Teknologi elektroliser untuk hidrogen ramah lingkungan (Bag. 2)

Oleh: Heru Setyawan

Kembali ke Bagian 1

Melanjutkan uraian tentang teknologi elektroliser pada Bagian 1 yang menguraikan latar belakang sejarah elektrolisa air dan elektroliser basa, pada Bagian 2 ini akan diuraikan tentang elektroliser proton-exchange membrane (PEM).

Elektroliser PEM

Latar belakang sejarah

Elektroliser air PEM pertama kali dikembangkan untuk produksi oksigen kualitas elektrolitik dalam lingkungan anaerobik seperti di dalam kapal selam. Elektroliser pertama ini mampu memproduksi sampai beberapa puluh Nm³ hidrogen per jam. Dibandingkan dengan proses basa, teknologi PEM lebih mahal. Biaya ekstra ini sebagian karena harga bahan yang mahal yang meliputi elektolit polimer, katalis dan beberapa komponen lain. Sebagian lagi karena dalam elekroliser ini elektrolit terkungkung dalam membran polimer, toleransi ukuran komponen sel menjadi lebih ketat dan untuk membuatnya membutuhkan alat mekanis canggih. Keunggulan elektroliser PEM adalah rancangannya yang lebih kompak, operasinya yang lebih efisien pada densitas arus tinggi dan lebih aman, dan menawarkan kemungkinan untuk dioperasikan dengan lebih aman pada keadaan bertekanan saat penyimpanan di kendaraan atau pengambilan produk samping hidrogen di darat.

Pada tahun 1970an dan 1980an, dalam rangka mengantisipasi krisis minyak pertama, hidrogen diperkenalkan sebagai pembawa energi alternatif dan produksi hidrogen skala besar dengan elektrolisis air PEM dievaluasi lagi dari sudut pandang teknik dan ekonomi. Dari sudut pandang ekonomi, harga elektroliser PEM jauh lebih mahal dibandingkan dengan elektoliser basa. Selain itu, teknologi ini masih belum matang secara industri. Dua hal itulah yang menjadi kelemahan utama dibandingkan dengan proses basa untuk penyebaran skala besar. Pada tahun 2000an ketika dukungan pendanaan publik masal menjadi tersedia di negara-negara industri untuk menginisiasi pengembangan ekonomi hidrogen, teknologi PEM telah diidentifikasi sebagai proses kunci untuk mentransformasi sumber listrik karbon nol menjadi pemasok hidrogen dan oksigen karbon nol untuk bermacam-macam pemakaian akhir. Upaya ini diperbaharui lagi di Eropa dalam kerangka kerja Horizon 2020 untuk masa 5 tahun ke depan. Elektrolisa air PEM adalah teknologi yang efisien, tahan lama dan sangat fleksibel yang mampu tetap beroperasi dengan baik dalam siklus daya berurutan hidup/mati. Jadi, teknologi ini sangat cocok untuk pemecah air menggunakan sumber daya berselang-seling hidup-mati. Hidrogen sekarang dipandang sebagai pembawa energi bebas karbon untuk aplikasi penyimpan energi bergerak dan musiman.

Konsep sel elektrolit polimer padat

Ciri umum sel elektrolisa PEM secara skema digambarkan pada Gambar 7. Pada sel PEM, tidak ada elektrolit cair. Hanya air deionisasi bersirkulasi. Komponen inti sel adalah membran tipis (~0,2 mm) elektrolit polimer penghantar proton. Sel seperti ini sangat kompak dan efisiensi pemecahan air tinggi. Membran memiliki dua fungsi: (i) membawa muatan ion (proton tersolvasi) dan (ii) memisahkan produk elektrolisa (hidrogen dan oksigen). Fungsi kedua adalah untuk mencegah penggabungan kembali spontan eksotermis menjadi air. Bahan paling populer sebagai elektrolit polimer padat (solid polymer electrolyte; SPE) yang digunakan dalam sel ini adalah fluoropolimer-kopolimer tetrafluoroetilena tersulfonasi. Bahan ini dikembangkan pada akhir 1960an oleh E.I. DuPont Co., dan menjadi terkenal dengan nama dagang Nafion(R). Pada kedua sisi membran diberi lapisan katalis berpori. Lapisan katalis ini dihubungkan dengan sumber daya listrik luar DC yang menyediakan kerja listrik untuk reaksi. Selama elektrolisa air, reaksi sel setengah berikut berlangsung:

