ईंधन सेल दक्षता और मुख्य प्रदर्शन मापदंडों की समझ

प्रमुख ईंधन सेल दक्षता मापदंड (40–60%) और उनके वास्तविक दुनिया के प्रभाव

अधिकांश वाणिज्यिक ईंधन सेल लगभग 40 से 60 प्रतिशत दक्षता पर काम करते हैं, जो इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं के माध्यम से हाइड्रोजन की भंडारित रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। पारंपरिक दहन इंजनों को अधिकतम दक्षता को सीमित करने वाले कार्नोट चक्र की समस्या होती है, जबकि ईंधन सेल संचालन के दौरान तापीय ऊर्जा को बर्बाद न करके इस समस्या से बच जाते हैं। ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFCs) को उदाहरण के रूप में लें—इन उन्नत इकाइयों की दक्षता ऊष्मा और बिजली के संयुक्त उत्पादन के सेटअप में 85% तक पहुँच जाती है, जैसा कि पिछले वर्ष एनर्जी कन्वर्शन रिसर्च में प्रकाशित हालिया शोध में उल्लेखित है। लागत कम करने की तलाश में ऑपरेटरों के लिए इन संख्याओं का वास्तविक दुनिया प्रभाव बहुत महत्वपूर्ण है। भारी उपयोग के अनुप्रयोगों में दक्षता में मात्र 10% की वृद्धि प्रति किलोवाट घंटे में लगभग 1.2 किलोग्राम हाइड्रोजन की बचत के बराबर होती है, जिसका अर्थ है समय के साथ कम ईंधन बिल और कम पर्यावरणीय निशान।

विभिन्न संचालन स्थितियों के तहत ईंधन सेल ध्रुवीकरण वक्रों की व्याख्या

ध्रुवीकरण वक्र मूल रूप से यह दर्शाते हैं कि जब धारा घनत्व बढ़ता है, तो वोल्टेज में गिरावट के कारण क्या होता है, जो तीन मुख्य कारकों—सक्रियण हानि, ओमिक प्रतिरोध और सांद्रता प्रभाव—के कारण होता है। उदाहरण के लिए, लगभग 0.6 एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर पर एक PEM ईंधन सेल लें, इसमें वास्तव में सैद्धांतिक रूप से अपेक्षित वोल्टेज का लगभग 30% खो देता है, जिससे पूरे सिस्टम की दक्षता लगभग 18% तक कम हो जाती है। इन प्रणालियों पर काम करने वाले इंजीनियरों के लिए, ध्रुवीकरण वक्र वर्ग सेंटीमीटर प्रति वाट में मापे गए शक्ति आउटपुट और अच्छी दक्षता के स्तर को बनाए रखने के बीच सही संतुलन खोजने के लिए वास्तव में महत्वपूर्ण उपकरण बन जाते हैं। यह विद्युत वाहनों में बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि वे लगातार बदलती शक्ति की मांग का सामना करते हैं और विभिन्न ड्राइविंग स्थितियों के तहत दक्षता बनाए रखने के लिए तत्काल समायोजन की आवश्यकता होती है।

ईंधन सेल में अतिविभव का विश्लेषण और प्रदर्शन हानि का मॉडलिंग

ऊर्जा कोष में दक्षता हानि के प्राथमिक कारण अतिविभव हैं। निम्न धारा में सक्रियण हानि प्रभावी होती है, ओमीय हानि धारा के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है, और उच्च भार पर अभिकारकों की कमी के कारण सांद्रता हानि उत्पन्न होती है। उन्नत मॉडल इन प्रभावों को मात्रात्मक रूप से मापते हैं:

• सक्रियण : 150–300 mV गिरावट (20–40% दक्षता हानि)
• ओमीय : 50–120 mV गिरावट (7–16% हानि)
• एकाग्रता : अधिकतम 200 mV गिरावट (27% हानि)

इन घटकों को समझने से ऊर्जा कोष के विभिन्न संरचनाओं में सटीक निदान और डिजाइन में सुधार संभव होता है।

ईंधन सेल की शक्ति आउटपुट और दक्षता को प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण पैरामीटर

चार प्रमुख चर 92% दक्षता भिन्नता के लिए जिम्मेदार हैं:

1. तापमान : SOFCs को 600–900°C सीमा के भीतर प्रत्येक 10°C वृद्धि पर लगभग 0.5% दक्षता प्राप्त होती है
2. दबाव : कैथोडिक दबाव को दोगुना करने से PEMFC आउटपुट में 16% की वृद्धि होती है
3. आर्द्रता : आपेक्षिक आर्द्रता 80% से नीचे गिरने पर झिल्ली की चालकता में 35% की कमी आती है
4. उत्प्रेरक भार : प्लैटिनम की मात्रा 0.4 मिलीग्राम/वर्ग सेमी से घटाकर 0.1 मिलीग्राम/वर्ग सेमी करने से सामग्री लागत में 60% की कमी आती है, लेकिन सक्रियण हानि में 22% की वृद्धि होती है

सिस्टम डिजाइनर अक्सर स्थिर स्थापनाओं में शीर्ष शक्ति के बजाय दक्षता को प्राथमिकता देने के लिए संवेदनशीलता विश्लेषण का उपयोग करते हैं, जहाँ अल्पकालिक प्रतिक्रिया की आवश्यकताओं से लंबे समय तक प्रदर्शन अधिक महत्वपूर्ण होता है।

विभिन्न प्रकार के ईंधन सेल और उनकी सिस्टम-स्तरीय दक्षता की तुलना

PEMFC, SOFC, और MCFC प्रौद्योगिकियों की दक्षता की तुलना

ईंधन सेल कितने कुशल होते हैं, यह बहुत कुछ इस बात पर निर्भर करता है कि हम किस प्रकार की बात कर रहे हैं। पीईएमएफसी (PEMFC), जो प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली वाले होते हैं, आमतौर पर विद्युत दृष्टि से लगभग 40 से 60 प्रतिशत दक्षता तक पहुँचते हैं। इन्हें आमतौर पर कारों और छोटे उपकरणों में पाया जाता है जो लोग अपने साथ ले जाते हैं। फिर ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) होते हैं जो लगभग 45 से 65 प्रतिशत दक्षता के साथ काफी अच्छा प्रदर्शन करते हैं, लेकिन केवल स्थिर स्थापनाओं जैसे बिजली संयंत्रों में। एमसीएफसी (MCFC), जो गलित कार्बोनेट प्रकार के होते हैं, 50 से 60 प्रतिशत के बीच समान विद्युत दक्षता संख्या प्राप्त करते हैं। इन्हें खास बनाता है तब है जब वे संयुक्त ऊष्मा और बिजली मोड में चलते हैं, जहाँ समग्र दक्षता 85 प्रतिशत से अधिक छलांग लगाती है, जो उनकी अत्यधिक गर्म संचालन स्थितियों के कारण होती है जो लगभग 600 से 700 डिग्री सेल्सियस के बीच होती है। इन विभिन्न प्रौद्योगिकियों की तुलना आमने-सामने करने के इच्छुक लोगों के लिए, सभी प्रमुख विनिर्देशों और प्रदर्शन मापदंडों के लिए निम्नलिखित तालिका देखें।

SOFC को नैसर्गिक गैस जैसे हाइड्रोकार्बन ईंधन को आंतरिक रूप से पुनः आकृति देने की उनकी क्षमता के कारण निरंतर संचालन में उत्कृष्ट प्रदर्शन के लिए 2024 फ्यूल सेल दक्षता रिपोर्ट में उल्लेखित किया गया है।

विभिन्न ईंधन सेल प्रकारों में झिल्ली और आयन चालकता के अंतर

आयनों के चारों ओर गति करने का तरीका प्रणाली की दक्षता के मामले में सब कुछ बदल देता है। उदाहरण के लिए PEMFCs लें—ये ईंधन सेल प्रोटॉन के संचालन के लिए गीली पॉलिमर झिल्लियों पर निर्भर करते हैं, जिसका अर्थ है कि चीजों को अच्छी तरह से नम रखना पूरी तरह से महत्वपूर्ण है। यदि आर्द्रता 30% से नीचे गिर जाती है, तो प्रदर्शन में 20% से अधिक की गिरावट आ जाती है। अब SOFCs पर विचार करें—इनके इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के रूप में यीट्रिया स्थिरीकृत ज़िरकोनिया नामक कुछ चीज का उपयोग होता है। ये उच्च तापमान पर ऑक्सीजन आयन परिवहन के लिए बने होते हैं, इसलिए अब पानी प्रबंधन की चिंता करने की आवश्यकता नहीं होती। लेकिन सौदे का नुकसान? वे कुछ उपयोगी कार्य करने से पहले गर्म होने में हमेशा के लिए समय लेते हैं। MCFCs पूरी तरह से एक अलग रास्ता अपनाते हैं, जो कार्बोनेट आयनों को आसानी से ले जाने के लिए गलित कार्बोनेट लवण का उपयोग करते हैं। यह व्यवस्था उन्हें पहले बाहरी प्रसंस्करण की आवश्यकता के बिना मीथेन का आंतरिक रूप से पुनर्गठन करने की अनुमति देती है। एक अतिरिक्त लाभ के रूप में, वे उन कम तापमान वाले विकल्पों की तुलना में 15 से 20 प्रतिशत अधिक ईंधन उपयोग करने में सफल होते हैं।

ईंधन सेल प्रणालियों (FCS) के तंत्र-स्तरीय दक्षता विश्लेषण

कुल प्रणाली दक्षता सहायक घटकों पर निर्भर करती है:

• ईंधन रिफॉर्मर प्राकृतिक गैस को 85–92% दक्षता के साथ हाइड्रोजन में परिवर्तित करते हैं
• उन्नत तापीय प्रबंधन सहायक भार को 8–12% तक कम कर देता है
• सिलिकॉन-कार्बाइड आधारित पावर इलेक्ट्रॉनिक्स 97% डीसी/एसी रूपांतरण दक्षता प्राप्त करते हैं

ऊष्मा रिकवरी के साथ एकीकृत होने पर, SOFC प्रणालियाँ 75–80% कुल ऊर्जा दक्षता तक पहुँच जाती हैं, जो अकेले PEMFC प्रणालियों (55–60%) की तुलना में काफी बेहतर है, जैसा कि बड़े पैमाने पर ग्रिड स्थिरता अध्ययनों में दर्शाया गया है। उच्च पूंजीगत लागत के बावजूद ($3,100–$4,500/किलोवाट बनाम PEMFC के लिए $1,800–$2,400/किलोवाट), यह SOFC को आधारभूत शक्ति उत्पादन के लिए आदर्श बनाता है।

ईंधन सेल प्रदर्शन में सुधार के लिए उन्नत सामग्री

ईंधन सेल दक्षता में सुधार के लिए उत्प्रेरकों (प्लैटिनम, नैनो उत्प्रेरक) की भूमिका

उत्प्रेरकों की लागत इन प्रणालियों के निर्माण में लगने वाली लागत का लगभग 35 से 45 प्रतिशत होती है, और वे मूल रूप से यह नियंत्रित करते हैं कि अभिक्रियाएँ कितनी तेज़ी से होती हैं। PEMFC प्रौद्योगिकी में प्लैटिनम अभी भी प्रमुख है, जो पिछले साल की DOE रिपोर्ट के अनुसार प्रति वर्ग सेंटीमीटर 5 से 7 mA के बीच की धारा घनत्व उत्पन्न करता है। लेकिन वर्तमान में नैनो उत्प्रेरकों के साथ कुछ रोमांचक खोजें हो रही हैं। इन नए सामग्रियों से निर्माता प्रोटॉन विनिमय प्रक्रिया में बिना किसी बाधा के प्लैटिनम के उपयोग में लगभग दो तिहाई की कमी कर सकते हैं। कुछ हालिया अध्ययनों में पाया गया है कि ग्रेफीन के साथ आइरिडियम को मिलाने से ऑक्सीजन अपचयन अभिक्रिया के प्रदर्शन में सामान्य प्लैटिनम की तुलना में लगभग एक पाँचवाँ (20%) सुधार होता है। ऐसी प्रगति वास्तव में निर्माण लागत को कम करने और ईंधन सेल के जीवनकाल को बढ़ाने में मदद कर सकती है।

उच्च आयन चालकता के लिए इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट डिज़ाइन में नवाचार

नए बहु-परत इलेक्ट्रोड डिज़ाइन 80 डिग्री सेल्सियस के आसपास संचालित होने पर 0.15 से 0.22 S/cm के बीच आयन चालकता के शानदार स्तर तक पहुँच रहे हैं, जो पारंपरिक इलेक्ट्रोड संरचनाओं में देखे जाने वाले स्तर से लगभग 40 प्रतिशत अधिक है। सल्फोनेटेड पॉलीइथर ईथर कीटोन, जिसे आमतौर पर SPEEK के नाम से जाना जाता है, से बने संयुक्त झिल्लियों के मामले में भी उल्लेखनीय परिणाम देखे गए हैं। ये सामग्री हाइड्रोजन क्रॉसओवर को लगभग 85 प्रतिशत तक कम कर देती हैं, जबकि उनकी मोटाई लगभग 90 माइक्रोमीटर पर ही बनी रहती है। यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी के लोगों ने पाया है कि 1.5 एम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर की धारा घनत्व पर इस तरह के सुधारों को लागू करने से लगभग 300 मिलीवोल्ट तक ओमिक नुकसान कम हो सकता है। इस तरह के कमी से इन प्रणालियों के समग्र प्रदर्शन में वास्तविक अंतर आता है।

लागत और प्रदर्शन का संतुलन: धातु उत्प्रेरक के बदले-बदले

प्लैटिनम नैनोकणों को आयरन-नाइट्रोजन-कार्बन ढांचे के साथ जोड़कर बनाए गए संकर उत्प्रेरक 58% तक सामग्री लागत कम करते हैं और औद्योगिक परिस्थितियों में 12,000 घंटे से अधिक तक संचालन आयु बढ़ाते हुए आधारभूत दक्षता का 91% बनाए रखते हैं, जो 2024 के सामग्री परीक्षणों पर आधारित है।

ईंधन सेल दक्षता को अधिकतम करने के लिए संचालन स्थितियों का अनुकूलन

ईंधन सेल प्रदर्शन पर तापमान और दबाव का प्रभाव

इन प्रणालियों के कार्य करने की दक्षता के संदर्भ में, ऊष्मा और दबाव का सही संतुलन प्राप्त करना सब कुछ बदल देता है। विशेष रूप से PEMFCs के लिए, चीजों को लगभग 60 से 80 डिग्री सेल्सियस के आसपास रखने से प्रोटॉन को प्रणाली के माध्यम से बेहतर ढंग से जाने में मदद मिलती है, साथ ही झिल्लियों को सूखने से भी रोका जाता है। हालाँकि, जब तापमान 90 डिग्री से अधिक हो जाता है, तो हमें समस्याएँ दिखने लगती हैं। उच्च तापमान पर जलयोजन में लगभग 30 से 40 प्रतिशत की कमी आ जाती है, जिसका अर्थ है कि आयनों के घूमने में कठिनाई होती है। दबाव के मामले में, कैथोड दबाव को लगभग 2 या 3 बार तक बढ़ाने से ऑक्सीजन को अपने गंतव्य तक तेजी से पहुँचने में मदद मिलती है, जिससे हमें 15 से 20 प्रतिशत के बीच शक्ति उत्पादन में अच्छी वृद्धि प्राप्त होती है। पिछले वर्ष प्रकाशित कुछ अनुसंधान में एक बहुत ही दिलचस्प बात सामने आई। शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि जब उन्होंने अच्छे तापमान प्रबंधन के साथ पर्याप्त अतिरिक्त दबाव को जोड़ा, तो 2024 के 'एप्लाइड एनर्जी' जर्नल के निष्कर्षों के अनुसार, कार अनुप्रयोगों में वोल्टेज हानि लगभग एक चौथाई तक कम हो गई।

शिखर दक्षता के लिए इष्टतम कैथोडिक दबाव और वायु प्रवाह दर (μL/मिनट)

PEMFC कैथोड की बात करें, तो लगभग 2.1 बार दबाव पर 550 से 650 माइक्रोलीटर प्रति मिनट के बीच वायु प्रवाह दर सेट करने से ऑक्सीजन की पर्याप्त आपूर्ति और संपीड़न पर अत्यधिक ऊर्जा व्यय न करने के बीच एक अच्छा संतुलन बन जाता है। सच तो यह है कि संपीड़क पहले से ही इन प्रणालियों में कुल शक्ति का 8% से 12% तक उपयोग कर लेते हैं। यदि ऑपरेटर 750 माइक्रोलीटर प्रति मिनट से अधिक पर जाते हैं, तो उन्हें प्रदर्शन में वास्तविक सुधार के संदर्भ में बहुत कम लाभ मिलता है, लेकिन ऊर्जा लागत अधिक देखने को मिलती है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने यह पाया है कि जब तकनीशियन दबाव स्तर और वायु प्रवाह दोनों को एक साथ समायोजित करते हैं, तो एक समय में एक पैरामीटर बदलने की तुलना में इस दृष्टिकोण से प्रणाली की समग्र दक्षता में लगभग 4 प्रतिशत अंकों की वृद्धि होती है। पिछले साल ScienceDirect पर प्रकाशित एक अध्ययन इन निष्कर्षों का समर्थन करता है और ईंधन सेल संचालन के लिए समन्वित समायोजन के इतने महत्व पर प्रकाश डालता है।

पीईएम ईंधन सेल में आर्द्रता और अभिकारक आपूर्ति का प्रबंधन

सटीक आर्द्रता नियंत्रण आवश्यक है: 40% आरएच से नीचे, प्रोटॉन चालकता तेजी से गिर जाती है, जबकि 85% आरएच से ऊपर, गैस विसरण परतों में जलावस्था हो जाती है। 5,000 घंटे के संचालन में स्वचालित आर्द्रता और वास्तविक समय में अभिकारक निगरानी से प्रदर्शन ह्रास में 42% की कमी आती है।

निरंतर शक्ति आउटपुट के लिए नियंत्रण रणनीतियाँ और वास्तविक समय में अनुकूलन

ईंधन सेल प्रणालियों में अधिकतम शक्ति बिंदु ट्रैकिंग (MPPT) विधियाँ

अधिकतम शक्ति बिंदु ट्रैकिंग या MPPT एल्गोरिदम काम करते हैं लगातार इस बात को समायोजित करके कि कितनी बिजली निकाली जा रही है, ताकि हमें संभवतः अधिकतम शक्ति प्राप्त हो, भले ही हमारे आसपास की परिस्थितियाँ बदल जाएँ। पुराने स्कूल की विधि जिसे पर्टर्ब एंड ऑब्ज़र्व कहा जाता है, वास्तव में काफी अच्छा प्रदर्शन करती है, और जब परिस्थितियाँ बहुत तेज़ी से नहीं बदल रही होतीं, तो लगभग 92 से 94 प्रतिशत दक्षता प्राप्त कर लेती है। लेकिन पिछले वर्ष जर्नल ऑफ पावर सोर्सेज में प्रकाशित शोध के अनुसार, न्यूरल नेटवर्क्स को शामिल करने वाले नए सिस्टम तभी भी 97% से ऊपर की दक्षता बनाए रखते हैं जब भार अचानक बदलता है। इन स्मार्ट नियंत्रकों को वास्तव में मूल्यवान बनाने वाली बात यह है कि वे उन वोल्टेज स्पाइक्स और गिरावटों को संभालने की क्षमता रखते हैं जो हाइड्रोजन दबाव स्तरों में बदलाव के कारण होते हैं और संचालन के दौरान झिल्लियों के सूखने लगने पर होते हैं।

गतिशील दक्षता अनुकूलन के लिए उन्नत नियंत्रण एल्गोरिदम

आधुनिक नियंत्रण प्रणालियाँ मॉडल पूर्वानुमान नियंत्रण को फ़ज़ी तर्क के साथ एकीकृत करती हैं ताकि दक्षता, शक्ति घनत्व और दीर्घायु के बीच संतुलन बनाया जा सके। एक 2023 के अध्ययन में पीईएमएफसी में वास्तविक समय के स्टैक तापमान डेटा के साथ वायु प्रवाह दरों को सिंक्रनाइज़ करके 18% दक्षता लाभ प्रदर्शित किया गया। ये एल्गोरिदम एक साथ इनका अनुकूलन करते हैं:

• कैथोड दबाव (1.2–2.1 बार)
• आर्द्रता (80–95% आरएच)
• हाइड्रोजन स्टॉइकियोमेट्री (1.1–1.3 अनुपात)

इस समग्र दृष्टिकोण से गतिशील संचालन स्थितियों के तहत स्थिर प्रदर्शन सुनिश्चित होता है।

वास्तविक समय में निगरानी और अनुकूली फीडबैक लूप का एकीकरण

डिजिटल ट्विन्स उन छोटे आईओटी सेंसर के कारण 5 मिलीसेकंड से भी कम समय में समस्याओं पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं जो सीधे सिस्टम में बने होते हैं, साथ ही कुछ गंभीर एज कंप्यूटिंग शक्ति के कारण। वास्तविक दुनिया के परीक्षणों से पता चलता है कि जब इन सिस्टमों में वे स्मार्ट फीडबैक लूप चल रहे होते हैं, तो 700 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर काम कर रहे ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल के लिए प्रदर्शन संबंधी समस्याएं लगभग 40% तक कम हो जाती हैं। इस सबका प्रबंधन करने वाले नियंत्रक केवल कुछ चरों का ही प्रबंधन नहीं कर रहे होते, वे एक साथ बारह या अधिक मापदंडों को संभाल रहे होते हैं। ये उन्नत सिस्टम झिल्लियों में कितना तनाव बनता है, इसकी भविष्यवाणी काफी शानदार सटीकता के साथ करते हैं—लगभग 94% बार। और इसका अर्थ है पुराने सिस्टमों में आने वाली उन तमाम परेशान करने वाली विश्वसनीयता की समस्याओं के बिना निरंतर बिजली उत्पादन।

सामान्य प्रश्न

व्यावसायिक ईंधन सेल की आम दक्षता सीमा क्या होती है?

अधिकांश व्यावसायिक ईंधन सेल लगभग 40 से 60 प्रतिशत दक्षता पर काम करते हैं।

ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) की दक्षता पर तापमान का क्या प्रभाव पड़ता है?

600–900°C की सीमा में प्रत्येक 10°C वृद्धि के साथ एसओएफसी (SOFCs) लगभग 0.5% दक्षता प्राप्त करते हैं।

ईंधन सेल प्रणालियों में अधिकतम शक्ति बिंदु ट्रैकिंग (MPPT) क्या है?

एमपीपीटी (MPPT) एल्गोरिदम परिस्थितियों में परिवर्तन के बावजूद शक्ति उत्पादन को अधिकतम करने के लिए बिजली प्रवाह को समायोजित करते हैं।

ईंधन सेल में उत्प्रेरकों की क्या भूमिका होती है?

प्लैटिनम जैसे उत्प्रेरक अभिक्रिया दर को नियंत्रित करते हैं और कुल निर्माण लागत का 35 से 45 प्रतिशत योगदान देते हैं।