प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) इलेक्ट्रोलाइटिक जल हाइड्रोजन उत्पादन प्रौद्योगिकी प्रगति और आर्थिक विश्लेषण

1966 में, जनरल इलेक्ट्रिक कंपनी ने इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पॉलिमर झिल्ली का उपयोग करते हुए, प्रोटॉन चालन अवधारणा के आधार पर जल इलेक्ट्रोलाइटिक सेल विकसित किया। 1978 में जनरल इलेक्ट्रिक द्वारा पीईएम कोशिकाओं का व्यावसायीकरण किया गया था। वर्तमान में, कंपनी कम पीईएम कोशिकाओं का उत्पादन करती है, जिसका मुख्य कारण इसका सीमित हाइड्रोजन उत्पादन, अल्प जीवन और उच्च निवेश लागत है। पीईएम सेल में द्विध्रुवी संरचना होती है, और कोशिकाओं के बीच विद्युत कनेक्शन द्विध्रुवी प्लेटों के माध्यम से बनाए जाते हैं, जो उत्पन्न गैसों के निर्वहन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। एनोड, कैथोड और झिल्ली समूह झिल्ली इलेक्ट्रोड असेंबली (एमईए) बनाते हैं। इलेक्ट्रोड आमतौर पर प्लैटिनम या इरिडियम जैसी कीमती धातुओं से बना होता है। एनोड पर, ऑक्सीजन, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन का उत्पादन करने के लिए पानी का ऑक्सीकरण होता है। कैथोड पर, एनोड द्वारा उत्पादित ऑक्सीजन, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन झिल्ली के माध्यम से कैथोड में प्रसारित होते हैं, जहां वे हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करने के लिए कम हो जाते हैं। पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र का सिद्धांत चित्र में दिखाया गया है।

पीईएम इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं का उपयोग आमतौर पर छोटे पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए किया जाता है, जिसमें अधिकतम हाइड्रोजन उत्पादन लगभग 30Nm3/h और बिजली की खपत 174kW होती है। क्षारीय सेल की तुलना में, पीईएम सेल की वास्तविक हाइड्रोजन उत्पादन दर लगभग पूरी सीमा सीमा को कवर करती है। पीईएम सेल क्षारीय सेल की तुलना में अधिक वर्तमान घनत्व पर काम कर सकता है, यहां तक ​​कि 1.6A/cm2 तक, और इलेक्ट्रोलाइटिक दक्षता 48%-65% है। क्योंकि पॉलिमर फिल्म उच्च तापमान के प्रति प्रतिरोधी नहीं है, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल का तापमान अक्सर 80°C से नीचे होता है। होएलर इलेक्ट्रोलाइज़र ने छोटे पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए एक अनुकूलित सेल सतह तकनीक विकसित की है। कोशिकाओं को आवश्यकताओं के अनुसार डिजाइन किया जा सकता है, जिससे कीमती धातुओं की मात्रा कम हो सकती है और परिचालन दबाव बढ़ सकता है। पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र का मुख्य लाभ यह है कि हाइड्रोजन का उत्पादन आपूर्ति की गई ऊर्जा के साथ लगभग समकालिक रूप से बदलता है, जो हाइड्रोजन की मांग में बदलाव के लिए उपयुक्त है। होएलर कोशिकाएं सेकंडों में 0-100% लोड रेटिंग परिवर्तनों पर प्रतिक्रिया करती हैं। होएलर की पेटेंट तकनीक का सत्यापन परीक्षण चल रहा है, और परीक्षण सुविधा 2020 के अंत तक बनाई जाएगी।

पीईएम कोशिकाओं द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन की शुद्धता 99.99% तक हो सकती है, जो क्षारीय कोशिकाओं की तुलना में अधिक है। इसके अलावा, पॉलिमर झिल्ली की बेहद कम गैस पारगम्यता ज्वलनशील मिश्रण बनाने के जोखिम को कम कर देती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइज़र बेहद कम वर्तमान घनत्व पर काम कर सकता है। इलेक्ट्रोलाइज़र को आपूर्ति किए गए पानी की चालकता 1S/cm से कम होनी चाहिए। क्योंकि पॉलिमर झिल्ली में प्रोटॉन परिवहन बिजली के उतार-चढ़ाव पर तुरंत प्रतिक्रिया करता है, पीईएम कोशिकाएं विभिन्न बिजली आपूर्ति मोड में काम कर सकती हैं। हालाँकि पीईएम सेल का व्यावसायीकरण हो चुका है, लेकिन इसके कुछ नुकसान हैं, मुख्य रूप से उच्च निवेश लागत और झिल्ली और कीमती धातु आधारित इलेक्ट्रोड दोनों का उच्च व्यय। इसके अलावा, पीईएम कोशिकाओं का सेवा जीवन क्षारीय कोशिकाओं की तुलना में कम है। भविष्य में, हाइड्रोजन उत्पादन करने के लिए पीईएम सेल की क्षमता में काफी सुधार करने की आवश्यकता है।