CoverLogo

พัฒนาเมมเบรนพอลิเมอร์ประยุกต์ เพื่อเซลล์เชื้อเพลิงแห่งอนาคตราคาย่อมเยา

ทิศทางการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงในรูปแบบประยุกต์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น การใช้เมทานอลมาเติมใส่ในเชื้อเพลิงโดยตรง รวมถึงการใช้เมมเบรนประกอบกับสารอิเล็กโทรไลต์เป็นเซลล์เชื้อเพลิงอีกชนิดหนึ่ง อย่างไรก็ตามด้วยราคาปัจจุบันของเซลล์เชื้อเพลิงที่ยังสูงเกินกว่าคนทั่วไปจะจับต้องได้ ทำให้ยังไม่เหมาะสำหรับการนำมาใช้ได้อย่างแพร่หลาย ในงานวิจัยนี้พยายามเสนอตัวเลือกที่จะลดราคาของเซลล์เชื้อเพลิงด้วยการพัฒนาเมมเบรนที่มีความทนทาน ประสิทธิภาพสูง ลดการใช้วัสดุราคาแพงที่เป็นส่วนประกอบภายในเซลล์เชื้อเพลิงลง อีกทั้งยังเป็นการทดแทนการใช้เมมเบรนจากต่างประเทศได้อีกด้วย วัสดุเมมเบรนชนิดนี้จะมีประสิทธิภาพขนาดไหน และผลิตขึ้นมาอย่างไรสามารถติดตามได้จากบทความนี้

แนวคิดที่มาของงานวิจัยชิ้นนี้

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแผ่นเยื่อพอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์ ถูกนำมาใช้เป็นตัวให้พลังงาน ที่เป็นพลังงานทดแทนในยานพาหนะและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากขึ้น เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม เยื่อเลือกผ่าน หรือเมมเบรนจากพอลิเมอร์ชนิดกรดเพอร์ฟลูออโรซัลโฟนิกเป็นเมมเบรนที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ยกตัวอย่างเช่น Nafion เนื่องจากทนต่อสารเคมีและมีความเสถียรทางไฟฟ้า แต่ยังคงมีข้อจำกัดของราคาที่แพง และมีความเสถียรต่ำต่ออุณหภูมิภายใต้สภาวะแวดล้อมที่มีตัวกลางเป็นน้ำ ทำให้ไม่สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ แต่ในขณะที่ค่าการนำโปรตอน ที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการจ่ายไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ พอลิ(สไตรีนซัลโฟนิกแอซิด) หรือ PSSA ได้รับสนใจเพื่อนำมาใช้เป็นพอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์เมมเบรน หรือวัสดุที่นำมาใช้ทดแทน เนื่องจาก ราคาไม่แพง และมีค่าการนำไฟฟ้าหรือค่าการนำโปรตอนที่สูง PSSA ให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงสุดอยู่ที่ 10-2 S/cm ที่อุณหภูมิ 80 0C และมีความสัมพันธ์ที่แปรผันตรงระหว่างค่าการนำไฟฟ้ากับอุณหภูมิ กล่าวคือ การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงที่อุณหภูมิสูงจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ แม้ในสภาวะที่มีแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์สูง อีกทั้งยังช่วยลดการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพตทินัม และง่ายต่อการจัดการความร้อนภายในเซลล์ อย่างไรก็ตามในแผ่นเยื่อจะถูกขัดขวางการทำงานหรือประสิทธิภาพลดลง เนื่องจากการมีน้ำที่ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายแตกตัวเป็นไอออนด้วยตัวเอง ขัดขวางการทำงานของเซลล์ที่อุณหภูมิสูงขึ้น งานวิจัยนี้จึงได้ศึกษาการใช้ตัวทำละลายที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าหรือเป็นตัวนำโปรตอนเพื่อใช้ทดแทนน้ำที่ใช้กันทั่วไป โดยมุ่งความสนใจไปที่ สารแอมโฟทอริกของไนโตรเจนที่มีโครงสร้างแบบวง เนื่องจากไนโตรเจนเป็นตัวให้และรับอิเล็กตรอนได้ดี และได้ทำการศึกษาการนำสารดังกล่าวมาทำงานร่วมกับพอลิเมอร์ เช่น PSSA, พอลิ(ไวนีล ฟอสโฟนิก แอซิด) และ ซัลโฟเนต โพลิ(อีเทอร์ อีเทอร์ คีโตน) เป็นต้น

