SEL BAHAN BAKAR (FUEL CELL) Harry S. Dachlan

Fuel Cells

The Promise of Fuel Cells “A score of nonutility companies are well advanced toward developing a powerful chemical fuel cell, which could sit in some hidden closet of every home silently ticking off electric power.” Theodore Levitt, “Marketing Myopia,” Harvard Business Review, 1960 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id Theodore Levitt, “Marketing Myopia,” Harvard Business Review, 1960

Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Bagian-Bagian sel bahan bakar ANODA Posting negatif dari sel bahan bakar. Melalukan elektron yang dibebaskan dari molekul hidrogen sehingga mereka dapat digunakan dalam sebuah sirkuit eksternal. Saluran yang berupa goresan menyebarkan gas hidrogen di atas permukaan katalis. KATODA Positif posting dari sel bahan bakar Saluran tergores mendistribusikan oksigen ke permukaan katalis. Melalukan elektron kembali dari sirkuit eksternal menuju katalis Bergabung kembali dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air. ELEKTROLIT Merupakan membran pertukaran proton. Material ini berfungsi khusus, hanya melalukan ion bermuatan positif. Membran mem-blok elektron. KATALISATOR Bahan khusus yang memfasilitasi reaksi oksigen dan hidrogen Biasanya terbuat dari bubuk platinum sangat tipis dilapisi kertas karbon atau kain. Kasar & berpori memaksimalkan luas permukaan yang terkena hidrogen atau oksigen Sisi katalis yang dilapisi platinum bertemu dengan PEM tersebut. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Operasi Sel Bahan Bakar Gas hidrogen bertekanan (H2) memasuki sel di sisi anoda. Gas dipaksa melalui katalis dengan tekanan. Ketika molekul H2 datang dan menyentuh katalis platinum, akan terbagi menjadi dua ion H + dan dua elektron (e-). Elektron dilalukan melalui anoda Membuat jalan mereka melalui sirkuit eksternal (melakukan pekerjaan yang berguna seperti menyalakan motor) dan kembali ke sisi katoda dari sel bahan bakar. Di sisi katoda, gas oksigen (O2) dipaksa melalui katalis Membentuk dua atom oksigen, masing-masing dengan muatan negatif yang kuat. Muatan negatif menarik dua ion H + melalui membran. Selanjutnya melakukan kombinasi dengan atom oksigen dan dua elektron dari sirkuit eksternal untuk membentuk molekul air (H2O). 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Proton-Exchange Membrane Cell How a fuel cell works: In the polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, also known as a proton-exchange membrane cell, a catalyst in the anode separates hydrogen atoms into protons and electrons. The membrane in the center transports the protons to the cathode, leaving the electrons behind. The electrons flow through a circuit to the cathode, forming an electric current to do useful work. In the cathode, another catalyst helps the electrons, hydrogen nuclei and oxygen from the air recombine. When the input is pure hydrogen, the exhaust consists of water vapor. In fuel cells using hydrocarbon fuels the exhaust is water and carbon dioxide. Cornell's new research is aimed at finding lighter, cheaper and more efficient materials for the catalysts and membranes. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id http://www.news.cornell.edu/releases/Nov03/Fuelcell.institute.deb.html

Bagaimana sebuah sel bahan bakar bekerja Dalam membran polimer elektrolit (PEM) sel bahan bakar, juga dikenal sebagai sel membran proton-tukar, katalis di anoda memisahkan atom hidrogen menjadi proton dan elektron. Membran di tengah mengangkut proton ke katoda, meninggalkan elektron dibelakang. Elektron mengalir melalui sirkuit ke katoda, membentuk arus listrik untuk melakukan pekerjaan yang berguna. Pada katoda, katalis lain membantu elektron, inti hidrogen dan oksigen dari udara bergabung kembali. Ketika input adalah hidrogen murni, maka keluarannya terdiri dari uap air. Dalam sel bahan bakar yang menggunakan bahan bakar hidrokarbon keluarannya adalah air dan karbon dioksida. Penelitian baru yang dilakukan oleh Cornell bertujuan untuk menemukan bahan yang lebih ringan, lebih murah dan lebih efisien untuk katalis dan membran. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

PEM Fuel Cell Animation Click on Diagram 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Fuel Cell Stack Tomorrow, hydrogen's use as a fuel for fuel cells will grow dramatically-for transportation, stationary and portable applications. (PlugPower 5-kW fuel cell (large cell), H2ECOnomy 25-W fuel cell (small silver cell), and Avista Labs 30-W fuel cell). 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id http://www.nrel.gov/hydrogen/photos.html

