01 Pendahuluan
Sel bahan bakar membran penukar proton (PEMFCs), sebagai perangkat yang dapat secara langsung mengubah energi bebas kimia menjadi energi listrik, hanya menghasilkan air sebagai produk sampingan setelah reaksi. Mereka menawarkan keunggulan seperti efisiensi energi, tingkat konversi energi yang tinggi, keandalan yang tinggi, penyalaan yang cepat-pada suhu ruangan, dan masa pakai yang lama [1]. Fitur-fitur ini memberikan PEMFC prospek aplikasi yang luas dan potensi pasar dalam aplikasi stasioner (misalnya, stasiun pangkalan komunikasi, gabungan panas dan daya), aplikasi bergerak (misalnya, mobil, kapal laut), dan aplikasi portabel (misalnya, komputer, kamera). Mereka dipuji sebagai metode pembangkit listrik keempat setelah tenaga termal, air, dan nuklir [2].
Pelat bipolar (BPs), sebagai komponen kunci PEMFC, berfungsi terutama untuk memisahkan dan mendistribusikan oksidan dan bahan bakar, menghantarkan arus, mendukung perakitan elektroda membran, dan mengatur suhu tumpukan internal [3]. Untuk memenuhi persyaratan pengoperasian sel bahan bakar, BP harus memiliki impermeabilitas gas yang sangat baik, konduktivitas listrik dan ketahanan korosi yang baik, konduktivitas termal yang memadai, dan sifat mekanik [3]. Sementara itu, BP saat ini menyumbang sekitar 80% dari berat dan volume PEMFC dan sekitar 50% dari biayanya. Sambil memastikan persyaratan fungsional, membuat BP setipis dan seringan mungkin sangat penting untuk meningkatkan kepadatan daya PEMFC dan mengurangi biaya produksi. Praktek telah menunjukkan bahwa mengoptimalkan kinerja pelat bipolar dapat meningkatkan kepadatan daya tumpukan sekitar 20%, mencapai 6–9 kW/L [3]. Oleh karena itu, peningkatan material BP dan proses fabrikasi sangat penting untuk meningkatkan kinerja PEMFC.
Target kinerja DOE untuk pelat bipolar(tabel dihilangkan)
Diagram struktur PEMFC(gambar dihilangkan)
02 Klasifikasi dan Penerapan Analisis Potensi Pelat Bipolar
Berdasarkan komposisi materialnya, pelat bipolar dibagi menjadi empat kategori: pelat bipolar grafit, pelat bipolar grafit fleksibel, pelat bipolar logam, dan pelat bipolar komposit [4].
2.1 Pelat Bipolar Grafit
Grafit adalah salah satu bahan substrat paling awal yang dikembangkan untuk BP, memiliki kepadatan rendah, ketahanan korosi yang baik, dan ketahanan kontak rendah dengan lapisan difusi gas. Namun, BP grafit memiliki porositas yang relatif tinggi, sehingga sulit memenuhi persyaratan-kekencangan gas. Selain itu, grafit memiliki kekuatan yang rendah dan rapuh, sehingga pelat akhir secara signifikan lebih tebal dibandingkan BP logam [2].
Penelitian tentang BP grafit berfokus pada bahan grafit dan metode impregnasi. Meskipun beberapa kemajuan telah dicapai dalam meningkatkan kekencangan gas dan kekuatan struktural, namun kemajuan tersebut masih belum memenuhi persyaratan operasional PEMFC [2].
Berdasarkan jenis bahannya, BP grafit dapat dibagi menjadi dua kategori:
BP grafit kaku, juga disebut pelat grafit mesin, sebagian besar dibuat dari produk sampingan bahan bakar fosil, diproses melalui kalsinasi, impregnasi vakum, grafitisasi{0}}suhu tinggi, dan kemudian dikerjakan oleh CNC untuk membentuk saluran aliran tertentu. Setiap set memerlukan pemesinan CNC, sehingga memerlukan biaya yang relatif tinggi. Ini terutama digunakan untuk pengembangan desain, dan pangsa pasarnya dalam produksi massal secara bertahap digantikan oleh jenis lain [5].
BP grafit fleksibel, juga dikenal sebagai pelat cetakan atau BP grafit diperluas, umumnya diproduksi dengan mencampurkan grafit diperluas dengan bubuk resin polimer yang diikuti dengan pencetakan, atau dengan menghamili lembaran grafit diperluas yang telah dipres sebelumnya. BP grafit fleksibel bersifat ringan,-tahan korosi, dan bersifat konduktif, menjadikannya material yang ideal, namun memiliki kekurangan dalam sifat mekanik dan kedap gas [2].
2.2 Pelat Bipolar Metalik
Bahan logam BP terutama meliputi aluminium, baja tahan karat, titanium, dan paduan nikel [3].
BP logam menawarkan konduktivitas listrik, kekencangan gas, dan kekuatan lentur yang baik. Selain itu, karena keuletan logam yang sangat baik, pelat tipis dengan struktur medan aliran dapat dibuat melalui stamping, yang secara signifikan meningkatkan kepadatan daya volumetrik PEMFC [2]. Namun, BP logam rentan terhadap korosi di lingkungan PEMFC (pH ~2–3, T=80–100 derajat ), melepaskan ion logam yang berdampak buruk pada pengoperasian sel bahan bakar. Sementara itu, pembentukan lapisan pasif pada permukaan menyebabkan peningkatan resistensi kontak yang signifikan, sehingga sangat membatasi keandalan jangka panjang [2].
Strategi utama saat ini untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi pada BP logam mencakup penerapan pelapis tahan korosi dan meningkatkan ketahanan terhadap korosi substrat [2]. Pelapisan dapat meningkatkan kinerja korosi secara signifikan, namun menyeimbangkan konduktivitas, kompleksitas proses, dan biaya merupakan suatu tantangan. Selain itu, pengujian korosi biasanya dilakukan-jangka pendek, sehingga hasilnya mungkin tidak mencerminkan kinerja-jangka panjang-yang sebenarnya [2]. Penelitian terkini menunjukkan bahwa pelapisan tunggal juga memiliki keterbatasan; misalnya, paduan titanium memiliki ketahanan korosi yang baik karena lapisan oksidanya, tetapi hal ini meningkatkan ketahanan kontak, sehingga memerlukan perawatan peningkatan konduktivitas permukaan. Ketahanan terhadap korosi dan masalah biaya tetap menjadi hambatan utama dalam penerapan BP logam dalam skala besar [2].
Lyu Jianxiang [6] dkk. meninjau secara sistematis kemajuan penelitian pada pelapisan karbida logam transisi, pelapisan nitrida logam transisi, pelapisan karbon amorf, pelapisan berbasis graphene, pelapisan polimer konduktif, dan pelapisan paduan entropi tinggi untuk BP logam dalam sel bahan bakar. Mereka menunjukkan bahwa pelapisan multilapis dengan struktur yang saling terkait berpotensi meningkatkan ketahanan terhadap korosi dan konduktivitas. Penelitian terbaru menunjukkan bahwa memasukkan elemen-tahan korosi ke dalam pelapis juga merupakan pendekatan yang layak. Oleh karena itu, kombinasi pelapisan multilapis dan doping unsur diharapkan menghasilkan lapisan tahan korosi-yang lebih baik untuk BP logam.
2.3 Pelat Bipolar Komposit
Pelat komposit terdiri dari dua atau lebih bahan, dengan proses gabungan yang mengoptimalkan sifat mekanik, korosi, dan listrik. Pelat komposit dapat diklasifikasikan menjadi komposit struktural dan komposit proses [7]. Berdasarkan jenis materialnya, komposit BP dapat dibagi menjadi dua kategori utama: komposit resin polimer/karbon dan komposit grafit/logam [7].
2.3.1 Pelat Bipolar Resin Polimer/Komposit Karbon
Pelat bipolar grafit komposit adalah jenis baru, dibuat terutama dari resin polimer organik dan pengisi konduktif berbasis karbon-. Matriks resin meningkatkan sifat mekanik dan mengikat pengisi konduktif, yang berfungsi sebagai fokus penelitian utama untuk meningkatkan kekencangan gas dan kekuatan lentur. Pengisi konduktif, diwakili oleh grafit, saling berhubungan membentuk jaringan konduktif [2].
Pengisi konduktif umumnya mencakup karbon hitam, serat karbon (CF), grafit diperluas, tabung nano karbon, grafit sintetis (SG), dan graphene; resin polimer termasuk polipropilen, polietereterketon (PEEK), polietilen tereftalat (PET), resin epoksi, dan resin fenolik [8].
Dengan menyesuaikan komposisi dan rasio massa resin dan pengisi konduktif, dikombinasikan dengan modifikasi grafit atau aditif resin, berbagai sifat BP grafit komposit dapat disesuaikan dan dioptimalkan. Selain itu, teknik persiapan tingkat lanjut dan-pemrosesan-seperti mengontrol orientasi dan dispersi pengisi grafit, dan mengoptimalkan sifat antarmuka grafit/resin-secara langsung memengaruhi struktur makro- dan mikro pelat komposit yang dicetak, sehingga berdampak langsung pada kinerjanya [2].
Saat ini, teknologi produksi dalam negeri untuk BP komposit belum matang, terutama karena lokalisasi formulasi bahan baku yang tidak lengkap, kurangnya-produksi berkelanjutan dalam skala besar, dan biaya tinggi. Oleh karena itu, menemukan-bahan baku berbiaya rendah, mengoptimalkan rasio formulasi dan kondisi pemrosesan, serta memperpendek siklus produksi tetap menjadi arah penelitian utama [9].
2.3.2 Pelat Bipolar Komposit Grafit/Logam
Pelat komposit grafit/logam menggunakan lapisan logam sebagai pemisah dan pelat karbon tipis berpori atau pelat grafit (dibuat dengan cetakan injeksi dan pemanggangan) sebagai pelat medan aliran, diikat dengan perekat konduktif [7]. Logam menawarkan konduktivitas yang baik, kekuatan tinggi, dan kedap gas, sedangkan grafit memberikan ketahanan terhadap korosi. Dengan demikian, grafit terutama berfungsi untuk saluran konduksi dan aliran tanpa perlu melakukan fungsi penyegelan atau penguatan, sehingga memungkinkan keuntungan yang saling melengkapi [7].
Pelat komposit berbasis logam-menggabungkan keunggulan pelat grafit dan logam, sehingga meningkatkan kinerja secara keseluruhan. Namun, struktur dan proses fabrikasinya yang rumit membuat produksi massal menjadi sulit, dan biaya produksi jauh lebih tinggi dibandingkan komposit berbasis karbon-. Meskipun ada tantangan untuk promosi PEMFC secara umum, mereka memiliki keuntungan untuk aplikasi khusus [7].
03 Kemajuan Penelitian Pelat Bipolar Grafit Fleksibel dan Komposit Grafit
Dari hal di atas, BP komposit grafit dan grafit fleksibel menunjukkan kinerja keseluruhan yang lebih seimbang dan potensi pengembangan yang lebih kuat. Menurut persyaratan kinerja BP, indikator utama meliputi permeabilitas gas, konduktivitas listrik, ketahanan kontak, kekuatan lentur, dan laju korosi, yang merupakan arahan penelitian utama BP.
Perbandingan kelebihan dan kekurangan berbagai jenis BP(tabel dihilangkan)
3.1 Pengaruh Modifikasi Polimer Terhadap Konduktivitas dan Kekuatan Lentur Pelat Bipolar Komposit Grafit
Zeng Haodong [8] dkk. resin polimida (PI) yang dimodifikasi dengan resin polietereterketon (PEEK), menggunakan grafit yang diperluas sebagai pengisi konduktif utama, dan menyiapkan pelat bipolar komposit untuk PEMFC dengan pencetakan kompresi. Mereka menyelidiki pengaruh kandungan resin dan penambahan graphene terhadap kinerja BP komposit. Hasil menunjukkan bahwa dengan fraksi massa resin tetap sebesar 40% dan rasio massa PI:PEEK sebesar 1:1,25, sampel BP komposit grafit/PI-PEEK yang diperluas mencapai konduktivitas listrik optimal (181,8 S/cm) dan kekuatan lentur (43,49 MPa), yang menunjukkan peningkatan konduktivitas sebesar 64,7% dibandingkan sampel resin PI murni.
Li Hang [10] dkk. menggunakan grafit serpihan alami (NG) sebagai agregat konduktif dan resin fenolik (PF) dan resin poliester tak jenuh (UPR) sebagai pengikat, menyiapkan BP komposit NG/PF/UPR dengan pencetakan kompresi. Mereka mempelajari pengaruh rasio massa PF/UPR, kandungan resin, dan kondisi pencetakan terhadap konduktivitas dan kekuatan lentur. Hasil menunjukkan bahwa pada kondisi kandungan resin 20% berat, rasio massa PF/UPR 6:1, suhu pengepresan 100 derajat, tekanan pencetakan 30 MPa, suhu pencetakan 180 derajat, dan waktu pencetakan 2 jam, komposit NG/PF/UPR mencapai konduktivitas listrik sebesar 336,1 S/cm dan kuat lentur sebesar 46,5 MPa. Dibandingkan dengan komposit NG/PF pada kondisi yang sama, konduktivitas meningkat sebesar 134,9% dan kekuatan lentur sebesar 21,2%.
3.2 Pengaruh Ketebalan Substrat Grafit terhadap Kinerja BP Secara Keseluruhan
Wang Dengke [11] dkk. menggunakan substrat grafit yang diperluas dengan ketebalan 4 mm dan 6 mm untuk menghasilkan BP grafit saluran-aliran-satu sisi dengan ketebalan 1 mm, mempelajari pengaruh ketebalan substrat pada pencetakan dan kinerja pelat grafit fleksibel komposit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa substrat 4 mm menghasilkan pelat dengan geometri saluran/rib yang lebih baik, akurasi dimensi yang unggul, permeabilitas gas di bawah target DOE sebesar 2×10⁻⁶ cm³·s⁻¹·cm⁻², kuat lentur 25,4 MPa, konduktivitas listrik 333 S·cm⁻¹, dan resistansi kontak di bawah 2,37 mΩ·cm². Mereka juga menunjukkan ketahanan terhadap korosi yang sangat baik; setelah 3000 detik pada potensi tinggi (1,6 V), rapat arus korosi tetap stabil. Oleh karena itu, substrat 4 mm adalah pilihan yang baik untuk mencetak pelat grafit fleksibel 1 mm, menghasilkan kinerja optimal yang memenuhi persyaratan DOE. Para penulis berharap penelitian ini akan mendorong industrialisasi pelat grafit fleksibel dan pengembangan lebih lanjut industri sel bahan bakar.
3.3 Pengaruh Ukuran Partikel Grafit Terhadap Kekuatan Lentur dan Konduktivitas Pelat Bipolar
Kang [12] dkk. menunjukkan bahwa kekuatan lentur BP komposit meningkat dengan berkurangnya ukuran partikel grafit curah, tetapi konduktivitas menurun. Partikel grafit massal terhubung melalui kontak titik, sedangkan grafit serpihan membentuk kontak tatap-ke-muka, memfasilitasi pembentukan jaringan konduktif dan transpor elektron.
