ઇંધનકોષ

ઇંધનકોષ (fuel cell) : રૂઢિગત ઇંધનની રાસાયણિક ઊર્જાનું વિદ્યુત-ઊર્જામાં સતત રૂપાંતર કરવાની વીજરાસાયણિક (electro- chemical) પ્રયુક્તિ (device). ઇંધનકોષો એક પ્રકારના ગૅલ્વેનિક કોષો છે, જેમાં સતત ચાલતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાની ઊર્જાનું ઉપયોગી એવી વિદ્યુતમાં રૂપાંતર થાય છે. આવા કોષો પ્રાથમિક વિદ્યુતકોષ અથવા બૅટરીથી એ અર્થમાં જુદા પડે છે કે બૅટરીમાં વીજધ્રુવો પોતે ઇંધન [દા.ત., શુષ્ક-કોષ (dry cell)માં ઝિંક] અને ઉપચાયક (oxidizer) [દા.ત., શુષ્ક કોષમાં મૅંગેનીઝ ડાયૉક્સાઇડ] તરીકે કાર્ય કરે છે અને વપરાતા જાય છે, જ્યારે ઇંધનકોષમાં બે અલગ અલગ વીજધ્રુવો આગળ બાહ્ય સ્રોતમાંથી ઉમેરવામાં આવેલા ઇંધન અને ઉપચાયક પ્રક્રિયા કરે છે અને વીજધ્રુવો તેમજ વિદ્યુતવિભાજ્ય (electrolyte) સામાન્ય રીતે ફેરફાર પામ્યા વિનાના રહે છે.

સામાન્ય રીતે વિવિધ પ્રકારનાં ઇંધનોના દહનથી મળતી રાસાયણિક ઊર્જાનું યાંત્રિક શક્તિ કે વિદ્યુત-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરવામાં આવે છે ત્યારે રૂપાંતરણની પ્રવિધિમાં ઊર્જાનો સારો એવો વ્યય થાય છે અને ક્ષમતા ઘટે છે; દા.ત., ઇંધનને બાળીને તેની ગરમી વડે વરાળ ઉત્પન્ન કરી તેના વડે વિદ્યુત ઉત્પન્ન કરવામાં આવે તો તેની ક્ષમતા 40 %થી 50 % જેટલી હોય છે, જ્યારે આંતરદહન એન્જિનો ફક્ત 10 %થી 20 % જેટલી જ ક્ષમતા ધરાવતાં હોય છે. આની સામે ઇંધનકોષોની (ઇંધનમાંથી) વિદ્યુત ઉત્પન્ન કરવાની સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા લગભગ 100 % જેટલી હોય છે; જોકે અહીં પણ ગરમી ઉત્પન્ન થવાને કારણે ક્ષમતા થોડી ઘટે છે.

ઇંધનમાંથી સીધી વીજળી ઉત્પન્ન કરવાનો સૌપ્રથમ પ્રયત્ન 1802માં સર હમ્ફ્રી ડેવીએ કરેલો. તેમણે કાર્બનનો ઍનોડ (ધનધ્રુવ) અને કૅથોડિક પ્રક્રિયક તરીકે જલીય નાઇટ્રિક ઍસિડનો ઉપયોગ વર્ણવેલો. 1939માં ગ્રેટ બ્રિટનના સર વિલિયમ આર. ગ્રોવેએ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના દ્રાવણમાં ડુબાડેલી કાળા પ્લેટિનમની બે પટ્ટીઓ વાપરીને સાચા અર્થમાં હાઇડ્રોજન-ઑક્સિજન ઇંધનકોષ બનાવેલો અને 1 વોલ્ટના દ્બાણે 1 મિ. એમ્પિ. વીજપ્રવાહ ઉત્પન્ન કરેલો. 1889માં મૉન્ડ અને લૅન્ગરે પણ આવો જ એક કોષ બનાવેલો. કાર્બન અને હવામાંનો ઑક્સિજન વાપરીને ઇંધનકોષ દ્વારા વીજળી મેળવવાનો પ્રયત્ન નાકામયાબ નીવડતાં ઑક્સિજન સાથે કાર્બન વીજરાસાયણિક રીતે પ્રક્રિયા કરી શકે તેવા પીગલિત-ક્ષાર (fused-salt) પ્રકારના ઇંધનકોષ બનાવવાના પ્રયત્નો થયા.

1932માં કેમ્બ્રિજ (ઇંગ્લૅન્ડ) ખાતે એફ. ટી. બેકને આરંભેલ અને બીજા વિશ્વયુદ્ધ પછી પુન: ચાલુ કરેલ સંશોધનને પરિણામે તૈયાર કરેલ બેકનકોષમાં નિકલના વીજધ્રુવો વાપરવામાં આવેલા. તેનો ઍનોડ નિકલનો, જ્યારે કૅથોડ લિથિયમયુક્ત (lithiated) નિકલ ઑક્સાઇડ વડે આચ્છાદિત નિકલનો હતો. 1959માં આવા કોષોની બૅટરી (battery) વડે કાંટા-ઉત્થાપન (fork-lift) ટ્રક હાંકી શકાઈ હતી. કોષ વડે 5kW જેટલી ઊર્જા પ્રાપ્ત થઈ શકી હતી.

ઇંધનકોષના ક્ષેત્રે ખરી પ્રગતિ અવકાશયુગના પ્રારંભથી થઈ એમ કહી શકાય. સાઠ અને સિત્તેરના દાયકામાં જેમિનિ અને ઍપૉલો અવકાશ-ઉડ્ડયનોમાં આવા કોષો વડે શક્તિ મેળવવામાં આવેલી. 1980ના દાયકાના અવકાશ-શટલ મિશનોમાં પણ તે વપરાયેલા. 1970ના દાયકામાં ન્યૂયૉર્ક શહેર અને ટોકિયોમાં નમૂનારૂપ ઇંધનકોષ ઊર્જા-મથકોમાં બાંધવામાં આવેલા. 1984માં મોટા પાયા પર વીજળી ઉત્પન્ન કરતો સૌપ્રથમ પ્લાન્ટ ટોકિયોમાં ચાલુ કરવામાં આવેલો.

પ્રચાલન (operation) : સાદો ઇંધનકોષ વિદ્યુતવિભાજ્યના દ્રાવણમાં અથવા પીગળેલા વિદ્યુતવિભાજ્યમાં ડૂબેલા બે વીજધ્રુવો(electrodes)નો બનેલો હોય છે. એક ધ્રુવ આગળ ઇંધન અને બીજા આગળ ઉપચાયક દાખલ કરવાની વ્યવસ્થા હોય છે. પ્રક્રિયાની નીપજો દૂર કરવા માટેની ગોઠવણ પણ હોય છે. કોષમાં પ્રક્રિયા સરળતાથી થાય તે માટે વીજધ્રુવો આગળ ઉદ્દીપકો(catalysts)નો વપરાશ સામાન્ય છે. કોષ દ્વારા ઉત્પન્ન થતા વીજપ્રવાહનું દબાણ અથવા વૉલ્ટેજ (વોલ્ટતા) કોષના તાપમાન, વીજધ્રુવોની રચના, વિદ્યુતવિભાજ્યની પ્રકૃતિ અને સાંદ્રતા જેવાં પરિબળો ઉપર આધાર રાખે છે.

આકૃતિ 1માં દર્શાવેલ ઍસિડ-વિદ્યુતવિભાજ્ય ધરાવતા ઇંધનકોષમાં પોલા ઋણધ્રુવ (anode) મારફત હાઇડ્રોજન વાયુ દાખલ કરવામાં આવે છે અને તે વીજધ્રુવમાંનાં બારીક છિદ્રો દ્વારા વિદ્યુતવિભાજ્યમાં જાય છે. એમ મનાય છે કે આ બિંદુએ હાઇડ્રોજન અણુઓનું વિદારણ થઈ તેઓ રાસાયણિક રીતે અધિશોષિત (chemisorbed) પરમાણુઓમાં અને પછી ધનવીજભારવાળા આયનોમાં ફેરવાય છે. પ્રત્યેક પરમાણુ એક-એક ઇલેક્ટ્રૉન મુક્ત કરે છે.