Anoda: H₂O(l) → 1/2 O₂(g) + 2H⁺ + 2e^– (3)

Katoda: 2H⁺ + 2e^– → H₂(g) (4)

Reaksi lengkap: H₂O(l) → H₂(g) + 1/2 O₂(g) (5)

Dalam ‘sel SPE’, arus DC digunakan untuk memecah air cair menjadi oksigen gas dan proton pada anoda (Persamaan 3), Sebagai tanggapan terhadap medan listrik yang ada sepanjang sel, proton tersolvasi berpindah ke katoda dimana mereka didesolvasi dan direduksi menjadi hidrogen molekuler (Persamaan 4). Aliran air menyeberangi sel disebut seretan elektroosmosis.

Gambaran unit sel PEM

Gambaran umum

Unit sel PEM (Gambar 8) mengandung beberapa komponen. Komponen inti yang aktif secara elektrokimia adalah rangkaian membran-elektroda, yang tersusun atas: membran SPE (1) dan lapisan elektrokatalis pada membran yang juga berfungsi sebagai elektroda. Elektrokatalis pada salah satu sisi membran berfungsi sebagai anoda (2a) untuk reaksi evolusi oksigen (oxygen evolution reaction: OER) dan pada sisi yang lain sebagai katoda (2c) untuk reaksi evolusi hidrogen (hydrogen evolution reaction: HER). Rangkaian membran-elektroda biasanya dijepit diantara dua distributor arus berpori (3) yang dibuat dari partikel titanium disinter. Dua pelat berongga bipolar (4) digunakan untuk membawa arus listrik ke sel dan memisahkan dua sel yang berdempetan. Saluran digunakan untuk membawa air umpan ke anoda dan untuk mengumpulkan campuran cair-gas dalam masing-masing kompatermen sel. Titik kontak antara pengumpul arus dan lapisan elektrokatalis (5) adalah kritis. Di sini, jarak rata-rata antara titik kontak harus cukup dekat (beberapa mikrometer) untuk memperoleh distribusi yang baik garis arus pada antarmuka. Pelat akhir dihubungkan dengan catu daya luar DC.

Rangkaian membran elektroda

Elektrokatalis

Dalam elektrolisa air PEM, nanopartikel platina teremban karbon digunakan sebagai elektrokatalis pada katoda untuk mempercepat HER:

H₃O⁺ + 1e^– → H₂O + 1/2 H₂ (6)

Karbon hitam penghantar listrik dipakai sebagai pembawa elektron. Mereka biasanya dibuat dengan peruraian panas (asetilena hitam) atau oksidasi parsial (tanur hitam) hidrokarbon. Metoda berbeda yang digunakan untuk pembuatan substrat karbon ini mengarah kepada karbon hitam dengan bermacam-macam mutu grafit dan karbon amorf dengan luas permukaan spesifik berkisar dari 10 sampai 2000 m²/g. Karbon hitam mengandung partikel sangat kecil (10-40 nm), yang selama sintesa, cenderung membentuk agregat 20-100 nm. Jaringan pori meliputi pori-pori partikel sendiri dan pori-pori yang terbentuk oleh agregasi partikel.

Pada sisi anoda, iridium (logam atau oksida) adalah katalis yang paling efisien dan stabil untuk OER dalam media asam:

H₂O → 2H⁺ + 2e^– + 1/2 O₂ (7)

Partikel iridium oksida tak teremban yang diimpregnasi dengan rantai ionomer polimer biasanya digunakan untuk membentuk lapisan katalis.