การใช้สารประกอบเตตระโซล(Tetrazole) ซึ่งเป็นสารที่มีโครงสร้างแบบวงที่มีอะตอมของในโตรเจนอยู่ในโครงสร้างจำนวนมากถึง4 อะตอม ทำให้มีการถ่ายโอนโปรตอนได้อย่างรวดเร็ว และเยื่อหุ้มจาก พอลิ(5-ไวนิล เตตระโซล) หรือ PVTz ถือว่าเป็นทางเลือกที่เป็นไปได้ที่จะนำมาใช้งานที่อุณหภูมิสูงภายใต้สภาวะที่ปราศจากน้ำในระบบ เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าที่สูงประมาณ10-7 S/cm ที่อุณหภูมิสูงถึง 120 0C นอกจากนี้ความสามารถในการนำโปรตอนที่สูงจากพอลิเมอร์ PVTz ผสมกับสไตรีนพอลิซัลโฟเนต ที่มีค่าการนำโปรตอนสูงประมาณ 4×10-2 S/cm อุณหภูมิ 120 0C ที่ปราศจากความชื้น ถูกเลือกนำมาใช้ในการศึกษานี้เช่นกัน

ตัวแปรที่น่าสนใจและสภาวะการสังเคราะห์เมมเบรน

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเตรียมเยื่อหุ้มพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วย กรดซัลโฟนิกและเตตระโซล ด้วยการศึกษากระบวนการเตรียม 2 ส่วนหลัก ส่วนแรกทำการศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการสังเคราะห์ พอลิ(อะคริโลไนไตล์-โค-สไตรีน ซัลโฟนิก แอซิด) (PAN-co-PSSA) ที่อัตราส่วนต่างๆของ PAN : PSSA ในส่วนที่สอง เป็นการศึกษาหาสภาวะการสังเคราะห์ เมมเบรน พอลิ(อะคริโลไนไตล์-โค-5-ไวนิล เตตระโซล-โค-สไตรีน ซัลโฟนิก แอซิด) (PAN-co-PVTz-co-PSSA) โดยเริ่มจากการใช้ PAN-co-PSSA ที่ได้สภาวะเหมาะสมจากส่วนของการทดลองแรก มาทำการสังเคราะห์เป็น PAN-co-PVTz-co-PSSA ที่เวลาในการเตรียมแตกต่างกัน และทำการศึกษา สมบัติทางความร้อน สมบัติเชิงกล และความสามารถในการนำโปรตอน ของเยื่อหุ้ม PAN : PSSA ที่ได้จากการสังเคราะห์ในส่วนแรก และ เยื่อหุ้มพอลิเมอร์ PAN-co-PVTz-co-PSSA ที่ได้จากการสังเคราะห์จากส่วนที่สอง เพื่อใช้ในการหาสภาวะที่เหมาะสมต่อการนำไปปรับปรุงค่าการนำไอออนหรือค่าการนำโปรตอนให้สูงขึ้น เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงให้สูงขึ้น ณ อุณหภูมิสูง

ในส่วนแรกของงานวิจัยพบว่า ที่อัตราส่วน PSSA เพิ่มขึ้นส่งผลให้ PAN-co-PSSA มีค่าการดูดซึมน้ำที่เพิ่มขึ้นทำให้ยากต่อการเกิดไฮโดรไลซิส(การแตกตัวของไอออน) ทั้งนี้เนื่องมาจากคุณสมบัติของการชอบน้ำของกลุ่มเตตระโซลที่มีปริมาณที่เพิ่มขึ้นจากส่วนของ PSSA ที่เพิ่มขึ้น กล่าวคือ ที่อัตราส่วน PAN :PSSA 15:1 มีการดูดซึมน้ำที่น้อยที่สุด มีความเสถียรทางความร้อนสูงสุดถึง 250 0C และที่อัตราส่วนนี้ ให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงสุดและทุกอัตราส่วน PAN :PSSA ให้ค่าความยืดหยุ่นใกล้เคียงกันวิเคราะห์ได้จากการวัดค่าโมดูลัสที่ให้ค่าอยู่ในช่วง 109-1010 Pa และในส่วนที่สอง ของงานวิจัยนี้ พบว่าการสังเคราะห์ เมมเบรน พอลิ(อะคริโลไนไตล์-โค-5-ไวนิล เตตระโซล-โค-สไตรีน ซัลโฟนิก แอซิด) (PAN-co-PVTz-co-PSSA) โดยมีปริมาณ PSSA คงที่ เมื่อเวลาการเตรียมที่เพิ่มขึ้น ทำให้มีปริมาณของกลุ่มเตตระโซล*เพิ่มขึ้น(มี PVTz เพิ่มขึ้นนั่นเอง) พบว่า ที่ระยะเวลาที่เหมาะสมสำหรับการเตรียมเมมเบรน PAN-co-PVTz-co-PSSA คือที่เวลา 2 ชั่วโมง โดยมีความเสถียรทางความร้อนสูงถึง 250 0C สำหรับการเตรียมเมมเบรนอัตราส่วน PAN :PSSA เท่ากับ 15:1 ของเมมเบรนชนิด PAN-co-PVTz-co-PSSA ที่ ระยเวลาการสังเคราะห์ 6 ชั่วโมง ให้ค่าการนำไฟฟ้าสูงที่สุด ซึ่งเป็นผลมาจาก การมีปริมาณของกลุ่มเตตระโซลที่สูงที่สุด โดยที่เมมเบรนชนิด PAN-co-PVTz-co-PSSA ที่ทุกสภาวะการเตรียมของงานวิจัยนี้ มีค่าความยืดหยุ่นที่แสดงถึงสมบัติเชิงกล อยู่ในช่วง 109-1010 Pa