હાઇડ્રોજન આયનો ઍસિડ-વિદ્યુતવિભાજ્યમાંથી પસાર થઈ કોષની ધન-બાજુએ જાય છે. કૅથોડ આગળ ઑક્સિજનનું વિસરણ થઈ તે વીજધ્રુવ સપાટી પર પહોંચે છે. ઉદ્દીપક આમાં તેને મદદ કરે છે. આ ઑક્સિજન હાઇડ્રોજન આયનો તથા બાહ્ય પરિપથમાંથી આવતા ઇલેક્ટ્રૉન સાથે સંયોજાઈ પાણી ઉત્પન્ન કરે છે :

કેટલાક ઇંધનકોષોમાં આલ્કલીય (alkaline) વિદ્યુતવિભાજ્ય (સાંદ્ર સોડિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ અથવા પોટૅશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ) વપરાય છે. ઍનોડમાંથી વિસરિત થયેલા હાઇડ્રોજન આયનો ઉદ્દીપકની હાજરીમાં વિદ્યુતવિભાજ્યમાંના હાઇડ્રૉક્સિલ આયનો (OH^–) સાથે પ્રક્રિયા કરી પાણી ઉત્પન્ન કરવા સાથે ઇલેક્ટ્રૉન મુક્ત કરે છે :

કૅથોડ આગળ વિદ્યુતવિભાજ્યમાંના પાણીના અણુઓ અને બાહ્ય (external) પરિપથ(circuit)માંના ઇલેક્ટ્રૉન સાથે ઑક્સિજન પ્રક્રિયા કરી હાઇડ્રૉક્સિલ આયનો ઉત્પન્ન કરે છે :

આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉનોનું વહન ભૌતિક (material) અને વિદ્યુતીય સંતુલન (balance) જાળવી રાખે છે. જોકે ઉત્પન્ન થતું પાણી વિદ્યુતવિભાજ્યને મંદ બનાવી શકે. આ રીતે સૂલટ વીજપ્રવાહ (direct current, d.c.) મળે છે; જેનો કાર્ય કરવા ઉપયોગ કરી શકાય છે. મોટા ભાગના કોષોમાંથી આ રીતે લગભગ 1 વૉલ્ટનો વિવૃત-પરિપથ (open-circuit) વિભવ (potential) પ્રાપ્ત થાય છે.

ગુરુત્વમુક્ત (gravity free) પ્રચાલન : અવકાશમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ઇંધનકોષોમાં વાયુઓ વાપરવામાં આવે તો ગુરુત્વમુક્ત પ્રચાલનના પ્રશ્નો ઊભા થાય છે. જો ગુરુત્વાકર્ષણની ગેરહાજરી હોય અથવા ગુરુત્વક્ષેત્રમાં ફેરફાર થતો હોય તો તરલ વિદ્યુતવિભાજ્યોને તેઓ જ્યાં હોય ત્યાં એટલે કે વીજધ્રુવોની વચ્ચે અથવા વીજધ્રુવોના સંપર્કમાં રાખવા અંગે મુશ્કેલી ઊભી થાય છે; દા.ત., લેડ સંગ્રાહક કોષમાં રાખેલ સલ્ફયુરિક ઍસિડ જેવા વિદ્યુતવિભાજ્યનું દ્રાવણ ગુરુત્વાકર્ષણને લીધે તેના પાત્રનો આકાર ધારણ કરે છે; પાત્ર ચોક્કસ સ્તર સુધી ભરેલું રહે છે અને વીજધ્રુવો તેમાં ડૂબેલા રહેતા હોવાથી તે આયનિક રીતે સતત સંવાહક પથ પૂરો પાડે છે. ગુરુત્વાકર્ષણની ગેરહાજરીમાં કોષના સક્રિય વિસ્તારમાંના વિદ્યુતવિભાજ્ય-પથમાં તૂટકતા ઊભી થવાની શક્યતા રહે છે. આ નિવારવા ઘન અથવા અર્ધ-ઘન (quasi-solid) વિદ્યુતવિભાજ્યો વાપરવા લાભકારક બની શકે. આ માટે આયન-વિનિમય(ion exchange)-પટલોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, કારણ કે યાંત્રિક ર્દષ્ટિએ તે સુઘટ્ય(coherent) હોય છે.

ઇંધનકોષોના પ્રકાર : ઇંધનકોષોનું વર્ગીકરણ, જે તાપમાને અને દબાણે તેઓનું પ્રચાલન થાય છે તે પ્રમાણે, તેમાં વપરાતા વિદ્યુતવિભાજ્ય પ્રમાણે, તેમજ તેમાં વપરાતા ઇંધન પ્રમાણે થાય છે. પ્રચાલનના તાપમાન પ્રમાણે તેમનું વર્ગીકરણ આ પ્રમાણે થાય છે : નીચા તાપમાનવાળા (25^oથી 100^o સે) ઇંધનકોષો, જે જલઆધારિત વિદ્યુતવિભાજ્ય વાપરે છે; મધ્યમ તાપમાની (100^oથી 500^o સે) ઇંધનકોષો, જે પીગલિત વિદ્યુતવિભાજ્ય વાપરે છે; જ્યારે ઉચ્ચ-તાપમાની (500^oથી 1000^o સે) અથવા અતિ-ઉચ્ચ-તાપમાની (1000^o સે.થી વધુ) ઇંધનકોષો, જે વધુ ક્ષમતાવાળા ગણવામાં આવે છે તે ઘન સિરૅમિક (ceramic) વિદ્યુતવિભાજ્યો વાપરે છે.

ઇંધનકોષોમાં વપરાતા વિદ્યુતવિભાજ્ય અનુસાર પણ તેમનું વર્ગીકરણ કરાય છે (i) જલીય ઍસિડ વિદ્યુતવિભાજ્ય પ્રકાર : પ્રક્રિયામાં કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન થતો હોય તો સલ્ફયુરિક ઍસિડ વપરાય છે. (ii) જલીય આલ્કલી વિદ્યુતવિભાજ્ય પ્રકાર : ઍસિડના ઉપયોગથી સંક્ષારણ (corrosion) થાય છે એટલે કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન થતો ન હોય તો આલ્કલીનું દ્રાવણ વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે વપરાય છે. વિદ્યુતવિભાજ્યને ઍસ્બેસ્ટૉસ જેવા નિષ્ક્રિય પદાર્થોમાં શોષીને અથવા બે વીજધ્રુવો વચ્ચે વહેતો રાખીને ઉપયોગમાં લેવાય છે. (iii) પિગાળેલ વિદ્યુતવિભાજ્ય પ્રકાર : આ પ્રકારમાં ઊંચું તાપમાન જરૂરી હોઈ પિગાળેલ કૉસ્ટિક પોટાશ (200^o સે) તથા આલ્કલી અને કાર્બોનેટ (500^o-700^o સે) વધુ અનુકૂળ રહે છે. ચંદ્ર પરના અવકાશયાન માટે આ પ્રકારનો કોષ ઉપયોગમાં લેવાયેલો. (iv) ઘન ઑક્સાઇડ પ્રકાર : આમાં 1000^o – 1100^o સે તાપમાન ઉપયોગમાં લેવાય છે. (v) રેડોક્સ પ્રકાર : આયનો વચ્ચેની ઉપચયન-અપચયન પ્રક્રિયાનો આ પ્રકારમાં ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ પ્રકારનો વિકાસ હજુ વિદ્યાકીય (academic) સ્તર સુધી જ થયો છે.

તેમાં વપરાતા ઇંધન પ્રમાણે ઇંધનકોષોના પ્રકાર નીચે પ્રમાણે છે :

(i) હાઇડ્રોજન ઇંધનકોષો : આવા પ્રકારના કોષોમાં ઇંધન તરીકે હાઇડ્રોજન અને ઉપચાયક તરીકે ઑક્સિજન વપરાય છે. કોષમાં ઉત્પન્ન થતું પાણી વિદ્યુતવિભાજ્યને વત્તેઓછે અંશે મંદ બનાવી શકે છે. ઊંચા તાપમાન (250^o સે.) અને દબાણે કામ કરતા આવા કોષો ઊંચી પ્રવાહ-ઘનતા (current density) આપે છે.

સામાન્ય તાપમાને અને દબાણે કામ આપતો આવો હાઇડ્રોજન-ઑક્સિજન ઇંધનકોષ આયન-પારગમ્ય (ion-permeable) પટલ-કોષ છે. તેમાં પ્રવાહી વિદ્યુતવિભાજ્યને સ્થાને બે વીજધ્રુવો વચ્ચે ભીડેલો (sandwitched) પ્લાસ્ટિક-રેઝિન-પટલ વપરાય છે. તેમાંથી આયનો મુક્તપણે પસાર થઈ શકે છે. તેમાં ઑક્સિજન અથવા હવા વાપરી શકાય છે. ઉત્પન્ન થતું પાણી કોષમાંના ઘન વિદ્યુતવિભાજ્યને મંદ કરી શકતું નથી. આવો કોષ આકૃતિ 2માં દર્શાવ્યો છે. તેમાં બે વાયુકક્ષ (1), પ્લેટિનમ આચ્છાદિત કૅથોડ (2) અને ઍનોડ (3), અને વિદ્યુતવિભાજ્ય વડે સંતૃપ્ત પાતળો પટલ હોય છે; જે આયનોને પસાર  થવા દે છે, પણ પરમાણુઓ કે અણુઓને નહિ. કોષમાં દાખલ થતો આણ્વીય (molecular) ઑક્સિજન (6) કૅથોડિક પ્લેટિનમના સંપર્કમાં આવતાં પરમાણુઓમાં (7) વિદારિત થાય છે. આ પરમાણુમય ઑક્સિજન વિદ્યુતવિભાજ્યમાંના પાણી (8) અને કૅથોડ-ઇલેક્ટ્રૉન સાથે જોડાઈ હાઇડ્રૉક્સિલ આયનો (OH^–) (9) ઉત્પન્ન કરે છે, જે ઍનોડ તરફ જાય છે. ઍનોડ આગળ આણ્વીય હાઇડ્રોજન (10) તેના પરમાણુઓમાં (11) વિદારિત થાય છે; જે હાઇડ્રૉક્સિલ આયનો સાથે સંયોજાઈ પાણી (12) અને ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્પન્ન કરે છે. પાણીને અવારનવાર બહાર કાઢી લેવામાં આવે છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રૉન બાહ્ય પરિપથ(5)માં વીજપ્રવાહ રૂપે વહે છે.

(ii) હાઇડ્રૉકાર્બન અથવા કાર્બનમય (carbonaceous) ઇંધનો વાપરતા ઇંધનકોષો : પ્રોપેન, કુદરતી વાયુ, મિથાઇલ આલ્કોહૉલ, કેરોસીન, અથવા ગૅસોલિન જેવા પ્રમાણમાં ઓછાં ખર્ચાળ અને વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવતાં ઇંધનોની ઊર્જાનું સીધું વિદ્યુતમાં રૂપાંતર કરતા ઇંધનકોષો એ હાલની સંશોધનપ્રવૃત્તિનું ધ્યેય છે. હાઇડ્રૉકાર્બન અને કાર્બનમય ઇંધનોની પ્રક્રિયાકારકતા વધારવા આવા કોષો ઊંચા તાપમાને કામ કરે છે. તેમાં છિદ્રિષ્ટસમ (spongelike) સિરૅમિક આધાત્રી(metrix)માં રાખેલા પીગલિત કાર્બોનેટો અને અન્ય પીગલિત ક્ષારો વિદ્યુતવિભાજ્યો તરીકે વપરાય છે. આવા કોષોની અંદર ઇંધનનું વિભંજન થાય છે (cracked), જે હાઇડ્રોજન અને કાર્બન-મૉનૉક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરી કોષ પ્રક્રિયાને ચાલુ રાખે છે.