Distributor arus listrik-gas

Distributor arus-gas setebal beberapa milimeter yang digunakan dalam sel elektrolisa air PEM biasanya dibuat dari partikel titanium yang disinter. Porositas komponen sel kunci ini perlu disesusaikan dengan sangat seksama karena mereka memainkan peran inti dalam: (i) perpindahan massa antara pelat bipolar dan lapisan katalis, (ii) kompresi mekanis sel dan (iii) distribusi homogen garis arus pada antarmuka dengan lapisan katalis. Ukuran dan struktur jaringan pori dapat diatur dengan menggunakan partikel berukuran seragam atau dengan mencampur partikel dengan dua populasi ukuran berbeda.

Beberapa hasil menunjukkan porositas optimum harus terletak dalam kisaran 30-50% untuk mengoperasikan densitas arus sampai 2 A/cm² dan tekanan atmosfer. Struktur yang lebih berpori diperlukan untuk nilai densitas arus yang lebih tinggi.

Situasi yang berlaku pada anoda selama operasi dapat dicontohkan dengan Gambar 9 yang menunjukkan foto piringan titanium 250 cm² (Kiri) yang terbuat dari partikel titanium bola (Kanan). Partikel titanium permukaan ekstrim ditekan pada lapisan katalis.

Pengatur jarak

Dalam sel PEM, dibutuhkan ruang untuk mengelola bagian berongga yang sejajar dengan pengumpul arus dimana air cair dapat dipompa dan produk gas dikumpulkan. Salah satu pengatur jarak ditunjukkan pada Gambar 10 yang berupa grid titanium yang cukup tebal. Struktur jala perlu dioptimasi dengan memperhitungkan densitas arus nominal operasi dan tekanan operasi. Pada keliling, penyegel polimer dengan sifat mekanis yang tepat digunakan untuk menjamin keketatan air dan gas, untuk injeksi air dan pengumpulan gas, dan untuk menfasilitasi distribusi gaya tekan dalam konfigurasi saringan tekan.

Pelat bipolar

Pelat titanium curah biasanya digunakan sebagai pelat bipolar antara sel yang berdempetan. Meskipun konduktivitas listrik titanium curah jauh lebih rendah daripada konduktivitas logam lain (mis.: baja anti karat), titanium adalah paling tahan terhadap oksidasi permukaan dan stabil secara kimia dalam lingkungan sel elektrolisa air PEM. Pada permukaan pelat akan muncul lapisan terpasivasi setelah beroperasi beberapa lama. Lapisan pasif titanium oksida yang tebalnya beberapa nanometer inilah yang mencegah pelarutan logam sehingga korosi curah pelat tidak menjadi isu. Pada katoda, titanium hidrida mungkin terbentuk, bahkan pada suhu rendah, namun dampak terhadap ketahanan pelat bipolar dan distributor arus tidak lagi menjadi masalah.

Tumpukan sel

Sel PEM tunggal memiliki kapasitas produksi terbatas. Sel tunggal biasanya ditumpuk bersama-sama untuk menyesuaikan kapasitas produksi elektroliser untuk kebutuhan proses. Konsep tumpukan utama secara skema digambarkan dalam Gambar 11.

Rancangan monopolar (Gambar 11a [Kiri]) adalah rancangan sel PEM yang dihubungkan paralel. Rancangan yang lebih baik terdiri atats sel-sel ini yang dihubungkan seri. Rancangan yang paling populer dan sederhana adalah menerapkan tegangan tumpukan secara langsung antara dua ujung pelat (b). Alternatif c, anoda tengah (atau katoda) dapat digunakan. Gambar 11 (Kanan) menunjukkan penampang melintang dua rangkaian membran-elektroda yang ditumpuk bersama-sama. Distributor arus berpori digunakan dalam setiap kompartemen sel (label 2). Pelat bipolar dibuat dari serbuk karbon ditekan dengan saluran terpasang tetap (label 3) yang digunakan untuk sirkulasi air. Pada sisi katoda, pelat bipolar adalah permukaan yang dilapisi dengan lapisan tipis tantalum yang digunakan untuk mencegah oksidasi permukaan.

Pustaka

Millet, P., PEM Water Electrolysis, in Hydrogen Production by Electrolysys edited by A. Godula-Jopek, Wiley-VCH, 2015.