पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली इलेक्ट्रोलिसिस

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली (पीईएम) इलेक्ट्रोलिसिस ठोस बहुलक इलेक्ट्रोलाइट (एसपीई) से लैस सेल में पानी का इलेक्ट्रोलिसिस है। जो प्रोटॉन के चालन, उत्पाद गैसों को भिन्न करने एवं इलेक्ट्रोड के विद्युत इन्सुलेशन के लिए उत्तरदायी है। पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र को आंशिक भार, अल्प वर्तमान घनत्व, एवं अल्प दबाव के संचालन के मुद्दों को दूर करने के लिए प्रस्तावित किया गया था जो वर्तमान में क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र को चिंतित कर रहा है। इसमें प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली सम्मिलित है।

ऊर्जा वाहक के रूप में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए पानी का इलेक्ट्रोलिसिस महत्वपूर्ण प्रौद्यौगिकी है। तेजी से गतिशील प्रतिक्रिया समय, बड़ी परिचालन रेंज एवं उच्च दक्षता के साथ, जल इलेक्ट्रोलिसिस नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के साथ मिलकर ऊर्जा भंडारण के लिए प्रत्याशित प्रौद्यौगिकी है। स्थिरता एवं पर्यावरणीय प्रभाव के संदर्भ में, पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस को उच्च शुद्धता एवं कुशल हाइड्रोजन उत्पादन के लिए प्रत्याशित प्रौद्यौगिकी माना जाता है क्योंकि यह बिना किसी कार्बन उत्सर्जन के उप-उत्पाद के रूप में केवल ऑक्सीजन का उत्सर्जन करता है।

इतिहास

इलेक्ट्रोलिसिस के लिए पीईएम का उपयोग प्रथम 1960 के दशक में जनरल इलेक्ट्रिक द्वारा प्रस्तावित किया गया था, जिसे क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस प्रौद्यौगिकी की कमियों को दूर करने के लिए विकसित किया गया था। प्रारंभिक प्रदर्शन 1.0 A/cm² 1.88 V पर जो उस समय की क्षारीय इलेक्ट्रोलिसिस प्रौद्यौगिकी की उपेक्षा में अधिक कुशल थी। 1970 के दशक के अंत में क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र 0.215 A/cm, 2.06 V के समीप प्रदर्शन रिपोर्ट कर रहे थे। इस प्रकार 1970 के दशक के अंत एवं 1980 के दशक की प्रारम्भ में पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के लिए पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स में रुचि उत्पन होती है। पीईएम जल इलेक्ट्रोलिसिस प्रौद्यौगिकी पीईएम ईंधन सेल प्रौद्योगिकी के समान है, जहां ठोस पॉली-सल्फोनेटेड झिल्ली, जैसे नेफियन, फ्यूमपेम, को इलेक्ट्रोलाइट (प्रोटॉन कंडक्टर) 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 जाती है।

लाभ

पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस के सबसे बड़ा लाभ इसकी उच्च वर्तमान घनत्व पर कार्य करने की क्षमता है।इसके परिणामस्वरूप अल्प परिचालन लागत हो सकती है, विशेष रूप से पवन एवं जैसे अधिक गतिशील ऊर्जा स्रोतों के साथ युग्मित प्रणालियों के लिए, जहां ऊर्जा इनपुट में स्पाइक्स अन्यथा अप्रयुक्त ऊर्जा का परिणाम होगा। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र को अधिक पतली झिल्ली (~100-200 μm) के साथ संचालित करने की अनुमति देता है, परन्तु अभी भी उच्च दबाव की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप अल्प हानि होती है, मुख्य रूप से झिल्ली (0.1 S/cm) में प्रोटॉन के चालन के संकुचित हाइड्रोजन उत्पादन होता है।बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली, इसकी ठोस संरचना के कारण, अल्प गैस क्रॉसओवर दर प्रदर्शित करता है जिसके परिणामस्वरूप अधिक उत्पाद गैस शुद्धता होती है।भंडारण सुरक्षा एवं 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

