പ്രോട്ടോൺ എക്സ്ചേഞ്ച് മെംബ്രൺ (PEM) ഇലക്ട്രോലൈറ്റിക് വാട്ടർ ഹൈഡ്രജൻ ഉൽപ്പാദന സാങ്കേതികവിദ്യ പുരോഗതിയും സാമ്പത്തിക വിശകലനവും

1966-ൽ, ജനറൽ ഇലക്ട്രിക് കമ്പനി പോളിമർ മെംബ്രൺ ഇലക്ട്രോലൈറ്റായി ഉപയോഗിച്ച് പ്രോട്ടോൺ കണ്ടക്ഷൻ ആശയത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള വാട്ടർ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിക് സെൽ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു. 1978-ൽ ജനറൽ ഇലക്ട്രിക് PEM സെല്ലുകളെ വാണിജ്യവൽക്കരിച്ചു. നിലവിൽ, പരിമിതമായ ഹൈഡ്രജൻ ഉത്പാദനം, ഹ്രസ്വകാല ആയുസ്സ്, ഉയർന്ന നിക്ഷേപ ചെലവ് എന്നിവ കാരണം കമ്പനി കുറച്ച് PEM സെല്ലുകൾ മാത്രമേ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നുള്ളൂ. ഒരു PEM സെല്ലിന് ഒരു ബൈപോളാർ ഘടനയുണ്ട്, കൂടാതെ കോശങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള വൈദ്യുത കണക്ഷനുകൾ ബൈപോളാർ പ്ലേറ്റുകൾ വഴിയാണ് നിർമ്മിക്കുന്നത്, അവ ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന വാതകങ്ങൾ പുറന്തള്ളുന്നതിൽ പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. ആനോഡ്, കാഥോഡ്, മെംബ്രൻ ഗ്രൂപ്പ് എന്നിവ മെംബ്രൻ ഇലക്ട്രോഡ് അസംബ്ലി (MEA) ഉണ്ടാക്കുന്നു. ഇലക്ട്രോഡ് സാധാരണയായി പ്ലാറ്റിനം അല്ലെങ്കിൽ ഇറിഡിയം പോലുള്ള വിലയേറിയ ലോഹങ്ങൾ കൊണ്ടാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ആനോഡിൽ, ഓക്സിജൻ, ഇലക്ട്രോണുകൾ, പ്രോട്ടോണുകൾ എന്നിവ ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ വെള്ളം ഓക്സീകരിക്കപ്പെടുന്നു. കാഥോഡിൽ, ആനോഡ് ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന ഓക്സിജൻ, ഇലക്ട്രോണുകൾ, പ്രോട്ടോണുകൾ എന്നിവ മെംബ്രണിലൂടെ കാഥോഡിലേക്ക് പ്രചരിക്കുന്നു, അവിടെ അവ ഹൈഡ്രജൻ വാതകം ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കുറയ്ക്കപ്പെടുന്നു. PEM ഇലക്ട്രോലൈസറിന്റെ തത്വം ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു.

PEM ഇലക്ട്രോലൈറ്റിക് സെല്ലുകൾ സാധാരണയായി ചെറിയ തോതിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ഉൽപാദനത്തിനായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, പരമാവധി ഹൈഡ്രജൻ ഉത്പാദനം ഏകദേശം 30Nm3/h ഉം വൈദ്യുതി ഉപഭോഗം 174kW ഉം ആണ്. ആൽക്കലൈൻ സെല്ലുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, PEM സെല്ലിന്റെ യഥാർത്ഥ ഹൈഡ്രജൻ ഉൽപാദന നിരക്ക് മുഴുവൻ പരിധി പരിധിയും ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. PEM സെല്ലിന് ആൽക്കലൈൻ സെല്ലിനേക്കാൾ ഉയർന്ന വൈദ്യുത സാന്ദ്രതയിൽ, 1.6A/cm2 വരെ പോലും പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ ഇലക്ട്രോലൈറ്റിക് കാര്യക്ഷമത 48%-65% ആണ്. പോളിമർ ഫിലിം ഉയർന്ന താപനിലയെ പ്രതിരോധിക്കാത്തതിനാൽ, ഇലക്ട്രോലൈറ്റിക് സെല്ലിന്റെ താപനില പലപ്പോഴും 80°C ന് താഴെയാണ്. ചെറിയ PEM ഇലക്ട്രോലൈസറുകൾക്കായി ഹോളർ ഇലക്ട്രോലൈസർ ഒരു ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത സെൽ സർഫേസ് സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്. വിലയേറിയ ലോഹങ്ങളുടെ അളവ് കുറയ്ക്കുകയും പ്രവർത്തന സമ്മർദ്ദം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്തുകൊണ്ട്, ആവശ്യകതകൾക്കനുസരിച്ച് സെല്ലുകൾ രൂപകൽപ്പന ചെയ്യാൻ കഴിയും. PEM ഇലക്ട്രോലൈസറിന്റെ പ്രധാന നേട്ടം, വിതരണം ചെയ്യുന്ന ഊർജ്ജവുമായി ഹൈഡ്രജൻ ഉത്പാദനം ഏതാണ്ട് സിൻക്രണസ് ആയി മാറുന്നു എന്നതാണ്, ഇത് ഹൈഡ്രജൻ ആവശ്യകതയുടെ മാറ്റത്തിന് അനുയോജ്യമാണ്. ഹോളർ സെല്ലുകൾ 0-100% ലോഡ് റേറ്റിംഗ് മാറ്റങ്ങൾക്ക് സെക്കൻഡുകൾക്കുള്ളിൽ പ്രതികരിക്കുന്നു. ഹോളറുടെ പേറ്റന്റ് നേടിയ സാങ്കേതികവിദ്യ സാധൂകരണ പരിശോധനകൾക്ക് വിധേയമായിക്കൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്, 2020 അവസാനത്തോടെ പരീക്ഷണ സൗകര്യം നിർമ്മിക്കപ്പെടും.

PEM സെല്ലുകൾ ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കുന്ന ഹൈഡ്രജന്റെ ശുദ്ധത 99.99% വരെയാകാം, ഇത് ആൽക്കലൈൻ കോശങ്ങളേക്കാൾ കൂടുതലാണ്. കൂടാതെ, പോളിമർ മെംബ്രണിന്റെ വളരെ കുറഞ്ഞ വാതക പ്രവേശനക്ഷമത ജ്വലിക്കുന്ന മിശ്രിതങ്ങൾ രൂപപ്പെടാനുള്ള സാധ്യത കുറയ്ക്കുന്നു, ഇത് വളരെ കുറഞ്ഞ വൈദ്യുത സാന്ദ്രതയിൽ ഇലക്ട്രോലൈസർ പ്രവർത്തിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു. ഇലക്ട്രോലൈസറിലേക്ക് വിതരണം ചെയ്യുന്ന വെള്ളത്തിന്റെ ചാലകത 1S/cm-ൽ കുറവായിരിക്കണം. പോളിമർ മെംബ്രണിലൂടെയുള്ള പ്രോട്ടോൺ ഗതാഗതം പവർ ഏറ്റക്കുറച്ചിലുകൾക്ക് വേഗത്തിൽ പ്രതികരിക്കുന്നതിനാൽ, PEM സെല്ലുകൾക്ക് വ്യത്യസ്ത പവർ സപ്ലൈ മോഡുകളിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും. PEM സെൽ വാണിജ്യവൽക്കരിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, ഇതിന് ചില ദോഷങ്ങളുണ്ട്, പ്രധാനമായും ഉയർന്ന നിക്ഷേപ ചെലവും മെംബ്രണും വിലയേറിയ ലോഹവും അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ ഉയർന്ന ചെലവും. കൂടാതെ, PEM സെല്ലുകളുടെ സേവന ആയുസ്സ് ആൽക്കലൈൻ കോശങ്ങളേക്കാൾ കുറവാണ്. ഭാവിയിൽ, ഹൈഡ്രജൻ ഉത്പാദിപ്പിക്കാനുള്ള PEM സെല്ലിന്റെ ശേഷി വളരെയധികം മെച്ചപ്പെടുത്തേണ്ടതുണ്ട്.