प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली

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एक प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन, या पॉलीमर-इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM), एक आयन एक्सचेंज झिल्ली है जो आम तौर पर आयनोमर्स से बना होता है और इलेक्ट्रॉनिक इंसुलेटर और रिएक्टेंट बैरियर के रूप में कार्य करते हुए प्रोटॉन कंडक्टर के लिए डिज़ाइन किया जाता है, उदा। ऑक्सीजन और हाइड्रोजन गैस के लिए।[1] प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली ईंधन सेल या पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली इलेक्ट्रोलिसिस | प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोलाइज़र के झिल्ली इलेक्ट्रोड विधानसभा (MEA) में शामिल होने पर यह उनका आवश्यक कार्य है: प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉनिक मार्ग को अवरुद्ध करते हुए प्रोटॉन के अभिकारकों और परिवहन को अलग करना झिल्ली के माध्यम से।

पीईएम या तो शुद्ध बहुलक झिल्लियों से या समग्र सामग्री झिल्लियों से बनाया जा सकता है, जहां अन्य सामग्री एक बहुलक मैट्रिक्स में एम्बेडेड होती हैं। सबसे आम और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पीईएम सामग्रियों में से एक फ्लोरोपॉलीमर (पीएफएसए) है।[2] नेफियन, एक ड्यूपॉन्ट उत्पाद।[3] जबकि नेफियन एक आयनोमर है जिसमें टेफ्लान की तरह एक परफ्लोरिनेटेड बैकबोन होता है,[4] प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्लियों के लिए आयनोमर्स बनाने के लिए कई अन्य संरचनात्मक रूपांकनों का उपयोग किया जाता है। कई पॉलीएरोमैटिक पॉलिमर का उपयोग करते हैं, जबकि अन्य आंशिक रूप से फ्लोरिनेटेड पॉलिमर का उपयोग करते हैं।

प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली मुख्य रूप से प्रोटॉन चालकता (इलेक्ट्रोलाइटिक) (σ), मेथनॉल पारगम्यता (पी), और थर्मल स्थिरता द्वारा विशेषता है।[5] पीईएम ईंधन सेल एक ठोस बहुलक झिल्ली (एक पतली प्लास्टिक की फिल्म) का उपयोग करते हैं जो पानी से संतृप्त होने पर प्रोटॉन के लिए पारगम्य होती है, लेकिन यह इलेक्ट्रॉनों का संचालन नहीं करती है।

इतिहास

लियोनार्ड नीड्राक (बाएं) और थॉमस ग्रब (दाएं), प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली प्रौद्योगिकी के आविष्कारक।

शुरुआती प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन तकनीक का विकास 1960 के दशक की शुरुआत में जनरल इलेक्ट्रिक के लिए काम करने वाले रसायनशास्त्री लियोनार्ड नीड्राक और थॉमस ग्रब द्वारा किया गया था।[6] नासा के परियोजना मिथुन स्पेसफ्लाइट कार्यक्रम में उपयोग के लिए महत्वपूर्ण सरकारी संसाधन इन झिल्लियों के अध्ययन और विकास के लिए समर्पित थे।[7] कई तकनीकी समस्याओं के कारण नासा ने कम क्षमता के रूप में बैटरी के पक्ष में प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल के उपयोग को छोड़ दिया, लेकिन जेमिनी मिशन 1-4 के लिए अधिक विश्वसनीय विकल्प।[8] जनरल इलेक्ट्रिक के पीईएम ईंधन सेल की एक उन्नत पीढ़ी का उपयोग बाद के सभी मिथुन मिशनों में किया गया था, लेकिन बाद के अपोलो कार्यक्रम मिशनों के लिए इसे छोड़ दिया गया था।[9] फ्लोरिनेटेड आयनोमर नेफियन, जो आज सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली सामग्री है, ड्यूपॉन्ट (1802-2017) प्लास्टिक केमिस्ट वाल्थर ग्रोट द्वारा विकसित किया गया था। Grot ने विद्युत रासायनिक विभाजक झिल्ली के रूप में भी अपनी उपयोगिता का प्रदर्शन किया।[10]

