1.  เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็ม 1
บทที่ 1
เซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็ม
เชือเพลิงประเภทน�ำมันและถ่านหินเป็นทรัพยากรธรรมชาติทมอยูอย่างจ�ำกัด
้ ้ ี่ ี ่
ซึ่งเมื่อใช้แล้วก็จะหมดไป จากความต้องการการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นในปัจจุบันท�ำให้
เกิดการศึกษาค้นคว้าหาแหล่งพลังงานรูปแบบใหม่ที่มีปริมาณมากพอมาทดแทน
พลังงานแบบเดิม โดยพลังงานทดแทนจะต้องมีความปลอดภัย ความสะอาด ไม่
เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม และให้พลังงานสูง พลังงานไฮโดรเจนถือเป็นแหล่งพลังงาน
สะอาดและมีประสิทธิภาพสูงอีกแหล่งที่ก�ำลังได้รับความสนใจในการใช้เป็นพลังงาน
ทดแทน ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้จากพลังงานแสงอาทิตย์ การสลายตัวจากความ
ร้อนโดยตรง (Themolysis) กระบวนการโฟโตไลซิส (Photolysis) กระบวนการ
โฟโตอิเล็กโทรไลซิส (Photoelectrolysis) กระบวนการโฟโตไลซิสแบบใช้ตวเร่งปฏิกรยา
ั ิิ
(Catalytic photolysis) และกระบวนการโฟโตไลซิสทางชีวภาพ (Biophotolysis) แก๊ส
ไฮโดรเจนสามารถน�ำไปประยุกต์ใช้กับงานที่ต้องใช้พลังงานดั้งเดิมได้ เช่น ใช้เป็น
เชื้อเพลิงส�ำหรับครัวเรือน เครื่องยนต์สันดาปภายใน เครื่องกังหัน และเครื่องไอพ่น
นอกจากนี้ยังสามารถน�ำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงส�ำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์
เปลี่ยนรูปพลังงานที่เรียกว่า เซลล์เชื้อเพลิง (Fuel cell)
เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์เปลี่ยนรูปพลังงานที่ให้ประสิทธิภาพสูง เป็นมิตร
ต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถใช้กับเชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิดโดยมีประสิทธิภาพใกล้
เคียงกับแหล่งพลังงานเดิม ท�ำให้เซลล์เชื้อเพลิงได้รับความสนใจค้นคว้าวิจัยอย่าง
แพร่หลาย บทนีจะอธิบายถึงความหมายและความส�ำคัญของเซลล์เชือเพลิง ชนิดของ
้ ้
เซลล์เชือเพลิง ประวัตของเซลล์เชือเพลิงโดยเฉพาะเซลล์เชือเพลิงพีอเอ็ม ส่วนประกอบ
้ ิ ้ ้ ี
ของเซลล์เชือเพลิง ภาวะการท�ำงาน เสถียรภาพและความทนทาน การประยุกต์ใช้และ
้
การพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็มในประเทศไทย

2. 2 เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็มและการวิเคราะห์เชิงเคมีไฟฟ้า 
1.1 ความหมายและความสำ�คัญของเซลล์เชื้อเพลิง
เซลล์เชือเพลิงเป็นอุปกรณ์ทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical device) ทีเปลียนรูปพลังงานเคมี
้ ่ ่
(Chemical energy) ของสารตั้งต้นหรือเชื้อเพลิงไปเป็นพลังงานไฟฟ้า (Electrical energy) โดยตรง
โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการเผาไหม้ ลักษณะการท�ำงานของเซลล์เชื้อเพลิงคล้ายแบตเตอรี่คือผลิต
กระแสไฟฟ้าได้โดยตรงจากเชือเพลิงและตัวออกซิแดนต์ดวยปฏิกรยาเคมีไฟฟ้าและมีองค์ประกอบหลัก
้ ้ ิิ
ทีเหมือนกันคือขัวไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ ข้อแตกต่างระหว่างเซลล์เชือเพลิงและแบตเตอรีคอแบตเตอรี่
่ ้ ้ ่ ื
เป็นเครื่องเก็บพลังงาน (Energy storage) ปริมาณพลังงานสูงสุดและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
จะขึ้นอยู่กับปริมาณสารตั้งต้นที่บรรจุในแบตเตอรี่ (Li, 2008a) แต่การบรรจุสารตั้งต้นและตัวออก-
ซิแดนต์รวมกันในแบตเตอรี่ (รูปที่ 1.1(ก)) จะท�ำให้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ค่อนข้าง
ช้า และอาจเกิดการผุกร่อนขององค์ประกอบภายในส่งผลให้เกิดการรั่วซึมของสารตั้งต้นและตัวออก-
ซิแดนต์ นอกจากนี้ ขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่จะถูกใช้ระหว่างการเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าส่งผลให้อายุการ
ใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงท�ำหน้าที่เป็นเพียงอุปกรณ์เปลี่ยนรูปพลังงานซึ่ง
สามารถท�ำงานได้อย่างต่อเนื่องตราบเท่าที่มีการป้อนสารตั้งต้นเข้าสู่ระบบ (รูปที่ 1.1(ข)) ไม่มีการ
รั่วซึมของสารตั้งต้นจากเซลล์เชื้อเพลิงยกเว้นในกรณีที่ส่วนประกอบของเซลล์เชื้อเพลิงช�ำรุดเสียหาย
นอกจากนี้ ขัวไฟฟ้าทีใช้ในเซลล์เชือเพลิงจะไม่ถกใช้ในปฏิกรยาขณะท�ำงานส่งผลให้อายุการใช้งานของ
้ ่ ้ ู ิิ
ขั้วไฟฟ้าสูง ดังนั้น อายุการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิงจึงยาวนานกว่าแบตเตอรี่
(ก) (ข)
รูปที่ 1.1 (ก) แบตเตอรี่ และ (ข) เซลล์เชื้อเพลิงไฟฟ้า
เซลล์เชื้อเพลิงมีลักษณะที่เหมือนกับเครื่องยนต์เผาไหม้ (Combustion engine) คือมีการ
เก็บแก๊สเชื้อเพลิงและตัวออกซิแดนต์นอกตัวเครื่อง แต่มีความแตกต่างกันในเรื่องของวิธีการเปลี่ยน
รูปพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยการเปลี่ยนพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานไฟฟ้าในเครื่องยนต์
เผาไหม้จะเป็นแบบหลายขันตอน (Multistep energy-conversion process) กล่าวคือ เครืองยนต์เผา
้ ่
ไหม้จะเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานความร้อน (Thermal energy) ก่อนด้วยการเผาไหม้ จากนั้น

3.  เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็ม 3
จึงเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานจลน์ (Kinetic energy) ด้วยเครื่องยนต์ความร้อน (Heat
engine) และจึงเปลียนพลังงานจลน์ไปเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยเครืองก�ำเนิดไฟฟ้า (Electric generator)
่ ่
ซึ่งถูกขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ความร้อนดังแสดงในรูปที่ 1.2
ประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนซึ่งท�ำงานอยู่ระหว่างอุณหภูมิต�่ำสุด (TL) และ
อุณหภูมิสูงสุด (TH ) จะถูกจ�ำกัดด้วยประสิทธิภาพคาร์โนต์ (Carnot efficiency) คือ
(1.1)
จากกฎข้อที่ 3 ของอุณหพลศาสตร์ (Third law of thermodynamics) ค่า TL < TH และค่า
TL ≠ 0 ดังนั้น ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะไม่เกินร้อยละ 100 ตามกฎข้อที่ 2 ของ
อุณหพลศาสตร์ (Second law of thermodynamics)
เมื่อปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิงเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ (Reversible reaction)
ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์เชื้อเพลิงตามกฎข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์สามารถค�ำนวณได้จาก
(1.2)
เมื่อ wmax คือพลังงานขาออกสูงสุดในรูปของงาน; ∆G และ ∆H คือพลังงานเสรีกิบส์ (Gibbs free
energy) และเอนทัลปี (Enthalpy) ของปฏิกรยาในเซลล์เชือเพลิงซึงเป็นฟังก์ชนกับอุณหภูมและความดัน
ิิ ้ ่ ั ิ
รูปที่ 1.2 (ก) การท�ำงานของเครื่องก�ำเนิดไฟฟ้าซึ่งถูกขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ความร้อน
และ (ข) วิถีการเปลี่ยนรูปพลังงานด้วยเครื่องยนต์เผาไหม้และเซลล์เชื้อเพลิง

4. 4 เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็มและการวิเคราะห์เชิงเคมีไฟฟ้า 
รูปที่ 1.3 ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงและอุปกรณ์เปลี่ยนรูปพลังงาน (ที่มา : Zorbas S.V.,
Fuel cell education, http://www.fuelcells.org.au/Fuel-Cell-Education.htm, 2005)
รูปที่ 1.4 การเปรียบเทียบการปลดปล่อยมลพิษระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงและอุปกรณ์เปลี่ยนรูป
พลังงานแบบอื่น (ที่มา : Nolan G., Applications for fuel cells,
http://www.siliconchip.com.au/cms/A_30527/article.html, 2002)
เซลล์เชื้อเพลิงมีอยู่ด้วยกันหลายชนิด แต่ชนิดที่ได้รับความนิยมและมีการใช้งานกันอย่าง
แพร่หลาย ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนหรือเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็ม (Proton
exchange membrane fuel cell, PEMFC) เซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง (Solid oxide fuel
cell, SOFC) เซลล์เชื้อเพลิงแบบกรดฟอสฟอริก (Phosphoric acid, PAFC) เซลล์เชื้อเพลิงแบบ
คาร์บอเนตหลอม (Molten carbonate fuel cell, MCFC) เซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์ (Alkaline

5.  เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็ม 5
fuel cell, AFC) และเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมทานอลโดยตรง (Direct methanol fuel cell, DMFC) ซึ่ง
มีลักษณะ ข้อดี-ข้อเสีย และการประยุกต์ใช้งานที่แตกต่างกัน การจ�ำแนกประเภทของเซลล์เชื้อเพลิง
สามารถท�ำได้หลายประเภท (Bagotsky, 2009) ได้แก่
• ารจ�ำแนกตามชนิดของสารตั้งต้น สารตั้งต้นที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงมีอยู่ด้วยกันหลายชนิด
ก
เช่น แก๊สไฮโดรเจน (H2) เมทานอล (CH3OH) มีเทน (CH4) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) สารอินทรีย์
และสารอนินทรีย์บางชนิดที่มีสมบัติในการเป็นตัวรีดิวซ์ เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ไฮดราซีน
(N2H4) ส่วนตัวออกซิแดนต์ที่นิยมใช้ก็มีด้วยกันหลายชนิด เช่น อากาศ ออกซิเจน ไฮโดรเจนเปอร์-
ออกไซด์ (H2O2) และคลอรีน (Cl2)
• ารจ�ำแนกตามชนิดของอิเล็กไทรไลต์ ซึ่งสามารถใช้ได้ทั้งอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลว
ก
เช่น สารละลายกรด แอลคาไลน์ เกลือแอลคาไลน์ และเกลือคาร์บอเนตหลอม หรือใช้อิเล็กโทรไลต์
ที่เป็นของแข็ง เช่น พอลิเมอร์ที่น�ำไอออนหรือสารประกอบออกไซด์ของสารอนินทรีย์ ข้อดีของการใช้
อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งคือไม่มีการรั่วซึมของอิเล็กโทรไลต์ออกนอกเซลล์ จึงไม่เกิดการกัดกร่อน
ส่วนประกอบอื่นของเซลล์ นอกจากนี้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะกั้นระหว่างแก๊สเชื้อเพลิงและตัว
ออกซิแดนต์ท�ำให้สารทั้งสองชนิดไม่ท�ำปฏิกิริยากันโดยตรง
• ารจ�ำแนกตามช่วงอุณหภูมิการท�ำงาน อุณหภูมิการท�ำงานของเซลล์เชื้อเพลิงสามารถ
ก
จ�ำแนกออกได้เป็น 3 ช่วง คือ อุณหภูมิระดับต�่ำ (น้อยกว่า 150 องศาเซลเซียส) ได้แก่ เซลล์เชื้อ-
เพลิงพีอีเอ็ม เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมทานอลโดยตรง เซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์ที่ใช้พอลิเมอร์เป็น
อิเล็กโทรไลต์ อุณหภูมิระดับกลาง (150-250 องศาเซลเซียส) ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงแบบกรดฟอสฟอริก
และเซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์ชนิด Bacon type และอุณหภูมิระดับสูง (มากกว่า 650 องศา
เซลเซียส) ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็งและเซลล์เชื้อเพลิงแบบคาร์บอเนตหลอม
(ก) เซลล์เชือเพลิงแบบออกไซด์ของแข็งเป็นเซลล์เชือเพลิงทีเหมาะส�ำหรับโรงงานอุตสาหกรรม
้ ้ ่
และโรงงานไฟฟ้าขนาดใหญ่ เนืองจากสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้สง อิเล็กโทรไลต์ของเซลล์เชือเพลิง
่ ู ้
ชนิดนีคอเซรามิกของแข็งทีมความพรุน เช่น Y2O3 stabilized ZrO2 ซึงมีสภาพน�ำ O สูง ขัวแอโนด
้ ื ่ ี ่ 2-
้
ได้แก่ Co-ZrO2 หรือ Ni-ZrO2 ส่วนแคโทดคือ Sr-doped LaMnO3 อุณหภูมของการท�ำงานจะอยูใน
ิ ่
ช่วง 600-1,000 องศาเซลเซียส ประสิทธิภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้าอาจสูงถึงร้อยละ 60-85 เมือ ่
ใช้ในระบบผลิตกระแสไฟฟ้าร่วม (Co-generator) ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วแคโทดและแอโนด
(Spiegel 2007) แสดงโดยปฏิกิริยา (1.3)-(1.4) ตามล�ำดับ
1/2O2(g) + 2e- → O2- (1.3)
H2(g) + O2- → H2O(g) + 2e- (1.4)
ไอออน O2- ทีเกิดจากปฏิกรยารีดกชันทีขวแคโทดจะเคลือนทีผานอิเล็กโทรไลต์ไปยังขัวแอโนด
่ ิิ ั ่ ั้ ่ ่ ่ ้
และเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ผลิตภัณฑ์เป็นน�้ำและอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ผ่าน
เครื่องดึงภาระกระแสไฟฟ้า (Load) ไปยังขั้วแคโทดและเกิดปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจน ปฏิกิริยารวม

6. 6 เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็มและการวิเคราะห์เชิงเคมีไฟฟ้า 
ที่เกิดขึ้นแสดงโดย
H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(g) (1.5)
เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้นอกจากจะผลิตกระแสไฟฟ้าได้สูงมากกว่า 100 กิโลวัตต์แล้ว ยัง
สามารถผลิตความร้อนที่อุณหภูมิสูงถึง 800-1,000 องศาเซลเซียส ซึ่งสามารถน�ำไปใช้ประโยชน์ได้
ในอุตสาหกรรม ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือมีเสถียรภาพสูง สามารถใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาได้หลาย
ชนิด แต่มีข้อเสียคือใช้เวลาเริ่มต้นในการท�ำงานนาน และอาจมีการช�ำรุดหรือการกัดกร่อนของส่วน
ประกอบเนื่องจากการท�ำงานที่อุณหภูมิสูง
(ข) เซลล์เชือเพลิงแบบกรดฟอสฟอริกเป็นเซลล์เชือเพลิงทีมการผลิตออกจ�ำหน่ายทางการค้า
้ ้ ่ ี
แล้วในปัจจุบน อิเล็กโทรไลต์ของเซลล์เชือเพลิงชนิดนีจะเป็นกรดฟอสฟอริกเข้มข้น (H3PO4) ขัวแอโนด
ั ้ ้ ้
ได้แก่ Pt/C ส่วนแคโทดคือคาร์บอน (C) อุณหภูมิการท�ำงานอยู่ในช่วง 150-200 องศาเซลเซียส
ก�ำลังไฟฟ้าทีสามารถผลิตได้อาจสูงถึง 200 กิโลวัตต์ ปฏิกรยาเคมีไฟฟ้าทีเกิดขึนทีขวแอโนดและแคโทด
่ ิิ ่ ้ ่ ั้
เมื่อใช้แก๊สไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงและใช้ออกซิเจนเป็นตัวออกซิแดนต์ (Spiegel, 2007) แสดงโดย
+
H2(g) → 2H (aq) + 2e- (1.6)
+
1/2O2(g) + 2H (aq) + 2e- → H2O(l) (1.7)
ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วแอโนดคือโปรตอนและอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่าน
เมมเบรนและเครื่องดึงภาระกระแสไฟฟ้าไปยังขั้วแคโทดและเกิดปฏิกิริยารีดักชันได้ผลิตภัณฑ์เป็นน�้ำ
และกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้สามารถทนต่อแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์เข้มข้นร้อยละ 1.5 ได้
จึงสามารถใช้สารตังต้นได้หลายชนิด เช่น แก๊สธรรมชาติ เมทานอล หรือแนฟทา และมีประสิทธิภาพ
้
สูงประมาณร้อยละ 40 นอกจากนีนำทีเกิดขึนจากปฏิกรยามีอณหภูมสงสามารถน�ำไปใช้ในระบบผลิต
้ �้ ่ ้ ิิ ุ ิ ู
กระแสไฟฟ้าร่วม ข้อเสียของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือมีขนาดใหญ่และมีน�้ำหนักมาก ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา
ที่มีราคาสูง และมีประสิทธิภาพต�่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น
(ค) เซลล์เชือเพลิงแบบเกลือคาร์บอเนตหลอมจะใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์จำพวกแอลคาไลต์
้ �
คาร์บอเนต เช่น Li2CO3 หรือ K2CO3 ซึ่งอยู่ในเมทริกซ์ของเซรามิก LiAlO2 ขั้วแอโนด ได้แก่ Ni +10
wt%Cr ส่วนแคโทดคือ NiO อุณหภูมิการท�ำงานในช่วง 600-700 องศาเซลเซียส ที่ภาวะนี้แอล-
คาไลต์คาร์บอเนตจะหลอม เรียกว่า เกลือหลอม (Molten salt) ที่มีสภาพน�ำไอออนสูง เซลล์เชื้อ-
เพลิงชนิดนี้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าสูงสุดได้ประมาณ 500 กิโลวัตต์ (Spiegel, 2007) ปฏิกิริยา
เคมีไฟฟ้าทีแคโทดคือปฏิกรยารีดกชันของออกซิเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ได้ผลิตภัณฑ์เป็น
่ ิิ ั
(ปฏิกิริยา (1.8)) ซึ่ง จะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์จากขั้วแคโทดไปขั้วแอโนดและเกิดปฏิกิริยา
ออกซิเดชันร่วมกับแก๊สไฮโดรเจน (ปฏิกิริยา (1.9)) ได้ผลิตภัณฑ์เป็นน�้ำและ CO2 ปฏิกิริยารวมที่เกิด
ขึ้นแสดงโดยปฏิกิริยา (1.10)
1/2O2(g) + CO2(g) + 2e- → (1.8)

7.  เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็ม 7
H2(g) + → H2O(g) + CO2(g) + 2e- (1.9)
H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(g) → H2O(g) + CO2(g) (1.10)
ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือประสิทธิภาพสูง สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลายชนิด เช่น แก๊ส
ไฮโดรเจน แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ แก๊สธรรมชาติ โพรเพน หรือแก๊สที่ผลิตจากการแปรสภาพเป็น
แก๊ส (Gasification) ของเชื้อเพลิง และยังสามารถน�ำไปประยุกต์ใช้กับปั๊มความร้อนเคมี (Chemical
heat pump) แต่มีข้อเสียคือใช้เวลาเริ่มต้นในการท�ำงานนาน และอาจมีการช�ำรุดหรือกัดกร่อนของ
ส่วนประกอบเนื่องจากการท�ำงานที่อุณหภูมิสูง
(ง) เซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคาไลน์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่เก่าแก่ที่สุดโดยเริ่มมีการสาธิตการใช้
งานครั้งแรกเมื่อ ค.ศ. 1902 ต่อมาได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องจนมีประสิทธิภาพสูงถึงร้อยละ
70 และถูกน�ำมาใช้ในปฏิบัติการทางอากาศขององค์การนาซา (NASA) ของประเทศสหรัฐอเมริกา
อิเล็กโทรไลต์ของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) ขั้วแอโนดได้แก่
แพลทินัม (Pt) หรือนิกเกิล (Ni) ส่วนขั้วแคโทดคือคาร์บอน (C) และอุณหภูมิการท�ำงาน 50-200
องศาเซลเซียส เซลล์เชือเพลิงชนิดนีสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ประมาณ 10-100 กิโลวัตต์ ปฏิกรยา
้ ้ ิิ
เคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่แคโทดและแอโนด (Spiegel, 2007) แสดงโดยปฏิกิริยา (1.11)-(1.12) ตาม
ล�ำดับ
O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH -(aq) (1.11)
H2(g) + 4OH -(aq) → H2O(l) + 4e- (1.12)
โดยทีขวแคโทดจะเกิดปฏิกรยารีดกชันของออกซิเจนร่วมกับน�ำได้ผลิตภัณฑ์เป็น OH- ซึง OH-
่ ั้ ิิ ั ้ ่
จะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปแอโนดและเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันร่วมกับแก๊สไฮโดรเจนได้ผลิตภัณฑ์
เป็นน�้ำ ปฏิกิริยารวมที่เกิดขึ้นคือ
2H2(g) + O2(g) → H2O (l) (1.13)
ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือเริ่มท�ำงานได้อย่างรวดเร็ว ประสิทธิภาพสูง ปฏิกิริยาที่
ขั้วแคโทดจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากอิเล็กโทรไลต์เป็นสารแอลคาไลน์ อิเล็กโทรไลต์มีราคา
ถูก และตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้อาจเป็นแพลทินัมหรือโลหะอื่นที่มีราคาถูก เช่น นิกเกิล ฯลฯ แต่เซลล์
เชื้อเพลิงชนิดนี้ต้องใช้สารตั้งต้นและตัวออกซิแดนต์ที่เป็นสารบริสุทธิ์เท่านั้น เพราะการปนเปื้อนของ
แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ในสารตั้งต้นและตัวออกซิแดนต์จะท�ำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรไลต์
เสื่อมสภาพ
(จ) เซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็มเป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่ก�ำลังได้รับความสนใจในการผลิตพลังงาน
เนื่องจากมีขนาดเล็ก น�้ำหนักเบา และท�ำงานที่อุณหภูมิต�่ำ (30-100 องศาเซลเซียส) อิเล็กโทรไลต์
ของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้เป็นพอลิเมอร์ที่มีสมบัติในการน�ำโปรตอนสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาที่นิยมใช้ที่ขั้ว
แอโนดและแคโทดคือแพลทินัม ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วแอโนดและแคโทด (Spiegel, 2007)

8. 8 เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็มและการวิเคราะห์เชิงเคมีไฟฟ้า 
แสดงโดยปฏิกิริยา (1.14)-(1.15) ตามล�ำดับ
+
H2(g) → 2H (aq) + 2e- (1.14)
+
1/2O2(g) + 2H (aq) + 2e- → H2O(l) (1.15)
ที่ขั้วแอโนดจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของแก๊สไฮโดรเจนได้โปรตอนและอิเล็กตรอน โดย
โปรตอนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์หรือเมมเบรนไปที่ขั้วแคโทด ส่วนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผาน
่
เครื่องดึงภาระกระแสไฟฟ้าไปยังขั้วแคโทดและเกิดปฏิกิริยารีดักชันกับออกซิเจนได้ผลิตภัณฑ์เป็นน�้ำ
ดังสมการ (1.16)
2H2(g) + O2(g) → H2O(l) (1.16)
ข้อดีของเซลล์เชือเพลิงชนิดนีคออายุการใช้งานนาน ใช้เวลาเริมต้นในการท�ำงานสัน ประสิทธิภาพ
้ ้ ื ่ ้
สูง แต่มีข้อเสียคือราคาสูงเนื่องจากต้องใช้แพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และต้องใช้สารตั้งต้นและตัว
ออกซิแดนต์ที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ การใช้สารตั้งต้นและตัวออกซิแดนต์ที่มีการปนเปื้อนของสารมลพิษ
เช่น แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ จะท�ำให้ประสิทธิภาพต�่ำลง ส�ำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับกลไกการเกิด
ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม รวมถึงการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของเซลล์
เชื้อเพลิงชนิดนี้จะอธิบายในบทต่อไป
(ฉ) เซลล์เชือเพลิงแบบเมทานอลโดยตรงสามารถท�ำงานได้โดยการป้อนเมทานอลเข้าสูเซลล์
้ ่
โดยตรง อิเล็กโทรไลต์ของเซลล์เชือเพลิงชนิดนีจะเป็นพอลิเมอร์ทมสมบัตในการน�ำโปรตอนสูง ตัวเร่ง
้ ้ ี่ ี ิ
ปฏิกรยาทีขวแอโนดคือ Pt-Ru หรือตัวเร่งปฏิกรยาอืนทีทนคาร์บอนมอนอกไซด์ ส่วนตัวเร่งปฏิกรยาที่
ิ ิ ่ ั้ ิิ ่ ่ ิิ
นิยมใช้ทขวแคโทดคือแพลทินม อุณหภูมของการท�ำงานจะอยูในช่วง 20-100 องศาเซลเซียส ปฏิกรยา
ี่ ั้ ั ิ ่ ิิ
เคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ขั้วแอโนดและแคโทด (Spiegel, 2007) แสดงโดยปฏิกิริยา (1.17)-(1.18) ตาม
ล�ำดับ
+
CH3OH(l) + H2O(l) → CO2(g) + 6H (aq) + 6e- (1.17)
+
3/2O2(g) + 6H (aq) + 6e- → 3H2O(l) (1.18)
ที่ขั้วแอโนดจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของเมทานอลร่วมกับน�้ำได้ผลิตภัณฑ์เป็นแก๊ส
คาร์บอนไดออกไซด์ โปรตอน และอิเล็กตรอน โดยโปรตอนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์หรือเมมเบรน
ไปที่ขั้วแคโทด ส่วนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านเครื่องดึงภาระกระแสไฟฟ้าไปยังขั้วแคโทดและเกิด
ปฏิกิริยารีดักชันกับออกซิเจนได้ผลิตภัณฑ์เป็นน�้ำซึ่งสมการรวมแสดงโดย
CH3OH(l) + 3/2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) (1.19)
ข้อดีของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้คือเมทานอลที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสามารถผลิตจากปฏิกิริยารีฟอร์มิง
ของแกโซลีน (Gasoline) หรือชีวมวล (Biomass) จึงมีความปลอดภัยกว่าเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็ม
เนื่องจากใช้ของเหลวเป็นเชื้อเพลิง แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของเมทานอลจะช้าเช่นเดียว

9.  เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็ม 9
กับปฏิกิริยาที่แคโทด และการแพร่ของเมทานอลผ่านเมมเบรนที่ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด (Open circuit
voltage) สูง รวมถึงสารมัธยันตร์ (Intermediate) ที่เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของเมทานอลคือ
คาร์บอนมอนอกไซด์จะท�ำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพเร็ว นอกจากเซลล์เชื้อเพลิงที่กล่าวมาข้างต้น
แล้วยังมีเซลล์เชือเพลิงอีกหลายชนิด เช่น เซลล์เชือเพลิงสังกะสี-อากาศ (Zinc air fuel cell) เซลล์เชือ
้ ้ ้
เพลิงโปรโตนิกเซรา-มิก (Protonic ceramic fuel cell) เซลล์เชื้อเพลิงชีวภาพ (Biological fuel cell)
รูปที่ 1.5 แสดงการถ่ายโอนประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่าง ๆ พบว่าชนิดของประจุที่
ถ่ายโอนผ่านอิเล็กโทรไลต์จะแตกต่างกัน กล่าวคือประจุที่ถ่ายโอนผ่านอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิง
พีอีเอ็ม เซลล์เชื้อเพลิงแบบกรดฟอสฟอริก รวมถึงเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมทานอลโดยตรง (ไม่ได้แสดง
ในรูป) คือประจุบวกหรือโปรตอนซึ่งจะเคลื่อนที่จากแอโนดไปแคโทด ส่วนประจุที่ถ่ายโอนในเซลล์
เชื้อเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง เซลล์เชื้อเพลิงแบบคาร์บอเนตหลอม และเซลล์เชื้อเพลิงแบบแอลคา-
ไลน์ จะเป็นประจุลบซึงจะเคลือนทีจากขัวแคโทดไปแอโนด เมือเปรียบเทียบศักย์ไฟฟ้าของเซลล์เชือเพลิง
่ ่ ่ ้ ่ ้
แบบเซลล์เดี่ยว (Single cell) แต่ละชนิดพบว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบคาร์บอเนตหลอมจะให้ศักย์ไฟฟ้าสูง
ที่สุด ส่วนเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมทานอลโดยตรงจะให้ศักย์ไฟฟ้าต�่ำที่สุด (รูปที่ 1.6) เนื่องจากปฏิกิริยา
ออกซิเดชัน-รีดักชันที่ช้าและการสูญเสียเนื่องจากการแพร่ของเมทานอลผ่านเมมเบรน
รูปที่ 1.5 การถ่ายโอนประจุในเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่าง ๆ (ที่มา : DoITPoMS, Types of fuel
cells, University of Cambridge, Department of Materials Science and Metallurgy,
University of Cambridge, http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/fuel-cells/types.php, 2006)

10. 10 เซลล์เชื้อเพลิงพีิีอีเอ็มและการวิเคราะห์เชิงเคมีไฟฟ้า 
รูปที่ 1.6 ศักย์ไฟฟ้าและความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงประเภทต่าง ๆ (ที่มา :
Tosaka, Fuel cell (V-I characteristic chart) E.PNG, http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Fuel_cell_(V-I_characteristic_chart)_E.PNG, 2006)
รูปที่ 1.7 ประสิทธิภาพก�ำลังไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องก�ำเนิดไฟฟ้า (ที่มา : Hayashi K.,
Yokoo M., Yoshida Y., Arai H., Solid oxide fuel cell stack with high electrical
efficiency, Special Feature: NTT Group R&D for Reducing Environmental Load, 7(2)
(2009): 1-5)
รูปที่ 1.7 แสดงการเปรียบเทียบประสิทธิภาพก�ำลังไฟฟ้าของเซลล์เชือเพลิงและเครืองก�ำเนิด
้ ่
ไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ ที่มีการใช้งานจริงในปัจจุบัน พบว่าเซลล์เชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูป
พลังงานสูงสุดคือเซลล์เชือเพลิงแบบออกไซด์ของแข็ง แต่เซลล์เชือเพลิงทีสามารถน�ำมาใช้สำหรับระบบ
้ ้ ่ �
ผลิตกระแสไฟฟ้าร่วมในบ้านเรือนคือเซลล์เชื้อเพลิงพีอีเอ็ม ข้อมูลภาพรวมที่ส�ำคัญของเซลล์เชื้อเพลิง
ประเภทต่าง ๆ แสดงในตารางที่ 1.1