6

BAB II

GAMBARAN UMUM TEKNOLOGI SEL BAHAN BAKAR

2.1. Pendahuluan

Sel Bahan Bakar adalah alat konversi elektrokimia yang secara kontinyu mengubah

energi kimia dari bahan bakar dan oksidan menjadi energi listrik. Prinsip kerja Sel

Bahan Bakar serupa dengan prinsip kerja baterai. Perbedaan antara baterai dan Sel

Bahan Bakar adalah letak sumber energi kimianya. Pada baterai, sumber energinya

terletak di dalam baterai, sedangkan sumber energi kimia Sel Bahan Bakar dipasok

dari luar. Selama selnya dipasok dengan bahan bakar dan oksidan, daya listrik akan

dihasilkan.

Sumber energi kimia Sel Bahan Bakar adalah segala macam bahan bakar gas dan

oksidan yang dapat dioksidasi dan direduksi secara elektrokimia. Namun, pada

umumnya bahan bakar digunakan adalah hidrogen, karena memiliki reaktivitas

elektrokimia yang tinggi serta dapat dihasilkan dari hidrokarbon, alkohol, atau

batubara. Sedangan oksidan yang digunakan adalah oksigen, baik yang murni

maupun yang berasal dari udara bebas.

Sel Bahan Bakar memiliki prospek yang baik di masa depan. Keunggulan utama

yang dimiliki Sel Bahan Bakar adalah segi efisiensi yang tinggi dan rendahnya

polutan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan konversi energi terjadi secara langsung

dari energi kimia menjadi energi listrik, sedangkan pada pembangkit biasa, energi

kimia diubah menjadi energi kalor, energi mekanik, dan akhirnya menghasilkan

energi listrik. Selain itu, energi listrik pada Sel Bahan Bakar dihasilkan dari reaksi

elektrokimia sehingga polutan yang dihasilkan relatif amat rendah (bahkan pada jenis

Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton tidak ada polusi sama sekali) [1].

7

2.2. Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar [1][4] [15]

Sel Bahan Bakar memiliki jenis yang beragam dengan tingkat pengembangan dan

aplikasi yang berbeda pula. Jenis Sel Bahan Bakar dapat dibedakan berdasarkan

beberapa karakteristik, diantaranya adalah jenis elektrolit dan bahan bakar yang

digunakan.

Pemilihan tipe elektolit mempengaruhi perbedaan temperatur kerja masing-masing

Sel Bahan Bakar. Temperatur kerja dari sel tersebut juga akan mempengaruhi tipe

material lain yang digunakan seperti elektroda, elektrolit, katalis dan lain-lain.

Temperatur kerja juga mempengaruhi tingkat pemrosesan bahan bakar sebelum

masuk ke dalam unit cell. Dalam Sel Bahan Bakar bertemperatur rendah, semua

bahan bakar harus dikonversikan menjadi hidrogen.

Sel Bahan Bakar juga dapat diklasifikasikan berdasarkan proses yang terjadi. Sel

Bahan Bakar dibagi menjadi langsung, tidak langsung, dan regeneratif. Sel Bahan

Bakar langsung dapat diartikan sebagai Sel Bahan Bakar yang langsung

menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar yang akan diproses, sedangkan Sel

Bahan Bakar tidak langsung memakai bahan bakar hidrokarbon lain yang terlebih

dahulu diubah menjadi hidrogen. Sedangkan Sel Bahan Bakar regeneratif adalah tipe

Sel Bahan Bakar yang menggunakan kembali produk yang dihasilkan dalam proses

selanjutnya.

Klasifikasi Sel Bahan Bakar yang umum berdasarkan tipe elektrolit dan bahan bakar

diantaranya :

• Alkaline Fuel Cell (AFC) / Sel Bahan Bakar Alkali

• Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) / Sel Bahan Bakar Asam Fosfat

• Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) / Sel Bahan Bakar Karbon

• Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) / Sel Bahan Bakar Oksida Padat

• Direct Methanol Fuel Cell Sel (DMFC) / Sel Bahan Bakar Metanol

• Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) / Sel Bahan Bakar

Membran Pertukaran Proton

8

2.2.1. Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC)

Sel Bahan Bakar Alkali menggunakan potasium hidroksida sebagai elektrolit.

Konsentrasinya berkisar antara 30-45% tergantung pada sistem. Reaksi kimia yang

terjadi ialah :

Pada Anoda : - -2 22H (g) + 4(OH) (aq) 4H O(l) + 4e→

Pada Katoda : - -2 2O (g) + 2H O(l) + 4e 4(OH) (aq)→

Keseluruhan : 2 2 22H (g) + O (g) 2H O(l)→

Gambar 2.1 Skema Sel Bahan Bakar Alkali / Alkaline Fuel Cell (AFC)

Pada Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa ion hidroksil (OH-) ditransfer dari katoda ke

anoda melalui elektrolit sedangkan elektron mengalir melalui rangkaian listrik

eksternal/beban. Ion hidroksil akan bereaksi dengan hidrogen dan membentuk air

serta mengalirkan elektron.

2.2.2. Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

Sel Bahan Bakar Asam Fosfat menggunakan asam fosfat sebagai elektrolitnya. Sel

Bahan Bakar Asam Fosfat ini merupakan jenis yang paling awal dikomersialkan.

Kelebihannya adalah dapat mentoleransi ketidakmurnian hidrogen, Sel Bahan Bakar

Asam Fosfat dapat mentoleransi adanya Karbon Monoksida (CO) sebesar 1,5%

sehingga jenis bahan bakar yang dapat digunakan beragam. Kekurangannya adalah

daya yang dihasilkannya lebih rendah dibandingkan jenis yang lain. Skema kerja

PAFC ditunjukkan pada Gambar 2.2.

9

Gambar 2.2 Skema Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

Reaksi yang terjadi adalah :

Pada Anoda : + -2H (g) 2H (aq) + 2e→

Pada Katoda : + -12 2 2O (g) + 2H (aq) + 2e H O(l)→

Keseluruhan : 122 2 2H (g) + O (g) H O(l) →

2.2.3. Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Sel Bahan Bakar Karbonat menggunakan senyawa sodium/magnesium karbonat

bersuhu tinggi sebagai elektrolit. Sel Bahan Bakar ini menggunakan hidrogen,

karbon monoksida, gas alam, propana, dan hasil gasifikasi batubara sebagai bahan

bakar. Dapat bekerja pada suhu yang tinggi (antara 620-660oC) sehingga

memungkinkan efisiensi yang tinggi jika kalornya dimanfaatkan serta fleksibilitas

dalam menggunakan bahan bakar dan katalis. Namun suhu yang tinggi juga

menyebabkan risiko karat dan kerusakan komponen yang tinggi serta tidak cocok

untuk penggunaan di perumahan. Skema kerjanya ditunjukkan pada Gambar 2.3:

10

Gambar 2.3 Skema Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Reaksi yang terjadi adalah :

Pada Anoda : 2- -2 3 2 2H (g) + CO H O(g) + CO (g) + 2e→

Pada Katoda : - 2-12 2 2 3O (g) + CO (g) + 2e CO→

Keseluruhan : 122 2 2 2 2H (g) + O (g) + CO (g) H O(g) + CO (g)→

2.2.4. Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Sel Bahan Bakar Oksida Padat menggunakan senyawa keramik seperti Zirkonium

Oksida atau Kalsium Oksida sebagai elektrolit. Suhu operasinya bisa mencapai

1000oC. Sel Bahan Bakar ini sangat cocok untuk pembangkitan daya-daya besar.

Suhu operasi yang tinggi menyebabkan efisiensi konversi daya yang tinggi dengan

memakai sistem hybrid dimana kalornya dimanfaatkan untuk jenis pembangkit yang

lain seperti turbin uap atau turbin gas. Kemampuan ini memungkinkan Sel Bahan

Bakar Oksida Padat menghasilkan daya sampai 100MW. Skema kerjanya

ditunjukkan pada Gambar 2.4:

11

Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

Reaksi yang terjadi adalah :

Pada Anoda : 2- -2 2H (g) + O H O(g) + 2e→

Pada Katoda : - 2-12 2O (g) + 2e O→

Keseluruhan : 122 2 2H (g) + O (g) H O(g) →

2.2.5. Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Sel Bahan Bakar Metanol menggunakan material elektrolit membran polimer, yang

digunakan juga oleh PEMFC. Sel Bahan Bakar ini menggunakan methanol (CH3OH)

cair sebagai bahan bakar. Methanol dipertimbangkan sebagai bahan bakar yang lebih

mudah disimpan dan berpindah tempat sehingga aplikasinya adalah pada peralatan

listrik yang portable. Skema kerja Sel Bahan Bakar Metanol ditunjukkan pada

Gambar 2.5:

12

Gambar 2.5 Skema Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Reaksi yang terjadi adalah :

Pada Anoda : + -3 2 2CH OH(l) + H O(l) CO (g) + 6H + 2e→

Pada Katoda : + -32 2 26H + O (g) + 6e 3H O(l)→

Keseluruhan : 323 2 2 2CH OH(l) + O (g) CO (g) + 2H O(l)→

2.2.6. Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange

Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton mempunyai nama lain, yakni Polymer

Electrolyte Fuel Cell karena elektrolitnya terbuat dari polimer. Pada Sel Bahan Bakar

jenis ini terjadi pertukaran proton yang ditransfer melalui elektrolit yang berada di

antara anoda dan katoda. Elektrolit ini terbuat dari material polimer yang bisa

melewatkan ion. PEMFC menggunakan hidrogen murni sebagai bahan bakar utama.