*การใช้สารประกอบกลุ่มเตตระโซล(Tetrazole) ซึ่งเป็นสารที่มีโครงสร้างแบบเฮเทอโรไซคลิกที่มีอะตอมของในโตรเจนอยู่ในโครงสร้างจำนวนมากถึง4 อะตอม เนื่องจากการมีอะตอมของไนโตรเจนจำนวนมากนี้ จะมีการถ่ายโอนโปรตอนหรือการแลกเปลี่ยนไอออนในระบบได้อย่างรวดเร็วส่งผลให้มีการนำไฟฟ้าที่ดี

งานวิจัยนี้ได้ศึกษาเพิ่มเติมถึงความเสถียรต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน พบว่า เมมเบรน PAN-co-PVTz-co-PSSA ที่ใช้ระยะเวลาการสังเคราะห์ 2 ชั่วโมง มีเสถียรภาพต่อการเกิดออกซิเดชันสูงสุด อาจเนื่องมาจากความแข็งแรงของพันธะระหว่างอะตอมของไนโตรเจนและคาร์บอนในโครงสร้างจากการมีอยู่ของกลุ่มเตตระโซล อย่างไรก็ตามการมีปริมาณของเตตระโซลที่เพิ่มขึ้นไม่ได้เป็นสิ่งบ่งบอกถึงความสามารถของการต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันเพียงปัจจัยเดียว เนื่องจากคุณสมบัติของการเกิดออกซิเดชัน ยังขึ้นอยู่กับความมีรูพรุนของแผ่นเมมเบรนที่บ่งบอกถึงความสามารถของการซึมผ่านอีกด้วย จึงส่งผลให้เมมเบรนที่ปริมาณเตตระโซลสูง หรือที่เวลาการสังเคราะห์ 4 และ6 ชั่วโมง มีค่าความต้านทานการเกิดอออกซิเดชันที่ต่ำกว่าที่ 2 ชั่วโมงนั่นเอง

จากงานวิจัยนี้ทำให้ค้นพบว่า เมมเบรนที่ได้จากการเตรียมทุกสภาวะ มีคุณสมบัติในการไฮโดรไลซิสหรือเกิดการถ่ายโอนโปรตอนที่ทำให้เกิดการนำไฟฟ้า และพบว่าอัตราส่วน PAN :PSSA เท่ากับ 15:1 ของเมมเบรนชนิด PAN-co-PVTz-co-PSSA(2 ชั่วโมง) มีความเสถียรทางความร้อนสูงสุด (ทนความร้อนได้สูงสุดถึงถึง 250 0C) และที่ทุกสภาวะการเตรียมเมมเบรน ให้สมบัติเชิงกลที่ดี โดยมีค่าโมดูลัสอยู่ในช่วง 109-1010 Pa บ่งบอกถึงการมีความยืดหยุ่นและมีความแข็งแรงที่สูง และเมมเบรนชนิด PAN-co-PSSA ที่อัตราส่วน PAN: PSSA เท่ากับ 15:1 มีค่าการนำไฟฟ้าสูงสุด อยู่ที่ 7.1 x 10-3 S/cm at 26 °C เมมเบรนชนิดนี้มีกรดซัลโฟนิกสูง ทำให้ความชื้นสัมพัทธ์ภายในเมมเบรนต่ำ ค่าการนำไฟฟ้าจึงที่สูงตามไปด้วย

แนวทางการนำไปใช้งาน

งานวิจัยนี้ทำการปรับปรุงสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิง ด้วยการพัฒนาพอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์เมมเบรนจากพอลิอะคริโลไนไตรล์-โค-สไตรีน ซัลโฟนิกแอซิด เพื่อใช้แทนแผ่นเยื่อ Nafion ที่ใช้กันอยู่ทั่วไป โดยพัฒนาให้เกิดจุดเด่นด้านความเสถียรต่ออุณหภูมิที่สูง ทนต่อ การเพิ่มสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิงดังกล่าว จะเป็นแนวทางให้ราคาของเชื้อเพลิงที่ผลิตได้ในอนาคต อาจมีราคาต่อกำลังไฟฟ้าที่ถูกลง ซึ่งหากในอนาคตประเทศไทยจำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีต่อยอดในด้านเซลล์เชื้อเพลิงงานวิจัยชิ้นนี้ถือเป็นองค์ความรู้หนึ่งที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมผลิตเซลล์เชื้อเพลิงได้

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “พอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์เมมเบรนจากพอลิอะคริโลไนไตรล์-โค-สไตรีน ซัลโฟนิกแอซิด”

หัวหน้าโครงการ : สุรางคณา มาตย์วิเศษ
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist