PEM Fuel Cell

---

PEM Fuel Cell จะเปลี่ยน “พลังงานเคมีของไฮโดรเจน (H₂)” ให้กลายเป็น “พลังงานไฟฟ้า” โดยตรงผ่านกระบวนการไฟฟ้าเคมี ไม่ได้เกิดจากการเผาไหม้เหมือนเครื่องยนต์ ดังนั้นจึงไม่มีควัน ไม่มี CO₂ ออกมา ของเสียมีแค่น้ำเท่านั้น

เซลล์หนึ่งก้อนจะประกอบด้วย 3 ชั้นหลักๆ

1. ขั้วแอโนด (Anode) – ด้านรับไฮโดรเจน
    
2. เยื่อเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane / PEM) – ให้โปรตอนผ่าน แต่ไม่ให้อิเล็กตรอนผ่าน
    
3. ขั้วแคโทด (Cathode) – ด้านรับออกซิเจนจากอากาศ
    

ตัวที่ทำให้ปฏิกิริยามันเกิดเร็วขึ้นทั้งสองด้านคือ ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ซึ่งใน PEM ส่วนมากใช้ แพลตตินัม (Pt) เคลือบบางๆ อยู่บนผิวอิเล็กโทรด

เราป้อนก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ (H₂) เข้าไปที่ด้านแอโนด
เมื่อไฮโดรเจนสัมผัสตัวเร่งปฏิกิริยา Pt มันจะแตกตัวออกเป็น

• โปรตอน (H⁺)
   
• อิเล็กตรอน (e⁻)
   

สมการที่ขั้วแอโนด:

Anode (oxidation): H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

• H⁺ จะสามารถผ่านเยื่อ PEM ไปได้
   
• e⁻ ผ่านไม่ได้ จึงถูกบังคับให้ไหลออกไปข้างนอกวงจร → ตรงนี้แหละคือกระแสไฟฟ้าที่เราเอาไปใช้
   

อิเล็กตรอน (e⁻) ที่ออกจากแอโนดถูกบังคับให้ไหลผ่านสายไฟภายนอกก่อนจะกลับไปที่ขั้วแคโทด
ตอนที่มันไหลผ่านวงจรภายนอก เราก็เอาไปใช้จ่ายโหลดต่างๆ ได้ เช่น มอเตอร์รถยนต์ อินเวอร์เตอร์ แบตเตอรี่ชาร์จ หรือระบบควบคุม

เพราะฉะนั้น “ไฟฟ้า” ใน PEM Fuel Cell ก็คือ “อิเล็กตรอนจากไฮโดรเจนที่ถูกบังคับให้เดินอ้อมออกมาภายนอก”

มาดูตรงกลางสุดที่เป็นสีเทาในไดอะแกรม – นี่คือ Proton Exchange Membrane
หน้าที่ของมันคือ

• ยอมให้เฉพาะ โปรตอน (H⁺) ผ่านไปด้านแคโทดได้
   
• แต่ ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน
   
• และยังช่วยกั้นไม่ให้ก๊าซสองฝั่งปนกัน (H₂ กับ O₂ ไม่ได้ผสมกันตรงๆ)
   

การที่แยกทางเดินของ H⁺ กับ e⁻ ออกจากกันแบบนี้ ทำให้เราสามารถ “เก็บกระแสไฟฟ้า” ที่เป็น e⁻ ออกมาใช้ได้

ด้านนี้เราป้อน ออกซิเจน (O₂) เข้าไป ส่วนมากเอาจากอากาศปกติเลย (Air In)
เมื่ออิเล็กตรอนที่วิ่งมาจากวงจรภายนอกมาถึงด้านแคโทด พร้อมกับโปรตอน (H⁺) ที่ทะลุเมมเบรนมาจากอีกฝั่ง ทั้งหมดจะรวมตัวกับออกซิเจน กลายเป็น “น้ำ”

สมการที่ขั้วแคโทด:

Cathode (reduction ):  ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O

บางทีจะเขียนเป็น O₂ เต็มโมลแล้วคูณ 2 ให้สมดุล ก็จะได้แบบนี้:

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

ถ้าเอาสมการแอโนดกับแคโทดมารวมกัน (ตัด e⁻ กับ H⁺ ที่ซ้ำออก) จะได้สมการรวมของเซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEM ดังนี้

Overall cell reaction:

H₂ + ½O₂ → H₂O + พลังงานไฟฟ้า + ความร้อน

หรือถ้าใช้จำนวนเต็ม:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + พลังงานไฟฟ้า + ความร้อน

สิ่งที่สำคัญคือ

• ไม่มีคาร์บอนไดออกไซด์
• ของเสียเป็นแค่น้ำ
• พลังงานที่ออกมาคือไฟฟ้า (ใช้ได้ทันที) กับความร้อน (บางระบบเอาไปใช้ต่อเป็น CHP ได้)
   

เพราะตัวเร่งปฏิกิริยา Pt ไวต่อการปนเปื้อน (CO, ซัลเฟอร์, ไฮโดรคาร์บอนหนักๆ)
ถ้าใช้ไฮโดรเจนที่ไม่บริสุทธิ์ สิ่งสกปรกจะไป “เกาะหน้า Pt” ทำให้ปฏิกิริยาตรงแอโนดเกิดได้ยาก และประสิทธิภาพตก
นี่คือเหตุผลที่ระบบ PEM Fuel Cell ในรถยนต์จึงมักใช้ Hydrogen 99.99%
และต้องมีระบบทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ก่อนเข้าเซลล์

PEM Fuel Cell มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานสูง (40–60%)
และสามารถเพิ่มได้ถึง 85% หากนำความร้อนที่เกิดขึ้นกลับมาใช้ใหม่ (Cogeneration System)
เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรม เช่น

• 🚗 รถยนต์พลังงานไฮโดรเจน (Fuel Cell Vehicle – FCV) 
• ⚡ สถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานไฮโดรเจนขนาดเล็ก (Distributed Power Plant)
• 🏢 ระบบสำรองไฟฟ้า (Backup Power System)
• 🚀 เทคโนโลยีอวกาศและโดรน (Aerospace & UAV Applications)
   

สิ่งที่ทำให้ PEM Fuel Cell ได้รับความนิยมคือ “การผลิตไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง ตราบใดที่มีเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและอากาศ”
ไม่ต้องชาร์จเหมือนแบตเตอรี่ทั่วไป และไม่มีการปล่อยมลพิษระหว่างการทำงาน