हाइड्रोजन फ्यूल सेल: शून्य-उत्सर्जन परिवहन के लिए 'कैपिटल क्रांति' और इसकी आंतरिक कार्यप्रणाली

आज के युग में जब ग्लोबल वार्मिंग एक गंभीर चुनौती बन रही है, तब परिवहन क्षेत्र में कार्बन उत्सर्जन घटाने के लिए हाइड्रोजन फ्यूल सेल (fuel cell) एक आशाजनक तकनीक के रूप में उभरी है। फ्यूल सेल एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल है जो ईंधन (मुख्यतः हाइड्रोजन) और ऑक्सीडाइजिंग एजेंट (मुख्यतः ऑक्सीजन) की रासायनिक ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करता है। सामान्य बैटरी और फ्यूल सेल के बीच मुख्य अंतर यह है कि बैटरी में ऊर्जा पहले से संग्रहित होती है, जबकि फ्यूल सेल को निरंतर ईंधन और ऑक्सीजन की आपूर्ति की आवश्यकता होती है। जब तक यह आपूर्ति जारी रहती है, तब तक फ्यूल सेल निरंतर बिजली पैदा कर सकता है।

हाइड्रोजन फ्यूल सेल का इतिहास काफी पुराना और दिलचस्प है। पहले फ्यूल सेल की खोज 1838 में वेल्श भौतिक विज्ञानी सर विलियम ग्रोव द्वारा की गई थी। उन्होंने लोहे, तांबे और पोर्सिलेन प्लेटों का उपयोग करके एक कच्चा फ्यूल सेल बनाया था। हालांकि, इसका व्यावसायिक उपयोग लगभग एक सदी बाद 1932 में फ्रांसिस थॉमस बेकन द्वारा हाइड्रोजन-ऑक्सीजन फ्यूल सेल की खोज के साथ शुरू हुआ था। 1960 के दशक के मध्य में NASA ने अपने अंतरिक्ष कार्यक्रमों में सैटेलाइट और स्पेस कैप्सूल के लिए पावर जनरेट करने हेतु इस तकनीक का उपयोग करना शुरू किया था। तब से, इसका उपयोग फोर्कलिफ्ट, कार, बस, ट्रेन, नाव और सबमरीन जैसे विभिन्न वाहनों में किया जा रहा है।

फ्यूल सेल की मूल संरचना में तीन मुख्य भाग होते हैं: एनोड (anode), कैथोड (cathode) और इलेक्ट्रोलाइट (electrolyte)। ये तीनों भाग एक-दूसरे के बगल में व्यवस्थित होते हैं और उनके बीच रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं। एनोड पर एक कैटालिस्ट (catalyst) यानी उत्प्रेरक (सामान्यतः प्लैटिनम पाउडर) हाइड्रोजन ईंधन को आयनों और इलेक्ट्रॉनों में विभाजित करता है। इलेक्ट्रोलाइट ऐसा पदार्थ है जो केवल आयनों को अपने भीतर से गुजरने देता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों को रोकता है। ये मुक्त हुए इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से बहते हैं, जिससे डायरेक्ट करंट (DC) बिजली उत्पन्न होती है। अंत में, कैथोड पर ये आयन, इलेक्ट्रॉन और ऑक्सीजन फिर से जुड़कर पानी (H2O) बनाते हैं, जो इस प्रक्रिया का एकमात्र उप-उत्पाद है।

वाहनों में सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला प्रकार प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC) है। इस डिजाइन में, इलेक्ट्रोलाइट के रूप में प्रोटॉन-कंडक्टिंग पॉलीमर मेम्ब्रेन (सामान्यतः नेफिओन) का उपयोग होता है। एनोड की ओर, हाइड्रोजन कैटालिस्ट के संपर्क में आता है और प्रोटॉन तथा इलेक्ट्रॉनों में विभाजित हो जाता है। ये प्रोटॉन मेम्ब्रेन के माध्यम से कैथोड की ओर जाते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहर से घूमकर आते हैं और मोटर को पावर देते हैं। कैथोड पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया होने से शुद्ध पानी और गर्मी उत्पन्न होती है। यह प्रक्रिया इतनी स्वच्छ है कि इसमें से कोई जहरीली गैसें बाहर नहीं निकलती हैं।

एक सिंगल फ्यूल सेल सामान्यतः केवल 0.6 से 0.7 वोल्ट जितनी कम बिजली पैदा करता है। वाहन को चलाने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्राप्त करने के लिए, ऐसे कई सेल्स को श्रेणी (series) में जोड़ा जाता है, जिसे 'फ्यूल सेल स्टैक' (fuel cell stack) कहा जाता है। इस स्टैक की क्षमता बढ़ाने के लिए सेल के सतह के क्षेत्रफल को भी बढ़ाया जा सकता है। हालाँकि, इस प्रक्रिया में कुछ ऊर्जा का व्यय भी होता है, जिसे एक्टिवेशन लॉस, ओहमिक लॉस और मास ट्रांसपोर्ट लॉस के रूप में जाना जाता है। फिर भी, फ्यूल सेल की कार्यक्षमता सामान्यतः 40% से 60% के बीच होती है, जो पारंपरिक पेट्रोल इंजन से काफी अधिक है।

