एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र की स्थायित्व को सीमित करने वाले प्रमुख कारक

हाल के वर्षों में, इस विषय पर शोध किया गया है।उच्च दक्षता, कम लागत वाले जल इलेक्ट्रोलाइज़रबड़े पैमाने पर हाइड्रोजन उत्पादन और उपयोग नवीकरणीय बिजली उत्पादन और ट्रांसमिशन प्रणालियों के लचीलेपन को बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि इस पर व्यापक ध्यान दिया गया है। वर्तमान में, हाइड्रोजन उत्पादन का सबसे आम तरीका मीथेन या अन्य हाइड्रोकार्बन के स्टीम रिफॉर्मिंग के माध्यम से है, लेकिन इस प्रक्रिया से महत्वपूर्ण कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन होता है। इसलिए,जल इलेक्ट्रोलाइजरजो हाइड्रोजन और ऑक्सीजन उत्पन्न करते हैंविद्युत रासायनिक जल विभाजनअनुसंधान का केन्द्र बन गया है।

उच्च तापमान परिचालन स्थितियों (700-950°C) के अंतर्गत,ठोस ऑक्साइड भाप इलेक्ट्रोलाइज़र (एसओईसी)प्रयोगशाला और पायलट पैमाने पर विकसित और सत्यापित किया गया है (चित्र 1 देखें)।एसओईसीउन्हें लगभग बिना किसी गतिज सीमा के अपेक्षाकृत कम सेल वोल्टेज पर संचालित करने की अनुमति देता है, जिससे लगभग 100% की प्राप्ति होती हैउच्च तापन मान (एचएचवी) इलेक्ट्रोलिसिस दक्षतालगभग 1 A/सेमी² की धारा घनत्व पर। हालाँकि, उच्च तापमान संचालन कई चुनौतियाँ भी लाता है, जैसे कि लंबा स्टार्टअप और शटडाउन समय, सेल घटकों के उच्च तापमान अंतर-प्रसार के कारण तेजी से गिरावट, और संक्षारण उत्पादों के कारण विषाक्तता, जिससेएसओईसीबाजार में तैनाती में कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है।

क्षारीय औरपीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र

प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वाटर इलेक्ट्रोलाइजर (पीईएमडब्लूईएस) उपयोगप्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (पीईएम)और इलेक्ट्रोड में आयनोमर्स, तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के बिना संचालन की अनुमति देते हैं। इस विन्यास में, एनोड और कैथोड दोनों गैर-छिद्रित के साथ सीधे संपर्क में होते हैंपीईएम, एक कॉम्पैक्ट सेल व्यवस्था (शून्य-अंतराल डिजाइन) बनाते हैं (चित्र 3 देखें)। यह डिजाइन सक्षम बनाता हैपीईएमडब्लूईएसलगभग 2 A/सेमी² की धारा घनत्व पर कार्य करना।

इसके अलावा, गैर-छिद्रित झिल्लीपीईएमडब्लूईएसका समर्थन करता हैविभेदक दबाव संचालन, जिससे कैथोड पर उच्च दबाव हाइड्रोजन उत्पादन और एनोड पर वायुमंडलीय दबाव ऑक्सीजन उत्पादन संभव हो जाता है। इससे हाइड्रोजन भंडारण के लिए द्वितीयक यांत्रिक संपीड़न की आवश्यकता कम हो जाती है। इन लाभों के बावजूद, इसकी उच्च लागतविद्युत उत्प्रेरक(जैसे इरीडियम ऑक्साइड और प्लैटिनम), और अम्लीय वातावरण में उपयोग किए जाने वाले संक्षारण-प्रतिरोधी करंट कलेक्टर और द्विध्रुवीय प्लेटें, बड़े पैमाने के सिस्टम के लिए सीमित कारक बन सकते हैं। यह विशेष रूप से सच है क्योंकि स्टैक का आकार बढ़ता है, और ये घटक समग्र सिस्टम लागत में महत्वपूर्ण रूप से योगदान करते हैं। दोनोंएडब्ल्यूईएसऔरपीईएमडब्लूईएसइन्हें परिपक्व प्रौद्योगिकियां माना जाता है और विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के आधार पर इन्हें व्यावसायिक रूप से तैनात किया गया है।

