Apa itu Sel Bahan Bakar?
Bagaimana Cara Kerja Sel Bahan Bakar?
Sel bahan bakar menggunakan hidrogen dan oksigen, molekul yang menghasilkan air, untuk menghasilkan listrik tanpa polusi. Pertama kali dibuat pada tahun 1839, sel bahan bakar adalah pabrik elektron senyap tanpa bagian yang bergerak dan tanpa pembakaran. Sejak saat itu, perusahaan di seluruh dunia telah mengembangkan dan menyempurnakan teknologi sebagai sarana untuk menggantikan teknologi baterai dan generator tradisional dan untuk membantu mengatasi beberapa tantangan energi dan lingkungan yang paling sulit di dunia. Sel bahan bakar memiliki dua ruang yang berdekatan, sisi anoda dan sisi katoda-dipisahkan oleh membran. Gas hidrogen memasuki sisi anoda di mana atom bereaksi dengan katalis platina dan melepaskan elektron. Ruang itu dibanjiri elektron bebas dan proton hidrogen, atau atom hidrogen yang kehilangan elektronnya
Proton hidrogen bermuatan positif melewati membran ke sisi katoda sel bahan bakar. Elektron mengalir keluar dari sisi anoda untuk memberi daya pada beban. Setelah melewati kabel sistem, elektron masuk kembali ke sel bahan bakar di sisi katoda, melengkapi jalur kelistrikan.
Di sisi katoda, proton hidrogen yang menyelinap melalui membran bergabung dengan elektron bebas dan dengan molekul oksigen dari udara ambien untuk menghasilkan air murni. Anda dapat membayangkan sel bahan bakar sebagai sistem yang meminjam elektron dari hidrogen, mengirimkannya untuk melakukan beberapa pekerjaan yang berguna, seperti menyalakan radio, dan kemudian mengambilnya kembali dan menggabungkannya dengan oksigen untuk membentuk air. Persamaan kimianya hampir sesederhana yang didapat: 2H2 + O2 = 2H2O. Karena sel bahan bakar tidak memiliki bagian yang bergerak dan tidak bergantung pada pembakaran, perawatannya mudah, sangat efisien, dan senyap.
Teknologi Sel Bahan Bakar PEM (PEMFC)
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) menggunakan membran polimer asam berbasis air sebagai elektrolitnya, dengan elektroda berbasis platina. Sel PEMFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah (di bawah 100 derajat Celcius) dan dapat menyesuaikan keluaran listrik untuk memenuhi kebutuhan daya dinamis. Karena suhu yang relatif rendah dan penggunaan elektroda berbasis logam mulia, sel-sel ini harus beroperasi pada hidrogen yang memiliki kemurnian 99,99%, yang umumnya tersedia dalam bentuk gas dari pemasok gas lokal, melalui elektrolisis atau reformasi. Sel PEMFC saat ini merupakan teknologi terdepan untuk kendaraan tugas ringan dan kendaraan penanganan material, dan untuk cadangan stasioner dan aplikasi daya prima. Sel bahan bakar PEMFC juga kadang-kadang disebut sel bahan bakar membran elektrolit polimer. Bahan bakar hidrogen diproses di anoda di mana elektron dipisahkan dari proton pada permukaan katalis berbasis platina. Proton melewati membran ke sisi katoda sel sementara elektron bergerak dalam rangkaian eksternal, menghasilkan keluaran listrik sel. 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.
Sel Bahan Bakar PEM Suhu Tinggi (PEMFC HT)
Varian PEMFC, yang beroperasi pada suhu tinggi dikenal sebagai PEMFC suhu tinggi (PEMFC HT). Dengan mengubah elektrolit dari berbasis air menjadi sistem berbasis asam mineral, PEMFC HT dapat beroperasi hingga 200 derajat Celcius. Jika sumber bahan bakarnya bukan gas hidrogen, maka PEMFC HT dapat mengatasi beberapa masalah dengan kemurnian bahan bakar hidrogen karena PEMFC HT dapat memproses reformat yang mengandung Karbon Monoksida (CO) dalam jumlah kecil. Keseimbangan pabrik juga dapat disederhanakan dengan menghilangkan kebutuhan akan pembersih karena sistem ini berjalan pada suhu yang jauh lebih tinggi. PEMFC HT tidak lebih unggul dari PEMFC suhu rendah; kedua teknologi menemukan ceruk di mana manfaatnya lebih disukai. Tabel di bawah ini merangkum perbedaan antara kedua desain PEMFC:
| Suhu Rendah. PEMFC | Suhu Tinggi. PEMFC | |
| Suhu operasional | 80-100 derajat C | Hingga 200 derajat C |
| Elektrolit | Berbasis air | Berbasis asam mineral |
| Pt loading Toleransi bersama | 0,2-0,8 mg / cm2 <50 parts per million | 1,0-2,0 mg / cm32 1-5% berdasarkan Volume |
| Toleransi pengotor | 99,99% H2 | Lebih tinggi |
| Kepadatan daya | Lebih tinggi | Lebih rendah |
| Siaga hingga beban penuh | 3 menit | 40 menit |
| Pengelolaan Air | Tidak dibutuhkan | Kompleks |
Sel Bahan Bakar Metanol Langsung (DFMC)
Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) adalah tambahan yang relatif baru di pasar. Ini mirip dengan sel PEM, karena menggunakan membran polimer sebagai elektrolit. Namun, katalis platina-rutenium pada anoda DMFC dapat menarik hidrogen dari metanol cair, sehingga tidak memerlukan pembaru bahan bakar. Dalam hal ini, metanol murni dapat digunakan sebagai bahan bakar, sesuai dengan namanya. Metanol menawarkan beberapa keunggulan sebagai bahan bakar, atau memang sebagai pembawa molekul hidrogen untuk digunakan oleh sel bahan bakar nantinya. Itu tidak mahal tetapi memiliki kepadatan energi yang relatif tinggi dan dapat dengan mudah diangkut dan disimpan. Ini dapat disuplai ke unit sel bahan bakar dari reservoir cair yang dapat diisi ulang, atau dalam kartrid yang dapat dengan cepat diganti saat dihabiskan. DMFC beroperasi dalam kisaran suhu dari 60º C hingga 130º Salah satu aplikasi untuk DMFC yang melihat daya tarik komersial di berbagai negara adalah penggunaan unit daya DMFC untuk memberi daya terus menerus pada kamera atau stasiun pemantauan jarak jauh dengan beban sedang. Sistem ini tampaknya memiliki 'langit-langit kaca' dalam hal keluaran daya dan dengan demikian beban yang ditenagai oleh sistem ini umumnya berkisar antara 100W hingga 500W.
Sel Bahan Bakar Oksida Padat (SOFC)
Sel bahan bakar oksida padat bekerja pada suhu yang sangat tinggi, yang tertinggi dari semua jenis sel bahan bakar di sekitar 800º C hingga 1.000°%. SOFC menggunakan elektrolit keramik padat, seperti oksida zirkonium yang distabilkan dengan oksida itrium, bukan cairan atau membran. Suhu operasinya yang tinggi berarti bahwa bahan bakar dapat direformasi di dalam sel bahan bakar itu sendiri, menghilangkan kebutuhan akan reformasi eksternal dan memungkinkan unit untuk digunakan dengan berbagai bahan bakar hidrokarbon. Mereka juga relatif tahan terhadap sejumlah kecil belerang dalam bahan bakar, dibandingkan dengan jenis sel bahan bakar lainnya, dan karenanya dapat digunakan dengan gas batubara. Keuntungan lebih lanjut dari suhu operasi yang tinggi adalah kinetika reaksi ditingkatkan, menghilangkan kebutuhan akan katalis logam. Namun ada beberapa kelemahan pada suhu tinggi: sel-sel ini membutuhkan waktu lebih lama untuk memulai dan mencapai suhu pengoperasian, mereka harus dibuat dari bahan yang kuat dan tahan panas, dan harus dilindungi untuk mencegah kehilangan panas. Ada tiga geometri SOFC yang berbeda dari SOFC: planar, coplanar, dan micro-tubular. Dalam desain planar, komponen dirakit dalam tumpukan datar di mana udara dan hidrogen secara tradisional mengalir melalui unit melalui saluran yang terpasang di anoda dan katoda. Dalam desain tabung, udara disuplai ke bagian dalam tabung oksida padat yang diperpanjang (yang disegel di salah satu ujungnya) sementara bahan bakar mengalir di sekitar bagian luar tabung. Tabung itu sendiri membentuk katoda dan komponen sel dibangun berlapis-lapis di sekitar tabung. SOFC digunakan secara luas dalam pembangkit listrik stasioner besar dan kecil: tipe planar menemukan aplikasi di, misalnya, pembangkit listrik off-grid 100 kW Bloom Energy dan SOFC dengan output beberapa kilowatt sedang diuji untuk aplikasi kogenerasi yang lebih kecil, seperti domestik gabungan panas dan listrik (CHP). SOFC tabung mikro dengan output dalam kisaran watt juga sedang dikembangkan untuk pengisi daya portabel kecil.
Sel bahan bakar asam fosfat (PAFC)
Sel bahan bakar asam fosfat (PAFC) terdiri dari anoda dan katoda yang terbuat dari katalis platina yang terdispersi halus pada karbon dan struktur silikon karbida yang menahan elektrolit asam fosfat. Mereka cukup tahan terhadap keracunan oleh karbon monoksida tetapi cenderung memiliki efisiensi yang lebih rendah dibandingkan jenis sel bahan bakar lainnya dalam menghasilkan listrik. Namun, sel-sel ini beroperasi pada suhu yang cukup tinggi sekitar 180º Jenis sel bahan bakar ini digunakan dalam pembangkit listrik stasioner dengan output dalam kisaran 100 kW hingga 400 kW untuk memberi daya pada banyak bangunan komersial di seluruh dunia, dan mereka juga menemukan aplikasi pada kendaraan besar seperti bus. Sebagian besar unit sel bahan bakar yang dijual sebelum tahun 2001 menggunakan teknologi PAFC.
