sel bahan bakar (fuel cell)

8/3/2019 Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)

1/4

PEMFC (Sel bahan bakar tipe membran)

Elektolit adalah membran pertukaran ion polimer, suhu kerjanya yaitu 600C sampai 100

0C.

Seperti system yang pertama digunakan dalam kapal ruang angkasa Gemini. Sel bahan bakar ini

kemudian dikembangkan agak meluas dan dikenal sebagai elektrolit polimer (padat) atau sel

bahan bakar membran pertukaran proton (PEMFC).

20.3.1 Tahapan Pembangunan Mayor

Versi pertama dari tumpukan membran sel bahan bakar memiliki daya 1 kW dibangundi awal

1960-an oleh General Electric Co untuk pesawat ruang angkasa Gemini. Sebuah membran

pertukaran ion polistirena tersulvonasi digunakan sebagai elektrolit dalam sel. Elektroda-

elektrodanya berisi sekitar 4mg/cm2 katalis platina. Karena tahanan membran yang cukup besar,

kerapatan arus yang kurang dari 100 mA/cm2, sedangkantegangan suatu elemen individu 0,6-0,7

V, maka daya spesifik tidak lebih dari 50mW/cm2.Karena ketahanan kimia yang cukup dari

membran, total daya tahan dari tumpukan kurang dari 2000 h.

Setelah masa kekenduran, penentuan perbaikan dibuat setelah tahun 1990 di daerah

PEMFC. Model yang modern sekarang mencapai daya spesifik lebih dari 600-800 mW/cm2

menggunakan kurang dari 0,4 mg/cm2

katalis platina dan memberikandaya tahan beberapa puluh

ribu jam. Kemajuan ini pada dasarnyadicapai karena kombinasi dua faktor:

1. Menggunakan membran pertukaran proton jenis Nafion2. Perkembangan dalam segi pemanfaatan jauh lebih efisien pada katalis platina pada

elektroda.

20.3.2 Membran

Pada awal tahun 1970, Du Pont mulai komersialisasiNafion baru merekayakni membran

pertukaran ion yang terdiri dari polimer asam sulfonat perfluorinat denganbackbone hidrofobik

padat dari kelompok -(CF2)nyang dibentuk dengan sejumlah kelompok hidrofilik -SO3H.

Backbone perfluorinat memberikan stabilitas kimia beberapa kali lebih tinggi dari membran lain

yang dikenal, sehingga daya hidup sel bahan bakar bergabung seperti membran yang dapat

ditingkatkan dengan dua sampai tiga perintah besar. Setelah pembasahan yang tepat dari

membran, kelompok asam sulfonat memisahkan dan mengamankankonduktivitas protonik yang

relatif tinggi, sekitar 0,1 S/cm pada 800Cyang tiga sampai empat kali lebih dari membran lama.


2/4

Proses produksi yang kompleks dan harga yang relatif tinggi merupakan kelemahan tertentu dari

membran Nafion.

Suhu untuk bekerjanya sel bahan bakar dengan membran jenis Nafion adalah 800C

sampai 900C. Dengan kondisi tersebut, kelembaban harus diberikan untuk menjaga membran,

yang biasanya dicapai dengan melewatkan gas-gas reaktan melalui air yang agak hangat (5-

100C) dari suhu saat sel bekerja, sehingga dapat menjenuhkan dengan uap air.

20.3.3 Katalis Platina

Dalam sel bahan bakar membran-tipe pertama, terdapat katalis platina yang merupakan

logam murni dengan konsumsi yang besar. Konsumsi yang lebih kecil dan lebih efisien

penggunaan katalis platina dilakukan dengan memasukkan logam pada dispersi pembawa karbon

yang tinggi. Hasil terbaik diperoleh dengan menggunakan Vulcan XC-72 tungku hitam, yang

dimungkinkan karena ketidakmurnian belerangnya, yang mengakibatkan sifat khusus pada

permukaan.

Konsentrasi platinum ini dalam karbon hitam platinized dilaporkan antara 10 dan 40%

(berdasarkan massa), kadang-kadang bahkan lebih tinggi. Pada konsentrasi rendah luas

permukaan spesifik dari platinum pada karbon setinggi 100m2 / g, sedangkan area yang tidak

memungkinkan platina terdispersi pada permukaan tidak lebih tinggi dari 10 hingga 15m2 / g.

Namun, pada platina dengan konsentrasi rendah, dibutuhkan lapisan katalis tebal, yang membuat

pengangkutan reaktan ke hasil reaksi menjadi lebih sulit. Tingkat dispersi dan aktivitas katalitik

platina tidak hanya tergantung pada konsentrasi, tetapi juga pada metode kimia atau elektrokimia

yang digunakan untuk menyimpannya.

Penurunan yang cukup besar dari penggunaan platina tanpa kehilangan kinerja dicapai

ketika jumlah tertentu (30 sampai 40% massa) dimana proton mengkonduksi polimer ke dalam

lapisan katalis aktif elektroda. Untuk akhir dari campuran karbon platina hitam dan larutan

homogen dengan penanganan ultrasonik, diterapkan untuk difusi lapisan, dan membebaskan

pelarut dengan paparan suhu sekitar 100C. Bagian permukaan katalis yang berada dalam kontak

dengan elektrolit (yang dalam kasus ini elektrolit hanya sedikit) meningkat signifikan, karena

adanya ionomer pada lapisan aktif.

Perbaikan lebih lanjut dalam kontak katalis membran dapat dicapai dengan penguapan

elektroda hidrogen dan oksigen dengan lapisan katalis aktif terhadap membran, yaitu selama 1-5


3/4

menit pada suhu antara 130-150C dan tekanan 15-70kg/cm2. Operasi ini menghasilkan rakitan

elektroda membran tunggal (MEA) dengan ketebalan 0,7-1,2 mm.

20.3.4 Keracunan Platinum Oleh Pengotor CO dalam Hidrogen

Pada kebanyakan kasus, pengoperasian sel bahan bakar tidak pada hydrogen murni tetapi

pada teknik hydrogen yang dihasilkan oleh konversi bahan bakar cair seperti produk methanol

atau minyak tanah. Bahkan setelah pemurnia awal. Teknik hydrogen selalu terdiri dari karbon

monoksida (CO) dan sejumlah zat lainnya sebagai sisa pengotor. Bahkan kadar rendah CO pada

hydrogen (kurang dari 10 ppm) menimbulkan polarisasi yang ditandai dari elektroda hydrogen.

Polarisasi ini, disebabkan oleh adsorpsi spesifik yang kuat dari CO, menyebabkan keracunan dari

katalis platina. Fraksi permukaan platina yang tetap bebas untuk oksidasi elektrokimia adsorpsi

dan berikutnya dari hidrogen menurun tajam terhadap adsorpsi CO.

Beberapa kemungkinan untuk melawan fenomenan ini adalah :

1. Ketika meningkatkan suhu kerja sel bahan bakar bakar, misalnya 1200C sampai 1300C,satu pergeseran adsorpsi kesetimbangan antara hydrogen dan CO dalam mendukung

hydrogen, yang berarti konsentrasi maksimum yang lebih tinggi dapat diterima CO dalam

hydrogen. Hal ini terbukti dari asam fosfor dari sel bahan bakar yang bekerja pada 1800c

sampai 2000C, dimana meskipun menggunakan katalis platina, konsenytasi CO dalam

hydrogen sampai dengan 100ppm dapat diterima. Namun, pada suhu kerja di bawah

1000C, membran dalam PEMFC akan mengering dan ketahanannya naik secara drastic.

2. Lebih dapat diandalkan dan menjanjikan kemungkinan perlawanan keracunan katalis platina oleh CO adalah modifikasi katalis yang dipadukan. Hal ini dapat ditunjukkan

khususnya pada katalis platina-ruthenium yang kurang peka pada keracunan CO dalam

hydrogen daripada platina murni. Hal ini disebabkan oleh energy absorpsi yang jauh

lebih rendah karena perbedaan struktur kristal atau keadaan elektronik paduan.

Saat ini anoda yang terdiri dari katalis platina-ruthenium digunakan pada sebagian besar sel

membran sel bahan bakar yang dirancang untuk penggunaan teknik hydrogen. Semua

perkembangan ini telah membantu untuk menurunkan jumlah logam platina menjadi 0,05

mg/cm2 pada elektroda hydrogen dan menjadi 0,1 mg/cm2 pada elektroda oksigen sambil


4/4

menjaga kinerja. Kekuatan densitas sel bahan bakar oksigen-hidrogen dengan membran

elektroda baru disumsikan 500 sampai 700mW/cm2

ketika bekerja dengan oksigen murni

bernilai tiga sampai empat kali lebih sedikit ketika bekerja dengan udara pada tekanan ambient.

Saat ini PEMFC dan pembangkit tenaga listrik berdasarkan pada system yang dibangun oleh

sejumlah perusahaan di Amerika dan Eropa.

sel bahan bakar (fuel cell)

Documents