Fuel Cell - எரிமக்கலன் மின்கலம் - பொது விவரம். பகுதி 3

எல்லா பொருள்களிலும் மின்னணு என்ற எலக்ட்ரான் (electron) இருக்கும். ஒரு அணு(atom)வில் சாதாரணமாக எவ்வளவு எலக்ட்ரான் இருக்குமோ அவ்வளவு ப்ரோட்டானும் (proton. இதன் தமிழ் பதம் என்ன?) இருக்கும். இது தவிர நியூட்ரான் என்பதும் இருக்கும். ஆனால் அது இந்த விளக்கத்திற்கு தேவையில்லை என்பதால், நாம் கண்டு கொள்ளாமல் இருப்போம்.

ஒரு அணுவில் ப்ரோட்டான்களை விட எலக்ட்ரான் அதிகமானாலோ அல்லது குறைந்தாலோ, அது நெகடிவ் (negative) அல்லது பாசிடிவ் (positive) சார்ஜ் (charge) ஆகிவிடும். அவ்வாறு இருக்கும் பொழுது அதை அயனி (ion) என்று கூறுவார்கள்.

உதாரணமாக, நாம் உண்ணும் உப்பிற்கு, வேதியியல் பெயரானது ‘சோடியம் குளோரைடு' (sodium chloride) என்பதாகும். இதில் சோடியம் என்ற அணுவும் குளோரின் என்ற அணுவும் சேர்ந்து உள்ளது. சோடியம் அணுவிலிருந்து ஒரு எலக்ட்ரானை எடுப்பது சுலபம் (ஏன், எப்படி என்று கேட்க வேண்டாம். இப்போதைக்கு நம்பவும்!). குளோரினிலிருந்து எலக்ட்ரானை எடுப்பது மிகக் கடினம். ஆனால், குளோரினுடன் எலக்ட்ரானை சேர்ப்பது சுலபம்.

சோடியம் அணுவில் சாதாரணமாக 11 எலக்ட்ரானும் 11 ப்ரோட்டானும் இருக்கும். இதில் ஒரு எலக்ட்ரானை எடுத்து விட்டால் 10 எலக்ட்ரான்கள் தான் இருக்கும். (ஒவ்வொரு எலக்ட்ரானுக்கும் ஒரு நெகடிவ் சார்ஜ். ஒவ்வொரு ப்ரோட்டானுக்கும் ஒரு பாசிடிவ் சார்ஜ்.) 11 ப்ரோட்டானும் 10 எலக்ட்ரானும் இருக்கும்பொழுது சோடியம் அயனியாக இருக்கும்.

அதைப்போலவே சாதாரணமாக குளோரினில் 17 எலக்ட்ரானும் 17 ப்ரோட்டானும் இருக்கும். அதில் ஒரு எலக்ட்ரானை சேர்த்தால் 18 எலக்ட்ரானும் 17 ப்ரோட்டானும் இருக்கும். அப்போது குளோரின் அயனியாக இருக்கும் ஆங்கிலத்தில் குளோரின் அயனி ‘குளோரைடு' என்று அழைக்கப்ப்டும்.

(ஏன் எலக்ட்ரான் அணுவிலிருந்து பிரிகின்றது, ஏன் சில அணுக்களில் சுலபமாக சேர்கின்றது, எலக்ட்ரானை ‘இங்கிருந்து அங்கே' மாற்றுவதைப் போல, ப்ரோட்டானை மாற்ற முடியாதா,
இவற்றை பிளாக் படிக்கும் நண்பர்கள் எழுதுமாறு கேட்டுக்கொள்கிறேன்)

எலக்ட்ரான்கள் செல்லுவதே மின்சாரமாகும். எலக்ட்ரான் ஒரு பொருளில் சுலபமாக செல்ல முடிந்தால் அது ‘மின் கடத்தி' எனப்படும். (உதாரணம் தாமிரக் கம்பி), இல்லாவிட்டால் மின் கடத்தாப்பொருள் ஆகும் (உதாரணம் தாமிரக் கம்பி மேல் இருக்கும் பிளாஸ்டிக்).

அதனால், ஒரு பொருளிலிருந்து எலக்ட்ரானை எடுத்து ஒரு மின்கடத்தி வழியே செலுத்தி இன்னொரு பொருளில் சேர்த்தால் நாம் மின்சாரத்தைப் பெற முடியும். எப்படி நாம் எலக்ட்ரானை ‘நாம் சொல்லும் படி' மின்கடத்தி வழியே கொண்டு வருவது என்பதில் தான் இந்த ‘ஃபூயல் செல்' தொழில் நுட்பம் இருக்கிறது. உதாரணமாக, ஹைட்ரஜன் வாயுவும் ஆக்சிஜன் வாயுவும் சேர்ந்தால் தண்ணீர் கிடைக்கும். அப்பொழுது ஹைட்ரஜனில் இருந்து எலக்ட்ரான் ஆக்சிஜனை சேரும். இதை எரிபொருள் மின்கலத்தில் செய்தால் நாம் மின்சாரம் பெறலாம்.

இல்லாமல் ஒரு பாத்திரத்தில் (கண்ணாடி குடுவையில்) ஹைட்ரஜனையும் ஆக்சினையும் சேர்த்தால் என்ன ஆகும்? சாதாரணமாக ஹைட்ரஜனையும் ஆக்சிஜனையும் சேர்த்தால் ஒன்றும் ஆகாது. வெப்ப நிலை அதிகரித்தால் (தீப்பொறி வைத்தால்), உடனே வெடி சத்தத்துடன் ஹைட்ரஜன் பற்றி எரியும். இந்த வேதி வினையிலும் கடைசியில் தண்ணீர்தான் கிடைக்கும். ஆனால், ஆற்றல் அனைத்தும் நெருப்பாக எரிவதால் பயன்படாமல் போய்விடும். தண்ணீரும் நீராவியாகவே வரும். இப்படி வீணாகப் போகும் ஆற்றலை மின்சாரமாக எடுத்து உபயோகிக்க எரிபொருள் மின்கலன் உதவுகிறது.

அடுத்து: வேதி வினைக்கும், மின்வேதி வினைக்கும் உள்ள வித்தியாசம் என்ன? மின் வேதி வினை என்பது குறிப்பிட்ட வகைப்பட்ட வேதிவினை ஆகும். வேதிவினையில் எலக்ட்ரான்கள் பரிமாற்றம் நடந்தால் அது மின் வேதிவினையாகும். உதாரணமாக பல கரிம வினைகளில் (organic reactions) எலக்ட்ரான் பரிமாற்றம் இருக்காது. அவை ‘வெறும்' வேதிவினையாகும். அதற்கு பதில் ஹைட்ரஜனிலிருந்து ஒரு எலக்ட்ரானை எடுத்து ஆக்சிஜனுடன் சேர்த்து தண்ணீராக வரும் வேதிவினை, மின்வேதிவினை ஆகும்.

Friday, November 23, 2007

Fuel Cell - எரிமக்கலன் மின்கலம் - பொது விவரம். பகுதி 3

ஒரு பேட்டரியில் பாசிடிவ் மற்றும் நெகடிவ் இணைப்புகள் இருப்பது போல இந்த ஃபூயல் செல்லிலும் (எரிபொருள் மின்கலம் ) பாசிடிவ் மற்றும் நெகடிவ் இணைப்புகள் இருக்கும். இது நேர்மின்சாரம் (DC or direct current) தரும்.

இதற்கு முன் நாம் பெட்ரோல் அல்லது டீசல் போன்ற எரிபொருள்களில் இருந்து மின்சாரம் தயாரிக்க எரிபொருள் மின்கலம் பயன்படும் என்று பார்த்தோம். ஆனால், பெட்ரோலை பயன்படுத்தி மின்சாரத்தை நேரடியாக தயாரிக்கும் தொழில் நுட்பம் பெரிய அளவில் இல்லை. அதற்கு பதிலாக, மெத்தனால் (methanol) என்ற ‘விஷ சாராயத்தையோ' அல்லது ஹைட்ரஜன் வாயுவையோ பயன்படுத்தி மின்சாரம் தயாரிக்கும் தொழில் நுட்பம் தான் (ஓரளவாவது) வளர்ந்து இருக்கின்றது. எனவே fuel cellஐப் பொறுத்த வரை தற்போதைக்கு எரிபொருள் என்பது மெத்தனால் அல்லது ஹைட்ரஜன் மட்டுமே.

இதில் ஹைட்ரஜன் எரிந்தால் வருவது தண்ணீர். மெத்தனால் எரிந்தால் வருவது கார்பன் டை ஆக்சைடு (carbon dioxide) மற்றும் தண்ணீர். நாம் ‘எரிந்தால்' என்று சொன்னாலும், ஃபூயல் செல் சரியாக வேலை செய்யும்பொழுது உள்ளே நெருப்பு ஒன்றும் எரியாது. ஹைட்ரஜனும் காற்றும் (அதாவது காற்றில் இருக்கும் ஆக்சிஜனும்) வேதிவினை புரிந்து தண்ணீர் வரும்பொழுது, வேதிவினையின் ஆற்றல் (energy of reaction) மின்சாரமாக எடுக்க முடியும். அதைப்போலவே மெத்தனாலும் காற்றும் வினை புரிந்து தண்ணீரும் கார்பன் டை ஆக்சைடும் வரும்; மின்சாரமும் கிடைக்கும்.

இங்கு ஒரு விஷயத்தை கவனிக்க வேண்டும். ஹைட்ரஜனைக்கொண்டு எரிமக்கலனில் மின்சாரம் எடுக்க வேண்டும் என்றால், முதலில் ஹைட்ரஜன் இருக்க வேண்டும். ஹைட்ரஜனை எங்கிருந்து வரும்? தண்ணீரில் மின்சாரம் செலுத்தினால் ஹைட்ரஜனும் ஆக்சிஜனும் கிடைக்கும் என்றாலும், மொத்தத்தில் இந்த முறையில் ஆற்றல் இழப்புதான் இருக்கும். அதாவது, நீங்கள் 1 யூனிட் மின்சாரத்தை செலுத்தி தண்ணீரில் இருந்து கொஞ்சம் ஹைட்ரஜனை எடுப்பதாக வைத்துக்கொள்வோம். அந்த ஹைட்ரஜனை வைத்து இந்த ‘எரிமக்கலனின்' மூலம் திரும்ப 1 யூனிட் மின்சாரம் பெற முடியாது. சுமார் அரை யூனிட் தான் பெறமுடியம். மற்றவை சேதாரத்தில் போய்விடும்.

பிறகு ஏன் இந்த ஹைட்ரஜன் ஃபூயல் செல்?

சில சமயங்களில் ஹைட்ரஜன் குறைந்த விலையில் கிடைக்கலாம் (பெட்ரோலிய கம்பெனிகளிலிருந்து சில வேதிவினையில் வெளிவரும் ஹைட்ரஜன் கிடைக்கும்). இன்னொன்று, ஹைட்ரஜனை ஒரு சிலிண்டரில் அடைத்து தேவையான இடத்திற்கு கொண்டு சென்று மின்சாரத்தை தயார் செய்து உபயோகப்படுத்தலாம். மின்சாரத்தை ”அப்படியே தூக்கிக் கொண்டு” தேவையான இடத்திற்கு போக வேறு வழி இல்லை. கிலோக் கணக்கில் அல்லது டன் கணக்கில் ஹைட்ரஜனை சேமித்து (store செய்து) வைக்கலாம். மின்சாரத்தை சேமிப்பது அவ்வளவு சுலபமாக முடியாது. (குறிப்பு; ஹைட்ரஜனைக் கூட சிலிண்டரில் அடைப்பது அவ்வளவாக economical மற்றும் பாதுகாப்பு/ safety இல்லை. அதனால் ஹைட்ரஜன் சேமிப்பு / storage என்று ஒரு தனி வழியில் ஆராய்ச்சி போய்க்கொண்டு இருக்கிறது).

மெத்தனால் என்பது மரப்பட்டைகளில் இருந்து காய்ச்சி எடுக்கப்படும். அதனால், மெத்தனால் (பெட்ரோலியம் போல) இன்னும் கொஞ்சம் காலத்தில் தீர்ந்துவிடும் என்று பயம் இல்லை. மரங்கள் சூரிய ஒளியை பயன்படுத்தி (காற்றிலுள்ள கார்பன் டை ஆக்சைடையும் நிலத்திலுள்ள நீரையும் சேர்த்து) வளர்ந்து வருவதால் அவை எப்பொழுதும் கிடைக்கும்; மெத்தனாலும் கிடைக்கும் என்ற நம்பிக்கை உண்டு.

எப்படியோ ஒரு விதத்தில் எரிபொருளான ஹைட்ரஜனையோ, மெத்தனாலையோ கொண்டு வந்து விட்டால், ஃபூயல் செல் அவற்றிலிருந்து மின்சாரத்தை தயார் செய்வது எப்படி?

Fuel Cell - எரிமக்கலன். பகுதி 1- அறிமுகம்.

Fuel Cell (ஃபூயல் செல் - எரிமக்கலன்) என்பது சமீபகாலமாக அதிகம் பேசப்பட்டு வருகின்றது. சாதாரணமாக, பெட்ரோல் அல்லது டீசல் போன்ற எரிபொருள்களை பயன்படுத்தி, நாம் ஜெனரேட்டர் (generator) மூலம் மின்சாரம் தயாரிக்கலாம். ஜெனரேட்டரில், பெட்ரோல் அல்லது டீசல் எரிந்து அது (மோட்டார் பைக் போன்ற) ஒரு என்ஜினை ஓட வைக்கும். அந்த என்ஜின் ஒரு டைனமோவுடன் இணைக்கப் பட்டு இருக்கும். டைனமோ சுற்றும் பொழுது மின்சாரம் வரும். டைனமோவின் அமைப்பைப் பொறுத்து நேர் மின்சாரம் (direct current or DC) அல்லது alternating current (or AC) வகை மின்சாரம் கிடைக்கும்.

இந்த வகையில் சில குறைபாடுகள் இருக்கின்றன. ஒன்று பெட்ரோல் / டீசல் முழுதும் எரியாது. முழுவதும் எரியாமல் இருப்பதால் கொஞ்சம் (அல்லது அதிகம்) புகை வரும். இதனால் நாம் சுவாசிக்கும் காற்று மாசுபடும். இது தவிர, கொஞ்சம் வருடங்களுக்குப் பிறகு என்ஜின் தேய்மானம் இருக்கும். ஒரு லிட்டர் பெட்ரோல் எரிந்தால், அதிலிருக்கும் ஆற்றல் (energy) முழுவதும் மின்சாரமாக மாறாது. பெட்ரோலில் இருக்கும் ரசாயன ஆற்றலை (chemical energy) இயந்திர ஆற்றலாக (மெக்கானிக்கல் / mechanical) மாற்றும் பொழுது கொஞ்சம் இழப்பு இருக்கும்.மெக்கானிக்கல் ஆற்றலை மின் ஆற்றலாக மாற்றும் பொழுது இன்னமும் கொஞ்சம் இழப்பு இருக்கும். அதனால் நமக்கு ஓரளவுதான் பயன்கிடைக்கும்.

இதற்கு பதிலாக மின்சாரத்தை கெமிக்கல் / ரசாயன ஆற்றலிலிருந்து நேராக எடுத்தால் என்ன? தற்போது பேட்டரி செல் (batter cell) என்பது அந்த வகையைச் சார்ந்ததுதான். உதாரணமாக, செல்போன் பேட்டரிகளில் வேதிவினை நடந்து மின்சாரம் கிடைக்கின்றது. நாம் மீண்டும் சார்ஜ் (charge) செய்யும்பொழுது வேதிவினை ரிவர்ஸில் (reverse) நடக்கும். இந்த முறையில் தேய்மானம் இல்லை. ஏனென்றால், இதில் நகரும் சாமான் (moving parts) இல்லை. அதைப்போலவே கெமிக்கல் ஆற்றல் சேதாரம் இல்லாமல் மின்சாரமாக மாறிவிடும். அடுத்து இங்கு புகை போன்ற மாசுக்கள் வருவதில்லை. (பேட்டரியை தூக்கி எறிந்தால், அதுவே ஒரு பெரிய பிரச்சனை. ஆனால், இங்கு அதை விட்டு விடுவோம்).

இந்த முறையில் குறை என்ன என்றால், சிறிய மின்சாரத் தேவைகளுக்கு இது போதும். ஆனால், உங்கள் கார் அல்லது ஸ்கூட்டியை நல்ல வேகத்தில் செலுத்த நிறைய ஆற்றல் தேவை. அதற்கு பேட்டரி வைத்து ஓட்டப் பார்த்தால், பேட்டரியின் எடை 200 கிலோவிற்கு மேல் வந்து விடும். அது தவிர, நீங்கள் இப்போது எங்கே வேண்டுமானாலும் 5 நிமிடத்தில் பெட்ரோல் பங்க்கில் உங்கள் வண்டியின் டேங்க்கை நிரப்பிக்கொள்ளலாம். இந்த மாதிரி பேட்டரியை ரீ-சார்ஜ் செய்ய வசதி இல்லை. தவிரவும் ஒரு சின்ன செல்போன் பேட்டரியை சார்ஜ் செய்யவே 1 மணி ஆகிறது என்றால், பெரிய பேட்டரிகளை சார்ஜ் செய்ய எவ்வளவு நேரம் ஆகும் என்பதை யோசிக்க வேண்டும்.

ரீ சார்ஜபிள்/ re-chargeable வகையான பேட்டரியிலிருந்து நாம் மின்சாரம் பெற்றாலும்,
அது சார்ஜ் தீர்ந்த பின்னர் (திறன் இழந்த பின்னர்) அதற்கு மீண்டும் மின்சாரத்தை செலுத்தித்தான் திறனை திரும்ப பெற வேண்டும். எனவே நம் கண்ணுக்கு முன்னால் நாம் பொருளை எரிக்காவிட்டாலும், வேறு இடத்தில் (கரி மின் நிலையத்திலோ அல்லது அணு மின் நிலையத்திலோ அல்லது நீர் மின் நிலையத்திலோ) ஒரு சக்தியை நாம் மின்சக்தியாக மாற்றித்தான் பயன்படுத்துகின்றோம். இந்த ரீ சார்ஜபிள் பேட்டரியில், மின்சாரத்தை ரசாயன ஆற்றலாக மாற்றி, சேமித்து வைத்து, நாம் தேவைப்படும்பொழுது ப்யனபடுத்துகின்றோம். அவ்வளவே.


பேட்டரியின் நல்ல பயன்களையும் (அதாவது தேய்மானம் இல்லை, கெமிக்கல் ஆற்றலை சேதாரம் இல்லாமல் மின் ஆற்றலாக மாற்றலாம், மாசு வெளிப்படுதல் இல்லை), சாதாரண மோட்டர் பைக் திறனையும் ( குறைந்த எடை உள்ள என்ஜின், 5 நிமிடத்தில் 10 லிட்டர் பெட்ரோலை நிரப்பி அதிக நேரம் உபயோகப்படுத்தக் கூடிய வசதி ) சேர்த்து அமைக்கப்படும் கருவிதான் ஃபூயல் செல் / Fuel Cell அல்லது ‘எரிமக்கலன’. இது நல்ல குறிக்கோள்தான். ஆனால், இன்னமும் இத்துறையில் பெரிய முன்னேற்றம், அதாவது பெரிய அளவில் (large scale) எகனாமிகலாக (economical) பொருளாதார ரீதியில் தயார் செய்யும் அளவில் முன்னேற்றம் இல்லை என்பதே உண்மை. சில இடங்களில் பெரிய அளவில் தயாரித்து ஓட்டுகிறார்கள் என்றாலும், நாம் கடையில் சென்று மோட்டார் பைக் வாங்குவது போலவோ அல்லது டீசல் ஜெனரேட்டர் வாங்குவது போலவோ, எரிமக்கலனை வாங்க முடியாது.

இந்த ‘எரிமக்கலன்’ எப்படி இருக்கும்? இதன் வடிவமைப்பு (design) என்ன? இது வேலை செய்யும் முறை (operation) என்ன? இதற்கு பதில் அடுத்த சில பதிவுகளில்...