2363027

 
งานวิจัยที่ได้ดำเนินการจึงมีเป้าหมายที่จะศึกษา ออกแบบ วิเคราะห์และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงโดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นหลัก จากการศึกษาเชิงทฤษฎีระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์ (solid oxide fuel cell) ร่วมกับกระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) โดยใช้เชื้อเพลิงหมุนเวียน ได้แก่ เอทานอล กลีเซอรอล และก๊าซชีวภาพ พบว่า ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้เชื้อเพลิงก๊าซชีวภาพต้องการพลังงานความร้อนจากภายนอกมากที่สุด ในทางตรงกันข้าม ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้เชื้อเพลิงเอทานอลต้องการพลังงานภายนอกต่ำที่สุด กระบวนการรีฟอร์มมิงของก๊าซชีวภาพต้องการพลังงานสูงเนื่องจากก๊าซชีวภาพมีองค์ประกอบของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สูง ทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับของปฏิกิริยาวอเตอร์แก๊สชิฟซึ่งเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนเพิ่มขึ้น แม้ว่าความต้องการพลังงานของระบบเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กลีเซอรอลจะมีค่าต่ำกว่าการใช้ก๊าซชีวภาพ แต่กลีเซอรอลต้องการพลังงานสูงสำหรับใช้ในการระเหยกลีเซอรอลที่มีจุดเดือดสูงเมื่อเทียบกับเอทานอล เมื่อพิจารณาประสิทธิภาพเชิงไฟฟ้า พบว่าระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงจะมีค่าสูงสุดเพราะว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำของเอทานอลให้ผลผลิตของไฮโดรเจนสูงที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการรีฟอร์มมิงโดยใช้เชื้อเพลิงหมุนเวียนชนิดอื่น ๆ ทั้งนี้ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ใช้เอทานอลเป็นเชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพเชิงไฟฟ้าของระบบเท่ากับ 51 เปอร์เซ็นต์ ขณะที่ระบบผลิตไฟฟ้าโดยใช้เชื้อเพลิงกลีเซอรอลและก๊าซชีวภาพมีประสิทธิภาพเชิงไฟฟ้าของระบบเท่ากับ 49 เปอร์เซ็นต์ และ 32 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ

 
โดยทั่วไปก๊าซทิ้งที่ออกจากขั้วแอโนดของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งยังมีคุณค่าเชิงความร้อนเนื่องจากยังคงมีเชื้อเพลิงเหลืออยู่จำนวนหนึ่ง การนำก๊าซทิ้งที่ได้กลับมาใช้ประโยชน์จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงให้สูงขึ้น ผู้วิจัยจึงได้ศึกษาและพัฒนาระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ทำงานร่วมกับเครื่องกังหันก๊าซ (gas turbine) จากการวิเคราะห์สมรรถนะของระบบในแง่ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและการจัดการพลังงานความร้อนที่สัมพันธ์กับตัวแปรในการดำเนินงานของระบบ พบว่า การเพิ่มความดันการดำเนินงานมีผลต่อประสิทธิภาพของระบบอย่างมาก ความดันที่เหมาะสมสำหรับระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ทำงานร่วมกับเครื่องกังหันก๊าซอยู่ในช่วง 4-6 บาร์ นอกจากนี้ยังพบว่า ความร้อนของก๊าซที่ออกจากเครื่องกังหันก๊าซมีค่าสูงกว่าความร้อนที่ต้องการใช้ภายในระบบ ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่จะทำให้ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็งที่ทำงานร่วมกับเครื่องกังหันก๊าซดำเนินการในภาวะที่ไม่ต้องการพลังงานความร้อนจากภายนอก (self-sustainable condition)

นอกจากเซลล์เชื้อเพลิงชนิดออกไซด์แข็ง ผู้วิจัยนี้ยังได้ศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (proton exchange membrane fuel cell) ซึ่งเป็นเซลล์เชื้อเพลิงอีกประเภทที่ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิต่ำ (80 องศาเซลเซียส) เหมาะสำหรับการผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก อย่างไรก็ดี เซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ต้องการเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงและมักมีปัญหาเรื่องการจัดการน้ำที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เชื้อเพลิง

ผู้วิจัยจึงได้ศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูง (high-temperature proton exchange membrane fuel cell) ซึ่งมีข้อดีคือ การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจากคาร์บอนมอนนอกไซด์มีค่าต่ำเมื่อเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนแบบเดิมที่ดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำ ด้วยข้อได้เปรียบนี้ทำให้ระบบการผลิตไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูงมีความซับซ้อนจากกระบวนการการกำจัดคาร์บอนมอนนอกไซด์น้อยลง

 
ผู้วิจัยได้ทำการศึกษาประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูงร่วมกับกระบวนรีฟอร์มมิงกลีเซอรอลที่มีและไม่มีเครื่องปฏิกรณ์วอเตอร์ก๊าซชิฟ (water gas shift reactor) ซึ่งเป็นหน่วยกำจัดคาร์บอนมอนนอกไซด์ และเปรียบเทียบกับระบบของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิต่ำ จากการศึกษาพบว่า เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิต่ำมีสมรรถนะมากกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูงเมื่อใช้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์เป็นเชื้อเพลิง แต่อย่างไรก็ตามสมรรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูงจะสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิต่ำ เมื่อเปรียบเทียบที่สภาวะความดัน 3 บรรยากาศ ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง และใช้ก๊าซจากกระบวนการผลิตไฮโดรเจนจากกลีเซอรอลเป็นเชื้อเพลิง โดยการดำเนินการที่ความหนาแน่นกระแสสูง ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีในเชื้อเพลิงไฮโดรเจนมีผลต่อสมรรถนะของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูงที่ไม่มีกระบวนการกำจัดคาร์บอนมอนนอกไซด์ ขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิต่ำนั้นมีประสิทธิภาพต่ำเนื่องจากปัญหาการเสื่อมของตัวเร่งปฏิกิริยาและปัญหาการแพร่ของออกซิเจน ในกรณีการผลิตพลังงานไฟฟ้าร่วมกับความร้อน พบว่า ประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิงชนิดเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูงที่มีกระบวนการวอเตอร์ก๊าซชิฟมีค่าสูงสุด (60%)

การใช้ประโยชน์ของงานวิจัยต่อการพัฒนาประเทศ
งานวิจัยนี้ทำให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับระบบเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้าและความร้อนโดยใช้เชื้อเพลิงหมุนเวียนที่มีภายในประเทศ และทราบถึงผลของสภาวะและรูปแบบการดำเนินงานต่าง ๆ ที่มีต่อประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าและความร้อนของระบบเซลล์เชื้อเพลิง องค์ความรู้ที่ได้เป็นประโยชน์ต่อการพัฒนา ออกแบบและปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งคาดว่าจะเข้ามามีบทบาทสำคัญต่อระบบการผลิตพลังงานไฟฟ้าของประเทศในอนาคต

ปัจจัยส่งเสริมให้งานวิจัยประสบความสำเร็จ
ความมุ่งมั่นและทุ่มเทอย่างต่อเนื่องให้กับการทำงานวิจัยเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการทำงานวิจัยนั้นให้สำเร็จตามเป้าหมายที่ตั้งไว้ นอกจากนี้การได้รับการสนับสนุนการวิจัยจากหน่วยงานต้นสังกัด ทั้งจากภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย รวมทั้งการได้รับทุนวิจัยจากสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) สำนักงานคณะกรรมการการอุดมศึกษา (สกอ.) และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็นอีกปัจจัยที่ทำให้สามารถดำเนินงานวิจัยได้อย่างราบรื่น และที่สำคัญคือ การได้รับความร่วมมืออย่างดีจากทีมวิจัยซึ่งประกอบด้วยนิสิตระดับปริญญาตรี โทและเอก รวมทั้งนักวิจัยและผู้เชี่ยวชาญทั้งในและต่างประเทศ และจากภาคอุตสาหกรรม ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนความรู้และประสบการณ์ ส่งผลให้สามารถดำเนินงานวิจัยได้ตามเป้าหมายและประสบผลสำเร็จ

ข้อคิดการทำงานวิจัยถึงนักวิจัยรุ่นใหม่
การทำงานใด ๆ ย่อมมีอุปสรรคเกิดขึ้นเสมอ เมื่อประสบกับปัญหา อย่าท้อแท้ แต่ให้พยายามหาทางแก้ไขที่เหมาะสม นอกจากนี้การบริหารจัดการเวลาที่ดี จะทำให้สามารถทำงานวิจัยได้อย่างมีความสุข ทั้งนี้การรักในงานที่ทำและเห็นคุณค่าของสิ่งที่ได้ทำเป็นอีกปัจจัยที่สำคัญที่จะกระตุ้นให้การทำงานเกิดการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง