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ईंधन सेल का नाम सुनकर लगता है कि यह बिल्कुल बैटरी की तरह काम करता होगा। लेकिन कुछ अहम मामलों में ऐसा नहीं है। यह लेख समझाता है कि ईंधन सेल कैसे काम करता है, इससे क्या निकलता है, यह किस तरह की विद्युत धारा देता है और इसका आकार कितना बड़ा हो सकता है।
- परीक्षा का उत्तर: केवल कथन 1 सही है, इसलिए उत्तर केवल 1 है।
- उत्पाद: शुद्ध हाइड्रोजन से केवल बिजली, पानी और ऊष्मा मिलती है।
- विद्युत धारा: ईंधन सेल दिष्ट धारा (DC) देता है, प्रत्यावर्ती धारा (AC) नहीं।
- आकार: ईंधन सेल लैपटॉप से लेकर बिजलीघरों तक को बिजली देते हैं।
- बैटरी: ईंधन की आपूर्ति होने तक ईंधन सेल काम करता रहता है।
विषय-सूची
1. ईंधन सेल क्या है और यह बैटरी से कैसे अलग है?
ईंधन सेल ईंधन और ऑक्सीजन से बिजली बनाता है। यह ईंधन को जलाता नहीं है। जब तक ईंधन मिलता रहता है, यह बैटरी की तरह खत्म नहीं होता। UPSC के प्रश्न में इसी अंतर से तीन कथनों की सत्यता तय होती है।
1.1 हाइड्रोजन ईंधन सेल कैसे काम करता है?
ईंधन सेल में दो इलेक्ट्रोड होते हैं, जिनके बीच एक विद्युत अपघट्य होता है। ये इलेक्ट्रोड हैं ऋणात्मक एनोड और धनात्मक कैथोड। यह प्रक्रिया चरण-दर-चरण इस प्रकार होती है।
- हाइड्रोजन एनोड तक पहुँचाई जाती है। हवा कैथोड तक पहुँचाई जाती है।
- एनोड पर मौजूद उत्प्रेरक हाइड्रोजन के अणुओं को तोड़कर बनाता है प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन.
- इलेक्ट्रॉन विद्युत अपघट्य को पार नहीं कर सकते। वे बाहरी परिपथ से होकर बहते हैं। यही प्रवाह विद्युत धारा है।
- प्रोटॉन विद्युत अपघट्य से होकर कैथोड तक पहुँचते हैं।
- कैथोड पर प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और ऑक्सीजन मिलकर बनाते हैं पानी और ऊष्मा.
1.2 ईंधन सेल बैटरी से कैसे अलग है?
एक मामले में ईंधन सेल बैटरी की तरह काम करता है। दोनों दो इलेक्ट्रोडों की मदद से रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलते हैं।
अंतर आपूर्ति का है। बैटरी के रसायन उसके अंदर होते हैं और इस्तेमाल के साथ खत्म हो जाते हैं। ईंधन सेल को बाहर से ईंधन दिया जाता है और वह काम करता रहता है।
कक्षा 12 की पुस्तक भी यही बताती है। ईंधन सेल में अभिकारकों को लगातार इलेक्ट्रोडों तक पहुँचाया जाता है। उत्पादों को लगातार हटाया जाता है। इसलिए जब तक अभिकारकों की आपूर्ति होती रहती है, सेल काम करता रहता है।
2. ईंधन सेल से क्या निकलता है?
शुद्ध हाइड्रोजन इस्तेमाल करने पर बिजली के अलावा केवल पानी और ऊष्मा निकलती है। परीक्षा के प्रश्न में यही कथन 1 है और यह सही है। दूसरे ईंधनों के इस्तेमाल पर उत्तर बदल जाता है।
2.1 शुद्ध हाइड्रोजन से केवल पानी और ऊष्मा ही क्यों निकलती है?
हाइड्रोजन में कार्बन नहीं होता। कैथोड पर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन मिलकर पानी बनाते हैं। पूरी अभिक्रिया यही है।
DOE के अनुसार, यदि ईंधन हाइड्रोजन है, तो केवल ये उत्पाद बनते हैं: बिजली, पानी और ऊष्मा। DOE यह भी कहता है कि हाइड्रोजन ईंधन सेल चलते समय ऐसे वायु प्रदूषक नहीं छोड़ते जो धुंध (स्मॉग) पैदा करते हैं।
2.2 अगर ईंधन शुद्ध हाइड्रोजन न हो तो?
कुछ प्रणालियाँ मेथनॉल, गैसोलीन, डीजल या कोयले से बनी गैस जैसे हाइड्रोजन से भरपूर ईंधनों पर चलती हैं। इसके लिए एक उपकरण इस्तेमाल होता है, जिसे कहते हैं रिफॉर्मर (reformer) जो पहले ईंधन को ऐसे गैस मिश्रण में बदलता है जिसमें हाइड्रोजन होती है।
DOE के अनुसार, आंतरिक और बाहरी, दोनों तरह की रिफॉर्मिंग से कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है। लेकिन ईंधन सेल इतने कुशल होते हैं कि वे पेट्रोल इंजनों से कम कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ते हैं।
इसलिए “केवल ऊष्मा और पानी” वाला दावा शुद्ध हाइड्रोजन के लिए सही है। यह हर ईंधन के लिए सही नहीं है।
2.3 हाइड्रोजन कहाँ से आती है?
ईंधन सेल इस्तेमाल की जगह पर प्रदूषण नहीं फैलाता। पूरी प्रक्रिया कितनी स्वच्छ है, यह इस पर निर्भर करता है कि हाइड्रोजन कैसे बनाई गई थी। DOE इसके कई तरीके बताता है।
- प्राकृतिक गैस की रिफॉर्मिंग, जिसे स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग भी कहते हैं।
- जैवभार का गैसीकरण और ऊष्मा से चलने वाली अन्य प्रक्रियाएँ।
- विद्युत अपघटन, जिसमें बिजली की मदद से पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में तोड़ा जाता है।
- जैविक प्रक्रियाएँ, जिनमें बैक्टीरिया या शैवाल का उपयोग होता है। ये अभी शोध के चरण में हैं।
सोचिए: हर ईंधन सेल उत्सर्जन-मुक्त क्यों नहीं होता?
केवल शुद्ध हाइड्रोजन से सिर्फ पानी और ऊष्मा निकलते हैं। हाइड्रोजन से भरपूर ईंधनों की पहले रिफॉर्मिंग की जाती है। रिफॉर्मिंग से कार्बन डाइऑक्साइड निकलती है।
3. ईंधन सेल AC देता है या DC?
ईंधन सेल देता है दिष्ट धारा (DC)। परीक्षा के प्रश्न के कथन 3 में प्रत्यावर्ती धारा (AC) कहा गया है। वह कथन गलत है।
3.1 DC और AC में क्या अंतर है?
DC परिपथ में इलेक्ट्रॉन केवल एक दिशा में बहते हैं। AC परिपथ में प्रवाह की दिशा नियमित चक्रों में उलटती रहती है। घरों और कार्यस्थलों में AC का उपयोग होता है।
DOE के अनुसार, ईंधन सेल DC के रूप में बिजली बनाते हैं। यदि उपकरण को AC चाहिए, तो DC को बदलना पड़ता है।
3.2 स्टैक और पावर कंडीशनर क्या होते हैं?
एक सेल 1 वोल्ट से कम वोल्टेज पैदा करता है। अधिकतर कामों के लिए यह बहुत कम है। इसलिए कई सेलों को श्रेणीक्रम में जोड़कर बनाया जाता है एक ईंधन सेल स्टैक (fuel cell stack)। एक सामान्य स्टैक में सैकड़ों सेल हो सकते हैं।
A पावर कंडीशनर (power conditioner) फिर काम की जरूरत के अनुसार धारा, वोल्टेज और आवृत्ति को समायोजित करता है। इन्वर्टर DC को AC में बदलता है। इस बदलाव से प्रणाली की दक्षता में लगभग 2 से 6 प्रतिशत की ही कमी आती है।
याद रखें: ईंधन सेल के साथ इन्वर्टर की जरूरत क्यों होती है?
ईंधन सेल DC बनाता है। घरों और कार्यस्थलों में AC का उपयोग होता है। इन्वर्टर DC को AC में बदलता है, जिससे दक्षता में थोड़ी कमी आती है।
4. ईंधन सेल कितना छोटा या बड़ा हो सकता है?
ईंधन सेल कई आकारों में आते हैं। परीक्षा के प्रश्न के कथन 2 में कहा गया है कि वे इमारतों के लिए उपयुक्त हैं, लेकिन लैपटॉप कंप्यूटर जैसे छोटे उपकरणों के लिए नहीं। वह कथन गलत है।
4.1 क्या ईंधन सेल से लैपटॉप चल सकता है?
हाँ। DOE के अनुसार, ईंधन सेल बड़े बिजलीघर जितनी बड़ी प्रणालियों को बिजली दे सकते हैं और लैपटॉप कंप्यूटर जितनी छोटी प्रणालियों को भी.
प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल (Direct methanol fuel cells) अक्सर मोबाइल फोन और लैपटॉप कंप्यूटर जैसे साथ ले जाने वाले उपकरणों में इस्तेमाल होते हैं। ये पानी में मिले तरल मेथनॉल पर चलते हैं।
4.2 क्या ईंधन सेल से वाहन चल सकता है?
हाँ। ईंधन सेल इलेक्ट्रिक वाहन में हाइड्रोजन एक टैंक में रखी जाती है। उसका ईंधन सेल इलेक्ट्रिक मोटर के लिए बिजली बनाता है।
- इससे केवल जलवाष्प और गर्म हवा निकलती है।
- इसमें ईंधन भरने में लगभग इतना समय लगता है: 5 मिनट.
- DOE के अनुसार, इसकी रेंज 300 मील से अधिक है।
PEM ईंधन सेल कारों, बसों और भारी ट्रकों के लिए उपयुक्त हैं।
4.3 क्या ईंधन सेल किसी इमारत या बिजलीघर को बिजली दे सकता है?
हाँ। कथन 2 की यही बात सही है। DOE ने इसके उपयोगों में इमारतों, परिवहन और बिजली ग्रिड के लिए ऊर्जा भंडारण को शामिल किया है।
परीक्षा में भ्रम पैदा करने वाला शब्द “नहीं” है। ईंधन सेल इमारतों और छोटे उपकरणों के लिए भी उपयुक्त हैं।
5. ईंधन सेल कितने प्रकार के होते हैं?
ईंधन सेल का नाम उनमें इस्तेमाल होने वाले विद्युत अपघट्य (इलेक्ट्रोलाइट) के आधार पर रखा जाता है। इलेक्ट्रोलाइट से तय होता है कि सेल किस तापमान पर काम करेगा, कौन-सा उत्प्रेरक लगेगा और उसका सबसे उपयुक्त उपयोग क्या होगा।
5.1 मुख्य प्रकार कौन-से हैं?
- PEM (पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली): लगभग 80°C पर काम करता है। यह जल्दी चालू होता है और वाहनों के लिए उपयुक्त है।
- क्षारीय: विकसित किए गए शुरुआती प्रकारों में से एक। अमेरिकी अंतरिक्ष कार्यक्रम में बड़े पैमाने पर इस्तेमाल होने वाला यह पहला प्रकार था।
- फॉस्फोरिक अम्ल: व्यावसायिक रूप से इस्तेमाल होने वाला पहला प्रकार। इसका उपयोग मुख्यतः स्थिर बिजली संयंत्रों में होता है।
- पिघला हुआ कार्बोनेट: लगभग 650°C पर काम करता है। इसे सार्वजनिक बिजली आपूर्ति और उद्योगों के लिए बिजली बनाने हेतु तैयार किया जाता है।
- ठोस ऑक्साइड: 1,000°C तक के तापमान पर काम करता है। इसमें सिरेमिक इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग होता है।
- प्रत्यक्ष मेथनॉल: मेथनॉल से चलता है। इसका उपयोग पोर्टेबल उपकरणों को बिजली देने के लिए होता है।
5.2 अपोलो के ईंधन सेल ने क्या काम किया?
अपोलो (Apollo) अंतरिक्ष कार्यक्रम में हाइड्रोजन-ऑक्सीजन सेल से बिजली मिलती थी। इससे बने पानी को संघनित करके अंतरिक्ष यात्रियों के पीने के पानी में मिलाया जाता था।
उसी पुस्तक में इस सेल का वर्णन है। हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को सरंध्र कार्बन इलेक्ट्रोडों से बुलबुलों के रूप में एक सांद्र क्षारीय विलयन में प्रवाहित किया जाता है। प्लैटिनम या पैलेडियम उत्प्रेरक इलेक्ट्रोडों पर होने वाली अभिक्रियाओं को तेज करते हैं।
- कैथोड: O2 + 2H2O + 4e- से 4OH- बनता है।
- ऐनोड: 2H2 + 4OH- से 4H2O + 4e- बनता है।
- कुल अभिक्रिया: 2H2 + O2 से 2H2O बनता है।
याद रखें: अपोलो कार्यक्रम में कौन-सा ईंधन सेल अंतरिक्ष में गया था?
सांद्र क्षारीय विलयन वाला हाइड्रोजन-ऑक्सीजन सेल। इससे बने पानी को अंतरिक्ष यात्रियों' के पीने के पानी में मिलाया जाता था।
6. ईंधन सेल कितने दक्ष हैं और भारत क्या कर रहा है?
ईंधन सेल में ईंधन जलाने का चरण नहीं होता, इसलिए ऊर्जा कम बर्बाद होती है। भारत हाइड्रोजन का उपयोग बढ़ाना चाहता है, जिससे ईंधन सेल का उपयोग भी बढ़ सकता है।
6.1 ईंधन सेल दक्ष क्यों होते हैं?
ताप बिजलीघर में भाप बनाने के लिए ईंधन जलाया जाता है। भाप टरबाइन को घुमाती है। हर चरण में ऊर्जा की हानि होती है।
ईंधन सेल रासायनिक ऊर्जा को सीधे बिजली में बदलता है। कक्षा 12 की पुस्तक के अनुसार, हाइड्रोजन-ऑक्सीजन सेल की दक्षता लगभग 70 प्रतिशतहोती है। ताप बिजलीघरों की दक्षता लगभग 40 प्रतिशत होती है।
DOE के अनुसार, ईंधन सेल की दक्षता 60 प्रतिशत से अधिक हो सकती है। NCERT में लगभग 70 प्रतिशत बताया गया है। परीक्षा के लिए NCERT का आँकड़ा याद रखें।
6.2 भारत का राष्ट्रीय हरित हाइड्रोजन मिशन क्या है?
केंद्रीय मंत्रिमंडल ने इस मिशन को मंजूरी दी थी जनवरी 2023. PIB ने 4 जनवरी 2023 को मंजूरी की जानकारी जारी की। इसका शुरुआती बजट है Rs 19,744 करोड़। नवीन और नवीकरणीय ऊर्जा मंत्रालय इसका समन्वय करता है।
- लक्ष्य है कि हर साल कम से कम 5 मिलियन मीट्रिक टन हरित हाइड्रोजन का उत्पादन 2030 तक हो।
- इसके लिए लगभग 125 GW नई नवीकरणीय ऊर्जा क्षमता की जरूरत है।
- इस मिशन का उद्देश्य जीवाश्म ईंधन का आयात घटाना और सालाना उत्सर्जन में लगभग 50 मिलियन टन की कमी लाना है।
हरित हाइड्रोजन की आपूर्ति बढ़ने से भारत में ईंधन सेलों का इस्तेमाल बढ़ सकता है।
अपने शब्दों में समझाएँ: ईंधन सेल की दक्षता ताप विद्युत संयंत्र से अधिक क्यों होती है?
यह रासायनिक ऊर्जा को सीधे बिजली में बदलता है। ताप विद्युत संयंत्र में ईंधन जलाकर भाप बनाई जाती है और उससे टरबाइन चलाई जाती है। हर चरण में कुछ ऊर्जा की हानि होती है।
7. परीक्षा में किन बातों से भ्रम हो सकता है?
इस प्रश्न में एक सही कथन के साथ दो गलत कथन दिए गए हैं। दोनों गलत कथनों को आसानी से सुधारा जा सकता है।
7.1 आम तौर पर किन बातों में गलती होती है?
- शुद्ध हाइड्रोजन से केवल ऊष्मा और पानी बनते हैं। यह सही है।
- ईंधन सेलों का इस्तेमाल केवल इमारतों तक सीमित नहीं है। इनसे लैपटॉप और वाहन भी चलते हैं।
- ईंधन सेल DC देते हैं, AC नहीं। जरूरत पड़ने पर इन्वर्टर इसे AC में बदलता है।
- ईंधन सेल बैटरी नहीं है। जब तक ईंधन मिलता रहता है, यह काम करता रहता है।
- अन्य ईंधनों से कार्बन डाइऑक्साइड बनती है। केवल शुद्ध हाइड्रोजन का इस्तेमाल करने पर सेल में कार्बन डाइऑक्साइड नहीं बनती।
7.2 यह प्रश्न किस परीक्षा में पूछा गया था?
UPSC CSP 2015, Q95 में ईंधन सेलों के बारे में तीन कथन दिए गए थे। केवल कथन 1 सही है। इसलिए उत्तर है “केवल 1″।
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