Pada dasarnya, sel bahan bakar adalah perangkat yang secara langsung mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Sel bahan bakar tidak memerlukan pengisian ulang. Selama bahan bakar dan oksidan terus diisi ulang, sel bahan bakar dapat terus beroperasi dan menghasilkan listrik. Bahan bakar dan oksidan yang ditambahkan tidak mengalami reaksi pembakaran, tetapi reaksi elektrokimia antara bahan bakar dan oksidan untuk menghasilkan arus listrik.
Oleh karena itu, reaksi elektrokimia semacam itu disertai dengan pemindahan muatan akibat reaksi kimia. Elektron dan ion menyelesaikan pemindahan muatan melalui jalur reaksi yang berbeda. Selama proses reaksi sel bahan bakar, bahan bakar dan oksidan tidak dapat dicampur, tetapi masuk ke dalam sel bahan bakar secara terpisah, dan bereaksi secara individual di anoda dan katoda baterai.
Bahan bakar menghasilkan elektron setelah reaksi elektrokimia. Elektron mengalir ke elektroda lain melalui elektroda dan sirkuit eksternal untuk bereaksi dengan oksidan. Setelah oksidan menerima elektron, ia bereaksi dan mengalirkan ion melalui elektrolit dalam baterai, membentuk sirkuit untuk operasi elektron.
Unit inti dari sel bahan bakar umum terdiri dari tiga komponen dasar: anoda, katoda, dan elektrolit di antara kedua elektroda. Biasanya hidrogen digunakan sebagai bahan bakar dan oksigen digunakan sebagai oksidan. Bahan bakar dioksidasi di anoda dan oksigen direduksi di katoda. Sel bahan bakar terdiri dari unit inti yang dihubungkan secara seri untuk membentuk paket baterai berdaya lebih besar, atau disebut tumpukan baterai.
Umumnya, oksidan dapat berupa oksigen di udara, dan ion hidrogen serta elektron yang digunakan sebagai bahan bakar berasal dari anoda, dan elektrolit menghantarkan ion hidrogen. Setelah ion hidrogen diproduksi di anoda, ion tersebut mencapai katoda melalui elektrolit. Setelah elektron diproduksi di anoda, elektron tersebut memasuki peralatan listrik yang digunakan melalui sirkuit di luar baterai, dan kemudian kembali ke katoda baterai melalui ujung lain sirkuit listrik. Ketika elektron mengalir melalui peralatan listrik yang dimuat, peralatan listrik tersebut dapat beroperasi, seperti pembangkitan daya, mobil, pesawat terbang, dan pengoperasian motor.
Di antara anoda dan katoda, terdapat elektrolit yang dapat digunakan untuk menghantarkan ion. Secara umum, sel bahan bakar dapat diklasifikasikan menjadi sel bahan bakar alkali, sel bahan bakar asam fosfat, sel bahan bakar garam cair karbonat, sel bahan bakar oksida padat, sel bahan bakar membran pertukaran proton, dan sel bahan bakar langsung karena ion yang berbeda dihantarkan dalam elektrolit atau suhu operasi yang berbeda. Enam jenis termasuk sel bahan bakar metanol.
Laju reaksi elektrokimia bahan bakar dan oksidan dalam sel bahan bakar sangat rendah dan harus dipercepat oleh katalis, sehingga diperlukan katalis anoda dan katalis katoda. Mengambil sel bahan bakar elektrolit polimer sebagai contoh, mekanisme pembangkitan daya utama berasal dari Membrane Electrode Assembly (MEA), yang sering disebut sebagai jantung sel bahan bakar. Pada dasarnya, kelompok membran elektroda memiliki struktur lima lapis, dengan membran polimer yang menghantarkan ion hidrogen di bagian tengah, lapisan katalis anoda dan lapisan katalis katoda di kedua sisi, dan lapisan difusi gas terluar (sering dibagi menjadi lapisan difusi gas bahan bakar dan lapisan difusi oksigen).
Struktur lapisan katalis cukup kompleks dan beragam. Karena perubahan elektrokimia yang paling penting terjadi di sini, jika lapisan katalis dirancang atau diproduksi dengan buruk, sel bahan bakar tidak akan dapat menghasilkan arus yang cukup dan efisiensinya akan berkurang. Lapisan katalis diapit di antara membran polimer dan lapisan difusi gas. Metode pembuatannya adalah dengan mencampur secara merata jumlah katalis yang tepat dan larutan membran polimer. Larutan campuran ini disebut bubur katalis. Bubur campuran dapat dilapisi pada lapisan difusi gas atau pada membran polimer. Namun, membran polimer dengan mudah menyerap pelarut dalam bubur campuran dan berubah bentuk, yang sering kali menyebabkan kesulitan pembuatan.
Sekarang gunakan lapisan katalis oksigen untuk mengilustrasikan bagaimana reaksi berlangsung. Ketika oksigen memasuki sel bahan bakar, oksigen harus disebarkan terlebih dahulu agar dapat mencapai lapisan katalis secara merata. Umumnya, bahan penyusun lapisan difusi gas adalah kain karbon atau kertas karbon, yang harus digrafitisasi pada suhu tinggi agar menjadi konduktif dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Karena bahan karbon mudah terkorosi di bawah pengaruh medan listrik.
Selain itu, lapisan difusi gas juga harus bersifat hidrofobik. Jika politetrafluoroetilen (PTFE, juga dikenal sebagai Teflon) ditambahkan ke lapisan difusi gas, karena sifat hidrofobik Teflon, uap air yang masuk dan keluar dari kelompok membran elektroda tidak akan Kondensasi dalam lapisan difusi gas dapat mencegah tetesan air yang terkondensasi menyebabkan penyumbatan lapisan difusi gas. Di sisi lain, Teflon juga berfungsi sebagai pengikat. Karena stabilitas struktur fluorokarbonnya, ia tidak akan terdekonstruksi karena serangan radikal bebas yang dihasilkan di bawah operasi potensial.
Gas reaksi mencapai lapisan katalis setelah melewati lapisan difusi gas, dan reaksi elektrokimia terjadi pada permukaan logam katalis. Fungsi lain dari lapisan difusi gas adalah untuk menghantarkan elektron. Elektron yang dibutuhkan untuk reaksi menggunakan lapisan difusi gas untuk masuk dan keluar, sehingga lapisan difusi gas harus mampu menghantarkan elektron dan memiliki konduktivitas yang tinggi. Umumnya, setelah menambahkan Teflon ke lapisan difusi gas, konduktivitas akan menurun, sehingga bubuk karbon dengan konduktivitas tinggi harus ditambahkan untuk meningkatkan konduktivitas.
Permukaan katalis harus bersentuhan dengan elektrolit (yaitu, membran konduktif proton) karena reaksi elektrokimia terjadi pada antarmuka antara keduanya. Ion hidrogen yang diperlukan untuk reaksi semuanya ditransfer oleh elektrolit, sehingga kontak yang buruk antara katalis dan elektrolit akan berdampak buruk pada kemajuan reaksi. Jika katalis tidak bersentuhan dengan elektrolit, fungsinya akan hilang. Elektron yang diperlukan untuk reaksi semuanya masuk dan keluar melalui katalis. Namun, konduktivitas katalis itu sendiri yang buruk atau kontak yang buruk antara partikel katalis juga akan menyebabkan resistensi terhadap masuk dan keluarnya elektron. Semua faktor di atas menyebabkan peningkatan resistensi dalam kelompok membran elektroda dan mengurangi daya keluaran baterai.
Bila digunakan dalam sel bahan bakar, katalis elektroda biasanya harus memiliki aktivitas katalitik tinggi, konduktivitas tinggi, stabilitas elektrokimia tinggi, ketahanan terhadap oksidasi atau reduksi, harga rendah, dan sumber yang melimpah. Platina mahal dan harus digunakan sesedikit mungkin. Namun, terlalu sedikit juga akan memengaruhi kemajuan reaksi. Bahan katalis alternatif juga menjadi salah satu fokus penelitian dan pengembangan saat ini. Katalis elektroda merupakan bahan fungsional terpenting dalam struktur membran elektroda, dan fungsi utamanya adalah mengkatalisis reaksi elektrokimia.
