BAB IV DESAIN STAK FUEL CELL 4.1 Sistem Sel bahan bakar Meskipun sel bahan bakar memproduksi listrik, fuel cell juga memerlukan sistem daya integrasi yang besar melebihi fuel cell stack itu sendiri, untuk fuel cell hanya akan menghasilkan daya DC tertentu dan memanfaatkan proses bahan bakar. Berbagai system komponen dapat dimasukan ke dalam system daya yang memungkinkan untuk sistem operasi konvensional dengan bahan bakar, untuk mengikat daya AC ke dalam kotak, dan sering, menolak untuk memanfaatkan panas tinggi untuk mencapai efisiensi. Dalam bentuk yang belum sempurna, daya fuel cell terdiri dari sistem prosesor fuel cell, power kondisioner dan cogeneration atau bottoming yang berpotensi untuk memanfaatkan panas yang ditolak. 4.2 Spesifikasi tumpukan Sel bahan bakar
Stack fuel cell di sini adalah ukuran dengan menentukan standar motor tegangan dan menghubungkan banyak fuel cell secara seri untuk menghasilkan tegangan yang diinginkan. Densitas Maksimum berdasarkan pada sifat membran, tetapi dapat ditingkatkan dengan memilih luas permukaan sel yang lebih besar. Untuk jumlah yang diberikan daya output, sebuah fuel cell yang berukuran besar mempunyai jumlah daya yang berarti sistem daya lebih sering beroperasi dengan fraksi yang lebih rendah dari daya maksimum sehingga memiliki tegangan dan efisiensi yang tinggi. Di sisi lain, fuel cell tersebut sangat mahal dan tidak efisien dari bentuk sangat keseluruhan perspektif membuat fuel cell berat dan mahal tumpukan, terutama kendaraan yang memiliki daya maksimun sangat jarang diperlukan. Namun, untuk memberikan yang berakhir, maksimum kotor adalah output daya 5,9 kW untuk memandu standar perkotaan (5,6 kW bersih dari parasit daya).
4.4 Karakteristik Stack Jenis PEM fuel cell yang terbaik untuk saat ini, dan banyak lainnya pada kendaraan aplikasi. Langkah selanjutnya adalah bagaimana untuk membuat karakteristik fuel cell yang lebih besar sehingga diperlukan untuk pasokan daya yang diminta. Hal ini dilakukan pertama untuk perbandingan dengan diterbitkan overviews dari mobil berdaya fuel cell, dan kedua dengan lebih rinci, model-model berdasarkan Tekonologi pembuatan fuel cell, Inc (DTI) studi. 4.5 Published automobile fuel cell stack Pertama kali, karakteristik PEM fuel cell stack diperkirakan berdasarkan studi untuk mobil. Menurut PNGV (Kemitraan untuk Generasi Baru Kendaraan dari pemerintah/industri kolaborasi) dari massa dan berat fuel cell stack diperkirakan mencapai 0,35 kW / kg dan 0,35 kW / L, sekitar tahun 2000, menjadi eksklusif dari sistem penolong seperti radiator dan blower. Sumber yang sama menetapkan 0,5 kW / L dan 0.5 kW / kg pada tahun 2004. Untuk 5.9 kW sistem pembelajaran menterjemahkan ke dalam 12 kg dan 12 L. Namun, perlu dicatat bahwa Ballard mencapai 1 kW / L pada awal tahun 1996. PNGV menetapkan pada tahun 2004, bahwa dari 50 $ / kW netto tenaga listrik untuk sistem fuel cell (tumpukan dan alat pembantu) berkisar dengan harga $ 150 / kW. Oleh karena itu, di lima tahun mendatang untuk sistem 5,6 kW, biaya diperkirakan serendah-rendahnya sebesar $ 280 jika sistem yang digunakan pada skala bawah seperti sepeda motor (scooter). Hal ini tergantung pada penurunan biaya yang signifikan dari harga saat ini, yang berada pada urutan $ 1000/kW. Menurut Ogden et. al. mensurvei harga perkiraan dalam literatur ditemukan kisaran harga dari $ 33 hingga $ 100 per net kW untuk fuel cell stack dan $ 10 hingga $ 20 per kW untuk peaking daya baterai. Rentang biaya diperkiraan $ 185 - $ 560 untuk 5.6 kW fuel stack pada scooter.
Detailed construction (Rincian konstruksi) Mesin fuel cell terbuat dari beberapa sel elektrik dan terhubung dalam boxshaped "stack". Oksigen dan hidrogen harus dibawa ke membran di mana mereka dapat bereaksi, sedangkan membran tersebut harus dijaga tetap basah agar dapat menghasilkan ion-ion hidrogen (proton). Surplus air harus didorong keluar dari stack, dan limbah panas harus dikeluarkan dari stack untuk menghindari panas yang terlalu tinggi yang dapat mengakibatkan kerusakan pada membran. Sel yang terbuat dari elektrik arus listrik grafit atau logam, yang dirancang seri menjadi tegangan dari setiap sel tumpukan di atasnya yang sama sehingga dapat mengalir melalui seluruh tumpukan. Hidrogen dan oksigen mengalir dalam manifold 107 biasanya dibangun di bagian samping stack, dan dibagi menjadi umpan secara paralel ke dalam tiap-tiap sel sedangkan air dan gas yang terkumpul di dalam manifold harus dikeluarkan ke lingkungan (air dapat didaur ulang untuk melembabkan gas yang masuk). Pada dasarnya, setiap fuel cell di stack berisi MEA, atau membran elektroda assembly, yang terdiri dari konduksi ion-polimer dengan membran elektroda yang terpasang berbentuk lembaran di bagian samping. Oksigen dan hidrogen disalurkan ke masing-masing katoda dan anode dalam bidang plate yang berada di samping elektroda. Hal ini dapat dipisahkan di dua plate, masing-masing mendapatkan satu elektroda ( "unipolar" design), atau satu plate pada kedua bidang aliran yang dapat digunakan untuk dua elektroda (“bipolar” design"). Membran yang sudah dilewati oleh ion-ion hidrogen tetapi tidak bersifat listrik yang harus melakukan konduksi listrik ke plate, bersamaan dengan proses tersebut air, hidrogen, atau oksigen tidak diperbolehkan untuk menembus membran.
Studi dari DTI memeriksa sejumlah pilihan membran aktif dari luar permukaan 116 cm2 hingga 697 cm2, dan dihitung biaya dan massa untuk masing-masing subkomponen yang menggunakan desain untuk manufaktur dan teknik assembly ( "DFMA"). Empat kemungkinan sel desain menurut studi DTI yaitu:
Unitized stainless steel (unitized stainless steel)
Tiga potong stainless steel (three-piece stainless steel)
Amorphous karbon (amorphous carbon)
Karbon-komposit polimer (carbon-polymer composite)
Tiga potong stainless steel sel banyak dipilih karena diperkirakan memiliki umur pemakaian jangka panjang. Pada dasarnya, model dibangun dari bawah ke atas, bukan hanya dari extrapolasi dari ukuran otomotif kendaraan, meskipun beberapa angkanya masih berdasarkan model otomotif. MEA dari model DTI memiliki ketebalan total 70 µm. MEA terdiri dari 5 µm komposit membran, 28 µm tebal lapisan elektroda (ini terdiri dari elektroda platinum yang terdapat pada karbon hitam yang dibawa pada inert ionomer, dan kemudian 25 µm elektrik dari arus listrik backing berporos, terbuat dari kertas karbon dengan fluoropolymer untuk menghilangkan akumulasi air). Sekarang, membran memiliki ketebalan antara 50 µm - 127 µm untuk jenis nafion, dan serendah-rendahnya 25 µm untuk versi baru Gore membran. Sebuah prediksi bahwa ukuran membran 5 µm adalah sedikit agresif meskipun model dari DTI memiliki ketebalan yang sangat tipis, hal ini untuk mengurangi beban biaya, tetapi tidak untuk ukuran stack. Saat ini separator plate terbuat dari grafit, yang sudah di konduktivitas listrik dengan kapasitas rendah tetapi tahan terhadap korosi yang disebabkan oleh potensi elektrokimia dalam sel. Namun, saat ini sangat mahal untuk aliran mesin ke luas permukaan
graphit, dan grafit itu sendiri tidak murah. Mesin graphit separator plate saat ini biayanya sebesar 200 $ / kW. Harga mendatang diperkirakan serendah-rendahnya 5 $ / kW, dan akan lebih murah jika bahan pilihan tersebut termasuk arus listrik polimer, amorphous karbon dan logam dengan anticorrosive Coatings. Tiga potong sel desain yang dipilih yaitu : di setiap sel aktif, satu plat logam pemisah dihubungkan dengan dua plate pemisah, unipolar plate dengan aliran kolom.
