प्रोटॉन विनिमय झिल्ली इलेक्ट्रोलिसिस

प्रोटॉन विनिमय झिल्ली (PEM) विद्युत अपघटन एक ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट (SPI) से लैस सेल में पानी की मात्रा। जो प्रोटॉन के चालन, उत्पाद गैसों को अलग करने और इलेक्ट्रोड के विद्युत रोधन के लिए जिम्मेदार है। PEM विद्युत शोधक को आंशिक भार, कम वर्तमान घनत्व, और वर्तमान में क्षारीय विद्युत शोधक को कम करने वाले कम दबाव के संचालन के मुद्दों को दूर करने के लिए पेश किया गया था। इसमें एक प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली शामिल है।

ऊर्जा वाहक के रूप में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए पानी के पानी का विद्युत अपघटन एक महत्वपूर्ण तकनीक है। तेजी से गतिशील प्रतिक्रिया समय, बड़ी परिचालन सीमाओं और उच्च दक्षता के साथ, जल विद्युत अपघटन नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ मिलकर ऊर्जा भंडारण के लिए एक आशाजनक तकनीक है। स्थिरता और पर्यावरणीय प्रभाव के संदर्भ में, PEM विद्युत अपघटन को उच्च शुद्धता और कुशल हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक आशाजनक तकनीक माना जाता है क्योंकि यह बिना किसी कार्बन उत्सर्जन के उप-उत्पाद के रूप में केवल ऑक्सीजन का उत्सर्जन करता है। IEA ने 2022 में कहा था कि और प्रयास की जरूरत है।

इतिहास

विद्युत अपघटन के लिए PEM का उपयोग पहली बार 1960 के दशक में जनरल इलेक्ट्रिक द्वारा पेश किया गया था, जिसे क्षारीय विद्युत अपघटन तकनीक की कमियों को दूर करने के लिए विकसित किया गया था। प्रारंभिक प्रदर्शन 1.0 A/cm² 1.88 V पर उत्पन्न हुआ जो उस समय की क्षारीय विद्युत अपघटन तकनीक की तुलना में बहुत कुशल थी। 1970 के दशक के अंत में क्षारीय विद्युत शोधक 0.215 A/cm² के आसपास 2.06 V पर प्रदर्शन की सूचना रहे थे। इस प्रकार 1970 के दशक के अंत में और 1980 के दशक की शुरुआत में पानी के विद्युत अपघटन के लिए बहुलक इलेक्ट्रोलाइट में अचानक रुचि पैदा हुई। PEM जल विद्युत अपघटन तकनीक PEM ईंधन सेल प्रौद्योगिकी के समान है, जहां ठोस पॉली-सल्फोनेटेड झिल्ली, जैसे नेफियन, फ्यूमपेम, को इलेक्ट्रोलाइट (प्रोटॉन संवाहक) के रूप में उपयोग किया जाता था।

कार्मो एट अल द्वारा 2013 की समीक्षा में कई परिचालन स्थितियों के साथ प्रारंभिक शोध से लेकर आज तक के ऐतिहासिक प्रदर्शन की गहन समीक्षा कालानुक्रमिक क्रम में पाई जा सकती है।

लाभ

PEM विद्युत अपघटन के सबसे बड़े लाभों में से एक इसकी उच्च वर्तमान घनत्व पर काम करने की क्षमता है। इसके परिणामस्वरूप कम परिचालन लागत हो सकती है, विशेष रूप से पवन और सौर जैसे बहुत गतिशील ऊर्जा स्रोतों के साथ युग्मित प्रणालियों के लिए, जहां ऊर्जा इनपुट में अचानक स्पाइक(कीलें) अन्यथा अप्रयुक्त ऊर्जा का परिणाम होगा। बहुलक इलेक्ट्रोलाइट PEM विद्युत शोधक को बहुत पतली झिल्ली (~100-200 माइक्रोन) के साथ संचालित करने की अनुमति देता है, जबकि अभी भी उच्च दबाव की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप कम ओमिक हानियाँ होती है, मुख्य रूप से झिल्ली (0.1 S/cm) और एक संपीड़ित हाइड्रोजन उत्पादन में प्रोटॉन के चालन के कारण होता है।

बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली, इसकी ठोस संरचना के कारण, कम गैस क्रॉसओवर(विदेशी) दर प्रदर्शित करता है जिसके परिणामस्वरूप बहुत अधिक उत्पाद गैस शुद्धता होती है। भंडारण सुरक्षा और ईंधन सेल में सीधे उपयोग के लिए उच्च गैस शुद्धता बनाए रखना महत्वपूर्ण है। O₂ में H₂ के लिए सुरक्षा सीमा O₂ में मानक स्थितियों 4 mol-% H₂ पर है।

विज्ञान

एक विद्युत शोधक बिजली और पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में परिवर्तित करने के लिए एक विद्युत रासायनिक उपकरण है, इन गैसों को बाद में उपयोग के लिए ऊर्जा का भंडारण करने के साधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। यह उपयोग विद्युत ग्रिड स्थिरीकरण से गतिशील विद्युत स्रोतों जैसे पवन टर्बाइनों और सौर सेल(कोशिकाओं) से लेकर ईंधन सेल वाहन के लिए ईंधन के रूप में स्थानीयकृत हाइड्रोजन उत्पादन तक हो सकता है। PEM इलेक्ट्रोलाइज़र इलेक्ट्रोड को विद्युत रूप से इन्सुलेट करते समय एनोड से कैथोड तक प्रोटॉन का संचालन करने के लिए एक ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट (SPI) का उपयोग करता है। मानक परिस्थितियों में पानी के अपघटन के लिए आवश्यक गठन की मानक तापीय धारिता 285.9 kJ/mol है। निरंतर विद्युत अपघटन प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक ऊर्जा का एक हिस्सा तापीय ऊर्जा द्वारा आपूर्ति की जाती है और शेष विद्युत ऊर्जा के माध्यम से आपूर्ति की जाती है।

प्रतिक्रियाएं

एक ऑपरेटिंग विद्युत शोधक के ओपन सर्किट वोल्टेज का वास्तविक मूल्य 1.23 V और 1.48 V के बीच होगा, जो इस बात पर निर्भर करता है कि सेल/स्टैक डिज़ाइन थर्मल ऊर्जा इनपुट का उपयोग कैसे करता है। हालांकि यह निर्धारित करना या मापना काफी कठिन है क्योंकि एक ऑपरेटिंग विद्युत शोधक भी आंतरिक विद्युत प्रतिरोधों, प्रोटॉन चालकता, सेल के माध्यम से बड़े पैमाने पर परिवहन और कुछ नाम रखने के लिए उत्प्रेरक उपयोग से अन्य वोल्टेज नुकसान का अनुभव करता है।

एनोड प्रतिक्रिया

PEM इलेक्ट्रोलाइजर के एनोड की तरफ होने वाली आधी प्रतिक्रिया को आमतौर पर ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (ओईआर) कहा जाता है। यहां तरल जल अभिकारक को उत्प्रेरक को आपूर्ति की जाती है जहां आपूर्ति किए गए पानी को ऑक्सीजन, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों में ऑक्सीकृत किया जाता है।

${\ce {2 H2O (l) -> O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e^-}}$

कैथोड प्रतिक्रिया

PEM इलेक्ट्रोलाइजर के कैथोड पक्ष पर होने वाली आधी प्रतिक्रिया को आमतौर पर हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (एचईआर) के रूप में जाना जाता है। यहां आपूर्ति किए गए इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन जो झिल्ली के माध्यम से संचालित होते हैं, गैसीय हाइड्रोजन बनाने के लिए संयुक्त होते हैं।

${\ce {4H+ (aq) + 4 e^- -> 2H2 (g)}}$

नीचे दिए गए उदाहरण में PEM विद्युत अपघटन कैसे काम करता है, इसका सरलीकरण दर्शाया गया है, जिसमें PEM इलेक्ट्रोलाइजर की पूरी प्रतिक्रिया के साथ-साथ व्यक्तिगत अर्ध-प्रतिक्रियाओं को दिखाया गया है। इस मामले में हाइड्रोजन उत्पादन के लिए विद्युत शोधक को एक सौर पैनल के साथ जोड़ा जाता है, हालाँकि सौर पैनल को बिजली के किसी भी स्रोत से बदला जा सकता है।

PEM इलेक्ट्रोलाइजर सेल का आरेख और संचालन के मूल सिद्धांत।

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के अनुसार प्रतिक्रिया की तापीय धारिता है:

$\Delta H=\underbrace {\Delta G} _{\textrm {elec.}}+\underbrace {T\Delta S} _{\textrm {heat}}$

कहाँ $\Delta G$ प्रतिक्रिया की गिब्स मुक्त ऊर्जा है, $T$ प्रतिक्रिया का तापमान है और $\Delta S$ प्रणाली की एन्ट्रापी में परिवर्तन है।

${\ce {H2O (l) + \Delta H -> H2 + 1/2 O2}}$

थर्मोडायनामिक ऊर्जा इनपुट के साथ समग्र सेल प्रतिक्रिया तब बन जाती है:

${\ce {H2O(l)->[+\overbrace {237.2\ {\ce {kJ/mol}}} ^{\ce {electricity}}][+\underbrace {48.6\ {\ce {kJ/mol}}} _{\ce {heat}}]{H2}+1/2O2}}$

ऊपर दिखाए गए थर्मल और इलेक्ट्रिकल इनपुट विद्युत अपघटन प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए बिजली द्वारा आपूर्ति की जा सकने वाली ऊर्जा की न्यूनतम मात्रा का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह मानते हुए कि प्रतिक्रिया के लिए ऊष्मा ऊर्जा की अधिकतम मात्रा (48.6 kJ/mol) की आपूर्ति की जाती है, प्रतिवर्ती सेल वोल्टेज $V_{\textrm {rev}}^{0}$ गणना की जा सकती है।

ओपन सर्किट वोल्टेज (ओसीवी)

$V_{\textrm {rev}}^{0}={\frac {\Delta G^{0}}{n\cdot F}}={\frac {237\ {\textrm {kJ/mol}}}{2\times 96,485\ {\textrm {C/mol}}}}=1.23{\textrm {V}}$

कहाँ $n$ इलेक्ट्रॉनों की संख्या है और $F$ फैराडे स्थिरांक है|फैराडे स्थिरांक है। सेल वोल्टेज की गणना यह मानते हुए कि कोई अपरिवर्तनीयता मौजूद नहीं है और प्रतिक्रिया द्वारा उपयोग की जाने वाली सभी तापीय ऊर्जा को निम्न ताप मान (LHV) कहा जाता है। उच्च ताप मान (HHV) का उपयोग करते हुए वैकल्पिक सूत्रीकरण की गणना यह मानते हुए की जाती है कि विद्युत अपघटन प्रतिक्रिया को चलाने के लिए सभी ऊर्जा की आपूर्ति आवश्यक ऊर्जा के विद्युत घटक द्वारा की जाती है जिसके परिणामस्वरूप उच्च प्रतिवर्ती सेल वोल्टेज होता है। एचएचवी का उपयोग करते समय वोल्टेज गणना को थर्मोन्यूट्रल वोल्टेज के रूप में संदर्भित किया जाता है।

$V_{\textrm {th}}^{0}={\frac {\Delta H^{0}}{n\cdot F}}={\frac {285.9\ {\textrm {kJ/mol}}}{2\times 96,485\ {\textrm {C/mol}}}}=1.48{\textrm {V}}$

वोल्टेज नुकसान

विद्युत अपघटन कोशिकाओं का प्रदर्शन, ईंधन कोशिकाओं की तरह, आमतौर पर ध्रुवीकरण घटता के माध्यम से तुलना की जाती है, जो वर्तमान घनत्व के खिलाफ सेल वोल्टेज की साजिश रचने से प्राप्त होती है। PEM इलेक्ट्रोलाइजर में बढ़े हुए वोल्टेज के प्राथमिक स्रोत (वही PEM ईंधन सेल के लिए भी लागू होता है) को तीन मुख्य क्षेत्रों में वर्गीकृत किया जा सकता है, ओमिक नुकसान, अत्यधिक क्षमता और बड़े पैमाने पर परिवहन नुकसान। PEM ईंधन सेल और PEM इलेक्ट्रोलाइजर के बीच संचालन के उत्क्रमण के कारण, इन विभिन्न नुकसानों के लिए प्रभाव की डिग्री दो प्रक्रियाओं के बीच भिन्न होती है।

$V_{\textrm {cell}}=E+V_{\textrm {act}}+V_{\textrm {trans}}+V_{\textrm {ohm}}$

एक PEM विद्युत अपघटन सिस्टम के प्रदर्शन की तुलना सेल करंट डेंसिटी बनाम ओवरपोटेंशियल की साजिश रचकर की जा सकती है। यह अनिवार्य रूप से एक वक्र में परिणत होता है जो हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का उत्पादन करने के लिए आवश्यक सेल क्षेत्र के प्रति वर्ग सेंटीमीटर की शक्ति का प्रतिनिधित्व करता है। PEM ईंधन सेल के विपरीत, PEM विद्युत शोधक जितना बेहतर होगा, दिए गए वर्तमान घनत्व पर इलेक्ट्रोड क्षमता उतनी ही कम होगी। नीचे दिया गया चित्र 25 सेमी के Forschungszentrum Jülich से अनुकरण का परिणाम है² थर्मोन्यूट्रल ऑपरेशन के तहत एकल सेल PEM विद्युत शोधक वोल्टेज हानि के प्राथमिक स्रोतों और वर्तमान घनत्व की एक सीमा के लिए उनके योगदान को दर्शाता है।

फ़ाइल:PEM विद्युत अपघटन लॉस ब्रेकडाउन.pdf|thumb|upright=3|PEM विद्युत अपघटन सेल ऑपरेशन के लिए जिम्मेदार विभिन्न नुकसानों को दर्शाने वाला ध्रुवीकरण वक्र।

ओमिक हानियाँ

ओमिक नुकसान सेल घटकों के आंतरिक प्रतिरोध द्वारा इलेक्ट्रोलीज़ प्रक्रिया के लिए शुरू की गई एक विद्युत अतिपरासारी है। इस नुकसान के लिए विद्युत अपघटन प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए एक अतिरिक्त वोल्टेज की आवश्यकता होती है, इस नुकसान की भविष्यवाणी ओम कानून का पालन करती है। ओम का नियम और ऑपरेटिंग विद्युत शोधक के वर्तमान घनत्व के लिए एक रैखिक संबंध रखता है।

$V=I\cdot R$

विद्युत प्रतिरोध के कारण ऊर्जा हानि पूरी तरह से नष्ट नहीं हुई है। प्रतिरोधकता के कारण वोल्टेज की गिरावट जूल हीटिंग के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया के माध्यम से विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा ऊर्जा में बदलने से जुड़ी है। इस ऊष्मा ऊर्जा का अधिकांश भाग अभिकारक जल आपूर्ति के साथ दूर हो जाता है और पर्यावरण में खो जाता है, हालाँकि इस ऊर्जा का एक छोटा सा हिस्सा विद्युत अपघटन प्रक्रिया में ऊष्मा ऊर्जा के रूप में पुनः प्राप्त किया जाता है। ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा जिसे पुनः प्राप्त किया जा सकता है, सिस्टम संचालन और सेल डिज़ाइन के कई पहलुओं पर निर्भर है।

$Q\propto I^{2}\cdot R$

प्रोटॉन के चालन के कारण ओमिक नुकसान दक्षता के नुकसान में योगदान देता है जो ओहम्स कानून | ओम कानून का पालन करता है, हालांकि जौल हीटिंग प्रभाव के बिना। प्रोटॉन विनिमय झिल्ली की प्रोटॉन चालकता झिल्ली के जलयोजन, तापमान, ताप उपचार और आयनिक अवस्था पर बहुत निर्भर करती है।

फैराडिक नुकसान और क्रॉसओवर

फैराडिक नुकसान उन दक्षता नुकसानों का वर्णन करते हैं जो वर्तमान से संबंधित हैं, जो कि कैथोडिक गैस आउटलेट पर हाइड्रोजन के बिना आपूर्ति की जाती है। उत्पादित हाइड्रोजन और ऑक्सीजन झिल्ली में पारगम्य हो सकते हैं, जिसे क्रॉसओवर कहा जाता है।इलेक्ट्रोड परिणाम में दोनों गैसों का मिश्रण होता है। कैथोड पर, कैथोडिक उत्प्रेरक की प्लेटिनम सतह पर ऑक्सीजन को हाइड्रोजन के साथ उत्प्रेरक रूप से प्रतिक्रिया दी जा सकती है। एनोड पर, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन इरिडियम ऑक्साइड उत्प्रेरक पर प्रतिक्रिया नहीं करते।इस प्रकार, ऑक्सीजन में विस्फोटक एनोडिक मिश्रण हाइड्रोजन के कारण सुरक्षा खतरे हो सकते हैं। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए आपूर्ति की गई ऊर्जा खो जाती है, जब कैथोड पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया के कारण हाइड्रोजन खो जाता है और झिल्ली से एनोड तक कैथोड से पारगम्यता मेल खाती है। इसलिए, खोई हुई और उत्पादित हाइड्रोजन की मात्रा का अनुपात फैराडिक नुकसान को निर्धारित करता है। विद्युत शोधक के दबाव वाले संचालन में, क्रॉसओवर और सहसंबद्ध फैराडिक दक्षता हानियों में वृद्धि होती है।

जल विद्युत अपघटन के दौरान हाइड्रोजन संपीड़न

दाबित विद्युत अपघटन के कारण हाइड्रोजन का विकास एक समतापीय संपीड़न प्रक्रिया के बराबर है, जो दक्षता के मामले में यांत्रिक समस्थानिक संपीड़न की तुलना में बेहतर है।हालांकि, ऑपरेटिंग दबावों के साथ उपरोक्त फैराडिक नुकसान का योगदान बढ़ता है। इस प्रकार, संपीड़ित हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए, विद्युत अपघटन के दौरान इन-सीटू संपीड़न और गैस के बाद के संपीड़न को दक्षता संबंधी विचारों के तहत विचार करना होगा।

सिस्टम ऑपरेशन

PEM उच्च दबाव विद्युत शोधक प्रणाली

PEM इलेक्ट्रोलाइजर की न केवल अत्यधिक गतिशील परिस्थितियों में बल्कि पार्ट-लोड और ओवरलोड स्थितियों में भी काम करने की क्षमता इस तकनीक में हाल ही में नवीनीकृत रुचि के कारणों में से एक है। विद्युत ग्रिड की मांग अपेक्षाकृत स्थिर और पूर्वानुमेय होती है, हालांकि जब इन्हें पवन और सौर जैसे ऊर्जा स्रोतों से जोड़ा जाता है, तो ग्रिड की मांग शायद ही कभी अक्षय ऊर्जा के उत्पादन से मेल खाती है। इसका मतलब है कि एक बफर या ऑफ-पीक ऊर्जा के भंडारण के माध्यम से पवन और सौर लाभ जैसे नवीकरणीय स्रोतों से उत्पादित ऊर्जा। As of 2021, सबसे बड़ा PEM इलेक्ट्रोलाइजर 20 मेगावाट है।

PEM दक्षता

PEM विद्युत अपघटन की विद्युत दक्षता का निर्धारण करते समय, एचएचवी का उपयोग किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उत्प्रेरक परत पानी के साथ भाप के रूप में संपर्क करती है। चूंकि PEM विद्युत शोधक के लिए प्रक्रिया 80 डिग्री सेल्सियस पर संचालित होती है, अपशिष्ट गर्मी को भाप बनाने के लिए सिस्टम के माध्यम से पुनर्निर्देशित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च समग्र विद्युत दक्षता होती है। एलएचवी का उपयोग क्षारीय विद्युत शोधक के लिए किया जाना चाहिए क्योंकि इन विद्युत शोधक के भीतर प्रक्रिया के लिए तरल रूप में पानी की आवश्यकता होती है और हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं को एक साथ रखने वाले बंधन को तोड़ने की सुविधा के लिए क्षारीयता का उपयोग करता है। कम ताप मान का उपयोग ईंधन कोशिकाओं के लिए भी किया जाना चाहिए, क्योंकि भाप इनपुट के बजाय आउटपुट है।

प्रतिक्रिया को चलाने के लिए उपयोग की जाने वाली बिजली की प्रति यूनिट हाइड्रोजन के उत्पादन के संदर्भ में, PEM विद्युत अपघटन में काम करने वाले अनुप्रयोग में लगभग 80% की विद्युत दक्षता है। PEM विद्युत अपघटन की दक्षता 82-86% तक पहुंचने की उम्मीद है 2030 से पहले, इस क्षेत्र में प्रगति के रूप में स्थायित्व बनाए रखते हुए भी गति से जारी है।

यह भी देखें

• विद्युत रसायन
• [[इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री इंजीनियरिंग]]
• इलेक्ट्रोलिसिस
• हाइड्रोजन उत्पादन
• गैस पटाखा
• फोटोकैटलिटिक जल विभाजन
• जल शोधन
• हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की समयरेखा
• पानी का इलेक्ट्रोलिसिस
• पीईएम ईंधन सेल
• हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था
• उच्च दबाव इलेक्ट्रोलिसिस