Download to read offline
พลังงานแห่งอนาคต
- 2. ความนา ใช้ช่วงศตรวรรษที่ ผ่านมา แหล่งพลังงานที่ ใช้ส่วน ใหญ่ได้จาก น้ ามันเชื้ อเพลิง แต่ความต้องการพลังงานที่ เพิ่มขึ้น และแหล่งผลิ ตที่มีอยู่จากัดทาไห้เกิ ดปั ญหาการ ขาดแคลนน้ ามันจากเหตุดงกล่าวจึงได้มีการค้นคว้า และ ั พัฒนาแหล่ งพลังงาน เพื่อทดแทนพลังงงานจากน้ ามัน เชื้อเพลิง
- 3. วัตถุประสงค์ 1. เพื่อศึกษาเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงที่ให้พลังงาน 2. เพื่อศึกษาเกี่ยวกับขั้นตอนหรือวิธีทาของเซลล์เชื้อเพลิง สมมุตฐาน ิ 1. เซลล์เชื้อเพิลเป็ นเซลล์ที่เปลี่ยนพลังงานเคมีเป็ นพลังงาน ไฟฟ้ า 2. ขั้นตอนการนาเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้ ไฮโดรเจน กับ ออกซิ เจน ทาปฏิกิริยากันในบีกเกอร์แล้วได้เป็ นพลังงาน
- 4. ขอบเขต 1. การทารายงานที่เพื่อศึกษาสาเหตุการขาดแคลนพลังงานและ ศึกษาพลังงานที่มาทดแทนในที่คือเซลล์เชื้อเพลิง 2. พื้นที่ในการศึกษาข้อมูลในการทาโครงงานวิชาการคือจังหวัด นครศรีธรรมราช 3. เวลาในการศึกษาตั้งแต่ เดือน พฤษภาคม พ.ศ. 2556 ถึง กุมพา พันธ์ พ.ศ.2557
- 5. 1. แหล่งพลังงานและเชื้อเพลิง พลังงานทั้งหมดในเอกภพมีจุดเริ่ มต้นมาจากสิ่งเดียวกัน คื อ ไฮโดรเจนไฮโดรเจนแต่ ล ะอะตอมของไฮโดรเจนมี โปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างละ 1 ตัวอะตอมของไฮโดรเจน 4 อะตอมจะรวมตัวกันกลายเป็ นอะตอมของฮีเลียมและได้ พลัง งานแผ่ รั ง สี อ อกมากระบวนการนี้ เรี ยกว่ า ปฏิ กิ ริ ยา นิวเคลียร์แบบรวมตัว (Nuclear fusion)
- 6. 2. เซลล์ เชื้อเพลิงคืออะไร เซลล์เชื้อเพลิงคืออุปกรณ์ที่ทาหน้าที่แปลงผันพลังงานเคมีของ เชื้อเพลิง (ไฮโดรเจนหรื อเชื้ อเพลิ งไฮโดรเจนเข้มข้น) และ ออกซิ เ จนเป็ นพลัง งานไฟฟ้ าโดยท างานคล้า ยกับ แบตเตอรี่ แ ต่ แตกต่างจากแบตเตอรี่ คือกาลังของเซลล์เชื้ อเพลิงจะไม่ลดลงและ ไม่มีการประจุไฟใหม่เซลล์เชื้ อเพลิงจะให้กระแสไฟฟ้ าความร้อน ั และน้ าตราบเท่าที่เชื้อเพลิงและออกซิ เจนยังป้ อนให้กบเซลล์เซลล์ เชื้ อเพลิ งไม่ใช่ แหล่งพลังงานชนิ ดใหม่แต่เป็ นวิธีใหม่ของการใช้ พลังงานที่มีอยู่
- 7. 3. ระบบเซลล์ เชื้อเพลิง ระบบเซลล์เชื้อเพลิงมีส่วนประกอบหลายส่วนสาหรับการทาหน้าที่ ต่างๆเช่น - เก็บไฮโดรเจนหรื อเชื้อเพลิงอื่น - สู บไฮโดรเจนเข้าขั้วบวกของชุดเซลล์เชื้อเพลิง - สู บอากาศเข้าขั้วลบของชุดเซลล์เชื้อเพลิง -ไล่นาที่เกิดขึ้นในชุดเซลล์เชื้อเพลิงออก ้ - ระบบควบคุมและตรวจสอบความปลอดภัย - ปรับปรุ งกาลังเอาต์พตเพื่อทาให้กาลังที่ผลิตได้สามารถใช้ ุ งานได้
- 8. การออกแบบเซลล์เชื้ อเพลิ งค่อนข้างซับซ้อนแปรเปลี่ยนไป ตามชนิ ดของเซลล์เชื้ อเพลิงและการประยุกต์ใช้งานอย่างไรก็ตาม ระบบเซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐาน 4 อย่างคือ 1. ตัวแปรรู ปเชื้อเพลิง (Fuel processor) 2. อุปกรณ์แปลงผันพลังงาน (เซลล์เชื้ อเพลิงหรื อชุดเซลล์ เชื้อเพลิง) 3. ตัวแปลงผันกระแสไฟฟ้ า 4. ระบบนาความร้อนกลับมาใช้ใหม่
- 9. 3.1 ตัวแปรรู ปเชื้อเพลิง ส่วนประกอบแรกของเซลล์เชื้อเพลิงคือตัวแปรรู ปเชื้อเพลิงทา ่ หน้าที่แปลงผันเชื้อเพลิงให้อยูในรู ปที่เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนาไป ใช้ได้ถาป้ อนไฮโดรเจนเข้าสู่ ระบบตัวแปรรู ป ้ เซลล์เ ชื้ อ เพลิ ง บางชนิ ด เช่ น เกลื อ คาร์ บ อเนตหลอมเหลว (Molten carbonate) และออกไซด์แข็ง (Solid oxide) ทางานที่ อุ ณ หภู มิ สู ง เพี ย งพอที่ เ ชื้ อ เพลิ ง จะถู ก ปรั บ ปรุ ง ภายในตัว เซลล์ เชื้ อเพลิงเองเรี ยกว่าการปรั บปรุ งภายในเซลล์เชื้ อเพลิ งซึ่ งใช้การ ปรั บ ปรุ ง ภายในยัง คงต้อ งการตัว ดัก เพื่ อ เอาสิ่ ง เจื อ ปนออกจาก เชื้อเพลิงที่ยงไม่ได้ปรับปรุ งก่อนที่เชื้อเพลิงจะเข้าสู่ เซลล์เชื้อเพลิง ั
- 10. 3.2 อุปกรณ์ แปลงผันพลังงาน– ชุดเซลล์ เชื้อเพลิง ชุ ด เซลล์เ ชื้ อ เพลิ ง เป็ นอุ ป กรณ์ แ ปลงผัน พลัง งานชุ ด เซลล์ เชื้อเพลิงจะผลิตพลังงานไฟฟ้ าในรู ปของไฟฟ้ ากระแสตรง (DC) จากปฏิกิริยาเคมีซ่ ึ งเกิ ดขึ้นในเซลล์เชื้ อเพลิงเซลล์เชื้ อเพลิงแต่ละ เซลล์โดยปกติให้แรงดันไฟฟ้ าน้อยกว่า 1 โวลต์เพื่อให้ได้กระแส และแรงดันไฟฟ้ าสู งเพียงพอต่อการใช้งานจะต้องนาเซลล์เชื้อเพลิง แต่ ล ะเซลล์ ม าต่ อ กั น อย่ า งอนุ กรมเป็ นชุ ด เซลล์ เ ชื้ อเพลิ ง แรงดัน ไฟฟ้ าที่ ไ ด้จ ากชุ ด เซลล์เ ชื้ อ เพลิ ง ขึ้ น อยู่กับ จานวนเซลล์ ่ ั กระแสไฟฟ้ าขึ้นอยูกบพื้นที่ผิวทั้งหมดของแต่ละเซลล์
- 11. 3.3ตัวแปลงผันและปรับแต่ งกระแสไฟฟ้ า จุดประสงค์ของตัวแปลงผันและปรั บแต่งกระแสไฟฟ้ าเพื่ อ ปรั บกระแสไฟฟ้ าที่ ได้ จ ากเซลล์ เ ชื้ อเพลิ งให้ เ หมาะสม กระแสไฟฟ้ าที่เครื่ องใช้ไฟฟ้ าต้องการไม่ว่าจะเป็ นเครื่ องใช้ไฟฟ้ า เช่นมอเตอร์ไฟฟ้ าอย่างง่ายหรื อระบบการใช้กาลังไฟฟ้ าที่ซบซ้อน ั
- 12. 3.4 ระบบนาความร้ อนกลับมาใช้ใหม่ ระบบเซลล์เชื้ อเพลิ งในเบื้ องต้นไม่ได้ใช้เพื่อการผลิ ตความ ร้ อ นอย่า งไรก็ ต ามเซลล์เ ชื้ อ เพลิ ง บางระบบได้ผ ลิ ต ความร้ อ น ออกมาจานวนมากโดยเฉพาะเซลล์เชื้อเพลิงที่ทางานที่อุณหภูมิสูง เช่ นระบบเกลื อ คาร์ บ อเนตหลอมเหลวและระบบออกไซด์แ ข็ง พลังงานความร้ อนส่ วนเกิ นนี้ สามารถนาไปใช้ผลิตไอน้าหรื อน้า ร้ อนหรื อกระแสไฟฟ้ าโดยผ่านกังหันก๊าซหรื อเทคโนโลยีอื่นซึ่ ง เป็ นการเพิ่มประสิ ทธิ ภาพโดยรวมทั้งหมดของระบบ
- 13. 4. เซลล์ เชื้อเพลิงมีกแบบ ี่ เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ใช้ไฮโดรเจนเป็ นเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนสามารถได้จากการปรับปรุ งเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์ บอนแต่ ในทางปฏิบติยงคงมีปัญหาเรื่ องประสิ ทธิ ภาพที่ต่ากว่าทางทฤษฎี ั ั เพราะมี ก ารสู ญ เสี ยในกระบวนการปรั บ ปรุ งและเนื่ อ งจาก คุ ณ สมบัติ ท างเทอร์ โ มไดนามิ ก ของไฮโดรเจนเมื่ อ เที ย บกับ ไฮโดรคาร์บอน เทคโนโลยีเซลล์เชื้ อเพลิงสามารถแบ่งได้หลายแบบเช่ นโดย อุณหภูมิชนิ ดของเชื้ อเพลิ งหรื อพาหะประจุ แต่ ที่นิยมใช้กันมาก ที่สุดแบ่งโดยชนิดของอิเล็กโทรไลต์
- 14. 4.1 เซลล์ เชื้อเพลิงแบบเยืออิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ ่ เรี ยกอีกอย่างหนึ่ งว่าเซลล์เชื้ อเพลิงแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton exchange membrane fuel cells) เซลล์เชื้อเพลิงชนิ ดนี้ ให้ความหนาแน่นพลังงาน สู งและมีขอได้เปรี ยบที่นาหนักเบาและปริ มาตรน้อยเมื่อเทียบกับเซลล์เชื้ อเพลิง ้ ้ ชนิดอื่นเซลล์เชื้อเพลิงแบบเยืออิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ ใช้พอลิเมอร์ แข็งเป็ นอิเล็ก ่ โทรไลต์และใช้แท่งคาร์ บอนพรุ นเป็ นขั้วไฟฟ้ าซึ่ งบรรจุ ทองคาขาวเป็ นตัวเร่ ง ปฏิกิริยาในการแยกอิเล็กตรอนและโปรตอนของไฮโดรเจนเซลล์เชื้อเพลิงชนิ ดนี้ ต้องการไฮโดรเจนออกซิ เจนจากอากาศและน้าเท่านั้นในการทางาน ปฏิกริยาทีเ่ กิดขึนทีข้วไฟฟาในเซลล์ เป็ นดังนี้ ิ ้ ่ ั ้ ปฏิกิริยาที่ข้ วบวก : 2H2 ั 4H+ + 4eปฏิกิริยาที่ข้ วลบ : O2 + 4H+ + 4eั 2H2O ปฏิกิริยารวม : 2H2 + O2 2H2O + พลังงาน
- 15. 4.2 เซลล์ เชื้อเพลิงแบบใช้เมทิลแอลกอฮอล์ โดยตรง เซลล์เ ชื้ อ เพลิ ง ส่ ว นใหญ่ ใ ห้ ก าลัง ด้ว ยไฮโดรเจนซึ่ งสามารถ ป้ อนเข้าสู่ระบบของเซลล์เชื้อเพลิงโดยตรงหรื อสามารถผลิตขึ้นภายใน ระบบเซลล์เชื้อเพลิงโดยการปรับปรุ งเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเข้มข้น ปฏิกิริยาเซลล์เชื้อเพลิง PEM มาตรฐาน ปฏิกิริยาที่ข้วบวก : CH3OH+ H2O ั CO2 + 6H+ + 6eปฏิกิริยาที่ข้วลบ : O2 + 6H+ + 6eั 3H2O 23 ปฏิกิริยารวม : CH3OH + O2 CO2 + 2H2O 23
- 16. 5. การใช้ งานเซลล์เชื้อเพลิง เซลล์เชื้อเพลิงสามารถนาไปใช้งานได้หลากหลายเพราะมันคือ แหล่งกาเนิดพลังงานไฟฟ้ าชนิดหนึ่งในขณะนี้ผผลิตรถยนต์ส่วนใหญ่ ู้ กาลังสร้างรถยนต์ที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงเพื่อการพาณิ ชย์เซลล์เชื้อเพลิง สามารถใช้เป็ นแหล่งกาลังสาหรับรถยนต์เรื อรถไฟเครื่ องบินหรื อ แม้แต่รถจักรยานเครื่ องขายสิ นค้าแบบหยอดเหรี ยญ ฯลฯ ภาพการใช้เซลล์เชื้อเพลิงในรถยนต์
- 17. 6. เซลล์ เชื้อเพลิงกับอนาคต เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการปฏิวติการ ั ผลิตพลังงานไฟฟ้าเทคโนโลยีน้ ีเหมาะสาหรับการกระจายระบบการผลิต และส่ งกาลังไฟฟ้ าไปยังที่ต่างๆเพื่อลดการสู ญเสี ยในสายส่ งกาลังไฟฟ้ าเมื่อ มีการกระจายโรงงานไฟฟ้ าออกไปยังที่ต่างๆสายส่ งกาลังไฟฟ้ าที่มีความ ยาวหลายร้อยกิโลเมตรก็ไม่มีความจาเป็ นทาให้ลดการลงทุนในด้านการส่ ง กาลังไฟฟ้ า
- 18. รายงาน เรื่ องพลังงานทางเลือกเพื่อการนาไปใช้ในอนาคต ผู้จดทา ั ได้ดาเนินการ ดังนี้ วิธีการรวบรวมข้ อมูล รายงาน เรื่ อง พลังงานทางเลือกเพื่อการนาไปใช้ในอนาคต มี วิธีการ รวบรวมข้อมูล ดังนี้ 1.ศึกษาโดยค้นคว้าจากเอกสาร หนังสื อที่เกี่ยวข้องกับพลังงานทางเลือก 2.ศึกษาค้นคว้าจากเว็บไซต์ต่างๆ ในอินเตอร์ เน็ต 3.สัมภาษณ์สอบถามจากรุ่ นพี่ช้ นมัธยมศึกษาปี ที่ 6 และครู อาจารย์ บุคคล ั ที่มีความชานาญเชี่ยวชาลทางด้านนี้
- 19. 1.ได้ศึกษาเกี่ ยวกับเซลล์ไฟฟ้ าเคมีที่ให้พลังงานตั้งแต่อดีต จนถึงปั จจุบน ในการศึกษาครั้งนี้ ทาให้ผศึกษาได้รู้ว่า การศึกษา ั ู้ แนวทางในการผลิ ต พลัง งานจากเซลล์ไ ฟฟ้ าเคมี หรื อ เซลล์ เชื้อเพลิง จนถึงปั จจุบน มีความสาคัญอย่างมากในชีวิตประจาวัน ั ของนักเรี ยนและมนุษย์ชาติ 2.ศึ ก ษาข้อดี และข้อเสี ยของของเซลล์ไ ฟฟ้ าเคมี ต่างๆ ใน การศึกษาศึกษาข้อดีและข้อเสี ยของเซลล์ไฟฟ้ าเคมีต่างๆ นี้ ก็ทา ให้ผูศึกษาได้รู้ถึงข้อผิดพลาดของของการผลิตเซลล์ ไฟฟ้ าเคมี ้ เป็ นต้น และข้อดีของเซลล์ไฟฟ้ าเคมีต่างๆนั้น
- 20. สรุป การจัดทารายงาน เรื่ องพลังงานทางเลือกในอนาคต สามารถสรุ ปได้ ดังนี้ ในการศึ ก ษาครั้ งนี้ ท าให้นัก เรี ย นได้มี ค วามรู ้ ใ นการหา พลังงานทางเลือกใหม่เพื่ออนาคต ทาให้นักเรี ยนทันเหตุการณ์ ข่าวสารการศึกษา ทั้งในเรื่ องค้นคว้าพลังงานใหม่เพื่ออนาคต ซึ่ง ในปั จจุบน ศึกในปั จจุบนมีหนังสื อที่รวบรวมการทาการค้นคว้า ั ั มากมาย ซึ่งทาให้นกเรี ยนได้มีความรู ้และความเข้าใจมากยิงขึ้น ั ่
- 21. อภิปรายผล การจัดทารายงาน เรื่ องพลังงานทางเลือกในอนาคต สามารถอภิปรายผลได้ ดังนี้ ที่ได้มาศึกษาค้นคว้าพลังงานทางเลือกก็คือ ในปั จจุบนผูจดทาได้ ั ้ั เห็นถึงความสาคัญของพลังงานที่ใช้ และพลังงานเหล่านี้ กาลังจะหมด ไปจากโลกของเราแล้วไม่ช้าก็นาน ผูจดทาจึงอยากจะศึกษาเกี่ ยวกับ ้ั พลังงานใหม่ๆ ที่ไม่เป็ นพิษต่อสิ่ งแวดล้อมและไห้พลังงานสู ง คณะ ผูจดทาจึ งได้คิดว่า เซลล์เชื้ อเพลิ ง ( เซลล์ไฟฟ้ าเคมี ) เป็ นพลังงาน ้ั ทางเลือกชนิ ดหนึ่ งที่ไห้พลังงานสู งและไม่ทาลายสิ่ งแวดล้อม ซึ้ งเป็ น เหตุผลที่ได้จดทารายงานเล่มนี้ ั
- 22. สาราญ พฤกษ์สุนทร. พ.ศ.2544.ไฟฟ้ าเคมี. โรงพิมพ์เพิ่มทรัพย์การพิมพ์, นนทบุรี สาราญ พฤกษ์สุนทร. พ.ศ. 2551. ไฟฟ้ าเคมีเชิงปฏิบติการ. โรงพิมพ์เพิ่มทรัพย์การพิมพ์ ั นนทบุรี สาราญ พฤกษ์สุนทร. พ.ศ. 2556. ไฟฟ้ าเคมี. โรงพิมพ์เพิ่มทรัพย์การพิมพ์, นนทบุรี อุไรวรรญศิวกุล. พ.ศ.2556. เซลล์อิเล็กโทรไลต์. บริ ษทเจ้าพระยาระบบการพิมพ์, ั กรุ งเทพมหานคร คณาจารย์ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ . พ.ศ. 2543. ปฏิบติการเคมีเชิงประยุกต์. โรงพิมพ์ โอ. เอส. พริ้ นติ้งเฮ้าส์, กรุ งเทพมหานคร ั ฟิ สิ กส์ราชมงคล. พ.ศ.2542. พลังงานแห่งอนาคต( ออนไลน์ ). สื บค้นจาก http://www.rmutphysics.com(วันที่คนข้อมูล 13 มกราคม พ.ศ. 2557 ) ้ สถาบันวิจยค้นคว้าพลังงานแห่งอนาคต. พ.ศ. 2545. เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ( ออนไลน์ ) ั http://www.rdi.ku.ac.th( วันที่คนข้อมูล14 มกราคม พ.ศ.2557 ) ้