Fuel cell, Alternative Energy, Korea, EV

ยืดอายุเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือก

อัปเดตล่าสุด 20 มิ.ย. 2566

ทีมนักวิจัย Pohang university of science and technology พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือกที่สามารถยับยั้งการกัดกร่อนในเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนสำหรับยานยนต์

เดือนพฤษภาคม 2023 - นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Pohang university of science and technology เผยความสำเร็จในการปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือกที่ควบคุมการกัดกร่อนในเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ซึ่งได้ถูกตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการ ACS Energy Letters

ฮอนด้ารุก “เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน”

Advertisement

เซลล์เชื้อเพลิงมีคุณสมบัติไวต่อปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลให้ความทนทานลดลง หนึ่งในนั้น คือ การเสื่อมสภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด ซึ่งมักจะเกิดขึ้นตอนเปิด-ปิดเครื่องยนต์

ในระหว่างที่เครื่องยนต์ทำงานตามปกติ เซลล์เชื้อเพลิงจะได้รับไฮโดรเจนในปริมาณที่สม่ำเสมอและมีความเข้มข้นสูง แต่ความเข้มข้นของไฮโดรเจนจะลดลงชั่วคราวเมื่อปิดหรือสตาร์ทเครื่องยนต์ ดังนั้น เมื่ออากาศภายนอกเข้ามาผสมกับไฮโดรเจนภายในเซลล์เชื้อเพลิง จะทำให้ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันบนขั้วแอโนดถูกกระตุ้น ส่งผลให้การกระตุ้นทางพลังงานศักย์ไฟฟ้าเกิดก๊าซคาร์บอนกัดกร่อนบริเวณขั้วแคโทด

ด้วยเหตุนี้ ทางทีมนักวิจัยจึงได้ทดลองใช้ธาตุแพลทินัมกับไททาเนียมไดออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (Pt/TiO2) ประกอบไปด้วยธาตุแพลทินัม (Pt) ไปเกาะอยู่บนไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ทำให้มีคุณสมบัติสามารถยับยั้งการกัดกร่อนในเซลล์เชื้อเพลิงของยานยนต์ที่ใช้พลังงานไฮโดรเจน ส่งผลให้ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรคะตะลิสต์ระหว่างไทเทเนี่ยมออกไซด์และแพลทินัมมีความทนทานยิ่งขึ้น อีกทั้งความสามารถในการสปินโอเวอร์ของไฮโดรเจนนั้นไปทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการเหนี่ยวนำของพื้นผิววัสดุ ในการตอบสนองต่อความเข้มข้นของไฮโดรเจนบริเวณโดยรอบ

เมื่อไหร่ที่รถหยุดหรือสตาร์ทกะทันหัน ความเข้มข้นของไฮโดรเจนภายในเซลล์เชื้อเพลิงจะลดลงตามลำดับ ผลที่ตามมาคือความเข้มข้นของไฮโดรเจนลดลงทำให้เกิดการขยายตัวของไททาเนียมไดออกไซด์ไปยังแพลทินัม ซึ่งส่งผลให้แพลทินัมถูกฝังอยู่ใต้พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา

การที่แพลทินัมนั้นถูกฝังอยู่ในขั้วนี้เกิดจากการขยายตัวของไททาเนียมไดออกไซด์ ทำการเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาให้เป็นฉนวนเนื่องจากไททาเนียมไดออกไซด์มีการนำไฟฟ้าต่ำ โดยที่การเป็นฉนวนนี้จะไปขัดขวางความสามารถของตัวเร่งปฏิกิริยาในการนำไฟฟ้า อีกทั้งป้องกันการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันที่ไม่ต้องการ ซึ่งเป็นผลจากการกระตุ้นพลังงานศักย์อย่างทันทีบนขั้วแคโทด

แต่ในทางกลับกัน ในระหว่างการทำงานปกติของเครื่องยนต์ซึ่งมีความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูง ซึ่งภายใต้สภาวะความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูงนั้น แพลทินัมจะยังมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้สูงซึ่งจะเกาะอยู่บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา และการเกิดปฏิกิริยารีดักชันของไททาเนียมไดออกไซด์ จะส่งผลให้เกิดการเคลื่อนที่ของไฮโดรเจนบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Hydrogen Spill-over คือ กระบวนการที่อนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาบนผิวสารกึ่งตัวนำกระตุ้นโมเลกุลของแก๊สบางโมเลกุลให้แยกออกจากกันได้ ซึ่งจะทำให้การไหลของกระแสและปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนเพิ่มมากขึ้น

ทางทีมวิจัยได้ดำเนินการสร้างแบบทดลองเพื่อทำการทดสอบและเปรียบเทียบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้พัฒนาปรับปรุงขึ้นใหม่กับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเดิม ซึ่งผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า เซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/TiO2 มีความทนทานสูงกว่าเซลล์เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมถึงสามเท่า เป็นการทดลองที่ประสบความสำเร็จในการเพิ่มความทนทานของเซลล์เชื้อเพลิง ผ่านการใช้ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันของไฮโดรเจนทางเลือก โดยทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไฮโดรเจนด้วย

หากงานวิจัยนี้สามารถท้าทายขีดความสามารถในการทนทานการกัดกร่อนของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนในยานยนต์ที่ดีขึ้น อาจช่วยยกระดับการใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนของอุตสาหกรรมยานยนต์เกาหลีในยุคหน้าได้