2014 में, मैनचेस्टर विश्वविद्यालय के अन्य गीम ने ग्राफीन और बोरॉन नाइट्राइड के परमाणु मोटी मोनोलेयर्स पर प्रारंभिक परिणाम प्रकाशित किए, जिसने केवल प्रोटॉन को सामग्री से गुजरने की अनुमति दी, जिससे उन्हें पीईएम सामग्री के रूप में फ्लोरिनेटेड आयनोमर्स के लिए एक संभावित प्रतिस्थापन बना दिया गया।[11][12]


ईंधन सेल

PEMFC के अन्य प्रकार के ईंधन सेल जैसे ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल (SOFC) पर कुछ लाभ हैं। PEMFC कम तापमान पर काम करते हैं, हल्के और अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं, जो उन्हें कारों जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है। हालांकि, कुछ नुकसान हैं: ~80 °C ऑपरेटिंग तापमान सह-उत्पादन के लिए बहुत कम है जैसे SOFCs में, और यह कि PEMFCs के लिए इलेक्ट्रोलाइट जल-संतृप्त होना चाहिए। हालांकि, टोयोटा भविष्य सहित कुछ फ्यूल-सेल कारें, ह्यूमिडिफायर के बिना काम करती हैं, तेजी से पानी के उत्पादन पर निर्भर करती हैं और झिल्ली के जलयोजन को बनाए रखने के लिए पतली झिल्लियों के माध्यम से बैक-डिफ्यूज़न की उच्च दर, साथ ही उत्प्रेरक परतों में आयनोमर .

उच्च तापमान वाले PEMFC 100 डिग्री सेल्सियस और 200 डिग्री सेल्सियस के बीच काम करते हैं, संभावित रूप से इलेक्ट्रोड कैनेटीक्स और गर्मी प्रबंधन में लाभ प्रदान करते हैं, और ईंधन की अशुद्धियों के लिए बेहतर सहनशीलता, विशेष रूप से रिफॉर्मेट में कार्बन मोनोआक्साइड इन सुधारों से संभावित रूप से उच्च समग्र प्रणाली दक्षता प्राप्त हो सकती है। हालांकि, इन लाभों को अभी तक महसूस नहीं किया जा सका है, क्योंकि यदि हाइड्रेशन ~100% से कम हो जाता है, और इस तापमान सीमा में रेंगना शुरू हो जाता है, तो स्वर्ण-मानक परफ्लुओरिनेटेड सल्फोनिक एसिड (पीएफएसए) झिल्ली 100 डिग्री सेल्सियस और उससे अधिक पर तेजी से कार्य करना बंद कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप स्थानीयकृत पतलापन और समग्र निचला सिस्टम जीवनकाल। नतीजतन, नए निर्जल प्रोटॉन कंडक्टर, जैसे कि प्रोटिक ऑर्गेनिक आयनिक प्लास्टिक क्रिस्टल (पीओआईपीसी) और प्रोटिक आयनिक तरल, उपयुक्त पीईएम के विकास के लिए सक्रिय रूप से अध्ययन किए जाते हैं।[13][14][15] PEMFC के लिए ईंधन हाइड्रोजन है, और आवेश वाहक हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) है। एनोड पर, हाइड्रोजन अणु हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) और इलेक्ट्रॉनों में विभाजित हो जाता है। हाइड्रोजन आयन इलेक्ट्रोलाइट से कैथोड तक रिसते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट से प्रवाहित होते हैं और विद्युत शक्ति उत्पन्न करते हैं। ऑक्सीजन, आमतौर पर हवा के रूप में, कैथोड को आपूर्ति की जाती है और पानी का उत्पादन करने के लिए इलेक्ट्रॉनों और हाइड्रोजन आयनों के साथ मिलती है। इलेक्ट्रोड पर प्रतिक्रियाएं इस प्रकार हैं:

एनोड प्रतिक्रिया:
2एच2 → 4 एच+ + वह-</सुप>
कैथोड प्रतिक्रिया:
ओ2 4 एक्स+ + वह− → 2H2हे
समग्र सेल प्रतिक्रिया:
2एच2 + ओ2 → 2 ह2हे + गर्मी + विद्युत ऊर्जा

