Sel bahan bakar

Sel bahan bakar menghasilkan listrik dengan menggunakan energi yang dilepaskan dengan mencampurkan bahan bakar dengan udara, suatu reaksi yang menghasilkan air dan kadang-kadang juga karbon dioksida. Bahan bakar yang paling umum untuk sel bahan bakar adalah hidrogen, yang ketika bereaksi dengan oksigen dari udara hanya menghasilkan air. Sel bahan bakar bekerja seperti baterai yang terus-menerus diberi bahan bakar sehingga tidak pernah habis (selama Anda memiliki cukup bahan bakar). Sel bahan bakar adalah bagian penting dari ekonomi hidrogen. Molekul hidrogen ditemukan dalam zat-zat seperti metana, air dan biomassa, tetapi dalam semua kasus, beberapa energi diperlukan untuk mengekstraknya. Ada dua cara umum untuk menghasilkan hidrogen - hidrogen dapat dipisahkan dari sebagian besar bahan bakar seperti minyak, gas, batu bara dalam proses yang disebut reformasi uap, atau dapat diekstraksi dari air menggunakan proses yang disebut elektrolisis. Jika hidrogen dipisahkan dari bahan bakar fosil, karbon dioksida dilepaskan. Jika energi yang digunakan untuk mengekstraknya dari air melalui elektrolisis berasal dari matahari atau angin, maka hidrogen yang dihasilkan tidak berbahaya karena tidak ada emisi yang dilepaskan. Hidrogen juga dapat dipisahkan dari biogas terbarukan, yang berarti karbon yang dipancarkan bukan berasal dari fosil dan karenanya merupakan bagian dari siklus karbon alami.

Sel bahan bakar metanol langsung. Tumpukan sel bahan bakar yang sebenarnya adalah struktur bi-kubik berlapis di tengah gambar

Cara Mengonversi Energi

Air adalah molekul yang terdiri dari satu atom oksigen dan dua atom hidrogen. Dibutuhkan energi untuk memisahkan air menjadi oksigen dan hidrogen, dan energi dilepaskan ketika mereka disatukan kembali sebagai air. Sel bahan bakar menyatukan kembali hidrogen dan oksigen dengan cara melepaskan energi dalam bentuk listrik.

Bahan bakar (sumber energi, biasanya hidrogen) dan udara (yang mengandung oksigen) dimasukkan ke dalam sisi yang berlawanan dari sel bahan bakar. Di tengah-tengah sel bahan bakar terdapat "layar", yang disebut elektrolit, diapit di antara dua lempeng logam, yang disebut elektroda, yang membuat bahan bakar dan udara terpisah. Berbagai jenis sel bahan bakar mendapatkan namanya berdasarkan jenis layar yang digunakan untuk memisahkan bahan bakar dan udara. Layar hanya memungkinkan molekul bermuatan spesifik, juga dikenal sebagai ion, untuk melewatinya.

Untuk menciptakan ion, elektron harus dibawa dari satu sisi sistem ke sisi lainnya. Elektron dipisahkan dari bahan bakar oleh pelat logam di sisi bahan bakar dan perlu melakukan perjalanan ke sisi udara untuk menyelesaikan reaksi. Karena layar tidak membiarkan elektron melewatinya, elektron-elektron tersebut melewati kawat terpisah, ke pelat logam lainnya di sisi udara. Perjalanan elektron menciptakan arus listrik (listrik). Kawat adalah tempat listrik dapat digunakan. Misalnya, kawat dapat dipotong menjadi dua, dan bola lampu dapat dihubungkan di antara kedua bagian tersebut.

Sementara itu, ion-ion melewati layar dan bereaksi dengan molekul-molekul (yang sudah berada di sisi lain) dan elektron (yang berjalan melalui kawat, mengeluarkan energi untuk menyalakan elektronik) di sisi lain. Air terbentuk (dan, tergantung pada jenis bahan bakar, kadang-kadang produk lainnya), yang keluar melalui pipa knalpot.

Efisiensi

Sel bahan bakar menghasilkan listrik dengan menggabungkan oksigen dan hidrogen. Efisiensinya sangat baik (sekitar 40%-70%). Sel bahan bakar memiliki efisiensi maksimum 83% jika panas buangan digunakan selama reaksi. Selain itu, sel bahan bakar dapat menggunakan berbagai bahan bakar, misalnya, gas alam, metanol, LPG (Liquid Petroleum Gas), nafta, minyak tanah, dll.

Fitur

Beberapa jenis sel bahan bakar hanya menghasilkan air, yang berarti tidak ada polusi. Sebagian besar jenis sel bahan bakar menyebabkan emisi yang jauh lebih sedikit daripada pembangkit listrik klasik ("kalori"). Sel bahan bakar dapat mengkonsumsi jenis bahan bakar yang sama dengan pembangkit listrik klasik, misalnya mesin Diesel, tetapi mereka sekitar dua kali lebih efisien, yang berarti mereka dapat menghasilkan jumlah energi yang sama dengan bahan bakar setengahnya, dan dengan demikian setidaknya setengah dari polusi. Selain itu, sel bahan bakar konversi langsung yang digunakan memiliki risiko lebih kecil menghasilkan emisi sekunder seperti NOx, SOx, dan materi partikulat, yang merupakan efek samping dari pembakaran, berkontribusi pada pemanasan global, dan dikenal sebagai polutan kriteria.

Sel bahan bakar sangat tenang. Sel bahan bakar tidak memiliki bagian yang bergerak selain dari beberapa kipas untuk menggerakkan udara, dan pompa untuk menggerakkan air yang berarti mereka sangat jarang memerlukan perbaikan, namun beberapa sel bahan bakar besar yang digunakan untuk menyalakan hal-hal seperti bangunan bisa sangat rapuh.

Karena emisi polutannya sangat rendah, sel bahan bakar sering digunakan pada kendaraan yang bergerak di dalam gedung, seperti forklift. Karena sangat senyap, sel bahan bakar digunakan pada beberapa kapal selam militer untuk menghindari deteksi. Bahan bakar lebih efisien digunakan, yang berarti sel bahan bakar dapat bekerja lebih lama tanpa mendapatkan bahan bakar baru. Hal ini memungkinkan sel bahan bakar digunakan di tempat-tempat yang sulit dijangkau, seperti stasiun cuaca atau penelitian, kapal ruang angkasa, atau pangkalan militer.

Karena pesawat ruang angkasa diluncurkan dengan menggunakan roket yang mengandung hidrogen dan oksigen murni, listrik di dalam pesawat diproduksi dengan menggunakan sel bahan bakar yang sangat efisien, yang dapat menggunakan bahan bakar ini. Selain itu, sel bahan bakar pada pesawat ruang angkasa menghasilkan air murni pada knalpotnya, yang selanjutnya dapat ditangkap dan digunakan sebagai air minum untuk astronot, yang berarti sama sekali tidak ada yang terbuang.

Jenis Sel Bahan Bakar

Sel bahan bakar dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis layar bagian dalam (elektrolit). Misalnya, sel bahan bakar asam fosfat untuk suhu rendah. Ini digunakan dalam telepon seluler dan catu daya mobil yang memerlukan arus tinggi karena jauh lebih aman. Sel bahan bakar alkali biasanya mengandung kalium hidroksida (KOH). Sel bahan bakar metanol digunakan dengan mereaksikan metanol secara elektrokimia. Jenis sel bahan bakar ini merupakan pilihan yang lebih baik untuk sistem yang lebih sederhana. Tetapi sel bahan bakar metanol memiliki densitas output yang rendah karena laju reaksinya lambat.

Beberapa jenis sel bahan bakar yang penting adalah:

Sel bahan bakar Asam Fosfat (PAFC) - Sel bahan bakar asam fosfat tersedia secara komersial saat ini. Sel bahan bakar ini adalah sel bahan bakar yang paling umum untuk gabungan panas dan pembangkit listrik.
Sel bahan bakar Proton Exchange Membrane (PEM) - Sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu yang relatif rendah (sekitar 175 °F), memiliki densitas daya yang tinggi, dapat memvariasikan outputnya dengan cepat untuk memenuhi pergeseran permintaan daya, dan cocok untuk aplikasi, seperti pada mobil, di mana diperlukan penyalaan cepat. Semua kendaraan sel bahan bakar komersial menggunakan sel bahan bakar jenis ini. Kelemahan sel bahan bakar ini adalah bahwa sel bahan bakar ini memerlukan hidrogen dengan kemurnian tinggi yang mahal untuk diproduksi.
Sel bahan bakar Molten Carbonate (MCFC) - Sel bahan bakar ini beroperasi pada suhu yang sangat tinggi yang memungkinkan mereka untuk mengubah bahan bakar yang lebih kompleks, seperti gas alam, menjadi bahan bakar hidrogen untuk digunakan oleh sel itu sendiri. Sel bahan bakar ini memerlukan waktu beberapa jam untuk memulai dan mematikan, sehingga hanya digunakan dalam aplikasi di mana sel bahan bakar ini dapat terus berjalan terus menerus, seperti daya stasioner untuk bangunan/bisnis besar.
Sel bahan bakar mikroba (MFC) - Sel bahan bakar yang menggunakan mikroba respirasi untuk mengubah substrat organik menjadi energi listrik, menggunakan reaksi reduksi oksidasi.

Aplikasi

Ada banyak kegunaan sel bahan bakar - produsen mobil besar sedang bekerja untuk mengkomersialkan mobil sel bahan bakar. Toyota dan Honda masing-masing telah merilis Mirai dan Clarity. Sel bahan bakar menggerakkan bus, kapal, kereta api, kereta api, pesawat terbang, skuter, forklift, dan sepeda. Ada mesin penjual otomatis bertenaga sel bahan bakar, penyedot debu dan rambu-rambu jalan raya. Miniatur sel bahan bakar untuk telepon seluler, komputer laptop dan elektronik portabel diprediksi. Rumah sakit, pusat kartu kredit, kantor polisi, dan bank menggunakan sel bahan bakar untuk menyediakan daya ke fasilitas mereka. Instalasi pengolahan air limbah dan tempat pembuangan sampah menggunakannya untuk mengubah gas metana yang mereka hasilkan menjadi listrik. Sel Bahan Bakar telah lama digunakan di luar angkasa. Perusahaan telekomunikasi menggunakan sel bahan bakar di menara telepon seluler, radio dan 911.

Pertanyaan dan Jawaban

T: Bagaimana sel bahan bakar menghasilkan listrik?

J: Sel bahan bakar menghasilkan listrik dengan mencampurkan bahan bakar dengan udara dan menciptakan reaksi yang melepaskan energi, menghasilkan air dan terkadang karbon dioksida.

T: Bahan bakar apa yang paling umum digunakan dalam sel bahan bakar?

J: Bahan bakar yang paling umum digunakan dalam sel bahan bakar adalah hidrogen.

T: Apa perbedaan sel bahan bakar dengan baterai?

J: Sel bahan bakar berbeda dengan baterai karena sel bahan bakar terus menerus diisi dengan bahan bakar sehingga tidak akan pernah habis, selama bahan bakar yang tersedia mencukupi.

T: Apa yang dimaksud dengan ekonomi hidrogen?

J: Ekonomi hidrogen mengacu pada penggunaan hidrogen sebagai sumber bahan bakar untuk mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil.

T: Bagaimana hidrogen diproduksi?

J: Hidrogen dapat diproduksi dengan menggunakan proses yang disebut reformasi uap atau diekstraksi dari air menggunakan proses yang disebut elektrolisis.

T: Apa yang terjadi ketika hidrogen dipisahkan dari bahan bakar fosil?

J: Ketika hidrogen dipisahkan dari bahan bakar fosil, karbon dioksida dilepaskan.

T: Dapatkah hidrogen diproduksi dengan cara yang tidak mengeluarkan emisi berbahaya?

J: Ya, jika energi yang digunakan untuk memproduksi hidrogen berasal dari sumber terbarukan seperti tenaga surya atau angin, hidrogen yang dihasilkan tidak berbahaya karena tidak ada emisi yang dilepaskan. Hidrogen juga dapat dipisahkan dari biogas terbarukan, yang berarti karbon yang dipancarkan tidak berasal dari fosil dan oleh karena itu merupakan bagian dari siklus karbon alami.