1

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dinamika perkembangan ilmu pengetahuan mendorong penciptaan

teknologi baru dengan sangat cepat. Perkembangan yang semakin canggih dan

meningkatnya teknologi membutuhkan sumber energi dalam skala besar.

Secara sederhana dampak dari kemajuan teknologi adalah konsumsi  energi

berlebih. Saat ini, sektor minyak bumi dan gas masih menjadi andalan bagi

pemenuhan kebutuhan energi dalam negeri dan dunia. Berdasarkan data

ESDM (2006), minyak bumi mendominasi 52,5% pemakaian energi di

Indonesia, sedangkan gas bumi sebesar 19%, batu bara 21,5%, air 3,7%, panas

bumi 3%, dan energi terbarukan hanya sekitar 0.2% dari total penggunaan

energi. Padahal, cadangan minyak bumi Indonesia berdasarkan ESDM (2006)

hanya sekitar 9 miliar barel dan produksi Indonesia hanya sekitar 500 juta

barel per tahun. Hal ini berarti jika terus dikonsumsi dan tidak ditemukan

teknologi baru untuk meningkatkan recovery minyak bumi, diperkirakan

minyak bumi Indonesia akan habis dalam waktu dekat.

Teknologi konvensional menggunakan minyak bumi sebagai sumber

energi dipandang kurang efisien serta menimbulkan polusi udara. Pembakaran

minyak bumi menghasilkan karbon monoksida (CO) dan karbondioksida

(CO2) yang berbahaya. Sebagai solusi, baru-baru ini telah dikembangkan

teknologi fuel cell yang terus mengalami riset dan pengembangan di beberapa

negara maju. Teknologi fuel cell ini dipandang lebih efisien, tidak

menimbulkan polusi seperti halnya pembangkit energi tenaga minyak bumi.

Kontinuitas penggunaan bahan bakar fosil (fossil fuel) memunculkan

dua ancaman  serius. Pertama, faktor ekonomi yaitu berupa jaminan

ketersediaan bahan bakar fosil untuk beberapa dekade mendatang, masalah

suplai, harga, dan fluktuasinya. Kedua, polusi akibat emisi pembakaran bahan

bakar fosil ke lingkungan. Polusi yang ditimbulkan oleh pembakaran bahan

2

bakar fosil memiliki dampak langsung maupun tidak langsung kepada derajat

kesehatan manusia dan gas rumah kaca yang dihasilkan (Granovskii, 2007).

Kesadaran terhadap ancaman krisis energi dan pencemaran lingkungan telah

mengintensifkan berbagai riset yang bertujuan menghasilkan sumber-sumber

energi (energy resource) yang lebih terjamin keberlanjutannya (sustainable)

dan lebih ramah lingkungan. Salah satu sumber energi alternatif yang sedang

dikembangkan saat ini adalah energi hidrogen yang bersumber dari air.

Permasalahan di dunia bukan hanya mengenai krisis energi dan

dampak penggunaan bahan bakar fosil saja. Salah satu permasalahan yang saat

ini mendapat perhatian khusus dari dunia adalah permasalahan mengenai

limbah sampah plastik. Sebagian besar penduduk di dunia memanfaatkan

plastik dalam menjalankan aktivitasnya. Berdasarkan data Environmental

Protection Agency  (EPA) Amerika Serikat dalam Justiana (2009), pada tahun

2001 penduduk Amerika Serikat menggunakan sedikitnya 25 juta ton plastik

setiap tahunnya.  Salah satu jenis plastik yang banyak digunakan adalah

plastik LDPE (Low Density Poly-Ethylene) dan polistiren. LDPE tergolong

jenis plastik thermoplastik yang dibuat dari minyak bumi. LDPE dan

polistiren biasa dipakai untuk tempat makanan, bahan kemasan, dan botol-

botol fleksibel. Penggunaan plastik secara berlebih dapat menyebabkan

pencemaran lingkungan karena sifatnya yang tidak dapat terurai.

1.2 Perumusan Masalah

Adapun permasalahan yang akan dibahas di dalam makalah ini yaitu :

1. Apakah teknologi yang digunakan untuk memanfaatkan sumber energy

non-konvensional seperti gas hydrogen

2. Bagaimana cara pemanfaatan polimer seperti plastik LDPE dan polistiren

sebagai membran pada gas hydrogen untuk menghasilkan energy listrik

dengan teknologi PEMFC

3. Bagaimana proses dan prinsip kerja pada pembentukan energy dari gas

hydrogen pada teknologi stack fuel cell secara sederhana

3

4. Bagaimana proses dan prinsip kerja pada pembentukan energy dari gas

hydrogen pada teknologi stack fuel cell untuk pembangkit listrik skala

besar

5. Apa saja sensor dan actuator yang digunakan pada pembangkit listrik skala

besar dan bagaimana prinsip kerjanya dalam mengontrol proses

pembentukan energi listrik.

1.3 Tujuan dan Manfaat Penulisan

Penulisan ini bertujuan untuk memberikan informasi mengenai

pemanfaatan limbah plastik LDPE dan polistiren dalam teknologi hidrogen

sebagai energi alternatif yang tepat guna dan ramah lingkungan dengan

penggunaan alat Hydrogen Energizer untuk menghasilkan energi listrik

dengan bahan bakar air tanpa emisi sehingga dapat mengurangi pencemaran

udara.

Manfaat penulisan ini ditujukan bagi mahasiswa, pemerintah, dan

masyarakat. Kegunaan bagi mahasiswa adalah sebagai bahan kajian yang

diharapkan dapat menambah wawasan dan pengetahuan tentang penggunaan

dan manfaat bahan bakar dari teknologi hidrogen. Bagi pemerintah karya ini

dapat dijadikan sebagai masukan dalam merancang pembangkit listrik tenaga

hidrogen secara kontinyu. Bagi masyarakat penulisan karya tulis ini memiliki

kegunaan sebagai media informasi mengenai penggunaan salah satu energi

alternatif ramah lingkungan.

4

4

BAB II

TEKNOLOGI STACK FUEL CELL BERBAHAN BAKAR HIDROGEN

2.1 Sejarah Fuel Cell

Sir William Grove untuk pertama kali menemukan fuel cell pada tahun

1839. Grove mengetahui bahwa air dapat dipisahkan menjadi air dan oksigen

dengan mengalirkan arus listrik di dalamnya (sebuah proses yang disebut

elektrolisis). Dia membuat hipotesa bahwa dengan membalik prosedur anda

bias menghasilkan tenaga listrik dari air tawar dia menciptakan fuel cell

primitive dan menyebutnya sebagai suatu gas voltaic battery. Setelah

bereksperimen dengan temuannya yang baru, Grove dapat membuktikan

hipotesanya. Lima puluh tahun kemudian, ahli ilmu pengetahuan Ludwig

Mond dan Charles Langer mengubah istilahnya dengan fuel cell sambil

berusaha membuat contoh atau model yang nyata untuk menghasilkan energi

listrik.

Kemudian pada tahun 1930 Francis Bacon (1904-1992), pria lulusan

Cambridge University dan berkebangsaan Inggris mengadakan penilitiannya

mengenai fuel cell dan menemukan fuel cell yang menggunakan elektrolit

basa (KOH), yang kemudian disebut alkaline fuel cell (fuel cell tipe basa).

Berselang setelah ditemukan alkaline fuel cell, di tahun 1950-an, Perusahaan

Amerika, General Electic (GE), berhasil mengembangkan fuel cell tipe baru,

dengan polimer membran sebagai elektrolitnya, yang kemudian disebut

PEMFC. PEMFC yang ditemukan oleh GE mampu menghasilkan sekitar 1

KWatt, dan memiliki keunggulan pada design, lebih compact, bila

dibandingkan fuel cell yang ditemukan oleh F. Bacon saat itu.

2.2 Pengertian Fuel Cell

Fuel cell merupakan alat konversi energi elektrokimia yang mengubah

energi kimia dari hidrogen (H2) dan oksigen (O2) ke dalam energi listrik dan

panas melalui reaksi reduksi elektrokimia masing-masing anoda (kutub

5

positif) dan katoda (kutub negatif) dari sel dengan air (H2O) sebagai hasil

sampingnya. Struktur fisik dasarnya terdiri atas lapisan elektrolit yang salah

satu sisinya merupakan daerah kontak anoda berpori dengan katoda berpori

pada sisi lainnya. Sel bahan bakar dibagi atas beberapa kategori berdasarkan

kombinasi tipe bahan bakar dan oksidan, tipe elektrolit yang digunakan,

temperatur operasi, dan lain-lain.

Pada fuel cell, bahan gas oksigen didapat dari udara sedang gas

hidrogen dapat diperoleh dari reaksi reformer dari hidrokarbon. Gas hidrogen

mempunyai kesulitan untuk disimpan dan ditransport karena molekul yang

kecil sehingga sulit untuk dicairkan dan mudah terbakar. Usaha memperoleh

hidrogen dengan mudah sedang diusahakan dengan berbagai cara misalnya

memperkecil reaktor reformer dengan bahan baku LPG atau gas methane,

menguraikan metanol yang dibuat dari pabrik besar tetapi dalam bentuk cair

sehingga mudah untuk ditransport. Gas hidrogen dapat juga diperoleh dari

methanol setelah diuraikan menjadi gas CO dan hidrogen, kemudian gas CO

dioksidasi menjadi CO2 dan air.

Ion yang bemigrasi dapat sebagai hidrogen, oksigen atau hidroksida.

Sedang elektrolit dapat berupa membran polimer, garam karbonat cair, lapisan

oksida keramik, larutan alkali dan asam phospat. Elektroda biasanya terbuat

dari logam platina atau nikel.

Reaksi kimia pada fuel cell :

2H2 + O2 2H2O

Pada anoda hidrogen di oksidasi menjadi proton :

2H2 4H+ + 4 e-

Setiap molekul H2 terpecah menjadi dua atom H+(proton), sedang setiap atom

hidrogen melepaskan elektronnya. Proton ini akan bergerak menuju katoda

melewati membran. Yang menjadi sasaran dalam penulisan ini adalah

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) yang bekerja pada

temperatur yang relatif rendah. Elektron yang terbentuk akan menghasilkan

6

arus listrik kalau dihubungkan dengan penghantar listrik menuju katoda. Pada

katoda oksigen dirubah :

O2 + 4H+ + 4 e- 2H2O

Molekul oksigen akan bergabung dengan empat elektron, menjadi ion oksigen

yang bermuatan negatif untuk selanjutnya bergabung lagi dengan proton yang

mengalir dari anoda. Setiap ion oksigen akan melepaskan kedua muatan

negatifnya dan bergabung dengan dua proton, sehingga terjadi oxidasi menjadi

air.

Karena energi yang diproduksi fuel cell merupakan reaksi kimia

pembentukan air, alat konversi energi elektrokimia ini tidak akan

menghasilkan efek samping yang berbahaya bagi lingkungan seperti alat

konversi energi konvensional (misalnya proses pembakaran pada mesin

mobil). Sedangkan dari segi efisiensi energi, penerapan fuel cell pada baterai

portable seperti pada handphone atau laptop akan sepuluh kali tahan lebih

lama dibandingkan dengan baterai litium. Dan untuk mengisi kembali energi

akan lebih cepat karena energi yang digunakan bukan listrik, tetapi bahan

bakar berbentuk cair atau gas.

2.3 Energi Hidrogen

Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani; hydro: air,

genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki

simbol H dan nomor atom 1. Hidrogen adalah unsur yang paling ringan dan

paling banyak terdapat di alam semesta. Unsur ini dikandung oleh air dan

semua senyawa organik serta makhluk hidup. Hidrogen mampu bereaksi

secara kimia dengan kebanyakan unsur lain. Hidrogen dapat berfungsi sebagai

bahan bakar saat bereaksi dengan oksigen. Reaksi sederhana yang dapat

menggambarkan proses pembentukan energi pada pembakaran hidrogen

adalah sebagai berikut:  (Wikipedia, 2006).

2H2 + O2 2H2O + Energi (entalpi)

7

Menurut Helmot (2007) menyebutkan bahwa hidrogen dapat

digunakan sebagai bahan bakar berbagai jenis kendaraan. Teknologi hidrogen

termasuk dalam kategori non-Internal Combustion Engine (ICE) yang

memerlukan baterai elektrik pada kendaraan. Linnemann (2006),

menyebutkan bahwa produksi hidrogen dapat menghasilkan listrik sebagai

salah satu solusi dalam pemenuhan kebutuhan energi. Hidrogen ini dapat

dijual dipasaran untuk bahan bakar kendaraan atau untuk dikonversi menjadi

tenaga listrik.

2.4 Polymer Electrolyte Membrane (PEM)

Polymer Electrolyte Membrane atau Proton Exchange Membrane

merupakan membran semipermeabel yang pada umumnya dibuat dari ionomer

dan dirancang agar dapat menghantar proton namun bersifat impermeable

terhadap gas seperti oksigen atau hidrogen. Sifat ini sangat berperan dalam

pemisahan reaktan dan proton yang terjadi pada sel elektrokimia (Wikipedia,

2009). PEM dapat dibuat dari beberapa macam polimer murni ataupun

komposit dimana gugus fungsi lain diikatkan pada matriks polimer. Sistem

membran ini menggunakan fase penghantar yang bersifat ionik berupa gugus

garam yang matriks polimernya bersifat polar seperti anion F-, Cl-, I-, SCN-,

ClO4-, CF3SO3-, BF4-, dan AsF6-. PEM dapat digunakan untuk proses

elektrolisis (PEM Electrolyzer) dan untuk elektokimia (PEM Fuel Cell)

(Fiona, 1997).

a. PEM Electrolyzer

PEM Electrolyzer merupakan jenis membran filter yang banyak

digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi seperti manufaktur dari

khlor dan soda api oleh elektrolisis garam, atau pabrik pembuat bahan

organik dengan cara elektolisis dari air laut atau yang lainnya. Unit

electrolyzer ditempatkan diantara ruang anode dan katoda yang berdekatan

dan saling terhubung. Gambar 1 menjelaskan mengenai proses elektrolisis

air. Secara garis besar proses pemecahan air mengalami beberapa tahap

yaitu pada anoda airdielektrolisis menjadi oksigen dan H+. Proton

8

mengalir menuju katoda dan menerima elektron sehingga membentuk

hidrogen. Hidrogen ini yang dimanfaatkan sebagi bahan bakar.

Gambar 2.1 Proses Elektrolisis Air

b. Plastik LDPE

Low Density Poly-Ethylene (LDPE) mempunyai masa jenis

antara 0,91–0,94 gram/mL dengan 50-60% strukturnya berbentuk kristalin

dengan kristalinitas 90%. LDPE memiliki titik leleh 1200 C (Billmeyer,

1971). LDPE memiliki sifat fisik yang fleksibel denngan kerapatan kecil

(Lenau, 2003). Sebagian besar LDPE dipakai sebagai kemasan komersial,

plastik, pembungkus sabun, dan beberapa botol fleksibel. Keunggulan

LDPE sebagai bahan kemasan adalah harganya yang murah, mudahnya

proses pembuatan, sifatnya yang fleksibel, dan mudah didaur ulang. Selain

itu, LDPE mempunyai daya perlindungan yang baik terhadap uap air,

namun kurang baik terhadap gas lainnya seperti oksigen. Jenis plastik ini

memiliki ketahanan kimia yang sangat tinggi, namun larut dalam benzena

dan tetrachlorocarbon (CCl4) (Billmeyer,1971).

Satu hal yang berbeda dari kebanyakan plastik bahwa LDPE mempunyai

nilai konstanta dielektrik yang kecil, sehingga memiliki sifat kelistrikan

9

yang lebih baik (Billmeyer, 1971). Sifat listrik tersebut semakin baik

dengan tingginya jumlah hidrogen atau klorida dan fluorida yang terikat

pada struktur polietilen (exceedmpe.com, 2009). Guna menghasilkan sifat

listrik yang lebih baik perlu dilakukan modifikasi pada LDPE. Modifikasi

LDPE dapat dilakukan dengan pencangkokan asam florida dengan sinar

UV (Jamal dkk, 2007). Metode pencangkokan untuk memodifikasi bahan

polimer telah banyak digunakan terutama untuk menghasilkan membran

selektif penukar ion. Akibat dari polimer yang diradiasi maka akan

terbentuk ikatan silang antara molekul polimer. Teknik iradiasi yang

digunakan untuk memodifikasi polimer menyebabkan terbentuknya

radikal polimer. Radikal polimer ini akan bereaksi dengan HF membentuk

LDPEg-F yang merupakan suatu rantai panjang yang baru (Jamal dkk,

2007).

Gambar 2.2 Struktur molekul Gambar 2.3 Struktur polistiren tersulfonasi.

polistiren.

c. Polistiren Tersulfonasi

Stiren merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul

C6H5CH=CH2. Stiren dapat mengalami reaksi adisi kontinyu sehingga

akan terbentuk polimer yang tersusun dari monomer-monomer stiren.

Prepolimerizer merupakan awal proses dimulainya polimerisasi

stiren. Melalui proses tersebut, stiren akan dipolimerisasi (biasanya dengan

10

menggunakan peroksida sebagai oksidator) diaduk hingga campuran

reaksi terkonsentrasi menjadi polimer akibat adanya proses pencampuran

yang efisien dan perpindahan panas yang baik. Sulfonasi merupakan suatu

reaksi substitusi yang bertujuan untuk mensubstitusi atom H dengan gugus

-SO3H pada molekul organik melalui ikatan kimia pada atom karbonnya.

Polistiren bersifat impermeabel terhadap proton, akan tetapi polistiren

yang telah tersulfonasi akan permeabel terhadap proton karena memiliki

gugus sulfonat (-SO3H). Gugus ini terbentuk akibat reaksi sulfonasi antara

polistiren dengan asetil sulfonat.

2.5 Jenis Fuel Cell

Jenis dari pada fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan

sebagai elektrolit yang mampu menghantar proton. Ada enam tipe umum fuel

cell, yaitu Alkaline Fuel Cell (AFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC),

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Polymer

Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), dan Direct Methanol Fuel Cell

(DMFC). Namun yang dibahas dalam makalah ini adalah Pengembangan fuel

cell tipe PEMFC, menggunakan material dengan bahan membrane polimer,

katalis elektroda dan graphite bi-polar plate.

Pada tabel berikut dapat dilihat jenis dari pada elektrolit untuk 6 jenis

fuel cell dan operasi temperatur, karakteristik dan penggunaannya.

11

2.5.1 PEM Fuel Cell

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) disebut juga

Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Membran ini berupa lapisan tipis

padat yang berfungsi sebagai elektrolit pemisah katoda dan anoda. Membran

ini secara selektif mengontrol transport proton dari anoda ke katoda dalam

fuel cell. PEMFC mengandung katalis platina. Untuk menghasilkan energi,

PEMFC hanya memerlukan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk

mengoperasikannya. Selain itu, pada fuel cell ini tidak dipakai fluida yang

bersifat korosif seperti jenis lainnya.

PEMFC merupakan sebuah sistem bebas pelarut. Sistem fuel cell ini

menggunakan fasa penghantar bersifat ionik berupa gugus garam yang matriks

polimernya bersifat polar, seperti pada garam anion F-, Cl-, I-, SCN-, ClO4-,

CF3SO3-, BF4-, dan AsF6-. Semakin besar ukuran anion dan semakin

terdelokalisasi muatan, maka semakin sulit tersolvasi sehingga dapat terjadi

ikatan non permanen antara anion dan proton.

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) dapat memberikan

densitas daya yang tinggi dan mempunyai kelebihan dalam hal berat dan

volume dibandingkan dengan sel bahan bakar jenis lain. PEMFC

menggunakan polimer padat sebagai elektrolit dan elektroda karbon berpori

(porous carbon electrodes) yang mengandung katalis platina. PEMFC hanya

membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk sistem operasinya

dan tidak membutuhkan cairan korosif seperti pada sel bahan bakar jenis lain.

Efisiensi PEMFC dapat mencapai 40–50%, suatu nilai yang jauh melampaui

efisiensi mesin bakar BBM yang kurang dari 20%.

12

Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Membran Penghantar Proton

Sampai sekarang telah banyak dikembangkan berbagai basis elektrolit

dalam pembuatan sel elektrokimia. Basis elektrolit yang sudah dikembangkan

antara lain: padatan kristal, gelas, lelehan, dan elektrolit. Material berbasis

polimer ternyata memiliki beberapa keunggulan (yang salah satunya sudah

disebutkan di atas) sebagai material elektrolit polimer. Keunggulan tersebut

antara lain :

Mempunyai hantaran yang cocok untuk aplikasi sel elektrokimia

Mempunyai hantaran listrik yang rendah

Mempunyai sifat mekanik yang baik

Mempunyai kestabilan kimia, elektrokimia dan fotokimia yang baik

Murah dalam pembuatannya

PEM fuel cell bekerja pada temperatur yang relatif rendah, yaitu

sekitar 80°C (176°F). Rendahnya suhu operasi ini menyebabkan rendahnya

waktu pemanasan (warm-up time). Selain itu PEM memiliki kerapatan daya

yang cukup tinggi karena sifat-sifat inilah maka PEM banyak digunakan

sebagai sumber daya bagi alat-alat elektronik portable dan alat-alat

transportasi.

Peranan elektroda sangat penting pada proses pengubahan fluks difusi

proton menjadi energi listrik. Pada elektroda, perbedaan potensial kimia

13

dikonversi menjadi potensial listrik sesuai persamaan Nernst. Pada

perkembangan fuel cell terakhir, telah diteliti suatu cara perakitan yang baik

untuk menghasilkan energi listrik paling maksimal, yaitu dengan Membrane

Assembly Electrodes (MEA). Perakitan elektroda dilakukan dengan cara

pencangkokan elektrokatalis secara langsung pada waktu pembentukan

polimer TFPE.

Cara kerja suatu unit fuel cell dapat diilustrasikan dengan jenis

PEMFC (proton exchange membrane fuel cell). Jenis ini adalah jenis fuel cell

yang menggunakan reaksi kimia paling sederhana. PEMFC memiliki empat

elemen dasar seperti kebanyakan jenis fuel cell. Pertama, anoda sebagai kutub

negatif fuel cell. Anoda merupakan elektroda yang akan mengalirkan elektron

yang lepas dari molekul hidrogen sehingga elektron tersebut dapat digunakan

di luar sirkuit. Pada materialnya terdapat saluran-saluran agar gas hidrogen

dapat menyebar ke seluruh permukaan katalis. Kedua, katoda sebagai kutub

elektroda positif fuel cell yang juga memiliki saluran yang akan menyebarkan

oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga berperan dalam

mengalirkan elektron dari luar sirkuit ke dalam sirkuit sehingga elektron-

elektron tersebut dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk

membentuk air. Ketiga, elektrolit. Yang digunakan dalam PEMFC adalah

membran pertukaran proton (proton exchange membrane/PEM). Material ini

berbentuk seperti plastik pembungkus yang hanya dapat mengalirkan ion

bermuatan positif. Sedangkan elektron yang bermuatan negaif tidak akan

melalui membran ini. Dengan kata lain, membran ini akan menahan elektron.

Keempat, katalis yang digunakan untuk memfasilitasi reaksi oksigen dan

hidrogen. Katalis umumnya terbuat dari lembaran kertas karbon yang diberi

selapis tipis bubuk platina. Permukaan katalis selalu berpori dan kasar

sehingga seluruh area permukaan platina dapat dicapai hidrogen dan oksigen.

Lapisan platina katalis berbatasan langsung dengan membran penukar ion

positif, PEM.

Pada ilustrasi cara kerja PEMFC, diperlihatkan gas hidrogen yang

memiliki tekanan tertentu memasuki fuel cell di kutub anoda. Gas hidrogen ini

14

akan bereaksi dengan katalis dengan dorongan dari tekanan. Ketika molekul

H2 kontak dengan platinum pada katalis, molekul akan terpisah menjadi dua

ion H+ dan dua elektron (e-). Elektron akan mengalir melalui anoda, elektron-

elektron ini akan membuat jalur di luar sirkuit fuel cell dan melakukan kerja

listrik, kemudian mengalir kembali ke kutub katoda pada fuel cell.

Di sisi lain, pada kutub katoda fuel cell, gas oksigen (O2) didorong

gaya tekan kemudian bereaksi dengan katalis membentuk dua atom oksigen.

Setiap atom oksigen ini memiliki muatan negatif yang sangat besar. Muatan

negatif ini akan menarik dua ion H+ keluar dari membran PEM, lalu ion-ion

ini bergabung dengan satu atom oksigen dan elektron-elektron dari luar sirkuit

untuk membentuk molekul air (H2O).

Pada satu unit fuel cell terjadi reaksi kimia yang terjadi di anoda dan

katoda. Reaksi yang terjadi pada anoda adalah 2 H2 --> 4 H+ + 4 e-.

Sementara reaksi yang terjadi pada katoda adalah 2 + 4 H+ + 4e- --> 2 H2O.

Sehingga keseluruhan reaksi pada fuel cell adalah 2H2 + O2 --> 2 H2O. Hasil

samping reaksi kimia ini adalah aliran elektron yang menghasilkan arus listrik

serta energi panas dari reaksi. Satu unit fuel cell ini menghasilkan energi

kurang lebih 0,7 volt. Karena itu untuk memenuhi energi satu baterai

handphone atau menggerakkan turbin gas dan mesin mobil, dibutuhkan

berlapis-lapis unit fuel cell dikumpulkan menjadi satu unit besar yang disebut

sebagai stack fuel cell.

2.6 Membran Fuel Cell

Pada sistem fuel cell terdapat membran elektrolit yang merupakan

”jantung” dari sistem dan perangkat separator fuel. Fungsi dari membran pada

fuel cell adalah sebagai elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai

elektrolit, membran fuel cell menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang

dihasilkan oleh reaksi anoda menuju katoda, sehingga reaksi pada katoda yang

menghasilkan energi listrik dapat terjadi.

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh beberapa ahli maka

telah dibuat membran fuel cell yang berasal dari material komposit bipolar

15

plate dengan matriks polimer yang akan diperkuat grafit. Graphite bipolar

plate akan menjadi lembar panel khusus, dalam alat pembangkit energi

berbahan bakar hidrogen.

Elektrolit yang digunakan dalam PEMFC adalah membran pertukaran

proton (proton exchange membrane/PEM). Material ini berbentuk seperti

plastik pembungkus yang hanya dapat mengalirkan ion bermuatan positif.

Sedangkan elektron yang bermuatan negaif tidak akan melalui membran ini.

Dengan kata lain, membran ini akan menahan elektron.

Membran polimer merupakan komponen yang sangat penting dalam

PEM fuel cell. Membran polimer ini dapat memisahkan reaktan dan menjadi

sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan di anoda menuju katoda

sehingga menghasilkan energi listrik. Persamaan reaksi yang terjadi di anoda

dan katoda dapat dituliskan sebagai berikut:

Gambar 2.5 Diagram Kerja PEMFC

Kemurnian gas hidrogen sangat mempengaruhi emisi buang sistem

fuel cell berbasis polimer tersebut. Kemurnian hidrogen yang tinggi

16

memberikan tingkat emisi yang mendekati zero emission. Penggunaan

hidrogen dengan tingkat kemurnian tinggi juga dapat memperpanjang waktu

hidup membran fuel cell dan mencegah pembentukan karbonmonoksida (CO)

yang beracun, pada permukaan katalis.

2.7 Kelebihan dan Kekurangan Fuel Cell

2.7.1 Kelebihan

a. Tidak Mengeluarkan Emisi Berbahaya (Zero Emision)

Sebuah sistem fuel cell hanya akan mengeluarkan uap air apabila memakai

hidrogen murni. Tetapi ketika memakai hidrogen hasil dari reforming

hidrokarbon/fosil (misal: batu bara, gas alam, dll) maka harus dilakukan

uji emisi untuk menentukan apakah sistem tersebut masih dapat

dikategorikan zero emission.

b. Efisiensi Tinggi

Oleh sebab fuel cell tidak menggunakan proses pembakaran dalam

konversi energi, maka efisiensinya tidak dibatasi oleh batas maksimum

temperatur operasional (tidak dibatasi oleh efisiensi siklus Carnot).

Hasilnya, efisiensi konversi energi pada fuel cell melalui reaksi

elektrokimia lebih tinggi dibandingkan efisiensi konversi energi pada

mesin kalor (konvensional) yang melalui reaksi pembakaran.

c. Cepat Mengikuti Perubahan Pembebanan

Fuel cell memperlihatkan karakteristik yang baik dalam mengikuti

perubahan beban. Sistem Fuel cell yang menggunakan hidrogen murni dan

digunakan pada sebagian besar peralatan mekanik (misal: motor listrik)

memiliki kemampuan untuk merespon perubahan pembebanan dengan

cepat.

d. Temperatur Operasional Rendah

Sistem fuel cell sangat baik diaplikasikan pada industri otomotif yang

beroperasi pada temperatur rendah. Keuntungannya adalah fuel cell hanya

memerlukan sedikit waktu pemanasan (warmup time), resiko operasional

17

pada temperatur tinggi dikurangi, dan efisiensi termodinamik dari reaksi

elektrokimia lebih baik.

e. Reduksi Transformasi Energi

Ketika fuel cell digunakan untuk menghasilkan energi listrik maka fuel

cell hanya membutuhkan sedikit transformasi energi, yaitu dari energi

kimia menjadi energi listrik. Bandingkan dengan mesin kalor yang harus

mengubah energi kimia menjadi energi panas kemudian menjadi energi

mekanik yang akan memutar generator untuk menghasilkan energi listrik.

Fuel cell yang diaplikasikan untuk menggerakkan motor listrik memiliki

jumlah transformasi energi yang sama dengan mesin kalor, tetapi

transformasi energi pada fuel cell memiliki efisiensi yang lebih tinggi.

f. Waktu Pengisian Hidrogen Singkat

Sistem fuel cell tidak perlu penyetruman (recharge) layaknya baterai.

Tetapi sistem fuel cell harus diisi ulang dengan hidrogen, dimana

prosesnya lebih cepat dibandingkan penyetruman baterai. Selain itu,

baterai tidak dapat dipasang dalam jumlah besar pada mesin otomotif

untuk meningkatkan performance karena akan semakin menambah beban

pada kendaraan tersebut.

Gambar 2.6 Stasiun Pengisian Hidrogen

2.7.2 Kekurangan

18

a. Hidrogen

Hidrogen sulit untuk diproduksi dan disimpan. Saat ini proses produksi

hidrogen masih sangat mahal dan membutuhkan input energi yang besar

(artinya: efisiensi produksi hidrogen masih rendah). Untuk mengatasi

kesulitan ini, banyak negara menggunakan teknologi reforming

hidrokarbon/fosil untuk memperoleh hidrogen. Tetapi cara ini hanya

digunakan dalam masa transisi untuk menuju produksi hidrogen dari air

yang efisien.

b. Sensitif pada Kontaminasi Zat-asing

Fuel cell membutuhkan hidrogen murni, bebas dari kontaminasi zat-asing.

Zat-asing yang meliputi sulfur, campuran senyawa karbon, dll dapat

menonaktifkan katalisator dalam fuel cell dan secara efektif akan

menghancurkannya. Pada mesin kalor pembakaran dalam (internal

combustion engine), masuknya zat-asing tersebut tidak menghalangi

konversi energi melalui proses pembakaran.

c. Harga Katalisator Platinum Mahal

Fuel cell yang diaplikasikan pada industri otomotif memerlukan

katalisator yang berupa Platinum untuk membantu reaksi pembangkitan

listrik. Platinum adalah logam yang jarang ditemui dan sangat mahal.

Berdasarkan survei geologis ahli USA, total cadangan logam platinum di

dunia hanya sekitar 100 juta kg (Bruce Tonn and Das Sujit, 2001). Dan

pada saat ini, diperkirakan teknologi fuel cell berkapasitas 50 kW

memerlukan 100 gram platinum sebagai katalisator (DEO, 2000).

Misalkan penerapan teknologi fuel cell berjalan baik (meliputi:

penghematan pemakaian platinum pada fuel cell, pertumbuhan pasar fuel

cell rendah, dan permintaan platinum rendah) maka sebelum tahun 2030

diperkirakan sudah tidak ada lagi logam platinum (Anna Monis Shipley

and R. Neal Elliott, 2004). Untuk itulah diperlukan penelitian untuk

menemukan jenis katalisator alternatif yang memiliki kemampuan mirip

katalisator dari platinum.

d. Pembekuan

19

Selama beroperasi, sistem fuel cell menghasilkan panas yang dapat

berguna untuk mencegah pembekuan pada temperatur normal lingkungan.

Tetapi jika temperatur lingkungan terlampau sangat dingin (-10 s/d -20 C)

maka air murni yang dihasilkan akan membeku di dalam fuel cell dan

kondisi ini akan dapat merusak membran fuel cell (David Keenan,

10/01/2004). Untuk itu harus didesain sebuah sistem yang dapat menjaga

fuel cell tetap berada dalam kondisi temperatur normal operasi.

e. Teknologi Tinggi dan Baru

Perlu dikembangkan beberapa material alternatif dan metode konstruksi

yang baru sehingga dapat mereduksi biaya pembuatan sistem fuel cell

(harga komersial saat ini untuk pembangkit listrik dengan fuel cell

~$4000/kW) (Javit Drake, 29/03/2005). Diharapkan dimasa depan dapat

dihasilkan sebuah sistem fuel cell yang lebih kompetitif dibandingkan

mesin bakar/otomotif konvensional (harga saat ini: $20/kW) dan sistem

pembangkit listrik konvensional (harga saat ini: $1000/kW) (Matthew M.

Mench, 24/05/2001). Teknologi baru tersebut akan mampu menghasilkan

reduksi biaya, reduksi berat dan ukuran, sejalan dengan meningkatnya

kehandalan dan umur operasi (lifetime) sistem fuel cell. Penggunaan

sistem fuel cell dalam industri otomotif minimal harus memiliki umur

operasi 4.000 jam (ekivalen 100.000 mil pada kecepatan 25 mil per jam)

dan dalam industri pembangkit listrik minimal harus memiliki umur

operasi 40.000 jam (Matthew M. Mench, 24/05/2001).

f. Ketiadaan Infrastruktur

Infrastruktur produksi hidrogen yang efektif belum tersedia. Tersedianya

teknologi manufaktur dan produksi massal yang handal merupakan kunci

penting usaha komersialisasi sistem fuel cell.

2.8 Pengembangan Fuel Cell di Indonesia

20

Para peneliti terus mengembangkan teknologi fuel cell agar lebih

efisien, tidak mahal, dan mudah digunakan. Sistem fuel cell banyak

mengalami pengembangan pada jenis elektrolitnya. Adanya perubahan jenis

elektrolit juga merekayasa jenis material dan sistem elektrodanya. Beberapa

jenis elektrolit yang telah dikembangkan para penemu antara lain cairan alkali

(alkali fuel cell/AFC), cairan karbonat (molten carbonate fuel cells/MCFC),

asam fosfat (phosphoric acid fuel cells/PAFC), membran pertukaran proton

(proton exchange membrane fuel cells/PEMFC), serta oksida padat (solid

oxide fuel cells/SOFC).

Kebutuhan bahan bakar fuel cell juga bergantung pada jenis elektrolit

tersebut, beberapa membutuhkan gas hidrogen murni. Sehingga dibutuhkan

suatu alat yang disebut reformer untuk memurnikan bahan bakar hidrogen.

Sedangkan pada elektrolit yang tidak membutuhkan gas hidrogen murni, dapat

bekerja efisien pada temperatur tinggi. Dan pada beberapa elektrolit cair,

membutuhkan tekanan tertentu untuk mendorong gas hidrogen.

Bahan bakar yang biasanya menggunakan gas hidrogen bertekanan

tinggi atau hidrogen cair bagi fuel cell, mulai mengalami perubahan seiring

berkembangnya teknologi reformer. Sehingga tak perlu membawa tabung gas

hidrogen atau hidrogen cair yang mudah meledak serta mahal. Salah satu jenis

bahan bakar yang digunakan adalah metanol yang diubah reformer menjadi

gas hidrogen.

Teknologi reformer terbaru adalah menggunakan natrium borohidrida

cair untuk menghasilkan gas hidrogen murni. Seperti yang dikembangkan

perusahaan Millenium Cell. Reaksi kimia teknologi ini dapat digambarkan

sebagai berikut :

NaBH4 (aqueous solution) + 2H2O katalis 4H2 + NaBO2 (aqueous

solution) + panas.

Teknologi perusahaan ini menunjukkan beberapa potensi kelebihan

antara lain, natrium borohidrida (sodium borohydride/SBH) adalah material

tidak mudah terbakar pada suhu dan tekanan ruang, dan tidak perlu murni dan

dapat dilarutkan dengan air, sehingga mudah dibawa, dapat mengontrol

21

produksi hidrogen, waktu beroperasi lebih lama. Katalis itu juga tidak

menunjukkan kerusakan selama lebih dari 600 jam operasi reformer sehingga

lebih tahan lama, gas hidrogen bebas dari produksi sulfur atau karbon, serta

natrium borat yang dihasilkan dapat digunakan kembali untuk membentuk

natrium borohidrida pada energi tertentu.

Saat ini, penerapan fuel cell sebagai sumber energi sudah banyak

digunakan di seluruh belahan dunia, antara lain pada mesin mobil, bus, baterai

portable untuk handphone, laptop, PDA, pembangkit energi listrik, atau

generator-generator pada gedung-gedung, rumah sakit, bandara, dan rumah

tangga. Sementara di Indonesia, pengembangan fuel cell baru memasuki tahap

pengembangan pembangkit listrik skala kecil atau sekira 2 kW. Konsorsium

fuel cell di Indonesia saat ini telah menghimpun berbagai lembaga dan

institusi penelitian konversi energi, dan mulai melibatkan kalangan industri

seperti Pertamina dan Medco group. Peran industri dan kebijakan pemerintah

sangat berpengaruh bagi pengembangan teknologi fuel cell dalam rangka

pasokan energi bagi masyarakat Indonesia. Sangat dibutuhkan strategi

pemasaran serta investasi bagi riset dan pengembangan alat konversi energi

ini.

Kesempatan Indonesia untuk menerapkan fuel cell dalam rangka

meningkatkan sektor industri tanpa merusak sektor pertanian dan perkebunan.

Bayangkan berjuta-juta mobil lalu-lalang tanpa menghasilkan asap beracun,

melainkan uap air yang mampu melestarikan dan menghijaukan.

BAB III

22

22

SISTEM KONTROL PADA PEMBANGKIT STACK FUEL CELL

3.1 Teknologi Sederhana

Salah satu sumber energi alternatif yang sedang dikembangkan saat ini

adalah energi hidrogen yang bersumber dari air. Energi hidrogen memegang

peranan penting bagi umat manusia dalam pemenuhan kebutuhan energi.

Berbagai peralatan listrik dapat memanfaatkan hidrogen sebagai sumber

energinya. Penggunaan hidrogen sebagai penghasil energi listrik terhambat

oleh mahalnya teknologi untuk pembuatan membran polimer Nafion® yang

dapat memisahkan oksigen dan hidrogen hasil elektrolisis air serta bersifat

permeable terhadap proton (Febrina, 2007). Hydrogen Energizer (H2

Energizer) merupakan sebuah inovasi teknologi dalam dunia energi. Alat ini

berfungsi mengubah air menjadi hidrogen dan memanfaatkan hidrogen

tersebut sebagai bahan bakar untuk menghasilkan listrik. Membran yang

digunakan pada H2 Energizer mampu memisahkan H2O menjadi H2 dan O2.

Memban ini juga mampu mengkonversi H2 menjadi energi listrik. Membran

yang telah dibuat dari limbah plastik LDPE dan polistiren tersulfonasi.

Membran pada H2 Energizer dibuat dari modifikasi limbah plastik

LDPE dan polistiren yang berlimpah sebagai sampah. Satu hal yang berbeda

dari kebanyakan plastik bahwa LDPE mempunyai nilai konstanta dielektrik

yang kecil, sehingga memiliki sifat kelistrikan yang lebih baik (Billmeyer,

1971). Sifat listrik tersebut semakin baik dengan tingginya jumlah hidrogen

atau klorida dan fluorida yang terikat pada struktur polietilen sehingga dapat

dijadikan membrane electrolyzer dan fuel cell dalam pembangkit energi

tenaga hydrogen (exceedmpe.com, 2009).

23

Gambar 3.1 Hydrogen Energizer

H2 Energizer (Gambar 6) memiliki beberapa bagian utama yaitu Solar

cell (1), penampung H2O (2), membran inovasi electrolyzer (3), tabung

penyimpan hidrogen (4), membran inovasi fuel cell (5), dan Indikator Listrik

(6). H2 Energizer adalah pembangkit listrik dengan memanfaatkan membran

komposit LDPE terflorinasi dengan polistiren tersulfonasi sehingga permeabel

terhadap proton. Mekanisme alat ini adalah dengan cara mengelektrolisis air

pada membrane electrolyzer menjadi gas hidrogen dan oksigen. Energi untuk

proses elektrolisis dihasilkan dari solar sel. Gas hidrogen hasil elektrolisis

dipisahkan menuju katoda, kemudian dialirkan ke tabung penyimpanan. Dari

tabung penyimpanan, hidrogen dialirkan dengan laju tertentu menuju

membran fuel cell. Pada unit membran fuel cell, hidrogen ditangkap di anoda

menghasilkan proton (H+) dan elektron (e-). Adanya gradien elektrokimia

menyebabkan elektron mengalir dari anoda ke katoda melalui kabel,

sementara proton melewati membran menuju katoda. Aliran elektron inilah

yang kemudian menyalakan lampu yang terhubung dengan katoda dan anoda

dari membran fuel cell. Pada bagian katoda membrane fuel cell, proton (H+)

1

2

3

4

5 6

24

kemudian bereaksi dengan oksigen yang disuplai dari udara membentuk uap

air.

3.1.1 Sintesis

Pemanfaatan limbah plastik LDPE sebagai sebagai membran

electrolyzer dan fuel cell dalam pembangkit energi tenaga hidrogen dilakukan

melalui proses florinasi dan iradiasi yang bertujuan untuk memodifikasi

polimer LDPE. Asam florida (HF) akan bereaksi dengan polimer LDPE

sehingga dihasilkan LDPE yang tercangkok F- membentuk rantai polimer

dengan gugus fungsi yang baru. Teknik ini membuat LDPE selektif terhadap

proton (H+). Polistiren yang digunakan terlebih dahulu disulfonasi untuk

mengubah struktur dari polistiren. Pada polistiren yang tersulfonasi akan

terbentuk PS-SO3H. Gugus ini dapat menghantarkan proton. Tetapi karena

sifat fisiknya yang rapuh membran tersebut harus dikombinasikan dengan

LDPE yang telah diflorinasi. Pembuatan PEM Electrolyzer dan PEM Fuel

Cell berbahan dasar limbah plastik LDPE dan polistiren tersulfonasi melalui

beberapa tahapan (Gambar 7).

Polimer LDPE melalui teknik florinasi dengan larutan HF dan disinari

dengan sinar γ sehingga didapatkan LDPE-g-F. Sintesis polistiren tersulfonasi

merupakan tahap yang terdiri dari pembuatan larutan asetil sulfat yang

dilanjutkan dengan proses sulfonasi polistiren pada suhu 40oC sampai

homogen. Selanjutnya, larutan tersebut dimurnikan dengan cara

menambahkan aquades mendidih dandisaring dengan kertas saring. Tahap

berikutnya polistiren tersulfonasi (PSS) dikeringkan dalam vakum dan

desikator. PSS murni telah siap untuk dilaminasi membentuk membran.

Reaksi pembentukan polistiren tersulfonasi (Gambar 8) dan dilanjutkan

dengan proses pencetakan.

25

Gambar 3.2 Reaksi pembentukan PSS

Pembuatan PEM Electrolyzer dan PEM Fuel Cell diawali dengan

pembuatan plat penutup membran dengan menggunakan resin. Bahan resin

dicampurkan dengan katalis H2O2 yang selanjutnya campuran resin dicetak

membentuk sebuah balok. Membran komposit LDPE-g-F dan polistiren

tersulfonasi yang telah dibuat disisipkan diantara dua elektoda tadi. Pada

sintesis membran electrolyzer, Hidrogen dihasilkan di elektoda negatif

(katoda) sedangkan untuk menghasilkan listrik di membran fuel cell, hidrogen

disalurkan ke elektoda positif (anoda).

Proses perakitan Hydrogen Energizer dimulai dengan memasang solar

cell (atau dapat digantikan dengan sumber listrik lain seperti aki) yang

dihubungkan dengan elektroda nikel pada membran electrolyzer yang terbuat

dari limbah plastik LDPE dan polistiren tersulfonasi. Pada bagian tangki air

(H2O Storage) yang terbuat dari plastik polyethylene terepthalat (PET)

dihubungkan dengan selang/pipa berdiameter kurang lebih 0,5 cm ke

elektroda positif (anoda) dari membran electrolizer. Sedangkan pada bagian

elektroda negatif (katode) dihubungkan ke penampung hidrogen (H2 Storage)

yang terbuat dari PET. Wadah penampung ini berfungsi untuk menyimpan

hidrogen hasil elektrolisis. Wadah ini terdiri dari dua ruang (ruang bagian atas

untuk air dan ruang bawah untuk penampungan hidrogen).

Pada sisi lain dari penampung hidrogen dihubungkan ke fuel cell

menggunakan selang/pipa. Elektroda nikel fuel cell yang kontak dengan gas

hidrogen dari penampung H2 adalah elektroda positif (anoda), sedangkan pada

26

elektroda negatif (katoda) fuel cell dikontakkan dengan oksigen dari udara.

Kedua elektroda pada fuel cell dihubungkan dengan indikator atau peralatan

listrik seperti lampu.

Gambar 3.3 Hydrogen Energizrer

Secara garis besar, membrane elektrolyzer mengubah H2O menjadi H2

dan O2. Pada unit elektrolyzer terjadi elektrolisis H20 menurut reaksi

2H20 4H+ + 4e+ + O2 (Anoda)

4H+ + 4e- 2H2 (Katoda)

27

Gambar 3.4 Proses elektrolisis air pada electrolyzer.

Pada proses elektrolisis dihasilkan gas H2 dan O2. Gas H2 akan

mengalir ke tabung penyimpan (H2 storage) dan O2 akan dilepaskan ke

lingkungan. Masuknya gas H2 dari bagian bawah tabung penyimpanan H2 akan

mendorong air yang sebelumnya telah mengisi ruang bawah tabung tersebut.

Air pada ruang bawah ini akan terdorong ke bagian atas ruang tabung. Gas H2

dari tabung penyimpanan akan mengalir menuju membran fuel cell. Laju alir

gas H2 yang memasuki membran fuel cell dapat diatur dengan alat pengatur

yang terdapat pada selang/pipa penghubung antara tabung penyimpanan H2

dengan fuel cell. Pada unit membran fuel cell, molekul hidrogen dipisahkan

dan ditangkap oleh anoda dan dioksidasi menjadi proton (H+). Lintasan

elektron melalui lintasan luar dan bersifat melawan muatan. Proton yang

terbentuk menyebar melalui bagian bawah membran fuel cell akibat gradien

elektrokimia ke arah katoda. Kemudian molekul oksigen dari udara diserap

oleh katoda dan direduksi. Selanjutnya O2 akan bereaksi dengan proton untuk

menghasilkan uap air. Uap air yang terbentuk dibuang kelingkungan. Pada

keadaan standar, proses elektrolisis air memerlukan tegangan sebesar 1,23

volt. Nilai tegangan ini mampu menghasilkan hidrogen yang nantinya

28

dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik sebesar 0,8 volt (dengan asumsi 1

lapis membran). Selisih tegangan sebesar 0,43 volt terlihat tidak hemat energi.

Namun, apabila menggunakan membran Fuel Cell Stack (menggunakan

membran lebih dari 1 lapis) akan menghasilkan energi 1,23 volt

(minihidrogen.com). Untuk menambah nilai ekonomis penggunaan, maka

sebaiknya listrik yang digunakan untuk proses elektrolisis adalah listrik yang

berasal dari energi terbarukan seperti energy matahari (solar cell), energi

angin, panas bumi, dan gelombang laut.

3.2 Sistem Kontrol Pada Pembangkit Energi Stack Fuel Cell

Dalam perkembangan teknologi dunia saat ini, hydrogen fuel cell

merupakan salah satu pembangkit listrik alternatif yang ramah lingkungan dan

sedang dikembangkaan di seluruh dunia. Alat ini dikembangkan karena

memiliki kelebihan seperti dapat mengurangi polusi udara sebab hasil proses

alat ini berupa H2O atau uap air, sedangkan beberapa pembangkit listrik lain

mengeluarkan CO2. Dalam tugas ini penulis menjelaskan alat monitoring dan

pengendalian tekanan hidrogen yang akan diproses menjadi daya listrik, untuk

memantau proses yang terjadi pada hydrogen fuel cell alat ukur yang

digunakan sebagai alat ukur tekanan adalah difrensial preassure transmitter

untuk monitoring yang menghasilkan angka digital dan preasure gauge yang

mengukur tekanan secara analog untuk mengukur tekanan hidrogen yang akan

diproses.

Salah satu keberhasilan dalam mengoptimalkan kinerja fuel cell

terletak pada pengendalian jumlah hidrogen dan oksigen yang masuk pada

stack fuel cell serta kondisi suhunya. Fungsi pengendalian pada stack

digunakan mikrokontroler tipe AVR yaitu ATMega 8535 sebagai pengendali

utama, katup solenoid untuk pengaturan aliran, dan DS1820 sebagai sensor

suhu. Untuk melihat unjuk kerja sistem disimulasikan dengan air yang

dipompa dengan kecepatan aliran diatur melalui katup solenoid berdasarkan

fungsi tunda oleh mikrokontroler. Kontrol suhu digunakan sensor DS1820 dan

kipas pendingin 12 V sebagai umpan baliknya. Besaran kecepatan aliran dan

29

suhu yang terukur ditampilkan secara visual dalam LCD. Unjuk kerja

kesetabilan berdasarkan uji kuadrat kai menunjukkan kecepatan aliran bernilai

0,36 untuk n = 10 dan unjuk kerja suhu memiliki overshoot 2,3 persen dari

batas suhu maksimum, sehingga kestabilan fungsi pengendalian tercapai untuk

variabel aliran dan suhu.

Sistem control teknologi stack fuel cell ini merupakan susunan dari

beberapa plant kemudian di jadikan satu dengan plant penghasil hidrogen dan

plant fuel cell. Pada plant penghasil higrogen ini menggunakan media ethanol

sebagai penghasil gas hidrogen dengan cara di beri arus mencapai 10A,

setelah itu hasilnya (gas hidrogen) akan di kompres dengan menggunakan

kopresor kulkas berukuran ¼ pk kemudian di simpan ke dalam tabung

refrigerant (tabung freon) kosong dengan tujuan tekanan yang di keluarkan

supaya maksimal menuju fuel cell. Kemudian plant fuel cell untuk

mengesktrak gas hidrogen menjadi listrik dengan mengambil muatan ion

positif dengan cara di lewatkan ke plat besing yang di dalamnya terdapat karet

(seal) yang sudah di beri katalis (pemisah) listrik di peroleh dengan cara

melewatkan oksigen masuk bersama hidrogen sehingga ion positif dari

hidrogen dan ion negatif dari oksigen akan di ambil melalui salah satu

konektor kabel sehingga timbul beda potensial (E) dan keluaran beda potensial

tersebut dapat di gunakan untuk keperluan listrik sehari hari. Output dari plant

ini bertegangan DC arus searah dan untuk mengembalikan ke arus bolak –

balik perlu adanya inverter DC to AC.

3.2.1 Hardware

Prinsip kerja hardware pada fuel cell di lakukan dua tahap, tahap

pertama yaitu proses pada hardware dari plant hidrogen dengan menggunakan

aki mobil (solar sel) inilah metanol akan di ekstrak menjadi hidrogen yang di

beri arus mencapai 10A, setelah itu hasilnya (gas hidrogen) akan di kompres

dengan menggunakan kopresor kulkas berukuran ¼ pk kemudian di simpan ke

dalam tabung refrigerant (tabung freon) kosong dengan tujuan tekanan yang di

keluarkan supaya maksimal menuju fuel cell.

30

Kemudian proses selanjutnya adalah proses pada plant fuel cell. Plant

ini menghasilkan arus listrik serta energi panas dalam bentuk gas uap dengan

cara mengesktrak gas hidrogen menjadi listrik dengan mengambil muatan ion

positif dengan cara di lewatkan ke plat besing yang di dalamnya terdapat karet

(seal) yang sudah di beri katalis (pemisah). Listrik di peroleh dengan cara

melewatkan oksigen masuk bersama hidrogen sehingga ion positif dari

hidrogen dan ion negatif dari oksigen akan di ambil melalui salah satu

konektor kabel sehingga timbul beda potensial (E) dan keluaran beda potensial

tersebut dapat di gunakan untuk keperluan listrik sehari hari.

Satu unit fuel cell ini menghasilkan energi kurang lebih 0,7 volt.

Karena itu untuk memenuhi energi satu baterai handphone atau menggerakkan

turbin gas dan mesin mobil, dibutuhkan berlapis-lapis unit fuel cell

dikumpulkan menjadi satu unit besar yang disebut sebagai stack fuel cell.

Untuk lebih jelasnya pembangkit tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.5

dibawah ini :

31

Gambar 3.5 Diagram Pembangkit Stack Fuel Cell

Besarnya kapasitas hydrogen yang mengalir pada stack fuel cell diatur

melalui sebuah actuator hidrolik yaitu katup solenoid yang akan membuka

dan menutup katup sesuai dengan jumlah enegri gas / panas yang dibutuhkan

untuk menggerakkan turbin. Aktuator hidrolik terdiri dari sebuah tabung yang

di dalamnya terdapat piston dengan aksi double atau dapat bekerja dalam dua

arah yang berlawanan. Aktuator ini akan dihubungkan dengan

electrohydraulic servo valve melalui dua buah pipa hidrolik sebagai jalur

aliran oli hidrolik selama proses kontrol. Solenoid valve (katup solenoid)

adalah salah satu alat atau komponen kontrol yang salah satu kegunaannya

yaitu untuk menggerakan tabung cylinder, sv adalah katup listrik yang

mempunyai koil sebagai penggeraknya yang mana ketika koil mendapat

supply tegangan maka koil tersebut akan berubah menjadi medan magnet

sehingga menggerakan piston pada bagian dalamnya ketika piston berpindah

posisi maka pada lubang keluaran A atau B dari sv akan keluar udara yang

berasal dari P atau supply, pada umumnya sv mempunyai tegangan kerja

100/200 VAC namun ada juga yang mempunyai tegangan kerja DC.

Posisi fisik dari aktuator dideteksi oleh LVDT (Linear Variable

Differential Transformer) dan diubah ke dalam sinyal tegangan yang

diumpanbalikkan ke kontroler. Jika sistem belum setimbang (aktuator hidrolik

tidak berada pada posisi setpoint), sinyal kontroler ke servo valve akan

memposisikan valve di posisi yang seharusnya, mengembalikan

kesetimbangan sistem dengan mereposisikan aktuator hidrolik.

Regulator yang digunakan untuk mengatur umpan balik posisi

diprogram melalui konfigurator <Q> TCQA I/O. Regulator yang digunakan

memiliki tipe 64. Angka ”6” menunjukkan bahwa regulator ini mengendalikan

input flow yang dalam hal ini flow bahan bakar dari magnetic pickup.

Sedangkan, angka ”4” yang merupakan sub tipenya maksudnya input flow

yang digunakan adalah input flow yang pertama dan umpan balik yang

digunakan adalah yang bernilai maksimum dari dua buah LVDT.

32

Pada stack dipasang sensor suhu DS1820 yang digunakan untuk

mendeteksi besarnya suhu pada valve yang dihasilkan dari panas gas hydrogen

karena kita ketahui gas hydrogen sangat mudah sekali terbakar jadi untuk

menghindari terjadinya kebakaran pada stack. Selain itu juga dipasang sensor

tekanan difrensial preassure transmitter untuk monitoring yang menghasilkan

angka digital dan preasure gauge yang mengukur tekanan secara analog untuk

mengukur tekanan hidrogen yang akan diproses. Keseluruhan proses dalam

stack fuel cell ini dikontrol oleh mikrokontroler tipe AVR yaitu ATMega

8535. Jadi, mikorokontroler ini mengendalikan kerja sensor dan actuator yang

bekerja yang kemudian ditampilkan pada layar LCD.

Untuk mengantisipasi kelebihan jumlah energi yang masuk, maka

dipasang beberapa komponen hardware yaitu sebagai berikut :

1. Sebuah valve yang berfungsi sebagai valve keluar masuk bahan bakar.

2. Sebuah silinder hidrolik sebagai tabung aktuator penggerak valve ke arah

menutup dimana tekanan gas hidrolik sebagai tenaga penggeraknya.

3. Sebuah pegas yang berfungsi sebagai pembalik arah dari aktuator penutup

valve yang akan membuka sepenuhnya valve bypass bila tidak ada tekanan

gas didalam silinder hidrolik.

4. Electrohydraulic servovalve ( 65 FP – 1 )

5. Dua buah sensor LVDT ( 96FP-1 dan -2 ).

Pembukaan bypass bahan bakar gas yang dikembalikan disesuaikan

dan dikontrol oleh signal FSR yang dibangkitkan oleh system control

SpeedtronikTM Mark V. Fuel Stroke Reference (FSR) adalah sinyal perintah

untuk aliran bahan bakar. Nilai minimum gerbang logika menghubungkan

output dari keenam mode kontrol ke FSR kontroler. Nilai output paling rendah

dari keenam kontrol loop yang diijinkan untuk melewati gerbang logika

pemilih ke sistem kontrol bahan bakar sebagai pengontrol nilai FSR. Nilai

FSR akan menentukan input bahan bakar ke turbin pada tingkat yang

diperlukan turbin selama beroperasi. Pengendalian electrohydraulic servo

valve dengan menggunakan sistem kontrol SPEEDTRONICTM MARK V

berfungsi untuk mengatur besar kecilnya bukaan bypass valve sehingga

33

mempengaruhi jumlah bahan bakar yang dialirkan ke ruang pembakaran.

Besar kecilnya bahan bakar yang dialirkan ke ruang pembakaran akan

menentukan cepat atau lambatnya kecepatan putar turbin pada Gas Turbin

Generator (GTG).

3.2.2 Software

Prinsip kerja software pada stack fuel cell ini ada dua tahap, tahap

pertama yaitu proses software mikrokontroller yang di tujukan untuk membuat

monitoring serta kontrol otomatis dengan menggunakan sensor temperature

dan pressure. Pada tahap pertama software ini di gunakan untuk

mengendalikan dan mengukur temperatur gas hidrogen saat keluar ke plant

fuel cell dan tahap dua yaitu proses pada software mikrokontroller yang di

tujukan untuk mengukur dan mengendalikan pressure yang keluar melalui

selang besi sehingga ketika terjadi kebococoran maka solenoid valve akan

menutup dan tidak terjadi kebakaran karena sifat dari gas hidrogen ini adalah

mudah terbakar.

Ketika di operasikan posisi plant hidrogen harus mencapai pressure

yang di inginkan sehingga saat melewati plant fuel cell, tegangan yang di

hasilkan tidak naik turun supaya konstan plant hidrogen harus memproduksi

terlebih dahulu gas tersebut kemudian di simpan ke dalam tabung refrigerant

yang sudah di modifikasi. Setelah mencapai tingkat pressure yang di inginkan

maka valve manual akan di buka selanjutnya plant fuel cell dapat bekerja dan

menghasilkan tegangan yang konstan.

34

BAB IV

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan makalah yang telah disusun, maka penulis dapat

memberikan kesimpulan bahwa gas hidrogen sangat besar potensinya untuk

menggantikan bahan bakar fosil karena ketersediaannya melimpah, dapat

diperbaharui, serta tidak menimbulkan emisi gas yang berbahaya. Untuk lebih

mengoptimalkan pemakaian hidrogen sebagai pembangkit energi listrik

dilakukan dengan memanfaatkan membran seperti limbah plastik LPDE dan

polistiren. Berdasarkan karakteristik struktur LDPE dan polistiren yang

mampu dimodifikasi, ternyata penggabungan kedua jenis plastik modifikasi

ini mampu menggantikan fungsi Nafion.

Untuk membangkitkan energi listrik dari gas hidrogen dalam jumlah

kecil digunakan peralatan stack fuel cell sederhana yang disebut dengan H2

Energizer. H2 Energizer adalah pembangkit listrik dengan memanfaatkan

membran komposit LDPE terflorinasi dengan polistiren tersulfonasi sehingga

permeabel terhadap proton. Mekanisme alat ini adalah dengan cara

mengelektrolisis air pada membran electrolyzer menjadi gas hidrogen dan

oksigen. Energi untuk proses elektrolisis dihasilkan dari solar sel. Gas

hidrogen hasil elektrolisis dipisahkan menuju katoda, kemudian dialirkan ke

tabung penyimpanan. Dari tabung penyimpanan, hidrogen dialirkan dengan

laju tertentu menuju membran fuel cell. Pada unit membran fuel cell, hidrogen

ditangkap di anoda menghasilkan proton (H+) dan elektron (e-). Adanya

gradien elektrokimia menyebabkan elektron mengalir dari anoda ke katoda

melalui kabel, sementara proton melewati membran menuju katoda. Aliran

elektron inilah yang kemudian menyalakan lampu yang terhubung dengan

katoda dan anoda dari membran fuel cell. Pada bagian katoda membran fuel

34

35

cell, proton (H+) kemudian bereaksi dengan oksigen yang disuplai dari udara

membentuk uap air. Hasil samping pada proses pembakaran H2 hanya berupa

uap air sehingga mampu mengurangi tingkat pencemaran udara dan

pemanasan global.

Untuk mendapatkan energi yang lebih besar untuk keperluan listrik

sehari-hari, gas hydrogen bisa di manfaatkan sebagai sumber energy pada

pembangkit listrik tenaga gas uap. Jumlah gas yang diperlukan untuk

menggerakkan turbin di control oleh mikrokontroler tipe AVR yaitu ATMega

8535. Aktuator hidrolik digunakan untuk membuka dan menutup katup tempat

keluar masuknya aliran gas hydrogen. Besarnya tekanan yang dihasilkan gas

diukur menggunakan sensor tekanan difrensial preassure transmitter untuk

monitoring yang menghasilkan angka digital dan preasure gauge yang

mengukur tekanan secara analog untuk mengukur tekanan hidrogen yang akan

diproses untuk menggerakkan turbin. Untuk kontrol suhu digunakan sensor

DS1820 dan kipas pendingin 12 V sebagai umpan baliknya. Besaran

kecepatan aliran dan suhu yang terukur ditampilkan secara visual dalam LCD.

4.2 Saran

Berdasarkan makalah yang telah disusun mengenai teknologi stack

fuel cell ini, maka penulis menyarankan bahwa perlu adanya pengembangan

teknologi ini di Indonesia. Untuk itu diharapkan supaya pemerintah,

masyarakat, dan pihak yang berkecimpung dalam teknologi tersebut untuk

saling bekerja sama untuk mengembangkannya. Kemudian penulis juga

menyarankan adanya penelitian mengenai teknologi ini kedepannya sehingga

bisa dijadikan sebagai sumber energy alternatif yang ramah lingkungan.

36

DAFTAR PUSTAKA

http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Solid_oxide_fuel_cell

http://id.wikipedia.org/wiki/Sel_bahan_bakar

http://fuelcel2.blogspot.com/

http://www.elektro.undip.ac.id/el_kpta/upload/L2F607007_MKP.pdf

http://winaryo.tripod.com/blog/index.blog?start=1184731379

http://nonoharyono.blogspot.com/2009/12/solenoid-valve.html