ईंधन सेल कैसे काम करते हैं: इलेक्ट्रोकेमिकल रूपांतरण और शून्य-उत्सर्जन संचालन

मूल इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया: हाइड्रोजन ऑक्सीकरण और ऑक्सीजन अपचयन

ईंधन सेल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के बीच एक रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करके बिजली पैदा करते हैं, और महत्वपूर्ण बात यह है कि वे इसे कुछ भी जलाए बिना करते हैं। जब हाइड्रोजन एनोड के पक्ष पर पहुँचती है, तो ज्यादातर प्लैटिनम से बने एक उत्प्रेरक के कारण वह प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन में विघटित हो जाती है। इलेक्ट्रॉन सेल के बाहर तारों के साथ चले जाते हैं, जिससे विद्युत धारा बनती है जिसे हम वास्तव में ऊर्जा के लिए उपयोग कर सकते हैं। इस बीच, वे प्रोटॉन सेल के दूसरे पक्ष पर जाने के लिए प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (या संक्षिप्त में PEM) नामक कुछ के माध्यम से फिसल जाते हैं। एक बार वहाँ कैथोड पर पहुँचने के बाद, ये प्रोटॉन ऑक्सीजन अणुओं और सर्किट से वापस आए इलेक्ट्रॉनों से मिलते हैं। इस तरह वे साथ मिलकर एकमात्र साफ पानी का उत्पादन करते हैं। यह पूरी प्रक्रिया इतनी कुशलता से काम करती है क्योंकि यह पारंपरिक इंजनों की तरह ऊष्मा स्थानांतरण पर निर्भर नहीं करती है। परिणामस्वरूप, PEM ईंधन सेल आमतौर पर अपनी इनपुट ऊर्जा के आधे से दो-तिहाई भाग को सीधे बिजली में परिवर्तित कर देते हैं। यह उससे लगभग दोगुना है जो अधिकांश गैसोलीन से चलने वाले वाहन प्राप्त कर पाते हैं, क्योंकि उनकी कार्यक्षमता कार्नोट चक्र नामक मूल ऊष्मागतिकी सिद्धांतों द्वारा सीमित होती है।

मुख्य फायदे ये हैं:

• सहायक तंत्रों के अलावा कोई गतिशील भाग न होने के कारण लगभग ध्वनिहीन संचालन
• ईंधन और ऑक्सीकारक की आपूर्ति बनी रहने तक निरंतर शक्ति उत्पादन
• मॉड्यूलर स्केलेबिलिटी—किलोवाट स्तर के पोर्टेबल इकाइयों से लेकर मल्टी-मेगावाट स्थिर संयंत्रों तक

बैटरियों के विपरीत, ईंधन सेल ऊर्जा परिवर्तक हैं, भंडारण उपकरण नहीं—जिससे चार्जिंग के बाधा के बिना लगातार संचालन की सुविधा मिलती है।

ईंधन सेल केवल पानी क्यों उत्सर्जित करते हैं — कोई CO₂, NO₂ या कणिकाएं नहीं

ईंधन सेल कुछ भी उत्सर्जित नहीं करते हैं जिसे विनियमित किया जाता है, क्योंकि वे चीजों को जलाने के बजाय इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं के माध्यम से काम करते हैं। हाइड्रोजन में कार्बन नहीं होता है, जिसका अर्थ है कि संचालन के दौरान CO2 बनने का कोई तरीका नहीं है। इसके अलावा, प्रतिक्रियाएं अधिकतम लगभग 100 डिग्री सेल्सियस पर होती हैं, जो 1,300 डिग्री के नाइट्रोजन ऑक्साइड बनने के स्तर से बहुत दूर है। आग का भी कोई संबंध नहीं होता है, इसलिए धुंध, राख और वायु प्रदूषण करने वाले वे परेशान करने वाले अप्रज्वलित हाइड्रोकार्बन खत्म हो जाते हैं। जो कुछ भी निकलता है? मूल रूप से केवल शुद्ध जल वाष्प, जिसे कभी-कभी औद्योगिक प्रक्रियाओं में एकत्र और पुन: उपयोग किया जाता है। इसीलिए ये प्रणालियां आंतरिक स्थानों, भीड़-भाड़ वाले शहरी क्षेत्रों या वायु गुणवत्ता मानकों के प्रति संवेदनशील कहीं भी इतनी अच्छी तरह से काम करती हैं। वे EPA की सिफारिशों में बिल्कुल फिट बैठती हैं, यूरोपीय स्वच्छ वायु नियमों के अनुरूप हैं, और विश्व स्वास्थ्य संगठन के दिशानिर्देशों को भी पूरा करती हैं।

कठिन-उत्सर्जन क्षेत्रों में ईंधन सेल के अनुप्रयोग

भारी वाहन परिवहन: ट्रक, बसें, रेलगाड़ियां और समुद्री जहाज

भारी ढंग से परिवहन की बात आने पर, ईंधन सेल उन कुछ प्रमुख समस्याओं को दूर करते हैं जिन्हें बैटरियाँ पर्याप्त रूप से संभाल नहीं पातीं। ऊर्जा भंडारण क्षमता, उन्हें फिर से भरने में लगने वाला समय, और वाहन के वजन पर इसके प्रभाव के बारे में सोचें। हाइड्रोजन से चलने वाले ट्रक अभी भी बड़ी खबर बन रहे हैं। इन बड़े ट्रकों को एक बार ईंधन भरने पर 500 से 800 किलोमीटर तक की दूरी तय कर सकते हैं, और ईंधन भरने में सीधे-सीधे 20 मिनट से भी कम का समय लगता है—जो पारंपरिक डीजल इंजन के समान ही है। यह उन विशाल बैटरी पैक को ले जाने से कहीं बेहतर है जो लगभग तीन से चार टन अतिरिक्त वजन जोड़ देंगे। हम पहले से ही देख रहे हैं कि यह तकनीक दुनिया भर में फैल रही है, जहाँ चीन, यूरोप के कुछ हिस्सों और कैलिफोर्निया जैसे स्थानों में 5,000 से अधिक हाइड्रोजन बसें संचालित हो रही हैं। अनुप्रयोग केवल बसों तक सीमित नहीं रह रहे। जर्मनी की कोराडिया iLint ट्रेन एक उदाहरण है, या नॉर्वे के HYDROGEN फेरी परियोजना के प्रयास एक अन्य उदाहरण हैं। खासकर बंदरगाहों को फायदा होने वाला है क्योंकि अधिकांश कंटेनर संचालन डीजल उपकरणों पर भारी निर्भरता रखते हैं जो हवा में बहुत अधिक नाइट्रोजन ऑक्साइड और कणिका पदार्थ छोड़ते हैं। ईंधन सेल पर स्विच करने का अर्थ है शून्य उत्सर्जन ठीक उसी जगह जहाँ वे होते हैं, जो बंदरगाह अधिकारियों को 2030 और 2050 तक कार्बन उत्सर्जन कम करने के लिए अंतर्राष्ट्रीय समुद्री संगठन के कठिन लक्ष्यों को प्राप्त करने में मदद करता है।

औद्योगिक शक्ति और बैकअप प्रणाली: डीजल जनरेटर का प्रतिस्थापन

ईंधन सेल उन महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचों के लिए स्वच्छ और विश्वसनीय बिजली प्रदान करते हैं, जैसे डेटा केंद्र, अस्पताल और कारखाने, जहां पारंपरिक रूप से डीजल जनरेटर बैकअप बिजली स्रोत के रूप में काम करते आए हैं। डीजल विकल्पों की तुलना में, ये प्रणाली भवनों के अंदर या संवेदनशील संचालन के आसपास हानिकारक नाइट्रोजन ऑक्साइड, सल्फर डाइऑक्साइड या सूक्ष्म कणों को छोड़ती नहीं हैं। इनके निर्माण के तरीके के कारण इन्हें 50 किलोवाट की छोटी स्थापनाओं से लेकर 3 मेगावाट तक की विशाल स्थापनाओं तक आसानी से बढ़ाया जा सकता है। इनके चलने की अवधि मुख्य रूप से उपलब्ध हाइड्रोजन आपूर्ति पर निर्भर करती है, न कि समय के साथ बैटरियों के खराब होने की चिंता पर। संपीड़ित हाइड्रोजन टैंक पर चलने पर, अधिकांश इकाइयाँ लगातार तीन दिनों से अधिक समय तक पूर्ण संचालन भार संभाल सकती हैं, जो साइट पर बड़ी मात्रा में डीजल ईंधन संग्रहित करने की तुलना में आग के खतरे को कम करता है। यू.एस. ऊर्जा विभाग ने बताया कि पिछले वर्ष ईंधन सेल बैकअप अपनाने वाली कंपनियों में लगभग 40 प्रतिशत की वृद्धि हुई। इनकी अविश्वसनीय रूप से उच्च विश्वसनीयता दर 99.999 प्रतिशत से अधिक चलने के साथ-साथ यह तथ्य देखते हुए यह वृद्धि तर्कसंगत लगती है कि अब कई निगम अपने व्यावसायिक निर्णयों में पर्यावरणीय, सामाजिक और शासन लक्ष्यों को प्राथमिकता देते हैं।

ईंधन सेल पारिस्थितिकी को सक्षम करना: बुनियादी ढांचा, सुरक्षा और नीति

हाइड्रोजन भंडारण, ईंधन भरने के बुनियादी ढांचा, और संचालन सुरक्षा प्रोटोकॉल

पैमाने पर ईंधन सेल को तैनात करना वास्तव में हाइड्रोजन की डिलीवरी के उन सुरक्षित तरीकों पर निर्भर करता है जो बहुत अधिक खर्चीले न हों। हाइड्रोजन के भंडारण के मूल रूप से तीन मुख्य तरीके हैं: लगभग 350 से 700 बार के दबाव पर दबावयुक्त गैस टैंक, शीतल तरल जिसे शून्य से 253 डिग्री सेल्सियस नीचे रखा जाता है, और धातु हाइड्राइड या विशेष अधिशोषक सामग्री में शामिल नए विकल्प। प्रत्येक विधि अलग-अलग स्थितियों के आधार पर अलग-अलग उद्देश्यों के लिए बेहतर काम करती है। 2023 में प्रवेश करते समय संख्याओं पर नज़र डालें, तो दुनिया भर में 160 से अधिक सार्वजनिक हाइड्रोजन भराव स्टेशन हैं, जो मुख्य रूप से कैलिफोर्निया, जापान, दक्षिण कोरिया और जर्मनी के कुछ हिस्सों में पाए जाते हैं। लेकिन ट्रक और बस जैसे बड़े वाहनों के लिए इस बुनियादी ढांचे का विस्तार करने की बात आती है, तो तुरंत समस्याएं उत्पन्न हो जाती हैं। एक उचित आकार के स्टेशन के निर्माण में आमतौर पर दो से तीन मिलियन डॉलर का खर्च आता है, जिसमें अनुमतियों के लिए आवश्यक सभी पेपरवर्क और मौजूदा बिजली ग्रिड से जुड़ने के लिए आवश्यक अतिरिक्त जटिलताओं को शामिल नहीं किया गया है जो किसी के भी सामने निपटने के लिए नहीं है।

अंतरराष्ट्रीय रूप से सुसंगत इंजीनियरिंग मानकों के माध्यम से सुरक्षा का संबोधन किया जाता है—विशेष रूप से ISO/TS 15916, SAE J2601, और यूरोपीय हाइड्रोजन सुरक्षा हैंडबुक। इनके द्वारा निम्न की आवश्यकता है:

• 10,000 से अधिक दबाव चक्रों और गोलाकार प्रभाव को सहन करने के लिए प्रमाणित संयुक्त हाइड्रोजन टैंक
• स्वचालित रिसाव का पता लगाने, तापीय शटऑफ और दबाव-राहत उपकरण वाले ईंधन भरने के नोजल
• ऐसी सुरक्षित सुविद्युत व्यवस्था जो हाइड्रोजन सांद्रता को 1% निम्न दहन सीमा से नीचे बनाए रखे

यूरोप के एच2 मोबिलिटी कार्यक्रम जैसी पहल से वास्तविक दुनिया के मान्यकरण की पुष्टि मिलती है, जिसने 29 स्टेशनों में प्रोटोकॉल को मानकीकृत किया—अंतरसंचालनशीलता, सुरक्षा और उपयोगकर्ता आत्मविश्वास का प्रदर्शन जो व्यापक प्रवर्तन के लिए आवश्यक है।

कार्बन तटस्थता की ओर ईंधन सेल

कार्बन तटस्थ अर्थव्यवस्था की खोज में ईंधन सेल उन क्षेत्रों में प्रमुख भूमिका निभाते हैं, जहाँ पारंपरिक विद्युतीकरण उचित नहीं होता। ये प्रणालियाँ इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से नवीकरणीय स्रोतों से बने ग्रीन हाइड्रोजन को बिजली में बदल देती हैं और केवल जल वाष्प उत्पन्न करती हैं। इसका अर्थ है कि न तो CO₂ उत्सर्जन होता है, न नाइट्रोजन ऑक्साइड और न ही कोई हानिकारक कण वातावरण में छोड़े जाते हैं। जो इन्हें वास्तव में रोचक बनाता है, वह है नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ इनका सह-संचालन। जब सौर या पवन ऊर्जा का उत्पादन अत्यधिक होता है, तो इसे बर्बाद करने के बजाय, हम अतिरिक्त ऊर्जा को हाइड्रोजन के रूप में संग्रहित कर सकते हैं। बाद में, जब मांग बढ़ जाती है, तो हम संग्रहित हाइड्रोजन को वापस बिजली में बदल देते हैं। इस दृष्टिकोण से पारंपरिक जीवाश्म ईंधन आधारित बैकअप संयंत्रों पर निर्भरता के बिना हमारे बिजली ग्रिड को अधिक लचीला बनाने में मदद मिलती है, जिन्हें सभी चरणबद्ध तरीके से हटाना चाहते हैं।

दुनिया हाइड्रोजन को एक प्रमुख खिलाड़ी के रूप में वास्तविक निवेश दे रही है: अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी के अनुसार, 2030 तक हाइड्रोजन बुनियादी ढांचे के लिए लगभग 100 बिलियन डॉलर की प्रतिबद्धता दर्ज की गई है। ईंधन सेल की कीमतों में भी भारी गिरावट आई है, जो 2015 के बाद से लगभग 60% तक घट गई है, जिसका कारण बड़े पैमाने पर उत्पादन और बेहतर उत्प्रेरक सामग्री है। सरकारी नीतियां भी अब धीरे-धीरे अपडेट हो रही हैं। हाल ही में अमेरिकी मुद्रास्फीति कमी अधिनियम पर विचार करें, जो स्वच्छ हाइड्रोजन के लिए प्रति किलोग्राम 3 डॉलर की कर छूट प्रदान करता है, साथ ही यूरोपीय संघ की अद्यतन अक्षय ऊर्जा निर्देशिका भी। इन बदलावों का अर्थ यह है कि ईंधन सेल अब केवल प्रायोगिक नहीं रह गए हैं, बल्कि वास्तविक बुनियादी ढांचे का हिस्सा बन रहे हैं। आगे देखें तो अनुमान लगाया जाता है कि ऐसी प्रणालियां उन क्षेत्रों में लगभग 15% ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा कर सकती हैं, जहां उत्सर्जन कम करना वास्तव में कठिन है। यदि हम शुद्ध शून्य लक्ष्यों को प्राप्त करना चाहते हैं, तो इसके लिए वे काफी महत्वपूर्ण हैं, हालांकि व्यापक स्तर पर लोकप्रिय होने से पहले अभी भी काफी काम बाकी है।

सामान्य प्रश्न

ईंधन सेल क्या है?
एक ईंधन सेल एक ऐसा उपकरण है जो हाइड्रोजन में रासायनिक ऊर्जा को ऑक्सीजन के साथ विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

क्या ईंधन सेल उत्सर्जन उत्पन्न करते हैं?
ईंधन सेल मुख्य रूप से जल वाष्प को एक उपउत्पाद के रूप में उत्पन्न करते हैं और CO2, NOx या कणों जैसे नियमित उत्सर्जन को उत्सर्जित नहीं करते हैं।

क्या परिवहन में ईंधन सेल का उपयोग किया जा सकता है?
हां, ईंधन सेल का उपयोग भारी ढांचे वाले परिवहन क्षेत्रों, जिसमें ट्रक, बसें, रेलगाड़ियां और समुद्री जहाज शामिल हैं, में बढ़ते स्तर पर किया जा रहा है।

हाइड्रोजन के उपयोग के लिए सुरक्षा उपाय क्या हैं?
सुरक्षा उपायों में प्रमाणित हाइड्रोजन टैंक, रिसाव का पता लगाने की प्रणाली और हाइड्रोजन सांद्रता को सुरक्षित रखने के लिए उचित वेंटिलेशन शामिल हैं।