লেড স্টোরেজ ব্যাটারি, লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারি, ফুয়েল সেল (Lead Storage Battery, Lithium-Ion Battery, Fuel Cell)

প্রশ্ন : লেড সঞ্চয়ী কোষ বা লেড স্টোরেজ ব্যাটারী বা লেড ব্যাটারীর গঠন এবং কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর। (Deliberate the structure and function of lead storage battery or lead battery.)

উত্তরঃ

লেড সঞ্চয়ী কোষে লেড পাত অ্যানোড এবং লেড অক্সাইডের আবরণযুক্ত লেড পাত ক্যাথোড হিসেবে কাজ করে। তবে বর্তমানে নিরেট পাতের পরিবর্তে সছিদ্র পাত ব্যবহার করা হয়। সছিদ্র স্থানগুলো লেডের বিভিন্ন যৌগ এবং \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} এর মিশ্রণে তৈরি পেস্ট দ্বারা আবৃত থাকে। তড়িৎ বিশ্লেষ্যরূপে \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} দ্রবণ ব্যবহৃত হয়।

এখানে অনেকগুলো পাত পর্যায়ক্রমে সাজানো থাকে এবং বিদ্যুৎ অপরিবাহী পদার্থ দ্বারা পৃথক সাজে 1, 3, 5 নং পাত অ্যানোড এবং 2, 4, 6 নং পাত ক্যাথোড এর সাথে যুক্ত থাকে। ব্যবহৃত \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} এর আপেক্ষিক গুরুত্ব 1.15 বা 38 \%\left(\frac{w}{v}\right) \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} ব্যবহৃত হয়। এটি একটি রিচার্জেবল ব্যাটারী।

ব্যাটারী ডিসচার্জ কালে তড়িৎ রাসায়নিক কোষের মত আচরণ করে এবং তা বিদ্যুৎ উৎপন্ন করে। এ সময় এটি শক্তি উৎপাদী কোষ হিসেবে কাজ করে। অপরদিকে ব্যাটারী চার্জ বা রিচার্জিং এর সময় এটি তড়িৎ বিশ্লেষ্য কোষ হিসেবে কাজ করে। অর্থাৎ শক্তিগ্রাহী, কোষ হিসেবে কাজ করে এবং একে উৎসের বিপরীতভাবে যুক্ত করা হয়।

Pb সঞ্চয়ী কোষকে নিম্নরূপে প্রকাশ করা যায়-

Pb (s) | \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} দ্রবণ যা PbSO4 দ্বারা সম্পৃক্ত | PbO2 (s) | Pb (s)

ডিসচার্জকালে ব্যাটারী অ্যানোড এবং ক্যাথোড নিম্নরূপে বিক্রিয়া সংঘটিত হয়।

(–) অ্যানোড: \mathrm{Pb}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} \rightarrow \mathrm{PbSO}_{4}+2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e}^{-}

(+) ক্যাথোড: \mathrm{PbO}_{2}+2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e}^{-}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} \rightarrow 2 \mathrm{PbSO}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

\mathrm{Pb}+\mathrm{PbO}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} \rightarrow 2 \mathrm{PbSO}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

উপরোক্ত বিক্রিয়া হতে দেখা যায় যে, চার্জকালে ব্যাটারীতে \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} উৎপন্ন হয়। এভাবে এসিডের আপেক্ষিক গুরুত্ব যখন 1.15 হয় তখন ব্যাটারী চার্জ করা বন্ধ করা হয়। ব্যাটারী বারবার চার্জের ফলে \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} যুক্ত H_2O বিশ্লেষিত হয়ে H2(g) ও O2(g) এ পরিণত হয় ফলে H_2O কমে যায়। এ কারণে ব্যাটারীতে মাঝে মাঝে H_2O যোগ করতে হয়।

প্রশ্ন : লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী বা LiIB এর গঠন এবং কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর। অথবা, LIB এর চার্জ ও ডিসচার্জ কালে সংগঠিত বিক্রিয়াগুলো উল্লেখ কর। (Deliberate the structure and function of Lithium-Ion battery or LiB. Or, Mention the reactions organized during the charge and discharge of LiB.)

উত্তরঃ

এটি একটি রিচার্জেবল ব্যাটারী। এক্ষেত্রে অ্যানোড হিসেবে গ্রাফাইট এবং ক্যাথোড হিসেবে Li এর বিভিন্ন যৌগ ব্যবহৃত হয়। এদের মধ্যে উল্লেখযোগ্য হল- \mathrm{LiCoO}_{2}, \text { LiMnO }_{2}, \text { LiFePO }_{4} ইত্যাদি।  অর্থাৎ অবস্থান্তর মৌলযুক্ত Li যৌগ ব্যবহৃত হয়।

জৈব দ্রাবক হিসেবে ইথাইল কার্বনেট ব্যবহৃত হয়। তাছাড়া তড়িৎ বিশ্লেষ্য হিসেবে Li এর বিভিন্ন যৌগ। যেমন- \operatorname{LiPF}_{6}, \operatorname{LiAs} \mathrm{F}_{6}, \operatorname{LiCIO}_{4}, \operatorname{LiBF}_{4} ইত্যাদি ব্যবহৃত হয়। একটি আয়ন বিনিময়কারী বিভেদ পর্দার মাধ্যমে তড়িৎদ্বার দুটিকে পৃথক করে রাখা হয় এবং জৈব দ্রাবক ও তড়িৎ বিশ্লেষ্যের মধ্যে নিমজ্জিত রাখা হয়।

কার্যপ্রণালী (Function): এ কোষের ক্ষেত্রে অ্যানোড এবং ক্যাথোড এর মধ্যে Li^+ স্থানান্তরের মাধ্যমে e– দান ও গ্রহণ এর ফলে চার্জিং এবং ডিসচার্জিং প্রক্রিয়া সম্পন্ন হয়। ডিসচার্জিং এ সময় গ্রাফাইট তড়িৎদ্বার হতে Li আয়ন মুক্ত হয়ে বিভেদ পর্দা অতিক্রম করে ক্যাথোডে গিয়ে চার্জ মুক্ত হয়ে জমা হয় যা ডিইন্টারক্যালেশন নামে পরিচিত। এক্ষেত্রে সংঘটিত বিক্রিয়া নিম্নরূপ-

(-) অ্যানোডে জারণ Anode(oxidation):   \mathrm{Li}_{\mathrm{x}} \mathrm{C}_{6}(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{xLi}^{+}(\mathrm{soln})+6 \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{xe}^{-}

\mathrm{E}^{0}=3.04 \mathrm{~V}

ডিসচার্জিং কোষ বিক্রিয়া (Discharging cell reaction): \mathrm{Li}_{1-\mathrm{x}} \mathrm{CoO}_{2}(\mathrm{~s})+\mathrm{xLi}^{+}(\mathrm{soln})+\mathrm{xe}^{-} \rightarrow \mathrm{LiCoO}_{2}(\mathrm{~s})

\mathrm{E}_{\text {cell }}^{0}=3.7 \mathrm{~V}

(+) ক্যাথোডে বিজারণ Cathode (reduction): \quad \mathrm{Li}_{\mathrm{x}} \mathrm{C}_{6}(\mathrm{~s})+\mathrm{Li}_{1-\mathrm{x}} \mathrm{CoO}_{2}(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{LiCoO}_{2}(\mathrm{~s})+6 \mathrm{C}(\mathrm{s})

\mathrm{E}^{0}=0.66 \mathrm{~V}

রিচার্জ বা চার্জকালে বিক্রিয়া (Reactions during recharge or charge) : চার্জিং এর সময় ক্যাথোড \mathrm{LiCoO}_{2} হতে Li^+ আয়ন মুক্ত হয়ে তড়িৎ বিশ্লেষ্য এবং বিভেদ পর্দা অতিক্রম করে অ্যানোডে গিয়ে চার্জমুক্ত হবে এবং অ্যানোডের অভ্যন্তরীণ স্তরে স্থান নেয় বা ইন্টরক্যালেশন নামে পরিচিত ।

রিচার্জিংকালে অ্যানোডে বিজারণ (Reduction in anode during recharge) : x \mathrm{Li}^{+}(\operatorname{soln})+6 \mathrm{C}(s)+x e^{-} \rightarrow \operatorname{LixC}_{6}(s)

রিচার্জিংকালে ক্যাথোডে জারণ (Oxidation in cathode during recharge) :   \mathrm{LiCoO}_{2}(s) \rightarrow \mathrm{Li}_{1-x} \mathrm{CoO}_{2}(s)+x \mathrm{Li}^{+}(\operatorname{soln})+x e^{-}

রিচার্জিং কোষ বিক্রিয়া (Recharging cell reaction) : \mathrm{LiCoO}_{2}(s)+6 \mathrm{C}(s) \rightarrow \operatorname{LixC}_{6}(s)+\mathrm{Li}_{1-x} \mathrm{CoO}_{2}(s)

∴ ডিসচার্জিং ও রিচার্জিংকালে সামগ্রিক কোষ বিক্রিয়াটি উভমুখী নিম্নরূপ হয় :

\mathrm{Li}_{x} \mathrm{C}_{6}(s)+\mathrm{Li}_{1-x} \mathrm{CoO}_{2}(s) \underset{\text { রিচার্জিং }}{\stackrel{\text { ডিসচার্জিং }}{\rightleftharpoons}} \mathrm{LiCoO}_{2}(s)+6 \mathrm{C}(s)

এ ব্যাটারী ডিসচার্জের সময় \mathrm{LiCoO}_{2} এর Co, Co^{4+} থেকে Co^{3+} এ বিজারিত হয় এবং চার্জিং এর সময় Co^{3+} থেকে `Co^{4+} এ জারিত হয়। এভাবে অবস্থান্তর মৌলগুলো e^- আদান প্রদানে সহায়তা করে। এ ধরনের ব্যাটারীর EMF এর মান হল 3.7V।

প্রশ্ন : লেড স্টোরেজ ব্যাটারী এর লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীর মধ্যে সুবিধা-অসুবিধা আলোচনা কর। (Discuss the advantages and disadvantages between lead storage battery and Lithium-ion battery.)

উত্তরঃ

১। লেড স্টোরেজ ব্যাটারীর অভ্যন্তরীণ রোধ খুব কম তাই এ কোষ থেকে শুরুতেই উচ্চ শক্তি পাওয়া যায় কিন্তু লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীর অভ্যন্তরীণ রোধ বেশি তাই শুরুতে উচ্চ বিদ্যুৎ শক্তি পাওয়া যায় না। এজন্য মোটর গাড়ির ইঞ্জিনে লেড স্টোরেজ ব্যাটারীর ব্যবহার বেশি।

২। ভারী লেড স্টোরেজ ব্যাটারীর তুলনায় হালকা লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী সহজে বহনযোগ্য। তাছাড়া লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী বিভিন্ন আকৃতির দেয়া যায় বলে বর্তমানে এর ব্যবহার বৃদ্ধি পাচ্ছে। কিন্তু লেড স্টোরেজ ব্যাটারীতে এ ধরনের কোন সুযোগ নেই।

৩। দীর্ঘদিন ব্যবহারের ফলে লেড স্টোরেজ ব্যাটারীতে তড়িৎদ্বারের পৃষ্ঠতলে জমাকৃত PbSO4 এর কেলাস আকারে বড় ও শক্ত হয়ে উঠে। তখন PbSO4 কে বিদ্যুৎ প্রবাহ দ্বারা PbO2 ও PbO এ রূপান্তর করা কষ্টসাধ্য হয়। ব্যাটারীর কর্মদক্ষতা হ্রাস পায়। অপরদিকে লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী চার্জিং এর কারণে তড়িৎ বিশ্লেষ্যের ভিতর তলানী পড়ে এতে আয়ন পরিবহন বাধাগ্রস্থ হয়। কর্মদক্ষতা হ্রাস পায়।

৪। লেড স্টোরেজ ব্যাটারী নিম্ন চাক্রিক জীবন সম্পন্ন কিন্তু লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী উচ্চ চাক্রিক জীবন সম্পন্ন।

৫। লেড স্টোরেজ ব্যাটারী উচ্চ তাপমাত্রায় ও বিদ্যুৎ উৎপাদনে সক্ষম কিন্তু লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী উচ্চ তাপমাত্রায় অত্যন্ত সংবেদনশীল।

৬। লেড স্টোরেজ ব্যাটারী দ্রুত চার্জ করা যায় না কিন্তু লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী দ্রুত চার্জ করা যায়।

উল্লেখ্য যে, লিথিয়াম ব্যাটারী প্রাইমারী ব্যাটারী এবং রিচার্জেবল নয় এটি ক্যালকুলেটর, ঘড়ি ইত্যাদিতে ব্যবহৃত হয়। তবে হার্টের পেসমেকার এর মধ্যে লিথিয়াম SV0 (Sivir Vanadum Oxide) ব্যাটারী ব্যবহৃত হয়। কিন্তু LIB সেকেন্ডারী এবং রিচার্জেবল ব্যাটারী, এটি সেল ফোন, ল্যাপটপ পাওয়ার টুলস এবং ক্যামেরায় ব্যবহৃত হয়।

৭। লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীর কোন মেমোরী প্রভাব নেই অর্থাৎ পুনঃচার্জের আগে সম্পূর্ণ ডিসচার্জের প্রয়োজন নেই। যে কোন সময় চার্জ করা যায়। কিন্তু লেড সঞ্চয়ী কোষ সব সময় চার্জিত অবস্থায় রাখতে হয় নতুবা \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} এর সক্রিয়তা নষ্ট হয়ে যায়।

৮। লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীর emf হল 3.6V কিন্তু লেড স্টোরেজ ব্যাটারীর emf হল 2.03V।

৯। লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীতে ব্যবহৃত তড়িৎ বিশ্লেষ্য পদার্থ জৈব দ্রাবক এক ধরনের দাহ্য পদার্থ । ফলে উচ্চচাপে ব্যাটারীর ভেতরে থাকা অবস্থায় কখনও কখনও বিস্ফোরিত হতে পারে । লিথিয়াম উচ্চ ক্রিয়াশীল হওয়ায় পানির উপস্থিতিতে তীব্রভাবে বিক্রিয়া করতে পারে। লেড স্টোরেজ ব্যাটারীর ক্ষেত্রে চার্জ এর সময় H2 গ্যাস উৎপন্ন হয় যাতে বিপদ ঘটার সম্ভাবনা থাকে।

১০। লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী সম্পূর্ণ ডিসচার্জ করলে তা একেবারে নষ্ট হয়ে যায়। কিন্তু লেড স্টোরেজ ব্যাটারীতে তড়িৎ বিশ্লেষ্য \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4}, H_2O উপযুক্ত পরিমাণে যোগ করে আবার ব্যবহারযোগ্য করা যায়। 

১১। লেড স্টোরেজ ব্যাটারীতে ব্যবহৃত লেড, লেড যৌগ, \mathrm{H}_{2} \mathrm{SO}_{4} ইত্যাদি পরিবেশের জন্য ক্ষতিকারক। কিন্তু লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীতে ব্যবহৃত উপাদানগুলো কম ক্ষতিকারক বলে এটি পরিবেশ বান্ধব। এটি তুলনামূলক কম বর্জ্যরূপে মাটিতে যুক্ত হয় তাই পরিবেশ দূষণ কম হয়।

১২। লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারীর উপকরণ সহজলভ্য নয় কিন্তু লেড স্টোরেজ ব্যাটারীর উপকরণ সহজলভ্য।

১৩। লেড স্টোরেজ ব্যাটারী কম শক্তি ঘনত্ব সম্পন্ন কিন্তু লিথিয়াম আয়ন ব্যাটারী উচ্চ ঘনত্ব সম্পন্ন। যা অন্যান্য ব্যাটারীর চেয়ে বেশি। Li^+ এর আকার ছোট হওয়ায় এর চার্জ ঘনত্ব বেশী।

প্রশ্নঃ ফুয়েল সেল বা জ্বালানী কোষ বলতে কি বুঝ? (What is fuel cell?)

উত্তরঃ

যে রাসায়নিক কোষে তড়িৎ রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে হাইড্রোজেন অথবা হাইড্রোজেন ঘটিত জ্বালানীকে সরাসরি বিদ্যুৎ শক্তিতে রূপান্তরিত করা যায় তাকে ফুয়েল সেল বলে।

ফুয়েল সেল এর বৈশিষ্ট্য নিম্নরূপ(Properties of fuel cell)

২। এক্ষেত্রে জ্বালানী হিসেবে H2 বা মিথানল বা বায়োগ্যাস ব্যবহৃত হয়।

১। এ ধরনের কোষের প্রকৃতি ব্যবহৃত Electrolyte দ্বারা নির্ধারিত হয়।

৩। এক্ষেত্রে অ্যানোড এবং ক্যাথোড Pt বা নিকেল চূর্ণ দ্বারা আবৃত থাকে।

৪। এক্ষেত্রে পরিবেশ দূষণ কম হয় অর্থাৎ কোষগুলো পরিবেশ বান্ধব।

প্রশ্ন : H_2 , O_2 ফুয়েল সেল বা অ্যালকালি ফুয়েল সেল বা নিম্নতাপমাত্রায় জ্বালানী কোষ বা AFC এর গঠন এবং কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর। (Deliberate the structure and function ofH_2 ,O_2 fuel cell or alkali fuel cell or fuel cell at low temperatures.)

উত্তরঃ

এক্ষেত্রে অ্যানোড এবং ক্যাথোড হিসেবে গ্রাফাইট তড়িৎদ্বার ব্যবহৃত হয়। ক্যাথোড নিকেল বা NiO_2 চূর্ণ দ্বারা আবৃত থাকে। তবে প্লাটিনাম তড়িৎদ্বার ও ব্যবহৃত হয়। তড়িৎ বিশ্লেষ্য হিসেবে ক্ষার দ্রবণ যেমন- KOH ব্যবহৃত হয়। এর মধ্যে তড়িৎদ্বার দুটি নিমজ্জিত থাকে এবং বিভেদ পর্দা দ্বারা পৃথক থাকে। অ্যানোডের মধ্য দিয়ে জ্বালানী হিসেবে H_2 গ্যাস একটি নির্দিষ্ট চাপে এবং ক্যাথোডের মধ্য দিয়ে জারক হিসেবে বিশুদ্ধ O_2 গ্যাস চালনা করা হয়।

অ্যানোডের বিক্রিয়া (Anode reaction):

ক্ষারের OH^- অ্যানোডে গিয়ে নিম্নরূপে ইলেক্ট্রন দান করে পানিতে পরিণত হয়-

\begin{array}{l} 2 \mathrm{H}_{2} \rightarrow 4 \mathrm{H}^{+}+4 e^{-} \\ 4 \mathrm{H}^{+}+4 \mathrm{OH}^{-} \rightarrow 4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \\ \hline 2 \mathrm{H}_{2}+4 \mathrm{OH}^{-} \rightarrow 4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+4 e^{-} \end{array}

ক্যাথোডের বিক্রিয়া (Cathode reaction):

অ্যানোডে উৎপন্ন পানি নিম্নরূপে ইলেক্ট্রন গ্রহণ করে OH^- এর পরিণত হয়-

\mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+4 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 4 \mathrm{OH}^{-}

∴ মোট বিক্রিয়া : 2 \mathrm{H}_{2}+\mathrm{O}_{2} \rightarrow 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

কোষটিকে নিম্নরূপে অঙ্কন করা যায়-

এভাবে উৎপাদিত পানি ব্যবহার করা যায়। এর কার্যকর তাপমাত্রা হল 80 – 150°C এর কার্যক্ষমতা প্রায় 90 – 98% বিভিন্ন মহাশূণ্যযানে বিদ্যুৎ ও পানি উৎপাদনের জন্য এ কোষ ব্যবহৃত হয় এবং হয়েছে।

প্রশ্ন: মধ্যম তাপমাত্রা/গলিত কার্বনেট ফুয়েল Cell/MCFC (Molted Carbonet Fuel Cell) এর গঠন এবং কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর। (Deliberate the structure and function molted carbonet fuel cell at medium temperature.)

উত্তরঃ

এ কোষে ইলেকট্রোলাইট হিসেবে Na_2CO_3 বা K_2CO_3 বা Li_2CO_3 ব্যবহৃত হয়। এ কোষ 650°C তাপমাত্রায় কার্যকর। এ তাপমাত্রায় কার্বনেট লবণ তরল অবস্থায় থাকে। ফলে কার্বনেট আয়ন অ্যানোড এবং ক্যাথোড এর মধ্যে চলাচল করতে পারে। এক্ষেত্রে জ্বালানী হিসেবে H_2 বা বায়োগ্যাস বা জীবাশ্ম জ্বালানীকে ব্যবহার করা হয়। বড় ধরনের বিদ্যুৎ কেন্দ্রে এটি ব্যবহৃত হয়। এক্ষেত্রে সংঘটিত বিক্রিয়া নিম্নরূপ : 

অ্যানোডে বিক্রিয়া (Anode reaction):

\mathrm{CO}_{3}^{2-} ক্যাথোড থেকে অ্যানোডে প্রবাহিত হয়। যেখানে H_2 এর সাথে বিক্রিয়া করে H_2O, CO_2 এবং ইলেকট্রন উৎপন্ন করে।

\mathrm{CO}_{3}^{2-}+\mathrm{H}_{2} \rightarrow \mathrm{CO}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-}

ক্যাথোডে বিক্রিয়া (Cathode reaction):

উৎপন্ন CO_2 ক্যাথোডে গিয়ে O_2 এর সহায়তায় e– গ্রহণ করে CO32- এ পরিণত হয়। ফলে কার্বনেট আয়নের পরিমাণ অপরিবর্তিত অবস্থায় থাকে।

\mathrm{CO}_{2}+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{CO}_{3}{ }^{2-}

∴ মোট বিক্রিয়া হল: \mathrm{H}_{2}+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

প্রশ্ন : উচ্চ তাপমাত্রার ফুয়েল সেল বা কঠিন অক্সাইড জ্বালানী কোষ বা SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) এর গঠন ও কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর। (Deliberate the structure and function of solid oxide fuel cell at high temperature.)

উত্তরঃ

এ কোষ প্রায় 800 – 1000°C তাপমাত্রায় কার্যকর। এক্ষেত্রে জ্বালানী হিসেবে H_2 গ্যাস বা বিউটেন বা মিথানল বা বায়োগ্যাস বা ল্যান্ডফিল্ড গ্যাস ব্যবহৃত হয় এ কোষের কার্যকারিতা হল 60%. এক্ষেত্রে অ্যানোড ও ক্যাথোড হিসেবে গ্রাফাইট তড়িৎদ্বার ব্যবহৃত হয় যা নিকেল চূর্ণ দ্বারা আবৃত থাকে। এক্ষেত্রে ইলেকট্রোলাইট হিসেবে ইট্রিয়াম অক্সাইড দ্বারা সুস্থিত জিরকোনিয়াম অক্সাইড (ysz) ব্যবহৃত হয়।

অ্যানোড বিক্রিয়া(Anode reaction):

\begin{array}{l} \mathrm{CO}+\mathrm{O}^{2-} \rightarrow \mathrm{CO}_{2}+2 \mathrm{e}^{-} \\ \text {বা, } \mathrm{H}_{2}+\mathrm{O}^{2-} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^{-} \end{array}

ক্যাথোড বিক্রিয়া(Cathode reaction):

\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2}+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{O}^{2-}

∴ মোট বিক্রিয়া(Net reaction): \mathrm{CO}+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{O}^{2-}

                         বা, \mathrm{H}_{2}+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

যে সমস্ত জায়গায় বায়োগ্যাস প্ল্যান্ট আছে সেসব জায়গায় এসব ফুয়েল সেল অধিক কার্যকর।

প্রশ্ন: হাইড্রোজেন ফুয়েল সেল বা প্রোটন বিনিময় মেমব্রেন ফুয়েল সেল বা PEMFC এর গঠন এবং কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর। (Narrate the structure and function of hydrogen fuel cell or proton exchange membrane fuel cell.)

উত্তরঃ

এক্ষেত্রে অ্যানোড এবং ক্যাথোড হিসেবে গ্রাফাইট তড়িৎদ্বার ব্যবহৃত হয়। তবে উভয় তড়িৎদ্বার [v/katex] চূর্ণ দ্বারা আবৃত থাকে। উল্লেখ্য যে, [katex]Pt, H_2 গ্যাস অধিশোষণ করতে পারে। অ্যানোডে ও ক্যাথোডের প্রোটন বিনিময় মেমব্রেনের মাধ্যমে পৃথক করে রাখা হয়। এ মেমব্রেনটি পলিটেট্রাফ্লুরো সালফোনিক  এসিড দ্বারা গঠিত হয়।

অ্যানোডের মধ্য দিয়ে নির্দিষ্ট চাপে H_2 গ্যাস এবং ক্যাথোডের মধ্য দিয়ে নির্দিষ্ট চাপে অক্সিজেন গ্যাস চালনা করা হয়।

অ্যানোড বিক্রিয়া (Anode reaction):

এক্ষেত্রে H_2 গ্যাস, H^+ এ পরিণত হয়ে e^- দান করে।

2 \mathrm{H}_{2} \rightarrow 4 \mathrm{H}^{+}+4 e^{-} \mathrm{O}_{2}+4 \mathrm{H}^{+}+4 e^{-} \rightarrow 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

ক্যাথোড বিক্রিয়া (Cathode reaction):

অ্যানোডে উৎপন্ন H+ মেমব্রেনের মধ্য দিয়ে ক্যাথোডে পৌছে যায়। যা নিম্নরূপ বিক্রিয়ার মাধ্যমে পানিতে পরিণত হয়।

\mathrm{O}_{2}+4 \mathrm{H}^{+}+4 e^{-} \rightarrow 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

সার্বিক বিক্রিয়া হল: 2 \mathrm{H}_{2}+\mathrm{O}_{2} \rightarrow 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

এক্ষেত্রে, উৎপন্ন H_2O কে ব্যবহার করা যায়। এ কোষের EMF এর মান হল 1.23V । বর্তমানে বিভিন্ন ধরনের মহাশূণ্যযানে এ ধরনের কোষ ব্যবহৃত হচ্ছে ।

 

image not found

প্রশ্নঃ হাইড্রোজেন ফুয়েল সেলের সুবিধা ও অসুবিধাগুলো উল্লেখ কর। অথবা, Li আয়ন ব্যাটারী এবং H_2 ফুয়েল সেলের সুবিধা ও অসুবিধাগুলো তুলনা কর। (Mention the advantages and disadvantages of hydrogen fuel cell. Or, Compare the advantages and disadvantages of lithium-ion battery and H_2 fuel cell)

উত্তরঃ

১। জ্বালানী সরবরাহ অক্ষুন্ন থাকলে এ ধরনের কোষ থেকে অবিরাম বিদ্যুৎ প্রবাহ পাওয়া যায়।

২। এ কোষে ব্যবহৃত জ্বালানী প্রায় ৭০% রাসায়নিক শক্তি তড়িৎ শক্তিতে রূপান্তরিত হয় যা প্রচলিত কোষ অপেক্ষা অনেক বেশি।

৩। এতে উৎপন্ন বর্জ্য নেই বললে চলে তাই দূষণমূক্ত ও পরিবেশ বান্ধব।

৪। এ ধরনের সেল হালকা বলে সহজে স্থানান্তরযোগ্য।

৫। সঞ্চয়ী কোষের মত রিচার্জ করার ঝামেলা নেই এবং কার্যকারিতাও বেশী।

৬। তড়িৎ প্রবাহের পাশাপাশি পানিও উৎপন্ন হয় যা ব্যবহারযোগ্য।

৭। গ্যাসোলিনের চেয়ে দ্বিগুণ উচ্চ ক্ষমতা সম্পন্ন।

৮। মহাশূণ্যে তড়িৎ এর উৎস হিসেবে এটি ব্যবহার করা যায়।

প্রশ্ন : প্রত্যক্ষ মিথানল জ্বালানী কোষ বা DMFC এর কার্যপ্রণালী বর্ণনা কর।(Narrate the function of direct methanol fuel cell.)

উত্তরঃ

এ কোষ প্রোটন বিনিময় মেমব্রেন কোষ বা PEMFC এর একটি প্রকরণ। অ্যানোড ও ক্যাথোড হিসেবে প্লাটিনাম পাত এবং ইলেকট্রোলাইট হিসেবে বিশুদ্ধ পলিমার মেমব্রেন ব্যবহৃত হয়। জ্বালানী হিসেবে বিশুদ্ধ মিথানল ব্যবহৃত হয়। মিথানল অ্যানোডে এসে পানির সাথে জারণ বিক্রিয়ার মাধ্যমে ইলেকট্রন উৎপন্ন করে। উৎপন্ন e- বর্তনীর মাধ্যমে ক্যাথোডে প্রবেশ করে এবং পর্দার মধ্য দিয়ে H+ ক্যাথোডে গিয়ে পানিতে পরিণত হয়। এটি নিম্নতাপমাত্রায় ফুয়েল সেল।

অ্যানোডে বিক্রিয়া (Anode reaction) :  \mathrm{CH}_{3} \mathrm{OH}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_{2}+6 \mathrm{H}^{+}+6 \mathrm{e}^{-}

ক্যাথোডে বিক্রিয়া (Cathode reaction) :  \frac{3}{2} \mathrm{O}_{2}+6 \mathrm{H}^{+}+6 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

মোট বিক্রিয়া (Overall reaction) : \mathrm{CH}_{3} \mathrm{OH}+\frac{3}{2} \mathrm{O}_{2} \rightarrow \mathrm{CO}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}

প্রশ্ন : ফসফরিক এসিড জ্বালানী কোষের বা PAFC গঠন বর্ণনা কর। (Deliberate the phosphoric acid fuel cell.)

উত্তরঃ

এ কোষে প্লাটিনাম দ্বারা আবৃত কার্বন দন্ড অ্যানোড হিসেবে এবং সিলিকন কার্বাইডের উপর বিস্তৃত প্লাটিনাম ক্যাথোড হিসেবে কাজ করে।

জ্বালানী হিসেবে H_2 গ্যাস ব্যবহৃত হয়। ইলেকট্রোলাইট হিসেবে তরল ফসফরিক এসিড ব্যবহৃত হয়। এর কর্মদক্ষতা 80% এটিও নিম্নতাপমাত্রার ফুয়েল সেল। এ ধরনের কোষ বড় যানবাহনে ব্যবহৃত হয়।

অ্যানোডে বিক্রিয়া (Anode reaction) :  2 \mathrm{H}_{2} \rightarrow 4 \mathrm{H}^{+}+4 \mathrm{e}^{-}

ক্যাথোডে বিক্রিয়া (Cathode reaction) :  \mathrm{O}_{2}+4 \mathrm{H}^{+}+4 \mathrm{e}^{+} \rightarrow 2 \mathrm{H}_{2}

প্রশ্ন : pH মিটারের সাহায্যে কীভাবে কোন দ্রবণের pH নির্ণয় করা যায়?(How to define the pH of a solution with the help of pH meter?)

উত্তরঃ

যে দ্রবণের pH নির্ণয় করতে হবে তাতে একটি বিকারে নিযে Pt গুড়ার আস্তরণ যুক্ত একটি Pt পাত এ দ্রবণের মধ্যে নিমজ্জিত করে ঐ পাতের গা ঘেষে 1 atm চাপে বিশুদ্ধ H2 গ্যাস চালনা করা হয়। এর ফলে তড়িৎদ্বারটি H2 তড়িৎদ্বার হিসেবে আচরণ করে। এ H2 তড়িৎদ্বারকে প্রমাণ ক্যালোমেল তড়িৎদ্বারের সাথে যুক্ত করে একটি পূর্ণ কোষ তৈরি করা হয়। এ কোষের EMF মান নির্ণয় করে অজ্ঞাত দ্রবণের pH মান নির্ণয় করা যায়। এক্ষেত্রে সৃষ্ট কোষের গঠন নিম্নরূপঃ

\mathrm{Pt}, \mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g})\left|\mathrm{H}^{+} \| \mathrm{Cl}^{-}\right| \mathrm{Hg}_{2} \mathrm{Cl}_{2}, \mathrm{Hg}    (ক্যালোমেল)

25°C তাপমাত্রায় নার্নষ্ট সমীকরণ অনুযায়ী, \mathrm{E}_{\mathrm{H}}=\mathrm{E}^{0}-\frac{R T}{n F} \ln \frac{\left[\mathrm{H}^{+}\right]}{\mathrm{P}_{\mathrm{H}_{2}}}

\mathrm{E}_{\mathrm{H}}=-0.0592 \log \left[\mathrm{H}^{+}\right]

\mathrm{E}_{\mathrm{H}}=0.0592 P^{H}                 [\mathrm{E}^{\circ}=0, \mathrm{n}=1] 

মনে করি, প্রমাণ ক্যালোমেল তড়িৎদ্বারের বিভব E_{\text {cal }}। এর বিভবের মানটি জারণ বিভবের মান হলে সম্পূর্ণ কোষের EMF

বা, \mathrm{E}_{\text {cell }}=\mathrm{E}_{\mathrm{H}}-\mathrm{E}_{\text {cell }}

বা, \mathrm{E}_{\text {cell }}=0.0592 \mathrm{pH}-\mathrm{E}_{\text {cell }}

বা, \mathrm{pH}=\frac{\mathrm{E}_{\text {cell }}+\mathrm{E}_{\text {cell }}}{0.0592}

অর্থাৎ, ভোল্টমিটারের সাহায্যে কোষটির EMF পরিমাপ করে উপরোক্ত সমীকরণের সাহায্যে দ্রবণের pH নির্ণয় করা যায়।

H2 তড়িৎদ্বারের পরিবর্তে গ্লাস electrode ব্যবহার করে pH নির্ণয় করা যায়। এ ধরনের electrode এ গ্লাস বাল্ব থাকে। এটি V সিলিকা, 22% NaOH এবং 6% KOH তৈরি কাচ দ্বারা গঠিত। এটি গ্লাস মেমব্রেন যুক্ত পাত্রে আবদ্ধ থাকে। এ মেমব্রেনের মধ্য দিয়ে শুধুমাত্র H^+ প্রবেশ করতে পারে।