BAB II KOMPONEN FUEL CELL
2.1. Membran
Bagian dasar dalam membrane kation exchange di fuel cell adalah awalnya disusun oleh Wiliam T.Grubb (2) pada tahun 1959. Itu adalah usaha awal yang diupayakan untuk meningkatkan polimer asam perfluorosulfonic yang menjadi system sekarang ini. Pada sistem fuel cell terdapat membran elektrolit yang merupakan komponen penting dari sistem ini. Fungsi dari membran pada fuel cell adalah sebagai elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran fuel cell menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan oleh reaksi anoda menuju katoda, sehingga reaksi pada katoda yang menghasilkan energi listrik dapat terjadi (Kordesch, 1996; Yohan, dkk, 2005). Materialnya adalah sebuah penyekat elektric. Dan sebagai hasilnya adalah konduksi ion terbawa dengan gugusan ionic dengan struktur polimer. Transportasi ion
dalam beberapa jaringan adalah sangat dipengaruhi oleh loncatan dan air bebas yang diasosiasikan dengan jaringan tersebut. Salah satu membran fuel cell yang digunakan secara komersial adalah membran tetrafloro-polietilen dengan cabang gugus asam sulfonat (Nafion®) dan belakangan ini telah dilakukan penelitian untuk mendapat membrane alternative selain Nafion, yaitu Membrane Kitosan.
Nafion (PEM-FC Membrane)
Nafion tergolong dalam ionomer. Ionomer berarti polimer yang memiliki sifatsifat ionik. Monomer dari senyawa ini terdiri atas kerangka fluorokarbon yang bersifat hidrofobik dan gugus terminal berupa sulfonat yang bersifat hidrofilik. Gugus sulfonat merupakan super asam, menjamin kelangsungan transfer proton dari anoda ke katoda sementara kation dan anion lainnya tidak diizinkan lewat.
Nafion (asam poliperfluoro sulfonat ionomer)
Karakterisasi membran elektrolit (nafion 117) dan elektroda fuel cell sebagai komponen utama fuel cell merupakan faktor penting sebelum dilakukannya pembuatan membran dan elektroda fuel cell. Hasil analisa termal menunjukkan bahwa membran nafion 117 dan elektroda masing-masing mempunyai ketahanan termal 327oC dan di atas 550 oC . Kandungan PTFE (polytetrafluoroethylene) yang terdapat pada katalis mempunyai ketahanan termal pada 401.7 oC. Hasil analisa X-ray Difraction menunjukkan bahwa pada lapisan katalis terdapat kandungan PTFE, ditunjukkan oleh puncak pada posisi 2 theta = 18 o dan 39.5o dan kandungan karbon , pada posisi puncak 2 theta = 9 o. ``Hasil morfologi permukaan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscope) menunjukkan bahwa pada permukaan membran nafion 117 dan katalis masing-masing terdapat distribusi pori antara 0.01-1.2 mikrometer dan 0.01-2.5 mikrometer . Struktur permukaan carbon paper dan carbon
cloth, yang terdiri atas serat-serat karbon dengan diameter 4-6 mikrometer, masingmasing mempunyai distribusi pori 1-80 mikrometer (carbon paper) dan 2-123 mikrometer (carbon cloth). Gambar di bawah menunjukkan kumpulan dari Nafion Electrolit Membran, gambar tersebut diperoleh dari 1 Hz dengan pembakitan sinyal 30 mV, 0.4 V arus DC katoda ( terdapat reaksi reduksi oksigen, ini menurunkan transfer hambatan Faraday dan meningkatkan sinyal ). Gambar ini juga membandingkan respons yang mengganggu dari sebuah Nafion membran kering (0% kelembaban relatif ,udara temperatur ruangan) melawan area yang sama dengan membran yang sama ketika berair (30% kelembaban relatif, udara suhu ruangan). Level kebasahan dari Elektolit Nafion dapat menyebabkan pengaruh pada pencegahan proton (H3O+.nH2O) konsentrasi dan konduktivitas. Secara umum sudah diketahui bahwa Nafion adalah bukan sebuah material homogen, tetapi terdiri dari hidropolic dan tahapan hidropolic – daerah yang terpisah. Ciri – ciri yang nyata yang dapat dilihat dari hambatan pada Nafion digambarkan di bawah yang dapat dicocokkan pada daerah hidropilic dalam membran. Dan ukuran yang nyata dari daerah ini (menunjukkan 1 µm gambar ) adalah golongan dari beberapa ratus nanometer.
Modulus Hambatan Dan Tahapan Gambar dari Elektrolit Nafion dengan nilai kelembaban
Di pasaran, harga Nafion® masih sangat mahal, sehingga menjadi kendala untuk mengembangkannya di Indonesia. Membran ini bersifat selektif semipermeabel terhadap proton dan memiliki sifat elektrik yang baik sebagai konduktor. Sifat konduktivitas tersebut ditunjukkan dengan tetapan dielektriknya yang kecil. Namun, sebagai membran fuel cell juga harus berperan sebagai media transport proton. Standar material elektrolit dalam PEFC terdiri dari fluorinasi penuh Teflon® . karakteristik membrane itu dari berat equivalennya (kebalikan proposional dengan kapasitas perpindahan ion). Sebuah tipe nilai berat equivalen adalah antara 800 sampai 1000 miliequivalen per gram polimer kering. Asam perfluorosulfonat dalam membrane menunjukkan kimia yang sangat tinggi dan suhu yang relative stabil, dan lebih stabil dalam melawan serangan kimia dengan dasar yang kuat, oksidasi kuat, asam – asam reduksi, Cl2, H2, and O2 dengan temperature lebih dari 125 °C. Nafion terdiri dari sebuah gugusan fluoropolimer, hampir sama dengan Teflon®, dengan kumpulan asam sulfonat dengan ikatan kimia. Nafion membrane menunjukkan daya tahan hidup yang panjang dalam pilihan permintaan, kondisi operasi, dan permintaan elekrokimia. Dalam pemilihan test fuel cell dan system elekrolisa air, daya hidup lebih dari 50.000 jam dapat ditunjukkan.
Gambar PEFC Schematic
Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) disebut juga proton exchange membrane fuel cell. Membran ini berupa lapisan tipis padat yang berfungsi sebagai elektrolit pemisah katoda dan anoda. Membran ini secara selektif mengontrol transport proton dari anoda ke katoda dalam fuel cell. PEMFC mengandung katalis platina. Untuk menghasilkan energi, PEMFC hanya memerlukan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk mengoperasikannya. Selain itu, pada fuel cell ini tidak dipakai fluida yang bersifat korosif seperti jenis lainnya PEMFC merupakan sebuah sistem bebas pelarut. Sistem fuel cell ini menggunakan fasa penghantar bersifat ionik berupa gugus garam yang matriks polimernya bersifat polar, seperti pada garam anion F-, Cl-, I-, SCN-, ClO4-, CF3SO3-, BF4-, dan AsF6-. Semakin besar ukuran anion dan semakin terdelokalisasi muatan, maka semakin sulit tersolvasi sehingga dapat terjadi ikatan non permanen antara anion dan proton Baru-baru ini yushan yan dkk. dari University of Californias Riverside berhasil memodifikasi membran Nafion mengggunakan metoda infiltrasi. Pori-pori membran yang semula berdiameter 40 nm diperkecil menjadi 10 nm dengan cara
mengisikan nanopartikel zeolit beta sintetis ke dalam pori tersebut. Pengujian selanjutnya menunjukan peningkatan permeabilitas metanol dan konduktivitas yang signifikan (hingga 40%). Semakin permeabel membrannya berarti makin sulit metanol lewat sementara proton makin mudah menyeberang H+ yang dihasilkan makin banyak sehingga daya tahan baterai lebih lama.
Membran Kitosan Salah satu material yang diduga dapat menggantikan Nafion adalah kitosan. Kitosan merupakan polielektrolit alam dengan beberapa sifat penting yang diperlukan untuk material membran. Sifat-sifat tersebut antara lain inert, hidrofilik, dan tidak larut dalam air serta pelarut organik. Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa kitosan memiliki crossover metanol yang lebih rendah daripada Nafion. Sehingga penelitian ini bertujuan untuk mempelajari potensi membran kitosan dan modifikasi pasangan kompleks asam basanya sebagai elektrolit fuel cell. Kitosan yang dipakai pada penelitian ini dihasilkan dari proses deasetilasi kitin yang terdapat dalam kulit udang. Kitosan yang didapat kemudian diuji analisa spektrofotometri Fourier Transform Infra Ren (FTIR), derajat deasetilasi, dan massa molekul relatif rata-rata viskositas (Mv). Modifikasi dilakukan dengan perendaman membran kitosan dalam larutan asam sulfat dengan variasi konsentrasi yaitu 0,3 M, 0,5 M dan 0,7 M. Pengujian yang dilakukan meliputi analisa spektrofotometri FTIR, derajat penyerapan air, kapasitas penukar ion, potensial membran, sifat mekanik, dan analisa Impedance Spectroscopy (IS). Kitosan yang dihasilkan mempunya Mv sebesar 1.03 g/mol dengan derajat deasetilasi 76.78%. Spektrum serapan infra merah menunjukkan adanya gugus OH, NH2, C=O amida, dan CH3 dalam kitosan. Gugus-gugus ini juga muncul pada spektrum serapan infra merah memran kitosan dan modifikasinya. Tetapi ada satu puncak yang hanya muncul pada membran kitosan modifikasi yaitu pada bilangan gelombang 619,15 cm -1. Puncak ini dikenali sebagai mode vibrasi S-O, dengan demikian dalam membran kitosan yang dimodifikasi terdapat gugus SO4 2-. Gugus SO4 2- ini membentuk pasangan kompleks asam basa dengan gugus NH3 + dari kitosan terprotonasi, dengan posisi SO4 2- berada di antara dua gugus NH3 +. Derajat penyerapan air meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi asam sulfat. Hal ini menunjukkan adanya
gugus SO4 2- dalam pasangan kompleks asam basa menyebabkan membran bersifat lebih hidrofil. Sifat mekanik (kekuatan tarik dan perpanjangan saat putus) membran pun mengalami perubahan dengan adanya gugus SO4 2-. Dalam keadaan kering, adanya gugus SO4 2- menyebabkan penurunan kekuatan tarik dan perpanjangan saat putus. Dalam keadaan basah, adanya gugus SO4 2- dalam matriks membran menyebabkan kenaikan perpanjangan saat putus, tetapi kekuatan tariknya menurun. Kapasitas penukar ion membran yang direndam dalam asam sulfat (CTSN-3, CTSN-5, dan CTSN-7) lebih tinggi daripada membran kitosan yang tidak direndam (CTSN). Kapasitas penukar ion CTSN-5 dan CTSN-7 juga lebih besar daripada Nafion. Kapasitas penukar ion menunjukkan jumlah gugus ionik dalam matriks polimer yang secara tidak langsung berkaitan dengan konduktivitas proton suatu polimer. Tetapi material dengan kapasitas penukar ion yang besar belum tentu mempunyai konduktivitas yang tinggi pula. Hal ini dapat dilihat dari muatan efektif material itu sendiri. Nafion dengan kapasitas penukaran ion sebesar 0,91 meq/g mempunyai muatan efektif 0,536 mol L -1, sedangkan CTSN dan CTSN-5 yang kapasitas penukar ionnya lebih besar, muatan efektifnya hanya sekitar 0,02 mol L -1. Hal ini menunjukkan bahwa gugus ionik yang terdapat dalam membran kitosan dan modifikasi pasangan kompleks asam basanya sebagian besar merupakan pasangan ion yang statis (tidak bergerak).
Hasil IS menunjukkan pada keadaan kering, CTSN-5 menunjukkan impedansi yang lebih besar daripada CTSN. Hal ini menandakan CTSN-5 mempunyai konduktivitas yang lebih kecil daripada CTSN. Sedangkan pada keadaan basah, CTSN-5 menunjukkan impedansi yang lebih kecil daripada CTSN. Hal ini mirip dengan kelakuan basa dan garam dalam air. Garam lebih mudah terdisosiasi daripada basa, sehingga ion-ion gram akan lebih udah bergerak dalam matriks membran. Dalam keadaan kering, frekuensi ambang keuda jenis membran dapat dikatakan sama, sehingga mekanisme transpor protonnya pun sama. Sedangkan dalam keadaan basah, frekuensi ambang keduanya mempunyai perbedaan yang signifikan. Hal ini menunjukkan adanya perbedaan mekanisme transpor proton antara membran kitosan dan modifikasi pasangan kompleks asam basanya. Meskipun secara umum sifat fisik dan kimianya masih berada di bawah Nafion, membran kitosan dan modifikasi pasangan kompleks asam basanya
mempunyai potensi sebagai elektrolit dalam fuel cell. Untuk dapat disejajarkan dengan Nafion, diperlukan modifikasi lain agar diperoleh sifat fisik dan kimia yang lebih baik. Membran kitosan memiliki prospek yang cerah sebagai membran penukar proton pada proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Akan tetapi, membran kitosan memiliki konduktivitas proton yang rendah jika dibandingkan dengan Nafion sehingga modifikasi membran kitosan masih perlu dilakukan supaya konduktivitas proton kitosan dapat meningkat. Sintesis karboksimetilasi kitosan (CC) bertujuan untuk meningkatkan kapasitas penukar ion dan konduktivitas proton membran kitosan, melalui pembentukan sistem amfoterik (O-karboksimetil kitosan, OCC). CC dapat disintesis dari dua bahan baku, yaitu kitin dan kitosan. Studi yang dilakukan menunjukkan bahwa CC berhasil disintesis melaluireaksi heterogen antara asam kloroasetat dengan kitosan (derajat deasetilasi 83,23%). Spektrum infra-merah dan hasil analisis termogravimetri (TGA), menunjukkan bahwa membran CC memiliki hidrofilisitas dan kandungan air yang lebih tinggi daripada membran kitosan. Kapasitas penukar ion antara membran kitosan dengan membran CC tidak berbeda jauh, tetapi analisis potensial membran dari membran CC menunjukkan bahwa membran ini memiliki muatan efektif yang lebih tinggi daripada kitosan. Analisis impedansi menunjukkan bahwa membran CC memiliki konduktivitas proton yang lebih tinggi daripada membran kitosan dan memiliki mekanisme transpor proton yang berbeda sebagaimana yang ditunjukkan oleh adanya perbedaan frekuensi ambang. Namun, masuknya gugus karboksimetil mengakibatkan membran CC menjadi rapuh, memiliki kestabilan termal yang lebih rendah, dan memiliki permeabilitas metanol yang lebih besar daripada membran kitosan. Peningkatan performa, terutama sifat mekanik dan fuel barrier masih perlu dilakukan supaya membran ini dapat bersaing dengan Nafion.
Ketertarikan yang besar akan polimer elektrolit fuel cell akan meningkatkan baik harga dan performa. Pengembangan dapat dicapai di saat di mana motif dan penerapan yang mendekati harga yang dapat diterima pasar. Operasi dari PEFC membrane electroda assembly dan cell tunggal dibawah kondisi yang sama dengan laboratorium untuk transportasi atau pemberhentian penerapan yang dapat dioperasikan untuk lebih dari 20.000 jam berkelanjutan dengan degradasi nilai antara 4 sampai 6 (V/hr atau berkisar 0.67 sampai 1.0 persen per 1000 jam), yang mana
mendekati nilai degradasi yang dibutuhkan untuk aplikasi yang tetap ( kira – kira 0.1persen per 1000 jam digunakan sebagai aturan ). Sistem fuel cell yang lengkap telah diujikan pada beberapa alat transportasi publik seperti bus umum dan mobil berpenumpang. Untuk aplikasi yang tak berubah, sebuah sistem yang diujikan telah dikembangkan dan beberapa sistem telah ditempatkan, hampir mencapai 2 sampai 10 kW. Bagaimanapun, Meski sistem ini mempunyai kandungan berjuta – juta kWh, pengembang belum dapat menunjukkan sistem ini atau tetap menyala lebih dari 8.000 jam dengan beban katalis dan kondisi operasi katalis, dan kemudian dengan degradasi nilai dari beberapa persen per 1000 jam. Konsekuensinya, pengembang PEFC dan peneliti memfokuskan diri dalam pencapaian kemajuan dalam memperpanjang nilai hidup, sistem integrasi sederhana dan penurunan dari biaya sistem.
2.2. Elektroda
PEMFC
Elektroda PEMFC Elektroda PEMFC adalah struktur 3 dimensi yang komplex yang terdiri daribermacam-macam bahan yang berbeda dalam campuran yang heterogen. Banyak teknologi yang telah dikembangkan untuk menghasilkan susunan dengan kemampuan yang ditingkatkan. Biasanya memiliki tebal lapisan 10-50
m, terdiri dari katalis
Platina Hitam (Platina yang bercampur dengan karbon) yang terikat dengan Nafion atau dipasang dalam pendukung pada pendifusi gas. Pendukung itu pada umumnya kertas karbon atau kain karbon (serat karbon yang dijadikan suatu material yang seperti kain) itu bertindak sebagai suatu saluran pengambil arus dan gas. Pendukung itu sering dipasang untuk membantu manajemen air di dalam sel. Nafion di dalam lapisan katalisator diawalai dari sebuah larutan Nafion yang dicampur dengan dengan katalisator sebelum persiapan electroda atau menambahkan setelah lapisan katalisator sudah dibentuk. Tujuan utamanya untuk menyediakan suatu medium untuk menkonduksikan proton di dalam lapisan katalisator, karena hanya pada bagian Pt yang berada dalam kontak ion dengan membrane itu dapat aktif untuk oksidasi atau reduksi bahan bakar (pada umumnya hidrogen) atau oksidan (pada
umumnya oksigen). Tujuan dari PTFE adalah untuk mengikat jadi satu partikelpartikel electroda dan untuk membantu di dalam pengelolaan air. Katalisator, Nafion dan PTFE pada umumnya dicampur bersama-sama dengan air dan alkohol untuk membentuk suatu tinta. Tinta ini yang kemudian dipercikan, disikatan dan diterapkan atau bahkan dicetak kelayar pendukung. Baru-baru ini, beberapa metoda-metoda kepemilikan telah dilaporkan di mana campuran katalisator diterapkan secara langsung ke membrane. Pada umumnya, electroda-electroda diikatkan dengan menggunakan panas kepada masing-masing sisi dari membrane itu untuk merakit Membrane Electrode Assembly (MEA). Ukuran yang tipis (sekitar 75-300 µm) dan massa yang kecil dari MEA itu adalah keuntungan utama suatu PEMFC. Suatu tumpukan sel bahan-bakar terdiri dari beberapa MEA (2 atau lebih) secara elektris yang dihubungkan secara urut oleh platplat yang berkutub dua. Plat yang berkutub dua bertindak sebagai suatu koneksi elektrik antara MEA dan juga secara phisik memisahkan gas-gas komponen reaktan. Suatu diagram yang menurut bagan suatu 3-sel PEMFC tumpukan ditunjukkan pada gambar dibawah:
Plat berkutub dua memiliki medan alir ke masing-masing sisi untuk mendistribusikan gas-gas komponen reaktan sepanjang seluruh bidang dari electroda. Medan alir yang paling umum membentuk adalah berkelok-kelok. Ada banyak riset untuk mengoptimasi desain medan alir fuel-cell. Anoda PEMFC
Anoda PEMFC pada umumnya terdiri atas suatu katalisator Pt, yang manapun Pt hitam atau Pt di suatu karbon penyokong. Kutub positip ini bekerja baik sekali ketika hidrogen yang murni digunakan, tetapi ruang simpan dan infrastruktur mengeluarkan hidrogen buatan satu bahan bakar yang merepotkan untuk menyediakan. Untuk mengatasi semua masalah ini, hidrogen dapat dihasilkan in situ dengan mencampurkan dengan bahan bakar lain ( metanol, propane, gas-alam, etc.). Sebagai contoh, metana (gas) dapat dicampur dengan uap air untuk menghasilkan hidrogen: CH4 + H2O 3H2 + CO Bagaimanapun juga, mereformasi gas seperti diatas juga mempunyai suatu kelemahan yang utama adalah dihasilkannya karbon monoksida (CO) yang dapat meracuni suatu katalisator Pt yang dapat menutupi permukaannya, memblok aktif, sehingga tidak terjadi elektro-oksidasi hidrogen, dan menghilangnya arus elektrik. Ada satu kerugian kinerja yang tak dapat diterima ketika meskipun hanya 10ppm CO masuk di dalam campuran bahan bakar. Untuk mengurangi kadar CO dapat menggunakan cara “water-gas shift reaction” : CO + H2O H +2 CO2 Meski setelah menggunakan reaksi “water-gas shift reaction”, kadar CO lebih besar dari 2500 ppm. Selama pengolahan gas (cth. oksidasi selektif, methanation) diwajibkan untuk mengurangi kadar CO, tetapi reaktor-reaktor ini mahal. Metanol juga dapat dicampur dengan uap air dengan cara: CH3OH + H2O 3H2 + CO2 Meski pencampuran metanol dengan uap air tidak menghasilkan CO secara langsung, CO masih dihasilkan oleh reaksi kebalikan dari “water-gas shift”. Katode PEMFC Reaksi reduksi oksigen (RRO), adalah suatu reaksi multi electron yang terdiri dari banyak langkah-langkah dasar, menyertakan kedua rangkaian seri dan paralel. Umumnya diterima bahwa reduksi oksigen itu di Pt (dalam keadaan asam) terjadi via
dissosiasi adsorpsi O2 yang diikuti oleh proses protonasi dari jenis yang diserap. Ini adalah reatsi RRO dalam Pt dalam keadaan asam:
Reaksi diatas juga digunakan untuk pengaturan jarak partikel Pt optimal (dan ukuran), dan ini sangat penting. Jalan reaksi yang rumit dari reaksi RRO memperlambat kinetika dari elemen elektrokimia. Ukuran dari tingkat satu reaksi elektrokimia adalah kerapatan arus pertukarannya (jo). jo untuk ORR di Pt adalah 105 kurang dari jo untuk oksidasi hidrogen pada Pt. Ini dikarenakan oleh perbedaan yang sangat besar pada aktivitas di katode yang
kebanyakan mempengaruhi kinerja
hydrogen/ sel bahan-bakar udara. Oleh karena itu, tingkatkan aktivitas katode menjadi suatu fokus yang utama untuk pengembangan electroda PEMFC. Untuk meningkatkan aktivitas katode, yang pertama-tama harus dilakukan adalah meningkatkan pemanfaatan katalisator. Hal ini tidak hanya akan meningkatkan kinerja tetapi dapat juga mengurangi jumlah Pt yang diperlukan, sehingga dapat menekan biaya. Dengan maksud untuk menjadi elektrokimia yang aktif, jalan untuk elektron,proton dan transport gas harus semuanya ada. Bidang yang aktif dari Pt adalah pada umumnya diukur menggunakan Cyclic Voltammetri (CV) di dalam larutan elektrolit asam. Sebuah area yang lebih besar (per massa dari Pt) sebagai tanda suatu bidang aktif yang lebih besar. Satu metoda sangat sukses untuk meningkatkan pemanfaatan katalisator untuk mempekerjakan suatu karbon pendukung katalisator Pt. Pada umumnya, partikelpartikel Pt (3-10 nm) disebarkan secara elektronis sehingga tercampur dengan sempurna dengan partikel-partikel karbon, ca. (0-50 nm). Karbon penyokong yang ideal seharusnya memiliki stabilitas kimia/electrokimia yang tinggi, daya konduksi elektronik baik, dan suatu ukuran luas permukaan dan pori yang sesuai dengan tinggi pendistribusi. Jenis dari karbon yang memiliki sifat-sifat paling baik untuk menjadi penyokong katalisator fuel-cell adalah karbon hitam. Ada beberapa jenis-jenis dari karbon hitam komersiil yang telah dipelajari untuk digunakanuntuk keperluan ini, Vulcan XC72 (Cabot Corp.) adalah yang paling umum digunakan.
Direct Methanol Fuel-Cell (DMFC) Anode Oksidasi MeOH adalah suatu proses yang rumit dan mempunyai banyak langkah-langkah dan terjadi banyak reaksi intermediate antara. Katalisator terbaik untuk memudahkan proses oksidasi ini adalah Pt, bagaimanapun, hasil reaksi intermediate yaitu CO betul-betul menyerap dan oleh karena itu meracuni katalisator Pt. CO Ini hanyadapat tersingkir ketika ada jenis yang dioxigenasi terjadi di permukaan Pt. Masih ada banyak debat menyangkut bagaimana sifat yang tepat terbentuknya CO pada reaksi intermediate (CO-intermediate). Meski demikian, mekanisme itu dapat secara umum diwakili sebagai berikut: 1 2 3 Ketika air hadir, jenis yang dioksigenasi hanya yang ada di permukaan Pt (via persamaan 2) ketika potensi itu adalah lebih besar dari 0,5 -0,6 V79,80 Potensial lebih yang besar ini mengakibatkan kerugian-kerugian kinerja yang berat. Temperaturtemperatur yang lebih tinggi meningkatkan tingkat oksidasi metanol dan perpindahan dari CO-intermediate karenanya dibutuhkan temperatur-temperatur dari 60-100°C. Untuk mengurangi pengaruh peracunan, suatu katalisator yang bimetalik dapat digunakan. Menurut sejarah, hanya sedikit logam telah menunjukkan hasil yang positif, Ru-lah yang paling efektif, meskipun Sn dan Mo juga menjanjikan. Sekarang ini, Pt-Ru adalah katalisator bimetalik paling efektif yang digunakan untuk oksidasi MeOH. Mekanisme yang disederhanakan untuk oksidasi metanol yang menggunakan Pt-Ru adalah sebagai berikut:
4 5
6
Keuntungan utama dari Pt-Ru adalah bahwa/karena itu menurunkan potensi oksidasi MeOH (yang dibandingkan dengan hanya menggunakan Pt) .Ini adalah karena jenis yang dioksigenasi membentuk di Ru (via persamaan 5) pada potensi-potensi yang lebih rendah dan Ru juga mengurangi jumlah dari CO intermediate yang dibentuk di Pt. Tambahannya, Ru juga suatu logam mulia dan oleh karena itu jauh lebih stabil dibanding kondisi operasi yang lain di bawah kondisi operasi DMFC. Katoda Aktivitas katode adalah sesuatu yang sangat penting, tetapi sering kali diabaikan, bagian dari suatu DMFC. Pemakaian suatu larutan metanol-air memberi umpan di kutub positip, dan pemotongan jalannya menuju ke dalam kompartemen katode, dapat menyebabkan suatu pengurangan yang drastis di dalam aktivitas katode. Metanol (atau bahan organik yang lain) akan dioksidasi di katode. Hal ini menciptakan sebuah “campuran” potensial elektroda yang akan lebih rendah dari potensi standar dalam reduksi oksigen. Sebagai contoh, jika metanol hadir dikonsentrasi 0,01 M di katode, itu akan menyebabkan suatu pengurangan 300mV di dalam potensial electroda. Katalisator katode Pt yang diracuni oleh CO-intermediate dapat juga terjadi, mengurangi aktivitas katode dari waktu ke waktu. Tambahan pula, pemotongan dari air dari umpan anode ke katode itu dapat menyebabkan penggenangan. Ini sering terjadi dengan terjadinya peningkatkan tingkat aliran udara. Bagaimanapun, dari suatu sudut pandang disain sistem, aliran udara yang lebih tinggi bukanlah diinginkan seperti mereka akan memerlukan suatu pump/compressor lebih tangguh dan mengurangi efisiensi sistem secara menyeluruuh. Untuk menyelesaikan sebagian dari masalah ini, pertama-tama dapat mengoptimalkan komposisi elektroda. Ketinggian pembebanan Pt dapat digunakan untuk mengurangi kerugian tegangan yang dicampur. Secara umum, suatu derajat tingkat yang besar dari hidrofobisitas adalah yang disatukan ke dalam lapisan katalisator katode dan dukungan untuk membantu perpindahan air. Riset untuk mengembangkan katalisator-katalisator metanol sedang berjalan.
