สารานุกรมไทย
สำหรับเยาวชน เมนู 33
เล่มที่ ๓๓
เรื่องที่ ๑ สุนทรภู่
เรื่องที่ ๒ เพลงลูกทุ่ง
เรื่องที่ ๓ คลอง
เรื่องที่ ๔ วิวัฒนาการของมนุษย์
เรื่องที่ ๕ เซลล์เชื้อเพลิง
เรื่องที่ ๖ เปลือกโลกและหิน
เรื่องที่ ๗ อาหารกับโรคเรื้อรัง
เรื่องที่ ๘ การแพทย์แผนไทย

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๓๓ / เรื่องที่ ๕ เซลล์เชื้อเพลิง / แก๊สไฮโดรเจน : เชื้อเพลิงสำคัญสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง

แก๊สไฮโดรเจน : เชื้อเพลิงสำคัญสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง
แก๊สไฮโดรเจน : เชื้อเพลิงสำคัญสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง

เชื้อเพลิงหลักที่ใช้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง คือ แก๊สไฮโดรเจน มีสมบัติเป็นแก๊สที่เบากว่าอากาศ และลุกติดไฟได้ง่าย ในบรรยากาศทั่วไป มีแก๊สไฮโดรเจนอยู่เพียงเล็กน้อย คือ ประมาณร้อยละ ๐.๐๑ แต่พบมากในรูปของสารประกอบ เช่น สารประกอบไฮไดรด์ น้ำ น้ำมันปิโตรเลียม สารอินทรีย์แก๊สธรรมชาติ นอกจากแก๊สไฮโดรเจนแล้ว ยังสามารถใช้เชื้อเพลิงชนิดอื่นกับเซลล์เชื้อเพลิงได้เช่นกัน เช่น ถ่านหินแก๊สมีเทน ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม แอลกอฮอล์ แก๊สไฮโดรคาร์บอน แต่ต้องมีอุปกรณ์เปลี่ยนเชื้อเพลิงเหล่านั้น ให้เป็นแก๊สไฮโดรเจนก่อน จึงจะนำไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้

การผลิตแก๊สไฮโดรเจน

เซลล์เชื้อเพลิงทุกชนิดไม่ว่าจะใช้เชื้อเพลิงชนิดใดก็ตาม เมื่อเกิดปฏิกิริยาถึงขั้นสุดท้าย เชื้อเพลิงเหล่านั้น ก็จะถูกเปลี่ยนไปเป็นอะตอมไฮโดรเจน และคายอิเล็กตรอนออกมา กลายเป็นไฮโดรเจนไอออนในที่สุด แก๊สไฮโดรเจนเป็นสารที่เบาที่สุด มีน้ำหนักอะตอมเพียง ๑.๐๐๘ ที่สภาวะปกติ ไฮโดรเจนมีสถานะเป็นแก๊ส ลุกติดไฟได้ง่าย สามารถพบได้ทั่วไปในรูปสารประกอบต่างๆ มากมาย เช่น น้ำ สารไฮโดรคาร์บอนหรือสารอินทรีย์ต่างๆ สารประกอบไฮไดรด์ กรด และเบส

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงมีหลายวิธี อาจทำได้ทั้งในห้องปฏิบัติการ และในเชิงอุตสาหกรรม ดังนี้

กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

กระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ (electrolytic cell) จะให้ผลผลิตเป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน ดังภาพด้านล่างนี้

เซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ผลิตแก๊สไฮโดรเจน
เซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ผลิตแก๊สไฮโดรเจน

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนโดยกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าใช้เซลล์อิเล็กโทรไลต์ ที่มีลักษณะเป็นช่องต่อกันแบบอนุกรม แต่ละช่องบรรจุแอโนด ซึ่งทำจากเหล็กเคลือบด้วยนิกเกิล ๕ แผ่น และแคโทดทำด้วยเหล็ก ๔ แผ่น สลับกันในลักษณะตั้งขึ้น มีถังรูประฆังครอบแยกจากกัน ส่วนล่างบริเวณขั้วไฟฟ้า มีไดอะแฟรม (diaphragm) ทำด้วยวัสดุสังเคราะห์เป็นช่องติดต่อ สำหรับสารอิเล็กโทรไลต์เท่านั้น ที่ส่วนบนของถังครอบของขั้วไฟฟ้าแต่ละชนิด มีท่อต่อถึงกันเป็นทางออกของแก๊ส เรียกเซลล์แบบนี้ว่า เซลล์หลายขั้ว (multipolar cell) ภายในเซลล์บรรจุสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ที่มีความเข้มข้นร้อยละ ๑๘ - ๒๒ ในน้ำที่ปราศจากแร่ธาตุ ุที่มีค่าความนำไฟฟ้าไม่เกิน ๑๐ ไมโครซีเมนส์ต่อเซนติเมตร ไฟฟ้าที่ผ่านเซลล์อิเล็กโทรไลต์เป็นไฟฟ้ากระแสตรง มีศักย์ไฟฟ้า ๒๔ - ๔๐ โวลต์ และกระแสไฟฟ้า ๒,๐๐๐ - ๓,๐๐๐ แอมแปร์ ซึ่งจะได้ศักย์ไฟฟ้าแต่ละช่อง ประมาณ ๑.๖ - ๒.๖ โวลต์ อุณหภูมิภายในเซลล์ ๖๐ - ๖๕ องศาเซลเซียส 

ในทางปฏิบัติจะได้แก๊สไฮโดรเจนออกมาประมาณ ๐.๒ ลูกบาศก์เมตรต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง แก๊สที่ได้มีความบริสุทธิ์สูงถึงร้อยละ ๙๙.๗ และมีไอน้ำปะปนอยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น จึงสามารถนำไปใช้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้ทันที

กระบวนการไอน้ำ - ไฮโดรคาร์บอน

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนในปริมาณมากมักใช้กระบวนการไอน้ำ - ไฮโดรคาร์บอน (steam-hydrocarbon process) กระบวนการนี้ใช้ไอน้ำทำปฏิกิริยากับสารไฮโดรคาร์บอน เช่น โพรเพน มีเทน

ผลผลิตที่ได้คือ แก๊สไฮโดรเจนที่มีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ รวมทั้งไอน้ำ ปะปนอยู่ด้วย ต้องแยกแก๊สเจือปนเหล่านี้ออก จึงจะได้แก๊สไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์ร้อยละ ๙๙ - ๙๙.๕

กระบวนการออกซิเดชันบางส่วน

การผลิตแก๊สไฮโดรเจนด้วยกระบวนการออกซิเดชันบางส่วน (partial oxidation process) เป็นวิธีการผลิต และให้ผลผลิต ที่ใกล้เคียงกันกับกระบวนการไอน้ำ-ไฮโดรคาร์บอน กระบวนการนี้มักใช้มีเทน หรือสารไฮโดรคาร์บอนอื่นเป็นวัตถุดิบ เผาในเตาเผาแบบปิด ที่มีแก๊สออกซิเจนอยู่เพียงเล็กน้อย อุณหภูมิในห้องเผาไหม้ประมาณ ๗๐๐ องศาเซลเซียส ผลผลิตแก๊สที่เกิดขึ้นเป็นแก๊สผสมไฮโดรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ จะต้องแยกแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออก เพื่อทำให้แก๊สไฮโดรเจนบริสุทธิ์

กระบวนการอื่นๆ

นอกจากกระบวนการผลิตไฮโดรเจนดังกล่าวแล้ว ยังสามารถผลิตแก๊สไฮโดรเจน ด้วยกระบวนการไอน้ำ-เหล็ก ซึ่งใช้วิธีพ่นไอน้ำไปบนเหล็กพรุน (spongy iron) หรือผงเหล็ก ที่อุณหภูมิ ๗๖๐ - ๑,๐๐๐ องศาเซลเซียส หรือใช้กระบวนการแตกตัวของแอมโมเนีย หรือสารที่สลายตัวแล้ว ให้แก๊สไฮโดรเจนโดยตรง เช่น เมทานอล หรือเอทานอล และพลังงานธรรมชาติ ก็ได้เช่นกัน
หัวข้อก่อนหน้า หัวข้อถัดไป
โครงการสารานุกรมไทยสำหรับเยาวชน โดยพระราชประสงค์ในพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว
โครงการสารานุกรมไทยฯ สนามเสือป่า ถนนศรีอยุธยา เขตดุสิต กรุงเทพฯ 10300
โทรศัพท์ 0-2280-6502, 0-2280-6507, 0-2280-6515, 0-2280-6538, 0-2280-6541, 0-2280-6580 โทรสาร 0-2280-6589