ফুয়েল সেল কিভাবে কাজ করে: ইলেকট্রোকেমিক্যাল রূপান্তর এবং জিরো-এমিশন পরিচালন

মূল ইলেকট্রোকেমিক্যাল প্রক্রিয়া: হাইড্রোজেন জারণ এবং অক্সিজেন বিজারণ

হাইড্রোজেন এবং অক্সিজেনের মধ্যে একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া ব্যবহার করে ফুয়েল সেলগুলি বিদ্যুৎ উৎপাদন করে, এবং গুরুত্বপূর্ণভাবে, তারা কিছুই পোড়ার প্রয়োজন ছাড়াই এটি করে। যখন হাইড্রোজেন অ্যানোডের দিকে পৌঁছায়, প্লাটিনামের একটি প্রভাবকের কারণে তা প্রোটন এবং ইলেকট্রনে ভেঙে যায়। ইলেকট্রনগুলি কোষের বাইরের তার বরাবর চলে, যেখানে আমরা শক্তির জন্য ব্যবহার করতে পারি এমন বৈদ্যুতিক কার্যকর তৈরি করে। এদিকে, সেই প্রোটনগুলি প্রোটন এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (সংক্ষেপে PEM) নামে পরিচিত কিছুর মধ্য দিয়ে কোষের অন্য পাশে চলে যায়। ক্যাথোডে পৌঁছে, এই প্রোটনগুলি অক্সিজেন অণু এবং সার্কিট থেকে ফিরে আসা ইলেকট্রনগুলির সাথে মিলিত হয়। এদের সাথে একসাথে শুধুমাত্র পরিষ্কার জল উপজাত হিসাবে তৈরি হয়। এই সম্পূর্ণ প্রক্রিয়াটি খুব দক্ষভাবে কাজ করে কারণ এটি প্রচলিত ইঞ্জিনগুলির মতো তাপ স্থানান্তরের উপর নির্ভর করে না। ফলস্বরূপ, PEM ফুয়েল সেলগুলি সাধারণত তাদের ইনপুট শক্তির অর্ধেক থেকে দুই তৃতীয়াংশ পর্যন্ত সরাসরি বিদ্যুতে রূপান্তর করে। এটি প্রায় দ্বিগুণ যা অধিকাংশ গ্যাসোলিন চালিত যান অর্জন করে, কারণ তাদের কর্মদক্ষতা কার্নোট চক্র নামে পরিচিত মূল তাপগতিক নীতির দ্বারা সীমাবদ্ধ।

প্রধান সুবিধাগুলি হল:

• সহায়ক তন্ত্র ছাড়া চলমান অংশ ছাড়াই প্রায় নিঃশব্দ কার্যপ্রণালী
• জ্বালানি এবং জারক সরবরাহ করা হচ্ছে এমন পরিস্থিতিতে অবিচ্ছিন্ন বিজ্ঞান আউটপুট
• মডিউলার স্কেলযোগ্যতা—কিলোওয়াট পরিবহনযোগ্য ইউনিট থেকে মাল্টি-মেগাওয়াট স্টেশনারি প্ল্যান্ট পর্যন্ত

ব্যাটারির বিপরীতে, জ্বালানি কোষ শক্তি রূপান্তরকারী, সঞ্চয় করার যন্ত্র নয়—যার ফলে চার্জিংয়ের বিরতি ছাড়াই অব্যাহত কার্যাবলী সম্ভব

জ্বালানি কোষ কেন শুধুমাত্র জল নি:সরণ করে — কোন CO₂, NO₂ বা কণা নয়

জ্বালানি কোষগুলি কোনও নিয়ন্ত্রিত পদার্থ নি:সরণ করে না, কারণ এগুলি জ্বলনের পরিবর্তে ইলেকট্রোকেমিক্যাল বিক্রিয়ার মাধ্যমে কাজ করে। হাইড্রোজেনে কার্বন থাকে না, যার অর্থ চালানোর সময় CO2 গঠনের কোনও উপায় নেই। তদুপরি, বিক্রিয়াগুলি সর্বোচ্চ প্রায় 100 ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় ঘটে, যা 1,300 ডিগ্রির কাছাকাছি নয় যেখানে নাইট্রোজেন অক্সাইড গঠন শুরু হয়। আগুনও জড়িত থাকে না, তাই ধোঁয়া, ছাই এবং বাতাসকে দূষিত করে এমন ওই জ্বলেনি এমন হাইড্রোকার্বনগুলি চলে যায়। কী বের হয়? মূলত শুধুমাত্র পরিষ্কার জলীয় বাষ্প, যা কখনও কখনও শিল্প প্রক্রিয়ায় সংগ্রহ করে পুনরায় ব্যবহার করা হয়। এই কারণে এই সিস্টেমগুলি অভ্যন্তরীণ স্থানে, ভিড় জমে থাকা শহরের এলাকায় বা বায়ুর গুণমানের মানদণ্ডের প্রতি সংবেদনশীল যেকোনো জায়গায় খুব ভালোভাবে কাজ করে। এগুলি EPA-এর সুপারিশের সঙ্গে পুরোপুরি খাপ খায়, ইউরোপীয় বায়ু পরিষ্কারের নিয়মের সঙ্গে মেলে এবং বিশ্ব স্বাস্থ্য সংস্থার নির্দেশিকার সঙ্গেও খাপ খায়।

কঠিন-অপসারণ খাতগুলিতে জ্বালানি কোষের প্রয়োগ

ভারী যানবাহন: ট্রাক, বাস, ট্রেন এবং সমুদ্রপথের জাহাজ

ভারী ধরনের পরিবহনের ক্ষেত্রে, জ্বালানি কোষগুলি ব্যাটারির পক্ষে যা যথেষ্ট ভাবে মোকাবিলা করা সম্ভব হয় না, এমন কয়েকটি প্রধান সমস্যার সমাধান করে। শক্তি সঞ্চয়ের ক্ষমতা, তাদের পুনরায় পূরণের জন্য কত সময় লাগে এবং যানবাহনের ওজনের উপর তাদের প্রভাব সম্পর্কে চিন্তা করুন। এখন হাইড্রোজেন চালিত ট্রাকগুলি বেশ আলোচিত হচ্ছে। এই বড় ট্রাকগুলি একটি ট্যাঙ্কের জ্বালানি দিয়ে 500 থেকে 800 কিলোমিটার পর্যন্ত যেতে পারে এবং পুনরায় পূরণ করতে সময় লাগে মাত্র বিশ মিনিটের কম—এটি ঐতিহ্যবাহী ডিজেল ইঞ্জিনগুলির সাথে দেখা যায় এমন অবস্থার অনুরূপ। এটি প্রায় তিন থেকে চার টন অতিরিক্ত ওজন যোগ করে এমন বিশাল ব্যাটারি প্যাকগুলি বহন করার চেয়ে অনেক ভাল। চীন, ইউরোপের কয়েকটি অংশ এবং ক্যালিফোর্নিয়ার মতো স্থানগুলিতে প্রায় পাঁচ হাজারের বেশি হাইড্রোজেন বাস চলছে—এই প্রযুক্তি ইতিমধ্যে বিশ্বব্যাপী ছড়িয়ে পড়ছে। এর প্রয়োগ এখন শুধু বাসের মধ্যে সীমাবদ্ধ নেই। জার্মানির কোরাডিয়া iLint ট্রেন একটি উদাহরণ হিসাবে নেওয়া যাক, অথবা নরওয়ের HYDROGEN ফেরি প্রকল্পের উদ্যোগ আরেকটি উদাহরণ। বিশেষ করে বন্দরগুলি উপকৃত হবে, কারণ অধিকাংশ কনটেইনার অপারেশন ডিজেল সরঞ্জামের উপর ভারী ভাবে নির্ভর করে যা বায়ুতে অত্যধিক নাইট্রোজেন অক্সাইড এবং কণার উৎসর্গ করে। ফিউয়েল সেলে রূপান্তর করা ঠিক যেখানে এগুলি ঘটে সেখানে শূন্য নি:সরণ নিশ্চিত করে, যা বন্দর কর্তৃপক্ষগুলিকে 2030 এবং 2050 সালের মধ্যে কার্বন নি:সরণ হ্রাসের জন্য আন্তর্জাতিক সামুদ্রিক সংস্থার কঠোর লক্ষ্যগুলি পূরণ করতে সাহায্য করে।

শিল্প বিদ্যুৎ এবং ব্যাকআপ সিস্টেম: ডিজেল জেনারেটর প্রতিস্থাপন

জ্বালানি কোষগুলি ডেটা কেন্দ্র, হাসপাতাল এবং কারখানার মতো গুরুত্বপূর্ণ অবকাঠামোর জন্য পরিষ্কার এবং নির্ভরযোগ্য বিদ্যুৎ সরবরাহ করে, যেখানে ঐতিহ্যগতভাবে ডিজেল জেনারেটরগুলি ব্যাকআপ পাওয়ার সোর্স হিসাবে কাজ করে। ডিজেল বিকল্পগুলির তুলনায়, এই সিস্টেমগুলি ভবনের ভিতরে বা সংবেদনশীল কার্যক্রমের চারপাশে ক্ষতিকর নাইট্রোজেন অক্সাইড, সালফার ডাই-অক্সাইড বা ক্ষুদ্র কণা নির্গত করে না। এদের নির্মাণ পদ্ধতির কারণে 50 কিলোওয়াটের ছোট ইনস্টলেশন থেকে শুরু করে 3 মেগাওয়াট পর্যন্ত বিশাল সেটআপ পর্যন্ত সহজেই স্কেল করা যায়। এগুলি কতক্ষণ চলবে তা মূলত উপলব্ধ হাইড্রোজেন সরবরাহের উপর নির্ভর করে, সময়ের সাথে সাথে ব্যাটারি ক্ষয় হওয়ার চিন্তার চেয়ে এটি বেশি গুরুত্বপূর্ণ। সংকুচিত হাইড্রোজেন ট্যাঙ্ক থেকে চালিত হলে, বেশিরভাগ ইউনিটই তিন দিনের বেশি সময় ধরে সম্পূর্ণ অপারেশন লোড সামলাতে পারে, যা সাইটে বড় পরিমাণে ডিজেল জ্বালানি সঞ্চয় করার তুলনায় আগুনের ঝুঁকি কমায়। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের শক্তি দপ্তর জানিয়েছে যে গত বছর জ্বালানি কোষ ব্যাকআপ গ্রহণকারী কোম্পানিগুলির সংখ্যা প্রায় 40 শতাংশ বৃদ্ধি পেয়েছে। এই বৃদ্ধি যুক্তিযুক্ত মনে হয় যখন আমরা তাদের 99.999 শতাংশের বেশি অসাধারণ নির্ভরযোগ্যতা হার এবং এই বাস্তবতার দিকে তাকাই যে এখন অনেক কোম্পানি তাদের ব্যবসায়িক সিদ্ধান্তগুলিতে পরিবেশগত, সামাজিক এবং শাসনমূলক লক্ষ্যকে অগ্রাধিকার দেয়।

জ্বালানি কোষ বাস্তুসংস্থান সক্ষম করা: অবস্থাপন, নিরাপত্তা এবং নীতি

হাইড্রোজেন সংরক্ষণ, জ্বালানি পুনর্বহাল অবস্থাপন এবং পরিচালন নিরাপত্তা প্রোটোকল

প্রায়শই ব্যাঙ্ক ভেঙে দেওয়ার মতো নিরাপদ উপায়ে হাইড্রোজেন সরবরাহ করার উপর নির্ভর করে জ্বালানি কোষগুলিকে আকারে তৈরি করা। হাইড্রোজেন সংরক্ষণের তিনটি প্রধান পদ্ধতি রয়েছে: প্রায় 350 থেকে 700 বার চাপে চাপযুক্ত গ্যাস ট্যাঙ্ক, -253 ডিগ্রি সেলসিয়াসে সঞ্চিত অতি শীতল তরল, এবং ধাতব হাইড্রাইড বা বিশেষ অ্যাডসোর্বেন্ট উপকরণ জড়িত নতুন বিকল্প। কোন কাজ করা প্রয়োজন তার উপর নির্ভর করে প্রতিটি পদ্ধতি বিভিন্ন পরিস্থিতিতে ভালো কাজ করে। 2023 এর দিকে এগিয়ে আসার সময় সংখ্যাগুলি দেখলে, গোটা বিশ্বজুড়ে 160 এর বেশি পাবলিক হাইড্রোজেন ফিলিং স্টেশন রয়েছে, যা মূলত ক্যালিফোর্নিয়া, জাপান, দক্ষিণ কোরিয়া এবং জার্মানির কিছু অংশে পাওয়া যায়। কিন্তু ট্রাক এবং বাসের মতো বড় যানবাহনের জন্য এই অবকাঠামো প্রসারিত করার ক্ষেত্রে, জিনিসগুলি দ্রুত জটিল হয়ে যায়। একটি ভালো আকারের স্টেশন নির্মাণের জন্য সাধারণত দু' থেকে তিন মিলিয়ন ডলার খরচ হয়, যার মধ্যে পারমিটের জন্য প্রয়োজনীয় সমস্ত কাগজপত্র এবং বিদ্যুৎ সংযোগ করার জন্য বিদ্যমান পাওয়ার গ্রিডে সংযোগ করা অন্তর্ভুক্ত নেই, যা আরও একটি জটিলতার স্তর যোগ করে যা কেউ মোকাবেলা করতে চায় না।

আন্তর্জাতিকভাবে সামঞ্জস্যপূর্ণ প্রকৌশল মানগুলির মধ্যে নিরাপত্তা নিশ্চিত করা হয়—বিশেষ করে ISO/TS 15916, SAE J2601 এবং ইউরোপীয় হাইড্রোজেন নিরাপত্তা হ্যান্ডবুক। এগুলি নিম্নলিখিত বিষয়গুলি আবশ্যিক করে:

• 10,000 এর বেশি চাপ চক্র এবং বুলেটের আঘাত সহ্য করার জন্য প্রমাণিত কম্পোজিট হাইড্রোজেন ট্যাংক
• স্বয়ংক্রিয় ফাঁস শনাক্তকরণ, তাপীয় শাটঅফ এবং চাপ-মুক্তি ডিভাইস সম্বলিত জ্বালানি পূরণ নোজল
• এমন আবদ্ধ সুবিধার ভেন্টিলেশন যা হাইড্রোজেন ঘনত্ব 1% নিম্ন দহনশীলতা সীমার নিচে রাখে

ইউরোপের H2 Mobility কর্মসূচির মতো উদ্যোগগুলি থেকে বাস্তব-জীবনের বৈধতা পাওয়া যায়, যা 29টি স্টেশনের মধ্যে প্রোটোকলগুলি আদর্শ করে—আন্তঃক্রিয়াশীলতা, নিরাপত্তা এবং ব্যবহারকারী আস্থার মতো বিষয়গুলি প্রদর্শন করে যা ব্যাপকীয় গ্রহণের জন্য প্রয়োজনীয়

কার্বন নিরপেক্ষতার পথে ফুয়েল সেল

কার্বন নিরপেক্ষ অর্থনীতির খোঁজে জ্বালানি কোষগুলি এমন একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে, যেখানে ঐতিহ্যবাহী বৈদ্যুতিকরণ কেবল কাজে আসে না। এই সিস্টেমগুলি তড়িৎ বিশ্লেষণের মাধ্যমে নবায়নযোগ্য উৎস থেকে তৈরি সবুজ হাইড্রোজেন নেয় এবং তাকে বিদ্যুতে রূপান্তরিত করে, শুধুমাত্র জলীয় বাষ্প উৎপাদন করে। এর অর্থ হল CO₂ নি:সরণ নেই, নাইট্রোজেন অক্সাইড নেই এবং নিশ্চিতভাবেই কোনও ক্ষতিকর কণা বাতাসে মুক্ত হয় না। যে কারণে এগুলি আসলে আকর্ষণীয় তা হল কীভাবে এগুলি নবায়নযোগ্য শক্তির উৎসের সাথে কাজ করে। যখন সৌর বা বাতাসের শক্তির অতিরিক্ত উৎপাদন হয়, তখন এটি নষ্ট না করে আমরা সেই অতিরিক্ত শক্তিকে হাইড্রোজেন হিসাবে সঞ্চয় করতে পারি। পরে, যখন চাহিদা বেড়ে যায়, আমরা কেবল সঞ্চিত হাইড্রোজেনকে আবার বিদ্যুতে রূপান্তরিত করি। এই পদ্ধতিটি আমাদের বিদ্যুৎ গ্রিডগুলিকে আরও স্থিতিস্থাপক করতে সাহায্য করে, যা সেইসব পুরনো জীবাশ্ম জ্বালানির ব্যাকআপ প্ল্যান্টগুলির উপর নির্ভরশীল হওয়া এড়ায় যাদের সবাই ধাপে ধাপে বন্ধ করতে চায়।

হাইড্রোজেনকে একটি প্রধান উপাদান হিসাবে বিশ্ব বাস্তবিক অর্থ বিনিয়োগ করছে: আন্তর্জাতিক শক্তি সংস্থা অনুসারে, ২০৩০ সালের মধ্যে হাইড্রোজেন অবকাঠামোর জন্য প্রায় ১০০ বিলিয়ন ডলার প্রতিশ্রুত হয়েছে। জ্বালানি কোষের মূল্যও দৃষ্টগোচরভাবে কমেছে, ২০১৫ সাল থেকে প্রায় ৬০% কমেছে কারণ উৎপাদনের পরিমাণ বৃদ্ধি এবং উন্নত অনুঘটক উপকরণ ব্যবহার। সরকারি নীতিগুলি ধীরে ধীরে অগ্রগতি লাভ করছে। সদ্য মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের ইনফ্লেশন রিডাকশন অ্যাক্ট যা পরিষ্কার হাইড্রোজেনের জন্য প্রতি কিলোগ্রাম ৩ ডলার কর ছাড় প্রদান করে, এবং ইউরোপীয় ইউনিয়নের আপডেট নবানিক শক্তি নির্দেশিকা নিয়ে বিবেচনা করা যাক। এই পরিবর্তনগুলি জ্বালানি কোষের ক্ষেত্রে এমন অবস্থা তৈরি করেছে যেখানে এগুলি আর শুধু পরীক্ষামূলক নয়, বরং নিয়মিত অবকাঠামোর অংশ হয়ে উঠছে। এগিয়ে তাকালে, অনুমান করা হয় যে এই ধরনের সিস্টেমগুলি এমন খাতগুলির প্রায় ১৫% শক্তির চাহিদা পূরণ করতে পারে যেখানে নি:স্নান হ্রাস করা খুবই কঠিন। এটি নেট জিরো লক্ষ্য অর্জনের জন্য এগুলিকে বেশ গুরুত্বপূর্ণ করে তোলে, যদিও এগুলি যে সার্বজনীনভাবে ছড়িয়ে পড়ে সে পর্যন্ত আরও কাজ করা বাকি আছে।

FAQ

জ্বালানি কোষ কী?
একটি ফুয়েল সেল হল এমন একটি যন্ত্র যা হাইড্রোজেনের রাসায়নিক শক্তিকে অক্সিজেনের সাথে একটি তড়িৎ-রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে তড়িৎ শক্তিতে রূপান্তরিত করে।

ফুয়েল সেল কি নির্গমন তৈরি করে?
ফুয়েল সেল প্রধানত জলীয় বাষ্প উপজাত হিসাবে উৎপাদন করে এবং CO2, NOx বা কণিকা সহ নিয়ন্ত্রিত দূষণকারী পদার্থ নি:সরণ করে না।

কি ফুয়েল সেল পরিবহনে ব্যবহার করা যেতে পারে?
হ্যাঁ, ফুয়েল সেল ক্রমবর্ধমানভাবে ভারী যানবাহনের ক্ষেত্রে, যেমন ট্রাক, বাস, ট্রেন এবং সামুদ্রিক জাহাজগুলিতে ব্যবহৃত হয়।

হাইড্রোজেন ব্যবহারের নিরাপত্তা ব্যবস্থা কী কী?
নিরাপত্তা ব্যবস্থা সার্টিফাইড হাইড্রোজেন ট্যাঙ্ক, ফাঁস সনাক্তকরণ সিস্টেম এবং হাইড্রোজেনের ঘনত্ব নিরাপদ রাখার জন্য উপযুক্ত ভেন্টিলেশন অন্তর্ভুক্ত করে।