Sel bahan bakar adalah sel elektrokimia yang mengubah bahan bakar sumber menjadi arus listrik. Listrik dihasilkan di dalam sel melalui reaksi antara bahan bakar dan oksidan, yang disebabkan oleh adanya elektrolit. Reagen mengalir ke dalam sel, dan produk reaksi mengalir keluar, sedangkan elektrolit tetap di dalamnya. Sel bahan bakar dapat berjalan terus menerus selama aliran reagen dan oksidan yang dibutuhkan tetap terjaga.
Sel bahan bakar berbeda dari sel elektrokimia konvensional, baterai di mana reagen dikonsumsi dari sumber eksternal, yang harus diisi ulang – sistem termodinamika terbuka. Sebaliknya, baterai menyimpan energi listrik secara kimiawi dan karena itu mewakili sistem tertutup secara termodinamika.
Banyak kombinasi bahan bakar dan oksidan yang mungkin. Sebuah sel bahan bakar hidrogen menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar dan oksigen (biasanya udara) sebagai oksidan. Bahan bakar lainnya adalah hidrokarbon dan alkohol. Antioksidan lainnya termasuk klorin dan klorin dioksida.
Desain
Sel bahan bakar datang dalam banyak varietas, namun semuanya bekerja dengan cara umum yang sama. Mereka terdiri dari tiga segmen yang diselingi satu sama lain: anoda, elektrolit, dan katoda. Dua reaksi kimia yang terjadi pada antarmuka dari tiga segmen yang berbeda. Hasil bersih dari kedua reaksi tersebut adalah bahan bakar dikonsumsi, air atau karbon dioksida dibuat, dan arus listrik dibuat, yang dapat digunakan untuk memberi daya pada perangkat listrik, yang biasanya disebut beban.
Anoda katalis mengoksidasi bahan bakar, biasanya hidrogen, mengubah bahan bakar menjadi ion bermuatan positif dan elektron bermuatan negatif. Elektrolit adalah zat yang dirancang khusus agar ion dapat melewatinya, tetapi elektron tidak bisa. Elektron yang dilepaskan bergerak melalui kawat yang menciptakan arus listrik. Ion bergerak melalui elektrolit ke katoda. Setelah mencapai katoda, ion bertemu dengan elektron dan keduanya bereaksi dengan bahan kimia ketiga, biasanya oksigen, untuk menciptakan air atau karbon dioksida.
Fitur desain yang paling penting dalam sel bahan bakar adalah:
- Prinsip Elektrolit. Prinsip elektrolit biasanya mendefinisikan jenis sel bahan bakar.
- Bahan bakar yang digunakan. Bahan bakar yang paling umum adalah hidrogen.
- Katalis anoda, yang memecah bahan bakar menjadi elektron dan ion. Katalis anoda umumnya berupa serbuk platinum yang sangat halus.
- Katalis katoda, yang mengubah ion menjadi bahan kimia limbah seperti air atau karbon dioksida. Katalis katoda sering dibuat dari nikel.
Sebuah sel bahan bakar khas menghasilkan tegangan 0,6 V sampai 0,7 V pada beban maksimum. Ketegangan berkurang saat meningkat, karena beberapa faktor:
- Aktivasi kehilangan
- kerugian ohmik (jatuh tegangan karena resistensi komponen seluler dan interkoneksi)
- Kehilangan massa transpor (penipisan reaktan di situs katalis di bawah beban tinggi, menyebabkan hilangnya tegangan dengan cepat).
Untuk memberikan jumlah energi yang diinginkan, sel bahan bakar dapat digabungkan dalam rangkaian seri dan paralel, secara seri untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi, dan secara paralel memungkinkan arus yang lebih besar disuplai. Desain seperti itu dikenal sebagai sel bahan bakar. Area permukaan sel dapat ditingkatkan, untuk memungkinkan arus terkuat dari setiap sel.