Bahan Bakar

FUEL CELLRozamela Yulia WardaniKimia B 201212030234011Termodinamika Fuel CellBentuk Fisik dari sel Bahan Bakar

Misalkan kita menempatkan dua molekul hidrogen ke antarmuka Pt / elektrolit di sebelah kiri (anoda) sisi dan satu molekul oksigen ke antarmuka elektrolit / Pt di sebelah kanan (katoda) Di sisi anoda, setiap molekul hidrogen terbagi menjadi dua proton dan dua elektron:

Empat proton pindah ke elektrolit, sementara empat elektron tinggal di logam Pt. Akibatnya, di sisi anoda kita mendapatkan kapasitor terisi. Di sisi katoda, molekul oksigen menangkap empat proton dari elektrolit dan empat elektron dari logam (Pt). Ketika semua spesies ini datang bersama-sama pada permukaan Pt, menghasilkan dua molekul air :

Molekul hidrogen pada anoda / permukaan Elektrolit terbagi menjadi dua proton dan dua elektron (hanya salah satu dari dua molekul ditampilkan). Proton bergeser ke elektrolit sementara elektron tinggal di logam. Karena pemisahan muatan anoda bagian dari sel tampaknya menjadi sebuah kapasitor bermuatan. Di sisi katoda, molekul oksigen menangkap empat proton dari elektrolit dan empat elektron dari logam (dengan demikian pengisian logam positif). Hal ini menghasilkan dua molekul air dan lain dibebankan kapasitor. Anoda dan katoda kapasitor menentukan sel tegangan rangkaian terbuka.Untuk setiap reaksi berjalan di bawah tekanan konstan dan suhu hubungan berikut ini berlaku.

Untuk mendukung arus, hidrogen harus terus menerus dipasok ke anoda dan oksigen ke katoda. Proton bergerak melalui pemisah elektrolit, sedangkan elektron melakukan pekerjaan berguna dalam beban eksternal.pembakaran hidrogen-oksigen langsung:

Dalam suhu reaksi ini dan atau peningkatan tekanan dan H akhirnya berubah menjadi panas: H = Q. Ini berarti bahwa di dalam sel reaksi berlangsung. Untuk mendukung arus ini kita harus terus memasok hidrogen pada anoda dan oksigen ke katoda.

TRANSPORT MASSA DISEL BAHAN BAKARKiri : sketsa perakitan membran-elektroda dan saluran untuk distribusi reaktan di atas permukaan sel (oweld). Kanan :fragmen kecil dari sebuah sel bahan bakar hidrogen. Total ketebalan MEA biasanya di urutan ketinggian saluran di atas bidang.

Pengiriman reaktan ke situs katalis yang melibatkan distribusi reaktan atas permukaan aktif sel dan transportasi reaktan melalui lapisan gas difusion (GDL) ke lapisan katalis. Distribusi reaktan di atas permukaan sel biasanya dilakukan melalui sistem saluran yang disebut eld ow. Saluran dengan penampang khas 1 mm x 1 mm adalah mesin dalam logam atau kolektor saat grafit. Dalam tumpukan, peran kolektor saat ini diambil alih oleh pelat bipolar , yang memainkan peran katoda dan anoda dari dua sel yang berdekatan.

Difusi Stevan-MaxwellDifusi spesies i dalam campuran gas adalah proses mendasar yang menyeragamkan konsentrasi spesies dan meningkatkan sistem entropi.Hubungan umum untuk difusi fluks ditambah spesies diberikan oleh persamaan Stefan-Maxwell

Kerangka acuan untuk gerak spesies tidak tetap yaitu persamaan ini menggambarkan fluk relatif saja. Persamaan tsb membutuhkan relasi penutupan independen, yang menetapkan kerangka acuan ini (Frank-Kamenetskii, 1969). Dalam sel bahan bakar, nitrogen tidak berpartisipasi dalam reaksi dan karenanya flux molar nitrogen adalah nol.

Transportasi massa di lapisan katalisPersamaan konservasi massa di lapisan katalis dibaca

di mana Q adalah tingkat konversi elektrokimia yang diberikan. Jika Ni memiliki bentuk hukum Fick , persamaan diatas tereduksi menjadi

Proton dan Perpindahan Air pada MembranSebuah literatur fisika yang dikhususkan membahas perumusan aliran air dan mekanisme proton serta transportasi air di membran. Membran polimer elektrolit mengandung backbone polimer panjang dengan kelompok HSO3 melekat pada rantai samping. Ketebalan membran yang khas adalah antara 100m (10-2cm). Arus pada rangkaian eksternal menciptakan medan listrik dalam membran pada rentang 101102 V cm-1. Dalam bidang ini, proton bergerak sepanjang aliran air yang dipenuhi.Umumnya, kedua koefisien transportasi pada bergantung pada membran kadar air. Proton dalam membran molekul air tarik. Total fluks air dalam membran dapat ditulis sebagai

kesimpulan praktis yang penting adalah bahwa jika sisi anoda dari membran mengering, tidak ada cara untuk membasahi dengan air yang dihasilkan di sisi katoda.

Nafion pada konduktivitas , menarik koefisien air dan koefisien difusi dari larutan air Sebuah situasi yang menarik muncul ketika sisi anoda dari membran adalah kering, (0) = 0

Sumber panas dalam sel bahan bakarHampir semua transportasi dan proses kinetik dalam sel bahan bakar eksponensial tergantung pada temperatur. Umumnya, pemanasan sel terjadi karena panas yang dihasilkan dalam reaksi elektrokimia dan karena tenaga listrik Joule dihamburkan oleh arus, arus yang meneyababkan panas yaitu arus proton.Panas termodinamika (J mol-1) dihasilkan di ORR yaitu T S, dimana S (J mol-1 K-1) adalah perubahan entropi di ORR:

Dimana

perubahan entropi pada suhu standar T0Tingkat lokal produksi panas termodinamika RS (W m-3) di lapisan katalis adalah

di sisi katoda, untuk mencapai permukaan katalis proton harus mengatasi lonjakan potensial (Overpotential). Tingkat produksi panas karena ini disebut pemanasan ireversibel.

Sumber lain dari panas di CL adalah kekuatan listrik Joule dihamburkan karena arus elektron dan proton, total laju pemanasan Joule dengan memperhitungkan hokum Ohm

Tingkat lokal kenaikan panas pada CCL

Polymer sel bahan bakar elektrolit (PEFCs)

Sel-sel ini memanfaatkan hidrogen sebagai bahan bakar dan oksigen (udara) sebagai katoda dan pengaturan suhu bervariasi pada kisaran 30-900C.Kinerja puncak sel ini dengan udara sebagai oksidan adalah sekitar 800 mW cm-2. Daerah sel aktif sel adalah sekitar 16 cm2 , yang memberikan daya puncak di urutan 13 W. Dengan demikian, tiga sel-sel tersebut dapat memberi daya komputer laptop (40 W). Desain khas dari PEFCMasalah terbesar dari teknologi PEFC adalah kebutuhan untuk mengembangkan katalis lebih efisien dan lebih stabil untuk ORR dan memahami hukum-hukum transport air cairan dalam sel-sel ini. Air diproduksi di ORR dan membasahi membran, yang mengkonduksi proton hanya dalam keadaan basah.

Skema DMFC dan SOFCSel Bahan Bakar Metanol Langsung (DMFCs)Kelompok sel bahan bakar suhu rendah dengan menggunakan metanol cair sebagai bahan bakar dan oksigen / udara sebagai oksidan adalah sel bahan bakar metanol langsung (DMFC). Reaksi elektrokimia setengah sel dalam DMFC adalah

CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e- , anoda

3/2O2 + 6H+ + 6e- 3H2O, katoda

metanol cair mudah menembus membran ke sisi katoda, di mana ia langsung teroksidasi. Proses parasit ini secara dramatis mengurangi DMFC tegangan rangkaian terbuka.metanol cair mudah menembus membran ke sisi katoda, di mana ia langsung teroksidasi. Proses parasit ini secara dramatis mengurangi tegangan DMFC rangkaian terbuka. Masalah lain spesi k untuk DMFCs adalah sejumlah besar CO2 gas pada sisi katoda. Pada suhu di atas 60oC, kelarutan CO2 dalam air kecil dan gelembung CO2 masuk ke saluran anoda, di mana mereka sangat mengganggu arus.

Jumlah publikasi pada ilmu pengetahuan dan teknologi DMFC Sel Bahan Bakar Oksida Padat (SOFCs)Sel bahan bakar oksida padat (SOFC) bekerja pada suhu bervariasi kisaran 600-900o C. Fitur unik dari sel-sel ini adalah kemampuannya untuk memanfaatkan metana atau hidrokarbon lain sebagai bahan bakar.Reaksi sel setengah SOFC adalah

H2 + 2O2- H2O + 4e- , anodaO2 + 4e- 2O2-, katoda

Pembawa muatan internal antara anoda dan katoda adalah bermuatan ganda O2-. Pengangkutan ion O2- terjadi dalam elektrolit keramik, biasanya yttria-stabilized zirkonia (YSZ), Dalam desain ini, stabilitas mekanik sandwich MEA memiliki tebal '1 mm anoda (anode substrat dan lapisan anoda). Sebelah anoda ada 10 mm lapisan konduktor ionik (elektrolit) dan katoda berada di sisi lain dari elektrolit. Sel Sandwich dijepit antara interkoneksi logam dan diperketat oleh sealant kaca.

Desain SOFC dari Forschungszentrum J Ulich (Blum et al, 2007).17