ไฮโดรเจน (อังกฤษ: Hydrogen; ละติน: hydrogenium ไฮโดรเจเนียม) เป็นธาตุเคมีที่มีเลขอะตอม 1 สัญลักษณ์ธาตุคือ H มีน้ำหนักอะตอมเฉลี่ย 1.00794 u (1.007825 u สำหรับไฮโดรเจน-1) ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและพบมากที่สุดในเอกภพ ซึ่งคิดเป็นมวลธาตุเคมีประมาณร้อยละ 75 ของเอกภพดาวฤกษ์ในลำดับหลักส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจนในสถานะพลาสมาธาตุไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหาได้ค่อนข้างยากบนโลก
ไอโซโทปที่พบมากที่สุดของไฮโดรเจน คือ โปรเทียม (ชื่อพบใช้น้อย สัญลักษณ์ 1H) ซึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวแต่ไม่มีนิวตรอนในสารประกอบไอออนิก โปรเทียมสามารถรับประจุลบ (แอนไอออนซึ่งมีชื่อว่า ไฮไดรด์ และเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น H-) หรือกลายเป็นสปีซีประจุบวก H+ ก็ได้ แคตไอออนหลังนี้เสมือนว่ามีเพียงโปรตอนหนึ่งตัวเท่านั้น แต่ในความเป็นจริง แคตไอออนไฮโดรเจนในสารประกอบไอออนิกเกิดขึ้นเป็นชนิดที่ซับซ้อนกว่าเสมอ ไฮโดรเจนเกิดเป็นสารประกอบกับธาตุส่วนใหญ่และพบในน้ำและสารประกอบอินทรีย์ส่วนมาก ไฮโดรเจนเป็นส่วนสำคัญในการศึกษาเคมีกรด-เบส โดยมีหลายปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนโปรตอนระหว่างโมเลกุลละลายได้ เพราะเป็นอะตอมที่เรียบง่ายที่สุดเท่าที่ทราบ อะตอมไฮโดรเจนจึงได้ใช้ในทางทฤษฎี ตัวอย่างเช่น เนื่องจากเป็นอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเพียงชนิดเดียวที่มีผลเฉลี่ยเชิงวิเคราะห์ของสมการชเรอดิงเงอร์การศึกษาการพลังงานและพันธะของอะตอมไฮโดรเจนได้มีบทบาทสำคัญในการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม
มีการสังเคราะห์แก๊สไฮโดรเจนขึ้นเป็นครั้งแรกในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 16 โดยการผสมโลหะกับกรดแก่ ระหว่าง ค.ศ. 1766-81 เฮนรี คาเวนดิช เป็นคนแรกที่สังเกตพบว่า แก๊สไฮโดรเจนเป็นสสารชนิดหนึ่งต่างหากและจะให้น้ำเมื่อนำไปเผาไหม้ ซึ่งคุณสมบัตินี้เองที่ได้กลายมาเป็นชื่อของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นภาษากรีก หมายถึง "ตัวก่อให้เกิดน้ำ" ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ไฮโดรเจนไร้สี ไร้กลิ่น เป็นอโลหะ ไร้รส ไม่มีพิษ และเป็นแก๊สไดอะตอมที่ไวไฟสูง มีสูตรโมเลกุลว่า H2
การผลิตไฮโดรเจนในเชิงอุตสาหกรรมมาจากการนำแก๊สธรรมชาติมาผ่านกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) เป็นหลัก และจากวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ต้องใช้พลังงานสูงกว่า เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ใช้สอยกันใกล้จุดผลิต กระบวนการเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (นั่นคือไฮโดรแครกกิง) และการผลิตแอมโมเนีย ซึ่งส่วนใหญ่สำหรับตลาดปุ๋ย เป็นภาคที่มีการใช้ไฮโดรเจนมากที่สุด
การผลิตก๊าซไฮโดรเจน
การ ผลิตเชื้อเพลิง ไฮโดรเจน (Hydrogen) สามารถทำได้หลายกระบวนการ แต่กระบวนการที่ปัจจุบันมีการศึกษาวิจัยมากที่สุดและได้รับการคาดหมายว่าจะ สามารถใช้จริงในเชิงพาณิชย์ได้ง่ายที่สุด คือ กระบวนการความร้อนเคมี (Thermo-chemical Processes) เช่น กระบวนการรีฟอร์มมิง (แปรรูป)ซึ่งแบ่งออกได้เป็นอีกหลายกระบวนการย่อยขึ้นอยู่กับสารที่ใช้
กระบวนการรีฟอร์มมิงหลัก ๆ ที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย คือ
1.กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ
(steam reforming) ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพในการผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen) สูง แต่เสียค่าใช้จ่ายน้อย จึงถูกนำมาใช้ในทางการค้าแล้ว
โดยหลักการของกระบวนการนี้คือ การป้อนไอน้ำ (steam) เข้าสู่ระบบเพื่อทำปฏิกิริยากับสารไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในสถานะก๊าซ เช่น ก๊าซธรรมชาติ
ก๊าซชีวภาพ และเอทานอล เป็นต้น โดย ไฮโดรเจน (Hydrogen) จะถูกดึงออกจากไอน้ำ (H2O) สารไฮโดรคาร์บอน(CH) ส่วนออกซิเจนที่เหลือจากน้ำและคาร์บอนที่เหลือจากไฮโดรคาร์บอนจะรวมตัวกันเป็นก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO)
2. กระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
(Carbon dioxide reforming หรือ Dry reforming) เป็นกระบวนการที่คล้ายคลึงกับกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ
แต่จะต่างกันตรงที่ใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบ
ข้อดีของกระบวนการนี้คือช่วยลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ อีกทั้งยังควบคุมระบบการทำงานได้ง่ายกว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ
แต่ข้อเสียคือ สัดส่วนของ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ที่ได้จากกระบวนการนี้จะต่ำกว่ากระบวนการแรก
และตัวเร่งปฏิกิริยาจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าเนื่องจากจะมีคาร์บอนจากคาร์บอน ไดออกไซด์ไปเกาะอยู่ที่บริเวณผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา
3. กระบวนการออกซิเดชันบางส่วน (partial oxidation) ซึ่งเป็นกระบวนการระหว่างสารไฮโดรคาร์บอนกับออกซิเจนกระบวนการนี้มีข้อได้
เปรียบกว่าสองกระบวนการแรก ตรงที่ไม่จำเป็นต้องป้อนพลังงานจากภายนอก
เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นแบบคายความร้อน ทำให้เกิดพลังงานขึ้นภายในระบบ
แต่ข้อจำกัดของกระบวนการนี้คือ
ปริมาณออกซิเจนที่ป้อนเข้าสู่ระบบต้องไม่สูงจนเกินไปเนื่องจากออกซิเจนที่
เหลือจากกระบวนการจะกลับมาทำปฏิกิริยากับ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ที่ผลิตได้ กลายเป็นน้ำ ทำให้สูญเสียผลผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen)
นอกจากนั้น
ข้อจำกัดที่สำคัญอีกประการของการใช้กระบวนการนี้ในเชิงพาณิชย์คือ
ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการจะสูงกว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงปกติ
เนื่องจากต้องมีระบบแยกออกซิเจนจากอากาศก่อนป้อนเข้าสู่ระบบ
เพราะหากไม่แยกออกซิเจนออก จะทำให้ปริมาณความเข้มข้นของ ไฮโดรเจน (Hydrogen) ที่ผลิตได้ลดลง เนื่องจากอากาศมีปริมาณไนโตรเจนสูง
4. กระบวนการร่วมระหว่างกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำกับออกซิเดชันบางส่วน
หรือที่เรียกกันว่า ออโตเทอร์มัลรีฟอร์มมิง (Autothermal reforming) ซึ่งเป็นกระบวนการใหม่ที่นำข้อดีของกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำและกระบวน
การออกซิเดชันบางส่วนมารวมกันโดยการป้อนทั้งน้ำและออกซิเจนเพื่อทำปฏิกิริยา
กับสารไฮโดรคาร์บอน ข้อดีของกระบวนการนี้คือ สามารถผลิต ไฮโดรเจน (Hydrogen) ได้ในอัตราส่วนที่มากกว่ากระบวนการออกซิเดชันบางส่วน
และใช้พลังงานน้อยกว่ากระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ
ในปัจจุบันกระบวนการดังกล่าวกำลังเป็นที่นิยมและเริ่มมีการใช้งานจริงในเชิง
พาณิชย์อย่างแพร่หลาย
เทคโนโลยีเกี่ยวกับพลังงานไฮโดรเจน
