BAB 6 FUEL CELL
6.3 Jenis-jenis Sel Bahan Bakar
6.3.6 Alkaline Fuel Cell (AFC)
Alkaline fuel cell (AFC) adalah salah satu teknologi sel bahan bakar pertama yang dikembangkan dan pada awalnya digunakan oleh NASA dalam program luar angkasa untuk menghasilkan listrik dan air di pesawat ruang angkasa. AFC terus digunakan pada pesawat ulang-alik NASA di seluruh program, di samping sejumlah aplikasi komersial (Larmini and Dicks, 2003). AFC menggunakan elektrolit alkali seperti kalium hidroksida dalam air dan umumnya didorong oleh hidrogen murni. AFC pertama beroperasi pada suhu antara 100ºC dan 250ºC tetapi suhu operasi umumnya sekarang sekitar 70ºC. Sebagai hasil dari suhu operasi yang rendah, tidak perlu menggunakan katalis platinum dalam sistem dan sebagai gantinya, berbagai
logam tidak berharga dapat digunakan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi yang terjadi di anoda dan katoda. Nikel adalah katalis yang paling umum digunakan dalam unit AFC. Karena laju reaksi kimia berlangsung, sel-sel ini menawarkan efisiensi konversi bahan bakar ke listrik yang relatif tinggi, hingga 60% dalam beberapa aplikasi. Kelebihan lain dari AFC ini adalah biaya elektrolit (seperti KOH) yang digunakan murah (Fuel Cell Today, 2020c).
6.3.6.1 Elektrolit AFC a. Elektrolit seluler
Larutan KOH dipompa di sekitar sel bahan bakar. Hidrogen dipasok ke anoda, tetapi harus diedarkan, karena berada di anoda tempat air diproduksi. Hidrogen akan menguapkan air, yang kemudian terkondensasi pada unit pendingin yang melaluinya hidrogen disirkulasikan.
Hidrogen berasal dari silinder gas terkompresi, dan sirkulasi dicapai menggunakan ejector circulator. Mayoritas AFC adalah dari jenis ini. Keuntungan utama memiliki elektrolit seluler adalah memungkinkan elektrolit dihilangkan dan diganti dari waktu ke waktu. Kalium hidroksida secara bertahap diubah menjadi kalium karbonat. Efek dari hal ini adalah bahwa konsentrasi ion OH- akan berkurang ketika mereka diganti dengan ion karbonat CO32−
, yang sangat mempengaruhi kinerja sel. Salah satu cara untuk menguranginya adalah dengan menghilangkan CO2 dari udara sebanyak mungkin, dan ini dilakukan dengan menggunakan scrubber CO2 dalam sistem pasokan udara katoda. Namun, tidak mungkin untuk menghilangkan semua karbon dioksida, sehingga elektrolit pasti akan berkurang dan perlu diganti pada beberapa titik. Sistem seluler ini memungkinkan hal itu dilakukan dengan cukup mudah, dan tentu saja larutan kalium hidroksida berbiaya sangat rendah (Larmini and Dicks, 2003).
Kerugian dari elektrolit seluler AFC yakni dibutuhkannya peralatan tambahan seperti pompa dan cairan yang akan dipompa bersifat korosif yang berakibat akan banyaknya sistem perpipaan yang mengalami kebocoran. Juga, menjadi lebih sulit untuk merancang sistem yang akan bekerja dalam orientasi apa pun. Ada masalah lebih lanjut, karena elektrolit dipompa melalui semua sel dalam tumpukan, mereka secara efektif bergabung bersama. Konduksi ionik antara sel-sel dalam tumpukan dapat secara serius mempengaruhi kinerja tumpukan. Ini dimitigasi dengan membuat sistem sirkulasi memberikan jalur arus terpanjang dan tersempit yang mungkin terjadi antara larutan KOH di setiap sel, jika tidak maka elektrolit dari
masing-masing dan setiap sel akan terhubung bersama, dan akan ada 'hubungan pendek' internal.
Masalahnya juga berkurang di beberapa sistem dengan menghubungkan sel-sel secara seri dan paralel, untuk mengurangi tegangan internal (Larmini and Dicks, 2003).
b. Elektrolit statis
Alternatif untuk elektrolit bebas adalah agar setiap sel dalam tumpukan memiliki elektrolit terpisah yang disimpan dalam bahan matriks antara elektroda. Larutan KOH disimpan dalam bahan matriks, yang biasanya asbes. Bahan ini memiliki porositas, kekuatan, dan ketahanan korosi yang sangat baik, meskipun, tentu saja, masalah keamanannya akan menyulitkan sistem sel bahan bakar yang dirancang untuk digunakan oleh anggota masyarakat.
Sistem ini menggunakan oksigen murni di katoda, dan ini hampir wajib untuk matriks yang mengandung elektrolit, karena sangat sulit untuk memperbarui jika bereaksi dengan CO2. Hidrogen diedarkan untuk menghilangkan produk air. Namun, sistem pendingin juga akan dibutuhkan, dan karenanya air pendingin, atau cairan lain, diperlukan (Larmini and Dicks, 2003).
Sistem elektrolit yang dimiliki matriks ini pada dasarnya seperti sel elektrolit PEMFC.
Keuntungan utama adalah elektrolit tidak perlu dipompa atau ditangani dengan cara apa pun.
Juga tidak ada masalah dengan arus pendek internal yang merupakan hasil dari elektrolit yang dipompa. Namun, ada masalah dalam mengelola produk air, penguapan air, dan fakta bahwa air digunakan di katoda. Pada dasarnya, masalah air sama dengan yang terjadi pada sel PEMFC, meskipun 'terbalik', dimana air yang diproduksi di anoda dan dikeluarkan dari katoda.
(sedangkan dalam PEMFC, air diproduksi di katoda dan dikeluarkan dari anoda oleh hambatan elektro-osmotik). Sel bahan bakar harus dirancang sehingga kadar air di wilayah katoda dijaga cukup tinggi oleh difusi dari anoda. Namun secara umum, masalah pengelolaan air jauh lebih parah daripada dengan PEMFC. Untuk satu hal, tekanan uap jenuh dari larutan KOH tidak naik begitu cepat dengan suhu seperti halnya dengan air murni, seperti yang akan kita lihat pada Bagian 5.3 di bawah ini. Ini berarti bahwa tingkat penguapan jauh lebih sedikit (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.6.2 Elektroda AFC
Telah diketahui bahwa sel bahan bakar alkali dapat dioperasikan pada berbagai suhu dan tekanan. Ini juga merupakan kasus bahwa jangkauan aplikasi mereka sangat terbatas. Hasil dari ini adalah tidak ada jenis elektroda standar untuk AFC, dan pendekatan yang berbeda diambil tergantung pada persyaratan kinerja, batas biaya, suhu operasi, dan tekanan. Katalis yang berbeda juga dapat digunakan, tetapi ini tidak selalu mempengaruhi struktur elektroda.
Misalnya, katalis platinum dapat digunakan dengan salah satu struktur elektroda utama dalam AFC. Jenis elektroda yang digunakan seperti elektroda dari bubuk nikel terpadatkan, logam Raney, dan elektroda gulung (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.6.3 Manajemen Tekanan dan Temperatur dalam Alkaline Fuel Cell
Umumnya AFC telah beroperasi pada tekanan dan suhu sekitar. Keuntungan dari tekanan yang lebih tinggi bahwa tegangan rangkaian terbuka sel bahan bakar meningkat.
Pilihan tekanan dan suhu operasi, konsentrasi KOH, dan katalis yang digunakan semuanya dihubungkan bersama. Untuk mendapatkan massa yang cukup rendah untuk aplikasi ruang, tekanan harus dikurangi. Namun, untuk mempertahankan kinerja pada tingkat yang dapat diterima, suhu harus ditingkatkan. Maka perlu untuk meningkatkan konsentrasi KOH hingga 75%, jika tidak maka elektrolit akan mendidih. Meningkatkan konsentrasi KOH sangat menurunkan tekanan uap. Pada suhu sekitar, konsentrasi KOH ini padat, sehingga pemanas harus disediakan untuk memulai sistem (Larmini and Dicks, 2003).
Sebagian besar sel bahan bakar elektrolit alkali beroperasi menggunakan gas reaktan bertekanan tinggi atau dari sistem penyimpanan kriogenik. Dalam setiap kasus, gas disuplai pada tekanan yang cukup tinggi, sehingga 'biaya' yang terlibat dengan operasi pada tekanan tinggi terhubung dengan massa tambahan yang terlibat dalam merancang sistem tekanan tinggi. Selain masalah campuran gas, dan mencegah kebocoran, ada juga masalah tekanan internal jika reaktan berada pada tekanan yang berbeda, sehingga dua tekanan harus dikontrol secara akurat. Masalah kebocoran dari sistem tekanan tinggi jelas menjadi perhatian. Terlepas dari limbah gas, ada juga kemungkinan penumpukan campuran hidrogen dan oksigen yang eksplosif, terutama ketika sel dimaksudkan untuk digunakan dalam ruang terbatas seperti kapal selam. Salah satu solusi untuk masalah ini adalah ruang tambahan diluar sistem untuk
tumpukan sel bahan bakar yang diisi dengan nitrogen, dan nitrogen ini berada pada tekanan yang lebih tinggi daripada gas reaktan mana pun (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.6.4 Sistem Interkoneksi Antar Sel AFC – Pelat Bipolar
Sebagian besar sistem AFC saat ini menggunakan elektroda yang memiliki lapisan PTFE.
PTFE adalah isolator, sehingga sulit untuk membuat sambungan listrik ke permukaan elektroda.
Hasilnya adalah 'interkoneksi sel tipe pelat bipolar' biasanya tidak dapat digunakan dalam AFC.
Hal ini juga didorong oleh fakta bahwa elektroda dibangun di atas jaring logam, dan memiliki konduktivitas yang lebih tinggi dari normal di seluruh bidang, membuat koneksi tepi menjadi lebih sedikit masalah. Sambungan demikian biasanya dibuat ke tepi elektroda. Kabel sederhana menghubungkan positif satu sel dengan negatif lainnya. Ini memberikan fleksibilitas tertentu:
tidak perlu menghubungkan positif satu sel dengan negatif sel yang berdekatan, seperti yang harus terjadi dengan pelat bipolar. Sebagai gantinya, koneksi seri / paralel yang kompleks dapat dibuat, seperti pada gambar 6.15 (Larmini and Dicks, 2003)
Gambar 6.15 Skema tumpukan sel AFC (Larmini and Dicks, 2003)
Pola koneksi yang rumit kadang-kadang digunakan untuk mengurangi masalah arus internal dalam elektrolit dari tumpukan sel bahan bakar. Ini timbul karena elektrolit konduktif ionik berada dalam kontak dengan semua sel dalam tumpukan. Memiliki sel-sel secara paralel mengurangi tegangan sambil meningkatkan arus. Juga, pola bolak-balik terkadang dapat membantu menyeimbangkan medan listrik di dalam elektrolit (Larmini and Dicks, 2003)
6.3.6.5 Pengaruh Karbon Dioksida dalam Sistem AFC
Masalah utama dengan AFC untuk aplikasi secara komersial adalah masalah reaksi karbon dioksida dengan elektrolit alkali. Ini terjadi dengan karbon dioksida di udara dan akan
terjadi bahkan lebih kuat jika hidrogen yang berasal dari hidrokarbon (seperti metana) digunakan sebagai bahan bakar. Masalahnya adalah bahwa karbon dioksida bereaksi dengan ion hidroksida, membentuk karbonat. Efek dari ini adalah (1) Konsentrasi OH− berkurang, sehingga mengurangi laju reaksi di anoda, (2) Viskositas meningkat, mengurangi laju difusi, sehingga menurunkan arus pembatas dan meningkatkan kehilangan transportasi massa, (3) Garam karbonat kurang larut, dan pada akhirnya akan mengendap, menghalangi pori-pori dan menyebabkan kerusakan lainnya pada elektroda, (4) Kelarutan oksigen berkurang, meningkatkan penurunan aktivasi di katoda, (5) Konduktivitas elektrolit berkurang, dan (6) Kinerja elektroda dapat menurun (Larmini and Dicks, 2003).
Agar sel bahan bakar elektrolit alkali bekerja dengan baik dalam jangka waktu yang lama, penting untuk menghilangkan karbon dioksida dari udara. Ini bisa dilakukan, tetapi tentu saja meningkatkan biaya, kerumitan, massa, dan ukuran. Cara penanganannya adalah penukar panas diperlukan untuk menghangatkan hidrogen dan mendinginkan sel bahan bakar. Ini dapat dikombinasikan dengan sistem AFC untuk membekukan karbon dioksida dari udara yang masuk, yang kemudian dapat dipanaskan kembali (Larmini and Dicks, 2003).