2.2. GAS DIFFUSION LAYERS Lapisan difusi gas (GDL) merupakan salah satu komponen terpenting dalam sel bahan bakar, yang fungsinya mencakup berbagai operasi: untuk menyediakan lintasan akses reaksi dan produk hasil penghilangan air, untuk menghasilkan listrik dan panas antara komponen sekitar, dan memberikan dukungan untuk MEA. Perangkat GDL sangat tergantung pada tekanan kompresi. Pada kenyataannya tekanan kompresi dalam GDL adalah tidak homogen karena struktur saluran adalah plat bipolar. Namun, kajian teoritis ini biasanya memiliki efek, dan biasanya terdapat kesalahan adalah dalam model. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan wawasan sebenarnya efek kompresi dari ketidak homogennya GDL menggunakan pendekatan teori dan percobaan. Evaluasi dari percobaan adalah properti yang berhubungan dengan mesin GDL, permeabilitas gas, dan di-pesawat-pesawat melalui konduktivitas listrik, tahanan kontak listrik antara komponen sel bahan bakar, sebagian besar konduktivitas termal massal dan tahanan kontak termal.. Semua parameter dievaluasi sebagai fungsi kompresi ketebalan GDL. Hal ini ditemukan kompresi konduktivitas listrik GDL yang meningkat tetapi konduktivitas termal tidak terpengaruhi. Tahanan listrik, tahanan kontak dan gas permeabilitas menurun secara nonlinear akibat dari kompresi. Model studi yang dilakukan menerapkan parameter percobaan yang dievaluasi sistematis untuk penyelidikan dari efek yang tidak homogeny dari kompresi. Ditemukan bahwa ketidak homogennya kompresi tidak berpengaruh pada perilaku polarisasi dan transportasi fase massa gas. Namun, efek pada saat ini kepadatan distribusi ini jelas. Hal ini disebabkan oleh perubahan selektifif pada proses, yang ditentukan oleh kombinasi dari komponen konduktivitas kontak dan tahanan antara mereka. Meskipun saat ini sangat tidak merata dan bervariasi dalam ukuran distribusi bahan oleh ketidakhomogennya kompresi, suhu profil ini bahkan lebih dari cukup area aktif, bertentangan dengan prediksi dalam studi sebelumnya. Studi ini menunjukkan bahwa distribusi kepadatan tinggi saat ini disebabkan oleh ketidak homogennya kompresi dari GDL yang memiliki efek signifikan terhadap kinerja daya tahan sel.
2.3
GAS DIFFUSION ELECTRODE
GDE - Gas Difusi elektroda, sebuah GDE
memungkinkan transfer elektronik
langsung dari fasa gas ke atau dari fasa padat . Gde yang juga memberikan jalan untuk tfansfer ion , hanya ion kritis yang bias melewatinya. Perakitan Elektroda sering diawali dengan arus listrik yang didukung oleh kain karbon, kertas karbon, atau serbuk logam. Suatu lapisan wet-proofing pada karbon hitam sering ditambahkan gasu ntuk mendukung ini atau "web." Tergantung pada akhir penggunaan elektroda, lapisan-lapisan tambahan dari wet-proofing ditambahkan.akhirnya,suatu lapisan katalis yang akhir dapat diterapkan. BASF sel bahan bakar, mahir dalam konstruksi pemasangan ini, serta produksi dari katalisator khusus yang mendukung perpindahan electron.
Gas difusi elektroda adalah elektroda penghubung dengan zat padat, cair dan gas antarmuka, dan suatu pendukung katalisator untuk pelaksanaan elektrik suatu reaksi elektrokimia antara cairan dan fasa-gas. Terutama di dalam sel bahan-bakar, di mana oksigen dan hidrogen bereaksi di gas diffusion electrode menjadi air, selagi merubah energi ikatan kimia ke dalam energi elektrik. biasanya katalisator menggunakan suatu kertas perak yang menyerap, sehingga cairan dan gas itu dapat saling berhubungan. Di samping karakteristik pembasahan tersebut, gas diffusion electrode juga memeberikan konduktivitas eltrik yang optimal, dengan memungkinkan suatu transfer electron dengan hambatan ohmic yang rendah. yang terakhir bukan berarti tidak penting yaitu pemilihan katalisator yang sesuai juga sangat penting.dalam larutan electrolit yang acid biasanya digunakan katalisator yang terbuat dari logam mulia seperti platinum,ruthenium,iridium,dan rhodium. Di dalam larutan electrolit yang bersifat alkali seperti baterai seng-udara biasanya bekerja dengan menggunakan katalisator yang murah seperti karbon, mangan, atau perak.
