PHOSPHORIC ACID FUEL CELL

MAKALAH TEKNOLOGI HIDROGEN DAN FUEL CELLPHOSPHORIC ACID FUEL CELL (PAFC)

Disusun Oleh :Janu Ganang PrakosoI 0512030Rifka Intan PuspitaI 0512051Steffy Devi Intan P.P.I 0512059Yusup Maulana SaptediI 0513051

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERRSITAS SEBELAS MARETSURAKARTA2015

DAFTAR ISI

Judul1Daftar Isi2BAB I PENDAHULUAN3BAB II PHOSPHORIC ACID FUEL CELL4Pengertian PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)4Prinsip Dasar PAFC5Komponen-komponen PAFC7Kelebihan dan Kekurangan PAFC8Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja PAFC9Aplikasi PAFC11Daftar Pustaka

BAB IPENDAHULUAN

Fuel Cell atau sel bahan bakar adalah sebuah device elektrokimia yang mengubah energi kimia ke energi listrik secara kontinu. Pada sebuah baterai biasa, energi kimia yang diubah oleh sebuah sel adalah tetap. Jika bahan bakar (fuel) dan oksidan di baterai telah habis, maka baterai tersebut harus di ganti atau di isi ulang (charge). Perbedaan mendasar sebuah sel bahan bakar dengan baterai biasa ditentukan dengan supply bahan bakar (oksidan) ke dalam sel. Pada sel bahan bakar, energi dipasok terus menerus, hal ini tidak ubahnya dengan sebuah mesin yang memerlukan bahan bakar untuk mengubah dari energi kimia menjadi energi mekanik. Sedangkan pada sel bahan bakar, energi yang dihasilkan langsung menjadi energi listrik.Layaknya sebuah baterai, segala jenis fuel cell memiliki elektroda positif dan negatif atau disebut juga katoda dan anoda. Reaksi kimia yang menghasilkan listrik terjadi pada elektroda. Selain elektroda, satu unit fuel cell terdapat elektrolit yang akan membawa muatan-muatan listrik dari satu elektroda ke elektroda lain, serta katalis yang akan mempercepat reaksi di elektroda. Umumnya yang membedakan jenis-jenis fuel cell adalah material elektrolit yang digunakan. Arus listrik serta panas yang dihasilkan setiap jenis fuel cell merupakan produk samping reaksi kimia yang terjadi di katoda dan anoda (Sriyono, 2012)Jenis dari pada fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada sekitar 7 jenis fuel cell yaitu: Alkaline (AFC), Proton exchange membrane / proton elektrolyt membrane (PEM), Phosphoric Acid (PAFC) Molten carbonate (MCFC), Solid oxide (SOFC), Direct methanol fuel cell (DMFC), dan Regenerative fuel cellDari berbagai jenis fuel cell yang ada, pada makalah ini akan dibahas lebih mendalam tentang phosphoric acid fuel cell (PAFC). Pada sel bahan bakar ini menggunakan elektrolit asam fosfat.

BAB IIPHOSPHORIC ACID FUEL CELL

2.1 Pengertian PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)PAFC adalah sel bahan bakar yang pertama kali dikomersilkan yang kemudian dikembangkan pada pertengahan 1960-an berupa stabilitas, kinerja, dan biaya serta telah teruji lapang pada 1970-an. Phosphoric Acid Fuel cell merupakan sel bahan bakar yang menggunakan asam fosfat liquid sebagai elektrolit. Elektrolit yang digunakan berkonsentrasi tinggi atau asam fosfat liquid (H3PO4) jenuh dalam matriks silikon karbida (SiC). Rentang operasi adalah sekitar 150 sampai 210 C. Elektroda terbuat dari kertas karbon dilapisi dengan katalis platinum yang terdispersi dengan baik. Asam fosfat dalam larutan berair berdisosiasi mejadi ion fosfat dan ion hidrogen; ion hidrogen (H+) berperan sebagai pembawa muatan.

H3PO4 H+ + H2PO4-

Asam fosfat merupakan bahan kimia yang stabil dan mudah di kendalikan. Asam fosfat juga mempunyai tekanan uap yang sangat rendah pada temperatur operasi 2000C (473K). Ini menunjukkan bahwa asam fosfat dalam lapisan elektrolit tidak dapat dengan mudah mengalami discharged dari bahan bakar bersama dengan sel pembuangan gas, meskipun bahkan pada menit tersebut mengalami discharge, yang dapat mengakibatkan degradasi kinerja sel dalam jangka panjang (Sotouchi et al, 2004).Jumlah unit yang dibangun melebihi teknologi sel bahan bakar lainnya, dengan lebih dari 85 MW yang telah diuji, sedang diuji, atau sedang dibuat di seluruh dunia. Sebagian besar kisaran kapasitas yang dihasilkan 50 sampai 200 kW, tetapi untuk aplikasi yang besar dapat meghasilkan 1 MW dan 5 MW. Pabrik terbesar dioperasikan sampai saat ini mencapai 11 MW. Efisiensi PAFC ini rendah sekitar 40% - 50%, tetapi sudah mulai dikomersialkan untuk menghasilkan listrik 200 kW sampai dengan 11MW.