Di anoda, molekul hidrogen dioksidasi menjadi elektron dan proton. Jika metanol diumpankan langsung, reaksinya akan lebih rumit dan harus terdiri dari katalis elektroda yang tidak akan ditempati oleh produk reaksi oksidasi metanol yang sangat teradsorpsi pada permukaan reaksi, seperti Paduan dan oksida untuk terus mengkatalisis molekul metanol dan air untuk menghasilkan elektron, proton, dan karbon dioksida.
Katoda memerlukan katalis yang dapat mereduksi oksigen. Kompleks logam makrosiklis yang dapat mengadsorpsi molekul oksigen biasanya digunakan sebagai katalis elektroda. Adsorpsi permukaan molekul oksigen merupakan kondisi katalitik untuk reaksi elektrokimia reduksi oksigen. Katalis memerlukan pengikat polimer untuk diikatkan pada lapisan katalis. Pengikat ini juga dapat berupa elektrolit polimer, yang tidak hanya berfungsi untuk mengikat katalis, tetapi juga merupakan cara untuk mengangkut ion hidrogen. Mengambil katoda oksigen sebagai contoh, ketika reaksi berlangsung pada permukaan katalis, keberadaan oksigen diperlukan. Oksigen ini bukan gas, tetapi oksigen yang terlarut dalam elektrolit, dan ion hidrogen juga mencapai permukaan katalis melalui elektrolit, dan elektron mencapai permukaan katalis melalui kontak antara lapisan difusi gas dan lapisan katalis. Di antara mereka, oksigen terlarut, ion hidrogen, dan elektron sangat diperlukan, dan reaksi tidak dapat berlangsung tanpa salah satunya.
Di sisi lain, air yang dihasilkan oleh reaksi tidak dapat bertahan di permukaan katalis. Air yang dihasilkan harus segera dikeluarkan untuk memberi ruang bagi reaktan untuk mengendap di permukaan katalis lagi. Keluarnya produk juga merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi. 1. Produk dari sel bahan bakar adalah air, jadi bagaimana cara cepat mengeluarkan air dari sel bahan bakar merupakan masalah penting.
Untuk sel bahan bakar elektrolit polimer yang menggunakan hidrogen sebagai umpan, inti dari operasi sel bahan bakar yang baik memerlukan keberadaan empat jalur, yaitu saluran ion hidrogen, saluran oksigen terlarut, saluran elektron, dan saluran air. Jika jalur ini tidak efektif, maka akan mengakibatkan berkurangnya efisiensi pembangkitan daya. Oleh karena itu, pembuatan tumpukan membran elektroda masih merupakan proses teknis. Setiap produsen tumpukan sel bahan bakar memiliki metode produksi yang unik untuk memproduksi komponen utama ini.
Daya sel bahan bakar ditentukan oleh ukuran kelompok membran elektroda dan jumlah kelompok membran elektroda dalam kemasan baterai. Tumpukan membran elektroda merupakan unit inti dari sel bahan bakar elektrolit polimer dan komponen utama kinerja daya tumpukan sel bahan bakar. Dengan desain medan aliran, pengelolaan air, dan kondisi operasi pengelolaan termal yang tepat, sel bahan bakar untuk berbagai keperluan dapat dibentuk.
Deskripsi teknis lapisan difusi gas
Bahan dasar struktur lapisan difusi gas sel bahan bakar membran pertukaran proton biasanya adalah produk serat karbon (Carbon-Fiber), seperti kertas karbon (Carbon Paper) dan serat tenun (Woven Fiber) atau disebut kain karbon (Carbon Cloths), dengan menggunakan serat karbon sebagai gasnya. Keunggulan bahan lapisan difusi adalah struktur porositasnya yang tinggi dan konduktivitas listriknya yang tinggi.
Struktur lapisan difusi gas sel bahan bakar yang paling umum digunakan adalah kertas serat karbon. Proses ini secara umum disebut proses pembuatan kertas. Selama proses berlangsung, sifat bahan baku, konduktivitas, dan stabilitas kimia kertas karbon juga harus ditingkatkan. Metodenya adalah dengan menggunakan kertas serat karbon sebagai dasarnya, menambahkan bahan komposit karbon, mencampur, dan melakukan perlakuan panas. Dalam proses tersebut, bahan baku antara yang sesuai juga dapat ditambahkan dan kertas karbon yang sama dapat dikembangkan dengan karakteristik yang digunakan.
Sebelum tahap pembuatan kertas karbon, serat filamen kontinu harus dipotong menjadi segmen serat pendek antara 3~12mm. Proses setelah pembentukan segmen serat pendek dibagi menjadi 1. Pembuatan kertas, 2. Impregnasi dengan resin komposit, 3. Pembentukan dengan Heat Press, 4. Perlakuan karbonisasi dan 5. Perlakuan grafitasi.
Produsen kertas karbon yang saat ini dapat digunakan dalam lapisan difusi gas sel bahan bakar meliputi TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy, dan perusahaan lainnya. Metode produksi umum lapisan mikropori (MPL) adalah pertama-tama menggunakan osilator ultrasonik untuk mencampur dan mengaduk komponen-komponen ini, dan akhirnya membuat bubur cair (Tinta), dan kemudian menggunakan teknologi pelapisan (seperti metode penyemprotan, metode doctor blade, metode sablon) Bubur tersebut dilapisi pada permukaan kertas karbon, dan kemudian lapisan mikropori dapat diperoleh melalui sintering suhu tinggi. Produsen kertas karbon juga menyediakan produk lengkap yang dilapisi dengan lapisan mikropori kepada pelanggan. Lapisan difusi gas (GDL) memainkan banyak peran dan fungsi dalam sel bahan bakar, seperti:
(1) Menyediakan saluran gas reaksi (H2, O2)
(2) Menyediakan saluran bagi produk reaksi (air, panas) untuk meninggalkan lapisan katalis
(3) Menyediakan saluran masuk dan keluar bagi elektron reaksi elektrokimia
(4) Bertindak sebagai dukungan struktural untuk lapisan katalis dan badan membran pertukaran proton
Dari karakteristik di atas, dapat dilihat bahwa lapisan difusi gas (GDL) harus memiliki sifat-sifat seperti konduktivitas listrik, konduktivitas termal, porositas, permeabilitas udara, dan sifat hidrofilik/hidrofobik pada saat yang bersamaan. Saat ini, satu-satunya pemasok material untuk lapisan difusi gas sel bahan bakar di dunia adalah Toray, Ballard, Avcarb, SGL, dan Taiwan Carbon Energy. Akan tetapi, harga satuannya sangat tinggi dan permintaan sering kali terbatas. Oleh karena itu, jika ada teknologi inovatif, biaya dapat ditekan dan hasil yang ekonomis dapat diperoleh. Memproduksi material utama ini dalam skala besar sepadan dengan investasi dalam teknologi ini.
Lapisan difusi gas merupakan komponen inti dari PEMFC, dan lapisan difusi gas merupakan material komponen penting dari elektroda. Material lapisan difusi gas yang umum digunakan meliputi kertas serat karbon, kain tenun serat karbon, kain bukan tenunan, dan kertas karbon hitam. Namun, ada juga yang menggunakan material logam, seperti logam datar berlapis spons dan logam nikel.
Kertas serat karbon merupakan bahan lapisan difusi gas yang banyak digunakan dalam elektroda. Agar dapat digunakan dalam PEMFC, bahan ini harus memenuhi persyaratan kinerja berikut:
(1) Struktur berpori yang seragam memberikan kemampuan bernapas yang sangat baik;
(2) Resistivitas rendah, sehingga menghasilkan konduktivitas elektronik tinggi;
(3) Strukturnya kompak dan permukaannya datar, mengurangi hambatan kontak dan meningkatkan kinerja konduktif;
(4) Memiliki kekuatan mekanik tertentu, yang nyaman untuk produksi elektroda dan memberikan stabilitas struktur elektroda dalam kondisi operasi jangka panjang;
(5) Memiliki stabilitas kimia dan stabilitas termal; biaya produksi rendah dan nilai CP tinggi.