खर्च की दृष्टि से देखें तो, फ्यूल सेल टेक्नोलॉजी अभी भी महंगी है, लेकिन बड़े पैमाने पर उत्पादन से इसमें कमी आ सकती है। यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी के अनुमान के अनुसार, यदि प्रति वर्ष 1,00,000 वाहनों का उत्पादन हो, तो 80 kW की फ्यूल सेल सिस्टम की लागत प्रति किलोवाट $67 हो सकती है। यदि यह उत्पादन बढ़कर 5,00,000 यूनिट हो जाए, तो खर्च घटकर $55 प्रति किलोवाट तक आ सकता है। वैज्ञानिक प्लैटिनम जैसे महंगे कैटालिस्ट का उपयोग कम करने के लिए कार्बन सिल्क और कार्बन नैनोट्यूब्स जैसे विकल्पों पर भी शोध कर रहे हैं, जो खर्च में 30% से अधिक की कमी ला सकते हैं।

हाइड्रोजन के उत्पादन की पद्धति के आधार पर उसे अलग-अलग रंगों में विभाजित किया जाता है। वर्तमान में अधिकांश हाइड्रोजन 'ग्रे हाइड्रोजन' (gray hydrogen) है, जो प्राकृतिक गैस से स्टीम मिथेन रिफॉर्मिंग (SMR) प्रक्रिया द्वारा बनाया जाता है। इस प्रक्रिया में कार्बन डाइऑक्साइड मुक्त होती है, जो पर्यावरण के लिए हानिकारक है। दूसरी ओर, 'ब्लू हाइड्रोजन' में इस कार्बन को कैप्चर करके स्टोर किया जाता है। सबसे शुद्ध स्वरूप 'ग्रीन हाइड्रोजन' (green hydrogen) है, जो रिन्यूएबल एनर्जी (सौर या पवन ऊर्जा) का उपयोग करके पानी के इलेक्ट्रोलिसिस (electrolysis) द्वारा प्राप्त किया जाता है। 2021 में उत्पादित 94 मिलियन टन हाइड्रोजन में से 1% से भी कम हाइड्रोजन लो-कार्बन था।

परिवहन क्षेत्र में हाइड्रोजन की भूमिका के बारे में बात करें तो, यह विशेष रूप से भारी वाहनों के लिए अधिक अनुकूल है। लंबी दूरी की ट्रकों, बसों, जहाजों और विमानों में बड़ी बैटरियाँ रखना वजन और जगह की दृष्टि से कठिन होता है। हाइड्रोजन हल्का है और इसे तेजी से रिफ्यूल किया जा सकता है। हालाँकि, पैसेंजर कारों के मामले में इलेक्ट्रिक वाहन (EV) वर्तमान में आगे हैं। 2022 के अंत तक विश्वभर में केवल 70,200 हाइड्रोजन वाहन बेचे गए थे, जिसके मुकाबले प्लग-इन इलेक्ट्रिक वाहनों की संख्या 26 मिलियन थी। टोयोटा और हुंडई जैसी कंपनियाँ अभी भी हाइड्रोजन कारों में बड़ा निवेश कर रही हैं।

हाइड्रोजन के भंडारण और परिवहन के लिए भी बड़ी चुनौतियाँ हैं। हाइड्रोजन अत्यंत विस्फोटक गैस है और इसकी ज्वालाएं दिन के उजाले में दिखाई नहीं देती हैं, जो सुरक्षा के लिए जोखिमपूर्ण हो सकती हैं। इसे तरल रूप में रखने के लिए अत्यंत कम तापमान की आवश्यकता होती है, जिसके लिए बड़े गोलाकार स्टोरेज टैंक का उपयोग किया जाता है। नासा जैसी संस्थाएं तरल हाइड्रोजन के भंडारण में दशकों का अनुभव रखती हैं, लेकिन सामान्य सड़कों पर इस प्रकार का इंफ्रास्ट्रक्चर खड़ा करना एक बड़ा आर्थिक और इंजीनियरिंग कार्य है।

भारत जैसे देशों के लिए हाइड्रोजन मिशन बहुत ही महत्वपूर्ण है। भारत सरकार ग्रीन हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए प्रोत्साहन दे रही है ताकि ऊर्जा सुरक्षा बढ़ाई जा सके और आयातित तेल पर निर्भरता कम की जा सके। हालांकि, 2030 तक के लक्ष्यों को हासिल करने के लिए इलेक्ट्रोलाइज़र की लागत में कमी और मजबूत वितरण नेटवर्क अनिवार्य है। हाइड्रोजन इकोनॉमी (hydrogen economy) केवल एक कल्पना नहीं है, बल्कि भविष्य की आवश्यकता है, जहां बिजली और हाइड्रोजन एक-दूसरे के पूरक बनकर विश्व को प्रदूषण मुक्त बनाएंगे।