21મી સદીમાં જે નવી ઊર્જા ટૅક્નૉલૉજી વિકસવાની છે અથવા ઉપયોગમાં આવવાની છે તેમાં પાંચનો સમાવેશ કરી શકાય : લિમ્પેટ (Linear induction machine programmed electric turbine); સુપરસી (Superconducting self-excited armeture); કેવિટ (Closed-cycle advanced Vapour electroturbogenerator); ઇંધનકોષો (fuel cells) અને PM (power modulator). લિમ્પેટનો ઉપયોગ પવનચક્કીની જગ્યાએ થશે; જેને ઘરના છાપરા ઉપર ગોઠવી પવનની મદદથી વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકાશે. હૅવિટ સૌર-ઊર્જાનો ઉપયોગ કરશે અને ફોટોવૉલ્ટેઇક કોષની જગાએ વપરાશે. ઇંધનકોષોમાં ઉચ્ચ-તાપમાન ઘન-ઑક્સાઇડ ઇંધનકોષ (solid oxide fuel cell, SOFC) એ વ્યાપારી, નિવાસી અને ઔદ્યોગિક હેતુઓ માટે વીજળી અને ઉષ્માનું આર્થિક રીતે ઉત્પાદન કરવા માટેની પ્રણાલી છે. કુદરતી વાયુ જેવા સહજ-પ્રાપ્ય સ્રોત ઉપર આધારિત આ ટૅક્નૉલૉજી ઉચ્ચ તાપમાને ઘન-વિદ્યુતવિભાજ્ય તરીકે ઝિર્કોનિયા (ઝિર્કોનિયમ ઑક્સાઇડ) જેવા વિદ્યુતવિભાજ્યની ઉચ્ચ તાપમાને સ્થાયી (stable) ઘટક તરીકે કામ આપવાની ક્ષમતા પર આધારિત છે. આવા ઇંધનકોષનું પ્રચાલન આકૃતિ 3 માં દર્શાવ્યું છે. કોષ હવા-વીજધ્રુવ(anode)માંથી

ઑક્સિજન આયનોનું ઝિર્કોનિયા આધારિત વિદ્યુતવિભાજ્ય મારફત ઇંધન-વીજધ્રુવ (ઍનોડ) આગળ સંવહન કરે છે. ઍનોડ આગળ આયનો ઇંધનવાયુ સાથે પ્રક્રિયા કરે છે અને બાહ્ય પરિપથને ઇલેક્ટ્રૉન આપી વીજપ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે. આવો કોષ લગભગ 1000^o સે. તાપમાને કામ કરે છે અને જેમાં ટર્બાઇન કે પરિભ્રામીય જનિત્ર (rotating generator) ન હોય તેવા ઉષ્મા અને વિદ્યુતશક્તિ એમ બન્નેના કાર્યક્ષમ સ્રોત તરીકે કામ આપે છે. સામાન્ય ઇંધનકોષના ફાયદા એ છે કે તે હવા-શીતિત (air-cooled) હોઈ ઠંડા પાડવા માટે પાણીની જરૂર પડતી નથી; તેમાં ચલનશીલ (movable) ભાગ ન હોવાથી અવાજ ઉત્પન્ન કરતાં નથી અને સહેલાઈથી સ્થાપી શકાય છે. આ ઉપરાંત વધારામાં SOFCની ક્ષમતા વધુ છે. તે નિષ્કાસી ઉષ્મા (exhaust heat) અન્ય પદાર્થો કરતાં વધુ ઊંચા તાપમાને ઉત્પન્ન કરે છે, જેનો ઉપયોગ અંદર આવતી હવા તથા ઇંધનને પહેલેથી ગરમ કરવામાં તેમજ વરાળ ઉત્પન્ન કરી પ્લાન્ટ કે ફૅક્ટરીને ગરમ રાખવામાં તથા વિદ્યુત ઉત્પન્ન કરવામાં થઈ શકે છે. તેમાં ઉદ્દીપકોની પણ જરૂર પડતી નથી. ઘન-અવસ્થા વિદ્યુતવિભાજ્યને કારણે સંક્ષારણ-(corrosion)ના પ્રશ્નો પણ ઉદભવતા નથી. આ તક્ધાીક વ્યાપારી ધોરણે ઉપયોગમાં લેવાશે ત્યારે ઘણી લાભદાયી નીવડવા સંભવ છે. આવા કોષોની ક્ષમતા ઊંચી હોઈ શકે છે.