Aplikasi Pada mulanya, gas diffusion electrode dirancang untuk sel bahan-bakar. Di tahun 1950-an, sel bahan-bakar utama adalah jenis Bacon, yaitu mengubah karbon pada
temperatur yang tinggi ke dalam listrik. Kemudian riset sel bahan-bakar berkonsentrasi pada konversi hidrogen, oleh karena kereaktifan nya yang tinggi. Dari tahun ke tahun, gas diffusion electrode telah sesuai berbagai proses-proses yang lain seperti:
Seng-udara baterai sejak 1980
Nikel-logam hydride baterai sejak 1990
Elektrolisa air dan dimulai pada 2008
Chlor-Alkaline-elektrolisa dimulai pada tahun 2009
Kontemporer gas difusi elektroda (GDEs) menggunakan bidang permukaan tinggi untuk mendukung
permukaan logam katalisator, serta bahan-bahan padat yang
memiliki permeabilitas gas yang tinggi. Gambar 1 menunjukkan suatu sket dari suatu GDE terdiri dari karbon hitam dan PTFE mendorong melawan terhadap suatu pengambil arus yang menyerap. Gas bisa melewati pori-pori yang berliku-liku di dalam assembly atau Teflon ® dukungan. PTFE yang hidrofobik menghalangi larutan yang mengandung air dengan sepenuhnya menembus struktur tetapi dengan adanya karbon hitam masih bisa dilewati oleh larutan elektrolit.
Meski mengarahkan
elektrokimia di suatu jenis yang berupa gas masih dibatasi oleh daya larut cairan gas,lapisan solusi dapat dianggap sebagai meniscus dan tipis sehingga mampu mendukung sangat tinggi sehingga harga gas bisa ditingkatkan.
Untuk program sel bahan bakar, tambahan satu kemajuan melibatkan penghapusan elektrolit cair. Pada 1957 Grubb menyadari bahwa cairan elektrolit dalam Gde dapat
diganti dengan yang solid, ionic polimer konduktif
9.
.jadi,Dengan demikian,
pemasangan ektroda-elektrolit terdiri dari polimer elektroda dan pertukaran ionPolimer yang diproduksi. Pemasangan ini dengan berbagai cara disebut "MEAS" untuk perakitan elektrode membran, "SPEs" untuk solid-polimer elektrolit, atau "PEMs" proton untuk pertukaran membran. Kami akan menggunakan "Gde" dengan arti Pemasangan mirip dengan Gambar 1 dan "MEA" dengan arti pemasangan elektroda langsung diletakkan pada membran ionically.
Mengapa Mempekerjakan GDEs atau langkah sebagai sensor? Karena pengukuran-pengukuran pembangkit yang ada, luas permukaan electroda dapat satu keuntungan..Seperti yang terlihat pada Gambar 1, luas permukaan yang tidak bisa dipisahkan di dalam kebanyakan GDEs dan MEAs dapat mengarah kepada suatu pembesaran dan mengakibatkan amplifikasi yang nyata saat ini hingga sekitar 100 kali yang diperoleh pada suatu bidang padanan geometris sederhana. Kedua tegangan dan arus saat ini mengukur sensor yang didapatkan dari sebuah proses dengan memasukkan gas-cair siap-antarmuka solid ke dalam elektroda elemen itu sendiri. Kerugian yang terbatas oleh daya larut gas dalam elektrolit oleh Selisih yang sangat tipis dari lapisan difusi yang sangat tipis dibentuk dengan permukaan elektroda yang dibasahi. Lapisan tipis ini dapat mendukung pengaliran gas yang sangat tinggi. Konduktivitas berbasis sensor dapat juga diuntungkan dengan sebuah lapisan tipis "solid elektrolit" sebagai bagian dari sensor suatu unsur. Metoda elektroforesis mampu menghasilkan electroda difusi gas dengan kinerja yang baik. Electroda yang besar dapat dengan mudah dihasilkan dengan metoda ini. Electroda difusi gas dapat dengan murah dihasilkan, karena proses menjadi sederhana
MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY Membrane electrode assembly (MEA) adalah sebuah lembaran tipis yang merupakan gabungan dari elektrolit (membran), elektroda (carbon paper) dan katalis. Katalis dan elektroda ditempelkan berhimpitan pada kedua sisi membran sebagai sisi anoda dan katoda. (G. Hoogers, 2003)
Gb. MEA Komponen MEA berfungsi untuk memisahkan setengah reaksi reduksi dan oksidasi. Membran ini melewatkan elektron untuk dapat bereaksi secara penuh dan juga memaksa elektron untuk melalui saluran eksternal. Sementara lapisan katalis berfungsi untuk menstimulasi masing-masing setengah reaksi tersebut. GDL berfungsi meningkatkan efisiensi sistem dengan membuat akses langsung dan terhadap bahan bakar serta oksidan pada lapisan katalis. Energi dihasilkan ketika anoda dan katoda tersambung. Selanjutnya karena ada perbedaan energi potensial antara kedua kutub tersebut, timbul reaksi kimia. Reaksi kimia ini menghasilkan electromotive force atau gaya elektromotoris yang menghasilkan arus listrik. Dengan kata lain reaksi terjadi karena adanya pertemuan antara hidrogen dan oksigen melewati gas diffusion layer (GDL) sebagai pencampur.
Membran yang umumnya digunakan dalam MEA ini adalah nafion. Nafion adalah jenis membran yang terbuat dari bahan polimer khusus yaitu perfluoroalkyl sulfonated ionomer
membrane.
