟอร์เนีย, ที่สามารถใช้ปัจจัยการผลิตได้หลากหลาย (รวมทั้งสารไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ ที่ผลิตจากแหล่งชีวภาพ) เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ณ จุดที่มันจะถูกนำมาใช้. มันสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 1,800 °F (980 °C), ที่จะทำลายเซลล์เชื้อเพลิงอื่นๆอีกมากมายหรือต้องการการบำรุงรักษา. ตามคำกล่าวอ้างของบริษัทดังกล่าว, เพียงเซลล์เดียว (แผ่นโลหะผสมขนาด 100 มิลลิเมตร × 100 มิลลิเมตรที่คั่นอยู่ระหว่างชั้นของเซรามิกสองชั้น) สามารถผลิตไฟฟ้าได้ 25 วัตต์.

บริษัทดังกล่าวยังกล่าวอีกว่า ราวปี 2012 เซิร์ฟเวอร์ที่บรรจุชั้นของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้กว่า 200 หน่วยได้ถูกนำไปใช้ในรัฐแคลิฟอร์เนียสำหรับหลายองค์กรรวมทั้งอีเบย์, Google, Yahoo, และ Wal-Mart.

ภาพอธิบายระบบการทำงาน

• 
  alkaline
• 
  carbonate

ดูเพิ่ม

ตัวจ่ายพลังงานบลูม

ประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง

• เซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไลน์ หรือ Alkaline fuel cell
• Biological fuel cell
• Direct borohydride fuel cell
• Formic acid fuel cell
• Molten-carbonate fuel cell
• Phosphoric-acid fuel cell
• เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน หรือ Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)
  • Direct methanol fuel cell (DMFC)
  • Direct ethanol fuel cell (DEFC)
• Reversible fuel cell
• Solid-oxide fuel cell
• Zinc fuel cell ('Air' fuel cell)
• Solid oxide fuel cell

เทคโนโลยีสัมพันธ์

• Hydrogen reformer

อ้างอิง

1. Khurmi, R. S. Material Science.
2. Nice, Karim and Strickland, Jonathan. "How Fuel Cells Work: Polymer Exchange Membrane Fuel Cells". How Stuff Works, accessed 4 August 2011
3. Prabhu, Rahul R. (13 January 2013). "Stationary Fuel Cells Market size to reach 350,000 Shipments by 2022". Renew India Campaign. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2013-01-19. สืบค้นเมื่อ 2013-01-14.
4. | Ballard Sells 1-Megawatt Distributed Generation System to Toyota For California Campus Facility

แหล่งข้อมูลอื่น

• US DOE EERE (Energy Efficiency and Renewable Energy) fuel cells page
• PhysicsWorld: Fuel cells
• How Hydrogen Can Save America (Wired Magazine)
• How Stuff Works: Fuel Cells
• Fuel-Cells.org