Proton Exchange Membrane

  a   r   b   m  e   m  e   n  g  o   n   t   l   a  o   l   r   h   P   x c  c e   l  e  e   f  u   1  3   /   0   /  1

 e   y  l e   t   s  e  e   l   t   t  i   b   s  u   r  e   s  t   a   t  M   i  e d • Cahyo adi nugroho (1006772456)   t o •   k Deni K Sihombing (1006772475)  c   c   i   l •   C Frannicko Marfic Y (1006660182) • Hermawan adi Chandra (1006676666) • Libertinus juan romualdo (1006676716) • Setyaningrum (1006660283) • Tri sutrisno (1006772576) • Yanita firda adelia (1006732074)

FUEl cell v

Welsh Physicist William Grove developed the first crude fuel cells in 1839. The first commercial commercial use of o f fuel cells was in NASA space programs to generate power for probes, satellites and space capsules. Since then, fuel cells have been used in many other applications.

  1  3   /   0   /  1

v

There are many types of fuel cells, but they all consist of an anode (negative side), a cathode (positive side) and an electrolyte that allows charges to move between the two sides of the fuel cell. Electrons are drawn from the anode to the cathode through an external circuit, producing direct current electricity. As the main difference among fuel cell types is the electrolyte, fuel cells are classified by the type of electrolyte they use.

  1  3   /   0   /  1

Proton exchange membrane fuel cells, also known as polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells (PEMFC), are a type of fuel cell being developed for transport applications as well as for stationary fuel cell applications and portable fuel cell applications.

  1  3   /   0   /  1

Proton exchange membrane fuel cells

Proton exchange membrane fuel cells v

In the archetypical hydrogen–oxygen proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) design, a proton-conducting polymer membrane, (the electrolyte), separates the anode and cathode sides. This was called a "solid polymer electrolyte fuel cell" (SPEFC) in the early 1970s, before the proton exchange mechanism was well-understood. (Notice that "polymer electrolyte membrane" and "proton exchange mechanism" result in the same acronym.)

  1  3   /   0   /  1

 e   n   n   a   a   b  r   t   a   m   u   b   M e   m  e  e   P   n  g  e   a   l e   m   h   y   t   s   x c   s   i  e   l   n   t   E   t  i   a   b   s   k   l   s  u   n   l   r  e   t o  e   s  t e   M   r o   l  C   t  M  a   P   u e  o e d  i   F   k  t   i c   C  l

  1  3   /   0   /  1

Komponen yang digunakan untuk menyusun PEMFC adalah end-plate (plastik, GasHub Co.), current collector (plate Cu, GasHub Co.), bipolar plate sebagai separator (Grafit, GasHub Co.), gasket (silikon), serta MEA (membrane electrode assembly). MEA yang digunakan dimanufaktur dengan menyusun elektroda dan membran dengan cara hotpress. Elektroda yang digunakan adalah carbon paper (GasHub Co), diolesi dengan tinta katalis Pt/C dengan loading 0.5 mg/cm2. Membran yang dipakai adalah Nafion 50 µm (NRE 212, DuPont) [3].

  1  3   /   0   /  1

Mekanisme Pembuatan Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Komponen Fuel Cells

Proton exchange Membrane Fuel Cells

  1  3   /   0   /  1

Mekanisme Pembuatan Proton Exchange Membrane Fuel Cells

  n  o  e  l   t  o   f  u   r   p  e   f  o   r  a  n   n   b   o   i   t  e  m  c   u  d   m  o  e   r   p   n g  e   a   h    T   x c  h  e  e  l  l  s  c   t o   k   i c   C  l

  y  l e   t   s  e   l   t   t  i   b   s  u   r  e   s  t   a   t  M   i  e d

The production of proton exchange membrane fuel c YouTube.flv 

Powered by :   1  3   /   0   /  1 KUKA KR 60 HA robot & Double vacuum gripper

 e  g   S   n   a   K    h   R  c   O   x   E   n e   W   n   L   W   a  o  b  r   E  L   O   t   H   r o   m   C   P  e   E  L   M  F  U   t o   k   i c   C  l

  1  3   /   0   /  1

  y  l e   t   s  e   l   t   t  i   b   s  u   r  e   s  t   a   t  M   i  e d

Secara umum, Sistem fuel cell ≈ baterai (accu) biasa, yaitu: energi listrik yang dihasilkan secara elektrokimia yang semua bagian unit baterainya berbentuk padat, dan elektrolitnya adalah polimer membran yang menghantarkan proton. Dalam proses ini terjadi reaksi bahan bakar dan oksidator (oksigen dari udara) menjadi tenaga listrik, air dan panas. Sistem perubahan energi ini merupakan clean-technology system yang ramah lingkungan.

  1  3   /   0   /  1

Prinsip kerja fuel cell merupakan kebalikan proses elektrolisa, dimana hidrogen direaksikan dengan oksigen dan menghasilkan listrik. 2H2 + O2



2H2O (1)

Pada reaksi tersebut diatas dibebaskan energi panas yang kemudian dapat dihasilkan energi listrik. Arus listrik yang dihasilkan sangat kecil. Hal ini disebabkan beberapa hal: (a) rendahnya kontak area antara gas, elektroda dan elektrolit; (b) jarak yang jauh antara elektroda dan elektrolit menyebabkan tahanan pada arus listrik.   1  3   /   0   /  1

Sehingga untuk meningkatkan kinerjanya, elektroda dibuat menjadi plat dengan lapisan tipis dari elektrolit. Struktur elektroda terbuat dari material berporous yang menyebabkan elektrolit pada sisi satu dan sisi lainnya bisa menembus.

  1  3   /   0   /  1

a a ano a, asam ar e e ro ,

rogennya a an

terionisasi menghasilkan elektron dan ion hidrogen (proton). Reaksi ini akan membebaskan energi. 2H2



4H+ + 4e- (2)

Sementara di katoda, oksigen bereaksi dengan elektron yang diambil dari elektroda dan proton (ion hidrogen) membentuk air. O2 + 4e- + 4H+



2H2O (3)

Reaksi tersebut di atas berlangsung kontinyu, elektron yang dihasilkan pada anoda harus dapat melewati rangkaian elektrik menuju katoda. Demikian juga ion hidrogen (proton) harus dapat melewati elektrolit.

  1  3   /   0   /  1

 The pressurized hydrogen gas (H2) entering the fuel cell on the anode side.

 This gas is forced through the catalyst by the pressure.

H2 molecule comes in contact with the platinum on the catalyst, it splits into   3two H+ ions and two   1 electrons (e-).   0  /

  /  1

Each of these atoms has a strong negative charge.

On the cathode side of the fuel cell, oxygen gas (O2) is being forced through the catalyst, where it forms two oxygen atoms.

 The electrons are conducted through the anode.

 This negative charge attracts the two H+ ions through the membrane, where they combine with an oxygen atom and two of the electrons from the external circuit to form a water molecule (H2O).

  1  3   /   0   /  1

 This reaction in a single fuel cell produces only about 0.7 volts.

 To get this voltage up to a reasonable level, many separate fuel cells must be combined to form a fuel-cell stack. Bipolar plates are used to connect one fuel cell to another and are subjected to both oxidizing and reducing conditions and potentials.

A big issue with bipolar plates is stability. Metallic bipolar plates can corrode, and the by products of corrosion (iron and chromium ions) can decrease the effectiveness of fuel cell membranes and electrodes. Low-temperature fuel cells use lightweight metals, graphite and carbon/thermoset composites (thermoset is a kind of  plastic that remains rigid even when subjected to high temperatures) as bipolar plate material.

  1  3   /   0   /  1

Comparison of Fuel Cell Technologies Fuel Cell Type

Polymer  Electrolyte Membrane (PEM)

Alkaline (AFC)

Phosphoric Acid (PAFC)

Molten Carbonate (MCFC)

Common Electrolyte

Perfluoro sulfonic 50-100°C acid 122-212° typically 80°C

Typical Stack Size

Efficiency

Applications

< 1kW–100kW 60% transportation • • 35% stationary •

• •

Aqueous solution 90-100°C of potassium 194-212°F hydroxide soaked in a matrix

10–100 kW

60%

  y  l e   t   s  e   l   t   t  i   b Phosphoric acid 150-200°C 302- 400 kW 100  u 40%   s soaked in a 392°F kW module   r matrix  e   s  t   a   t  M   i  e d   t o 300 kW-3 MW 45-50% Solution of  600-700°C   k lithium, sodium, 1112-1292°F 300 kW   l  i c and/ or potassium   C module

Backup power Portable power Distributed generation  Transporation Specialty vehicles

• Military • Space

  1  3   /   0   /  1

700-1000°C 1202-1832°F

1 kW–2 MW

60%

Advantages

• Solid electrolyte reduces corrosion & electrolyte management problems • Low temperature • Quick start-up • Reduce a polution

Disadvantages

•Expensive catalysts •Sensitive to fuel impurities

• Cathode reaction faster in • Sensitive to CO2 in fuel and alkaline electrolyte, leads to air high performance • Electrolyte management • Low cost components

Distributed generation • Higher temperature • Pt catalyst enables CHP • Long start up time • Increased tolerance to fuel • Low current and power impurities

• Electric utility • Distributed generation

• High efficiency • Fuel flexibility • Can use a variety of  catalysts • Suitable for CHP

• High temperature corrosion and breakdown of cell components • Long start up time • Low power density

• Auxiliary power • Electric utility • Distributed generation

• High efficiency • Fuel flexibility • Can use a variety of  catalysts • Solid electrolyte • Suitable for CHP & CHHP • Hybrid/GT cycle

• High temperature corrosion and breakdown of cell components • High temperature operation requires long start up time and limits

carbonates, soaked in a matrix

 Yttria stabilized zirconia

Solid Oxide (SOFC)

Operating Temperature

1.

Backup Power

  1  3   /   0   /  1

application

2. Portable Power

  1  3   /   0   /  1

application

3. Transporation

 Toyota FCHV PEM FC fuel cell vehicle.

  1  3   /   0   /  1

4. Distributed generation 5. Specialty vehicles

  1  3   /   0   /  1