51 µm pemisah plat
76 µm aliran anode
1000 µm anode paking
70 µm MEA
76 µm aliran katoda
1000 µm katoda paking
(diulangi kembali dengan plat pemisah berikutnya, total tebal 2,3 mm)
Setiap sistem memerlukan pendinginan secara berkala. Sel pendingin yang memungkinkan aliran coolant ke dalam stack, dan pada dasarnya aliran kolom yang hanya melalui aliran air. Sel tersebut terbuat dari elektrik konduktif stainless steel untuk memperbolehkan pengaliran secara bersamaan. Alasan yang sama untuk menggunakan sel pendingin dengan desain sederhana. Sel tiga potong logam dingin terdiri dari :
51 µm pemisah plate
76 µm aliran coolant
1000 µm paking
(diulangi kembali dengan plat pemisah berikutnya, total tebal 1.1 mm)
Tipe Saluran Design Stack Aliran plate biasanya memiliki arus hubungan pada permukaan. Bentuk saluran
mungkin berbeda pada anoda dan katoda. Arus pada arah elektroda mungkin juga berbeda dengan satu sama yang lain. Selain itu juga untuk aliran searah, aliran berlawanan arah dan juga pola aliran-aliran yang lain. Pemilihan dan optimasi yang bentuk bidang aliran dari dua kutub plate sangat mempengaruhi kinerja dari PEMFC, khususnya melalui pengolahan air dan distribusi gas ke elektroda. Di samping itu pemilihan bentuk dasar, yang merekat dari saluran dan rangka stack dan juga di daerah antara saluran harus dipertimbangkan. Besarnya saluran akan mempengaruhi rangka stack efektifitas gas difusi dan pengaturan air khususnya pada katoda. Kemampuan dari membran untuk menahan perbedaan tekanan juga tergantung pada besarnya saluran.
a. Saluran berbentuk berkelok-kelok
Gambar 1. The Serpentine Channel Geometry Salah satu jenis saluran yang sederhana banyak digunakan di prototipe sel dimana satu-satunya bentuk saluran yang berkelok-kelok (Gambar 1). Jenis saluran ini hanya ada satu jalan untuk aliran gas di saluran plate, dan banyak air yang terkumulasi dalam saluran itu sehingga dengan cepat didorong keluar dari dalam sel. Perlu diperhatikan bahwa, ketika gas masuk melalui saluran sel dari tumpukan yang terhubung dalam konfigurasi paralel ada beberapa jalur untuk aliran gas. Penemuan optimasi untuk kinerja saluran jenis ini telah diungkapkan oleh Watkins dkk, (1991) bahwa pemilihan ukuran yang digunakan berkisar antara :
1.14 - 1.4 mm untuk saluran lebar.
0.89 - 1.4 mm untuk dasar yang lebar.
1.02 - 2.04 mm untuk saluran dalam.
b. Saluran berbentuk konfigurasi paralel lurus dan berkelok-kelok
Gambar 2. The Parallel Channels Geometry
Gambar 3. The Parallel Serpentine Channels Geometry Saluran berbentuk konfigurasi paralel lurus atau berkelok-kelok (gambar 2 dan 3) mempunyai keuntungan yang memungkinkan tekanan rendah yang hilang dalam satu saluran. Sedangkan kerugiannya adalah banyak bagian plate yang berbeda arah aliran sehingga dapat mengakibatkan distribusi air tidak efektif karena adanya kemungkinan arus distribusi yang tidak merata di dalam saluran paralel tersebut. Bila saluran paralel digunakan, biasanya jumlah tiap-tiap saluran besar akan melintasi bagian dari setiap saluran yang kecil dan saluran yang melintasi kumpulan distribusi aliran yang besar. Dalam stack yang kecil, pasokan udara ke katoda mungkin harus dicapai oleh konveksi
udara bebas atau dengan bantuan sebuah kipas kecil. Saat ini metode yang biasa digunakan untuk memasok udara adalah jenis katoda dengan saluran paralel lurus. Saluran akan melanjutkan ke tepi-tepi plate dan berakhir ke udara luar yang terbuka. c. Saluran berbentuk putus-putus
Gambar 4. The Discontinuous Channels Geometry Saluran terputus-putus (gambar 4) telah diusulkan sebagai solusi yang baik untuk peningkatan difusi gas di lapisan difusi Wilson, (1997). Dari jenis ini, saluran yang terputus-putus akan mendorong gas ke dalam lapisan difusi dan memfasilitasi pemindahan air. Transportasi gas di dalam lapisan difusi harus dipaksa karena tidak bisa melakukan konveksi bebas. d. Saluran berbentuk spiral
Gambar 5. Spiral Channel Geometry
Saluran bentuk spiral (gambar 5) merupakan alternatif menarik yang diusulkan oleh Kaskimies, (2000). Ia menggabungkan secara efektif untuk mengeluarkan air dari satu bentuk saluran yang mempunyai keuntungan yaitu saluran tersebut berisi air bersih dan kotor dalam gas katode yang berdampingan. Hal ini berpotensi untuk menghasilkan distribusi oksigen dan air yang banyak hanya dengan satu lintasan berkelok. Optimasi ukuran dari saluran bentuk dasar mempunyai beberapa persyaratan. Pada umumnya masalah yang sering timbul banyak memerlukan pertimbangan pada sisi katoda. Beberapa masalah umum tersebut yaitu :
Berkurangnya lebar dari rangka stack antara saluran lintasan air dan gas masuk dan keluar dari bagian MEA di bawah rangka stack. Genangan pada katoda terlihat pertama kali terjadi di bawah daerah rangka stack dari plate (Djilali & Lu, 1998). West dan Fuller (1996) memaparkan hasil serupa, menunjukkan bahwa rangka yang lebar memiliki efek yang kuat pada kondisi banjir. Namun, ketika kawasan permukaan total rangka menurun, permukaan tekanan terdesak oleh rangka tersebut pada lapisan difusi gas yang meningkat, dapat berdampak pada difusi gas yang negatif.
Penurunan bagian lintasan dari saluran akan meningkatkan kecepatan aliran gas, yang harus membuat pemindahan air lebih efektif.
Kehilangan tekanan dalam saluran gas dapat membantu menghindari tetesan-tetesan air. Untuk alasan ini, Büchi dkk. (1996) merekomendasikan kehilangan tekanan 10 - 30 mbar di setiap saluran pada sisi katoda. Kerugian yang tampak, dapat menghilangkan tekanan meningkat sehingga efisiensi sistem berkurang karena konsumsi daya dari sistem pasokan udara akan meningkat.
Meningkatnya saluran yang lebar dapat menghilangkan tekanan yang rendah di saluran tetapi hal ini dapat menyebabkan distribusi gas yang tidak merata (Thirumalai dkk., 1995). Selain itu, bagian permukaan MEA pada daerah saluran tidak dapat menerima dukungan mekanis yang memadai dan risiko kegagalan membrane yang meningkat.
Meningkatnya saluran dalam juga dapat menghilangan tekanan yang rendah, namun dengan meningkatnya ketebalan pada dwipolar plate menyebabkan densitas pada tumpukan akan rendah.
Sel stokiometri yang sedang dioperasikan akan menghilangkan tekanan yang dapat mempengaruhi densitas. Detailed construction result ( Rincian hasil konstruksi ) Hasil ini terangkum di bawah ini untuk tiga ukuran fuel cell stack, masing-masing panjang 56 sel untuk menutup total tegangan 48 V.
Hal ini adalah jangka panjang harga yang dihasilkan. Sebagai perbandingan, saat ini stack Ballard 37 kW memiliki daya densitas 1.1 kW / L dan 0,8 kW / kg, sehingga hasil di atas tidak terlalu diinginkan. Untuk tujuan perbandingan simplistik dari model DTI hasil fuel cell untuk mesin otomotif memberikan biaya lebih rendah dari $176, $125, dan $96 sekitar dibawah 20 % - 30 %.
Pengaturan Aliran Gas Untuk menambahkan stack itu sendiri, diperlukan beberapa subsistem dalam pembangkit tenaga listrik fuel cell. Salah satu yang paling penting adalah subsistem aliran gas. Oksigen dan hidrogen yang diperkenalkan masuk dalam sistem fuel cell memerlukan kecepatan alir yang tepat untuk suatu waktu pada momen tertentu, gas ini memerlukan variable sistem aliran jika Stoikiometri tetap konstan. Bahkan dalam sebuah sistem tekanan atmosfer, tekanan diatas atmosfer diperlukan agar gas dapat melalui pipa yang membelit dalam plate aliran dan memaksa cair dari air keluar pada lintasan yang sama. Tekanan tambahan ini berlangsung pada 0,1 ke 2,0 psi (0,7-13,8 KPA) di atas atmosfer sedangkan IFC (International Fuel Cells) pada0,8 psi. Kecepatan aliran minimum 0,35 m / s diperlukan untuk menghilangkan produk air, dan sebuah Pusat Penelitian Energi Schatz memperkiraan velocities aliran yang diizinkan adalah mencapai 7 m/s. Karena pada kenyataannya reaksi katoda jauh lebih lambat dibandingkan dengan reaksi anode, oksigen seringkali diberikan dalam jumlah yang besar daripada kecepatan alir stoikiometri. Rasio dari kecepatan udara untuk aliran arus minimum yang diperlukan untuk reaksi stoichiometric oksigen-hidrogen adalah 2.0 atau lebih tinggi agar konsentrasi oksigen di udara tidak turun terlalu banyak karena melewati dasar aliran,
dan kelebihan udara dapat membantu mendorong air produk yang dihasilkan di katoda dari sel bahan bakar. Saringan udara diperlukan untuk mencegah benda asing dari dibawa ke dalam fuel cell. Hidrogen diberikan terus menerus dalam rancangan yang diusulkan di sini. Ini berarti bahwa tidak ada jalan keluar ke sisi anode, tekanan hanya diperbolehkan untuk mengimbangi stack agar sesuai dengan tekanan regulator output. Konsumsi elektrochemical disesuaikan dengan pengganti yang berasal dari penyedia hidrogen. Hasilnya adalah 100% pemanfaatan hidrogen. Teknik ini hanya dapat digunakan untuk kendaraan hidrogen murni karena aliran anode dari reformasi hidrokarbon atau amoniak akan berisi inerts (N2, CO2, H2O) dan racun (CO) yang akan terbuang di akhir anode. Fuel cell masih memerlukan saringan sesekali untuk membersihkan impurities yang mungkin telah terbawa, ini melibatkan pembukaan keran anode exhaust untuk jangka waktu yang singkat dan memperkenankan hidrogen untuk mengalir secara langsung ke dalam atmosfer untuk waktu yang sangat singkat. Pemanfaatan efektif diabaikan kurang lebih 100% untuk alasan ini, meskipun dalam kajian kerugian ini diasumsikan diabaikan. Stack berjalan buka-tutup mempunyai pemanfaatan hidrogen sekitar 85% kecuali hidrogen murni akan didaur ulang. Blower Blowers digunakan dalam sistem atmosfer untuk menarik udara ke dalam fuelcell, tidak sesuainya perangkat yang diperlukan untuk hidrogen, karena pada saat ini semua desain hidrogen disimpan di bawah tekanan yang lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan operasi dari fuel cell dan memperluas pangsa pasar karena mengeluarkannya dari tempat penyimpanan atau memproduksi diatas tekanan atmosfer sebagai pembaharuan. Blower
biasanya bertenaga mesin elektrik dari output fuel cell, dengan baterai yang diperlukan untuk startup. Daya blower yang diperlukan adalah:
Dimana W adalah efisiensi blower. Untuk persyaratan daya dari 5 kW fuel cell (2,0 psi tekanan drop dan kecepatan alir 15,6 feet kubik per menit) dan 50% efisiensi blower konsumsi dayanya adalah 200 W. Dalam industri blower yang dapat digunakan untuk memberikan output yang diperlukan adalah Ametek 5,7" BLDC tiga tahap-blower, model 116638-08, dengan katalog harga jual sebesar $ 430,29. Kompresor Mengompresi udara masuk akan meningkatkan konsentrasi oksigen per volume per waktu, tekanan parsial yang efektive, sehingga meningkatkan efisiensi fuelcell. Ini berarti fuel cell yang kecil dan ringan dapat digunakan dengan menetapkan daya parasit yang diperlukan oleh kompresor dan peningkatan biaya. Selain itu, drop-off pada tegangan disebabkan oleh masalah transportasi massa yang terganggu hingga saat densities lebih tinggi. Manfaat lain dari tekanan tinggi untuk kecepatan molal yang sama, kecepatan aliran volumetric yang rendah dapat digunakan. Dengan demikian, kelembaban lebih mudah karena kurangnya air yang diperlukan untuk jenuh (per mol udara).disain bidang aliran kurang terbatas karena besarnya tekanan drop yang dapat ditoleransi di medan aliran. Karena sebagian besar teknik penyimpanan hidrogen melibatkan tekanan hidrogen, sehingga tidak akan sulit untuk mendapatkan pencocokan tekanan aliran hidrogen. Dalam banyak kasus seperti PEM dapat mentolerir sebuah perbedaan tekanan dari sekitar 0,5 bar untuk Nafion115,30.