Membran polimer yang digunakan oleh PEMFC adalah bersifat isolator terhadap

elektron namun bersifat konduktor yang sangat baik terhadap ion hidrogen

[4].Konstruksi materialnya mengandung fluorocarbon. Membran polimer ini

diproduksi oleh DuPont dengan merek Nafion, dan tipe yang banyak digunakan

adalah 1135, 115, dan 117.

13

2.3. Perbandingan Karakteristik Jenis-Jenis Sel Bahan Bakar [1],[11]

Setiap jenis Sel Bahan Bakar yang telah dijelaskan di atas memiliki karakteristik

masing-masing. Perbedaannya terletak pada bahan bakar yang digunakan, oksidan,

elektrolit, ion yang ditransfer, dan lain-lain. Pada Tabel 2.1 menunjukkan

perbandingan karakteristik masing-masing Sel Bahan Bakar. Tabel 2.1 Perbandingan Karakteristik Beberapa Jenis Sel Bahan Bakar

PEMFC DMFC AFC PAFC SOFC MCFC

Bahan bakar

H2 Methanol (CH3OH)+ H2O

H2 H2 H2 H2

Oksidan O2, udara

O2,udara O2, udara

O2, udara

O2, Udara

CO2, O2,udara

Elektrolit Membran (Nafion)

Membran (Nafion)

Potasium hidroksida

Phosporic Acid (liquid)

Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)

Lithium/ sodium/ Potasium karbonat

Elektroda Polytetra-flouroethy-lene (PTFE)

Polytetra-flouroethy-lene (PTFE)

Ni dan NiO

Polytetra-flouroethy-lene (PTFE)

Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)

Polytetra-flouroethy-lene (PTFE)

Ion yg ditransfer

H+ H+ OH- H+ O2- CO3

2-

Suhu operasi

25-100oC 25-100oC 25-250oC 150-220oC 600-1000oC

620-660oC

Dari Tabel 2.1, dapat kita lihat bahwa kebanyakan Sel Bahan Bakar menggunakan

H2 sebagai bahan bakarnya, sedangkan Sel Bahan Bakar Metanol memakai campuran

metanol (CH3OH) dan air (H2O). Sedangkan dari sisi oksidan, oksigen murni maupun

udara campuran paling banyak digunakan, sedangkan Sel Bahan Bakar Karbonat

menggunakan tambahan CO2 sebagai oksidan. PEMFC dan Metanol merupakan Sel

Bahan Bakar yang memiliki suhu operasi yang paling rendah dibanding yang lain,

sedangkan Sel Bahan Bakar Oksida Padat merupakan memiliki suhu operasi paling

tinggi.

14

2.3.1. Perbandingan Aplikasi Sel Bahan Bakar

Sel Bahan Bakar memiliki karakteristik tersendiri yang memungkinkan untuk

berbagai aplikasi. Desain Sel Bahan Bakar akan sangat berbeda tergantung pada jenis

aplikasinya yang memperhitungkan daya keluaran yang dibutuhkan, suhu, efisiensi,

ukuran, berat dan suplai bahan bakar. Aplikasi tersebut diantaranya pencatu daya

portable, pembangkit daya cadangan, transportasi dan pembangkit daya stasioner.

Tabel 2.2 menunjukkan perbandingan aplikasi dan daya Sel Bahan Bakar. Tabel 2.2 Skema Aplikasi Sel Bahan Bakar

Jenis Sel Aplikasi Range Power

DMFC - Pengganti baterai

- Pembangkit listrik portable

dibawah 100 Watt sampai

1 kW

AFC - Transportasi

- Pembangkit listrik cadangan

500 W sampai 10 kW

PAFC - Pembangkit listrik stasioner

- transportasi

50 kW sampai 2 MW

SOFC - Pembangkit listrik stasioner

- Transportasi

- CHP (Combined Heat Power)

5 kW sampai lebih dari 10

MW

MCFC - Pembangkit listrik stasioner

- CHP (Combined Heat Power)

200 kW sampai lebih dari

10 MW

PEMFC - Transportasi

- Pembangkit listrik portable

- Pembangkit listrik cadangan

Dibawah 100 Watt sampai

diatas 1 MW

2.4. Alasan pemilihan PEMFC

Setiap jenis Sel Bahan Bakar mempunyai karakteristik yang unik jika dibandingkan

satu dengan yang lain. Termasuk jenis PEM, Sel Bahan Bakar jenis ini mempunyai

beberapa keunggulan dan kelemahan dibandingkan jenis yang lain. Tabel 2.3

menunjukkan karakteristik keunggulan dan kelemahan PEMFC[11].

15

Tabel 2.3 Keunggulan dan Kelemahan PEMFC

Keunggulan PEMFC Kelemahan PEMFC

- Tidak menghasilkan polutan

- Suhu operasi lebih rendah

- Jenis aplikasi lebih beragam,

- Cocok untuk tipe pembangkitan backup

dan alat transportasi

- Manajemen air yang lebih kompleks

- Manajemen suhu yang lebih kompleks

- Rentan terhadap polutan di sisi reaktan

PEMFC memiliki tingkat kepadatan daya (power density) yang tinggi sehingga

memungkinkan untuk mengaplikasikannya pada bidang transportasi dan keperluan

mobilitas tinggi lainnya. Elektrolit yang digunakan memilik ketahanan yang tinggi,

suhu operasi PEMFC berkisar antara 25-100oC. Namun PEMFC memiliki

kekurangan yakni harus menggunakan hidrogen yang benar-benar murni sebagai

bahan bakar sehingga ketidakmurnian sedikit saja akan menurunkan kinerja sangat

jauh.

Dari uraian perbandingan jenis-jenis Sel Bahan Bakar di atas, dapat dituliskan

beberapa kelebihan PEMFC apabila dimodelkan, yaitu :

1. Suhu operasi di bawah 100oC, sehingga fasa H2O yang terlibat hanya dalam

bentuk cair

2. Bahan bakar adalah hidrogen murni, sehingga relatif lebih mudah

memodelkan reaksinya.

3. PEMFC banyak diaplikasikan dan diproduksi secara komersial, terutama

untuk keperluan transportasi.

2.5. Prinsip Kerja PEMFC[1][3]

Sebuah PEMFC sederhana terdiri dari beberapa komponen yakni elektroda (anoda

dan katoda), elektrolit, katalis, serta tempat mengalir bahan bakar masuk dan keluar

juga oksidan yang masuk dan keluar. Anoda adalah bagian elektroda yang bermuatan

negatif sedangkan katoda adalah elektroda yang bermuatan positif. Pada elektroda

16

akan terjadi reaksi elektrokimia yang ditandai dengan pelepasan/penggabungan ion

dari senyawa

Gambar 2.6 Skema Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton / Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Pada Gambar 2.6 dapat dilihat senyawa hidrogen membentuk ion hidrogen dan

mengalir melalui elektrolit. Elektrolit adalah material yang digunakan untuk

mengalirkan ion dari anoda ke katoda. Katalis berada di antara anoda dan elektrolit,

juga elektrolit dan katoda. Katalis digunakan untuk membantu mempercepat proses

pelepasan/penggabungan ion.

Reaksi elektrokimia pada PEMFC melibatkan perpindahan muatan dari satu

elektroda ke elektroda yang lain., dan perpindahan muatan tersebut akan disertai

dengan perpindahan elektron. Namun dalam proses perpindahannya, ion dan elektron

tidak melalui jalur yang sama. Ion H+ berpindah dari anoda ke katoda melalui

elektrolit/mebran, sedangkan elektron (e-) berpindah melalui konduktor yang

mengalirkan listrik.

Pada PEMFC, reaksi yang terjadi adalah :

Pada anoda : + -2H (g) 2H (aq) + 2e→ (2.1)

Pada katoda : + -12 2 2O (g) + 2H (aq) + 2e H O(l)→ (2.2)

Keseluruhan : 122 2 2H (g) + O (g) H O(l) → (2.3)

17

Gambar 2.7 Reaksi elektroda dan aliran muatan

Pada Gambar 2.7, dapat dilihat bahwa hidrogen masuk ke dalam sebuah Sel Bahan

Bakar melalui saluran khusus yang terhubung ke anoda. Dari anoda hidrogen yang

telah menjadi ion H+ akan berpindah ke katoda melalui elektrolit dengan bantuan

katalis (yang digunakan pada PEMFC biasanya platina). Sementara elektron

mengalir melalui rangkaian listrik/beban yang terhubung. Pada katoda akan terjadi

reaksi antara H+, elektron dan oksigen dan membentuk air. Energi listrik dihasilkan

oleh perpindahan elektron melalui rangkaian listrik eksternal/beban.

Penghitungan dan pemodelan energi listrik dan tegangan yang dihasilkan oleh

PEMFC membutuhkan pendekatan dari konsep elektrokimia dan termodinamika.

Penjelasan mengenai konsep energi listrik yang dihasilkan, tegangan keluaran dan

fenomena-fenomena fisik yang mempengaruhinya dari PEMFC akan dibahas di Bab

3 (Perumusan Model Matematis Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton).