ईंधन सेल कैसे काम करते हैं

आपने शायद फ्यूल सेल के बारे में सुना होगा । 2003 में, राष्ट्रपति बुश ने अपने स्टेट ऑफ द यूनियन संबोधन के दौरान हाइड्रोजन फ्यूल इनिशिएटिव (HFI) नामक एक कार्यक्रम की घोषणा की । 2005 के ऊर्जा नीति अधिनियम (ईपीएसीटी 2005) और 2006 की उन्नत ऊर्जा पहल में कानून द्वारा समर्थित इस पहल का उद्देश्य 2020 तक ईंधन-सेल वाहनों को व्यावहारिक और लागत प्रभावी बनाने के लिए हाइड्रोजन, ईंधन सेल और बुनियादी ढांचा प्रौद्योगिकियों का विकास करना है। संयुक्त राज्य अमेरिका ने अब तक सेल अनुसंधान और विकास को बढ़ावा देने के लिए एक अरब डॉलर से अधिक समर्पित किया है।

तो वैसे भी ईंधन सेल वास्तव में क्या है? सरकारें, निजी व्यवसाय और शैक्षणिक संस्थान उन्हें विकसित करने और उत्पादन करने के लिए क्यों सहयोग कर रहे हैं? ईंधन सेल प्रदूषण के बिना चुपचाप और कुशलता से विद्युत शक्ति उत्पन्न करते हैं। जीवाश्म ईंधन का उपयोग करने वाले बिजली स्रोतों के विपरीत, एक ऑपरेटिंग ईंधन सेल से उप-उत्पाद गर्मी और पानी होते हैं। लेकिन यह कैसे करता है?

इस लेख में, हम मौजूदा या उभरती हुई ईंधन-सेल प्रौद्योगिकियों में से प्रत्येक पर एक त्वरित नज़र डालेंगे। हम विस्तार से बताएंगे कि पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन फ्यूल सेल ( PEMFC ) कैसे काम करते हैं और जांच करते हैं कि फ्यूल सेल बिजली उत्पादन के अन्य रूपों की तुलना कैसे करते हैं। हम ईंधन कोशिकाओं को हमारे उपयोग के लिए व्यावहारिक और किफायती बनाने के लिए शोधकर्ताओं द्वारा सामना की जाने वाली कुछ बाधाओं का भी पता लगाएंगे, और हम ईंधन कोशिकाओं के संभावित अनुप्रयोगों पर चर्चा करेंगे।

यदि आप इसके बारे में तकनीकी होना चाहते हैं, तो ईंधन सेल एक विद्युत रासायनिक ऊर्जा रूपांतरण उपकरण है । एक ईंधन सेल रासायनिक हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को पानी में परिवर्तित करता है, और इस प्रक्रिया में यह बिजली पैदा करता है।

अन्य विद्युत रासायनिक उपकरण जिससे हम सभी परिचित हैं, वह है बैटरी । एक बैटरी में उसके सभी रसायन अंदर जमा होते हैं, और यह उन रसायनों को बिजली में भी परिवर्तित करता है। इसका मतलब है कि एक बैटरी अंततः "मृत हो जाती है" और आप इसे या तो फेंक देते हैं या इसे रिचार्ज करते हैं।

एक ईंधन सेल के साथ, रसायन लगातार सेल में प्रवाहित होते हैं, इसलिए यह कभी भी मृत नहीं होता है - जब तक सेल में रसायनों का प्रवाह होता है, तब तक सेल से बिजली प्रवाहित होती है। आज उपयोग में आने वाले अधिकांश ईंधन सेल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उपयोग रसायनों के रूप में करते हैं।

अगले भाग में, हम विभिन्न प्रकार के ईंधन सेलों को देखेंगे।

अंतर्वस्तु

1. ईंधन कोशिकाओं के प्रकार
2. पॉलिमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल
3. ईंधन सेल दक्षता
4. गैसोलीन और बैटरी पावर दक्षता
5. ईंधन सेल की समस्याएं
6. ईंधन सेल का उपयोग क्यों करें?

ईंधन सेल कई अन्य ऊर्जा रूपांतरण उपकरणों के साथ प्रतिस्पर्धा करेगा, जिसमें आपके शहर के बिजली संयंत्र में गैस टरबाइन , आपकी कार में गैसोलीन इंजन और आपके लैपटॉप में बैटरी शामिल है । टरबाइन और गैसोलीन इंजन जैसे दहन इंजन ईंधन जलाते हैं और यांत्रिक कार्य करने के लिए गैसों के विस्तार द्वारा बनाए गए दबाव का उपयोग करते हैं। जरूरत पड़ने पर बैटरियां रासायनिक ऊर्जा को वापस विद्युत ऊर्जा में बदल देती हैं। ईंधन कोशिकाओं को दोनों कार्यों को अधिक कुशलता से करना चाहिए।

एक ईंधन सेल एक डीसी (प्रत्यक्ष धारा) वोल्टेज प्रदान करता है जिसका उपयोग मोटर्स , रोशनी या किसी भी बिजली के उपकरणों को बिजली देने के लिए किया जा सकता है ।

कई अलग-अलग प्रकार के ईंधन सेल होते हैं, प्रत्येक एक अलग रसायन विज्ञान का उपयोग करते हैं। ईंधन कोशिकाओं को आमतौर पर उनके ऑपरेटिंग तापमान और उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोलाइट के प्रकार द्वारा वर्गीकृत किया जाता है । कुछ प्रकार के ईंधन सेल स्थिर बिजली उत्पादन संयंत्रों में उपयोग के लिए अच्छी तरह से काम करते हैं। अन्य छोटे पोर्टेबल अनुप्रयोगों या कारों को पावर देने के लिए उपयोगी हो सकते हैं। ईंधन कोशिकाओं के मुख्य प्रकारों में शामिल हैं:

पॉलिमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC)

ऊर्जा विभाग (डीओई) परिवहन अनुप्रयोगों के लिए सबसे संभावित उम्मीदवार के रूप में पीईएमएफसी पर ध्यान केंद्रित कर रहा है। PEMFC में उच्च शक्ति घनत्व और अपेक्षाकृत कम ऑपरेटिंग तापमान (60 से 80 डिग्री सेल्सियस या 140 से 176 डिग्री फ़ारेनहाइट तक) होता है। कम ऑपरेटिंग तापमान का मतलब है कि ईंधन सेल को गर्म होने और बिजली पैदा करने में ज्यादा समय नहीं लगता है। हम अगले भाग में PEMFC पर करीब से नज़र डालेंगे।

सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFC)

ये ईंधन सेल बड़े पैमाने पर स्थिर बिजली जनरेटर के लिए सबसे उपयुक्त हैं जो कारखानों या कस्बों के लिए बिजली प्रदान कर सकते हैं। इस प्रकार का ईंधन सेल बहुत उच्च तापमान (700 और 1,000 डिग्री सेल्सियस के बीच) पर काम करता है। यह उच्च तापमान विश्वसनीयता को एक समस्या बनाता है, क्योंकि बार-बार साइकिल चलाने और बंद करने के बाद ईंधन सेल के हिस्से टूट सकते हैं। हालांकि, निरंतर उपयोग में ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल बहुत स्थिर होते हैं। वास्तव में, SOFC ने कुछ परिचालन स्थितियों के तहत किसी भी ईंधन सेल के सबसे लंबे समय तक परिचालन जीवन का प्रदर्शन किया है। उच्च तापमान का भी एक फायदा है: ईंधन सेल द्वारा उत्पादित भाप को अधिक बिजली उत्पन्न करने के लिए टर्बाइनों में भेजा जा सकता है। इस प्रक्रिया को गर्मी और बिजली (सीएचपी) का सह-उत्पादन कहा जाता है और यह सिस्टम की समग्र दक्षता में सुधार करता है।

क्षारीय ईंधन सेल (एएफसी)

यह ईंधन कोशिकाओं के लिए सबसे पुराने डिजाइनों में से एक है; संयुक्त राज्य अमेरिका के अंतरिक्ष कार्यक्रम ने 1960 के दशक से उनका उपयोग किया है। एएफसी संदूषण के लिए अतिसंवेदनशील है, इसलिए इसे शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। यह बहुत महंगा भी है, इसलिए इस प्रकार के ईंधन सेल के व्यावसायीकरण की संभावना नहीं है।

पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल (एमसीएफसी)

SOFC की तरह, ये ईंधन सेल भी बड़े स्थिर बिजली जनरेटर के लिए सबसे उपयुक्त हैं। वे 600 डिग्री सेल्सियस पर काम करते हैं, इसलिए वे भाप उत्पन्न कर सकते हैं जिसका उपयोग अधिक बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। उनके पास ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं की तुलना में कम परिचालन तापमान होता है, जिसका अर्थ है कि उन्हें ऐसी विदेशी सामग्री की आवश्यकता नहीं है। यह डिजाइन को थोड़ा कम खर्चीला बनाता है।

फॉस्फोरिक-एसिड ईंधन सेल (पीएएफसी)

फॉस्फोरिक-एसिड ईंधन सेल में छोटे स्थिर बिजली उत्पादन प्रणालियों में उपयोग की क्षमता है। यह पॉलिमर एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल्स की तुलना में अधिक तापमान पर काम करता है, इसलिए इसका वार्म-अप समय अधिक होता है। यह इसे कारों में उपयोग के लिए अनुपयुक्त बनाता है।

डायरेक्ट-मेथनॉल फ्यूल सेल (DMFC)

मेथनॉल ईंधन सेल ऑपरेटिंग तापमान के संबंध में एक PEMFC के बराबर हैं, लेकिन उतने कुशल नहीं हैं। इसके अलावा, डीएमएफसी को उत्प्रेरक के रूप में कार्य करने के लिए अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में प्लैटिनम की आवश्यकता होती है, जो इन ईंधन कोशिकाओं को महंगा बनाता है।

निम्नलिखित खंड में, हम भविष्य के वाहनों - पीईएमएफसी - को बिजली देने के लिए डीओई द्वारा उपयोग किए जाने वाले ईंधन सेल के प्रकार पर करीब से नज़र डालेंगे ।

ईंधन सेल का आविष्कार

सर विलियम ग्रोव ने 1839 में पहले ईंधन सेल का आविष्कार किया था। ग्रोव जानते थे कि पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित किया जा सकता है, इसके माध्यम से विद्युत प्रवाह ( इलेक्ट्रोलिसिस नामक एक प्रक्रिया ) भेजकर । उन्होंने परिकल्पना की कि प्रक्रिया को उलट कर आप बिजली और पानी का उत्पादन कर सकते हैं। उन्होंने एक आदिम ईंधन सेल बनाया और इसे गैस वोल्टाइक बैटरी कहा । अपने नए आविष्कार के साथ प्रयोग करने के बाद, ग्रोव ने अपनी परिकल्पना को साबित किया। पचास साल बाद, वैज्ञानिक लुडविग मोंड और चार्ल्स लैंगर ने बिजली उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक मॉडल बनाने का प्रयास करते हुए ईंधन सेल शब्द गढ़ा ।

बहुलक विनिमय झिल्ली ईंधन सेल (PEMFC) सबसे होनहार ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों में से एक है। इस प्रकार का ईंधन सेल शायद कारों, बसों और शायद आपके घर को भी बिजली देगा। PEMFC किसी भी ईंधन सेल की सबसे सरल प्रतिक्रियाओं में से एक का उपयोग करता है। सबसे पहले, आइए देखें कि पीईएम ईंधन सेल में क्या है:

में चित्रा 1 आप एक PEMFC के चार बुनियादी तत्वों देखते हैं देख सकते हैं:

चित्र 2. एक कार्यशील ईंधन सेल का एनिमेशन

चित्रा 2 एनोड की तरफ ईंधन सेल में प्रवेश करने वाली दबाव वाली हाइड्रोजन गैस (एच ₂ ) को दिखाता है । यह गैस दबाव द्वारा उत्प्रेरक के माध्यम से मजबूर होती है। एक एच जब ₂ अणु उत्प्रेरक पर प्लैटिनम के साथ संपर्क में आता है, यह दो एच में विभाजित ⁺ आयनों और दो इलेक्ट्रॉनों (ई ^- )। इलेक्ट्रॉनों को एनोड के माध्यम से संचालित किया जाता है, जहां वे बाहरी सर्किट के माध्यम से अपना रास्ता बनाते हैं (उपयोगी कार्य जैसे मोटर मोड़ना) और ईंधन सेल के कैथोड पक्ष में वापस आ जाते हैं।

इस बीच, ईंधन सेल के कैथोड पक्ष पर, उत्प्रेरक के माध्यम से ऑक्सीजन गैस (ओ ₂ ) को मजबूर किया जा रहा है, जहां यह दो ऑक्सीजन परमाणु बनाता है। इनमें से प्रत्येक परमाणु में एक मजबूत ऋणात्मक आवेश होता है। यह नकारात्मक चार्ज झिल्ली के माध्यम से दो एच ⁺ आयनों को आकर्षित करता है, जहां वे एक ऑक्सीजन परमाणु और बाहरी सर्किट से दो इलेक्ट्रॉनों के साथ मिलकर पानी का अणु (एच ₂ ओ) बनाते हैं ।

एकल ईंधन सेल में यह प्रतिक्रिया केवल 0.7 वोल्ट का उत्पादन करती है। इस वोल्टेज को उचित स्तर तक लाने के लिए, ईंधन-सेल स्टैक बनाने के लिए कई अलग-अलग ईंधन कोशिकाओं को जोड़ा जाना चाहिए । द्विध्रुवीय प्लेटों का उपयोग एक ईंधन सेल को दूसरे से जोड़ने के लिए किया जाता है और दोनों ऑक्सीकरण और कम करने की स्थिति और क्षमता के अधीन होते हैं । द्विध्रुवीय प्लेटों के साथ एक बड़ा मुद्दा स्थिरता है। धात्विक द्विध्रुवीय प्लेटें खुरचना कर सकती हैं, और जंग के उपोत्पाद (लौह और क्रोमियम आयन) ईंधन सेल झिल्ली और इलेक्ट्रोड की प्रभावशीलता को कम कर सकते हैं। कम तापमान वाले ईंधन सेल हल्के धातुओं , ग्रेफाइट और कार्बन/थर्मोसेट कंपोजिट का उपयोग करते हैं (थर्मोसेट एक प्रकार का प्लास्टिक है जो उच्च तापमान के अधीन होने पर भी कठोर रहता है) द्विध्रुवी प्लेट सामग्री के रूप में।

अगले भाग में, हम देखेंगे कि ईंधन-सेल वाहन कितने कुशल हो सकते हैं।

प्रदूषण में कमी ईंधन सेल के प्राथमिक लक्ष्यों में से एक है। ईंधन-सेल-चालित कार की तुलना गैसोलीन-इंजन से चलने वाली कार और बैटरी से चलने वाली कार से करके, आप देख सकते हैं कि ईंधन सेल आज कारों की दक्षता में कैसे सुधार कर सकते हैं।

चूंकि तीनों प्रकार की कारों में कई समान घटक ( टायर , ट्रांसमिशन , वगैरह) होते हैं, इसलिए हम कार के उस हिस्से को अनदेखा कर देंगे और उस बिंदु तक क्षमता की तुलना करेंगे जहां यांत्रिक शक्ति उत्पन्न होती है। आइए ईंधन-सेल कार से शुरू करते हैं। (ये सभी क्षमताएं अनुमानित हैं, लेकिन उन्हें किसी न किसी तुलना करने के लिए पर्याप्त करीब होना चाहिए।)

यदि ईंधन सेल शुद्ध हाइड्रोजन से संचालित होता है, तो इसमें 80 प्रतिशत तक कुशल होने की क्षमता होती है। यानी यह हाइड्रोजन की 80 प्रतिशत ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। हालाँकि, हमें अभी भी विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में बदलने की आवश्यकता है। यह इलेक्ट्रिक मोटर और इन्वर्टर द्वारा पूरा किया जाता है। मोटर/इन्वर्टर की दक्षता के लिए एक उचित संख्या लगभग 80 प्रतिशत है। इसलिए हमारे पास बिजली पैदा करने में 80 प्रतिशत दक्षता है, और 80 प्रतिशत दक्षता इसे यांत्रिक शक्ति में परिवर्तित करती है। यह लगभग 64 प्रतिशत की समग्र दक्षता देता है । होंडा के FCX कॉन्सेप्ट वाहन में कथित तौर पर 60 प्रतिशत ऊर्जा दक्षता है।

यदि ईंधन स्रोत शुद्ध हाइड्रोजन नहीं है, तो वाहन को एक सुधारक की भी आवश्यकता होगी । एक सुधारक हाइड्रोकार्बन या अल्कोहल ईंधन को हाइड्रोजन में बदल देता है। वे गर्मी उत्पन्न करते हैं और हाइड्रोजन के अलावा अन्य गैसों का उत्पादन करते हैं। वे हाइड्रोजन को साफ करने के लिए विभिन्न उपकरणों का उपयोग करते हैं, लेकिन फिर भी, उनमें से निकलने वाला हाइड्रोजन शुद्ध नहीं होता है, और इससे ईंधन सेल की दक्षता कम हो जाती है। चूंकि सुधारक ईंधन सेल दक्षता को प्रभावित करते हैं, इसलिए डीओई के शोधों ने हाइड्रोजन उत्पादन और भंडारण से जुड़ी चुनौतियों के बावजूद शुद्ध हाइड्रोजन ईंधन-सेल वाहनों पर ध्यान केंद्रित करने का निर्णय लिया है।

इसके बाद, हम गैसोलीन और बैटरी से चलने वाली कारों की दक्षता के बारे में जानेंगे।

हाइड्रोजन

ब्रह्मांड में हाइड्रोजन सबसे आम तत्व है। हालाँकि, हाइड्रोजन पृथ्वी पर अपने मौलिक रूप में प्राकृतिक रूप से मौजूद नहीं है । इंजीनियरों और वैज्ञानिकों को जीवाश्म ईंधन या पानी सहित हाइड्रोजन यौगिकों से शुद्ध हाइड्रोजन का उत्पादन करना चाहिए। इन यौगिकों से हाइड्रोजन निकालने के लिए आपको ऊर्जा का प्रयोग करना होगा। आवश्यक ऊर्जा गर्मी, बिजली या प्रकाश के रूप में भी आ सकती है।

गैसोलीन से चलने वाली कार की दक्षता आश्चर्यजनक रूप से कम है। सभी ऊष्मा जो निकास के रूप में निकलती है या रेडिएटर में जाती है, व्यर्थ ऊर्जा है। इंजन विभिन्न पंपों, पंखों और जनरेटर को चालू रखने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा का उपयोग करता है। तो एक मोटर वाहन गैस इंजन की कुल दक्षता लगभग 20 प्रतिशत है । यानी गैसोलीन की तापीय-ऊर्जा सामग्री का लगभग 20 प्रतिशत ही यांत्रिक कार्य में परिवर्तित होता है।

बैटरी से चलने वाली इलेक्ट्रिक कार में काफी उच्च दक्षता होती है। बैटरी लगभग 90-प्रतिशत कुशल है (अधिकांश बैटरियां कुछ गर्मी उत्पन्न करती हैं, या हीटिंग की आवश्यकता होती है), और इलेक्ट्रिक मोटर/इन्वर्टर लगभग 80-प्रतिशत कुशल है। यह लगभग 72 प्रतिशत की समग्र दक्षता देता है ।

लेकिन ये पूरी कहानी नहीं है। कार को बिजली देने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली बिजली को कहीं न कहीं पैदा करना पड़ता था। यदि यह एक बिजली संयंत्र में उत्पन्न होता है जो एक दहन प्रक्रिया (परमाणु, जलविद्युत, सौर या पवन के बजाय) का उपयोग करता है, तो बिजली संयंत्र द्वारा आवश्यक ईंधन का केवल 40 प्रतिशत बिजली में परिवर्तित किया गया था। कार को चार्ज करने की प्रक्रिया के लिए अल्टरनेटिंग करंट (AC) पावर को डायरेक्ट करंट (DC) पावर में बदलने की आवश्यकता होती है। इस प्रक्रिया की दक्षता लगभग 90 प्रतिशत है।

इसलिए, अगर हम पूरे चक्र को देखें, तो इलेक्ट्रिक कार की दक्षता कार के लिए 72 प्रतिशत, बिजली संयंत्र के लिए 40 प्रतिशत और कार को चार्ज करने के लिए 90 प्रतिशत है। यह 26 प्रतिशत की समग्र दक्षता देता है । किस प्रकार के बिजली संयंत्र का उपयोग किया जाता है, इसके आधार पर समग्र दक्षता काफी भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, यदि कार के लिए बिजली एक जलविद्युत संयंत्र द्वारा उत्पन्न की जाती है, तो यह मूल रूप से मुफ़्त है (हमने इसे उत्पन्न करने के लिए कोई ईंधन नहीं जलाया), और इलेक्ट्रिक कार की दक्षता लगभग 65 प्रतिशत है ।

वैज्ञानिक ईंधन सेल दक्षता को बढ़ावा देने के लिए डिजाइनों पर शोध और शोधन कर रहे हैं। एक तरीका ईंधन सेल और बैटरी से चलने वाले वाहनों को मिलाना है। Ford Motors और Airstream HySeries Drive नामक हाइब्रिड फ्यूल सेल ड्राइवट्रेन द्वारा संचालित एक कॉन्सेप्ट व्हीकल विकसित कर रहे हैं । फोर्ड का दावा है कि वाहन की ईंधन अर्थव्यवस्था 41 मील प्रति गैलन के बराबर है। कार को पावर देने के लिए वाहन लिथियम बैटरी का उपयोग करता है , जबकि ईंधन सेल बैटरी को रिचार्ज करता है।

ईंधन-सेल वाहन संभावित रूप से बैटरी से चलने वाली कार की तरह कुशल होते हैं जो गैर-ईंधन-जलाने वाले बिजली संयंत्र पर निर्भर करती है। लेकिन व्यावहारिक और किफायती तरीके से उस क्षमता तक पहुंचना मुश्किल हो सकता है। अगले भाग में, हम ईंधन-सेल ऊर्जा प्रणाली को वास्तविकता बनाने की कुछ चुनौतियों की जांच करेंगे।

स्वर्ण उत्प्रेरक

नैनोस्केल विज्ञान ईंधन सेल डेवलपर्स को कुछ अधिक मांग वाले उत्तर प्रदान कर सकता है। उदाहरण के लिए, सोना आमतौर पर एक अक्रियाशील धातु है। हालांकि, जब नैनोमीटर आकार में घटाया जाता है, तो सोने के कण प्लैटिनम के रूप में उत्प्रेरक के रूप में प्रभावी हो सकते हैं।

ईंधन सेल हमारी बिजली की समस्याओं का जवाब हो सकता है, लेकिन पहले वैज्ञानिकों को कुछ प्रमुख मुद्दों को सुलझाना होगा:

लागत

ईंधन कोशिकाओं से जुड़ी समस्याओं में प्रमुख यह है कि वे कितने महंगे हैं। ईंधन सेल के कई घटक टुकड़े महंगे हैं। PEMFC सिस्टम के लिए, प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन, कीमती धातु उत्प्रेरक (आमतौर पर प्लैटिनम), गैस डिफ्यूजन लेयर्स, और बाइपोलर प्लेट्स सिस्टम की लागत का 70 प्रतिशत बनाते हैं [स्रोत: हाइड्रोजन इकोनॉमी के लिए बेसिक रिसर्च नीड्स ]। प्रतिस्पर्धी मूल्य (गैसोलीन से चलने वाले वाहनों की तुलना में) के लिए, ईंधन सेल सिस्टम की लागत $ 35 प्रति किलोवाट होनी चाहिए। वर्तमान में, अनुमानित उच्च-मात्रा उत्पादन मूल्य $73 प्रति किलोवाट है [स्रोत: गारलैंड ]। विशेष रूप से, शोधकर्ताओं को या तो उत्प्रेरक के रूप में कार्य करने के लिए आवश्यक प्लैटिनम की मात्रा को कम करना चाहिए या एक विकल्प खोजना चाहिए।

सहनशीलता

शोधकर्ताओं को पीईएमएफसी झिल्ली विकसित करनी चाहिए जो टिकाऊ हों और 100 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर काम कर सकें और फिर भी उप-शून्य परिवेश के तापमान पर काम कर सकें। ईंधन सेल के लिए ईंधन में अशुद्धियों के प्रति अधिक सहनशीलता रखने के लिए 100 डिग्री सेल्सियस तापमान लक्ष्य की आवश्यकता होती है। चूंकि आप कार को अपेक्षाकृत बार-बार स्टार्ट और स्टॉप करते हैं, इसलिए साइकिल चलाने की स्थिति में झिल्ली का स्थिर रहना महत्वपूर्ण है। वर्तमान में झिल्ली ख़राब हो जाती है, जबकि ईंधन कोशिकाओं का चक्र चालू और बंद होता है, विशेष रूप से ऑपरेटिंग तापमान में वृद्धि के रूप में।

हाइड्रेशन

क्योंकि हाइड्रोजन प्रोटॉन को स्थानांतरित करने के लिए PEMFC झिल्ली को हाइड्रेटेड होना चाहिए, शोधों को ईंधन सेल सिस्टम विकसित करने का एक तरीका खोजना चाहिए जो उप-शून्य तापमान, कम आर्द्रता वाले वातावरण और उच्च ऑपरेटिंग तापमान में काम करना जारी रख सके। लगभग 80 डिग्री सेल्सियस पर, उच्च दबाव वाले हाइड्रेशन सिस्टम के बिना हाइड्रेशन खो जाता है।

SOFC में स्थायित्व के साथ संबंधित समस्या है। सॉलिड ऑक्साइड सिस्टम में सामग्री के क्षरण के मुद्दे हैं। सील अखंडता भी एक प्रमुख चिंता का विषय है। SOFC के लिए लागत लक्ष्य $400 प्रति किलोवाट पर PEMFC सिस्टम की तुलना में कम प्रतिबंधात्मक है, लेकिन उच्च सामग्री लागत के कारण उस लक्ष्य को प्राप्त करने का कोई स्पष्ट साधन नहीं है। एसओएफसी स्थायित्व प्रभावित होता है जब सेल बार-बार ऑपरेटिंग तापमान तक गर्म होता है और फिर कमरे के तापमान तक ठंडा हो जाता है।

वितरण

ईंधन सेल के लिए ऊर्जा विभाग की तकनीकी योजना में कहा गया है कि वर्तमान में उपलब्ध एयर कंप्रेसर प्रौद्योगिकियां वाहन के उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं हैं, जो हाइड्रोजन ईंधन वितरण प्रणाली को समस्याग्रस्त बनाता है।

आधारभूत संरचना

पीईएमएफसी वाहनों के लिए उपभोक्ताओं के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनने के लिए, हाइड्रोजन उत्पादन और वितरण बुनियादी ढांचा होना चाहिए। इस बुनियादी ढांचे में पाइपलाइन, ट्रक परिवहन, ईंधन भरने वाले स्टेशन और हाइड्रोजन उत्पादन संयंत्र शामिल हो सकते हैं। डीओई को उम्मीद है कि एक विपणन योग्य वाहन मॉडल के विकास से इसे समर्थन देने के लिए एक बुनियादी ढांचे के विकास को बढ़ावा मिलेगा।

भंडारण और अन्य विचार

तीन सौ मील एक पारंपरिक ड्राइविंग रेंज है (वह दूरी जिसे आप कार में गैस के पूर्ण टैंक के साथ ड्राइव कर सकते हैं)। ईंधन सेल वाहन के साथ एक तुलनीय परिणाम बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को हाइड्रोजन भंडारण विचारों, वाहन के वजन और मात्रा, लागत और सुरक्षा को दूर करना चाहिए।

जबकि PEMFC सिस्टम सुधार के साथ हल्का और छोटा हो गया है, फिर भी वे मानक वाहनों में उपयोग के लिए बहुत बड़े और भारी हैं।

ईंधन सेल के उपयोग से संबंधित सुरक्षा चिंताएं भी हैं। विधायकों को पहले उत्तरदाताओं के लिए नई प्रक्रियाओं का निर्माण करना होगा, जब उन्हें ईंधन सेल वाहन या जनरेटर से जुड़ी किसी घटना को संभालना होगा। इंजीनियरों को सुरक्षित, विश्वसनीय हाइड्रोजन डिलीवरी सिस्टम डिजाइन करना होगा।

शोधकर्ताओं को काफी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। अगले भाग में, हम यह पता लगाएंगे कि क्यों संयुक्त राज्य अमेरिका और अन्य राष्ट्र इन बाधाओं को दूर करने के लिए अनुसंधान में निवेश कर रहे हैं।

सुगंधित आधारित झिल्ली

वर्तमान पेरफ्लूरोसल्फोनिक एसिड झिल्ली का एक विकल्प सुगंधित-आधारित झिल्ली है। इस मामले में सुगंधित झिल्ली की सुखद गंध का उल्लेख नहीं करता है - यह वास्तव में बेंजीन, पाइरीडीन या इंडोल जैसे सुगंधित छल्ले को संदर्भित करता है। ये झिल्ली उच्च तापमान पर अधिक स्थिर होती हैं, लेकिन फिर भी उन्हें जलयोजन की आवश्यकता होती है। क्या अधिक है, जब वे जलयोजन खो देते हैं, तो सुगंधित-आधारित झिल्ली सूज जाती है, जो ईंधन सेल की दक्षता को प्रभावित कर सकती है।

ईंधन सेल को ऊर्जा का एक व्यावहारिक स्रोत बनाने की सभी चुनौतियों से पार पाने के लिए अमेरिकी सरकार विश्वविद्यालयों, सार्वजनिक संगठनों और निजी कंपनियों के साथ क्यों काम कर रही है? ईंधन कोशिकाओं पर अनुसंधान और विकास पर एक अरब डॉलर से अधिक खर्च किए गए हैं। एक हाइड्रोजन इन्फ्रास्ट्रक्चर के निर्माण और रखरखाव में काफी अधिक खर्च आएगा (कुछ अनुमान शीर्ष 500 बिलियन डॉलर)। राष्ट्रपति को क्यों लगता है कि ईंधन सेल निवेश के लायक हैं?

मुख्य कारणों में तेल के साथ सब कुछ है। अमेरिका को अपने तेल का 55 फीसदी आयात करना होगा। 2025 तक इसके 68 प्रतिशत तक बढ़ने की उम्मीद है। अमेरिकी प्रतिदिन दो तिहाई तेल का उपयोग परिवहन के लिए करते हैं। भले ही सड़क पर हर वाहन एक हाइब्रिड कार थी, 2025 तक हमें अभी भी उसी मात्रा में तेल का उपयोग करने की आवश्यकता होगी जैसा कि हम अभी करते हैं [स्रोत: ईंधन सेल 2000 ]। वास्तव में, अमेरिका दुनिया में उत्पादित सभी तेल का एक चौथाई खपत करता है, हालांकि दुनिया की आबादी का केवल 4.6 प्रतिशत ही यहां रहता है [स्रोत: अमेरिकी तेल निर्भरता के राष्ट्रीय सुरक्षा परिणाम ]।

विशेषज्ञों को उम्मीद है कि अगले कुछ दशकों में तेल की कीमतों में वृद्धि जारी रहेगी क्योंकि कम लागत वाले स्रोत समाप्त हो गए हैं। तेल कंपनियों को तेल जमा के लिए तेजी से चुनौतीपूर्ण वातावरण में देखना होगा, जिससे तेल की कीमतें ऊंची हो जाएंगी।

चिंताएँ आर्थिक सुरक्षा से बहुत आगे तक फैली हुई हैं। विदेश संबंध परिषद ने 2006 में "अमेरिकी तेल निर्भरता के राष्ट्रीय सुरक्षा परिणाम" शीर्षक से एक रिपोर्ट जारी की। एक टास्क फोर्स ने कई चिंताओं को विस्तार से बताया कि कैसे अमेरिका की तेल पर बढ़ती निर्भरता राष्ट्र की सुरक्षा से समझौता करती है। अधिकांश रिपोर्ट उन राष्ट्रों के बीच राजनीतिक संबंधों पर केंद्रित है जो तेल की मांग करते हैं और जो राष्ट्र इसकी आपूर्ति करते हैं। इनमें से कई तेल समृद्ध राष्ट्र राजनीतिक अस्थिरता या शत्रुता से भरे क्षेत्रों में हैं। अन्य राष्ट्र मानवाधिकारों का उल्लंघन करते हैं या यहां तक ​​कि नरसंहार जैसी नीतियों का समर्थन करते हैं। ऐसी नीतियों के वित्तपोषण से बचने के लिए तेल के विकल्पों पर गौर करना संयुक्त राज्य अमेरिका और दुनिया के सर्वोत्तम हित में है।

ऊर्जा के लिए तेल और अन्य जीवाश्म ईंधन का उपयोग प्रदूषण पैदा करता है। प्रदूषण के मुद्दे हाल ही में बहुत चर्चा में रहे हैं - फिल्म "एक असुविधाजनक सत्य" से इस घोषणा तक कि जलवायु परिवर्तन और ग्लोबल वार्मिंग भविष्य में डूम्सडे क्लॉक के समायोजन में कारक होंगे । यह सभी के हित में है कि ऊर्जा के लिए जीवाश्म ईंधन जलाने का विकल्प खोजा जाए।

ईंधन सेल प्रौद्योगिकियां तेल निर्भरता के लिए एक आकर्षक विकल्प हैं। ईंधन सेल कोई प्रदूषण नहीं छोड़ते हैं, और वास्तव में उपोत्पाद के रूप में शुद्ध पानी का उत्पादन करते हैं। यद्यपि इंजीनियर अल्पावधि के लिए प्राकृतिक गैस जैसे स्रोतों से हाइड्रोजन के उत्पादन पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, हाइड्रोजन पहल की भविष्य में हाइड्रोजन के उत्पादन के नवीकरणीय, पर्यावरण के अनुकूल तरीकों पर गौर करने की योजना है। क्योंकि आप पानी से हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं, संयुक्त राज्य अमेरिका ऊर्जा उत्पादन के लिए घरेलू स्रोतों पर तेजी से भरोसा कर सकता है।

अन्य देश भी ईंधन-सेल अनुप्रयोगों की खोज कर रहे हैं। तेल पर निर्भरता और ग्लोबल वार्मिंग अंतरराष्ट्रीय समस्याएं हैं। कई देश ईंधन सेल प्रौद्योगिकियों में अनुसंधान और विकास के प्रयासों को आगे बढ़ाने के लिए साझेदारी कर रहे हैं। एक साझेदारी हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के लिए अंतर्राष्ट्रीय भागीदारी है।

स्पष्ट रूप से वैज्ञानिकों और निर्माताओं के पास वर्तमान ऊर्जा उत्पादन विधियों के लिए ईंधन सेल एक व्यावहारिक विकल्प बनने से पहले बहुत काम करना है। फिर भी, दुनिया भर में समर्थन और सहयोग के साथ, एक व्यवहार्य ईंधन सेल-आधारित ऊर्जा प्रणाली का लक्ष्य कुछ दशकों में एक वास्तविकता हो सकती है।

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एक ईंधन सेल जो कचरे पर चलता है

पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के पर्यावरण इंजीनियरों ने एक ईंधन सेल विकसित किया जो अपशिष्ट जल पर चलता है। कोशिका कार्बनिक पदार्थों को तोड़ने के लिए रोगाणुओं का उपयोग करती है। यह पदार्थ बदले में हाइड्रोजन और इलेक्ट्रॉन छोड़ता है। ईंधन सेल अपशिष्ट जल में लगभग 80 प्रतिशत कार्बनिक पदार्थों को तोड़ सकता है, और पीईएमएफसी की तरह उत्पादन गर्मी और शुद्ध पानी है। ईंधन सेल द्वारा उत्पन्न ऊर्जा जल उपचार संयंत्र पंप प्रणाली को शक्ति प्रदान करने में मदद कर सकती है।

हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के लिए अंतर्राष्ट्रीय भागीदारी

• ऑस्ट्रेलिया
• ब्राज़िल
• कनाडा
• चीन
• यूरोपीय आयोग
• फ्रांस
• जर्मनी
• इंडिया
• इटली
• जापान
• कोरिया
• न्यूज़ीलैंड
• नॉर्वे
• रूसी संघ
• आइसलैंड
• यूनाइटेड किंगडम
• संयुक्त राज्य अमेरिका

 

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