गैस प्रसार इलेक्ट्रोड

गैस प्रसार इलेक्ट्रोड (जीडीई) ठोस, तरल और गैसीय इंटरफ़ेस के संयोजन के साथ इलेक्ट्रोड होते हैं, और तरल और गैसीय चरण के बीच विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया का समर्थन करने वाले विद्युत प्रवाहकीय उत्प्रेरक होते हैं।

सिद्धांत

जीडीई का उपयोग ईंधन सेलों में किया जाता है, जहां ऑक्सीजन और हाइड्रोजन रासायनिक बंधन ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते समय पानी बनाने के लिए गैस प्रसार इलेक्ट्रोड पर प्रतिक्रिया करते हैं। सामान्यतः उत्प्रेरक झरझरा पन्नी में तय होता है, जिससे तरल और गैस परस्पर क्रिया कर सकें। इन गीली विशेषताओं के अतिरिक्त, गैस प्रसार इलेक्ट्रोड को निश्चित रूप से इष्टतम विद्युत चालकता प्रदान करनी चाहिए, जिससे कम विद्युत प्रतिरोध वाले इलेक्ट्रॉन परिवहन को सक्षम किया जा सके।

गैस प्रसार इलेक्ट्रोड के संचालन के लिए महत्वपूर्ण नियम यह है, कि इलेक्ट्रोड के छिद्र प्रणाली में तरल और गैसीय चरण दोनों सह-अस्तित्व में हैं, जिसे यंग-लाप्लास समीकरण के साथ प्रदर्शित किया जा सकता है:

$p={\frac {2\ \gamma \cos \theta }{r}}$

गैस का दबाव p छिद्र प्रणाली में तरल के संबंध में ताकना त्रिज्या r पर होता है, तरल का सतही तनाव γ और संपर्क कोण Θ है। इस समीकरण को दृढ़ संकल्प के लिए मार्गदर्शक के रूप में लिया जाना है क्योंकि बहुत अधिक अज्ञात, या प्राप्त करने में कठिन पैरामीटर हैं। जब पृष्ठ तनाव पर विचार किया जाता है, तो ठोस और द्रव के पृष्ठ तनाव में अंतर को ध्यान में रखना होता है। लेकिन कार्बन या चांदी पर प्लैटिनम जैसे उत्प्रेरक का सतही तनाव संभवतया ही मापने योग्य होता है। समतल सतह पर संपर्क कोण को माइक्रोस्कोप से निर्धारित किया जा सकता है। चूंकि, एकल छिद्र की जांच नहीं की जा सकती है, इसलिए संपूर्ण इलेक्ट्रोड की छिद्र प्रणाली को निर्धारित करना आवश्यक है। इस प्रकार तरल और गैस के लिए इलेक्ट्रोड क्षेत्र बनाने के लिए, अलग-अलग ताकना त्रिज्या r बनाने के लिए, या अलग-अलग गीला कोण Θ बनाने के लिए पथ को चुना जा सकता है।

निसादित इलेक्ट्रोड

निसादित इलेक्ट्रोड

निसादित इलेक्ट्रोड की इस छवि में यह देखा जा सकता है कि तीन अलग-अलग अनाज आकार का उपयोग किया गया था। विभिन्न परतें थीं:

1. महीन दाने वाले पदार्थ की शीर्ष परत
2. विभिन्न समूहों से परत
3. मोटे दाने वाले पदार्थ की गैस वितरण परत

अधिकांश इलेक्ट्रोड जो 1950 से 1970 तक निसादित विधि से निर्मित किए गए थे, ईंधन सेलों में उपयोग के लिए थे। आर्थिक कारणों से इस प्रकार का उत्पादन बंद कर दिया गया था क्योंकि इलेक्ट्रोड मोटे और भारी थे, जिनकी सामान्य मोटाई 2 मिमी थी, जबकि अलग-अलग परतें बहुत पतली और दोष रहित होनी थीं। बिक्री मूल्य बहुत अधिक था और इलेक्ट्रोड का निरंतर उत्पादन नहीं किया जा सकता था।

संचालन का सिद्धांत

गैस प्रसार इलेक्ट्रोड का सिद्धांत

इस आरेख में गैस प्रसार के सिद्धांत को दर्शाया गया है। तथाकथित गैस वितरण परत इलेक्ट्रोड के बीच में स्थित है। केवल छोटे से गैस के दबाव के साथ, इस छिद्र प्रणाली से इलेक्ट्रोलाइट विस्थापित हो जाता है। छोटा प्रवाह प्रतिरोध यह सुनिश्चित करता है कि गैस इलेक्ट्रोड के अंदर स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सके। थोड़ा अधिक गैस के दबाव में पोरे प्रणाली में इलेक्ट्रोलाइट कार्य परत तक ही सीमित है। सतह की परत में ही इतने महीन छिद्र होते हैं कि दबाव के चरम पर होने पर भी गैस नहीं बन सकती इलेक्ट्रोड के माध्यम से इलेक्ट्रोलाइट में प्रवाहित करें। इस तरह के इलेक्ट्रोड बिखरने और बाद में सिंटरिंग या गर्म दबाने से उत्पन्न होते हैं। बहु-स्तरित इलेक्ट्रोड का उत्पादन करने के लिए मोल्डिंग (प्रक्रिया) में सुक्ष्म सामग्री बिखरी हुई थी और चिकनी थी। फिर, अन्य सामग्रियों को कई परतों में लगाया गया और दबाव में रखा गया। उत्पादन न केवल त्रुटि-प्रवण था बल्कि समय लेने वाला और स्वचालित करने में भी जटिल था।

बंधुआ इलेक्ट्रोड

पीटीएफई-सिल्वर इलेक्ट्रोड से स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप-इमेज

लगभग 1970 के बाद से, पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन का उपयोग हाइड्रोफिलिक और जल विरोधी दोनों गुणों वाले इलेक्ट्रोड का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, जबकि रासायनिक रूप से स्थिर होता है और जिसे बाइंडर्स के रूप में उपयोग किया जा सकता है। इसका अर्थ यह है कि, पीटीएफई के उच्च अनुपात वाले स्थानों में, कोई इलेक्ट्रोलाइट छिद्र प्रणाली में प्रवेश नहीं कर सकता है और इसके विपरीत, उस स्थिति में उत्प्रेरक स्वयं गैर-हाइड्रोफोबिक होना चाहिए।

विविधताएं

पीटीएफई उत्प्रेरक-मिश्रण का उत्पादन करने के लिए दो तकनीकी विविधताएँ हैं:

• पानी का फैलाव, पीटीएफई, उत्प्रेरक, पायसीकारी, गाढ़ा करने वाले एजेंट
• पीटीएफई पाउडर और उत्प्रेरक पाउडर का सूखा मिश्रण

फैलाव मार्ग को मुख्य रूप से पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट वाले इलेक्ट्रोड के लिए चुना जाता है, जैसा कि प्रोटॉन विनिमय मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (पीईएम फ्यूल सेल) और प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) या हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल) मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोलीज़ में सफलतापूर्वक प्रस्तुत किया गया है। जब तरल इलेक्ट्रोलाइट में उपयोग किया जाता है, तो सूखी प्रक्रिया अधिक उपयुक्त होती है।

इसके अतिरिक्त, फैलाव मार्ग में (पानी के वाष्पीकरण और 340 °C पर पीटीएफई के सिंटरिंग के माध्यम से) यांत्रिक दबाव को छोड़ दिया जाता है और उत्पादित इलेक्ट्रोड बहुत झरझरा होते हैं। तीव्रता से सुखाने की विधियों के साथ, इलेक्ट्रोड में दरारें बन सकती हैं, जो तरल इलेक्ट्रोलाइट द्वारा प्रवेश की जा सकती हैं। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स वाले अनुप्रयोगों के लिए, जैसे कि जस्ता-वायु बैटरी या क्षारीय ईंधन सेल, शुष्क मिश्रण विधि का उपयोग किया जाता है।

उत्प्रेरक

अम्लीय इलेक्ट्रोलाइट्स में विद्युत उत्प्रेरक सामान्यतः प्लैटिनम, रूथेनियम, इरिडियम और रोडियाम जैसी बहुमूल्य धातुएँ होती हैं। क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स में, जैसे जिंक-एयर बैटरी और क्षारीय ईंधन सेल, कार्बन, मैंगनीज, चांदी, निकल फोम या निकल जाल जैसे कम मूल्यवान उत्प्रेरक का उपयोग करना सामान्य है।

अनुप्रयोग

सबसे पहले ग्रोव सेल में ठोस इलेक्ट्रोड का उपयोग किया गया था, फ्रांसिस थॉमस बेकन बेकन ईंधन सेल के लिए गैस प्रसार इलेक्ट्रोड का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे, उच्च तापमान पर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को विद्युत् में परिवर्तित करना। वर्षों से, गैस प्रसार इलेक्ट्रोड को कई अन्य प्रक्रियाओं के लिए अनुकूलित किया गया है जैसे:

• 1980 से जिंक-एयर बैटरी
• 1990 से निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी
• अपशिष्ट हाइड्रोक्लोरिक एसिड के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा क्लोरीन का उत्पादन
• क्लोरअल्कली प्रक्रिया

हाल के वर्षों में कार्बन डाइऑक्साइड की इलेक्ट्रोकेमिकल कमी के लिए गैस प्रसार इलेक्ट्रोड का उपयोग जोरदार शोध विषय है।

उत्पादन

जीडीई का उत्पादन सभी स्तरों पर किया जाता है। यह न केवल अनुसंधान और विकास फर्मों के लिए उपयोग किया जाता है बल्कि बड़ी कंपनियों के साथ-साथ मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोड असेंबली (एमईए) के उत्पादन में भी उपयोग किया जाता है जो कि अधिकतर स्थितियों में ईंधन सेल या बैटरी उपकरण में उपयोग किया जाता है। जीडीई के उच्च मात्रा उत्पादन में विशेषज्ञता रखने वाली कंपनियों में जॉनसन मैथे, गोर और गस्कटेल सम्मिलित हैं। चूंकि, ऐसी कई कंपनियां हैं, जो कस्टम या कम मात्रा में जीडीई का उत्पादन करती हैं, जिससे विभिन्न आकार, उत्प्रेरक और लोडिंग का भी मूल्यांकन किया जा सकता है, जिसमें फ्यूलसेलस्टोर, फ्यूलसेल्सएटीसी और कई अन्य सम्मिलित हैं।

यह भी देखें

• ऋणायन विनिमय मेम्ब्रेन
• एकाग्रता सेल
• इलेक्ट्रोड क्षमता
• ईंधन सेल नियमों की शब्दावली
• आयन परिवहन संख्या
• आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड
• तरल जंक्शन क्षमता