BAB 6 FUEL CELL
6.3 Jenis-jenis Sel Bahan Bakar
6.3.3 Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) .1 Prinsip Sel MCFC
Sel bahan bakar karbonat cair (MCFC) menggunakan campuran garam alkali karbonat yang tersuspensi dalam matriks keramik berpori sebagai elektrolitnya. Garam yang biasa digunakan meliputi litium karbonat, kalium karbonat dan natrium karbonat (Fuel Cell Today, 2020e). Sedangkan bahan bakar terdiri dari campuran hidrogen dan karbon dioksida yang dihasilkan dari air dan bahan bakar fosil. Pada suhu operasi yang tinggi (biasanya 600-700oC) alkali karbonat membentuk garam cair yang sangat konduktif, dengan ion karbonat CO32−
sebagai pengkonduksi ionnya. Secara skematis pada gambar 6.12 menunjukkan reaksi anoda dan katoda. Perhatikan bahwa tidak seperti semua sel bahan bakar lainnya, karbon dioksida perlu disuplai ke katoda dan juga oksigen, dan dikonversi menjadi ion karbonat. Di anoda, ion karbonat diubah kembali menjadi CO2. Oleh karena itu ada transfer bersih CO2 dari katoda ke anoda. Satu mol CO2 ditransfer bersama dengan dua muatan Faraday atau dua mol elektron.
(Perhatikan bahwa persyaratan untuk menyuplai CO2 ke MCFC berbeda dengan AFC yang akan dibahas selanjutnya, di mana CO2 harus dikeluarkan). Reaksi keseluruhan MCFC sebagai berikut.
(Larmini and Dicks, 2003).
1
2O2 + H2 + CO2(katoda) → H2O + CO2 (anoda)
Gambar 6.12 Reaksi anoda dan katoda untuk MCFC menggunakan bahan bakar hidrogen (Larmini and Dicks, 2003).
Umumnya dalam sistem MCFC, CO2 yang dihasilkan di sel anoda sel didaur ulang secara eksternal ke katoda di mana ia digunakan. Ini dapat dilakukan dengan mengumpankan gas buang anoda ke ruang bakar (burner), yang mengubah setiap hidrogen yang tidak digunakan atau bahan bakar gas menjadi air dan CO2. Gas buang dari ruang bakar kemudian dicampur
dengan udara segar dan diumpankan ke saluran masuk katoda. Proses ini tidak lebih kompleks daripada sel bahan bakar lainnya, karena proses ini juga berfungsi untuk memanaskan udara reaktan, membakar bahan bakar yang tidak digunakan, dan membawa limbah panas ke satu aliran untuk digunakan dalam siklus dasar atau untuk tujuan lain (Larmini and Dicks, 2003).
Pada suhu operasi MCFC, nikel (anoda) dan nikel oksida (katoda) akan berperan sebagai katalis yang mendorong dua reaksi elektrokimia. Berbeda dengan PAFC atau PEMFC, logam mulia tidak diperlukan. Perbedaan penting lainnya antara MCFC, PAFC, dan PEMFC adalah kemampuan untuk mengubah karbon monoksida secara elektrokimia secara langsung dan untuk mereformasi bahan bakar hidrokarbon secara internal. Jika karbon monoksida diumpankan ke MCFC sebagai bahan bakar, reaksi pada setiap elektroda yang ditunjukkan pada gambar 6.13 akan terjadi (Larmini and Dicks, 2003).
Gambar 6.13 Reaksi anoda dan katoda untuk MCFC menggunakan bahan bakar karbon monoksida (Larmini and Dicks, 2003).
Berbeda dengan PEMFC, AFC, dan PAFC, MCFC beroperasi pada suhu yang cukup tinggi untuk memungkinkan reformasi internal dapat dicapai. Ini adalah fitur yang sangat kuat dari MCFC dan juga SOFC. Dalam reformasi internal, uap ditambahkan ke bahan bakar gas sebelum memasuki tumpukan (stack). Di dalam tumpukan, bahan bakar dan uap bereaksi dengan adanya katalis. Panas untuk reaksi reformasi endotermik dipasok oleh reaksi elektrokimia sel.
Temperatur operasi MCFC yang tinggi memberikan peluang untuk mencapai efisiensi sistem keseluruhan yang lebih tinggi dan fleksibilitas yang lebih besar dalam penggunaan bahan bakar yang tersedia dibandingkan dengan tipe suhu rendah. Namun, suhu yang lebih tinggi juga menempatkan tuntutan yang parah pada stabilitas korosi dan umur komponen sel, khususnya di lingkungan agresif dari elektrolit karbonat cair (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.3.2 Elektrolit MCFC
Elektrolit MCFC yang mutakhir mengandung 60% berat karbonat yang dibatasi dalam matriks 40% berat LiAlO2. Bentuk γ-LiAlO2 adalah yang paling stabil dalam elektrolit MCFC dan digunakan dalam bentuk serat berdiameter <1µm (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.3.3 Elektroda MCFC
Anoda MCFC yang canggih dibuat dari paduan material berpori Ni-Cr/Ni-Al yang dipadatkan dengan ketebalan 0.4 - 0.8 mm dengan porositas antara 55 dan 75%. Fabrikasi dilakukan dengan pengepresan panas bubuk halus atau dengan tape-casting bubur dari bahan bubuk, yang selanjutnya dipadatkan. Meskipun paduan anoda telah mencapai stabilitas yang dapat diterima secara komersial, biayanya relatif tinggi dan pengembang sedang menyelidiki bahan alternatif (Larmini and Dicks, 2003).
Salah satu masalah utama dengan MCFC adalah bahwa keadaan oksida nikel dari bahan katoda memiliki kelarutan kecil, tetapi signifikan dalam karbonat cair. Melalui peleburan, beberapa ion nikel terbentuk dalam elektrolit. Ini kemudian cenderung berdifusi ke dalam elektrolit menuju anoda. Saat ion nikel bergerak menuju kondisi reduksi kimia di anoda (hidrogen hadir dari bahan bakar gas), nikel logam dapat mengendap dalam elektrolit.
Pengendapan nikel dapat menyebabkan korsleting internal sel bahan bakar dengan hilangnya daya berikutnya. Lebih lanjut, nikel yang diendapkan dapat bertindak sebagai bak untuk ion nikel, yang mendorong peleburan lebih lanjut dari nikel dari katoda. Fenomena peleburan nikel menjadi lebih buruk pada tekanan parsial CO2 yang tinggi karena reaksinya. Masalah ini berkurang jika menggunakan karbonat yang lebih basa dalam elektrolit. Kebasaan garam alkali karbonat adalah (basa) Li2CO3 > Na2CO3 > K2CO3 (asam). Tingkat kelarutan terendah telah ditemukan untuk campuran eutektik 62% Li2CO3 + 38% K2CO3 dan 52% Li2CO3 + 48% Na2CO3. Penambahan beberapa oksida alkali tanah (CaO SrO dan BaO) juga telah terbukti bermanfaat (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.3.4 Pelat Bipolar MCFC
Pelat bipolar untuk MCFC biasanya dibuat dari lembaran tipis stainless stell. Untuk menghindari korosi pada stainless stell di area 'segel basah' ini, pelat bipolar dilapisi dengan
lapisan tipis aluminium. Lapisan pelindung LiAlO2 terbentuk setelah reaksi Al dengan Li2CO3. (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.3.5 Susunan Stack, Saluran dan Penyegelan MCFC
Konfigurasi tumpukan untuk MCFC sedikit berbeda dari beberapa jenis fuel cell lainnya.
Perbedaan yang paling penting adalah pada aspek penyegelan. Tumpukan MCFC terdiri dari berbagai komponen berpori (matriks dan elektroda) dan komponen non-berpori (kolektor arus/pelat bipolar). Dalam merakit dan menyegel komponen-komponen ini, penting untuk memastikan distribusi aliran gas yang baik antara sel-sel individual, distribusi seragam dalam setiap sel, dan manajemen termal yang baik untuk mengurangi gradien suhu di seluruh tumpukan (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.3.6 Kinerja Sel MCFC
Kondisi operasi untuk MCFC pada dasarnya dipilih atas dasar yang sama dengan PAFC.
MCFC yang canggih umumnya beroperasi dalam kisaran 100 hingga 200 mA.cm−2 pada 750 hingga 900 mV per sel. Seperti halnya PAFC, ada polarisasi katoda yang signifikan di MCFC (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.3.7 Pengaruh Temperatur dan Tekanan dalam MCFC
Peningkatan tekanan operasi MCFC menghasilkan peningkatan tegangan sel karena peningkatan tekanan parsial reaktan, peningkatan kelarutan gas, dan peningkatan laju transportasi massa. Masalah tekanan yang berbeda merupakan faktor lain yang perlu dipertimbangkan. Untuk mengurangi risiko gas crossover antara anoda dan katoda dalam MCFC, perbedaan tekanan antara kedua sisi setiap sel harus dijaga serendah mungkin. Untuk alasan keamanan, katoda biasanya dipertahankan pada tekanan yang sedikit lebih tinggi (beberapa milibar) daripada anoda (Larmini and Dicks, 2003).
Matriks keramik yang membatasi elektrolit dalam MCFC adalah bahan rapuh yang juga rentan terhadap retak jika mengalami tekanan yang disebabkan oleh siklus termal, variasi suhu, atau perbedaan tekanan yang berlebihan antara anoda dan katoda. Minimalisasi perbedaan tekanan antara kompartemen anoda dan katoda di tumpukan selalu menjadi perhatian
perancang sistem, karena daur ulang gas pembakaran anoda ke katoda biasanya diperlukan dan ada kehilangan tekanan yang tak terhindarkan terkait dengan transfer gas ini. Oleh karena itu, setiap tumpukan bertekanan harus ditutup dalam bejana tekan di mana tumpukan dikelilingi oleh gas bertekanan non-reaktif - biasanya nitrogen. Masalah lain yang berkaitan dengan pilihan tekanan adalah peningkatan efisiensi keseluruhan sistem bahan bakar dapat dicapai dengan menggabungkan sel bahan bakar suhu tinggi dengan turbin gas. Turbin gas membutuhkan gas buang panas bertekanan. Sel SOFC sangat cocok untuk aplikasi ini, karena dapat berjalan dalam mode bertekanan dan memiliki suhu gas buang yang tinggi (Larmini and Dicks, 2003).
Perhitungan termodinamika sederhana menunjukkan bahwa potensial reversible MCFC akan berkurang seiring dengan meningkatnya suhu. Hal ini disebabkan oleh perubahan energi bebas Gibbs dan perubahan kesetimbangan komposisi gas di anoda dengan suhu. Dalam kondisi operasi nyata, pengaruh suhu sebenarnya didominasi oleh polarisasi katoda. Ketika suhu meningkat, polarisasi katoda berkurang secara signifikan. Efek bersihnya adalah bahwa voltase pengoperasian MCFC benar-benar meningkat dengan suhu. Namun, di atas 650◦C efek ini sangat kecil, hanya sekitar 0.25 mV/◦C. Karena suhu yang lebih tinggi juga meningkatkan laju semua proses yang tidak diinginkan, terutama penguapan elektrolit dan korosi material, 650◦C umumnya dianggap sebagai suhu operasi yang optimal (Hirschenhofer et al., 1998).
6.3.4 Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)