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

1966 में, जनरल इलेक्ट्रिक कंपनी ने प्रोटॉन चालन अवधारणा के आधार पर जल इलेक्ट्रोलाइटिक सेल विकसित किया, जिसमें इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पॉलिमर झिल्ली का उपयोग किया गया। 1978 में जनरल इलेक्ट्रिक द्वारा PEM कोशिकाओं का व्यवसायीकरण किया गया। वर्तमान में, कंपनी कम PEM कोशिकाओं का उत्पादन करती है, जिसका मुख्य कारण सीमित हाइड्रोजन उत्पादन, कम जीवन और उच्च निवेश लागत है। एक PEM सेल में एक द्विध्रुवीय संरचना होती है, और कोशिकाओं के बीच विद्युत कनेक्शन द्विध्रुवीय प्लेटों के माध्यम से बनाए जाते हैं, जो उत्पन्न गैसों को निकालने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। एनोड, कैथोड और झिल्ली समूह झिल्ली इलेक्ट्रोड असेंबली (MEA) 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 तक प्रसारित होते हैं, जहाँ वे हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करने के लिए कम हो जाते हैं। PEM इलेक्ट्रोलाइज़र का सिद्धांत चित्र में दिखाया गया है।

PEM इलेक्ट्रोलाइटिक सेल आमतौर पर छोटे पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिसमें अधिकतम हाइड्रोजन उत्पादन लगभग 30Nm3/h और 174kW की बिजली खपत होती है। क्षारीय सेल की तुलना में, PEM सेल की वास्तविक हाइड्रोजन उत्पादन दर लगभग पूरी सीमा सीमा को कवर करती है। PEM सेल क्षारीय सेल की तुलना में A उच्च धारा घनत्व पर काम कर सकता है, यहाँ तक कि 1.6A/cm2 तक, और इलेक्ट्रोलाइटिक दक्षता 48%-65% है। चूँकि पॉलिमर फिल्म उच्च तापमान के लिए प्रतिरोधी नहीं है, इसलिए इलेक्ट्रोलाइटिक सेल का तापमान अक्सर 80°C से नीचे होता है। होलर 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 ऑपरेटिंग 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 बदलाव के लिए उपयुक्त है। होलर सेल सेकंड में 0-100% लोड रेटिंग परिवर्तनों का जवाब देते हैं। होएलर की पेटेंट प्रौद्योगिकी सत्यापन परीक्षणों से गुजर रही है, और परीक्षण सुविधा 2020 के अंत तक निर्मित हो जाएगी।

PEM कोशिकाओं द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन की शुद्धता 99.99% तक हो सकती है, जो क्षारीय कोशिकाओं की तुलना में अधिक है। इसके अलावा, बहुलक झिल्ली की बेहद कम गैस पारगम्यता ज्वलनशील मिश्रण बनाने के जोखिम को कम करती है, जिससे इलेक्ट्रोलाइज़र बेहद कम वर्तमान घनत्व पर काम कर सकता है। इलेक्ट्रोलाइज़र को आपूर्ति किए गए पानी की चालकता 1S/सेमी से कम होनी चाहिए। क्योंकि बहुलक झिल्ली के पार प्रोटॉन परिवहन बिजली के उतार-चढ़ाव पर जल्दी से प्रतिक्रिया करता है, इसलिए PEM कोशिकाएँ विभिन्न बिजली आपूर्ति मोड में काम कर सकती हैं। हालाँकि PEM सेल का व्यवसायीकरण हो चुका है, लेकिन इसमें कुछ नुकसान भी हैं, मुख्य रूप से उच्च निवेश लागत और झिल्ली और कीमती धातु आधारित इलेक्ट्रोड दोनों का उच्च व्यय। इसके अलावा, PEM कोशिकाओं का सेवा जीवन क्षारीय कोशिकाओं की तुलना में कम है। भविष्य में, हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए PEM सेल की क्षमता में बहुत सुधार किया जाना चाहिए।