BAB 6 FUEL CELL
6.3 Jenis-jenis Sel Bahan Bakar
6.3.1 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Sel bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC) menggunakan membran polimer yang bersifat asam dengan elektroda berbasis platinum. Membran polimer yang biasa digunakan adalah asam perfluorosulfonat yang disebut sebagai Nafion. Kelebihan dari Nafion yaitu material kimia dengan resistensi tinggi, bersifat asam, sangat kuat bahkan dapat dibuat menjadi film tipis dengan ketebalan dibawah 50 μm, mampu mengikat banyak molekul air, dan konduktor ptoron yang baik (Larmini and Dicks, 2003).
Tabel 6.1 Perbandingan teknologi sel bahan bakar (DOE, 2016)
6.3.1.1 Prinsip Kerja PEMFC
Bahan bakar hidrogen diproses di anoda di mana elektron dipisahkan dari proton pada permukaan katalis berbasis platinum. Proton melewati membran ke sisi katoda sel sedangkan elektron bergerak dalam sirkuit eksternal, menghasilkan output listrik. Di sisi katoda, elektroda logam mulia lainnya menggabungkan proton dan elektron dengan oksigen untuk menghasilkan air, yang dikeluarkan sebagai satu-satunya produk limbah; oksigen dapat disediakan dalam bentuk yang dimurnikan, atau diekstraksi di elektroda langsung dari udara (Fuel Cell Today, 2020g).
Sel-sel PEMFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan dapat menyesuaikan output listrik untuk memenuhi kebutuhan daya dinamis. Karena suhu yang relatif rendah dan penggunaan elektroda berbasis logam mulia, sel-sel ini harus beroperasi pada hidrogen murni.
Nilai gaya gerak listrik (emf) secara termodinamik dari PEMFC pada suhu 25 ∘C adalah 1.229 V.
Tegangan sirkuit terbuka dari sel ini antara 0.95 dan 1.02 V, tergantung pada suhu dan tekanan gas (Fuel Cell Today, 2020g).
6.3.1.2 Struktur Elektroda dari PEMFC
Katalis terbaik untuk anoda dan katoda adalah platinum. Katalis platinum dibentuk menjadi partikel yang sangat kecil di permukaan partikel material berbasis karbon. Material karbon yang terdukung katalis dapat dibuat dengan dua metode, meskipun hasil akhirnya pada dasarnya sama dalam kedua kasus. Dalam metode elektroda terpisah, katalis yang didukung karbon dicampur ke dalam bahan berpori dan bahan konduktif, PTFE juga akan sering ditambahkan. Kemudian dipasang di setiap sisi selembar membran elektrolit polimer dan diberi tekanan panas pada 140 oC. Hasilnya adalah rakitan membran elektroda, atau membrane electrode assembly (MEA). Metode alternatif lain yaitu membangun elektroda langsung ke elektrolit. Platinum pada katalis karbon dipasang langsung ke elektrolit, sehingga pembuatan elektroda langsung ke membran, bukan secara terpisah. Katalis, yang sering (tetapi tidak selalu) dicampur dengan PTFE hidrofobik, diterapkan pada membran elektrolit menggunakan metode penggulungan, atau penyemprotan atau proses pencetakan yang disesuaikan. Setelah katalis dipasang pada membran, lapisan difusi gas harus diterapkan (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.1.3 Sistem Manajemen Air pada PEMFC
Dalam membran penukar proton harus ada kadar air yang cukup dalam elektrolit polimer. Di PEMFC, air terbentuk di katoda. Dalam keadaan idealnya, air ini akan menjaga elektrolit pada tingkat hidrasi yang benar. Udara akan tertiup ke atas katoda, dan selain menyuplai oksigen yang diperlukan, udara akan mengeringkan kelebihan air. Karena elektrolit membran sangat tipis, air akan berdifusi dari sisi katoda ke anoda, dan membuat seluruh elektrolit dalam keadaan terhidrasi. Situasi ini kadang-kadang dapat dicapai, tetapi membutuhkan desain teknik yang baik untuk mewujudkannya. Selama operasi sel ion H+ bergerak dari anoda ke katoda dan menarik molekul air bersamanya. Ini berarti bahwa pada kepadatan arus tinggi, sisi anoda dari elektrolit dapat menjadi kering, bahkan jika katoda terhidrasi dengan baik. Dalam praktiknya, beberapa bagian mungkin sesuai, ada yang terlalu kering, dan yang kebanjiran. Udara yang melintas melalui sel bahan bakar mungkin memasuki sel dalam keadaan cukup kering, tetapi pada saat telah melewati beberapa elektroda mungkin sudah sesuai. Namun, saat sudah mencapai pintu keluar, mungkin sudah sangat jenuh sehingga tidak bisa mengeringkan air berlebih. Jelas, ini lebih merupakan masalah ketika merancang sel dan tumpukan yang lebih besar (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.1.4 Sistem Interkoneksi Antar Sel PEMFC - Pelat Bipolar
Kebanyakan PEMFC ditumpuk segaris dari beberapa sel yang terhubung seri dengan pelat bipolar yang telah diuraikan sebelumnya. Sistem perpipaan internal, hampir secara universal digunakan. Namun, ada banyak variasi dalam membangun pelat bipolar dan bahan-bahannya dibuat. Karena rakitan membran elektroda/MEA untuk PEMFC sangat tipis, sehingga pelat bipolar sebenarnya hampir semua terdiri dari volume tumpukan sel bahan bakar. Masalah penting lainnya adalah bahwa ada berbagai cara membuat tumpukan, yang menghindari perlunya pelat bipolar dan ini kadang-kadang digunakan meskipun hanya untuk sel yang sangat kecil (Larmini and Dicks, 2003).
