เซลล์เชื้อเพลิง

Toyota FCEV ใช้เซลล์เชื้อเพลิง
ภาพแสดงเซลล์เชื้อเพลิงแบบทำงานด้วยโปรตอน (อังกฤษ: proton-conducting fuel cell)
เซลล์เชื้อเพลิง (อังกฤษ: fuel cell) เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่เปลี่ยนพลังงานเคมีจากเชื้อเพลิงชนิดหนึ่งให้เป็นกระแสไฟฟ้าผ่านทางปฏิกิริยาเคมีของไอออนของไฮโดรเจนประจุบวกกับออกซิเจนหรือตัวทำออกซิเดชันอื่น เซลล์เชื้อเพลิงแตกต่างจากแบตเตอรี่ที่ว่ามันต้องการแหล่งจ่ายเชื้อเพลิงและออกซิเจนหรืออากาศอย่างต่อเนื่องเพื่อความยั่งยืนของปฏิกิริยาเคมี ในขณะที่ในแบตเตอรี่สารเคมีภายในจะทำปฏิกิริยาต่อกันเพื่อผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) เซลล์เชื้อเพลิงสามารถผลิตไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องนานเท่าที่เชื้อเพลิงและออกซิเจนหรืออากาศยังคงถูกใส่เข้าไป ไม่เหมือนกับแบตเตอรี่ที่จะหยุดจ่ายกระแสไฟฟ้าถ้าสารเคมีหมดอายุการใช้งาน
เซลล์เชื้อเพลิงถูกคิดค้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1838 เซลล์เชื้อเพลิงเชิงพาณิชย์ครั้งแรกถูกใช้มากว่าหนึ่งศตวรรษต่อมาในโครงการอวกาศของนาซ่า ที่จะผลิตพลังงานให้กับดาวเทียมและแคปซูลอวกาศ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาเซลล์เชื้อเพลิงถูกนำมาใช้ในงานที่หลากหลายอื่น ๆ  เซลล์เชื้อเพลิงถูกใช้สำหรับพลังงานหลักและพลังงานสำรองเพื่อการพาณิชย์ อุตสาหกรรมและอาคารที่อยู่อาศัยและในพื้นที่ห่างไกลและไม่สามารถเข้าถึงได้ พวกมันยังถูกใช้เพื่อให้พลังงานกับยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิง รวมทั้งรถยก, รถยนต์, รถโดยสาร, เรือ, รถจักรยานยนต์และเรือดำน้ำ
เซลล์เชื้อเพลิงมีอยู่หลายชนิด ทุกชนิดประกอบด้วยแอโนด แคโทดและอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์จะยอมให้ไอออนไฮโดรเจนประจุบวก (หรือโปรตอน) สามารถเคลื่อนที่ได้จากแอโนดไปแคโทดของเซลล์เชื้อเพลิง แอโนดและแคโทดประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เชื้อเพลิงเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่สร้างไอออนไฮโดรเจนประจุบวกและอิเล็กตรอน ไอออนไฮโดรเจนจะถูกดึงผ่านอิเล็กโทรไลต์หลังจากการเกิดปฏิกิริยาและเคลื่อนที่ไปยังแคโทด ในขณะเดียวกันอิเล็กตรอนที่เหลือจากอะตอมของไฮโดรเจนจะถูกดึงจากแอโนดไปยังแคโทดผ่านวงจรภายนอก ทำให้เกิดกระแสตรงที่แคโทดไอออนไฮโดรเจน อิเล็กตรอนและออกซิเจนทำปฏิกิริยากันก่อตัวเป็นน้ำ เนื่องจากความแตกต่างหลักระหว่างเซลล์เชื้อเพลิงในแต่ละประเภทคืออิเล็กโทรไลต์ เซลล์เชื้อเพลิงจึงถูกแยกประเภทตามชนิดของอิเล็กโทรไลต์ที่พวกมันใช้ และแยกตามระยะเวลาเริ่มต้นตั้งแต่ 1 วินาทีสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเยื่อหุ้มแลกเปลี่ยนโปรตอน (อังกฤษ: proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)) จนถึง 10 นาทีสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (อังกฤษ: solid oxide fuel cell (SOFC)) เซลล์เชื้อเพลิงเดี่ยว ๆ จะผลิตกระแสไฟฟ้าที่มีแรงดันขนาดค่อนข้างเล็ก ประมาณ 0.7 โวลต์ ดังนั้นเซลล์จึงต้องวาง "ซ้อน" กัน หรือถูกวางเรียงกันเป็นแถว เพื่อที่จะสร้างแรงดันเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการของการใช้งาน นอกเหนือไปจากกระแสไฟฟ้า เซลล์เชื้อเพลิงยังผลิตน้ำ ความร้อนและ(ขึ้นอยู่กับแหล่งเชื้อเพลิง)ปริมาณขนาดเล็กมากของก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์ และก๊าซอื่นๆ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเซลล์เชื้อเพลิงโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 40-60% หรือสูงขึ้นถึง 85% ในการผลิตแบบความร้อนร่วม (อังกฤษ: cogeneration) ถ้าความร้อนที่เหลือทิ้งถูกนำกลับมาใช้งานอีก
ตลาดของเซลล์เชื้อเพลิงกำลังเจริญเติบโตและบริษัท Pike Research ได้ประมาณการว่าตลาดเซลล์เชื้อเพลิงอยู่กับที่จะสูงถึง 50 GW ในปี 2020
สารตั้งต้นที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์เชื้อเพลิงได้แก่ ก๊าซไฮโดรเจนที่ด้านแอโนด และก๊าซออกซิเจนที่ด้านแคโทด (เซลล์ไฮโดรเจน) โดยปกติแล้วเมื่อมีสารตั้งต้นไหลเข้าสู่ระบบ สารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นก็จะไหลออกจะระบบไปด้วย ดังนั้นการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงจึงดำเนินต่อไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่เราสามารถควบคุมการไหลได้
เซลล์เชื้อเพลิงมักจะถูกมองว่าเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้พลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงและปราศจากมลพิษ เมื่อเปรียบเทียบกับเชื้อเพลิง เช่น มีเทนและก๊าซธรรมชาติ ซึ่งทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์  ผลิตภัณฑ์อย่างเดียวที่เกิดจากการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงคือน้ำ อย่างไรก็ตามยังมีความกังวลอยู่ในขั้นตอนการผลิตก๊าซไฮโดรเจนซึ่งใช้พลังงานมาก การผลิตไฮโดรเจนจำเป็นต้องใช้วัตถุดิบที่มีไฮโดรเจน เช่น น้ำ หรือ เชื้อเพลิงอื่นๆ นอกจากนั้นยังต้องใช้ไฟฟ้าซึ่งก็ก็ผลิตมาจากแหล่งพลังงานแบบดั้งเดิม ได้แก่ น้ำมัน ถ่านหิน หรือแม้แต่พลังงานนิวเคลียร์ ในขณะที่พลังงานทางเลือกเช่น ลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ก็อาจสามารถใช้ได้ แต่ราคาก็ยังสูงมากในปัจจุบัน ดังนั้นเราจึงยังไม่อาจกล่าวได้ว่าเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงเป็นอิสระจากเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ จนกว่าเราจะสามารถหาวิธีการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากด้วยพลังงานทดแทนหรือพลังงานนิวเคลียร์