इंधन-विद्युत् घट

इंधन-विद्युत् घट : इंधनामधील रासायनिक ऊर्जेचे सरळ विद्युत् ऊर्जेत अखंडपणे रूपांतर करणारे साधन आहे. यामध्ये एका विद्युत् अग्राला हायड्रोजनासारखे इंधन व दुसऱ्याला ऑक्सिजन वा हवेसारखा ऑक्सिडीकारक पदार्थ पुरविण्यात येतो व घटातील रासायनिक विक्रियेतील इलेक्ट्रॉन-विनिमयाने निर्माण होणाऱ्या ऊर्जेचा विजेसाठी वापर केला जातो.

इंधनापासून वीज मिळविण्याची नेहमीची पद्धती म्हणजे ते जाळून मिळणाऱ्या उष्णतेने पाण्याची वाफ करतात व त्या वाफेवर ऊष्मीय एंजिन (टरबाइन) चालवून उष्णतेचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करतात. या यांत्रिक ऊर्जेने विद्युत् जनित्र चालवून वीज मिळविली जाते. आदर्श परिस्थितीत या पद्धतीची कार्यक्षमता ३९ टक्के असते. म्हणजे पुरविलेल्या ऊर्जेचा २/३भाग वाया जातो. एकदिक् विद्युत् प्रवाहाचे प्रत्यावर्ती (उलट सुलट दिशेने वाहणाऱ्या) प्रवाहात रूपांतर करावयाचे असल्यास आणखी ऊर्जा वाया जाते. इंधन-विद्युत् घटामुळे उष्णता व यांत्रिक ऊर्जा यांच्यात रूपांतर करण्याच्या मधल्या पायऱ्या टाळून वाया जाणारी ऊर्जा वाचविता येते व परिणामी कार्यक्षमता वाढते.

इतिहास

हंफ्री डेव्ही (१७७८—१८२९) यांनी कार्बन व नायट्रिक अम्‍ल वापरून असा घट बनविण्याचा प्रयत्‍न केला होता. एकोणिसाव्या शतकात दगडी कोळसा किंवा त्यापासून मिळणारे हायड्रोजन व कार्बन मोनॉक्साइड यां इंधनांच्या विद्युत् रासायनिक ऑक्सिडीकरणाद्वारे वीज मिळविण्याचे प्रयत्‍न झाले. त्यावेळी घटाच्या कृतीची तत्त्वे समजली असूनही घटाची अकार्यक्षमता, मंद विक्रिया व अल्पायुष्य तसेच अभियांत्रिकी व ऊष्मागतिकी (यांत्रिक व इतर रूपातील ऊर्जा आणि उष्णता यांच्या संबंधांचे गणितीय विवरण करणारे शास्त्र) यांचे अपुरे ज्ञान यांमुळे घट प्रत्यक्षात आला नाही. १९३२ साली एफ्. टी. बेकन (केंब्रिज) यांनी अशा घटाचा अभ्यास केला. त्यामुळे ओ. के. देव्हत्यान (रशिया), ई. युस्ती (जर्मनी) व जे. ए. ए. केटेलार (नेदर्लंड) यांच्या प्रयत्‍नांना चालना मिळाली. पहिला इंधन-विद्युत् घट विल्यम रॉबर्ट ग्रोव्ह यांनी बनविला. त्यांनी सल्फ्यूरिक अम्‍ल या विद्युत् विच्छेद्यातील (विजेच्या प्रवाहाने किंवा योग्य द्रवात विरघळल्याने घटक वेघळे होणाऱ्या पदार्थातील) निष्क्रिय विद्युत् अग्रांना हायड्रोजन व ऑक्सिजन पुरवून वीज निर्माण करून दाखविली. तदनंतर घटांत वेगवेगळी विद्युत् विच्छेद्ये व इंधने वापरून पाहण्यात आली आहेत. तंत्रज्ञानातील प्रगती, अवकाश प्रवासाच्या वाढत्या गरजा व वातावरण प्रदूषणाविरुद्धची मोहीम यांच्यामुळे १९५८ नंतर या घटाचा विकास जोमाने चालू असून त्याच्या संशोधनावर कोट्यावधी रुपये खर्च झाले आहेत.

प्रकार

सध्या अशा विविध प्रकारच्या घटांवर प्रयोग चालू असून त्यांच्यातील विक्रिया घटक, विद्युत् विच्छेद्ये, तापमान, उत्प्रेरक (विक्रियेत भाग न घेता तिचा वेग वाढविणारे पदार्थ) इ. गोष्टी भिन्नभिन्न आहेत. म्हणून त्याचे वर्गीकरण करणे अवघड असले तरी पुढील काही प्रकार ओळखले जातात. त्यांची विद्युत् अग्रे बहुधा सच्छिद्र आणि धातूंची किंवा कार्बनाची असतात. १,०००० से. पर्यंतच्या तापमानासाठी कधीकधी झिर्कोनियम ऑक्साइडाची विद्युत् अग्रे वापरतात. अल्क व अम्‍लधर्मी संहत विद्राव कमी तापमानासाठी तर वितळलेली लवणे उच्च तापमानासाठी विद्युत् विच्छेद्य म्हणून वापरतात.