सैद्धांतिक एक्ज़ोथिर्मिक क्षमता कुल मिलाकर +1.23 V है।

अनुप्रयोग

प्रोटॉन-विनिमय झिल्लियों का प्राथमिक अनुप्रयोग PEM ईंधन कोशिकाओं में होता है। इन ईंधन कोशिकाओं में एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव और ऊर्जा उद्योगों सहित वाणिज्यिक और सैन्य अनुप्रयोगों की एक विस्तृत विविधता है।[16][17] शुरुआती पीईएम ईंधन सेल अनुप्रयोगों को एयरोस्पेस उद्योग के भीतर केंद्रित किया गया था। बैटरी की तुलना में ईंधन कोशिकाओं की तत्कालीन उच्च क्षमता ने उन्हें आदर्श बना दिया क्योंकि नासा के प्रोजेक्ट जेमिनी ने पहले की तुलना में लंबी अवधि के अंतरिक्ष मिशनों को लक्षित करना शुरू कर दिया था।[16]

मोटर वाहन उद्योग के साथ-साथ व्यक्तिगत और सार्वजनिक बिजली उत्पादन आज प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली ईंधन कोशिकाओं के सबसे बड़े बाजार हैं।[18] पीईएम ईंधन सेल अपने अपेक्षाकृत कम ऑपरेटिंग तापमान और नीचे-ठंड की स्थिति में भी जल्दी से शुरू होने की क्षमता के कारण ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में लोकप्रिय हैं।[19] मार्च 2019 तक संयुक्त राज्य में सड़क पर 6,558 ईंधन सेल वाहन थे, जिनमें टोयोटा मिराई सबसे लोकप्रिय मॉडल था।[20] कैलिफोर्निया 43 के साथ हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों में संयुक्त राज्य का नेतृत्व करता है, जिसमें कैलिफोर्निया ऊर्जा आयोग के पास कवरेज का विस्तार करने के लिए 2023 तक वित्त पोषण में $20 मिलियन प्रति वर्ष की पहुंच है।[21] पीईएम ईंधन कोशिकाओं ने भारी मशीनरी के अन्य रूपों में भी सफल कार्यान्वयन देखा है, साथ ही बैलार्ड पावर सिस्टम्स ने प्रौद्योगिकी के आधार पर फोर्कलिफ्ट की आपूर्ति की है।[22] ऑटोमोटिव पीईएम प्रौद्योगिकी के सामने प्राथमिक चुनौती हाइड्रोजन का सुरक्षित और कुशल भंडारण है, जो वर्तमान में उच्च अनुसंधान गतिविधि का क्षेत्र है।[19]

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोलिसिस एक ऐसी तकनीक है जिसके द्वारा प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन का उपयोग पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस में विघटित करने के लिए किया जाता है।[23] प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली उत्पादित हाइड्रोजन को ऑक्सीजन से अलग करने की अनुमति देती है, जिससे किसी भी उत्पाद को आवश्यकतानुसार उपयोग करने की अनुमति मिलती है। संयुक्त राज्य नौसेना और नौ सेना पनडुब्बियों जैसे जहाजों में जीवन-समर्थन प्रणालियों के लिए हाइड्रोजन ईंधन और ऑक्सीजन उत्पन्न करने के लिए इस प्रक्रिया का विभिन्न प्रकार से उपयोग किया गया है।[16]एक हालिया उदाहरण क्यूबेक में 20 मेगावाट तरल वायु पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर प्लांट का निर्माण है।[24] ओज़ोन के औद्योगिक उत्पादन के लिए समान PEM-आधारित उपकरण उपलब्ध हैं।[25]


यह भी देखें


संदर्भ

  1. ↑ Alternative electrochemical systems for ozonation of water. NASA Tech Briefs (Technical report). NASA. 20 March 2007. MSC-23045. Retrieved 17 January 2015.
  2. ↑ Zhiwei Yang; et al. (2004). "Novel inorganic/organic hybrid electrolyte membranes" (PDF). Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 49 (2): 599.
  3. ↑ US patent 5266421, Townsend, Carl W. & Naselow, Arthur B., "Enhanced membrane-electrode interface", issued 2008-11-30, assigned to Hughes Aircraft 
  4. ↑ Gabriel Gache (17 December 2007). "New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells". Softpedia. Retrieved 18 July 2008.
  5. ↑ Nakhiah Goulbourne. "Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008". Virginia Tech. Archived from the original on 27 February 2009. Retrieved 18 July 2008.
  6. ↑ Grubb, W. T.; Niedrach, L. W. (1 February 1960). "Batteries with Solid Ion‐Exchange Membrane Electrolytes: II . Low‐Temperature Hydrogen‐Oxygen Fuel Cells". Journal of the Electrochemical Society (in English). 107 (2): 131. doi:10.1149/1.2427622. ISSN 1945-7111.
  7. ↑ Young, George J.; Linden, Henry R., eds. (1 January 1969). Fuel Cell Systems. Advances in Chemistry (in English). Vol. 47. WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. doi:10.1021/ba-1965-0047. ISBN 978-0-8412-0048-7.
  8. ↑ "Barton C. Hacker and James M. Grimwood. On the Shoulders of Titans: A History of Project Gemini. Washington, D. C.: National Aeronautics and Space Administration. 1977. Pp. xx, 625. $19.00". The American Historical Review. April 1979. doi:10.1086/ahr/84.2.593. ISSN 1937-5239.
  9. ↑ "Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells". americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. Retrieved 19 April 2021.{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)
  10. ↑ Grot, Walther. "Fluorinated Ionomers - 2nd Edition". www.elsevier.com. Retrieved 19 April 2021.{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)
  11. ↑ Hu, S.; Lozado-Hidalgo, M.; Wang, F.C.; et al. (26 November 2014). "Proton transport through one atom thick crystals". Nature. 516 (7530): 227–30. arXiv:1410.8724. Bibcode:2014Natur.516..227H. doi:10.1038/nature14015. PMID 25470058. S2CID 4455321.
  12. ↑ Karnik, Rohit N. (26 November 2014). "Breakthrough for protons". Nature. 516 (7530): 173–174. Bibcode:2014Natur.516..173K. doi:10.1038/nature14074. PMID 25470064. S2CID 4390672.
  13. ↑ Jiangshui Luo; Annemette H. Jensen; Neil R. Brooks; Jeroen Sniekers; Martin Knipper; David Aili; Qingfeng Li; Bram Vanroy; Michael Wübbenhorst; Feng Yan; Luc Van Meervelt; Zhigang Shao; Jianhua Fang; Zheng-Hong Luo; Dirk E. De Vos; Koen Binnemans; Jan Fransaer (2015). "1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells". Energy & Environmental Science. 8 (4): 1276. doi:10.1039/C4EE02280G.
  14. ↑ Jiangshui Luo, Olaf Conrad; Ivo F. J. Vankelecom (2013). "Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor" (PDF). Journal of Materials Chemistry A. 1 (6): 2238. doi:10.1039/C2TA00713D.
  15. ↑ Jiangshui Luo; Jin Hu; Wolfgang Saak; Rüdiger Beckhaus; Gunther Wittstock; Ivo F. J. Vankelecom; Carsten Agert; Olaf Conrad (2011). "Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes" (PDF). Journal of Materials Chemistry. 21 (28): 10426–10436. doi:10.1039/C0JM04306K.
  16. ↑ 16.0 16.1 16.2 "Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells". americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. Retrieved 19 April 2021.{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)
  17. ↑ "Could This Hydrogen-Powered Drone Work?". Popular Science. Retrieved 7 January 2016.
  18. ↑ Barbir, F.; Yazici, S. (2008). "Status and development of PEM fuel cell technology". International Journal of Energy Research (in English). 32 (5): 369–378. doi:10.1002/er.1371. ISSN 1099-114X. S2CID 110367501.
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  20. ↑ "Fact of the Month March 2019: There Are More Than 6,500 Fuel Cell Vehicles On the Road in the U.S." Energy.gov (in English). Retrieved 19 April 2021.
  21. ↑ "Alternative Fuels Data Center: Hydrogen Basics". afdc.energy.gov. Retrieved 19 April 2021.
  22. ↑ "Material Handling - Fuel Cell Solutions | Ballard Power". www.ballard.com. Retrieved 19 April 2021.
  23. ↑ Carmo, Marcelo; Fritz, David L.; Mergel, Jürgen; Stolten, Detlef (22 April 2013). "A comprehensive review on PEM water electrolysis". International Journal of Hydrogen Energy (in English). 38 (12): 4901–4934. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. ISSN 0360-3199.
  24. ↑ "Air Liquide invests in the world's largest membrane-based electrolyzer to develop its carbon-free hydrogen production". www.newswire.ca. Air Liquide. 25 February 2019. Retrieved 28 August 2020.
  25. ↑ [1], "PEM (proton exchange membrane) low-voltage electrolysis ozone generating device", issued 2011-05-16 


बाहरी कड़ियाँ


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