इलेक्ट्रोलाइज़र विद्युत एवं पानी को हाइड्रोजन एवं ऑक्सीजन में परिवर्तित करने के लिए विद्युत रासायनिक उपकरण है, इन गैसों को उपयोग के लिए ऊर्जा को एकत्रित करने के साधन के रूप में उपयोग किया जा सकता है। यह उपयोग विद्युत ग्रिड स्थिरीकरण से गतिशील विद्युत स्रोतों जैसे पवन टर्बाइनों एवं सौर कोशिकाओं से लेकर ईंधन सेल वाहनों के लिए ईंधन के रूप में स्थानीयकृत हाइड्रोजन उत्पादन तक हो सकता है। पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र प्रोटॉन विनिमय झिल्ली है। सॉलिड पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट (एसपीई) का उपयोग करता है, जो इलेक्ट्रोड को विद्युत रूप से इन्सुलेट करते हुए एनोड से कैथोड तक प्रोटॉन का संचालन करता है। मानक परिस्थितियों में पानी के अपघटन के लिए आवश्यक गठन की मानक तापीय धारिता 285.9 kJ/mol है। निरंतर इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक ऊर्जा का भाग तापीय ऊर्जा द्वारा आपूर्ति की जाती है एवं शेष विद्युत ऊर्जा के माध्यम से आपूर्ति की जाती है।

प्रतिक्रियाएं

ऑपरेटिंग इलेक्ट्रोलाइज़र के ओपन सर्किट वोल्टेज का वास्तविक मूल्य 1.23 V एवं 1.48 V के मध्य होगा, जो इस बात पर निर्भर करता है कि सेल/स्टैक डिज़ाइन थर्मल ऊर्जा इनपुट का उपयोग कैसे करता है। चूँकि यह निर्धारित करना या मापना जटिल है क्योंकि ऑपरेटिंग इलेक्ट्रोलाइज़र भी आंतरिक विद्युत प्रतिरोधों, प्रोटॉन चालकता, सेल के माध्यम से बड़े स्तर पर परिवहन एवं उत्प्रेरक उपयोग से वोल्टेज हानि का अनुभव करता है।

एनोड प्रतिक्रिया

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

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

कैथोड प्रतिक्रिया

पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर के कैथोड पक्ष पर होने वाली आधी प्रतिक्रिया को सामान्यतः हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (एचईआर) के रूप में जाना जाता है। जहाँ आपूर्ति किए गए इलेक्ट्रॉनों एवं 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 पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस कैसे कार्य करता है, इसका सरलीकरण प्रदर्शित किया गया है, जिसमें पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर की पूर्ण प्रतिक्रिया के साथ-साथ व्यक्तिगत अर्ध-प्रतिक्रियाओं को प्रदर्शित किया गया है। इस विषय में हाइड्रोजन उत्पादन के लिए इलेक्ट्रोलाइज़र को सौर पैनल के साथ जोड़ा जाता है, चूँकि सौर पैनल को विद्युत के किसी भी स्रोत से परिवर्तित किया जा सकता है।

पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर सेल का आरेख एवं संचालन के मूल सिद्धांत है।

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

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

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

जहाँ $\Delta G$ प्रतिक्रिया की गिब्स मुक्त ऊर्जा है, $T$ प्रतिक्रिया का तापमान है एवं $\Delta S$ प्रणाली की एन्ट्रापी में परिवर्तन होता 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 प्रदर्शित किए गए थर्मल एवं इलेक्ट्रिकल इनपुट इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए विद्युत द्वारा आपूर्ति की जाने 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 जाती है।

ओपन सर्किट वोल्टेज (ओसीवी)

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

जहाँ $n$ इलेक्ट्रॉनों की संख्या है एवं $F$ फैराडे स्थिरांक है। सेल वोल्टेज की गणना यह मानते हुए कि कोई अपरिवर्तनीयता सम्मिलित नहीं है एवं प्रतिक्रिया द्वारा उपयोग की जाने वाली सभी तापीय ऊर्जा को निम्न ताप मान (एलएचवी) कहा जाता है। उच्च ताप मान (एचएचवी) का उपयोग करते हुए वैकल्पिक सूत्रीकरण की गणना यह मानते हुए की जाती है कि इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया को प्रारम्भ करने 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।