Sel bahan bakar karbonat cair (MCFC)
Sel bahan bakar karbonat cair (MCFC) menggunakan garam karbonat cair yang tersuspensi dalam matriks keramik berpori sebagai elektrolitnya. Garam yang biasa digunakan antara lain litium karbonat, kalium karbonat, dan natrium karbonat. Mereka beroperasi pada suhu tinggi, sekitar 650º Pertama, suhu operasi yang tinggi secara dramatis meningkatkan kinetika reaksi dan oleh karena itu tidak perlu meningkatkannya dengan katalis logam mulia. Suhu yang lebih tinggi juga membuat sel kurang rentan terhadap keracunan karbon monoksida dibandingkan sistem suhu yang lebih rendah. Hasilnya, sistem MCFC dapat beroperasi dengan berbagai bahan bakar yang berbeda, termasuk bahan bakar gas yang berasal dari batu bara, metana, atau gas alam, sehingga tidak memerlukan reformis eksternal. Kerugian yang terkait dengan unit MCFC muncul dari penggunaan elektrolit cair daripada padatan dan kebutuhan untuk menyuntikkan karbon dioksida di katoda karena ion karbonat dikonsumsi dalam reaksi yang terjadi di anoda. Ada juga beberapa masalah dengan korosi suhu tinggi dan sifat korosif elektrolit tetapi sekarang dapat dikontrol untuk mencapai masa pakai yang praktis. MCFC digunakan dalam pembangkit listrik stasioner yang besar. Sebagian besar pembangkit listrik sel bahan bakar berkapasitas megawatt menggunakan MCFC, seperti halnya pembangkit gabungan panas dan tenaga (CHP) yang besar dan pembangkit gabungan pendingin dan tenaga (CCP). Sel bahan bakar ini dapat bekerja dengan efisiensi hingga 60% untuk konversi bahan bakar menjadi listrik, dan efisiensi keseluruhan dapat lebih dari 80% dalam aplikasi CHP atau CCP di mana panas proses juga digunakan. Sebuah perusahaan Jerman MTU Friedrichshafen menghadirkan MCFC di Hannover Fair pada tahun 2006. Unit ini memiliki berat 2 ton dan dapat menghasilkan tenaga listrik 240 kW dari berbagai bahan bakar gas, termasuk biogas. Jika berbahan bakar bahan bakar yang mengandung karbon seperti gas alam, gas buangnya akan mengandung CO2 tetapi akan berkurang hingga 50% dibandingkan dengan mesin diesel yang menggunakan bahan bakar bunker laut. Suhu pembuangan adalah 400 °C, cukup panas untuk digunakan dalam banyak proses industri. Kemungkinan lain adalah membuat lebih banyak tenaga listrik melalui a turbin uap. Tergantung pada jenis gas umpan, efisiensi listriknya antara 12% dan 19%. Turbin uap dapat meningkatkan efisiensi hingga 24%. Unit ini dapat digunakan untuk kogenerasi.
Sel bahan bakar alkalin (AFC)
Sel bahan bakar alkali (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 selama program berlangsung, di samping sejumlah aplikasi komersial yang terbatas. AFC menggunakan elektrolit alkali seperti kalium hidroksida dalam air dan umumnya diisi dengan hidrogen murni. AFC pertama beroperasi pada suhu antara 100º C dan 250º Karena suhu operasi yang rendah, tidak perlu menggunakan katalis platina dalam sistem dan sebagai gantinya, berbagai logam tidak mulia dapat digunakan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda. Nikel adalah katalis yang paling umum digunakan dalam unit AFC. Karena laju terjadinya reaksi kimia, sel-sel ini menawarkan efisiensi konversi bahan bakar menjadi listrik yang relatif tinggi, hingga 60% dalam beberapa aplikasi. AFC adalah sel bahan bakar termurah untuk diproduksi. Katalis yang diperlukan untuk elektroda dapat berupa sejumlah bahan kimia berbeda yang tidak mahal dibandingkan dengan yang dibutuhkan untuk jenis sel bahan bakar lainnya. Prospek komersial untuk AFC sebagian besar terletak pada versi pelat bi-polar yang baru dikembangkan dari teknologi ini, yang kinerjanya jauh lebih unggul daripada versi pelat tunggal sebelumnya. Perkembangan terbaru lainnya adalah sel bahan bakar alkalin solid-state, memanfaatkan membran penukar anion alkali daripada cairan. Ini menyelesaikan masalah keracunan dan memungkinkan pengembangan sel bahan bakar alkali yang mampu berjalan pada pembawa kaya hidrogen yang lebih aman seperti larutan urea cair atau kompleks amina logam. Kapal Sel Bahan Bakar pertama di dunia HYDRA menggunakan sistem AFC dengan output bersih 5 kW.
