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

1966 में, जनरल इलेक्ट्रिक कंपनी ने प्रोटॉन चालन की अवधारणा पर आधारित जल इलेक्ट्रोलाइटिक सेल (पीईएम) विकसित किया, जिसमें इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पॉलिमर झिल्ली का उपयोग किया गया। जनरल इलेक्ट्रिक ने 1978 में पीईएम सेल का व्यावसायीकरण किया। वर्तमान में, कंपनी कम पीईएम सेल का उत्पादन करती है, मुख्य रूप से सीमित हाइड्रोजन उत्पादन, कम जीवनकाल और उच्च निवेश लागत के कारण। एक पीईएम सेल की संरचना द्विध्रुवीय होती है, और सेलों के बीच विद्युत संबंध द्विध्रुवीय प्लेटों के माध्यम से स्थापित होते हैं, जो उत्पन्न गैसों के निर्वहन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। एनोड, कैथोड और झिल्ली समूह मिलकर झिल्ली इलेक्ट्रोड असेंबली (एमईए) बनाते हैं। इलेक्ट्रोड आमतौर पर प्लैटिनम या इरिडियम जैसी कीमती धातुओं से बना होता है। एनोड पर, जल का ऑक्सीकरण होकर ऑक्सीजन, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन उत्पन्न होते हैं। कैथोड पर, एनोड द्वारा उत्पादित ऑक्सीजन, इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन झिल्ली के माध्यम से कैथोड तक पहुंचते हैं, जहां उनका अपचयन होकर हाइड्रोजन गैस उत्पन्न होती है। पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर का सिद्धांत चित्र में दर्शाया गया है।

PEM इलेक्ट्रोलाइटिक सेल आमतौर पर छोटे पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिनकी अधिकतम हाइड्रोजन उत्पादन क्षमता लगभग 30 Nm³/घंटा और बिजली की खपत 174 kW होती है। अल्कलाइन सेल की तुलना में, PEM सेल की वास्तविक हाइड्रोजन उत्पादन दर लगभग पूरी सीमा को कवर करती है। PEM सेल अल्कलाइन सेल की तुलना में उच्च धारा घनत्व पर कार्य कर सकता है, यहाँ तक कि 1.6 A/cm² तक, और इसकी इलेक्ट्रोलाइटिक दक्षता 48%-65% होती है। क्योंकि पॉलिमर फिल्म उच्च तापमान के प्रति प्रतिरोधी नहीं होती है, इसलिए इलेक्ट्रोलाइटिक सेल का तापमान अक्सर 80°C से कम रहता है। होएलर इलेक्ट्रोलाइज़र ने छोटे PEM इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए एक अनुकूलित सेल सतह तकनीक विकसित की है। सेल को आवश्यकताओं के अनुसार डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे कीमती धातुओं की मात्रा कम हो जाती है और परिचालन दबाव बढ़ जाता है। PEM इलेक्ट्रोलाइज़र का मुख्य लाभ यह है कि हाइड्रोजन उत्पादन आपूर्ति की गई ऊर्जा के साथ लगभग समकालिक रूप से बदलता है, जो हाइड्रोजन की मांग में परिवर्तन के लिए उपयुक्त है। होएलर सेल सेकंडों में 0-100% लोड रेटिंग परिवर्तनों पर प्रतिक्रिया करते हैं। होएलर की पेटेंट प्राप्त तकनीक का सत्यापन परीक्षण चल रहा है, और परीक्षण सुविधा का निर्माण 2020 के अंत तक पूरा हो जाएगा।

पीईएम सेल द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन की शुद्धता 99.99% तक हो सकती है, जो क्षारीय सेल की तुलना में अधिक है। इसके अलावा, पॉलिमर झिल्ली की अत्यंत कम गैस पारगम्यता ज्वलनशील मिश्रण बनने के जोखिम को कम करती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइज़र को अत्यंत कम धारा घनत्व पर संचालित किया जा सकता है। इलेक्ट्रोलाइज़र को आपूर्ति किए जाने वाले पानी की चालकता 1 एस/सेमी से कम होनी चाहिए। पॉलिमर झिल्ली के पार प्रोटॉन परिवहन बिजली के उतार-चढ़ाव पर तेजी से प्रतिक्रिया करता है, इसलिए पीईएम सेल विभिन्न बिजली आपूर्ति मोड में संचालित हो सकते हैं। हालांकि पीईएम सेल का व्यावसायीकरण हो चुका है, फिर भी इसकी कुछ कमियां हैं, मुख्य रूप से उच्च निवेश लागत और झिल्ली तथा कीमती धातु आधारित इलेक्ट्रोड दोनों की उच्च लागत। इसके अलावा, पीईएम सेल का सेवा जीवन क्षारीय सेल की तुलना में कम होता है। भविष्य में, हाइड्रोजन उत्पादन के लिए पीईएम सेल की क्षमता में काफी सुधार की आवश्यकता है।