હાઇડ્રોજન ફ્યુઅલ સેલ: શૂન્ય-ઉત્સર્જન પરિવહન માટેની 'કેપિટલ ક્રાંતિ' અને તેની આંતરિક કાર્યપદ્ધતિ

આજના યુગમાં જ્યારે ગ્લોબલ વોર્મિંગ એક ગંભીર પડકાર બની રહ્યું છે, ત્યારે પરિવહન ક્ષેત્રે કાર્બન ઉત્સર્જન ઘટાડવા માટે હાઇડ્રોજન ફ્યુઅલ સેલ (fuel cell) એક આશાસ્પદ ટેકનોલોજી તરીકે ઉભરી આવી છે. ફ્યુઅલ સેલ એ એક ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેલ છે જે ઇંધણ (મોટે ભાગે હાઇડ્રોજન) અને ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ (મોટે ભાગે ઓક્સિજન) ની રાસાયણિક ઉર્જાને વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરે છે. સામાન્ય બેટરી અને ફ્યુઅલ સેલ વચ્ચેનો મુખ્ય તફાવત એ છે કે બેટરીમાં ઉર્જા અગાઉથી સંગ્રહિત હોય છે, જ્યારે ફ્યુઅલ સેલને સતત ઇંધણ અને ઓક્સિજનના પુરવઠાની જરૂર પડે છે. જ્યાં સુધી આ પુરવઠો ચાલુ રહે, ત્યાં સુધી ફ્યુઅલ સેલ સતત વીજળી પેદા કરી શકે છે.

હાઇડ્રોજન ફ્યુઅલ સેલનો ઇતિહાસ ઘણો જૂનો અને રસપ્રદ છે. પ્રથમ ફ્યુઅલ સેલની શોધ ૧૮૩૮માં વેલ્શ ભૌતિકશાસ્ત્રી સર વિલિયમ ગ્રોવ દ્વારા કરવામાં આવી હતી. તેમણે લોખંડ, તાંબુ અને પોર્સેલેઇન પ્લેટોનો ઉપયોગ કરીને એક કાચો ફ્યુઅલ સેલ બનાવ્યો હતો. જોકે, તેનો વ્યવસાયિક ઉપયોગ લગભગ એક સદી પછી ૧૯૩૨માં ફ્રાન્સિસ થોમસ બેકન દ્વારા હાઇડ્રોજન-ઓક્સિજન ફ્યુઅલ સેલની શોધ સાથે શરૂ થયો હતો. ૧૯૬૦ના દાયકાના મધ્યમાં NASA એ તેના અવકાશ કાર્યક્રમોમાં સેટેલાઇટ અને સ્પેસ કેપ્સ્યુલ્સ માટે પાવર જનરેટ કરવા માટે આ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ કરવાનું શરૂ કર્યું હતું. ત્યારથી, તેનો ઉપયોગ ફોર્કલિફ્ટ, કાર, બસ, ટ્રેન, બોટ અને સબમરીન જેવા વિવિધ વાહનોમાં કરવામાં આવી રહ્યો છે.

ફ્યુઅલ સેલની મૂળભૂત રચનામાં ત્રણ મુખ્ય ભાગો હોય છે: એનોડ (anode), કેથોડ (cathode) અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (electrolyte). આ ત્રણેય ભાગો એકબીજાની બાજુમાં ગોઠવાયેલા હોય છે અને તેમની વચ્ચે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ થાય છે. એનોડ પર એક કેટાલિસ્ટ (catalyst) એટલે કે ઉદ્દીપક (સામાન્ય રીતે પ્લેટિનમ પાવડર) હાઇડ્રોજન ઇંધણને આયનો અને ઇલેક્ટ્રોનમાં વિભાજિત કરે છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એવો પદાર્થ છે જે માત્ર આયનોને પોતાની અંદરથી પસાર થવા દે છે, પરંતુ ઇલેક્ટ્રોનને રોકે છે. આ મુક્ત થયેલા ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા વહે છે, જેનાથી ડાયરેક્ટ કરંટ (DC) વીજળી ઉત્પન્ન થાય છે. અંતે, કેથોડ પર આ આયનો, ઇલેક્ટ્રોન અને ઓક્સિજન ફરીથી જોડાઈને પાણી (H2O) બનાવે છે, જે આ પ્રક્રિયાની એકમાત્ર આડપેદાશ છે.

વાહનોમાં સૌથી વધુ વપરાતો પ્રકાર પ્રોટોન-એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ફ્યુઅલ સેલ (PEMFC) છે. આ ડિઝાઇનમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે પ્રોટોન-કન્ડક્ટિંગ પોલીમર મેમ્બ્રેન (સામાન્ય રીતે નેફિઓન) નો ઉપયોગ થાય છે. એનોડ બાજુએ, હાઇડ્રોજન કેટાલિસ્ટના સંપર્કમાં આવે છે અને પ્રોટોન તથા ઇલેક્ટ્રોનમાં વિભાજિત થાય છે. આ પ્રોટોન મેમ્બ્રેન દ્વારા કેથોડ તરફ જાય છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન બહારથી ફરીને આવે છે અને મોટરને પાવર આપે છે. કેથોડ પર ઓક્સિજન સાથે પ્રક્રિયા થવાથી શુદ્ધ પાણી અને ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે. આ પ્રક્રિયા એટલી સ્વચ્છ છે કે તેમાંથી કોઈ ઝેરી વાયુઓ બહાર નીકળતા નથી.

એક સિંગલ ફ્યુઅલ સેલ સામાન્ય રીતે માત્ર ૦.૬ થી ૦.૭ વોલ્ટ જેટલી ઓછી વીજળી પેદા કરે છે. વાહનને ચલાવવા માટે જરૂરી ઉર્જા મેળવવા માટે, આવા ઘણા સેલ્સને શ્રેણીમાં (series) જોડવામાં આવે છે, જેને 'ફ્યુઅલ સેલ સ્ટેક' (fuel cell stack) કહેવામાં આવે છે. આ સ્ટેકની ક્ષમતા વધારવા માટે સેલની સપાટીનું ક્ષેત્રફળ પણ વધારી શકાય છે. જોકે, આ પ્રક્રિયામાં કેટલીક ઉર્જાનો વ્યય પણ થાય છે, જેને એક્ટિવેશન લોસ, ઓહ્મિક લોસ અને માસ ટ્રાન્સપોર્ટ લોસ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેમ છતાં, ફ્યુઅલ સેલની કાર્યક્ષમતા સામાન્ય રીતે ૪૦% થી ૬૦% ની વચ્ચે હોય છે, જે પરંપરાગત પેટ્રોલ એન્જિન કરતા ઘણી વધારે છે.

ખર્ચની દ્રષ્ટિએ જોઈએ તો, ફ્યુઅલ સેલ ટેકનોલોજી હજુ પણ મોંઘી છે, પરંતુ મોટા પાયે ઉત્પાદનથી તેમાં ઘટાડો થઈ શકે છે. યુ.એસ. ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ એનર્જીના અંદાજ મુજબ, જો વર્ષે ૧,૦૦,૦૦૦ વાહનોનું ઉત્પાદન થાય, તો ૮૦ kW ની ફ્યુઅલ સેલ સિસ્ટમનો ખર્ચ પ્રતિ કિલોવોટ $૬૭ થઈ શકે છે. જો આ ઉત્પાદન વધીને ૫,૦૦,૦૦૦ યુનિટ થાય, તો ખર્ચ ઘટીને $૫૫ પ્રતિ કિલોવોટ સુધી આવી શકે છે. વૈજ્ઞાનિકો પ્લેટિનમ જેવા મોંઘા કેટાલિસ્ટનો ઉપયોગ ઘટાડવા માટે કાર્બન સિલ્ક અને કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ જેવા વિકલ્પો પર પણ સંશોધન કરી રહ્યા છે, જે ખર્ચમાં ૩૦% થી વધુ ઘટાડો કરી શકે છે.

હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદનની પદ્ધતિના આધારે તેને અલગ-અલગ રંગોમાં વહેંચવામાં આવે છે. હાલમાં મોટાભાગનો હાઇડ્રોજન 'ગ્રે હાઇડ્રોજન' (gray hydrogen) છે, જે કુદરતી ગેસમાંથી સ્ટીમ મિથેન રિફોર્મિંગ (SMR) પ્રક્રિયા દ્વારા બનાવવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયામાં કાર્બન ડાયોક્સાઇડ મુક્ત થાય છે, જે પર્યાવરણ માટે નુકસાનકારક છે. બીજી તરફ, 'બ્લુ હાઇડ્રોજન'માં આ કાર્બનને કેપ્ચર કરીને સ્ટોર કરવામાં આવે છે. સૌથી શુદ્ધ સ્વરૂપ 'ગ્રીન હાઇડ્રોજન' (green hydrogen) છે, જે રિન્યુએબલ એનર્જી (સૂર્ય કે પવન ઉર્જા) નો ઉપયોગ કરીને પાણીના ઇલેક્ટ્રોલિસિસ (electrolysis) દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. ૨૦૨૧માં ઉત્પાદિત ૯૪ મિલિયન ટન હાઇડ્રોજનમાંથી ૧% કરતા પણ ઓછો હાઇડ્રોજન લો-કાર્બન હતો.

પરિવહન ક્ષેત્રે હાઇડ્રોજનની ભૂમિકા વિશે વાત કરીએ તો, તે ખાસ કરીને ભારે વાહનો માટે વધુ અનુકૂળ છે. લાંબા અંતરની ટ્રકો, બસો, જહાજો અને વિમાનોમાં મોટી બેટરીઓ મૂકવી વજન અને જગ્યાની દ્રષ્ટિએ મુશ્કેલ હોય છે. હાઇડ્રોજન હલકો છે અને તેને ઝડપથી રિફ્યુઅલ કરી શકાય છે. જોકે, પેસેન્જર કારના કિસ્સામાં ઇલેક્ટ્રિક વાહનો (EV) હાલમાં આગળ છે. ૨૦૨૨ના અંત સુધીમાં વિશ્વભરમાં માત્ર ૭૦,૨૦૦ હાઇડ્રોજન વાહનો વેચાયા હતા, જેની સામે પ્લગ-ઇન ઇલેક્ટ્રિક વાહનોની સંખ્યા ૨૬ મિલિયન હતી. ટોયોટા અને હ્યુન્ડાઇ જેવી કંપનીઓ હજુ પણ હાઇડ્રોજન કારમાં મોટું રોકાણ કરી રહી છે.

હાઇડ્રોજનના સંગ્રહ અને પરિવહન માટે પણ મોટા પડકારો છે. હાઇડ્રોજન અત્યંત વિસ્ફોટક વાયુ છે અને તેની જ્વાળાઓ દિવસના પ્રકાશમાં દેખાતી નથી, જે સલામતી માટે જોખમી બની શકે છે. તેને પ્રવાહી સ્વરૂપમાં રાખવા માટે અત્યંત નીચા તાપમાનની જરૂર પડે છે, જેના માટે મોટા ગોળાકાર સ્ટોરેજ ટેન્કનો ઉપયોગ થાય છે. નાસા જેવી સંસ્થાઓ પ્રવાહી હાઇડ્રોજનના સંગ્રહમાં દાયકાઓનો અનુભવ ધરાવે છે, પરંતુ સામાન્ય રસ્તાઓ પર આ પ્રકારનું ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર ઊભું કરવું એ એક મોટું આર્થિક અને એન્જિનિયરિંગ કાર્ય છે.

ભારત જેવા દેશો માટે હાઇડ્રોજન મિશન ખૂબ જ મહત્વનું છે. ભારત સરકાર ગ્રીન હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન માટે પ્રોત્સાહન આપી રહી છે જેથી ઉર્જા સુરક્ષા વધારી શકાય અને આયાતી તેલ પરની નિર્ભરતા ઘટાડી શકાય. જોકે, ૨૦૩૦ સુધીના લક્ષ્યાંકો હાંસલ કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરના ખર્ચમાં ઘટાડો અને મજબૂત વિતરણ નેટવર્ક અનિવાર્ય છે. હાઇડ્રોજન ઇકોનોમી (hydrogen economy) એ માત્ર એક કલ્પના નથી, પરંતુ ભવિષ્યની જરૂરિયાત છે, જ્યાં વીજળી અને હાઇડ્રોજન એકબીજાના પૂરક બનીને વિશ્વને પ્રદૂષણમુક્ત બનાવશે.