Dalam system integreted terpadu, kompresor dapat menggerakkan mesin seperti turbocharger, menggunakan sebuah batang yang terpasang ke turbin berjalan keluar dari exhaust dari fuel cell. Hal ini memungkinkan pemulihan beberapa perluasan kerja. Di sisi lain, sistem boleh menjadi lebih sederhana jika daya kompresor hanya dengan sebuah motor listrik, dengan baterai terpisah untuk persiapan startup. Kompresor pada urutan 0.5-10 kW sulit untuk ditemukan dan umumnya tidak efesien. Departemen Energi memiliki tujuan dari 3 kg, 4 L, 68% efisiensi, dan $ 200 pada 70-80 gram / detik untuk turbocompressor 50 kW untuk sel bahan bakar system. Catatan ini adalah sepuluh kali kecepatan aliran yang diperlukan untuk kecepatan 5-6 kW, dan efisiensi menurun secara dramatis dengan "turndown" (beroperasi di bawah titik desain), sehingga efisiensi sebenarnya menjadi lebih rendah. Selain itu, untuk kecepatan aliran rendah melibatkan variabel kecepatan positif. Beratnya kompresor (bukan mesin turbo) biasanya digunakan dan efisiensi menjadi lebih rendah untuk alasan yang baik. DOE target yang ukuran dan bobot yang cukup rendah yang bermanfaat dalam tegangan, tetapi biaya akan signifikan bila dibandingkan dengan biaya total sistem. Manfaat sebenarnya dari kompresi untuk sistem kecepatan dianalisa bagian di 4/6 dalam sistem pemodelan chaoter. Pengaturan Air Air sangat penting untuk sel bahan bakar di elektroda dan elektrolit sehingga harus dijaga kondisi basah untuk memungkinkan konduksi proton melalui media asam. Air akan memasuki sistem dari kelembaban eksternal hidrogen atau aliran udara dan generasi di katoda dengan reaksi electrochemical. Hydrogen bonding mempunyai rata-rata 1-2,5 molekul air yang membawa bersama setiap proton bermigrasi dari anode ke katoda,peristiwa ini dikenal sebagai " electro-osmotic drag."