(१) हायड्रॉक्स घट

कमी ते मध्यम तापमानात याचे कार्य चालते. त्याला एकाच वेळी दाबाखाली असलेले हायड्रोजन व ऑक्सिजन सतत पुरविण्यात येतात. हायड्रोजनाच्या बाजूकडील ऋण विद्युत् अग्र सक्रियित (अधिक क्रियाशील बनविलेल्या) कार्बनाचे असून त्यात चांदीचे कण भरलेले असतात; तर ऑक्सिजनाच्या बाजूकडील धन विद्युत् अग्रही असेच असते, मात्र त्यात निकेलाचे कण असतात. विद्युत् अग्रे पोटॅशियम हायड्रॉक्साइडाच्या

विद्रावात (विद्युत् विच्छेद्यात) ठेवलेली असतात. विद्युत् अग्राच्या छिद्रांतून जाताना हायड्रोजनामधील इलेक्ट्रॉन विद्युत् अग्राला दिले जाऊन हायड्रोजन आयन (H+) तयार होतात (आयन म्हणजे विद्युत् भारित अणू, रेणू किंवा अणुगट होय). हायड्रोजन आयनांची विद्युत् विच्छेद्यातील हायड्रॉक्सिल आयनांशी (OH ¯) विक्रिया होऊन पाणी बनते व त्याची वाफ वरच्या नळीतून बाहेर पडते (पहा आकृती). अशा प्रकारे बाह्य विद्युत् मंडलातून इलेक्ट्रॉन वाहू लागून विद्युत् प्रवाह निर्माण होतो. उलट विद्युत् अग्रातून पसरताना ऑक्सिजन इलेक्ट्रॉन घेतो. त्याची विद्युत् विच्छेद्याशी विक्रिया होऊन आणखी हायड्रॉक्सिल आयन उत्पन्न होतात व तेहायड्रोजन विद्युत अग्राकडे जाऊन मंडल पूर्ण होते. विद्युत् अग्रांतील हा विद्युत् दाब वापरता येतो. या घटाची विद्युत् चालक प्रेरणा (विद्युत् मंडलात प्रवाह वाहण्यास कारणीभूत होणारी प्रेरणा) १ व्होल्ट असते. अधिक प्रेरणेसाठी अनेक घट जोडून घटमाला बनवितात. तापमान वाढविल्यासही यातील विद्युत् प्रवाह वाढतो. २५० ते ५०० से. दरम्यानच्या तापमानात विद्युत् अग्राच्या दर चौ.सेंमी. पृष्ठामागे ८० मिअँपि. प्रवाह मिळतो व कार्यक्षमता ७० टक्के असते. जसजसे तापमान वाढते तसतसा ध्रुवीकरणाचा (विद्युत् विच्छेदनात निर्माण होणारे घटक अग्रांवर साचून विद्युत् चालक प्रेरणा कमी होण्याचा) उपद्रव कमी होऊन कार्यक्षमता वाढत जाते. आयन-विनिमय पटल हे विद्युत् विच्छेद्य असणारा हायड्रॉक्स घटही असतो.

(२) रेडॉक्स घट

याची रचना व कार्य गुंतागुंतीचे असून त्याच्या मध्यस्थ द्रव्यात ðक्षपण व ऑक्सिडीकरण क्रिया होतात. त्यात निर्माण होणारी द्रव्ये नंतर विद्युत् अग्रांकडे जाऊन इलेक्ट्रॉन घालवितात वा शोषून घेतात.

(३) वितळलेल्या लवणांचे घट

या उच्च तापमान घटांत अल्कली कार्बोनेटांसारखे लवण वितळलेल्या स्थितीत विद्युत् विच्छेद्य म्हणून वापरतात.

(४) कार बॉक्स घट

याचेही तापमान उच्च असून त्यात कार्बन व ऑक्सिजन हे विक्रिया घटक असतात.

(५) जीवरासायनिक क्रियेवर चालणारा घट

प्रकाश संश्लेषणाने व जैव प्रक्रियांनी निर्माण होणाऱ्या द्रव्याचे सूक्ष्मजंतूंद्वारे अपघटन (तुकडे होणे) होते. त्यामुळे उत्पन्न होणाऱ्या ऊर्जेचे सरळ विजेत रूपांतर करतात. अन्यथा ती उष्णतेच्या रूपात बाहेर पडत असते.

यांशिवाय इतर प्रकारचे अनेक घटही प्रयोगावस्थेत आहेत. त्यांच्यात हायड्रॅझीन, मिथिल अल्कोहॉल, कार्बन मोनॉक्साइड, गंधक, नैसर्गिक वायू, फॉर्मिक अम्‍ल, फॉर्माल्डिहाइड, इंधन तेले इ. इंधने वापरली जात आहेत.