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

वोल्टेजहानि

इलेक्ट्रोलिसिस कोशिकाओं का प्रदर्शन, ईंधन कोशिकाओं के जैसे, सामान्यतः ध्रुवीकरण घटता के माध्यम से उपेक्षा की जाती है, जो वर्तमान घनत्व के विरुद्ध सेल वोल्टेज की योजना करने से प्राप्त होती है। पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर में बढ़े हुए वोल्टेज के प्राथमिक स्रोत (पीईएम ईंधन सेल) को तीन मुख्य क्षेत्रों में वर्गीकृत किया जा सकता है, ओमिकहानि, अत्यधिक क्षमता एवं बड़े पैमाने पर परिवहन हानि होती है। पीईएम ईंधन सेल एवं पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर के मध्य संचालन के उत्क्रमण के कारण, इन विभिन्नहानिों के लिए प्रभाव की डिग्री दो प्रक्रियाओं के मध्य भिन्न होती है।

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

पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस प्रणाली के प्रदर्शन की उपेक्षा सेल करंट डेंसिटी के प्रति ओवरपोटेंशियल की योजना की जा सकती है। यह अनिवार्य रूप से वक्र में परिणत होता है जो हाइड्रोजन एवं ऑक्सीजन का उत्पादन करने के लिए आवश्यक सेल क्षेत्र के प्रति वर्ग सेंटीमीटर की शक्ति का प्रतिनिधित्व करता है। पीईएम ईंधन सेल के विपरीत, पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र जितना उत्तम होगा, दिए गए वर्तमान घनत्व पर इलेक्ट्रोड क्षमता उतनी ही अल्प होगी। थर्मोन्यूट्रल ऑपरेशन के अंतर्गत एकल सेल पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र वोल्टेज हानि के प्राथमिक स्रोतों एवं वर्तमान घनत्व की सीमा के लिए उनके योगदान को प्रदर्शित करता है।

फ़ाइल:पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस लॉस ब्रेकडाउन पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस सेल ऑपरेशन के लिए उत्तरदायी विभिन्न हानि को प्रदर्शित करने वाला ध्रुवीकरण वक्र है।

ओमिक हानियाँ

ओमिकहानि सेल घटकों के आंतरिक प्रतिरोध द्वारा इलेक्ट्रोलीज़ प्रक्रिया के लिए विद्युत अतिपरासारी है। इस हानि के लिए इलेक्ट्रोलिसिस प्रतिक्रिया को बनाए रखने के लिए अतिरिक्त वोल्टेज की आवश्यकता होती है, इस हानि की भविष्यवाणी ओम कानून का पालन करती है। ओम का नियम एवं ऑपरेटिंग इलेक्ट्रोलाइज़र के वर्तमान घनत्व के लिए रैखिक संबंध रखता है।

$V=I\cdot R$

विद्युत प्रतिरोध के कारण ऊर्जा हानि पूर्ण रूप से नष्ट नहीं हुई है। प्रतिरोधकता के कारण वोल्टेज की अल्पी जूल हीटिंग के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया के माध्यम से विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तन करने से सम्बन्धित है। इस ऊष्मा ऊर्जा का अधिकांश भाग अभिकारक जल आपूर्ति के साथ दूर हो जाता है एवं पर्यावरण में विलुप्त हो जाता है, चूँकि इस ऊर्जा का अल्प भाग इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया में ऊष्मा ऊर्जा के रूप में पुनः प्राप्त किया जाता है। ऊष्मा ऊर्जा की मात्रा जिसे पुनः प्राप्त किया जा सकता है, प्रणाली संचालन एवं सेल डिज़ाइन के कई परिस्थितियों पर निर्भर है।

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

प्रोटॉन के चालन के कारण ओमिकहानि दक्षता के हानि में योगदान देता है जो ओम कानून का पालन करता है, चूँकि जौल हीटिंग प्रभाव के आभाव में हो जाता है। प्रोटॉन विनिमय झिल्ली की प्रोटॉन चालकता झिल्ली के जलयोजन, तापमान, ताप उपचार एवं आयनिक अवस्था पर अधिक निर्भर करती है।

फैराडिकहानि एवं क्रॉसओवर

फैराडिकहानि उन दक्षताहानिों का वर्णन करते हैं जो वर्तमान से संबंधित हैं, जो कि कैथोडिक गैस आउटलेट पर हाइड्रोजन के बिना आपूर्ति की जाती है। उत्पादित हाइड्रोजन एवं 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 जाती है। एनोड पर, हाइड्रोजन एवं ऑक्सीजन इरिडियम ऑक्साइड उत्प्रेरक पर प्रतिक्रिया नहीं करते है।इस प्रकार, ऑक्सीजन में विस्फोटक एनोडिक मिश्रण हाइड्रोजन के कारण खतरे हो सकते हैं। हाइड्रोजन उत्पादन के लिए आपूर्ति की गई ऊर्जा विलुप्त हो जाती है, जब कैथोड पर ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया के कारण हाइड्रोजन विलुप्त हो जाता है एवं झिल्ली से एनोड तक कैथोड से पारगम्यता मिलती है। इसलिए, विलुप्त एवं उत्पादित हाइड्रोजन की मात्रा का अनुपात फैराडिकहानि को निर्धारित करता है। इलेक्ट्रोलाइज़र के दबाव वाले संचालन में, क्रॉसओवर एवं सहसंबद्ध फैराडिक दक्षता हानियों में वृद्धि होती है।

जल इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान हाइड्रोजन संपीड़न

दाबित इलेक्ट्रोलिसिस के कारण हाइड्रोजन का विकास समतापीय संपीड़न प्रक्रिया के समान है, जो दक्षता के विषय में यांत्रिक समस्थानिक संपीड़न की उपेक्षा में उत्तम है।चूँकि, ऑपरेटिंग दबावों के साथ उपरोक्त फैराडिकहानि का योगदान बढ़ता है। इस प्रकार, संपीड़ित हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए, इलेक्ट्रोलिसिस के समय इन-सीटू संपीड़न एवं गैस के पश्चात के संपीड़न को दक्षता संबंधी विचारों के अंतर्गत विचार करना होता है।

प्रणाली ऑपरेशन

पीईएम उच्च दबाव इलेक्ट्रोलाइज़र प्रणाली

पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर अत्यधिक गतिशील परिस्थितियों में, पार्ट-लोड एवं ओवरलोड स्थितियों में कार्य करने की क्षमता इस प्रौद्यौगिकी में नवीनीकृत रुचि का कारण है। विद्युत ग्रिड की आवश्यकता अपेक्षाकृत स्थिर एवं पूर्वानुमेय होती है, चूँकि जब इन्हें पवन एवं सौर जैसे ऊर्जा स्रोतों से जोड़ा जाता है, तो ग्रिड की मांग कभी अक्षय ऊर्जा के उत्पादन से मिलती है। इसका तात्पर्य है कि बफर या ऑफ-पीक ऊर्जा के भंडारण के माध्यम से पवन एवं सौर लाभ जैसे नवीकरणीय स्रोतों से उत्पादित ऊर्जा है। As of 2021, सबसे बड़ा पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर 20 मेगावाट है।

पीईएम दक्षता

पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस की विद्युत दक्षता का निर्धारण करते समय, एचएचवी का उपयोग किया जा सकता है। इसका कारण यह है क्योंकि उत्प्रेरक परत पानी के साथ भाप के रूप में संपर्क करती है। चूंकि पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए प्रक्रिया 80 डिग्री सेल्सियस पर संचालित होती है, अपशिष्ट गर्मी को भाप बनाने के लिए प्रणाली के माध्यम से पुनर्निर्देशित किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च समग्र विद्युत दक्षता होती है। एलएचवी का उपयोग क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए किया जाना चाहिए क्योंकि इन इलेक्ट्रोलाइज़र के अंदर प्रक्रिया के लिए तरल रूप में पानी की आवश्यकता होती है एवं हाइड्रोजन एवं ऑक्सीजन परमाणुओं को साथ रखने वाले बंधन को तोड़ने की सुविधा के लिए क्षारीयता का उपयोग करता है। अल्प ताप मान का उपयोग ईंधन कोशिकाओं के लिए भी किया जाना चाहिए, क्योंकि भाप इनपुट के अतिरिक्त आउटपुट है।

प्रतिक्रिया को प्रारम्भ के लिए उपयोग की जाने वाली विद्युत की प्रति यूनिट हाइड्रोजन के उत्पादन के संदर्भ में, पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस में कार्य करने वाले अनुप्रयोग में लगभग 80% की विद्युत दक्षता है। पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस की दक्षता 82-86% तक पहुंचने की उम्मीद है 2030 से पूर्व, इस क्षेत्र में प्रगति के रूप में स्थायित्व बनाए रखते हुए भी गति से निरन्तरित है।

यह भी देखें

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