प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (पीईएम) ईंधन कोशिकाएंकार्बन शिखर और कार्बन तटस्थता प्राप्त करने के लिए सबसे आशाजनक प्रौद्योगिकियों में से हैं। हालांकि पीईएम ईंधन कोशिकाओं ने पिछले कुछ शताब्दियों में उतार-चढ़ाव का अनुभव किया है, वे वर्तमान में एक स्थायी समाज के निर्माण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। आज कापीईएम ईंधन कोशिकाएंपहले की पीढ़ियों की तुलना में काफी कम प्लैटिनम () लोडिंग प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, पहली पीढ़ी के टोयोटा मिराई ईंधन सेल (2017) की कुल लोडिंग, जो कि पहला व्यवसायिक ईंधन सेल वाहन था, केवल 0.365 ⁻² है, जो कि 1962 के पहले व्यावहारिक ईंधन सेल की तुलना में काफी कमी है, जिसमें 35 ⁻² की लोडिंग थी और इलेक्ट्रोलाइट के रूप में पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड घोल का उपयोग किया गया था। ईंधन कोशिकाओं में महत्वपूर्ण प्रगति न केवल उत्प्रेरक परतों के विकास के लिए बल्कि पारंपरिक एसिड/बेस समाधान इलेक्ट्रोलाइट्स को उन्नत परफ्लुओरोसल्फोनिक एसिड रेजिन (जैसे नेफियोन) के साथ बदलने के लिए भी जिम्मेदार है। 1970 के दशक में उनकी शुरुआत के बाद से,
पीईएम ईंधन कोशिकाएंधीरे-धीरे इनका व्यावसायिक उपयोग होने लगा है, जैसे कि वाहनों के लिए बिजली स्रोत के रूप में काम करना। टोयोटा, हुंडई और होंडा जैसी कंपनियों ने बाजार में ईंधन सेल वाहन लॉन्च किए हैं। हालाँकि,पीईएम ईंधन कोशिकाएंवर्तमान में आंतरिक दहन इंजन और बैटरी से प्रतिस्पर्धा का सामना करना पड़ रहा है, मुख्य रूप से उनकी उच्च लागत और कम जीवनकाल के कारण। इन चुनौतियों को दूर करने के लिए उन्नत सामग्री और विनिर्माण प्रौद्योगिकियों का विकास आवश्यक है। इस प्रगति के लिए व्यवसायों, विश्वविद्यालयों, अनुसंधान संस्थानों, ग्राहकों और सरकारों के बीच घनिष्ठ सहयोग की आवश्यकता है। इस प्रक्रिया में, मौलिक अनुसंधान को उच्च-प्रदर्शन और टिकाऊ एमईए विकसित करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए, जबकि औद्योगिक प्रयासों को प्रमुख सामग्रियों और घटकों के उत्पादन को बढ़ाने पर विचार करना चाहिए। वर्तमान में, उत्प्रेरक, आयनोमर्स, झिल्ली और गैस प्रसार परतों (जीडीएल) सहित एमईए के घटकों को औद्योगिक उत्पादन में सफलतापूर्वक लागू किया गया है। हालांकि, इन सामग्रियों को एमईए में एकीकृत करने से अक्सर महत्वपूर्ण प्रदर्शन नुकसान होता है। तकनीकी समुदाय ने घटकों की संगतता पर काफी ध्यान दिया है और इस समझ के आधार पर बेहतर एमईए विनिर्माण प्रक्रियाओं का विकास किया है।
2. झिल्ली इलेक्ट्रोड के लिए प्रमुख सामग्रियों में नवीनतम प्रगति
एमईए विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए मुख्य स्थल है और पीईएम ईंधन कोशिकाओं में एक मुख्य भूमिका निभाता है। एमईए में आम तौर पर छह मुख्य घटक होते हैं: उत्प्रेरक, आयनोमर, प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली, गैस प्रसार परतें (जीडीएल), चिपकने वाले पदार्थ और फ्रेम। एमईए के संचालन तंत्र को आंकड़ों में दर्शाया गया है। विद्युत ऊर्जा एनोड और कैथोड पर होने वाली स्वतंत्र रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के माध्यम से उत्पन्न होती है। इसलिए, इन रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की गतिजता का अध्ययन करना आवश्यक है, जिसके लिए प्रतिक्रिया गतिजता को तेज करने के लिए कुशल उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है। आम तौर पर, उत्प्रेरक उत्प्रेरक परत में काम करते हैं, जो जीडीएल और पीईएम के बीच स्थित होती है। उत्प्रेरक परत में प्रोटॉन स्थानांतरण की सुविधा के लिए और इसकी यांत्रिक शक्ति को बढ़ाने के लिए, प्रोटॉन-संवाहक गुणों वाले आयनोमर को लागू करने की आवश्यकता होती है। आयनोमर की संरचना आम तौर पर प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली से मेल खाती है, जो संचालन के दौरान हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के क्रॉसओवर को रोकते हुए एनोड से कैथोड तक तेजी से प्रोटॉन स्थानांतरण की अनुमति देती है। इसके अतिरिक्त, दोनों तरफ हाइड्रोफोबिक जीडीएल गैस वितरण और अतिरिक्त नमी को हटाने के लिए महत्वपूर्ण हैं, जो ईंधन कोशिकाओं में जल प्रबंधन के लिए आवश्यक है। ये सामग्रियाँ एमईए के मूल में हैं।