2.2 Prinsip Dasar PAFCPrinsip kerja fuel cell merupakan kebalikan proses elektrolisa, dimana hidrogen direaksikan dengan oksigen dan menghasilkan listrik. 2H2 + O2 2H2O Pada anoda, asam dari elektrolit, hidrogennya terionisasi menghasilkan elektron dan ion hidrogen (proton). Gambar 2.1 Struktur dasar fuel cell (Dewi, 2009)

Reaksi ini akan membebaskan energi.2H2 4H+ + 4e-Sementara di katoda, oksigen bereaksi dengan elektron yang diambil dari elektroda dan proton (ion hidrogen) membentuk air. O2 + 4e- + 4H+ 2H2OAsam fosfat dalam larutan air terdisosiasi menjadi ion fosfat dan ion hidrogen (H+ ) bertindak sebagai pembawa muatan H3PO4 H+ +H2PO4 Asam fosfat secara kimiawi stabil, dan mudah untuk dikendalikan. Ia juga memiliki tekanan uap yang sangat rendah pada suhu operasi 200 C (473 K). Ini berarti asam fosfat di lapisan elektrolit tidak dapat dengan mudah keluar dari sel bahan bakar bersama-sama dengan gas buang sel, meskipun dalam jangka panjang terjadi degradasi kinerja sel (Sotouchi, et al, 2005). Seperti halnya prinsip dasar fuel cell, gambaran umum kinerja PAFC ditampilkan dalam gambar 2.2.

Gambar 2.2 Mekanisme Kerja PAFC (www.iit.edu)

1. Bahan bakar hidrogen disalurkan ke anoda, di sisi lain oksigen dari udara disalurkan ke katoda.2. Pada anoda, katalis platinum menyebabkan hidrogen terpecah menjadi ion hidrogen bermuatan positif (proton) dan elekron bermuatan negatif. H2 2H+ + 2e-3. Elektrolit hanya memperbolehkan proton untuk melewati katoda. Sementara elektron bergerak menuju sirkuit eksternal menuju katoda. Pergerakan elektron ini mampu menghasilkan arus listrik.4. Pada katoda, kombinasi proton dan elektron dengan oksigen menghasilkan air yang mengalir keluar sel. Produk lain adalah sisa panas, yang dalam beberapa aplikasi dipakai dan digunakan kembali. O2 + 2H+ + 2e- H2OReaksi secara keseluruhan:H2 + O2 H2O Suhu operasi pada PAFC antara 150 dan 2000C (Carrette et al, 2001).Voltase ideal pada PAFC dapat dihitung dengan persamaan Nernst:

Dimana, E adalah voltase ideal E0 adalah voltase ideal pada tekanan standar, F adalah konstanta Faraday, Pref adalah tekanan referensi, Pi dan Xi adalah tekanan parsial dan fraksi molar dari spesies i.

Ketika tekanan total bervariasi dari P1 ke P2, hubungan kenaikan voltase pada persamaan Nernst adalah:

Sulfur merupakan senyawa lain yang bisa ada pada gas anoda, namun sejak bahan bakar, sebelum masuk ke anoda biasanya diproses terlebih dahulu dalam reaktor. Sulfur harus dihilangkan sebelum masuk ke prosesor bahan bakar. Tingkat toleransi sel bahan bakar biasanya lebih tinggi daripada prosesor bahan bakar, sulfur biasanya disimpan untuk operasi sel. Chin dan Howard (1986) melaporkan bahwa pengaruh H2S adalah mereduksi sisi aktid dari Pt. Reaksi yang terjadi:Pt + HS- Pt-HSads + ePt-H2Sads Pt-Hsads + H+ + ePt-Hsads Pt-Sads + H+ + e

2.3 Komponen-Komponen PAFCPAFC terdiri dari sepasang elektroda berpori (elektroda bahan bakar dan elektroda udara) terbentuk dari bahan karbon. Diantara elektroda tersebut, terdapat lapisan elektrolit yang terdiri dari matriks terimpregnasi dengan larutan asam fosfat berkonsentrasi tinggi.Pada lapisan katalitik dari elektroda terjadi reaksi yang terdiri dari bahan karbon, partikel katalis logam (minute metal catalyst particles), dan water repellant material sehingga reaksi gas dan elektrolit dipertahankan efektif. Tegangan yang diperoleh dari sel bahan bakar tunggal 0,6-0,8 V atau lebih, dalam kekuatan yang sebenarnya beberapa ratus sel ditumpuk dan dihubungkan secara seri, membentuk sub unit yang disebut "sel stack." Dalam reaksi elektrokimia hidrogen dengan oksigen terjadi pelepasan energi sehingga menghasilkan panas. Dengan demikian cooling plate disisipkan antara sel-sel bahan bakar secara bertahap dan pendingin dilewatkan untuk mempertahankan suhu operasi sel sekitar 200 C (473 K) (Sotouchi, et al, 2005).