(iii) અન્ય ઇંધનો વાપરતા કોષો : ઇંધનકોષોનો ખ્યાલ રૂઢિગત (conventional) ઇંધનોના ઉપચયન પૂરતો મર્યાદિત નથી. કેટલીક પ્રયુક્તિઓ ઉપભોજ્ય (consumable) વીજધ્રુવો રૂપે ઝિંક, સોડિયમ, અથવા મૅગ્નેશિયમ જેવાં પરિષ્કૃત (refined) દ્રવ્યોના ઉપચયન દ્વારા વિદ્યુતશક્તિ ઉત્પન્ન કરે છે; દા.ત., સોડિયમઑક્સિજન ઇંધનકોષ વિદ્યુતવિભાજય તરીકે NaOHનો ઉપયોગ કરી હવામાંના ઑક્સિજનને ઉપચાયક તરીકે વાપરે છે. વીજધ્રુવો આગળ નીચેની પ્રક્રિયા થાય છે :

સમગ્ર પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

સોડિયમ ઘણી સક્રિય ધાતુ હોઈ કોષમાં સોડિયમ સંરસ(amalgam)નો ઉપયોગ થાય છે, જે સાંદ્ર NaOH માં પૂરતો સ્થાયી છે. આવો કોષ 1.5 V અને 200 mA/સેમી² જેટલી પ્રવાહ-ઘનતા આપે છે.

એમોનિયા અને હાઇડ્રેઝિન(N₂H₄)નો પણ ઇંધન તરીકે ઉપયોગ થયો છે. હાઇડ્રેઝિન – હવા – ઇંધનકોષ નીચેની પ્રક્રિયા દ્વારા 0.6થી 1.0 વૉલ્ટ ઉત્પન્ન કરે છે :

હાઇડ્રોજન સિવાયનાં ઇંધનોનો ઉપયોગ કરતા કેટલાક કોષોની વિગતો નીચેના કોઠામાં આપી છે :

સારણી 1

ઇંધનો	વિદ્યુતવિભાજ્ય	ઉદ્દીપક + ધ્રુવો (+) ધન, (-) ઋણ
હાઇડ્રોકાર્બન	સાંદ્ર
(મિથેન, ઇથેન વ.) 100o-200o સે.	ફૉસ્ફોરિક ઍસિડ	(+) પ્લૅટિનમ (-) પ્લૅટિનમ
આલ્કોહૉલ અને વ્યુત્પન્નો 20o-80o સે.	6N પોટૅશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ     7N સલ્ફયુરિક ઍસિડ	(+) પ્લૅટિનમ, નિકલ પેલેડિયમ (-) કાર્બન, સિલ્વર, પ્લૅટિનમ
હાઇડ્રેઝિન	6-12 N પોટૅશિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ	(+) નિકલ, કોબાલ્ટ (-) કાર્બન, સિલ્વર
ઍમોનિયા 200o-400o સે.	પિગાળેલ હાઇડ્રૉક્સાઇડ	(+) પ્લૅટિનમ (-) નિકલ ઑક્સાઇડ + લિથિયમ

નોંધ : પ્લૅટિનમનું વિષાક્તન થતું હોવાથી Pt-Rh, Pt-Ir, અને Pt-Ru જેવા ઉદ્દીપકો વિકસાવવામાં આવ્યા છે.

ઇંધનકોષનું ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર : ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના પહેલા અને બીજા નિયમ ઉપરથી રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા મળતા મહત્તમ ઉપયોગી કાર્ય(ΔG)નો ખ્યાલ આવી શકે છે :

ΔG = ΔH – TΔS

જ્યાં ΔH એ ઉષ્માસંચય(heat content)માં થતો ફેરફાર અને ΔS એન્ટ્રોપીનો ફેરફાર છે. આથી સમતાપી પ્રતિવર્તી રીતે કામ કરતા ઇંધનકોષની આદર્શ ક્ષમતા (η_i) નીચે પ્રમાણે થાય છે :

મોટા ભાગના કોષો થોડી ઉષ્મા આવરણ(surroundings)ને આપી દેતા હોઈ તેમની ક્ષમતા હંમેશાં એક(1) કરતાં ઓછી હોય છે. હાઇડ્રોજન-ઑક્સિજન પ્રક્રિયા દરમિયાન 285.8 કિ.જૂ. (68.32 કિ.કેલરી) ઉષ્મા (ΔH^o) ઉત્પન્ન કરે છે, જ્યારે સામાન્ય તાપમાન અને દબાણે તેની પ્રમાણિત મુક્ત ઊર્જા (ΔG^o)માં 237.2 કિ.જૂ. (56.69 કૅલરી) જેટલો ઘટાડો થાય છે :

