พัฒนาการชาร์ตประจุเซลล์เชื้อเพลงไฮโดรเจนโดยใช้วัสดุพอลิเมอร์

          ในโลก ณปัจจุบันท่ามกลางมลภาวะทางอากาศ ที่เราสามารถเห็นได้จากข่าวที่กำลังเป็นประเด็นร้อนเลยก็คือ ฝุ่นละอองpm2.5 ซึ่งมาจากรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงแบบดีเซลเกิดการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์แล้วปล่อยออกมาทางท่อไอเสีย ซึ่งpm2.5 จะมีขนาดอนุภาคที่เล็กมากในระดับไมครอนที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ซึ่งภายในเจ้าตัว pm2.5นั้นจะประกอบไปด้วย โลหะหนักเช่น ตะกั่ว คาร์บอน ซึ่งจะส่งผลเสียต่อร่างกายในอนาคต ไม่เพียงจะมีแค่ pm2.5 เท่านั้นที่เกิดเป็นมลพิษทางอากาศยังมีในเรื่องของ ก๊าซเรือนกระจกส่งผลให้โลกร้อน จากการกระจุกตัวของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนออกไซด์ ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งมลพิษทางอากาศนี้ส่งผลให้เกิดการตื่นตัวของอุตสาหกรรมผลิตยานยนต์ไม่ว่าจะเป็น การคิดค้นรถยนต์ไฟฟ้าที่เปลี่ยนจากการใช้เครื่องยนต์แบบเซลล์เชื้อเพลิง มาเป็นแพ็คแบตเตอร์รี่ ที่ใช้การขับเคลื่อนจากไฟฟ้าแปลงจากพลังงานไฟฟ้าไปเป็นกำลังทำให้รถยนต์นั้นเกิดการขับเคลื่อน บางอุตสาหกรรมรถยนต์ก็คิดค้นการปรับปรุงคุณสมบัติตัวดักจับกรองไอเสียที่ท่อรถยนต์ หรือ ที่เรียกว่า catalytic converter เพื่อศึกษาและปรับปรุงคุณสมบัติของตัวแผ่นกรองของเสียจากตัวรถยนต์ที่เสร็จสิ้นจากการเผาไหม้ให้มีการดักจับของเสีย จำพวกเขม่า(Soot Particle) ให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น 


          แต่มีอีกงานวิจัยที่ทางด้านอุตสาหกรรมยานยนต์ และ ทางด้านพลังงาน ที่ทำการปรับปรุงและคิดค้นซึ่งก็คือ เซลล์เชื้อเพลิง หรือ Fuel Cell ซึ่งก่อนที่จะไปเข้าสู่ตัวเนื้อหาว่าทำไมนักวิจัยถึงคิดค้นการชาร์ตประจุเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนโดยใช้วัสดุโคพอลิเมอร์นั้น เรามาเกริ่นนำกันก่อนว่าอะไรคือ เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงนั้น จะมีหลักการที่ว่าจะมีขั้วบวกและขั้วลบ ซึ่งในขั้วลบนั้นจะมีก๊าซไฮโดรเจน และ ขั้วบวกจะเป็นก๊าซออกซิเจน ซึ่งใน2ขั้วนี้จะทำหน้าที่ส่งอิเล็กตรอนจากขั้วลบไปยังขั้วบวกที่ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอน โดยเกิดกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีโดยเปลี่ยนโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนไปเป็นพลังงานไฟฟ้า แทนการเผาไหม้จากเครื่องยนต์ปกติ ซึ่งการปล่อยก๊าซของเสียที่ได้ออกมานั้นจะอยู่ในรูปแบบ ไอน้ำแทนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ดังแสดงให้เห็นในรูปที่ 2

            ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงแบบไฮโดรเจนนั้นเป็นตัวต้นแบบการศึกษาและทดลองปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพดีมากยิ่งขึ้น ไม่ว่าจะเป็นในบริษัท Amazon และในประเทศที่ดังๆและคิดค้นเทคโนโลยีอย่างจีน และแบรนด์รถยนต์ที่นิยมใน ณ ปัจจุบันเช่น โตโยต้า ฮอนด้า อีกทั้งเซลล์เชื้อเพลิงแบบไฮโดรเจนนั้นยังเป็นที่น่าสนใจด้วยการคิดค้นตัวอิเล็กโตรไลต์ในเซลล์โดยการใช้ วัสดุโพลิเมอร์มาทำเป็นอิเล็กโตรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิงและสามารถปฏิวัติวงการอุตสาหกรรมทางยานยนต์ได้ไปในทางยานยนต์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม


          แต่แล้วการปฏิวัติทางด้านอุตสาหกรรมรถยนต์นั้นควรคำนึงถึงให้มีแต่รถยนต์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมลดการปล่อยมลพิษลดลงนั้นสามารถทำได้ แต่ควรต้องตระหนักถึงโครงสร้างพื้นฐานที่ว่าประสิทธิภาพในเซลล์ที่นำมาวิจัยและนำมาศึกษาที่ไปใช้ต่อในอุตสาหกรรมยานยนต์นั้นสามารถส่งผลให้นวัตกรรมชิ้นนี้มีต้นทุนกระบวนการผลิตต่ำไหม และอีกทั้งประสิทธิภาพและสมรรถนะในการขับขี่รถยนต์ที่ทำมาจากเซลล์เชื้อเพลิงนั้นต้องมีประสิทธิภาพไม่ต่ำลงมากไปเช่นกันด้วย ซึ่งหนึ่งในทีมวิจัยของNYU Tandon School of Engineering นำโดย Miguel Modestino ศาสตราจารย์ทางด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุล และ Lawrence Berkeley  National Laboratory ได้ทำการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับ วัสดุโพลิเมอร์ที่สามารถนำมาแก้ปัญหาเรื่องต้นทุนต่ำ อีกทั้งยังคงประสิทธิภาพในการขับเคลื่อนยานยนต์นั้นได้ดีอีกด้วย


          งานวิจัยที่ว่านี้มีชื่อว่าHighly Permeable Perfluorinated Sulfonic Acid Ionomers for Improved Electrochemical Devices: Insights into Structure—Property Relationships ได้ถูกตีพิมพ์ในวรสารวิชาการของ  the American Chemical Society ซึ่งงานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับ วัสดุไฮบริดที่นำก๊าซออกซิเจนจากภายนอกเข้ามาสู่การเกิดปฏิกิริยาของเซลล์อิเล็กโทรดภายในเซลล์ที่ยังช่วยทำให้เกิดกำลังของพลังงานที่มากขึ้นแล้ว อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุนวัสดุที่นำมาทำอิเล็กโทรดที่แต่ก่อนใช้ แพลตตินัมในการนำมาทำเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งจะนำมาช่วยในเรื่องแก้ปัญหาหลักในวงการอุตสาหกรรมยานยนต์

            ซึ่งหลักการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่นำโพลิเมอร์มาใช้แทนอิเล็กโตรไลต์นั้นจะมีหลักการที่คล้ายคลึงกันที่ได้กล่าวไปข้างต้นในหลักการทำงานเซลล์เชื้อเพลิงที่ว่า ที่ขั้วของแคโทดและแอโนดนั้นจะมีการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกันที่เมมเบรน และ จากนั้นไฮโดนเจนจะทำปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนดและออกซิเจนทำปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทดในการผลิตกระแสไฟฟ้า และมีโปรตอนที่รวมกันกับออกซิเจนและน้ำ ซึ่งจะเกิดการเหนี่ยวนำที่ขั้วของโพลิเมอร์หรือที่เรียกว่า ionomersที่ใช้ในการดึงอากาศนั้นมาทำปฏิกิริยากับโปรตอนและออกซิเจนในการซึมผ่านเมมเบรนของเซลล์เชื้อเพลิงที่ทำมาจากวัสดุโพลิเมอร์ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า


          ซึ่งใน ณปัจจุบันทางการค้าของไอโอโนเมอร์มีมากมายหลายชนิด แต่ทางทีมวิจัยจะยกตัวอย่างที่ได้นำมาศึกษาทดลองซึ่งก็คือ perfluorinated sulfonic acid(PFSA) ซึ่งจะประกอบไปด้วยหัวโซ่โมเลกุลยาวลักษณะเป็นเส้นตรงเข้ากันกับของ polytetrafluoroethylene (PTFE) ซึ่งทางทีมวิจัยนั้นได้นำสารประกอบ sulfonic-acid มารวมเข้ากันกับหมู่ของPTFEที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำอิเล็กตรอนระหว่างเมมเบรนได้ อีกทั้งสารประกอบทั้ง 2 อย่างที่ได้นำมาผสมเข้าด้วยกัน จะมีลักษณะโครงสร้างโมเลกุลที่คล้ายคลึงกับเทฟรอน มีความแข็งแรงทางเชิงกลที่สูงเพื่อป้องกันการสึกกร่อน จากการใช้งานไปนานๆในอนาคต อีกทั้งงานวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าเมื่อนำสารทั้งสองชนิด ซึ่งก็คือ perfluorinated sulfonic acid (PFSA) และ polytetrafluoroethylene (PTFE) ยังประสบปัญหาในเรื่องของการซึมผ่านของก๊าซออกซิเจนระหว่างเซลล์เมมเบรนนั้นยังทำได้น้อย และ อีกทั้งยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงนั้นยังเกิดการสูญเสียพลังงานระหว่างเซลล์อีกด้วย


          ทีมนักวิจัยจากPolymer Research Institute นำโดย  Yoshi Okamoto ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมี ได้ทำการศึกษาทดลองในการสลับสับเปลี่ยนลักษณะเส้นตรงของห่วงโซ่โมเลกุลPTFE หรือ เทฟรอน กับหัวโซ่ฟลูออริเนดโดยการเพิ่มจำนวนปริมาตรของพื้นที่ผิว ทำให้มีการเพิ่มประสิทธิภาพในการส่งผ่านออกซิเจนไปยังเซลล์เชื้อเพลิงได้ดียิ่งขึ้น Modestinoได้กล่าวไว้เกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงที่ว่า วัสดุไฮบริดที่นำมาใช้จะประกอบไปด้วยโพลิเมอร์และมีการซึมผ่านของออกซิเจนระหว่างพื้นผิววัสดุได้มากขึ้น ซึ่งเป็นการนำ 2 โคพอลิเมอร์มาเชื่อมและยึดเหนี่ยวทางโครงสร้างโมเลกุลไว้ด้วยกัน Okamotoได้กล่าวทิ้งท้ายไว้ว่า เขาได้ทำการศึกษาการซึมผ่านของโพลิเมอร์สำหรับกระบวนการแยกก๊าซอีกทั้ง วัสดุโพลิเมอร์นั้นยังเป็นที่น่าสนใจและสามารถนำไปปรับใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงได้อีกด้วยในอนาคต 

 

อ้างอิง

• https://phys.org/news/2020-01-turbocharge-hydrogen-fuel-cells-ion-conducting.html
• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b09170
• https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7156-fuel-cells
• https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html