Tabel 2.1 Komponen-Komponen PAFC

(Sumber: Zehra, H., 2010)

2.4 Kelebihan dan Kekurangan PAFCAdapun kelebihan dari PAFC antara lain: Limbah panas yang berguna untuk on-site aplikasi Radiator kecil untuk aplikasi kendaraan Toleransi yang baik untuk karbon monoksida dalam bahan bakar gas. Asam fosfat dapat mentoleransi adanya karbon monoksida sebesar 1,5%. Toleransi terhadap kelembaban rendah reaktan.Sedangkan kelemahan dari PAFC antara lain: Platinum dibutuhkan sebagai katalis Kinerja sel rendah dari PEMFC Berat dan volume yang lebih besar dari PEMFC Elektrolit cair yang dapat bermigrasi

2.5 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja PAFCAdapun faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja PAFC yaitu:1. TekananPeningkatan tekanan operasi sel meningkatkan kinerja PAFC. Perubahan teoritis tegangan (VP) sebagai fungsi dari tekanan (P) adalahdinyatakan sebagai:

dimana

di mana P1 dan P2 adalah tekanan sel yang berbeda. Data eksperimental melaporkan bahwa efek dari tekanan pada kinerja sel pada 190 C dan 323 mA/cm2 berkorelasi dengan persamaan:

Untuk rentang suhu 1770C < T < 2180C dan rentang tekanan 1 atm < P < 10 atm.Membaiknya kinerja sel pada tekanan yang lebih tinggi dan kepadatan arus tinggi dapat dikaitkan dengan polarisasi difusi rendah di katoda dan peningkatan sel reversibel potensial. Selain itu, tekanan udara menurun aktivasi polarisasi pada katoda karena peningkatan tekanan parsial oksigen dan air. Jika tekanan parsial air diperbolehkan untuk meningkat, konsentrasi asam yang lebih rendah akan dihasilkan. Hal ini akan meningkatkan konduktivitas ionik dan membawa pertukaran densitas arus yag lebih tinggi. Hasil bersih adalah pengurangan ohmik.2. TemperaturPeningkatan suhu memiliki efek menguntungkan pada performa sel karena aktivasi polarisasi, polarisasi perpindahan massa, dan kehilangan ohmik berkurang. Kinetika untuk reduksi oksigen pada peningkatan Pt dengan meningkatnya suhu sel. Pada rentang operasi (~250 mA/cm2), peningkatan voltase dengan meningkatnya suhu pada H2 murni dan udara, dihubungkan dengan:

Untuk rentang suhu 1800C < T < 2500C.Meskipun suhu hanya memiliki efek minimal pada H2 reaksi oksidasi pada anoda, itu adalah penting dalam hal jumlah CO yang dapat diserap oleh anoda. Peningkatan suhu meningkatkan kinerja sel, tetapi suhu tinggi juga meningkatkan sintering katalis, korosi komponen, degradasi elektrolit, dan penguapan.3. Komposisi Reaktan Gas dan PenggunaannyaPeningkatan pemanfaatan gas reaktan atau penurunan hasil konsentrasi inlet menurunnya sel kinerja karena meningkatnya polarisasi konsentrasi. Efek ini terkait dengan tekanan parsial gas pereaksi.Oksidan: Komposisi oksidan dan pemanfaatan merupakan parameter yang mempengaruhi kinerja katoda, udara, yang mengandung ~ 21% O2, adalah oksidan yang jelas untuk aplikasi PAFC. Polarisasi pada katoda meningkat dengan peningkatan O2 pemanfaatan.4. KetidakmurnianKonsentrasi pengotor yang memasuki PAFC relatif sangat rendah untuk reaktan gas, namun dampaknya terhadap kinerja adalah signifikan. Beberapa pengotor (misalnya, senyawa sulfur) berasal dari bahan bakar gas memasuki prosesor bahan bakar dan dibawa ke dalam sel bahan bakar dengan direformasi bahan bakar, sedangkan yang lain (misalnya, CO) yang diproduksi dalam prosesor bahan bakar. Karbon Monoksida: Kehadiran CO dalam bahan bakar yang kaya H2 memiliki pengaruh yang signifikan pada kinerja anoda karena CO mempengaruhi katalis Pt pada elektroda. Penyerapan CO dilaporkan muncul dari penggantian ganda dari satu molekul H2 oleh dua molekul CO pada permukaan Pt.Senyawa yang mengandung sulfur: Pengotor hidrogen sulfida dan karbonil sulfida (COS) dalam bahan bakar gas dari prosesor bahan bakar dan gas batu bara dapat mengurangi efektivitas katalis sel bahan bakar. Konsentrasi senyawa ini juga harus dibatasi dalam pengolahan bahan bakar pembangkit listrik, karena reformasi bahan bakar juga memiliki katalis. Akibatnya, sulfur harus dikeluarkan sebelum reformasi bahan bakar. Tingkat konsentrasi H2S dalam operasi PAFC (190-2100C; 9,2 atm; 80% H2; pemanfaatan