कम तापमान परिचालन स्थितियों (100°C से नीचे) पर,क्षारीय जल इलेक्ट्रोलाइज़र (एडब्ल्यूईएस)एक परिपक्व प्रौद्योगिकी है.एडब्ल्यूईएसयुक्त जलीय घोल का उपयोग करेंपोटेशियम हाइड्रॉक्साइड (कोह)तरल इलेक्ट्रोलाइट के रूप में और से सुसज्जित हैंछिद्रयुक्त विभाजक झिल्ली(चित्र 2 देखें)। के विकास पर व्यापक शोध की रिपोर्ट दी गई हैप्लैटिनम समूह धातु (पीजीएम) मुक्त इलेक्ट्रोकैटेलिस्टहाइड्रोजन और ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रियाओं के लिए (यानी,हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (एचईआर)औरऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (ओईआर)) वर्तमान शोध दिशा वर्तमान घनत्व या परिचालन दबाव को बढ़ाने के लिए शून्य-अंतराल विन्यास जैसे डिजाइनों पर केंद्रित है। हालाँकि,एडब्ल्यूईएसइनमें हाइड्रोजन उत्पादन दर अपेक्षाकृत कम होती है, आमतौर पर 1.8 V सेल वोल्टेज पर लगभग 200 एमए/सेमी²।

एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र संचालन सिद्धांत

एनियन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वाटर इलेक्ट्रोलाइजर्स (एईएमडब्लूईएस)क्षारीय वातावरण में काम कर सकते हैं और उपयोग कर सकते हैंप्लैटिनम समूह धातु (पीजीएम) मुक्त उत्प्रेरक. दआयन विनिमय झिल्ली (एईएम)यह एक गैर-छिद्रित हाइड्रोजन-ऑक्साइड चालक बहुलक है, जिसके मुख्य या पार्श्व श्रृंखलाओं पर स्थिर धनात्मक आवेशित कार्यात्मक समूह होते हैं, जो शून्य-अंतराल विन्यास और विभेदक दबाव संचालन को सक्षम बनाता है (चित्र 4 देखें)।

समग्र प्रतिक्रियाएईएमडब्लूईएसइसमें हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन (उसकी) और ऑक्सीजन इवोल्यूशन रिएक्शन (ओएर) शामिल हैं। पानी या क्षारीय तरल इलेक्ट्रोलाइट कैथोड के माध्यम से घूमता है, जहाँ दो इलेक्ट्रॉन (H₂O + 2e⁻ → H₂ + ओह⁻) जोड़कर पानी को हाइड्रोजन और हाइड्रॉक्साइड आयनों में कम किया जाता है। हाइड्रॉक्साइड आयन कैथोड के माध्यम से फैलते हैं।एईएमएनोड पर, जबकि इलेक्ट्रॉन बाहरी सर्किट के माध्यम से कैथोड में स्थानांतरित होते हैं। एनोड पर, हाइड्रॉक्साइड आयन ऑक्सीजन और पानी बनाने के लिए पुनर्संयोजित होते हैं, जिससे दो इलेक्ट्रॉन (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻) बनते हैं। हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैसें उसकी और ओएर उत्प्रेरक सतहों पर बुलबुले के रूप में बनती हैं।पीईएमडब्लूईएस, दगैर-छिद्रित झिल्लीशून्य-अंतर विन्यासएईएमडब्लूईएसयह उच्च गति से हाइड्रोजन उत्पादन की अनुमति देता है और हाइड्रोजन भंडारण के लिए यांत्रिक संपीड़न की आवश्यकता को कम करता है।

यह उल्लेखनीय है किएईएमडब्लूईएसके लाभों को संयोजित करेंएडब्ल्यूईएस(पीजीएम मुक्त उत्प्रेरक) औरपीईएमडब्लूईएस(शून्य-अंतराल विन्यास और गैर-छिद्रित झिल्ली)। दिलचस्प बात यह है कि इसके विपरीतपीईएमडब्लूईएस, जो विशेष रूप से बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करते हैं, कईएईएमडब्लूईएसतरल इलेक्ट्रोलाइट्स (जैसे कोह या K₂सीओ₃ समाधान) का भी उपयोग करते हैं।

हाल के मॉडलिंग अध्ययनों से पता चलता है कि तरल इलेक्ट्रोलाइट जोड़ने से न केवलओमिक प्रतिरोधझिल्ली और उत्प्रेरक परत की न केवल प्रतिक्रिया गतिजता में सुधार होता है। सेल में तरल इलेक्ट्रोलाइट जोड़ने से, उत्प्रेरक-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस पर स्थानीय पीएच बढ़ जाता है, जिससे एक अतिरिक्त विद्युत रासायनिक इंटरफ़ेस बनता है। औद्योगिकएईएमडब्लूईएससाथनिकल-आधारित उत्प्रेरक1 एम कोह घोल में 2 V वोल्टेज और 1.8 A/सेमी² धारा घनत्व पर हाइड्रोजन का उत्पादन होता है, जो पारंपरिक के बराबर प्रदर्शन प्राप्त करता हैपीईएमडब्लूईएसवायुमंडलीय दबाव पर। कम लागत के कारणउत्प्रेरकऔर हार्डवेयर, साथ ही लागू शून्य-अंतर कॉन्फ़िगरेशन और अंतर दबाव संचालन,एईएमडब्लूईएसहाइड्रोजन उत्पादन में लोगों की रुचि बढ़ रही है।

एईएम इलेक्ट्रोलाइजर की स्थायित्व संबंधी चुनौतियां

प्राथमिक तकनीकी चुनौतीएईएमडब्लूईएस(एनियन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वाटर इलेक्ट्रोलाइज़र) व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य प्रणालियों में उनका हैटिकाऊपन. स्थायित्वएईएमडब्लूईएसआम तौर पर डिवाइस के जीवनकाल को संदर्भित करता है।आओ चलेंविकास के दौरान, स्थायित्व को मापना अपेक्षाकृत आसान था क्योंकि सेल का जीवनकाल छोटा था (500 घंटे से कम)। हालाँकि, अधिक टिकाऊ होने के कारणएईएमडब्लूईएसविकसित हो जाने के कारण, उनका जीवनकाल मापना अधिक जटिल हो गया है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि एक सेल को 10,000 घंटे से अधिक चलाने में एक वर्ष से अधिक समय लगता है। इसलिए, इसकी स्थायित्वएईएमडब्लूईएसआमतौर पर लंबी अवधि के परीक्षणों (100-1000 घंटे) में वोल्टेज परिवर्तन दर को मापकर या त्वरित गिरावट की स्थिति (जैसे उच्च परिचालन तापमान और उच्च वर्तमान घनत्व) के तहत त्वरित तनाव परीक्षण (एएसटी) का उपयोग करके इसका आकलन किया जाता है। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि वोल्टेज परिवर्तन दरों का उपयोग करके दीर्घकालिक परीक्षण और एएसटी स्थितियों के तहत जीवनकाल परीक्षण स्थायित्व की सटीक भविष्यवाणी नहीं कर सकते हैं।एईएमडब्लूईएस, क्योंकि सेल का जीवनकाल कई गिरावट मोड से प्रभावित होता है और अक्सर भयावह विफलता से सीमित होता है। इस प्रकार, अपने वास्तविक जीवनकाल को प्राप्त करने के लिए सेल को सामान्य परिचालन स्थितियों के तहत लगातार चलाना आवश्यक है।

हालांकि वाणिज्यिक स्टैक का जीवनकालप्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन वाटर इलेक्ट्रोलाइजर (पीईएमडब्लूईएस)लगभग 20,000 से 60,000 घंटे तक, अधिकांश का रिपोर्ट किया गया जीवनकालएईएमडब्लूईएसलगभग 3,000 घंटे है। इसके अलावा, अधिकांशएईएमडब्लूईएसवायुमंडलीय दबाव की स्थिति में परीक्षण किया जाता है।