Aliran air dalam arah yang lain akan mendifusi kembali, karena konsentrasi air di dalam elektroda katoda jauh lebih tinggi daripada di elektroda anode. Sehingga air yang keluar dari sistem katoda berupa cairan atau uap air akan diserap habis. Bahaya yang terbesar adalah air yang mengering. Kekurangan air dapat mengeringkan elektroda atau membran, sehingga menimbulkan temperature yang terlalu panas (tinggi), kerugian dan kerusakan pada membran. Di sisi lain, jika terlalu banyak air akan terakumulasi pada elektroda sehingga dapat memblokir difusi gas ke dalam elektroda, mencegah disosiasi dan konversi keseluruhan ke listrik akan membutuhkan waktu yang lama. Penurunan densitas sering menyebabkan gejala flooding. Tegangan (efisiensi) merupakan aliran humidified yang lebih tinggi dibandingkan dengan unhumidified aliran reaktan. Dalam uji station, "external humidification” biasanya dicapai oleh reaktan yang menggelembung terus-menerus dalam sebuah reservoir air. Sedangkan IFC telah menunjukkan "internal humidification" dengan menyerap air di plat separator dalam dua kutub berporos, dan reservoir ini menggunakan air untuk memenuhi elektroda dan elektrolit. Berbagai macam metode telah diusulkan untuk mengeluarkan air dari katoda. Jika suhu dan aliran yang cukup tinggi, oxidant yang panas dapat menguap menjadi produk air dan membawa pergi sebagai uap air. Jika tekanan dan aliran yang cukup tinggi, secara fisik air akan mendorong keluar, walaupun aliran yang terlalu tinggi akan mengeringkan membrane dan anode. Akhirnya, akan terpisah jalan polimer hydrophilic yang dapat digunakan untuk "wick" (gambar dengan capillary action) sehingga air dari katoda kembali ke sisi anode, yang cenderung lebih cepat untuk mengering. Berjalannya sel bahan bakar akan berakhir jika tidak ada pasokan bahan bakar yang tidak dapat melembabkan arus anode, karena air dapat terakumulasi sehingga hidrogen tidak
terbentuk. Jadi, untuk mencegah arus anode mengering, maka aliran udara dimasukan untuk menjaga kelembaban yang melewati sumbu air pada wetted polymer dari reservoir, atau melalui water bottle. Pendifusian ulang diperbolehkan untuk membawa kembali uap air melalui membran ke anode, dan membran yang tipis akan lebih cepat dapat beroperasi melakukan difusi ulang. Jika suhu rendah, difusi ini cukup untuk dapat menghilangkan kebutuhan untuk humidification eksternal. Air dalam sel bahan bakar harus dilakukan proses deionized. Proses ini dapat dilakukan dengan mendorong air melalui filter atau hanya memasok penyediaan air ke vehicle dengan proses deionized. Dalam kasus di mana semua kebutuhan air disupply oleh proses kondensasi dan juga recycle dari produk air. Dalam scooter system tidak ada kondensor dan kipas pendingin, air hanya boleh digunakan sampai habis. Pengaturan Panas Direncanakan suhu operasi dari sel bahan bakar akan mempengaruhi berbagai faktor. Semakin tinggi suhu beroperasi akan menghasilkan penguapan air yang lebih banyak, sehingga banyak panas yang terbuang pindah ke panas laten dan mengurangi penguapan air dari sel bahan bakar. Temperatur Tinggi menyebabkan kinetik lebih cepat dan mendapatkan tegangan yang secara umum melebihi tegangan termodinamik negatif dari hubungan antara aliran terbuka antara tegangan dan suhu. Panas karena suhu tinggi dapat menyebabkan perbedaan besar antara suhu sel bahan bakar dan suhu ambient. Batas atas dari operasi untuk PEMFCs sekitar 90 oC (karena air dapat menguap pada permukaan membran) sehingga kerja dapat menurun dengan cepat dan menyebabkan terjadinya kerusakan permanen pada membran. Di Princeton dan berbagai tempat lain, membran dikembangkan dapat menahan suhu lebih tinggi yang dapat menangani daya
densitas PEMF. Usaha yang dilakukan dengan membuat elektrolit dari nafion dengan bahan yang tahan air dapat mencegah penguapan proton-gelas dan melakukan hydrated oxides dari silicon. Teknik lainnya adalah untuk menggantikan air dengan berbagai jenis nafion lebih tinggi yang mendidih pada titik 34. Tujuan utamanya adalah meningkatkan kadar CO tanpa kehilangan kinerja. Panas lain yang terkait dengan masalah ini adalah preheating dari saluran masuk udara dan hidrogen. Hal ini menguntungkan karena dapat mencegah banjir di bagian dalam yang paling dekat dengan udara masuk dimana suhu udara paling dingin dan memiliki konsentrasi oksigen yang tinggi sebelum udara kekurangan oxidant. Produksi air yang terbanyak terdapat pada katoda dan udara dingin dapat menyebabkan bertambahnya air supaya air berkurang dilakukan preheated. Dalam kondisi yang paling baik, sel bahan bakar beroperasi dengan efisiensi 50% yang dapat memproduksi 5.9 kW dari limbah panas yang signifikan untuk mengelola beban. Namun, rata-rata sel bahan bakar untuk kendaraan sepeda motor di dalam kota adalah satu siklus dari kesepuluh yang maksimal dan di tingkat ini daya efisiensi lebih tinggi dari beban maksimum. Pendinginan dapat dicapai melalui berbagai cara. Pertama, penguapan dari beberapa produk air di katoda yang menyerap panas. Kedua, pendinginan aktif dengan udara dapat digunakan untuk mentransfer panas ke radiator. Ketiga, pendinginan pasif dari sel bahan bakar dapat dilakukan dengan pendinginan fins dan panas sinks. Selanjutnya sel bahan bakar digabungkan dengan subsistem yang menyerap panas seperti turbin reheaters dan logam hydride kontainer. Pendinginan Aktif
Pemompaan suatu fluida pendingin (mis. Udara / air) melalui jalan lintasan/ bagian2 pendingin,dibawah tumpukan fuel cell akan memberikan banyak panas untuk dihilangkan. Panas ini akan menjadi tidak teratur pada sebuah radiator, lalu tambahan pula pada energy pemompaan, sebuah kipas akan dibutuhkan untuk menambah konveksi radiator. Memasukkan syarat-syarat tidak korosif pada fluida pendingin, sebuah pompa untuk mengedarkan fluida, sebuah radiator dan kipas pendingin radiator, sebuah penyaring ion dan sebuah tangki yang bergelombang. Beberapa peneliti di Institute Integrated Energy Systems dengan University Victoria memperkirakan bahwa tenaga yang dibutuhkan oleh tiupan kipas pada radiator yaitu 83 W untuk 5 kW Ballard Mark V stack Radiator. Pendinginan Pasif Penggunaan pendingin tanpa sebuah tenaga tiupan kipas sebenarnya tidak mungkin untuk mencapai ukuran lebih besar dari pada 50W karena luas permukaannya terbatas dan suhunya rendah yang mempunyai perbedaan maksimum antara 80 0C di Taiwan dapat lebih tinggi 40 0C. Bagaimanapun, ventilasi udara terpaksa didekatkan dengan bagian sel bahan bakar hal ini tepat dilakukan untuk sel-sel dari segi ratio, tenaga pada stack sel bahan bakar dapat ditunjukkan. Jumlah aliran udara pendingin yang dibutuhkan kurang daripada air pendingin disebabkan karena tingkat lanjutan (sirkulasi air) ditiadakan, serta berat dan volume dihemat karena tidak memiliki cell cooler diantara cell aktif. Penanganan lainnya, beberapa macam panas konduksi dibutuhkan untuk mengambil dari stack ke lingkungan dan juga kapasitas panas dari udara jauh lebih rendah dibandingkan air, dan ketika dipasangkan dengan sedikit perubahan temperatur dari sel bahan bakar untuk lingkungan hasilnya adalah transfer panas yang tidak baik. Titik Didih Refrigerant
Penggunaan putaran tertutup refrigerant yang mendidih di sel bahan bakar beroperasi pada temperatur 500C - 800C akan memberikan suatu perlakuan besar untuk pengambilan energi thermal dari stack. Di dalam penjumlahan, tekanan pendingin yang diuapkan (dalam sambungan dengan perbandingan katup) dapat digunakan untuk menggerakkan sirkulasi pendingin tanpa membutuhkan sebuah pompa dengan tujuan meminimalkan kerugian. Sebuah kipas akan mungkin dibutuhkan bahkan pada pengembunan (radiator), tetapi sebaliknya sistem akan mengutamakan control otomatis. Pendinginan aktif dengan siklus air pendingin lebih dipilih karena untuk mencukupi beberapa pendinginan. Udara pendingin tidak mungkin berhasil pada tumpukan sebesar 5.9 kW selama luas permukaan yang didapat rendah.
Daftar Pustaka Mennola, Tuomas, 2000, “Design and Experimental Characterization of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells”, Helsinki University Technology, Finland. NN, 2004, “The Hydrogen Fuel Cell Power System”, EG & G Technical Services Inc., West Virginia.
