MAKALAH

PHOSPHORIC ACID FUEL CELL (PAFC)

Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Baterai dan Sel Bahan Bakar

Dosen Pengampu Dra. Linda Suyati, M.Si

Disusun Oleh :

Kelompok 2 :

Luluatun Nafisa 24030111120013

Lathoiful Isyaroh 24030111120012

Warnengsih 24030111120020

Dini Noor Hayati 24030111120021

Liley Sheti R. 24030111130037

Abdillah Faiz Naim 24030111130038

Hana Failasufa 24030111130042

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2014

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb.

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan

berkat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah ini. Makalah ini

berjudul “Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)”. Penulisan makalah ini bertujuan

untuk memenuhi tugas mata kuliah Baterai dan Sel Bahan Bakar.

Makalah ini membahas mengenai material aktif dan non aktif yang ada pada

baterai. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah

membantu baik secara langsung maupun tidak langsung sehingga makalah ini

dapat terselesaikan.

Saran dan kritik dari semua pihak yang bersifat membangun selalu

diharapkan demi kesempurnaan makalah ini. Semoga makalah ini dapat

bermanfaat bagi pembaca dan dapat menjadi sarana pembelajaran bagi pembaca

di masa yang akan datang.

Semarang, November 2014

Penulis

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

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.

Bahan bakar memiliki berbagai jenis, salah satu contoh bahan bakar

berdasarkan elektrolitnya yaitu phosphoric acid fuel cell (PAFC). Pada sel

bahan bakar ini menggunakan elektrolit asam fosfat. Penjelasan lebih lanjut

akan dibahas pada makalah ini.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut, maka rumusan masalahnya yaitu:

1. Apa yang dimaksud dengan PAFC?

2. Apa saja komponen-komponen yang terdapat pada PAFC?

3. Apa kelebihan dan kelemahan dari PAFC?

4. Apa saja faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja PAFC?

5. Apa saja aplikasi dari PAFC?

1.3 Tujuan Penulisan

Berdasarkan rumusan masalah, maka tujuan dari penulisan ini yaitu:

1. Dapat mengetahui maksud dari PAFC

2. Dapat mengetahui komponen-komponen yang terdapat pada PAFC

3. Dapat mengetahui kelebihan dan kelemahan PAFC

4. Dapat mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja PAFC

5. Dapat mengetahui aplikasi dari PAFC

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

PAFC adalah bahan bakar yang menggunakan asam fosfat sebagai elektrolit.

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 PAFC

Prinsip dasar PAFC yaitu hidrogen atau campuran gas yang kaya dengan

hidrogen disediakan pada sisi anoda, diamana mengikuti reaksi di bawah ini:

H2 2H+ + 2e-

Komposisi utama elektrolit adalah asam fosfat (H3PO4) yang merupakan

konduktor proton, proton bermigrasi dari anoda ke katoda, dimana elektron

bermigrasi melewati sirkuit eksternal. Di sisi katoda disediakan udara, dimana

oksigen bereaksi dengan proton dan elektron yang berasal dari elektrolit dan

sirkuit eksternal,

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O

Reaksi secara keseluruhan:

H2 + ½ O2 H2O

Suhu operasi pada PAFC antara 150 dan 2000C (Carrette et al, 2001).

Voltase ideal pada PAFC dapat dihitung dengan persamaan Nernst:

E=−∆ G2F

=E0+ RT2 F

ln(PH 2P

0,5o2

PH 2O)

¿ E 0+ RT2 F

¿

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:

∆ E= RT4 F

lnP2P1

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 + e

Pt-H2Sads Pt-Hsads + H+ + e

Pt-Hsads Pt-Sads + H+ + e

Gambar 2.1 Mekanisme Kerja PAFC (www.iit.edu)

2.3 Komponen-Komponen PAFC

Adapun komponen-komponen PAFC adalah:

a. Elektrolit dan Matriks

Asam fosfat memiliki stabilitas termal, kimia, dan elektrokimia

yang baik. Pada waktu sama asam fosfat toleransi dengan CO2 yang selalu

ada pada pembentukan kembali campuran gas. Pada sistem PAFC, H3PO4

telah didilusi untuk menghindari korosi material, ketika 100% H3PO4

digunakan. Larutan dimungkinkan berkurang, sehingga diperlukan untuk

mengisi kembali elektrolitnya, atau dengan menyediakan sel dengan

berlebih, sebelum dioperasikan. Arus larutan adalah untuk membuat

sebuah plat reservoir elektrolit (ERP) yang menyediakan elektrolit yang

cukup untuk diijinkan sel pada operasi lebih dari 40.000 jam.

H3PO4 dipertahankan dalam 0,1-0,2 mm SiC matriks. Tahanan ohmik dari

matriks sangat rendah, karena ketebalan kecil. Sedangkan sifat mekanik

sedikit terbatas. Perbedaan tekanan maksimum antara anoda dan katoda

pada kenyataannya tidak dapat melebihi 200 mbar.

Elektrolit asam fosfat (H3PO4) menghasilkan uap. Uap ini, yang

membentuk atas elektrolit, bersifat korosif untuk lokasi sel selain area sel

yang aktif. Lokasi sel ini pada tegangan campuran (rangkaian terbuka dan

tegangan sel), yang dapat lebih ~ 0.8V / cell. Itu adalah batas atas yang

terjadi korosi (area aktif terbatas pada operasi di bawah ~ 0,8 V / sel).

Peningkatan dalam sel tekanan total menyebabkan tekanan parsial H3PO4

uap meningkat, menyebabkan peningkatan korosi dalam sel. Suhu sel juga

harus ditingkatkan dengan kondisi bertekanan untuk menghasilkan uap

untuk pembentukan kembali uap.

b. Elektroda

Adapun teknologi sel bahan bakar lainnya, anoda dan katoda

memiliki fungsi yang memungkinkan gas untuk berdifusi dari saluran gas

ke elektrolit. Elektroda terbuat dari kertas karbon yang dilapisi dengan

katalis platinum yang terdispersi secara merata.Setiap elektroda

menghadapi saluran gas di satu sisi dan elektrolit di sisi lain. Di sisi

elektrolit elektrokatalis yang fungsinya terutama untuk mendukung tempat

reaksi gas. Karena elektrolit dalam bentuk cair, dan mengusir air yang

dihasilkan, elektroda harus hidrofobik. Rangkaian tegangan terbuka satu

sel sedikit lebih dari 1V, sehingga sel-sel tunggal lebih dihubungkan

secara seri untuk mencapai tegangan operasi yang wajar. Interkoneksi

yang dilakukan melalui pelat bipolar, yang menghubungkan anoda dari

satu sel dengan katoda yang berikutnya, membentuk tumpukan. Bersama-

sama dengan sambungan listrik, plat bipolar biasanya mesin sehingga

mereka dapat bertindak sebagai saluran gas. Platinum (Pt) atau Pt alloy

digunakan sebagai katalis pada kedua elektroda.

Tabel 2.1 Komponen-Komponen PAFC

(Sumber: Zehra, H., 2010)

2.4 Kelebihan dan Kekurangan PAFC

Adapun 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 PAFC

Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja PAFC yaitu:

1. Tekanan

Peningkatan tekanan operasi sel meningkatkan kinerja PAFC. Perubahan

teoritis tegangan (ΔVP) sebagai fungsi dari tekanan (P) adalah

dinyatakan sebagai:

∆ V P(mV )=(3 )(2.3 RT )

2 Flog

P2

P1

dimana

3 (2.3 RT )2 F

=138 mV pada1900C (3740 F )

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:

∆ V P (mV )=146 logP2

P1

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. Temperatur

Peningkatan 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:

∆ V T (m V )=1.15 (T 2−T 1 )(¿0C)¿

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 Penggunaannya

Peningkatan 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. Ketidakmurnian

Konsentrasi 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 <325 mA/cm2) yang dapat ditoleransi oleh anoda Pt

tanpa mengurangi kinerja yang <50 ppm (H2S + COS) atau <20 ppm

(H2S). Kegagalan sel dapat cepat terjadi jika bahan bakar mengandung

lebih dari 50 ppm H2S. Hal ini dikarenakan penyerapan H2S pada Pt dapat

menghalangi sisi aktif untuk oksidasi H2S. Unsur sulfur diharapkan pada

elektroda Pt hanya pada potensial anoda yang tinggi, sulfur dioksidasi

menjadi SO2. Besarnya katalis ditutup oleh peningkatan H2S dengan

meningkatnya konsentrasi H2S, potensial elektroda, dan waktu bereaksi.

H2S menurun dengan meningkatnya suhu.

Senyawa lain: Pengaruh senyawa lain (seperti senyawa yang

mengandung nitrogen) pada kinerja PAFC telah diuji oleh Benjamin et al.

Molekul nitrogen berperan sebagai pengencer tapi senyawa nitrogen lain

(NH3, HCN, NOx) dimungkinkan tidak berbahaya. NH3 dalam bahan bakar

atau reaksi oksidasi gas dengan H3PO4 untuk membentuk garam fosfat

(NH4)H2PO4.

H3PO4 + NH3 (NH4)H2PO4

Pengaruh HCN dan NOx pada kineja sel bahan bakar belum ditetapkan

secara jelas.

5. Arus Densitas

Voltase dapat diperoleh dari PAFC yang direduksi oleh ohmik, aktivasi

dan berkurangnya konsentrasi dengan meningkatnya arus densitas.

∆ V J (mV )=−0,53 ∆ J untuk J= 100 ke 200 mA/cm2

∆ V J (mV )=−0,39 ∆ J untuk J= 200 ke 650 mA/cm2

Pada keadaan atmosfer:

∆ V J (mV )=−0,74 ∆ J untuk J= 50 ke 120 mA/cm2

∆ V J (mV )=−0,45∆ J untuk J= 120 ke 215 mA/cm2

2.6 Aplikasi PAFC dalam supply energi Rumah Sakit

Sejak 2001, sebuah sel bahan bakar PC25C menyediakan tenaga dan

panas untuk rumah sakit St.-Agnes di Bocholt, Jerman. Sel bahan bakar

beroperasi kombinasi dengan dua unit kogenerasi mesin gas, dan total tenaga dari

ketiga unit kogenerasi adalah diatas 600 kW. Sel bahan bakar menyediakan beban

dasar listrik dari rumah sakit tersebut. Pada musim summer, panas tingkat tinggi

dari sel bahan bakar digunakan untuk menjalankan penyerapan pendingin untuk

menyediakan beberapa beban dasar sistem AC rumah sakit. Sel bahan bakar telah

beroperasi secara berkelanjutan sebesar 8000 jam per tahun, dan telah melewati

30000 jam muatan, yang umumnya lebih dari 6 juta kWh tenaga listrik. PC25C di

RS. St.-Agnes di Bocholt adalah yang baru-baru ini menggunakan instalasi PAFC

di Jerman.

Karena efisiensinya yang tinggi, dan menghasilkan operasional yang

excellent, sel bahan bakar di RS. St.-Agnes Bocholt mendapatkan German Gas

Industry Award pada 2002.

Gambar 5. Instalasi PAFC di RS. St.-Agnes.

DAFTAR PUSTAKA

Kunz, HR and JM King., 2003, Tutorial on Phosphoric acid Electrolyte Fuel

Cells, The electrochemically Society, University of Connecticut Storrs, USA

Sammes N, Roberto B, and Knut S., 2004, Phosphoric Acid Fuel Cells:

Fundamentals and Applications, Current Opinion in Solid State and

Materials Science. 8: 372-378

Sotouchi, H and Akifusa Hagiwara., 2004, Phosphosric Acid Fuel Cells, Energy

Carriers and Conversion Systems, Vol. II

Zehra, H., 2010, Fuel Cell and Batteries, Lecture 10.