ความต้องการกราไฟต์พุ่งสูงขึ้น ขณะเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รับความนิยม

ลองจินตนาการถึงอนาคตที่ท้องฟ้าของเมืองจะไม่ถูกบดบังด้วยควันไอเสียจากรถประจำทางและรถบรรทุกอีกต่อไป แต่จะมีเพียงไอน้ำสะอาดเท่านั้นที่ลอยอยู่ ภาพนี้ไม่ใช่เรื่องนิยายวิทยาศาสตร์ แต่เป็นความจริงที่กำลังเกิดขึ้นของเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน หัวใจของการเปลี่ยนแปลงพลังงานสะอาดนี้คือวัสดุที่เรียบง่ายแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง นั่นคือ กราไฟต์

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเป็นแนวทางที่ปฏิวัติวงการในการแปลงพลังงาน แตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปทั่วไป อุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีเหล่านี้จะแปลงพลังงานเคมีในไฮโดรเจนให้เป็นไฟฟ้าโดยตรง โดยมีน้ำและความร้อนเป็นผลพลอยได้เพียงอย่างเดียว กระบวนการที่สะอาดและมีประสิทธิภาพนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านการขนส่งและแหล่งพลังงานแบบอยู่กับที่

ปัจจุบัน เซลล์เชื้อเพลิงใช้ขับเคลื่อนทุกอย่างตั้งแต่รถยกไปจนถึงเรือดำน้ำ ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักและแหล่งพลังงานสำรองสำหรับอาคารพาณิชย์ อุตสาหกรรม และที่อยู่อาศัย เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า กราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูงได้กลายเป็นสิ่งสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับส่วนประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ แผ่นขั้วคู่ (bipolar plates) ชั้นกระจายแก๊ส (gas diffusion layers) และตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst supports)

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานผ่านปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่ซับซ้อนระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจน ประสิทธิภาพของเซลล์ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบที่สำคัญหลายอย่าง:

• แผ่นขั้วคู่ (Bipolar Plates - BPs): แกนอเนกประสงค์เหล่านี้ทำหน้าที่นำไฟฟ้าระหว่างเซลล์ จัดการการกระจายความร้อน และป้องกันการรั่วไหลของแก๊ส การออกแบบและวัสดุมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน
• ชั้นกระจายแก๊ส (Gas Diffusion Layers - GDL): โครงสร้างที่มีรูพรุนเหล่านี้จะกระจายไฮโดรเจนและออกซิเจนไปยังพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอ โดยมีรูพรุนและการนำไฟฟ้าส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพอย่างมาก
• ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวรองรับ: ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าช่วยเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ตัวรองรับกราไฟต์จะเพิ่มการสัมผัสกับสารตั้งต้นให้สูงสุดและป้องกันการปนเปื้อน

คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของกราไฟต์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในเซลล์เชื้อเพลิง:

• แผ่นขั้วคู่: กราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้การนำไฟฟ้าและการจัดการความร้อนที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane Fuel Cells - PEMFCs)
• ชั้นกระจายแก๊ส: กราไฟต์มีอิทธิพลต่อรูพรุน ทำให้การไหลของแก๊สทั่วทั้งเซลล์เหมาะสมที่สุด
• ตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา: กราไฟต์บริสุทธิ์พิเศษช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็ป้องกันการปนเปื้อน

ลักษณะตามธรรมชาติของกราไฟต์เหมาะสมกับความต้องการของเซลล์เชื้อเพลิงอย่างสมบูรณ์แบบ:

• การนำไฟฟ้าและความร้อนที่ยอดเยี่ยม
• ความเสถียรทางเคมีที่โดดเด่นในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
• คุณสมบัติที่มีน้ำหนักเบาซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของยานพาหนะ
• ความสามารถในการแปรรูปที่หลากหลายสำหรับการออกแบบส่วนประกอบที่ซับซ้อน

แม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจะปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ มีประสิทธิภาพสูง และทำงานเงียบ แต่ก็ยังมีความท้าทายอยู่:

• ต้นทุนสูงจากตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า
• ข้อจำกัดในการจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจน
• โครงสร้างพื้นฐานการเติมเชื้อเพลิงไม่เพียงพอ

นวัตกรรมกำลังแก้ไขอุปสรรคเหล่านี้ นักวิจัยชาวเยอรมันได้พัฒนาแผ่นขั้วคู่สแตนเลสเคลือบด้วยคาร์บอน ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการชุบทอง โครงการ PEMTASTIC ของสหภาพยุโรปมีเป้าหมายที่จะสร้างชุดประกอบเมมเบรนอิเล็กโทรดที่ทนทาน ซึ่งสามารถทำงานได้ 20,000 ชั่วโมงภายใต้สภาวะการใช้งานหนัก

ความร่วมมือระหว่างประเทศกำลังเร่งการนำเซลล์เชื้อเพลิงมาใช้:

• สหภาพยุโรปมีเป้าหมายกลยุทธ์ไฮโดรเจนที่ราคา 2 ดอลลาร์สหรัฐฯ/กก. สำหรับไฮโดรเจนสะอาดภายในปี 2030
• เงินทุน 1 พันล้านยูโรจาก Horizon Europe สำหรับความร่วมมือด้านไฮโดรเจนสะอาด
• โครงการ IPCEI สนับสนุนนวัตกรรมในห่วงโซ่คุณค่าของไฮโดรเจน

ดังที่ศูนย์วิจัยร่วม (Joint Research Centre) ระบุ การเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาดจำเป็นต้องจัดการกับห่วงโซ่อุปทานกราไฟต์ ด้วยยานยนต์เซลล์เชื้อเพลิงที่อาจใช้กราไฟต์มากกว่าการใช้งานอื่นๆ ทั้งหมดรวมกัน และตลาดโลกที่เติบโตปีละ 20.9% วัสดุที่เรียบง่ายนี้จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในอนาคตพลังงานที่ยั่งยืนของเรา