प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली ईंधन सेल

प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली फ्यूल सेल (PEMFC), जिसे पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट मेम्ब्रेन (PEM) फ्यूल सेल के रूप में भी जाना जाता है, मुख्य रूप से परिवहन अनुप्रयोगों के साथ-साथ स्थिर ईंधन-सेल अनुप्रयोग और पोर्टेबल ईंधन-सेल अनुप्रयोगों के लिए विकसित किए जा रहे ईंधन सेल का एक प्रकार है।. उनकी विशिष्ट विशेषताओं में कम तापमान/दबाव रेंज (50 से 100 डिग्री सेल्सियस) और एक विशेष प्रोटॉन-संचालन बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली शामिल हैं। पीईएमएफसी बिजली उत्पन्न करते हैं और पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस के विपरीत सिद्धांत पर काम करते हैं, जो बिजली की खपत करता है। वे उम्र बढ़ने वाली क्षारीय ईंधन सेल प्रौद्योगिकी को बदलने के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार हैं, जिसका उपयोग अंतरिक्ष शटल में किया गया था।

विज्ञान
PEMFC झिल्ली इलेक्ट्रोड विधानसभा (MEA) से निर्मित होते हैं जिसमें इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोलाइट, उत्प्रेरक और गैस प्रसार परतें शामिल होती हैं। ठोस इलेक्ट्रोलाइट पर उत्प्रेरक, कार्बन और इलेक्ट्रोड की एक स्याही का छिड़काव या पेंट किया जाता है और कार्बन पेपर को सेल के अंदर की सुरक्षा के लिए दोनों तरफ गर्म दबाया जाता है और इलेक्ट्रोड के रूप में भी कार्य करता है। सेल का मुख्य भाग ट्रिपल फेज बाउंड्री (टीपीबी) है जहां इलेक्ट्रोलाइट, उत्प्रेरक और अभिकारक मिश्रित होते हैं और इस प्रकार जहां सेल प्रतिक्रियाएं वास्तव में होती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, झिल्ली विद्युत प्रवाहकीय नहीं होनी चाहिए ताकि आधी प्रतिक्रियाएँ मिश्रित न हों। 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर ऑपरेटिंग तापमान वांछित हैं [उद्धरण वांछित] इसलिए जल उपोत्पाद भाप बन जाता है और सेल डिजाइन में जल प्रबंधन कम महत्वपूर्ण हो जाता है।

प्रतिक्रियाएं
एक प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान मुक्त रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है, जैसा कितापीय ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैसों के प्रत्यक्ष दहन के विपरीत होता है।

विदेश मंत्रालय के एनोड की ओर हाइड्रोजन की एक धारा पहुंचाई जाती है। एनोड की ओर यह उत्प्रेरक रूप से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन में विभाजित हो जाता है। यह ऑक्सीकरण आधा सेल प्रतिक्रिया या हाइड्रोजन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया (HOR) द्वारा दर्शाया गया है:

एनोड पर: नवगठित प्रोटॉन बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली के माध्यम से कैथोड पक्ष में प्रवेश करते हैं। इलेक्ट्रॉन बाहरी लोड सर्किट के साथ विदेश मंत्रालय के कैथोड की ओर यात्रा करते हैं, इस प्रकार ईंधन सेल का वर्तमान आउटपुट बनाते हैं। इस बीच, विदेश मंत्रालय के कैथोड की ओर ऑक्सीजन की एक धारा पहुंचाई जाती है। कैथोड की तरफ ऑक्सीजन के अणु बहुलक इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली के माध्यम से प्रवेश करने वाले प्रोटॉन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं और पानी के अणु बनाने के लिए बाहरी सर्किट के माध्यम से आने वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। यह कमी आधा सेल प्रतिक्रिया या ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (ओआरआर) द्वारा दर्शाया गया है:

कैथोड पर: कुल प्रतिक्रिया: प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया समीकरण में व्यक्त की जाती है और ऑक्सीजन अणु के साथ हाइड्रोजन प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के पुनर्संयोजन और एक पानी के अणु के गठन को दर्शाती है। प्रत्येक मामले में क्षमता मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के संबंध में दी गई है।

पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली
कार्य करने के लिए, झिल्ली को हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) का संचालन करना चाहिए, लेकिन इलेक्ट्रॉनों का नहीं क्योंकि इससे ईंधन सेलशार्ट सर्किट हो जाएगा। झिल्ली को किसी भी गैस को कोशिका के दूसरी ओर जाने की अनुमति नहीं देनी चाहिए, इस समस्या को गैस क्रॉसओवर के रूप में जाना जाता है। अंत में, झिल्ली को कैथोड पर कम करने वाले वातावरण के साथ-साथ एनोड पर कठोर ऑक्सीडेटिव वातावरण के लिए प्रतिरोधी होना चाहिए।

प्लैटिनम उत्प्रेरक का उपयोग करके हाइड्रोजन अणुका विभाजन अपेक्षाकृत आसान है। दुर्भाग्य से, हालांकि, ऑक्सीजन अणु को विभाजित करना अधिक कठिन होता है, और इससे बिजली के महत्वपूर्ण नुकसान होते हैं। इस प्रक्रिया के लिए उपयुक्त उत्प्रेरक सामग्री की खोज नहीं की गई है, और प्लेटिनम सबसे अच्छा विकल्प है।

ताकत
1. आसान सीलिंग

PEMFC में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में एक पतली, बहुलक झिल्ली होती है। यह झिल्ली एनोड और कैथोड उत्प्रेरक के बीच स्थित है और इलेक्ट्रॉनों के मार्ग को प्रतिबंधित करते हुए प्रोटॉन के पारित होने को कैथोड तक जाने की अनुमति देता है। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में, एक बहुलक झिल्ली में रिसाव की संभावना बहुत कम होती है [2]। प्रोटॉन-एक्सचेंज मेम्ब्रेन आमतौर पर पेरफ्लुओरोसल्फ़ोनिक एसिड (PSFA) या नेफियन जैसी सामग्रियों से बना होता है, जो गैस क्रॉसओवर और ईंधन सेल के शॉर्ट सर्किटिंग को कम करता है।

2. कम परिचालन तापमान

चरम उप-ठंड की स्थिति में, ईंधन कोशिकाओं द्वारा उत्पादित पानी झरझरा परतों और प्रवाह चैनलों में जम सकता है। यह बर्फ़ीला पानी गैस और ईंधन परिवहन को अवरुद्ध कर सकता है और साथ ही उत्प्रेरक प्रतिक्रिया साइटों को कवर कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप आउटपुट पावर का नुकसान होता है और ईंधन सेल की स्टार्ट-अप विफलता होती है।

हालांकि, पीईएम ईंधन सेल का कम ऑपरेटिंग तापमान इसे अन्य प्रकार के ईंधन कोशिकाओं की तुलना में कम हीटिंग के साथ उपयुक्त तापमान तक पहुंचने की अनुमति देता है। इस दृष्टिकोण के साथ, पीईएम ईंधन कोशिकाओं को -20 डिग्री सेल्सियस से कोल्ड स्टार्ट प्रक्रियाओं में सक्षम दिखाया गया है।

3. प्रकाश द्रव्यमान और उच्च शक्ति घनत्व (परिवहन अनुप्रयोग)

PEM ईंधन सेल को ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल के लिए 2.5 kW/kg की तुलना में 39.7 kW/kg तक उच्च ऊर्जा घनत्व में सक्षम दिखाया गया है। इस उच्च शक्ति घनत्व के कारण, परिवहन के साथ-साथ पहनने योग्य प्रौद्योगिकी में संभावित अनुप्रयोगों पर काफी शोध किया जा रहा है।

कमजोरियां
पीईएम पर आधारित ईंधन सेल में अभी भी कई मुद्दे हैं:

1. जल प्रबंधन

प्रदर्शन के लिए जल प्रबंधन महत्वपूर्ण है: यदि पानी को बहुत धीरे-धीरे वाष्पित किया जाता है, तो यह झिल्ली को भर देगा और फील्ड फ्लो प्लेट के अंदर पानी का संचय ऑक्सीजन के प्रवाह को ईंधन सेल में बाधित कर देगा, लेकिन अगर पानी बहुत तेजी से वाष्पित हो जाता है, तो झिल्ली सूख जाता है और इसके आर-पार प्रतिरोध बढ़ जाता है। दोनों मामलों में स्थिरता और बिजली उत्पादन को नुकसान होगा। पीईएम सिस्टम में जल प्रबंधन एक बहुत ही कठिन विषय है, मुख्यतः क्योंकि झिल्ली में पानी ध्रुवीकरण के माध्यम से कोशिका के कैथोड की ओर आकर्षित होता है।

पानी के प्रबंधन के लिए एक इलेक्ट्रोस्मोटिक पंप के एकीकरण सहित कई प्रकार के समाधान मौजूद हैं।

वाटर रीसर्क्युलेशन समस्या को हल करने के लिए एक और अभिनव तरीका टोयोटा मिराई, 2014 में इस्तेमाल किया गया 3डी फाइन मेश फ्लो फील्ड डिजाइन है। एफसी स्टैक का पारंपरिक डिजाइन एक सीधे चैनल और झरझरा धातु के साथ ह्यूमिडिफायर के माध्यम से एयर आउटलेट से एयर इनलेट तक पानी को रीसर्क्युलेट करता है। प्रवाह क्षेत्र[54]। प्रवाह क्षेत्र एक रिब और चैनलों से बना एक संरचना है। हालाँकि, रिब आंशिक रूप से गैस प्रसार परत (GDL) को कवर करता है और परिणामी गैस-परिवहन दूरी अंतर-चैनल दूरी से अधिक है। इसके अलावा, जीडीएल और रिब के बीच संपर्क दबाव भी जीडीएल को संकुचित करता है, जिससे रिब और चैनल में इसकी मोटाई असमान हो जाती है [55]। पसली की बड़ी चौड़ाई और गैर-समान मोटाई जल वाष्प के जमा होने की संभावना को बढ़ाएगी और ऑक्सीजन से समझौता किया जाएगा। नतीजतन, ऑक्सीजन को उत्प्रेरक परत में फैलाने के लिए बाधित किया जाएगा, जिससे एफसी में गैर-समान बिजली उत्पादन होगा।

इस नए डिजाइन ने पहले एफसी स्टैक को आर्द्रीकरण प्रणाली के बिना काम करने में सक्षम बनाया, इस बीच पानी के पुनरावर्तन के मुद्दों पर काबू पाया और उच्च शक्ति उत्पादन स्थिरता प्राप्त की[54]। 3डी माइक्रो जाली गैस प्रवाह के लिए अधिक रास्ते की अनुमति देती है; इसलिए, यह झिल्ली इलेक्ट्रोड और गैस प्रसार परत असेंबली (MEGA) की ओर वायु प्रवाह को बढ़ावा देता है और उत्प्रेरक परत को O2 प्रसार को बढ़ावा देता है। पारंपरिक प्रवाह क्षेत्रों के विपरीत, जटिल क्षेत्र में 3डी माइक्रो-जाली, जो जीडीएल और प्रवाह-क्षेत्रों[53]के बीच बार-बार माइक्रो-स्केल इंटरफेशियल फ्लक्स के रूप में कार्य करते हैं और प्रेरित करते हैं। इस दोहराए जाने वाले सूक्ष्म पैमाने के संवहन प्रवाह के कारण, उत्प्रेरक परत (सीएल) के लिए ऑक्सीजन परिवहन और जीडीएल से तरल पानी हटाने में काफी वृद्धि हुई है। छिद्रों के भीतर संचय को रोकते हुए उत्पन्न पानी को प्रवाह क्षेत्र के माध्यम से जल्दी से बाहर निकाला जाता है। नतीजतन, इस प्रवाह क्षेत्र से बिजली उत्पादन पूरे क्रॉस-सेक्शन में समान है और स्व-आर्द्रीकरण सक्षम है।

2. उत्प्रेरक की भेद्यता

झिल्ली पर प्लैटिनम उत्प्रेरक कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा आसानी से जहरीला हो जाता है, जो अक्सर मीथेन सुधार द्वारा निर्मित उत्पाद गैसों में मौजूद होता है (प्रति मिलियन एक से अधिक भाग आमतौर पर स्वीकार्य नहीं होता है)। यह आम तौर पर उत्पाद गैसों से सीओ को खत्म करने और अधिक हाइड्रोजन बनाने के लिए जल गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया के उपयोग की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, झिल्ली धातु आयनों की उपस्थिति के प्रति संवेदनशील है, जो प्रोटॉन चालन तंत्र को ख़राब कर सकता है और धातु द्विध्रुवी प्लेटों के क्षरण, ईंधन सेल प्रणाली में धातु के घटकों या ईंधन/ऑक्सीडेंट में दूषित पदार्थों से पेश किया जा सकता है।

डेमलर क्रिसलर नेकर 5 के रूप में पीईएम सिस्टम जो संशोधित मेथनॉल का उपयोग करते हैं, प्रस्तावित किए गए थे; मेथनॉल में सुधार, यानी इसे हाइड्रोजन प्राप्त करने के लिए प्रतिक्रिया करना, हालांकि एक बहुत ही जटिल प्रक्रिया है, जिसके लिए कार्बन मोनोऑक्साइड से शुद्धिकरण की भी आवश्यकता होती है। एक प्लेटिनम-रूथेनियम उत्प्रेरक आवश्यक है क्योंकि कुछ कार्बन मोनोऑक्साइड अनिवार्य रूप से झिल्ली तक पहुंच जाएगी। स्तर 10 भागों प्रति मिलियन से अधिक नहीं होना चाहिए। इसके अलावा, ऐसे सुधारक रिएक्टर का स्टार्ट-अप समय लगभग आधे घंटे का होता है। वैकल्पिक रूप से, मेथनॉल, और कुछ अन्य जैव ईंधन को सुधार किए बिना सीधे PEM ईंधन सेल में डाला जा सकता है, इस प्रकार एक प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल (DMFC) बनाया जा सकता है। ये उपकरण सीमित सफलता के साथ काम करते हैं।

3. ऑपरेटिंग तापमान की सीमा

सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली झिल्ली केमोरस द्वारा नेफियन है, जो प्रोटॉन के परिवहन के लिए झिल्ली के तरल पानी के आर्द्रीकरण पर निर्भर करती है। इसका तात्पर्य है कि 80 से 90 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान का उपयोग करना संभव नहीं है, क्योंकि झिल्ली सूख जाएगी। पॉलीबेन्ज़िमिडाज़ोल फाइबर(पीबीआई) या फॉस्फोरिक-एसिड ईंधन सेल पर आधारित अधिक हालिया झिल्ली प्रकार, किसी भी जल प्रबंधन का उपयोग किए बिना 220 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकते हैं (उच्च तापमान प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन ईंधन सेल, एचटी-पीईएमएफसी भी देखें): उच्च तापमान बेहतर के लिए अनुमति देता है दक्षता, बिजली घनत्व, ठंडा करने में आसानी (बड़े स्वीकार्य तापमान अंतर के कारण), कार्बन मोनोऑक्साइड विषाक्तता के प्रति कम संवेदनशीलता और बेहतर नियंत्रणीयता (झिल्ली में जल प्रबंधन के मुद्दों की अनुपस्थिति के कारण); हालाँकि, ये हाल के प्रकार उतने सामान्य नहीं हैं। PBI को फॉस्फोरिक या सल्फ्यूरिक एसिड से डोप किया जा सकता है और डोपिंग की मात्रा और तापमान के साथ कंडक्टिविटी स्केल। उच्च तापमान पर, Nafion को हाइड्रेटेड रखना मुश्किल है, लेकिन यह एसिड डोप्ड सामग्री प्रोटॉन चालन के लिए एक माध्यम के रूप में पानी का उपयोग नहीं करती है। यह नेफियन की तुलना में बेहतर यांत्रिक गुणों, उच्च शक्ति को भी प्रदर्शित करता है और सस्ता है। हालांकि, एसिड लीचिंग एक महत्वपूर्ण मुद्दा है और स्याही बनाने के लिए उत्प्रेरक के साथ मिश्रण करना मुश्किल साबित हुआ है। PEEK जैसे सुगंधित पॉलिमर, Teflon (PTFE और Nafion की रीढ़) की तुलना में बहुत सस्ते हैं और उनके ध्रुवीय चरित्र से जलयोजन होता है जो Nafion की तुलना में कम तापमान पर निर्भर होता है। हालांकि, PEEK, Nafion की तुलना में बहुत कम आयनिक प्रवाहकीय है और इस प्रकार एक कम अनुकूल इलेक्ट्रोलाइट विकल्प है। हाल ही में, उच्च तापमान (100-200 डिग्री सेल्सियस) पीईएमएफसी के लिए प्रोटिक आयनिक तरल पदार्थ और प्रोटिक कार्बनिक आयनिक प्लास्टिक क्रिस्टल को आशाजनक वैकल्पिक इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के रूप में दिखाया गया है।

इलेक्ट्रोड
एक इलेक्ट्रोड में आमतौर पर कार्बन सपोर्ट, Pt कण, Nafion ionomer और/या Teflon बाइंडर होते हैं। कार्बन सपोर्ट विद्युत कंडक्टर के रूप में कार्य करता है; पीटी कण प्रतिक्रिया स्थल हैं; आयनोमर प्रोटॉन चालन के लिए पथ प्रदान करता है, और टेफ्लॉन बाइंडर संभावित बाढ़ को कम करने के लिए इलेक्ट्रोड की हाइड्रोफोबिसिटी को बढ़ाता है। इलेक्ट्रोड पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्षम करने के लिए, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और प्रतिक्रियाशील गैसों (हाइड्रोजन या ऑक्सीजन) को इलेक्ट्रोड में उत्प्रेरक की सतह तक पहुंच प्राप्त करनी चाहिए, जबकि उत्पाद पानी, जो तरल या गैसीय चरण में हो सकता है, या दोनों चरणों को उत्प्रेरक से गैस आउटलेट तक रिसने में सक्षम होना चाहिए। इन गुणों को आमतौर पर पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट बाइंडर (आयनोमर) के झरझरा कंपोजिट और कार्बन कणों पर समर्थित उत्प्रेरक नैनोकणों द्वारा महसूस किया जाता है। आमतौर पर प्लैटिनम का उपयोग एनोड और कैथोड पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में किया जाता है, जबकि नैनोपार्टिकल्स महंगे प्लैटिनम की मात्रा को कम करने के लिए उच्च सतह से वजन अनुपात (जैसा कि नीचे वर्णित है) का एहसास करते हैं। पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट बाइंडर आयनिक चालकता प्रदान करता है, जबकि उत्प्रेरक का कार्बन समर्थन विद्युत चालकता में सुधार करता है और कम प्लेटिनम धातु लोडिंग को सक्षम बनाता है। समग्र इलेक्ट्रोड में विद्युत चालकता आमतौर पर प्रोटॉन चालकता से 40 गुना अधिक होती है।

गैस प्रसार परत
जीडीएल विद्युत रूप से उत्प्रेरक और वर्तमान संग्राहक को जोड़ता है। यह झरझरा, विद्युत प्रवाहकीय और पतला होना चाहिए। अभिकारकों को उत्प्रेरक तक पहुंचने में सक्षम होना चाहिए, लेकिन चालकता और सरंध्रता विरोधी शक्तियों के रूप में कार्य कर सकते हैं। इष्टतम रूप से, GDL लगभग एक तिहाई Nafion या 15% PTFE से बना होना चाहिए। जीडीएल में उपयोग किए जाने वाले कार्बन कण उत्प्रेरक में नियोजित कार्बन कणों से बड़े हो सकते हैं क्योंकि इस परत में सतह क्षेत्र सबसे महत्वपूर्ण चर नहीं है। यांत्रिक शक्ति के साथ आवश्यक सरंध्रता को संतुलित करने के लिए GDL लगभग 15-35 µm मोटा होना चाहिए। GDL में बड़े छिद्रों और उत्प्रेरक परत में छोटे सरंध्रता के बीच संक्रमण को कम करने के लिए अक्सर GDL और उत्प्रेरक परत के बीच एक मध्यवर्ती झरझरा परत जोड़ी जाती है। चूँकि GDL का एक प्राथमिक कार्य पानी को हटाने में मदद करना है, एक उत्पाद, बाढ़ तब आ सकती है जब पानी प्रभावी रूप से GDL को अवरुद्ध कर दे। यह उत्प्रेरक तक पहुँचने के लिए अभिकारकों की क्षमता को सीमित करता है और प्रदर्शन को काफी कम कर देता है। बाढ़ की संभावना को सीमित करने के लिए टेफ्लॉन को जीडीएल पर लेपित किया जा सकता है। GDLS में कई सूक्ष्म चरों का विश्लेषण किया जाता है जैसे: सरंध्रता, वक्रता और पारगम्यता। इन चरों का ईंधन कोशिकाओं के व्यवहार पर प्रभाव पड़ता है।

दक्षता
गिब्स मुक्त ऊर्जा समीकरण ΔG = -237.13 kJ/mol और हाइड्रोजन के ताप मान (ΔH = -285.84 kJ/mol) को लागू करने वाली अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता 298 K पर 83% है।
 * $$\eta = \frac{\Delta G}{\Delta H} = 1 - \frac{T\Delta S}{\Delta H}$$

PEM की व्यावहारिक दक्षता 50-60% की सीमा में है। नुकसान पैदा करने वाले मुख्य कारक हैं:
 * सक्रियण नुकसान
 * ओमिक नुकसान
 * बड़े पैमाने पर परिवहन नुकसान

द्विध्रुवी प्लेटें
बाहरी इलेक्ट्रोड, जिन्हें अक्सर द्विध्रुवी प्लेट या बैकप्लेट के रूप में संदर्भित किया जाता है, उत्प्रेरक को समान रूप से ईंधन और ऑक्सीजन वितरित करने, पानी निकालने, विद्युत प्रवाह को इकट्ठा करने और संचारित करने के लिए काम करते हैं। इस प्रकार, उन्हें उत्प्रेरक के निकट संपर्क में रहने की आवश्यकता है। चूंकि प्लेटें पीईएम और उत्प्रेरक दोनों परतों के संपर्क में हैं, इसलिए ईंधन सेल कंपन और तापमान चक्रण के कारण संरचनात्मक विफलता के मामले में बैकप्लेट को संरचनात्मक रूप से कठिन और रिसाव-प्रतिरोधी होना चाहिए। जैसा कि ईंधन सेल तापमान की विस्तृत श्रृंखला में और अत्यधिक रिडक्टिव/ऑक्सीडेटिव वातावरण में काम करते हैं, प्लेटों में तापमान की विस्तृत श्रृंखला पर उच्च सतह सहनशीलता होनी चाहिए और रासायनिक रूप से स्थिर होनी चाहिए। चूंकि बैकप्लेट ईंधन सेल द्रव्यमान के ¾ से अधिक के लिए खाता है, ऊर्जा घनत्व को अधिकतम करने के लिए सामग्री को हल्का भी होना चाहिए।

इन सभी आवश्यकताओं को पूरा करने वाली सामग्री अक्सर बहुत महंगी होती है। सोने को इन मानदंडों को अच्छी तरह से पूरा करने के लिए दिखाया गया है, लेकिन इसकी उच्च लागत के कारण इसका उपयोग केवल छोटे उत्पादन संस्करणों के लिए किया जाता है। टाइटेनियम नाइट्राइड (TiN) एक सस्ती सामग्री है जिसका उपयोग इसकी उच्च रासायनिक स्थिरता, विद्युत चालकता और संक्षारण प्रतिरोध के कारण ईंधन सेल बैकप्लेट में किया जाता है। हालांकि, टीआईएन कोटिंग में दोष आसानी से अंतर्निहित सामग्री के जंग का कारण बन सकते हैं, आमतौर पर स्टील।

गैस और ईंधन के वितरण के अपने मुख्य कार्य को करने के लिए, इन प्लेटों की सतह पर अक्सर सीधे, समानांतर चैनल होते हैं। हालाँकि, इस सरल दृष्टिकोण ने असमान दबाव वितरण, पानी की बूंदों को गैस के प्रवाह को अवरुद्ध करने और आउटपुट पावर दोलनों जैसे मुद्दों को जन्म दिया है। इन द्विध्रुवीय प्लेटों के कार्य को अनुकूलित करने के लिए प्रकृति-प्रेरित भग्न मॉडल और कंप्यूटर सिमुलेशन जैसे नवीन दृष्टिकोणों का पता लगाया जा रहा है।

धातु-जैविक ढांचे
मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) झरझरा, अत्यधिक क्रिस्टलीय सामग्री का एक अपेक्षाकृत नया वर्ग है जिसमें कार्बनिक लिंकर्स से जुड़े धातु नोड्स होते हैं। धातु केंद्रों और लिगेंड्स में हेरफेर या प्रतिस्थापन की सादगी के कारण, संभावित संयोजनों की लगभग असीम संख्या होती है, जो एक डिजाइन के दृष्टिकोण से आकर्षक है। एमओएफ अपने ट्यून करने योग्य ताकना आकार, थर्मल स्थिरता, उच्च मात्रा क्षमता, बड़े सतह क्षेत्रों और वांछनीय विद्युत रासायनिक विशेषताओं के कारण कई अद्वितीय गुण प्रदर्शित करते हैं। उनके कई विविध उपयोगों के बीच, MOF स्वच्छ ऊर्जा अनुप्रयोगों जैसे हाइड्रोजन भंडारण, गैस पृथक्करण, सुपरकैपेसिटर, ली-आयन बैटरी, सौर सेल और ईंधन सेल के लिए उम्मीदवारों का वादा कर रहे हैं। ईंधन सेल अनुसंधान के क्षेत्र में, एमओएफ का संभावित इलेक्ट्रोलाइट सामग्री और इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक के रूप में अध्ययन किया जा रहा है जो किसी दिन क्रमशः पारंपरिक बहुलक झिल्ली और पीटी उत्प्रेरक को बदल सकते हैं।

इलेक्ट्रोलाइट सामग्री के रूप में, एमओएफ का समावेश पहले काउंटर-सहज ज्ञान युक्त लगता है। एनोड और कैथोड के बीच ईंधन क्रॉसओवर और वोल्टेज के नुकसान को रोकने के लिए ईंधन सेल झिल्ली में आमतौर पर कम सरंध्रता होती है। इसके अतिरिक्त, झिल्लियों में कम क्रिस्टलीयता होती है क्योंकि अव्यवस्थित सामग्रियों में आयनों का परिवहन अधिक अनुकूल होता है। दूसरी ओर, छिद्रों को अतिरिक्त आयन वाहकों से भरा जा सकता है जो अंततः सिस्टम की आयनिक चालकता को बढ़ाते हैं और उच्च क्रिस्टलीयता डिजाइन प्रक्रिया को कम जटिल बनाती है।

पीईएमएफसी के लिए एक अच्छे इलेक्ट्रोलाइट की सामान्य आवश्यकताएं हैं: उच्च प्रोटॉन चालकता (व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए> 10−2 एस/सेमी) इलेक्ट्रोड के बीच प्रोटॉन परिवहन को सक्षम करने के लिए, ईंधन सेल संचालन स्थितियों (पर्यावरणीय आर्द्रता, परिवर्तनीय तापमान) के तहत अच्छा रासायनिक और थर्मल स्थिरता। जहरीली प्रजातियों, आदि के लिए प्रतिरोध), कम लागत, पतली-फिल्मों में संसाधित होने की क्षमता, और अन्य सेल घटकों के साथ समग्र अनुकूलता। जबकि बहुलक सामग्री वर्तमान में प्रोटॉन-संवाहक झिल्ली का पसंदीदा विकल्प है, उन्हें पर्याप्त प्रदर्शन के लिए आर्द्रीकरण की आवश्यकता होती है और कभी-कभी जलयोजन प्रभाव के कारण शारीरिक रूप से नीचा हो सकता है, जिससे दक्षता में कमी आती है। जैसा कि उल्लेख किया गया है, Nafion भी <100 ° C के निर्जलीकरण तापमान द्वारा सीमित है, जिससे धीमी प्रतिक्रिया कैनेटीक्स, खराब लागत दक्षता और Pt इलेक्ट्रोड उत्प्रेरकों के CO विषाक्तता हो सकती है। इसके विपरीत, एमओएफ ने निम्न और उच्च तापमान व्यवस्थाओं के साथ-साथ आर्द्रता स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में उत्साहजनक प्रोटॉन चालकता दिखाई है। 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे और हाइड्रेशन के तहत, हाइड्रोजन बंधन और विलायक पानी के अणुओं की उपस्थिति प्रोटॉन परिवहन में सहायता करती है, जबकि निर्जल स्थितियां 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान के लिए उपयुक्त होती हैं। एमओएफ को अपने छिद्रों में चार्ज कैरी (यानी, पानी, एसिड इत्यादि) को शामिल करने के अलावा ढांचे द्वारा प्रोटॉन चालकता प्रदर्शित करने का भी विशिष्ट लाभ होता है।

एक कम तापमान का उदाहरण कितागावा और अन्य द्वारा किया गया कार्य है। जिन्होंने मेजबान के रूप में एक द्वि-आयामी ऑक्सलेट-ब्रिज्ड एनीओनिक परत ढांचे का उपयोग किया और प्रोटॉन एकाग्रता को बढ़ाने के लिए अमोनियम केशन और एडिपिक एसिड अणुओं को छिद्रों में पेश किया। परिणाम 25 डिग्री सेल्सियस और 98% सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) पर "सुपरप्रोटोनिक" चालकता (8 × 10−3 एस / सेमी) दिखाने वाले एमओएफ के पहले उदाहरणों में से एक था। उन्होंने बाद में पाया कि छिद्रों में पेश किए गए धनायनों की हाइड्रोफिलिक प्रकृति को बढ़ाने से प्रोटॉन चालकता और भी अधिक बढ़ सकती है। इस कम तापमान शासन में जो जलयोजन की डिग्री पर निर्भर है, यह भी दिखाया गया है कि प्रोटॉन चालकता नमी के स्तर पर बहुत अधिक निर्भर है।

एक उच्च तापमान निर्जल उदाहरण PCMOF2 है, जिसमें ट्राइसल्फोनेटेड बेंजीन व्युत्पन्न के लिए समन्वित सोडियम आयन होते हैं। प्रदर्शन में सुधार करने और उच्च ऑपरेटिंग तापमान की अनुमति देने के लिए, पानी को छिद्रों के भीतर कम अस्थिर इमिडाज़ोल या ट्रायज़ोल अणुओं द्वारा प्रोटॉन वाहक के रूप में प्रतिस्थापित किया जा सकता है। 5 × 10−4 एस/सेमी की इष्टतम चालकता के साथ प्राप्त अधिकतम तापमान 150 डिग्री सेल्सियस था, जो अन्य वर्तमान इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली से कम है। हालांकि, यह मॉडल अपने तापमान शासन, निर्जल स्थितियों और छिद्रों के भीतर अतिथि अणुओं की मात्रा को नियंत्रित करने की क्षमता के लिए वादा करता है, जिनमें से सभी ने प्रोटॉन चालकता की स्थिरता के लिए अनुमति दी है। इसके अतिरिक्त, ट्राईज़ोल-लोडेड PCMOF2 को H2/एयर मेम्ब्रेन-इलेक्ट्रोड असेंबली में शामिल किया गया और 100 °C पर 1.18 V का ओपन सर्किट वोल्टेज हासिल किया जो 72 घंटे तक स्थिर रहा और पूरे परीक्षण के दौरान गैस टाइट रहने में कामयाब रहा। यह पहला उदाहरण था जिसने साबित किया कि एमओएफ वास्तव में कार्यशील ईंधन कोशिकाओं में लागू किया जा सकता है, और मध्यम संभावित अंतर ने दिखाया कि सरंध्रता के कारण ईंधन क्रॉसओवर कोई मुद्दा नहीं था।

आज तक, एमओएफ इलेक्ट्रोलाइट के लिए हासिल की गई उच्चतम प्रोटॉन चालकता 4.2 × 10−2 एस/सेमी 25 डिग्री सेल्सियस पर आर्द्र परिस्थितियों (98% आरएच) के तहत है, जो नेफियन के साथ प्रतिस्पर्धी है। हाल के कुछ प्रयोगों ने पारंपरिक बल्क सैंपल या सिंगल क्रिस्टल के बजाय पतली-फिल्म MOF मेम्ब्रेन का भी सफलतापूर्वक उत्पादन किया है, जो उनकी औद्योगिक प्रयोज्यता के लिए महत्वपूर्ण है। एक बार जब एमओएफ लगातार पर्याप्त चालकता स्तर, यांत्रिक शक्ति, जल स्थिरता और सरल प्रसंस्करण प्राप्त करने में सक्षम हो जाते हैं, तो उनके पास निकट भविष्य में पीईएमएफसी में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की क्षमता होती है।

एमओएफ को इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक के लिए प्लेटिनम समूह धातु (पीजीएम) सामग्री के संभावित प्रतिस्थापन के रूप में भी लक्षित किया गया है, हालांकि यह शोध अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। पीईएमएफसी में, पीटी कैथोड पर ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (ओआरआर) एनोड पर ईंधन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया की तुलना में काफी धीमी है, और इस प्रकार गैर-पीजीएम और धातु मुक्त उत्प्रेरकों को विकल्प के रूप में जांच की जा रही है। उच्च वॉल्यूमेट्रिक घनत्व, बड़े छिद्र सतह क्षेत्र, और MOF में धातु-आयन साइटों का खुलापन उन्हें उत्प्रेरक अग्रदूतों के लिए आदर्श उम्मीदवार बनाता है। आशाजनक उत्प्रेरक क्षमताओं के बावजूद, इन प्रस्तावित एमओएफ-आधारित उत्प्रेरकों का स्थायित्व वर्तमान में वांछनीय से कम है और इस संदर्भ में ओआरआर तंत्र अभी भी पूरी तरह से समझा नहीं गया है।

उत्प्रेरक अनुसंधान
पीईएम ईंधन कोशिकाओं के लिए उत्प्रेरक पर वर्तमान शोध को निम्नलिखित मुख्य उद्देश्यों में से एक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है:

इन दृष्टिकोणों के उदाहरण निम्नलिखित अनुभागों में दिए गए हैं।
 * 1) वर्तमान पीईएम ईंधन कोशिकाओं में उपयोग किए जाने वाले मानक कार्बन-समर्थित प्लैटिनम कण उत्प्रेरक की तुलना में उच्च उत्प्रेरक गतिविधि प्राप्त करने के लिए
 * 2) अशुद्धता गैसों द्वारा पीईएम ईंधन सेल उत्प्रेरकों के जहर को कम करने के लिए
 * 3) प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरकों के उपयोग के कारण ईंधन सेल की लागत को कम करने के लिए
 * 4) प्लैटिनम ग्रुप मेटल-फ्री इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट्स की ओआरआर गतिविधि बढ़ाने के लिए

उत्प्रेरक गतिविधि में वृद्धि
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, प्लैटिनम अब तक PEM ईंधन सेल उत्प्रेरक के लिए उपयोग किया जाने वाला सबसे प्रभावी तत्व है, और लगभग सभी वर्तमान PEM ईंधन सेल हाइड्रोजन ऑक्सीकरण और ऑक्सीजन की कमी दोनों को उत्प्रेरित करने के लिए झरझरा कार्बन समर्थन पर प्लैटिनम कणों का उपयोग करते हैं। हालांकि, उनकी उच्च लागत के कारण, वर्तमान Pt/C उत्प्रेरक व्यावसायीकरण के लिए व्यवहार्य नहीं हैं। अमेरिकी ऊर्जा विभाग का अनुमान है कि प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरकों को आंतरिक दहन इंजनों के यथार्थवादी विकल्प का प्रतिनिधित्व करने के लिए वर्तमान पीईएम ईंधन सेल डिजाइनों में उपयोग किए जाने वाले प्लैटिनम की तुलना में मोटे तौर पर चार गुना कम प्लैटिनम का उपयोग करने की आवश्यकता होगी। नतीजतन, पीईएम ईंधन कोशिकाओं के लिए उत्प्रेरक डिजाइन का एक मुख्य लक्ष्य प्लैटिनम की उत्प्रेरक गतिविधि को चार के कारक से बढ़ाना है ताकि समान प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए केवल एक-चौथाई कीमती धातु की आवश्यकता हो।

प्लेटिनम उत्प्रेरकों के प्रदर्शन को बढ़ाने का एक तरीका प्लैटिनम कणों के आकार और आकार को अनुकूलित करना है। अकेले कणों के आकार को कम करने से उपयोग किए गए प्लेटिनम की प्रति मात्रा में प्रतिक्रियाओं में भाग लेने के लिए उपलब्ध उत्प्रेरक का कुल सतह क्षेत्र बढ़ जाता है, लेकिन हाल के अध्ययनों ने उत्प्रेरक प्रदर्शन में और सुधार करने के अतिरिक्त तरीकों का प्रदर्शन किया है। उदाहरण के लिए, एक अध्ययन रिपोर्ट करता है कि प्लेटिनम नैनोकणों के उच्च-सूचकांक पहलू (जो कि बड़े पूर्णांक वाले मिलर सूचकांक हैं, जैसे कि Pt (730)) विशिष्ट प्लैटिनम नैनोकणों की तुलना में ऑक्सीजन की कमी के लिए प्रतिक्रियाशील साइटों का अधिक घनत्व प्रदान करते हैं।

चूंकि सबसे आम और प्रभावी उत्प्रेरक, प्लैटिनम बेहद महंगा है, सतह क्षेत्र को अधिकतम करने और लोडिंग को कम करने के लिए वैकल्पिक प्रसंस्करण आवश्यक है। कार्बन पाउडर (Pt/C) पर नैनोसाइज़्ड Pt कणों का निक्षेपण एक बड़ा Pt सतह क्षेत्र प्रदान करता है जबकि कार्बन उत्प्रेरक और बाकी सेल के बीच विद्युत कनेक्शन की अनुमति देता है। प्लेटिनम इतना प्रभावी है क्योंकि इसमें उच्च गतिविधि है और हाइड्रोजन के लिए बंधन पर्याप्त रूप से पर्याप्त रूप से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की सुविधा के लिए है लेकिन हाइड्रोजन को सेल के चारों ओर घूमने से रोकता नहीं है। हालांकि, कैथोड ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया में प्लैटिनम कम सक्रिय है। इससे अधिक प्लेटिनम के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिससे सेल का खर्च बढ़ जाता है और इस प्रकार व्यवहार्यता बढ़ जाती है। कोशिका की अत्यधिक अम्लता के कारण कई संभावित उत्प्रेरक विकल्पों को खारिज कर दिया गया है।

कार्बन पाउडर पर नैनोस्केल पीटी प्राप्त करने का सबसे प्रभावी तरीका, जो वर्तमान में सबसे अच्छा विकल्प है, वैक्यूम डिपोजिशन, स्पटरिंग और इलेक्ट्रोडपोजिशन के माध्यम से है। प्लेटिनम कण कार्बन पेपर पर जमा होते हैं जो पीटीएफई के साथ पारगम्य है। हालांकि, इस उत्प्रेरक परत में इष्टतम पतलापन है, जो निम्न लागत सीमा को सीमित करता है। 4 एनएम से नीचे, पीटी अपनी गतिविधि को सीमित करते हुए, कागज पर द्वीप बना देगा। इस मोटाई के ऊपर, पीटी कार्बन को कोट करेगा और एक प्रभावी उत्प्रेरक होगा। चीजों को और जटिल करने के लिए, Nafion को 10 um से अधिक घुसपैठ नहीं किया जा सकता है, इसलिए इससे अधिक Pt का उपयोग करना एक अनावश्यक व्यय है। इस प्रकार उत्प्रेरक की मात्रा और आकार अन्य सामग्रियों की बाधाओं द्वारा सीमित होता है।

प्लेटिनम की उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाने का दूसरा तरीका इसे अन्य धातुओं के साथ मिश्रित करना है। उदाहरण के लिए, यह हाल ही में दिखाया गया था कि Pt3Ni(111) सतह में शुद्ध Pt(111) की तुलना में दस गुना अधिक ऑक्सीजन कमी गतिविधि है। लेखक इस नाटकीय प्रदर्शन को सतह की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में संशोधन के लिए विशेषता देते हैं, पीईएम ईंधन कोशिकाओं में मौजूद ऑक्सीजन युक्त आयनिक प्रजातियों के बंधन की प्रवृत्ति को कम करते हैं और इसलिए ऑक्सीजन सोखना और कमी के लिए उपलब्ध साइटों की संख्या में वृद्धि करते हैं।

वायुमंडलीय स्थितियों के तहत इलेक्ट्रोलाइट परत या कार्बन पेपर पर प्लेटिनम उत्प्रेरक को लागू करने के लिए एक अल्ट्रासोनिक नोजल का उपयोग करके और अधिक दक्षता हासिल की जा सकती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च दक्षता स्प्रे होता है। अध्ययनों से पता चला है कि इस प्रकार के स्प्रे द्वारा बनाई गई बूंदों के समान आकार के कारण, प्रौद्योगिकी की उच्च हस्तांतरण दक्षता के कारण, नोजल की नॉन-क्लॉगिंग प्रकृति के कारण और अंत में इस तथ्य के कारण कि अल्ट्रासोनिक ऊर्जा डी परमाणुकरण से ठीक पहले निलंबन को एकत्रित करता है, एमईए द्वारा इस तरह से निर्मित ईंधन कोशिकाओं में अंतिम एमईए में अधिक समरूपता होती है, और सेल के माध्यम से गैस का प्रवाह अधिक समान होता है, जिससे एमईए में प्लेटिनम की दक्षता अधिकतम हो जाती है। झिल्ली पर उत्प्रेरक को जमा करने के लिए इंकजेट प्रिंटिंग का उपयोग करने वाले हाल के अध्ययनों ने भी जमा उत्प्रेरक परतों की कम मोटाई के कारण उच्च उत्प्रेरक उपयोग दिखाया है।

अभी हाल ही में, Pt-M (M-Fe Co) सिस्टम के मामले में ORR इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट का एक नया वर्ग पेश किया गया है, जिसमें एक Pt-समृद्ध खोल के भीतर क्रमबद्ध इंटरमेटेलिक कोर है। ये इंटरमेटेलिक कोर-शेल (IMCS) नैनोकैटेलिस्ट एक बढ़ी हुई गतिविधि और सबसे महत्वपूर्ण, कई पिछले डिज़ाइनों की तुलना में एक विस्तारित स्थायित्व प्रदर्शित करने के लिए पाए गए। जबकि गतिविधियों में देखी गई वृद्धि एक तनावपूर्ण जाली के रूप में बताई गई है, लेखक रिपोर्ट करते हैं कि गिरावट कैनेटीक्स पर उनके निष्कर्ष यह स्थापित करते हैं कि विस्तारित उत्प्रेरक स्थायित्व एक निरंतर परमाणु क्रम के लिए जिम्मेदार है।

विषाक्तता कम करना
उत्प्रेरक के प्रदर्शन में सुधार के लिए अन्य लोकप्रिय दृष्टिकोण ईंधन स्रोत, विशेष रूप से कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) में अशुद्धियों के प्रति इसकी संवेदनशीलता को कम करना है। वर्तमान में, शुद्ध हाइड्रोजन गैस इलेक्ट्रोलीज़ द्वारा बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए किफायती होती जा रही है। हालाँकि, इस समय अधिकांश हाइड्रोजन गैस भाप सुधार प्रकाश हाइड्रोकार्बन द्वारा उत्पादित की जाती है, एक प्रक्रिया जो गैसों के मिश्रण का उत्पादन करती है जिसमें CO (1–3%), CO2 (19–25%), और N2 (25%) भी होते हैं। [41] सीओ के प्रति मिलियन भाग भी एक शुद्ध प्लैटिनम उत्प्रेरक को जहर कर सकते हैं, इसलिए सीओ के लिए प्लैटिनम का प्रतिरोध बढ़ाना अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है।

उदाहरण के लिए, एक अध्ययन में बताया गया है कि (100) पहलुओं वाले घन के आकार के प्लेटिनम नैनोकणों ने समान आकार के बेतरतीब ढंग से अंकित प्लैटिनम नैनोकणों की तुलना में ऑक्सीजन की कमी की गतिविधि में चार गुना वृद्धि प्रदर्शित की है। लेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि बेतरतीब ढंग से आकार वाले नैनोकणों के (111) पहलू (100) पहलुओं की तुलना में सल्फेट आयनों से अधिक मजबूती से बंधे होते हैं, जिससे ऑक्सीजन अणुओं के लिए खुले उत्प्रेरक स्थलों की संख्या कम हो जाती है। इसके विपरीत, जिन नैनोक्यूब्स को उन्होंने संश्लेषित किया, उनमें लगभग विशेष रूप से (100) पहलू थे, जो सल्फेट के साथ अधिक कमजोर रूप से बातचीत करने के लिए जाने जाते हैं। नतीजतन, उन कणों के सतह क्षेत्र का एक बड़ा अंश ऑक्सीजन की कमी के लिए उपलब्ध था, उत्प्रेरक की ऑक्सीजन कमी गतिविधि को बढ़ावा देने के लिए।

इसके अलावा, शोधकर्ता उत्प्रेरकों को जहर देने से बचने के संभावित तरीके के रूप में ईंधन सेल में प्रवेश करने से पहले हाइड्रोजन ईंधन की सीओ सामग्री को कम करने के तरीकों की जांच कर रहे हैं। हाल ही के एक अध्ययन से पता चला है कि रूथेनियम-प्लैटिनम कोर-शैल नैनोपार्टिकल्स विशेष रूप से सीओ को ऑक्सीकरण करके सीओ2 बनाने में प्रभावी हैं, जो बहुत कम हानिकारक ईंधन संदूषक है। यह तंत्र जो इस प्रभाव को उत्पन्न करता है, वैचारिक रूप से ऊपर Pt3Ni के लिए वर्णित के समान है: कण का रुथेनियम कोर प्लैटिनम सतह की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदल देता है, जिससे यह CO के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करने में बेहतर हो जाता है।

कम लागत
पीईएम ईंधन सेल की व्यवहार्यता के लिए चुनौती आज भी उनकी लागत और स्थिरता में बनी हुई है। पीईएम कोशिकाओं की उत्प्रेरक परत में प्लेटिनम की कीमती धातु के उपयोग के लिए उच्च लागत को बड़े हिस्से में जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इलेक्ट्रोकैटलिस्ट वर्तमान में ईंधन सेल स्टैक की लागत का लगभग आधा हिस्सा है। हालांकि पिछले एक दशक में पीईएम ईंधन सेल की पीटी लोडिंग परिमाण के दो आदेशों से कम हो गई है, व्यावसायीकरण के लिए प्रौद्योगिकी को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए और कमी आवश्यक है। जबकि कुछ शोध प्रयासों का उद्देश्य पीटी-आधारित उत्प्रेरकों की इलेक्ट्रोकैटलिटिक गतिविधि में सुधार करके इस मुद्दे को संबोधित करना है, एक विकल्प गैर-प्लैटिनम-ग्रुप-मेटल (गैर-पीजीएम) कैथोड उत्प्रेरक विकसित करके पीटी के उपयोग को पूरी तरह से समाप्त करना है, जिसका प्रदर्शन प्रतिद्वंद्वियों पीटी-आधारित प्रौद्योगिकियों की। अमेरिकी ऊर्जा विभाग ईंधन सेल के विकास के लिए मील के पत्थर स्थापित कर रहा है, 5000 घंटे के स्थायित्व और 300 ए सेमी-3 की एक गैर-पीजीएम उत्प्रेरक ओआरआर वॉल्यूमेट्रिक गतिविधि को लक्षित करता है।

धातु/नाइट्रोजन/कार्बन-उत्प्रेरक (एम/एन/सी-उत्प्रेरक) पीटी-आधारित उत्प्रेरकों के लिए आशाजनक विकल्प हैं। उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए, या सेल के सतह क्षेत्र पर बिजली का उत्पादन, पीटी-आधारित उत्प्रेरकों की कम से कम 1/10 की वॉल्यूमेट्रिक गतिविधि को पूरा किया जाना चाहिए, अच्छे जन परिवहन गुणों के साथ। जबकि एम/एन/सी-उत्प्रेरक अभी भी पीटी-आधारित उत्प्रेरकों की तुलना में खराब वॉल्यूमेट्रिक गतिविधियों का प्रदर्शन करते हैं, ऐसे उत्प्रेरकों की कम लागत क्षतिपूर्ति के लिए अधिक लोडिंग की अनुमति देती है। हालांकि, एम/एन/सी-उत्प्रेरक का भार बढ़ने से भी उत्प्रेरक परत मोटी हो जाती है, जिससे इसके बड़े पैमाने पर परिवहन गुण खराब हो जाते हैं। दूसरे शब्दों में, H2, O2, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को उत्प्रेरक परत के माध्यम से माइग्रेट करने में अधिक कठिनाई होती है, जिससे सेल का वोल्टेज आउटपुट कम हो जाता है। जबकि एम/एन/सी कैटेलिटिक नेटवर्क के उच्च माइक्रोप्रोरोसिटी के परिणामस्वरूप उच्च वॉल्यूमेट्रिक गतिविधि होती है, बेहतर जन परिवहन गुण इसके बजाय नेटवर्क के मैक्रोपोरोसिटी से जुड़े होते हैं। इन एम/एन/सी सामग्रियों को उच्च तापमान पायरोलिसिस और धातु, नाइट्रोजन, और कार्बन युक्त अग्रदूतों के अन्य उच्च तापमान उपचारों का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है।

हाल ही में, शोधकर्ताओं ने आयरन (II) एसीटेट (FeAc), फेनेंथ्रोलाइन (Phen), और एक मेटल-ऑर्गेनिक-फ्रेमवर्क (MOF) होस्ट से प्राप्त एक Fe/N/C उत्प्रेरक विकसित किया है। MOF एक Zn(II) जिओलाइटिक इमिडाजोलेट फ्रेमवर्क (ZIF) है जिसे ZIF-8 कहा जाता है, जो ORR गतिविधि के लिए अनुकूल एक उच्च सूक्ष्म सतह क्षेत्र और उच्च नाइट्रोजन सामग्री को प्रदर्शित करता है। FeAc/Phen/ZIF-8-उत्प्रेरक का शक्ति घनत्व 0.6 V पर 0.75 W cm−2 पाया गया। यह मान पिछले M/N/C के अधिकतम 0.37 W cm−2 शक्ति घनत्व पर एक महत्वपूर्ण सुधार है। -उत्प्रेरक और 0.3 मिलीग्राम सेमी-2 के पीटी लोडिंग के साथ पीटी-आधारित उत्प्रेरक के लिए 1.0-1.2 डब्ल्यू सेमी-2 के विशिष्ट मूल्य के मिलान के बहुत करीब है। उत्प्रेरक ने 230 A·cm−3 की मात्रात्मक गतिविधि का भी प्रदर्शन किया, जो गैर-PGM उत्प्रेरकों के लिए अब तक का उच्चतम मूल्य है, जो यू.एस. ऊर्जा विभाग के मील के पत्थर तक पहुंच रहा है।

जबकि उपन्यास FeAc/Phen/ZIF-8-उत्प्रेरक द्वारा प्राप्त शक्ति घनत्व आशाजनक है, इसका स्थायित्व व्यावसायिक अनुप्रयोग के लिए अपर्याप्त है। यह बताया गया है कि इस उत्प्रेरक द्वारा प्रदर्शित सर्वोत्तम स्थायित्व में अभी भी एच2/वायु में 100 घंटे से अधिक वर्तमान घनत्व में 15% की गिरावट थी। इसलिए जबकि Fe-आधारित गैर-PGM उत्प्रेरक प्रतिद्वंद्वी Pt-आधारित उत्प्रेरकों को उनके इलेक्ट्रोकैटलिटिक गतिविधि में, उनके क्षरण तंत्र को समझने और उनके स्थायित्व में सुधार करने के लिए अभी भी बहुत काम किया जाना बाकी है।

अनुप्रयोग
पीईएम ईंधन कोशिकाओं का प्रमुख अनुप्रयोग मुख्य रूप से पर्यावरण पर उनके संभावित प्रभाव के कारण परिवहन पर केंद्रित है, उदा। ग्रीन हाउस गैसों (जीएचजी) के उत्सर्जन पर नियंत्रण। अन्य अनुप्रयोगों में वितरित/स्थिर और पोर्टेबल बिजली उत्पादन शामिल हैं। अधिकांश प्रमुख मोटर कंपनियां अपने उच्च शक्ति घनत्व और अन्य प्रकार के ईंधन कोशिकाओं की तुलना में उत्कृष्ट गतिशील विशेषताओं के कारण पूरी तरह से पीईएम ईंधन कोशिकाओं पर काम करती हैं। उनके हल्के वजन के कारण, पीईएमएफसी परिवहन अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयुक्त हैं। ईंधन के लिए संपीड़ित हाइड्रोजन का उपयोग करने वाली बसों के लिए PEMFC 40% दक्षता तक काम कर सकते हैं। आम तौर पर पीईएमएफसी को छोटी कारों की तुलना में बसों पर लागू किया जाता है क्योंकि सिस्टम को रखने और ईंधन को स्टोर करने के लिए उपलब्ध मात्रा होती है। परिवहन के लिए तकनीकी मुद्दों में पीईएम को वर्तमान वाहन प्रौद्योगिकी में शामिल करना और ऊर्जा प्रणालियों को अद्यतन करना शामिल है। यदि जीवाश्म ईंधन से हाइड्रोजन प्राप्त किया जाता है तो पूर्ण ईंधन सेल वाहन लाभप्रद नहीं होते हैं; हालांकि, संकर के रूप में लागू किए जाने पर वे लाभकारी हो जाते हैं। स्थिर बिजली उत्पादन के लिए PEMFC के उपयोग की संभावना है, जहां वे 30% दक्षता पर 5 kW प्रदान करते हैं; हालाँकि, वे अन्य प्रकार के ईंधन सेल, मुख्य रूप से SOFC और MCFC के साथ प्रतिस्पर्धा में भाग लेते हैं। जबकि पीईएमएफसी को आमतौर पर ऑपरेशन के लिए उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन की आवश्यकता होती है, अन्य ईंधन सेल प्रकार मीथेन पर चल सकते हैं और इस प्रकार अधिक लचीली प्रणालियां हैं। इसलिए, आर्थिक रूप से स्केलेबल शुद्ध हाइड्रोजन उपलब्ध होने तक पीईएमएफसी छोटे पैमाने की प्रणालियों के लिए सर्वोत्तम हैं। इसके अलावा, PEMFC में पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बैटरियों को बदलने की संभावना है, हालांकि हाइड्रोजन आपूर्ति का एकीकरण एक तकनीकी चुनौती है, विशेष रूप से डिवाइस के भीतर इसे स्टोर करने के लिए सुविधाजनक स्थान के बिना।

इतिहास
PEM ईंधन सेल के आविष्कार से पहले, मौजूदा ईंधन सेल प्रकार जैसे कि ठोस-ऑक्साइड ईंधन सेल का उपयोग केवल चरम स्थितियों में किया जाता था। ऐसे ईंधन सेल के लिए भी बहुत महंगी सामग्री की आवश्यकता होती है और इसका उपयोग केवल उनके आकार के कारण स्थिर अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। इन मुद्दों को पीईएम ईंधन सेल द्वारा संबोधित किया गया था। PEM ईंधन सेल का आविष्कार 1960 के दशक की शुरुआत में जनरल इलेक्ट्रिक के विलार्ड थॉमस ग्रब और लियोनार्ड निएडराच द्वारा किया गया था। प्रारंभ में, इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए सल्फोनेटेड पॉलीस्टीरिन झिल्ली का उपयोग किया गया था, लेकिन उन्हें 1966 में नेफियन आयनोमर द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था, जो सल्फोनेटेड पॉलीस्टाइनिन के प्रदर्शन और स्थायित्व में बेहतर साबित हुआ।

PEM ईंधन कोशिकाओं का उपयोग नासा जेमिनी श्रृंखला के अंतरिक्ष यान में किया गया था, लेकिन उन्हें अपोलो कार्यक्रम और अंतरिक्ष शटल में क्षारीय ईंधन कोशिकाओं द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। जनरल इलेक्ट्रिक ने पीईएम कोशिकाओं पर काम करना जारी रखा और 1970 के दशक के मध्य में समुद्र के नीचे जीवन समर्थन के लिए पीईएम जल इलेक्ट्रोलिसिस तकनीक विकसित की, जिससे यूएस नेवी ऑक्सीजन जनरेटिंग प्लांट का नेतृत्व किया। ब्रिटिश रॉयल नेवी ने 1980 के दशक की शुरुआत में अपने पनडुब्बी बेड़े के लिए इस तकनीक को अपनाया। 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक की शुरुआत में, लॉस अलामोस नेशनल लैब और टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी ने पीईएम कोशिकाओं के लिए आवश्यक प्लेटिनम की मात्रा को कम करने के तरीकों के साथ प्रयोग किया।

प्रैट और व्हिटनी एयरक्राफ्ट के समानांतर, जनरल इलेक्ट्रिक ने 1960 के दशक की शुरुआत में जेमिनी अंतरिक्ष मिशन के लिए पहला प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन फ्यूल सेल (PEMFC) विकसित किया। पीईएमएफसी का उपयोग करने वाला पहला मिशन जेमिनी वी था। हालांकि, अपोलो कार्यक्रम और बाद में अपोलो-सोयुज परीक्षण मिशन और बाद में स्काईलैब और स्पेस शटल मिशनों ने प्रैट और व्हिटनी एयरक्राफ्ट द्वारा विकसित बेकन के डिजाइन पर आधारित ईंधन कोशिकाओं का इस्तेमाल किया।

अत्यधिक महंगी सामग्री का उपयोग किया गया और ईंधन कोशिकाओं को बहुत शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की आवश्यकता थी। प्रारंभिक ईंधन कोशिकाओं को असुविधाजनक रूप से उच्च परिचालन तापमान की आवश्यकता होती थी जो कि कई अनुप्रयोगों में एक समस्या थी। हालांकि, बड़ी मात्रा में उपलब्ध ईंधन (हाइड्रोजन और ऑक्सीजन) के कारण ईंधन कोशिकाओं को वांछनीय माना जाता था।

अंतरिक्ष कार्यक्रमों में उनकी सफलता के बावजूद, ईंधन सेल प्रणालियाँ अंतरिक्ष मिशनों और अन्य विशेष अनुप्रयोगों तक सीमित थीं, जहाँ उच्च लागत को सहन किया जा सकता था। 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक की शुरुआत तक यह नहीं था कि व्यापक अनुप्रयोग आधार के लिए ईंधन सेल एक वास्तविक विकल्प बन गए। कम प्लेटिनम उत्प्रेरक लोडिंग और पतली फिल्म इलेक्ट्रोड जैसे कई महत्वपूर्ण नवाचारों ने ईंधन कोशिकाओं की लागत को कम कर दिया, जिससे PEMFC सिस्टम का विकास अधिक यथार्थवादी हो गया। हालाँकि, इस बात पर महत्वपूर्ण बहस है कि क्या हाइड्रोजन ईंधन सेल ऑटोमोबाइल या अन्य वाहन में उपयोग के लिए एक यथार्थवादी तकनीक होगी। (हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था देखें।) पीईएमएफसी उत्पादन का एक बड़ा हिस्सा टोयोटा मिराई के लिए है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग का अनुमान है कि 2016 की कीमत $53/किलोवाट है यदि प्रति वर्ष 500,000 इकाइयां बनाई जाती हैं।

यह भी देखें

 * गतिशील हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
 * गैस प्रसार इलेक्ट्रोड
 * ईंधन सेल शर्तों की शब्दावली
 * उच्च तापमान प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन ईंधन सेल
 * हाइड्रोजन सल्फाइड सेंसर
 * पावर-टू-वेट अनुपात
 * प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की समयरेखा

बाहरी कड़ियाँ

 * Gas diffusion layer and catalyst layer, 3D animation
 * Fuel Cell elements, 3D animation
 * Open Source PEM Fuel Cell Simulation Tool

연료전지