Di pasaran, harga Nafion masih sangat mahal, sehingga menjadi kendala untuk mengembangkannya di Indonesia. Membran ini bersifat selektif
semipermeabel terhadap proton dan memiliki sifat elektrik yang baik sebagai konduktor. Sifat konduktivitas tersebut ditunjukkan dengan tetapan dielektriknya
yang kecil. Namun, sebagai membran sel bahan bakar juga harus berperan sebagai media transport proton.
Salah satu material yang diduga dapat menggantikan Nafion adalah kitosan. Kitosan merupakan polielektrolit alam dengan beberapa sifat penting
yang diperlukan untuk material membran. Sifat-sifat tersebut antara lain inert, hidrofobik, dan tidak larut dalam air serta pelarut organik.
2.6 Lapisan Difusi Gas
Lapisan gas difusi berada diantara lapisan katalis dan plat bipolar. Pada sel bahan bakar PEM, katalis, gas difusi dan lapisan membran Membran Electroda
Assembly MEA yang berada diantara aliran tempat plat. Lapisan gas difusi atau
Gas diffusion layer GDL adalah lapisan terluar pada MEA. MEA memberikan
kontak listrik antara elektroda dan plat bipolar dan mendistribusikan reaktan ke lapisan katalis.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Aliran yang masuk dan keluar dari lapisan gas difusi Sumber : Colleen Spiegel, 2008
MEA juga memungkinkan produk-produk reaksi berupa air untuk keluar ke permukaan elektroda dan memungkinkan lewatnya air diantara elektroda dan
saluran aliran. Lapisan difusi gas menyediakan beberapa fungsi untuk sel bahan bakar
PEM yaitu untuk menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai produk akhir dan memberikan dukungan untuk MEA.
Tabel 2.2 Persamaan yang digunakan pada pemodelan lapisan gas difusi Sumber: Colleen Spiegel, 2008
Karakterisik model Deskripsi persamaan
jumlah dimensi 1, 2, atau 3
Mode operasi Dinamis atau keadaan steady
fase Gas, cairan atau kombinasi dari gas dan
cairan Transportasi massa
Persamaan Stefan-Maxwell Transport ion
Hukum Ohm Kesetimbangan energi
Isothermal atau kesetimbangan energi
Gas difusi terbuat dari bahan rapuh, bahan konduktif elektrik. Media difusi kebanyakan terdiri dari lapisan difusi gas tunggal atau struktur komposit dari
lapisan difusi gas dan lapisan pori mikro. Kebanyakan model dalam literatur hanya mencakup lapisan difusi gas tersebut.
Tabel 2.3 Sifat kertas karbon yang digunakan komersial sebagai substrat untuk elektroda sel bahan bakar PEM Sumber : Colleen Spiegel, 2008
Kertas karbon Ketebalan mm
Sifat menyerap Massa jenisgcm
3
Toray TGPH 090 0.30
77 0.45
Universitas Sumatera Utara
Kureha E-715 0.35
60 to 80 0.35 to 0.40
Spectracarb 2050A-1041
0.25 60 to 90
0.40
GDL dapat ditambah dengan fluoropolimer dan karbon hitam untuk meningkatkan pengelolaan air dan sifat listrik. Jenis material ini memberikan
keefektifan reaktan dari difusi gas ke perakitan membranelektroda. Struktur ini memungkinkan gas untuk menyebar karena berdifusi untuk memaksimalkan
permukaan bidang kontak dari membran lapisan katalis. Ketebalan dari berbagai bahan gas difusi bervariasi antara 0,0017 dan 0,04 cm, kerapatannya bervariasi
antar 0,21 dan 0,73 gcm
2
, dan porositas bervariasi antara 70 dan 80. GDL yang paling umum digunakan adalah bahan kain karbon dan kertas karbon. Sifat
dari beberapa karbon yang tersedia secara komersial ditunjukkan pada tabel 2.3. GDL membantu untuk mengelola air dalam sel bahan bakar PEM karena ini
memungkinkan jumlah air yang tepat untuk menyentuh perakitan membraneelektroda untuk menjaga kelembaban membran. Selain itu, ini
membantu mengeluarkan air dari keluar katoda untuk mencegah terjadinya luapan air. Lapisan ini biasanya tahan air untuk memastikan pori-pori di kain atau
kertas karbon tidak tersumbat oleh air. Banyak perawatan yang ada untuk lapisan difusi gas. Sebagian besar
perawatan digunakan untuk membuat media difusi hidrofobik untuk menghindari luapan air dalam sel bahan bakar. Media difusi anoda atau katoda, atau keduanya
dapat menggunakan PTFE. Bahan difusi dicelupkan ke dalam 5 sampai 30 solusi PTFE, diikuti dengan pengeringan dan sintering. Antarmuka dengan lapisan
katalis dapat dilengkapi dengan lapisan coating atau pori-pori mikro untuk memastikan kontak listrik yang baik dan transportasi air yang masuk dan keluar
dari lapisan difusi. Lapisan ini terdiri dari partikel-partikel karbon atau grafit dicampur dengan pengikat PTFE. Pori-pori yang dihasilkan adalah antara 0,1 dan
0,5 mm dan jauh lebih kecil dari ukuran kertas serat karbon. Asal dan pemodelan untuk katoda GDL dari sel bahan bakar yang dibuat
oleh Beuscher. Model asal dari aliran multi fasa pada media berpori dari literatur
Universitas Sumatera Utara
hydrogeological. Perbedaan antara lapisan GDL dan permodelan dari tanah yang
tidak tersaturasi adalah GDL merupakan hidrofobik, distribusi ukuran pori berbeda, dan GDL adalah campuran dari karbon yang tidak homogen. Dengan
mengabaikan perbedaan ini, model hydrogeological cukup berguna untuk permodelan sel bahan bakar GDL. Bagaimanapun, kadangkala sulit untuk
menggunakan model ini karena terdapat banyak sifat seperti temperatur, fasa, tekanan, dan kecepatan di dalam dan sekeliling GDL adalah parameter yang tidak
diketahui ketika sel bahan bakar beroperasi. Bentuk sederhana ditunjukkan pada gambar 2.14. Garis titik – titik pada
bagian atas daripada gambar 2.14 menunjukkan porsi dari saluran dimana gas mengalir melewatinya. Bagian bawah diagram adalah sisi katalis dimana panas
dan air ditambahkan ke dalam sistem, dan gas diserap. Pada bagian atas sisi saluran, gas ditambahkan, dan panas dan air dipindahkan. Sejak setengah dari
bagian atas adalah material katoda solid, dan sebagian lagi adalah saluran terbuka, kondisi batas telah bercampur. Porsi dimana tidak terdapat fluks di dalam katoda
adalah kondisi batas Neumann, dan porsi dimana tidak terdapat cairan di dalam saluran adalah kondisi batas Dirichlet.
Gambar 2.14 Divisi lapisan difusi gas
Universitas Sumatera Utara
Sumber : Colleen Spiegel, 2008
GDL pada gambar 2.14 ; d adalah panjang, dan h adalah tinggi. Aspek rasio adalah parameter perturbation
, dan dapat dituliskan sebagai ε = hdl. Permukaan bawah berbatasan dengan lapisan katalis katoda, dan permukaan atas
terbuka untuk saluran pada sebelah kiri dan kanan. Daerah tengah berbatasan dengan katoda grafit. Saluran dapat berada pada tekanan berbeda, dan seluruh
kuantitas diasumsikan pada kondisi normal. Tekanan, P, temperatur, T, konsentrasi oksigen, u, konsentrasi uap air, v, dan fraksi volume cairan, θ, akan
dihitung. Semua variabel akan dihitung dalam fungsi θ.
Pada proses tersebut menunjukkan sebagaimana transport dari aliran dalam media berpori yang tidak tersaturasi, dengan persamaan yang digunakan
adalah persamaan Richard, yang memberikan kecepatan uap basah V
θ
dari cairan dan uap pada media berpori. Potensial total harusnya juga mempunyai
komponen gravitasi, tetapi telah dihilangkan dikarenakan terdapat sedikit cairan. Potensial uap basah harus meliputi semua sifat yang relevan dari GDL, seperti
potensial liku dan pembasahan. Dalam hal untuk membentuk temperatur, syarat dibawah ini harus
dimasukkan ke dalam : 1.
Hukum Fourier untuk konduksi patnas 2.
Konveksi 3.
Panas yang dihasilkan oleh kondensasi 4.
Kehilangan panas akibat evaporasi Dalam kasus tidak adanya cairan,
segala syarat karena θ diabaikan. Juga, syarat kondensasi dan evaporasi dikeluarkan dari persamaan. Apabila fasa gas
berkonveksi, kecepatan ditentukan menggunakan hukum Darcy: �
g
=
K
g
θ μ
∇� 2.1
Universitas Sumatera Utara
Dimana Kg adalah permeabilitas GDL terhadap gas dan μ adalah viskositas gas. Permeabilitas Kg bergantung terhadap θ karena cairan akan menghilangkan ruang
pori – pori untuk gas. Untuk kasus tanpa cairan, tanpa konveksi dan fluks konstan, transport
sekarang hanya akan tersisa Fickian, dan tekanan konstan. Ketika menguji kondisi batas dengan tekanan konstan, batas dari positif dan negatif x adalah simetris x=0.
Pada batas dari -1 ≤ x ≤1 digunakan, Pada sambungan katoda lapisan katalis, fluks
konstan diasumsikan. Kumpulan transformasi adalah : f
1
= z + iy 2.2
f
2
= exp π. f
1
2.3
f
3
=
f
2
−1 f
2
+1
� 2.4
f
4
=
1 2
+
1 π
sin
−1
f
3
2.5 Persamaannya kemudian menjadi :
T
i
= Rf
4
2.6 Dimana T
i
adalah temperatur dalam
2.7 Aplikasi Sistem Sel Bahan Bakar