આથી કોષની મહત્તમ (આદર્શ) કાર્યક્ષમતા (efficiency) ટકામાં નીચે પ્રમાણે થશે :

વીજરસાયણશાસ્ત્ર પ્રમાણે કોષમાંની પ્રક્રિયા દ્વારા મળતું વૉલ્ટેજ પ્રક્રિયાની મુક્ત-ઊર્જાના ફેરફાર સાથે નીચેના સમીકરણથી સંકળાયેલ છે :

ΔG = G – nFE_r

જ્યાં E_r આદર્શ (પ્રતિવર્તી) વીજચાલક બળ (વૉલ્ટેજ) છે. nF એ એક મોલ ઇંધન વપરાય ત્યારે ઍનોડથી કૅથોડ તરફ જતો વિદ્યુતનો જથ્થો (ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા) છે. જોકે કેટલીક મુશ્કેલીઓને કારણે ખરેખર વૉલ્ટેજ (E_a) એ E_r કરતાં ઓછું હશે. આથી ખરેખર કાર્યક્ષમતા નીચે પ્રમાણે થશે :

આથી આદર્શ પરિસ્થિતિમાં H₂ – O₂ ઇંધનકોષમાંથી 1.23V મળી શકે પણ વાસ્તવિક પ્રમાણ થોડું ઓછું હોય છે.

કેટલાક ઇંધનકોષોના વિદ્યુતવિભવ, પ્રમાણિત મુક્ત ઊર્જા (ΔG^o), પ્રમાણિત એન્થાલ્પી (ΔH^o) અને મહત્તમ કાર્યક્ષમતા સારણી-2માં આપેલ છે :

સારણી-2

હાલમાં ઇંધનકોષો વિશિષ્ટ પ્રકારના ઉપયોગો માટે વિદ્યુત પૂરી પાડવા માટે વપરાય છે; દા.ત., અવકાશ-શટલો કે અવકાશયાનોમાં તથા કેટલાક લશ્કરી હેતુઓ માટે. સામાન્ય રીતે આવા કોષોમાં હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજન વપરાય છે અને તેઓ લગભગ 1.5 kW શક્તિ ઉત્પન્ન કરે છે. અવકાશમાં ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેવા કોષો રૉકેટ માટે ટૂંકું જ્યારે ઉપગ્રહ (satellite) માટે લાંબું આયુષ્ય ધરાવતા હોવા જોઈએ. વળી તે વજનમાં હલકા હોવા જોઈએ, કારણ કે કક્ષામાં ઘૂમતા ઉપગ્રહના વજનમાં 1 કિગ્રા.નો ઘટાડો થાય તો પ્રણોદન માધ્યમ (vehicle) અને ઇંધનના વજનમાં 50થી 1,000 કિગ્રા. સુધીનો ઘટાડો થઈ શકે છે. ઇંધનકોષોનો ખર્ચ ઘટાડવા અને તેમની વિશ્વસનીયતા (reliability) વધારવા વૈજ્ઞાનિકો અને ઇજનેરો પ્રયત્નશીલ છે. આશા છે કે તેઓ ડીઝલ તેલ, પેટ્રોલ અને કુદરતી વાયુ જેવાં સસ્તાં ઇંધનો અને હવામાંનો ઑક્સિજન ઉપયોગમાં લઈ શકશે. આ રીતે ઘરગથ્થુ વપરાશ માટે, લશ્કરી તેમજ નાગરિક (civilian) હેતુઓ (દા.ત., મોટરકાર) માટે આવા કોષોનો ઉપયોગ કરી શકાશે.

ઈન્દ્રવદન મનુભાઈ ભટ્ટ

લાલજીભાઈ ફુલાભાઈ રબારી

સચ્ચિદાનંદ પ્રકાશ ભટનાગર

એસ. જી. પટેલ