3.4 Pengaruh Optimasi Ukuran Partikel Karbon Hitam dan Grafit terhadap Konduktivitas
Lim [13] dkk. menyemprotkan campuran bubuk grafit alami, karbon hitam, dan pelarut metil etil keton ke prepreg resin epoksi/serat karbon, mengeringkannya, dan kemudian dilaminasi dengan foil grafit di kedua sisi sebelum pengepresan panas untuk membentuk BP komposit. Karena ukuran partikelnya yang lebih kecil, karbon hitam terdispersi lebih seragam dan lebih efektif dibandingkan bubuk grafit alami dalam meningkatkan konduktivitas. Gautam [14] dkk. grafit serpihan alam yang diinterkalasi secara kimia dalam larutan campuran KMnO₄, HClO₄, dan HNO₃ selama 1 menit, kemudian diiradiasi dengan oven microwave untuk menghasilkan grafit mengembang dengan volume spesifik maksimum (570±10) mL·g⁻¹. Mereka kemudian menyiapkan BP komposit grafit/karbon hitam/grafit/komposit resin fenolik yang diperluas; pengujian sel-tunggal menunjukkan kinerja yang lebih baik dibandingkan komposit yang hanya menggunakan grafit diperluas sebagai pengisi konduktif, yang dikaitkan dengan karbon hitam dan bubuk grafit halus yang mengisi rongga di antara pengisi konduktif.
3.5 Pengaruh Impregnasi Vakum terhadap Konduktivitas dan Kekuatan Lentur Pelat Bipolar
Zhan Zize [3] dkk. mempelajari efek penambahan pengencer resin epoksi, suhu, dan struktur pori grafit terhadap jumlah impregnasi resin selama impregnasi vakum, dan mengevaluasi konduktivitas listrik, kekuatan lentur, dan kekencangan gas dari BP sel bahan bakar yang dihasilkan. Hasil menunjukkan bahwa peningkatan kandungan pengencer dan suhu mengurangi viskositas resin, meningkatkan kapasitas impregnasi dan memungkinkan resin mengisi pori-pori yang lebih halus. Namun, beberapa pori-pori masih belum terisi; pori-pori di bawah 0,1 μm dalam grafit yang diperluas sulit untuk ditembus sepenuhnya, sehingga mencegah pengisian penuh. Suhu impregnasi vakum optimal untuk resin epoksi/sistem pengencer adalah 50 derajat, dan penambahan pengencer (etilen glikol diglisidil eter) optimal adalah 15% berat. BP (EGP-H) yang diperoleh memiliki konduktivitas dalam-bidang sebesar 340,12 S/cm, kuat lentur sebesar 41,52 MPa, dan permeabilitas helium sebesar 5,4×10⁻⁷ cm³·cm⁻²·s⁻¹.
04 Ringkasan Pendekatan Utama untuk Meningkatkan Kinerja Pelat Bipolar Grafit
Mengenai pengaruh jenis bahan baku, rasio, dan kondisi proses pencetakan terhadap kinerja BP, empat aspek utama diidentifikasi:
(1) Resin mengikat partikel konduktif dan membentuk jaringan-tiga dimensi setelah pengikatan silang, sehingga meningkatkan sifat mekanik. Namun, resin yang berlebihan mengurangi konduktivitas. Oleh karena itu, kandungan resin harus dioptimalkan untuk menyeimbangkan kinerja mekanik dan listrik.
(2) Jika grafit merupakan pengisi konduktif utama, grafit serpihan lebih mudah membentuk jalur konduktif dibandingkan grafit curah. Ukuran partikel mempengaruhi konduktivitas dan sifat mekanik, dan distribusi ukuran partikel yang tepat harus ditentukan melalui optimasi.
(3) Penambahan kecil karbon hitam, serat karbon, atau tabung nano karbon dapat secara efektif mengisi kekosongan dan meningkatkan jalur konduktif. Sementara itu, mereka dapat membentuk ikatan kovalen dengan gugus fungsi resin atau secara langsung meningkatkan ketangguhan, sehingga meningkatkan kekuatan lentur, sehingga konduktivitas dan sifat mekanik BP komposit ditingkatkan.
(4) Dalam pencetakan kompresi, rasio bahan baku dan kondisi pengepresan panas harus terus dioptimalkan, meningkatkan operasi paralel, memperpendek siklus produksi, dan mencapai produksi aliran berkelanjutan.