6.3.1.5 Pengembangan Pelat Bipolar PEMFC
Pelat bipolar harus mampu mengumpulkan dan menghantarkan arus dari sel anoda ke sel katoda berikutnya, sementara secara merata mendistribusikan bahan bakar gas di
permukaan elektroda. Selain itu, harus membawa cairan pendingin melalui tumpukan dan menjaga semua gas reaktan dan cairan pendingin terpisah. Persyaratan material pelat bipolar adalah sebagai berikut: Konduktivitas listrik > 10 S.cm−1; Konduktivitas panas > 20 Wm−1K−1 untuk cairan pendingin terintegrasi normal atau > 100 Wm−1K−1 jika panas harus dikeluarkan hanya dari tepi pelat; Permeabilitas gas < 10−7 mBar L s−1cm−2; Material harus tahan korosi dan cukup kaku; kekuatan lentur > 25 Mpa; dan murah. Bahan juga harus dapat diproduksi dalam persyaratan berikut: Plat bipolar harus ramping, untuk volume tumpukan minimum; Harus ringan, untuk berat tumpukan minimum; dan Waktu siklus produksi harus cukup singkat.
(Larmini and Dicks, 2003).
6.3.1.6 Pengaruh Komposisi Reaktan dalam Sistem PEMFC
Dalam sistem kecil, sel bahan bakar telah berjalan pada gas hidrogen sebagai bahan bakar dan udara sebagai oksidan. Namun, dalam sistem yang lebih besar, bahan bakar hidrogen sering kali berasal dari sistem reformasi bahan bakar. Sistem reformasi bahan bakar ini hampir selalu melibatkan reaksi yang menghasilkan karbon monoksida, seperti reaksi antara metana dan uap. Beberapa sel bahan bakar suhu tinggi dapat menggunakan karbon monoksida ini sebagai bahan bakar. Namun, karena PEMFC menggunakan platinum sebagai katalis sudah pasti tidak bisa. Bahkan jumlah karbon monoksida yang sangat kecil memiliki efek yang sangat besar pada karbon anoda. Jika hidrokarbon yang direformasi akan digunakan sebagai bahan bakar, karbon monoksida harus dirubah menjadi karbon dioksida menggunakan lebih banyak uap (Larmini and Dicks, 2003).
Dalam beberapa kasus untuk menghilangkan karbon monoksida dapat ditambahkan sejumlah kecil oksigen atau udara ke aliran bahan bakar. Udara/ oksigen dapat bereaksi dengan karbon monoksida. Namun, setiap oksigen yang tidak bereaksi dengan CO pasti akan bereaksi dengan hidrogen, dan akan membuang bahan bakar. Selain itu, sistem untuk memberi suplai jumlah udara atau oksigen yang terkontrol secara tepat akan cukup kompleks, karena laju aliran harus mengikuti tingkat penggunaan hidrogen dengan cermat. Biasanya, unit pembersihan gas akan digunakan sendiri. Poin penting lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa penggunaan bahar bakar hidrokarbon rantai panjang yang akan direformasi menjadi lebih lama sehingga masalahnya menjadi lebih buruk (Larmini and Dicks, 2003).