Nafion
mempunyai
kemampuan
sangat
baik
dalam
menghantarkan ion H+ dari anoda ke katoda dan mencegah elektron untuk mencapai katoda.
Nafion
cenderung
dipilih
sebagai
polymer
electrolyte
membrane
dibandingkan jenis lain karena memiliki konduktivitas ion yang tinggi sehingga dapat mencegah kehilangan energi karena hambatan ohmic dan menjaga agar power density pada sel tetap tinggi sehingga dapat meningkatkan reaktifitas bahan bakar. Kendala yang sering terjadi pada nafion adalah harganya yang sangat mahal karena hanya bisa diperoleh dari luar negeri dan juga kontrol kelembaban yang susah. Selain itu, jika diaplikasikan pada DMFC, nafion menjadi tidak stabil terhadap adanya karbon monoksida. Yang umum digunakan adalah Nafion Pem Nafion 112, 115, 117, 105. Pada MEA ini digunakan katalis Pt-C 20%, sedangkan membran yang digunakan adalah
Membran sintetis kopolimer tanpa aditif
Membran kopolimer dengan penambahan aditif SiO2
Membrane kopolimer dengan penambahan aditif P2O5
Membran nafion sebagai parameter
Pengukuran kinerja MEA dilakukan dengan mengukur power density maksimal pada kurva polarisasi fuel cell, menghitung laju reaksi sel secara total dan diffusivitas membran.
MEA dengan membran nafion, mempunyai power density maksimal sebesar 1,3012×10E-03 watt/cm2 dan diffusivitas sebesar 3,727×10E-07 cm2/s.
MEA dengan membran kopolimer tanpa aditif, mempunyai power density maksimal sebesar 0,1720×10E-03
watt/cm2 dan diffusivitas sebesar
4,8761×10E-08 cm2/s.
MEA dengan membran kopolimer dengan aditif SiO2, mempunyai power density maksimal sebesar 0,7490×10E-03 watt/cm2 dan diffusivitas sebesar 2,2189×10E-07 cm2/s.
MEA dengan membran kopolimer dengan aditif P2O5, power density maksimal sebesar 2,3490×10E-03
watt/cm2 dan diffusivitas sebesar
6,2090×10E-07 cm2/s. Ketebalan membran dalam membran elektroda assembly dapat berbeda sesuai dengan jenis membrane. Ketebalan lapisan katalis tergantung pada berapa banyak platinum (Pt) digunakan dalam setiap elektroda. For catalyst layers containing about 0.15 milligrams (mg) Pt/cm
2
, the thickness of the catalyst layer is close to 10
micrometers (µm)—less than half the thickness of a sheet of paper. Untuk lapisan katalis yang mengandung sekitar 0,15 milligrams (mg) Pt /
2
cm, ketebalan lapisan
katalis adalah untuk menutup 10 micrometers (µm)-kurang dari setengah ketebalan lembaran kertas. This membrane/electrode assembly, with a total thickness of about 200 µm (or 0.2 mm), can generate more than half an ampere of current for every square centimeter of assembly area at a voltage of 0.7 volts, but only when encased in well-engineered components—backing layers, flow fields, and current collectors. Membrane ini / elektroda assembly, dengan total ketebalan sekitar 200 µm (atau 0,2 mm), dapat menghasilkan lebih dari setengah amper untuk setiap sentimeter persegi dari kawasan berkumpul di sebuah tegangan dari 0,7 volt, tetapi hanya ketika encased baik di - rekayasa komponen-backing lapisan, aliran kolom, dan saat ini kolektor. 2.4 FLOW FIELD Bagian
luar dari lapisan permukaan gas difusi layer merupakan suatu
perangkat yang disebut lempengan dwipolar yang biasanya sebagai media aliran dan kumpulan ailran. Dalam satu sel bahan bakar, kedua lempeng flow field adalah komponen terakhir dari membuat sel bahan bakar. Plat ini dibuat ringan, kuat, kedapgas, bahan electron, grafit atau logam yang umum digunakan, meskipun komposit plat yang sekarang sedang dikembangkan.
fungsi pertama yang dilakukan oleh masing-masing plat adalah untuk menyediakan gas "media aliran". Saluran ini menjadi bagian samping plat lapisan gas difusi. Saluran ini membawa gas reactant dari tempat dimana gas memasuki sel bahan bakar ke tempat di mana gas keluar. Pola aliran dalam plat (baik kelebaran dan kedalaman saluran) memiliki dampak besar pada bagaimana reactant gas tersebar di seluruh wilayah aktif pada membran / elektroda assembly. Desain flow field juga akan mempengaruhi pasokan air ke membran dan penghilangan air dari katoda. Setiap plat juga bertindak sebagai pengumpul aliran. Elektron yang dihasilkan oleh oksidasi hidrogen harus (1) dialirkan melalui anode, melalui lapisan gas difusi, di sepanjang tumpukan, dan melalui plat sebelum electron dapat keluar sel; (2) perjalanan melalui lintasan eksternal, dan (3) dimasukkan kembali sel di plat katoda. Dengan penambahan medan aliran dan pengumpulan aliran , sel bahan bakar PEM menjadi lengkap, hanya sebuah beban yang berisi sirkuit eksternal, seperti sebuah motor listrik, diperlukan untuk mengalirkan arus listrik. system aliran
Perbedaan antara CO-FLOW dan COUNTER-FLOW
Tugas tugas komponen itu anda ketahui. Lapisan electrode gunanya apa dalam fuel cell
