อนาคตวงการพลังงาน ญี่ปุ่นพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงแบบใหม่

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสึคุบะ (University of Tsukuba) ประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธีการใหม่ที่สามารถป้องกันการครอสโอเวอร์ (Crossover) ของโมเลกุลเชื้อเพลิงขนาดใหญ่ (ครอสโอเวอร์คือการเคลื่อนที่ที่ไม่พึงประสงค์ของโมเลกุลเชื้อเพลิง ข้ามเยื่อในเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งส่งผลเสียหลายอย่าง เช่น สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง อิเล็กโทรดเสื่อมสภาพเร็วขึ้น แรงดันไฟฟ้าลดลง ฯลฯ) และช่วยลดการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรด งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ แอดวานซ์ ไซเอนซ์ (Advanced Science) เมื่อวันที่ 10 กันยายน 2023

ทั้งนี้เมทานอลหรือกรดฟอร์มิกถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงอิเล็กทรอนิกส์ (e-fuel) ในการผลิตกระแสไฟฟ้า ซึ่งเซลล์เชื้อเพลิงจะผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยการถ่ายโอนโปรตอน แต่ยังมีข้อจำกัดอยู่บ้างคือเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (proton-exchange membranes) แบบเดิมประสบปัญหาที่เรียกว่า "ปรากฏการณ์ครอสโอเวอร์" ซึ่งโมเลกุลของเชื้อเพลิงจะถูกถ่ายโอนระหว่างขั้วลบและขั้วบวก จนทำให้โมเลกุลของเชื้อเพลิงถูกออกซิเดชัน (ปฏิกิริยาเคมีที่สารสูญเสียอิเล็กตรอน) โดยไม่จำเป็น ส่งผลให้เกิดผลเสียหลายอย่าง เช่น อิเล็กโทรดถูกปิดใช้งาน สิ้นเปลืองเชื้อเพลิง เร่งการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรด แรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดลดลง ลดประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิง หรือในบางกรณีอาจส่งผลให้เกิดพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยาของเซลล์เชื้อเพลิง

ในปัจจุบันวิธีการทั่วไปในการยับยั้งการเคลื่อนตัวของโมเลกุลเชื้อเพลิง มักจะเป็นการเพิ่มความหนาของเยื่อแลกเปลี่ยนหรือการนำวัสดุ 2 ชิ้นมาประกอบกัน ซึ่งจะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของโปรตอนลดลง

ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้พัฒนาเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนแบบใหม่ที่ประกอบด้วยแผ่นกราฟีน (Graphene รูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอน) ที่มีรูขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5-10 นาโนเมตร ซึ่งได้รับการดัดแปลงทางเคมีให้มีหมู่ซัลโฟรอบ ๆ รู ทำให้ช่วยปิดกั้นการแทรกซึมของโมเลกุลเชื้อเพลิงและช่วยยับยั้งการเกิดครอสโอเวอร์ ขณะเดียวกันก็รักษาค่าการนำไฟฟ้าของโปรตอนไว้ในระดับที่สูง 

จากนั้นนักวิจัยได้ตรวจสอบการทำงานของเยื่อแลกเปลี่ยนที่พัฒนาใหม่นี้ และพบว่ามันสามารถยับยั้งการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรดได้อย่างดีมากเมื่อเทียบกับเยื่อแลกเปลี่ยนที่ชื่อนาฟีน (Nafion) ที่วางขายในท้องตลาด ในขณะที่ยังคงรักษาค่าการนำไฟฟ้าของโปรตอน นอกจากนี้ เพียงวางเมมเบรนกราฟีนลงบนเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนแบบธรรมดาก็สามารถช่วยยับยั้งการครอสโอเวอร์ได้ ดังนั้นการศึกษาครั้งนี้จะมีส่วนช่วยในการพัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงขั้นสูงเพื่อเป็นทางเลือกใหม่สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงประเภทไฮโดรเจน

ทั้งนี้สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง แม้ว่าจะยังไม่พร้อมสำหรับการใช้งานในวงกว้าง แต่ศักยภาพของมันโดดเด่นมาก โดยสามารถเติบโตไปถึงจุดที่เชื้อเพลิงเหลวไม่กี่แกลลอนสามารถขับเคลื่อนยานพาหนะไปได้ไกลมาก นับว่าเป็นอีกหนึ่งพลังงานที่จะเข้ามามีบทบาทในอนาคต แต่ในปัจจุบันมันยังต้องได้รับการพัฒนาต่อไป

ที่มาข้อมูล Oilprice

ที่มารูปภาพ Reuters