हाइड्रोजन ईंधन सेल (HYDROGEN FUEL CELLS)

• हाइड्रोजन ईंधन सेल एक ऐसा उपकरण है जो हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से बिजली उत्पन्न करता है, जिसमें पानी एकमात्र उप-उत्पाद होता है।
• यह स्वच्छ और कुशल ऊर्जा रूपांतरण विधि कार्बन उत्सर्जन को कम करने और टिकाऊ ऊर्जा प्रदान करने के संभावित समाधान के रूप में ध्यान आकर्षित कर रही है।

हाइड्रोजन ईंधन सेल का कार्य सिद्धांत(Working Principle of Hydrogen Fuel Cells)

• हाइड्रोजन ईंधन सेल के पीछे मूल सिद्धांत एक विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया है जो हाइड्रोजन से रासायनिक ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है।
• यह प्रक्रिया दहन के बिना होती है, जिसका अर्थ है कि कोई हानिकारक उत्सर्जन (जल वाष्प के अलावा) नहीं होता है।
  • एनोड साइड(Anode side): हाइड्रोजन गैस (H₂) को ईंधन सेल के एनोड साइड में पेश किया जाता है। हाइड्रोजन के अणु प्रोटॉन (H⁺) और इलेक्ट्रॉन (e⁻) में विभाजित हो जाते हैं।
  • इलेक्ट्रोलाइट(Electrolyte): प्रोटॉन इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली के माध्यम से आगे बढ़ते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट से गुजरते हैं, जिससे विद्युत प्रवाह बनता है।
  • कैथोड साइड(Cathode side): हवा से ऑक्सीजन (O₂) को कैथोड साइड में पेश किया जाता है। इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और ऑक्सीजन कैथोड पर मिलकर पानी (H₂O) बनाते हैं, जिसे उप-उत्पाद के रूप में बाहर निकाल दिया जाता है।
• यह प्रक्रिया स्वच्छ बिजली और ऊष्मा पैदा करती है, जिससे यह पारंपरिक ऊर्जा स्रोतों का पर्यावरण-अनुकूल विकल्प बन जाता है।

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के प्रकार (Types of Hydrogen Fuel Cells)

• हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के कई प्रकार हैं, जिनमें से प्रत्येक की अलग-अलग विशेषताएँ, अनुप्रयोग और दक्षता स्तर हैं।
  • प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन ईंधन सेल Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC): ऑटोमोटिव और पोर्टेबल अनुप्रयोगों में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले, PEM ईंधन सेल कॉम्पैक्ट और कुशल होते हैं। वे कम तापमान पर अच्छी तरह से काम करते हैं और उनका पावर डेंसिटी उच्च होता है।
  • क्षारीय ईंधन सेल Alkaline Fuel Cells (AFC): ये ईंधन कोशिकाओं के सबसे शुरुआती प्रकारों में से एक हैं। AFC क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट घोल में काम करते हैं और इनका उपयोग ज़्यादातर अंतरिक्ष मिशनों (जैसे, NASA के अपोलो मिशन) में किया जाता है।
  • सॉलिड ऑक्साइड ईंधन सेल Solid Oxide Fuel Cells (SOFC): इनका उपयोग आम तौर पर स्थिर बिजली उत्पादन के लिए किया जाता है। SOFC बहुत उच्च तापमान (600°C से 1,000°C) पर काम करते हैं और इनकी दक्षता बहुत अधिक होती है, जो इन्हें बड़े पैमाने पर बिजली उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाता है।
  • फॉस्फोरिक एसिड ईंधन सेल Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC): PAFC का उपयोग अक्सर वाणिज्यिक और औद्योगिक बिजली उत्पादन के लिए किया जाता है। वे मध्यम तापमान पर काम करते हैं और पारंपरिक दहन-आधारित बिजली संयंत्रों की तुलना में अधिक दक्षता रखते हैं।
  • पिघले हुए कार्बोनेट ईंधन सेल Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC): इन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग बड़े पैमाने पर औद्योगिक अनुप्रयोगों में किया जाता है। वे उच्च तापमान पर काम करते हैं और अपनी दक्षता और विभिन्न प्रकार के ईंधन का उपयोग करने की क्षमता के लिए जाने जाते हैं।

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के अनुप्रयोग (Applications of Hydrogen Fuel Cells)

• हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के विभिन्न क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है:
  • परिवहन (Transportation): हाइड्रोजन से चलने वाले वाहन (जैसे कार, बस और ट्रक) अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं क्योंकि वे पारंपरिक गैसोलीन और डीजल वाहनों के लिए एक स्वच्छ विकल्प प्रदान करते हैं।
  • पोर्टेबल पावर Portable Power: छोटे, पोर्टेबल हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग लैपटॉप, स्मार्टफोन और पोर्टेबल जनरेटर जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए किया जा सकता है, खासकर दूरदराज के क्षेत्रों में जहां पारंपरिक बिजली स्रोत उपलब्ध नहीं हैं।
  • स्थिर बिजली उत्पादन Stationary Power Generation: हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं का उपयोग आवासीय, वाणिज्यिक और औद्योगिक बिजली उत्पादन के लिए किया जा सकता है। वे न्यूनतम पर्यावरणीय प्रभाव के साथ एक विश्वसनीय और कुशल बिजली स्रोत प्रदान करते हैं।
  • बैकअप पावर Backup Power: ईंधन सेल महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे, जैसे कि अस्पताल, दूरसंचार और डेटा सेंटर के लिए बैकअप पावर स्रोत के रूप में काम कर सकते हैं। वे ग्रिड फेल होने की स्थिति में निर्बाध बिजली आपूर्ति प्रदान करते हैं।

पर्यावरणीय प्रभाव (Environmental Impact)

• हाइड्रोजन ईंधन सेल के सबसे महत्वपूर्ण लाभों में से एक उनके पर्यावरणीय लाभ हैं:
  • शून्य उत्सर्जन (Zero Emissions) : हाइड्रोजन ईंधन सेल का प्राथमिक उपोत्पाद जल वाष्प है। यह हाइड्रोजन ईंधन सेल को सबसे स्वच्छ ऊर्जा स्रोतों में से एक बनाता है, जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂), नाइट्रोजन ऑक्साइड (NOx), या पार्टिकुलेट मैटर जैसे शून्य हानिकारक उत्सर्जन होते हैं।
  • ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में कमी (Reduction in Greenhouse Gas Emissions): पारंपरिक जीवाश्म ईंधन-आधारित बिजली स्रोतों की जगह, हाइड्रोजन ईंधन सेल ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को काफी कम कर सकते हैं और जलवायु परिवर्तन को कम करने में मदद कर सकते हैं।
  • ऊर्जा दक्षता (Energy Efficiency): हाइड्रोजन ईंधन सेल आंतरिक दहन इंजन की तुलना में अधिक कुशल हैं, क्योंकि वे हाइड्रोजन में अधिक ऊर्जा को उपयोग करने योग्य बिजली में परिवर्तित करते हैं।

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं की चुनौतियाँ (Challenges of Hydrogen Fuel Cells)

• जबकि हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं में जबरदस्त क्षमता है, उन्हें कई चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है:
  • हाइड्रोजन उत्पादन: वर्तमान में अधिकांश हाइड्रोजन प्राकृतिक गैस से उत्पादित होता है, जो CO₂ छोड़ता है। हाइड्रोजन को वास्तव में हरित बनाने के लिए, इसे अक्षय ऊर्जा स्रोतों का उपयोग करके जल इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से उत्पादित करने की आवश्यकता है, लेकिन यह प्रक्रिया अभी भी महंगी और ऊर्जा-गहन है।
  • बुनियादी ढाँचे का विकास: हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं को एक मजबूत ईंधन भरने के बुनियादी ढाँचे की आवश्यकता होती है, जो अभी भी अविकसित है। हाइड्रोजन ईंधन स्टेशन सीमित हैं, खासकर प्रमुख शहरी केंद्रों के बाहर के क्षेत्रों में।
  • भंडारण और वितरण: हाइड्रोजन में कम ऊर्जा घनत्व होता है, जो इसे कुशलतापूर्वक संग्रहीत और परिवहन करना एक चुनौती बनाता है। इसके लिए संपीड़न या द्रवीकरण की आवश्यकता होती है, जो दोनों ऊर्जा-गहन प्रक्रियाएँ हैं।
  • लागत: हाइड्रोजन ईंधन सेल और संबंधित बुनियादी ढाँचा वर्तमान में महंगा है, जिसका मुख्य कारण प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरक और ईंधन सेल प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले अन्य घटकों की उच्च लागत है।

हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं का भविष्य (Future of Hydrogen Fuel Cells)

• हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं का भविष्य आशाजनक दिखता है, खासकर तब जब सरकारें और उद्योग अक्षय ऊर्जा समाधानों में भारी निवेश कर रहे हैं। कई विकास हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के भविष्य को आकार दे सकते हैं:
  • ग्रीन हाइड्रोजन: जैसे-जैसे अक्षय ऊर्जा की लागत में गिरावट जारी है, इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से ग्रीन हाइड्रोजन का उत्पादन अधिक व्यवहार्य हो जाता है, जिससे हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं के कार्बन पदचिह्न कम हो जाते हैं।
  • तकनीकी प्रगति: सामग्री विज्ञान में चल रहे शोध, विशेष रूप से उत्प्रेरक और झिल्ली में, हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं की लागत कम कर सकते हैं और उनकी दक्षता में सुधार कर सकते हैं।
  • सरकारी नीतियाँ: कई देश हाइड्रोजन ईंधन सेल अपनाने को बढ़ावा देने के लिए नीतियों और प्रोत्साहनों को लागू कर रहे हैं, जिसमें स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों के लिए सब्सिडी और ईंधन भरने के बुनियादी ढांचे में निवेश शामिल हैं।