इंधन-विद्युत् घटांची शक्ती २०० ते ५०० वॉट व प्रवाहघनता दर चौ. सेंमी.ला ५० ते १०० मिअँपि. असते. १५ किलोवॉट शक्तीच्या घटांचे मूळ नमुने तयार असून एका प्रयोगाद्वारे शक्ती १०० किलोवॉटपर्यंत वाढण्याची शक्यता असल्याचे दिसून आले आहे.

उपयोग

अवकाशयाने, वाहने, घरे इ. ठिकाणी हे घट वापरले गेले आहेत. अमेरिकेने मानवासह पाठविलेल्या यानांत वीज पुरविण्यासाठी वापरलेल्या अशा घटांमध्ये द्रवरूपातील हायड्रोजन व ऑक्सिजन वापरले होते. जेमिनी यानात वापरलेल्या कमी तापमानाच्या घटांतील विद्युत् अग्रे प्लॅटिनम ब्‍लॅक व पॉलिटेट्राइफ्ल्युओरोएथिलीन यांची होती तर अकार्बनी आयन-विनिमय पटल हे विद्युत् विच्छेद्य होते. अपोलो यानातील मोठी घटमाला बेकन घटासारखी होती. तिची विद्युत् अग्रे सच्छिद्र निकेलाची व विद्युत् विच्छेद्य पोटॅशियम हायड्रॉक्साइड हे होते. कृत्रिम उपग्रहांतील उपकरणांना व संदेशवहनासाठी या घटांद्वारे वीज पुरविली गेली आहे. सहज वाहून नेता येणाऱ्या रेडिओ संचात वापरण्यासाठी ६०-२४० वॉटच्या बनविल्या आहेत. त्यांच्यात धातूंच्या हायड्राइडांपासून मिळविलेले हायड्रॅझीन वा हायड्रोजन हे इंधन वापरतात. पाचरीसारख्या पात्यांनी गुदामातील मालाची हलवाहलव करणारे वाहन, मोटारगाड्या, शेतीची यंत्रे, दूरचित्रवाणी, नौकानयन इत्यादींसाठीही हे घट वापरून पाहण्याचे प्रयत्‍न चालू आहेत.

फायदे व तोटे

हे घट अधिक कार्यक्षम असल्याने इंधनाची बचत होते. या घटाने इंधन असेपर्यंत वीज अखंडपणे पुरविता येते. तसेच त्याला इंधनाचा जादा पुरवठाही करता येतो. याचे हालते भाग कमी असल्याने आवाज न होता आंदोलनांशिवाय ते अवकाशयानात कार्य करू शकतात. या घटांची देखभालही कमी प्रमाणात करावी लागतो.

या घटांसंबंधी काही अडचणीही आहेत. त्यांना अगदी शुद्ध वायू पुरवावे लागतात. घटाचे कार्य चालू असताना विद्युत् अग्रे व विद्युत् विच्छेद्य यांच्यामध्ये विक्रियेने बदल होणार नाही याची काळजी घ्यावी लागते. या घटांमध्ये वापरावयाची इंधने स्वस्त असली तरी त्यांत वापरावे लागणारे उत्प्रेरक खर्चाचे असतात. या घटाद्वारे १ किलोवॉट वीज निर्मितीस सु. ७,५०० रूपये खर्च येतो. हा खर्च एक दशांश झाल्याशिवाय हे घट इतर घटांशी स्पर्धेत टिकणार नाहीत. या घटांत विक्रियेने निर्माण होणाऱ्या पदार्थांची व जादा उष्णतेची विल्हेवाट लावावी लागते. या घटांची शक्ती व कार्यक्षमता व्यस्त प्रमाणात असल्याने आणि पारंपरिक वीज निर्मितीच्या पद्धतींची कार्यक्षमता वाढत असल्याने या घटांद्वारे मोठ्या प्रमाणावर वीज निर्माण करणे संभवनीय वाटत नाही. शिवाय अणुऊर्जेमुळे अधिक स्वस्त ऊर्जा मिळणे शक्य आहे. तांत्रिक प्रगती झाल्याशिवाय स्वयंचलामध्ये (उदा., मोटारगाडीमध्ये) हे घट वापरणे फायदेशीर होणार नाही. अवजड आकारमान हीही या घटांची एक समस्या आहे. उदा., आठ अश्वशक्तीच्या बेकन घटाचे आकारमान जरी लहान मोटारीतील एंजिनाएवढे असले तरी वायूंची भांडी व इतर साहाय्यक उपकरणे यांचे वजन सु. ३०० किग्रॅ. होते व ती वाहून नेण्यासाठी एक मालमोटार लागेल.

संदर्भ : 1. Adams, D. R. and others Fuel Cells: Power for the Future, Cambridge, 1960.

2. Mitchell, W. J. Ed. Fuel Cells, New York, 1968.

3. Soo, S. L. Direct Energy Conversion, Englewood Cliffs, N. J. 1968.

ओक, वा. रा.; ठाकूर, अ. ना.

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश