BAB 6 FUEL CELL
6.2 Desain dan Prinsip Kerja Sel Bahan Bakar .1 Prinsip Kerja Sel Bahan Bakar
6.2.2 Desain Umum Sel
Tantangan teknis yang harus diatasi dalam mengembangkan sel bahan bakar praktis adalah merancang dan merakit sebuah elektroda yang memungkinkan bahan bakar gas atau cair untuk kontak dengan katalis dan elektrolit pada sekelompok situs padat yang tidak berubah dengan sangat cepat (Larmini and Dicks, 2003). Jika kita mengambil reaksi oksidasi pada alkaline fuel cell, kita melihat bahwa bahan bakar gas dan ion OH− dari elektrolit diperlukan, serta energi aktivasi. Selain itu, penyatuan bahan bakar H2 dan ion OH− ini harus terjadi pada permukaan elektroda, karena elektron yang dihasilkan harus dihilangkan. Reaksi ini, yang melibatkan bahan bakar atau oksigen (biasanya gas), dengan elektrolit (padat atau cair) dan elektroda, kadang-kadang disebut kontak tiga fasa (Larmini and Dicks, 2003). Jadi, situasi reaksi tiga fase adalah tipikal pada elektroda yang juga harus berfungsi sebagai konduktor listrik.
Menyatukan ketiga hal ini adalah masalah yang sangat penting dalam desain sel bahan bakar.
Solusinya dengan menyediakan lembaran tipis yang memiliki (1) lapisan kedap air biasanya dengan polytetrafluoroethylene (Teflon), (2) lapisan aktif katalis (misalnya, platinum, emas, atau senyawa kompleks organologam pada material karbon), dan (3) lapisan konduktor untuk membawa arus yang dihasilkan masuk atau keluar dari elektroda (Schumm, 2018).
Jika bahan bakar menembus ke sisi elektrolit elektroda, kompartemen elektrolit dapat diisi dengan gas atau uap, dapat menyebabkan ledakan jika gas pengoksidasi juga mencapai
kompartemen elektrolit atau gas bahan bakar memasuki kompartemen gas pengoksidasi.
Singkatnya, untuk mempertahankan operasi yang stabil di sel bahan bakar yang berfungsi, desain, konstruksi, dan kontrol tekanan yang cermat sangat penting. Karena sel bahan bakar telah digunakan pada penerbangan bulan Apollo serta pada semua misi ruang angkasa berawak AS lainnya (mis., Gemini dan pesawat ruang angkasa), jelas bahwa ketiga persyaratan dapat dipenuhi dengan andal. Menyediakan sistem pendukung sel bahan bakar seperti pompa, blower, sensor, dan kontrol untuk mempertahankan laju bahan bakar, beban arus listrik, tekanan gas dan cairan, dan suhu sel bahan bakar tetap menjadi tantangan desain rekayasa utama (Schumm, 2018).
Untuk alasan tegangan sel bahan bakar yang cukup kecil, ini berarti bahwa untuk menghasilkan tegangan yang bermanfaat maka sel-sel tersebbut harus dihubungkan secara seri. Kumpulan sel bahan bakar dalam susunan seri dikenal sebagai 'tumpukan' atau stack. Cara yang paling jelas untuk melakukan ini adalah dengan hanya menghubungkan tepi setiap anoda ke katoda sel berikutnya, sepanjang garis, seperti pada Gambar 6.4 (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.4 Skema koneksi tiga sel secara seri (Larmini and Dicks, 2003).
Metode interkoneksi sel yang jauh lebih baik adalah dengan menggunakan pelat bipolar.
Cara ini membuat permukaan suatu katoda terhubung dengan permukaan anoda berikutnya (sehingga disebut ‘bipolar’); pada saat yang sama, pelat bipolar berfungsi sebagai sarana untuk memberi suplai oksigen ke katoda dan bahan bakar gas ke anoda. Meskipun hubungan listrik
harus dibuat antara kedua elektroda, kedua pasokan gas harus dipisahkan secara ketat. Cara menghubungkan ke sel tunggal di seluruh permukaan elektroda, dan disaat yang sama harus memberi suplai hidrogen ke anoda dan oksigen ke katoda, ditunjukkan pada gambar 6.5. Pelat beralur terbuat dari konduktor yang baik seperti grafit, atau stainless steel (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.5 Sel tunggal, dengan pelat ujung untuk mengumpulkan arus dari semua elektroda dan juga mengalirkan gas ke dalam elektroda (Larmini and Dicks, 2003).
Untuk menghubungkan beberapa sel secara seri, maka perlu dibuat 'pelat bipolar'. Pelat ini dapat menghubungkan setiap sel dan memiliki saluran memotongnya sehingga gas dapat mengalir di atas permukaan elektroda. Pada saat yang sama, pelat dibuat sedemikian rupa sehingga dapat membuat kontak listrik yang baik dengan permukaan setiap elektroda. Desain sederhana pelat bipolar ditunjukkan pada gambar 6.6 (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.6 Dua pelat bipolar dengan desain sederhana. Saluran horizontal di sisi satu dan saluran vertical di sisi lainnya (Larmini and Dicks, 2003).
Untuk menghubungkan beberapa sel secara seri, rakitan anoda/elektrolit/katoda perlu disiapkan dan ditumpuk bersama seperti yang ditunjukkan pada gambar 6.7. Tumpukan ini memiliki saluran vertikal untuk menyuplai hidrogen di atas anoda dan saluran horizontal untuk menyuplai oksigen (atau udara) di atas katoda. Hasilnya adalah blok-blok padat di mana arus listrik lewat secara efisien. Namun, desain pelat bipolar tidak sederhana. Jika kontak listrik ingin optimal, titik kontak harus sebesar mungkin, tetapi ini akan mengurangi aliran gas yang baik di atas elektroda. Jika titik kontak kecil, setidaknya pelat harus rapat. Namun, ini membuat pelat lebih kompleks, sulit, dan mahal untuk diproduksi, serta rapuh. Idealnya pelat bipolar harus setipis mungkin, untuk meminimalkan hambatan listrik dan membuat sel bahan bakar menumpuk. Namun, ini membuat saluran untuk aliran gas menjadi sempit, yang berarti lebih sulit untuk memompa gas di sekitar sel. Ini kadang-kadang harus dilakukan pada laju yang tinggi, terutama ketika menggunakan udara, bukan oksigen murni pada katoda (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.7 Tiga sel tunggal ditumpuk dan dihubungkan dengan pelat bipolar (Larmini and Dicks, 2003).
Dalam kasus sel bahan bakar suhu rendah, udara yang bersirkulasi harus menguap dan membawa produk. Selain itu, biasanya harus ada saluran lebih lanjut melalui pelat bipolar untuk membawa cairan pendingin. Namun, dengan masalah pasokan gas dan mencegah kebocoran berarti bahwa dalam kenyataannya desainnya agak lebih kompleks. Karena elektroda harus berpori (untuk memungkinkan gas masuk), mereka akan memungkinkan gas
bocor keluar dari tepi mereka. Hasilnya adalah bahwa ujung-ujung elektroda harus disegel.
Kadang-kadang ini dilakukan dengan membuat elektrolit agak lebih besar dari satu atau kedua elektroda dan memasang paket penyegelan di sekitar masing-masing elektroda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.8 (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.8 Konstruksi rakitan anoda/elektrolit/katoda dengan penyegel tepi (Larmini and Dicks, 2003).
Bahan bakar dan oksigen kemudian dapat disuplai ke elektroda menggunakan pipa saluran seperti yang ditunjukkan pada gambar 6.9 dan dirakit pada gambar 6.10. Karena segel di sekitar tepi elektroda, hidrogen hanya boleh bersentuhan dengan anoda karena diumpankan secara vertikal melalui tumpukan sel bahan bakar. Demikian pula, oksigen (atau udara) yang diumpankan secara horizontal melalui tumpukan hanya harus menyentuh katoda, dan bahkan tepi anoda (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.9 Tumpukan sel dengan sistem saluran pipa eksternal, dimana tumpukan sel telah dilengkapi dengan penyegel (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.10 Sistem pipa eksternal yang sesai dengan tumpukan sel (Larmini and Dicks, 2003).
Susunan pada gambar 6.9 dan 6.10 digunakan dalam beberapa sistem. Ini disebut pipa saluran eksternal. Ini memiliki keunggulan dalam hal kesederhanaan. Namun, ia memiliki dua kelemahan utama. Yang pertama adalah sulitnya mendinginkan sistem. Jelas dari gambar 6.9 dan 6.10 bahwa akan sulit untuk memasok cairan pendingin yang mengalir melalui sel. Dalam praktiknya, jenis sel ini harus didinginkan oleh udara reaktan yang melewati katoda. Ini berarti udara harus disuplai pada tingkat yang lebih tinggi daripada yang diminta oleh kimia sel;
kadang-kadang ini cukup untuk mendinginkan sel, tetapi itu adalah pemborosan energi.
Kerugian kedua adalah bahwa paking di sekeliling tepi elektroda tidak ditekan secara merata - pada titik di mana ada saluran, paking tidak ditekan dengan kuat ke elektroda. Ini menghasilkan peningkatan kemungkinan kebocoran gas reaktan (Larmini and Dicks, 2003).
Pengaturan yang lebih umum membutuhkan pelat bipolar yang lebih kompleks dan ditunjukkan pada gambar 6.11. Pelat dibuat lebih besar relatif terhadap elektroda dan memiliki saluran tambahan yang mengalir melalui tumpukan yang memberi suplai bahan bakar dan oksigen ke elektroda. Lubang yang ditempatkan dengan hati-hati memberi suplai reaktan ke dalam saluran yang mengalir di atas permukaan elektroda. Jenis pengaturan ini disebut pipa saluran internal. Ini menghasilkan tumpukan sel bahan bakar yang memiliki tampilan blok padat dengan gas reaktan dimasukkan di ujung di mana koneksi positif dan negatif juga dibuat (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.11 Sistem saluran dalam. Pelat bipolar yang lebih kompleks memungkinkan gas reaktan untuk disalurkan ke eletroda (Larmini and Dicks, 2003).