हाइड्रोजन उत्पादन के लिए आयन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (एईएम) हाइड्रोइलेक्ट्रोलाइसिस की प्रगति और आर्थिक विश्लेषण

एईएम कुछ हद तक पीईएम और पारंपरिक डायाफ्राम आधारित क्षार विद्युत अपचयन का संकर रूप है। एईएम इलेक्ट्रोलाइटिक सेल का सिद्धांत चित्र 3 में दर्शाया गया है। कैथोड पर, जल अपचयित होकर हाइड्रोजन और OH⁻ उत्पन्न करता है। OH⁻ डायाफ्राम से होकर एनोड तक प्रवाहित होता है, जहाँ यह पुनर्संयोजित होकर ऑक्सीजन उत्पन्न करता है।

ली एट अल. [1-2] ने अत्यधिक चतुर्भुजीकृत पॉलीस्टाइरीन और पॉलीफेनिलीन एईएम उच्च-प्रदर्शन जल इलेक्ट्रोलाइज़र का अध्ययन किया, और परिणामों से पता चला कि 85°C पर 1.8V के वोल्टेज पर धारा घनत्व 2.7A/cm2 था। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उत्प्रेरक के रूप में NiFe और PtRu/C का उपयोग करने पर, धारा घनत्व काफी कम होकर 906mA/cm2 हो गया। चेन एट अल. [5] ने क्षारीय बहुलक फिल्म इलेक्ट्रोलाइज़र में उच्च-दक्षता वाले गैर-उत्कृष्ट धातु इलेक्ट्रोलाइटिक उत्प्रेरक के अनुप्रयोग का अध्ययन किया। इलेक्ट्रोलाइटिक हाइड्रोजन उत्पादन उत्प्रेरकों को संश्लेषित करने के लिए NiMo ऑक्साइड को विभिन्न तापमानों पर H2/NH3, NH3, H2 और N2 गैसों द्वारा अपचयित किया गया। परिणामों से पता चलता है कि H2/NH3 अपचयन के साथ NiMo-NH3/H2 उत्प्रेरक का प्रदर्शन सर्वोत्तम है, जिसमें 1.57V और 80°C पर धारा घनत्व 1.0A/cm2 तक और ऊर्जा रूपांतरण दक्षता 75% है। इवोनिक इंडस्ट्रीज ने अपनी मौजूदा गैस पृथक्करण झिल्ली प्रौद्योगिकी के आधार पर, एईएम इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में उपयोग के लिए एक पेटेंटकृत पॉलिमर सामग्री विकसित की है और वर्तमान में एक पायलट लाइन पर झिल्ली उत्पादन का विस्तार कर रही है। अगला कदम सिस्टम की विश्वसनीयता को सत्यापित करना और उत्पादन बढ़ाने के साथ-साथ बैटरी की विशिष्टताओं में सुधार करना है।

वर्तमान में, एईएम इलेक्ट्रोलाइटिक सेलों के सामने मुख्य चुनौतियाँ एईएम की उच्च चालकता और क्षारीय प्रतिरोध की कमी हैं, और कीमती धातु इलेक्ट्रोकैटलिस्ट के कारण इलेक्ट्रोलाइटिक उपकरणों के निर्माण की लागत में वृद्धि होती है। साथ ही, सेल फिल्म में प्रवेश करने वाला CO2 फिल्म प्रतिरोध और इलेक्ट्रोड प्रतिरोध को कम कर देता है, जिससे इलेक्ट्रोलाइटिक प्रदर्शन घट जाता है। एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के भविष्य के विकास की दिशाएँ इस प्रकार हैं: 1. उच्च चालकता, आयन चयनात्मकता और दीर्घकालिक क्षारीय स्थिरता वाले एईएम का विकास करना। 2. कीमती धातु उत्प्रेरक की उच्च लागत की समस्या को दूर करना, कीमती धातु रहित और उच्च प्रदर्शन वाले उत्प्रेरक का विकास करना। 3. वर्तमान में, एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र की लक्षित लागत $20/m2 है, जिसे सस्ते कच्चे माल और संश्लेषण चरणों को कम करके कम करने की आवश्यकता है, ताकि एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र की कुल लागत कम हो सके। 4. इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में CO2 की मात्रा कम करना और इलेक्ट्रोलाइटिक प्रदर्शन में सुधार करना।

[1] लियू एल, कोहल पी ए. विभिन्न बंधे हुए धनायनों के साथ आयन संचालन मल्टीब्लॉक कॉपोलिमर [जे]. जर्नल ऑफ पॉलीमर साइंस पार्ट ए: पॉलीमर केमिस्ट्री, 2018, 56(13): 1395 - 1403.

[2] ली डी, पार्क ईजे, झू डब्ल्यू, एट अल। उच्च प्रदर्शन आयन एक्सचेंज झिल्ली जल इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए अत्यधिक चतुर्भुजीकृत पॉलीस्टाइनिन आयनोमर [जे]। नेचर एनर्जी, 2020, 5: 378 - 385।