Efisiensi Sel Bahan Bakar Hidrogen Efisiensi konversi metanol ke hidrogen dalam reformer: 40% Efisiensi dari energi hidrogen diubah menjadi energi listrik: 80% Efisiensi dari konversi energi listrik ke energi mekanik untuk inverter / motor: 80% Secara keseluruhan efisiensi : 24-32% 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Perbandingan Efisiensi Auto Power Teknologi Efisiensi sistem Sel Bahan Bakar 24-32% Batere listrik 26% Mesin BBM 20% Maybe you are surprised by how close these three technologies are. This exercise points out the importance of considering the whole system, not just the car. We could even go a step further and ask what the efficiency of producing gasoline, methanol or coal is. Efficiency is not the only consideration, however. People will not drive a car just because it is the most efficient if it makes them change their behavior. They are concerned about many other issues as well. They want to know: Is the car quick and easy to refuel? Can it travel a good distance before refueling? Is it as fast as the other cars on the road? How much pollution does it produce? This list, of course, goes on and on. In the end, the technology that dominates will be a compromise between efficiency and practicality. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id http://www.howstuffworks.com/fuel-cell.htm/printable

Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar Yang Lain Sel Bahan Bakar Alkaline (AFC) Ini adalah salah satu desain tertua. Telah digunakan dalam program luar angkasa AS sejak tahun 1960-an. AFC sangat rentan terhadap kontaminasi, sehingga membutuhkan hidrogen murni dan oksigen. Hal ini juga sangat mahal, jadi ini jenis sel bahan bakar tidak mungkin dikomersialkan. ? Sel Bahan Bakar Asam Fosfat (PAFC) Sel bahan bakar asam fosfat memiliki potensi untuk digunakan dalam sistem pembangkit tenaga listrik stasioner kecil. Ini beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan sel bahan bakar PEM, sehingga memiliki waktu pemanasan yang lebih lama. Hal ini membuatnya tidak cocok untuk digunakan dalam mobil. ? 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar Yang Lain Sel Bahan Bakar Oksida padat Merupakan sel BB yang paling cocok untuk pembangkit listrik stasioner skala besar yang dapat menyediakan listrik untuk pabrik atau kota. Jenis sel bahan bakar iniberoperasi pada suhu yang sangat tinggi (sekitar 1.832 F, 1.000 C). Suhu yang tinggi ini berpotensi membuat masalah, tetapi juga memiliki keuntungan, yaitu uap yang dihasilkan oleh sel BB dapat disalurkan ke turbin untuk menghasilkan listrik lebih banyak. Hal ini dapat meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem. Sel Bahan Bakar Karbonat Molten (MCFC) Sel-sel bahan bakar jenis ini paling cocok untuk pembangkit listrik sta-sioner besar. Sel BB ini beroperasi pada 1.112 F (600 C), sehingga dapat menghasilkan uap yang dapat digunakan untuk menghasilkan lebih banyak daya. Sel BB ini memiliki suhu operasi yang lebih rendah dari SOFC, sehingga tidak membutuhkan bahan lain. Hal ini membuat desain yang sedikit lebih murah. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Advantages/Disadvantages of Fuel Cells Water is the only discharge (pure H2) Disadvantages CO2 discharged with methanol reform Little more efficient than alternatives Technology currently expensive Many design issues still in progress Hydrogen often created using “dirty” energy (e.g., coal) Pure hydrogen is difficult to handle Refilling stations, storage tanks, … 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Keuntungan dan Kerugian Sel Bahan Bakar Air yang diperlukan hanya untuk mengambil H2 murninya saja. Kerugian CO2 habis dengan reformasi metanol Efisiensi masih rendah. Saat ini teknologinya masih mahal. Banyak desain yang masih dalam proses Hidrogen sering dibuat dengan menggunakan energi "kotor" (misalnya, batu bara) Hidrogen murni sulit untuk ditangani, seperti mengisi ulang stasiun, tangki penyimpanan, ... Dll. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id

Sel Bahan Bakar (Fuel Cells)

Fuel Cell Energy Exchange Hydrogen and oxygen can be combined in a fuel cell to produce electrical energy. A fuel cell uses a chemical reaction to provide an external voltage, as does a battery, but differs from a battery in that the fuel is continually supplied in the form of hydrogen and oxygen gas. It can produce electrical energy at a higher efficiency than just burning the hydrogen to produce heat to drive a generator because it is not subject to the thermal bottleneck from the second law of thermodynamics. It's only product is water, so it is pollution-free. All these features have led to periodic great excitement about its potential, but we are still in the process of developing that potential as a pollution-free, efficient energy source (see Kartha and Grimes). 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/electrol.html

PEM Fuel Cell Schematic Figure 5. In a proton−exchange−membrane fuel cell, hydrogen and oxygen react electrochemically. At the anode, hydrogen molecules dissociate, the atoms are ionized, and electrons are directed to an external circuit; protons are handed off to the ion−exchange membrane and pass through to the cathode. There, oxygen combines with protons from the ion−exchange membrane and electrons from the external circuit to form water or steam. The energy conversion efficiency of the process can be 60% or higher. 9/18/2018 harrysd@ub.ac.id