เซลล์เชื้อเพลิง (อังกฤษ: fuel cell) เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีอย่างหนึ่งคล้ายกับแบตเตอรี่ แต่แตกต่างกันที่เซลล์เชื้อเพลิงนั้นออกแบบมาให้มีการเติมสารตั้งต้นเข้าสู่ระบบตลอดเวลา นั่นคือการเติมไฮโดรเจนและออกซิเจนตลอดเวลาซึ่งช่วยขจัดปัญหาความจุที่จำกัดของแบตเตอรี่ออกไป นอกจากนี้ที่ขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะเข้าทำปฏิกิริยาเมื่อมันถูกอัดประจุหรือคายประจุ ในขณะที่ขั้วไฟฟ้าของเซลล์เชื้อเพลิงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและค่อนข้างเสถียรสารตั้งต้นที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์เชื้อเพลิงได้แก่ 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
เซลล์เชื้อเพลิงที่สามารถนำมาใช้งานได้จริงชนิดแรก คือ เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์ ที่ทำงานภายใต้ความดันของแก๊สไฮโดรเจน และแก๊สออกซิเจน โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้าทำด้วยแพลทินัม ซึ่งมีราคาสูงมาก และใช้สารแอลคาไลน์ เช่น สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ในน้ำเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ อุณหภูมิของเซลล์ขณะทำงานไม่สูงมากนัก คือประมาณ 150 - 200 องศาเซลเซียส กลุ่มเซลล์ทั่วไปให้กำลังไฟฟ้าออกมาในช่วง 300 วัตต์ ถึง 20 กิโลวัตต์ ประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ ประมาณร้อยละ 70 เป็นเซลล์เชื้อเพลิงชนิดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นมา สำหรับใช้งานภาคพื้นดิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้กับยานยนต์ และบ้านพักอาศัย นอกจากนี้ในอดีต องค์การนาซาได้พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงชนิดนี้ขึ้น เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า และผลิตน้ำดื่ม สำหรับใช้ในยานอวกาศ อะพอลโล
เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์เชื้อเพลิงชนิดอื่น เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์มีข้อได้เปรียบตรงที่มีอัตราส่วน ของพลังงานต่อน้ำหนัก ในเกณฑ์ค่อนข้างสูง ดังนั้น เซลล์เชื้อเพลิงชนิดแอลคาไลน์จึงเหมาะสำหรับ การใช้งานด้านอวกาศ
อย่างไรก็ตาม การประยุกต์สำหรับงานภาคพื้นดินนั้น ยังมีปัญหาจากการเกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ทำปฏิกิริยากับไฮดรอกซิลไอออน (hudroxyl ion) ในสารอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งทำให้ความเข้มข้น ของไฮดรอกซิลไอออนในสารอิเล็กโทรไลต์ลดลง ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของเซลล์เชื้อเพลิง ลดลงตามไปด้วย
รถยนต์ไฮโดรเจน หัวใจในการขับเคลื่อนของรถยนต์ไฮโดรเจนอยู่ที่ เซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งประกอบไปด้วยแผ่นเยื่อบางๆ ใสๆ เหมือนแผ่นกันแสงคล้ายฟิล์มในรถยนต์ เรียกว่า MEA ที่ย่อมาจาก Membrane Electrode Assembly เรียกเป็นภาษาไทยว่า เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน โดยทั้ง 2 ด้านของ MEA จะประกอบด้วยแผ่นไบโพลา (Bipola Plate) ที่ทำจากแกร์ไฟต์ ประกอบเรียงกันเป็นเซลล์เชื้อเพลิง 1 สแตค (Stack) โดยแผ่นไบโพลา จะทำหน้าที่ส่งไฮโดรเจนเพื่อเข้า ไปแยกที่ MEA ให้เป็นไฟฟ้าไปยังมอเตอร์ และทำหน้าที่รวมกับออกซิเจนทำให้เกิดเป็นน้ำออกมา
เมื่อไฮโดรเจนผ่านเข้ามาจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นโดยอาศัยแผ่นไบโพลาเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้เกิดอิเล็ก ตรอนอิสระที่เป็นกระแสไฟฟ้าเคลื่อนผ่านตัวนำไฟฟ้าส่งไปยังมอเตอร์เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ และเมื่ออิเล็กตรอนไหลวน ครบวงจรจะกลับมารวมกับไฮโดรเจนประจุบวกและออกซิเจนที่อยู่ในอากาศเกิดเป็นน้ำออกมา ซึ่งเป็นการทำงานที่ไม่เกิดมลพิษและก่อให้เกิดเสียงดังของเครื่องยนต์แต่อย่างใด
โดยรถจะใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 4 กิโลวัตต์ จึงมีกระแสไฟฟ้าเหลือพอที่จะนำไปใช้กับระบบทำความเย็น และเครื่องเสียงภายในรถอีกด้วย และบรรจุไฮโดรเจน 900 ลิตร น้ำหนัก 70 กรัม ใส่ถังไว้ด้านหลังของตัวรถ สามารถวิ่งได้ระยะทาง 40 กิโลเมตร ด้วยความเร็ว 90 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือประมาณ 20-30 นาที จะต้องมีการเติมไฮโดรเจนใหม่อีกครั้ง ซึ่งการขับเคลื่อนของรถไฮโดรเจนจะวิ่งเร็วแค่ไหนขึ้นอยู่กับพลังงานของมอเตอร์ที่ใส่เข้าไป สำหรับรถไฮโดรเจนคันนี้จะมีอายุการใช้งานได้ประมาณ 4 ปี เพราะเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนจะเสื่อมต้องเปลี่ยนแผ่นใหม่ แต่แผ่นไบโพลายังใช้ได้อยู่
ด้านแหล่งที่มาของไฮโดรเจนนั้น เฉพาะที่นิคมอุตสาหกรรมอิสเทิร์นซีบอร์ด ซึ่งมีโรงงานทำแก้ว โรงงานเม็ดพลาสติก โรงงานแยกแก๊ส มีการปล่อยไฮโดรเจนรวมกันแล้วชั่วโมงละประมาณ 20 ตัน ทิ้งไปในอากาศ ไม่มีการนำมาใช้หรือถ้ามีก็เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งสามารถนำมากักเก็บไว้ใช้กับรถไฮโดรเจนได้อย่างน้อยกว่าแสนคัน
หากมีการนำมาใช้ในรถยนต์ทั่วไปเพื่อขับเคลื่อนบนท้องถนน จำเป็นต้องมีการติดตั้งตัวถังไฮโดรเจนให้บรรจุก๊าซไฮโดรเจนได้มากขึ้น สำหรับป้อนเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อขับเคลื่อนเป็นพลังงานไฟฟ้าในระยะทางที่ไกลขึ้น ยอมรับว่ารถยนต์ไฮโดรเจนคันนี้มีต้นทุนการผลิตรวมแล้วประมาณ 3 ล้านบาท ซึ่งเป็นราคาที่ค่อนข้างสูง แต่หากในอนาคตภาครัฐมีการสนับสนุนให้เป็นพลังงานทางเลือกที่ต้องศึกษาพัฒนาต่อไป เชื่อว่าต้นทุนการผลิตจะลดลงได้
ตอนนี้อยู่ในขั้นตอนการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงขนาด 11 กิโลวัตต์ เพื่อนำมาใช้กับรถประจำทาง ขนาด 20 ที่นั่ง จำนวน 2 คัน โดยใช้คันละ 3 สแตค มีต้นทุนสแตคละประมาณ 3 ล้านบาท ฉะนั้นต้นทุนของรถอยู่ที่เกือบ 10 ล้านบาท ราคานี้เป็นของเทคโนโลยีใหม่ที่ต้นทุนยังสูงอยู่ แต่เมื่อไหร่ที่มีเทคโนโลยีมารองรับมากกว่านี้ราคาแผงเซลล์เชื้อเพลิงอาจลดลงอยู่ที่ราคาประมาณล้านกว่าบาทต่อคัน ด้านตัวรถต้นทุนอยู่ที่ 1 ล้านบาท จึงถือว่ารถเมล์ 1 คัน ตกอยู่ที่ราคาไม่เกิน 3 ล้านบาท เมื่อติดตั้งไฮโดรเจนด้านบนของตัวรถจะอยู่ที่ราคา 5 ล้านบาท ซึ่งราคารถเมล์ที่ใช้กันอยู่นี้ก็ อยู่ที่ราคาประมาณนี้ แต่ก่อมลพิษและเสียงดัง
รถเมล์ไฮโดรเจนจะแตกต่างจากรถเมล์ทั่วไปคือ มี 6 ล้อ ด้านละ 3 ล้อ มี 2 เพลา เพลาละ 8 กิโลวัตต์ รวมเป็น 16 กิโลวัตต์ เพื่อให้ขับได้แรงขึ้น เร็วขึ้น และมีสมรรถนะสูงขึ้น วิ่งด้วยความเร็ว 60 กม.ต่อชั่วโมง ที่เลือกรถขนาด 20 ที่นั่ง เพราะต้องการให้เกิดการคล่องตัวในการใช้งาน หากโครงการผ่านการพิจารณางบประมาณ คาดว่าจะใช้เวลาประมาณ 4-5 เดือน ในการปรับปรุงให้สมบูรณ์ ออกใช้งานได้จริง เพราะตัวรถเมล์ไม่ได้มีส่วนประกอบที่ซับซ้อนแต่อย่างใด
อ้างอิง : http://th.wikipedia.org/wiki/ไฮโดรเจน
: http://www.kalasin3.go.th/view.php?article_id=24359
: http://th.wikipedia.org/wiki/เซลล์เชื้อเพลิง
: http://hilight.kapook.com/view/37287
: http://kanchanapisek.or.th/kp6/sub/book/book.php?book=33&chap=5&page=t33-5-infodetail05.html
