PROTON EXCHANGE MEMBRAN FUEL CELL (PEMFC)MAKALAH

diajukan untuk memenuhi tugas mata kuliah Kapita Selekta Material Elektronik (FI6231)

Oleh:PUSPORINI20214021

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNGApril, 2015PENDAHULUANFuel cell adalah pembangkit yang berupa sel bahan bakar yang menghasilkan listrik melalui proses elektrokimia dengan mengkombinasikan gas hidrogen (H2) dan oksigen (O2) [1]. Fuel cell telah didemonstrasikan oleh Sir William Robert Grove, seorang ahli hukum merangkap sebagai ahli fisika, pada tahun 1839, dengan melakukan pembalikan elektrolisa air, elektrode yang digunakannya adalah platina. Pada tahun 1889, Charles Langer dan Ludwig Mond pertama kali menggunakan istilah fuel cell, pada saat mencoba membuat mesin generator dengan menggunakan udara dan gas arang. Pada tahun 1932 Francis Bacon berhasil mengembangkan fuel cell [3]. fuel cell dibagi atas beberapa kategori berdasarkan kombinasi tipe bahan bakar dan oksidan, tipe elektrolit yang digunakan, temperatur operasi, dan lain-lain [4].A. Kelebihan fuel cellKelebihan fuel cell dibandingkan pembangkit listrik konvensional adalah[2], [3], [6] :1. Memiliki efisiensi operasi yang tinggi karena hanya terdapat sedikit kehilangan energi dan limbah panas serta mempunyai efisiensi tinggi dari 40% sampai 60%,.2. Fuel cellsangat sederhana karena hanya terdapat sedikit bagian yang bergerak, hal ini dapat menyebabkan kehandalannya tinggi dan sistem tahan lama.3. Operasifuel cellsangat tenang karena tidak ada bagian yang bergerak sehingga tidak menimbulkan suara bising.4. Emisi rendah karena gas buang yang beracun hanya sedikit.5. Kinerja kendaraanfuel celladalah sama dengan motor bakar konvensional.6. Sumber hidrogen melimpah.7. Fuel celltidak perlu diisi ulang.8. Jarang terjadinya gangguan kerusakan dan pemeliharaan.B. Kekurangan fuel cellKekurangan fuel celyaitu [6]:1. Biayanya mahal.2. Sensitif pada kontaminasi zat-asing yaitu jika bahan bakar lain selain hidrogen dimasukkan ke dalamfuel cell maka performanya secara bertahap menurun.3. Jikafuel celldigunakan di daerah di mana suhu turun ke titik beku, mungkin memiliki masalah dengan kendaraanfuel cellkarena airnya dapat membeku.4. Teknologi untuk memproduksi, menyimpan, dan menyalurkan daya hidrogen dengan biaya yang efisien belum tersedia.5. Ketiadaan Infrastruktur.6. Saat ini, hidrogen diproduksi dengan menggunakan batu bara, tenaga nuklir, minyak, atau gas alam. Metode ini menghasilkan sejumlah besar polusi seperti karbon dioksida.C. Jenis-jenisFuel Cell Ada bermacam-macam jenis fuel cellbergantung dari elektrolitnya.Berikut ini adalah macam-macamfuel cellyaitu [6]:a. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell(PEMFC).Fuel celljenis ini menggunakan membran sebagai elektrolitnya dan bahan bakarnya adalah hidrogen.Daerah kerjanya berkisar antara 30oC 100oC.b. Direct Methanol Fuel Cell(DMFC). Sama seperti PEMFC, DMFC menggunakan membran sebagai elektrolitnya tetapi menggunakan methanol sebagai bahan bakarnya.Daerah kerjanya berkisar antara 20oC 90oC.c. Phosphoric Acid Fuel Cell(PAFC).Fuel celljenis ini menggunakan phosphoric acid cair sebagai elektrolitnya dan bahan bakarnya adalah hidrogen. Daerah kerjanya kira-kira 200oC.d. Molten Carbonate Fuel Cell(MCFC).Fuel celljenis ini menggunakan molten dengan campuran lithium, sodium dan potassium carbonate sebagai elektrolitnya dan bahan bakarnya adalah hidrogen. MCFC bekerja pada temperatur tinggi kira-kira 650oC.e. Solid Oxide Fuel Cell(SOFC).Fuel celljenis ini menggunakan bahan keramik sebagai elektrolitnya dan bahan bakarnya adalah hidrogen. Daerah kerjanya berkisar antara 500oC 1000oC.Tabel 1: Jenis-jenis fuel cell bergantung pada elektrolit, temperatur kerja, bahan bakar, daya yang dihasilkan dan aplikasinya dalam kehidupan [5].Low Temperature Fuel CellsHigh Temperature Fuel Cells

DMFCDirect Methanol Fuel CellPEMFCProton ExchangeAFCAlkaline Fuel CellPAFCPhosphoric Acid Fuel CellMCFCMolten Carbon FuelSOFCSolid Oxide Fuel Cell

ElectrolyteProton-conducting membraneProton-conducting membraneCaustic potash solutionConcentrated phosphoric acidMolten carbonateCeramic

Temperature Range< 100C< 100C< 100C~ 200C~ 650C800-1,000C

FuelMethanolHydrogenHydrogenHydrogenNatural gas, coalNatural gas, coal

Power RangeWatts/kilowattsWatts/kilowattsWatts/kilowattsKilowattsKilowatts/megawattsKilowatts/megawatts

Application ExamplesVehicles, small appliancesVehicles, small generators, domestic supply, block-type heat, power stationsOuter spaceBlock type heat, power stationsPower plants, combined heat and powerPower plants, combined heat and power

PROTON EXCHANGE MEMBRAN FUEL CELL (PEMFC)A. Bagian-Bagian Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) [9], [7].Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) memiliki empat elemen dasar, yaitu:1. Anoda sebagai kutub negatif fuel cell.Anoda merupakan elektroda yang berfungsi untuk mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen sehingga elektron tersebut dapat digunakan di luar sirkuit.2. Katoda sebagai kutub elektroda positif fuel cell.Katoda berperan dalam mengalirkan elektron dari luar sirkuit ke dalam sirkuit sehingga elektron-elektron tersebut dapat bergabung dengan ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.

3. Elektrolit Elektrolit yang digunakan 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.4. KatalisKatalis digunakan untuk memfasilitasi reaksi oksigen dan hidrogen. Katalis umumnya terbuat dari lembaran kertas karbon yang diberi lapisan tipis bubuk platina. Permukaan katalis berpori dan kasar. Lapisan platina katalis berbatasan langsung dengan membran penukar ion positif pada PEM.B. Prinsip Kerja PEMFCGambar 1, memperlihatkan suatu prinsip kerja dari Fuel Cell jenis PEM dan dapat dijelaskan sebagai berikut: Stack fuel cell terdiri dari dua elektroda, yaitu anoda dan katoda. Keduanya dipisahkan oleh Polymer Electrolite Membrane (PEM). Setiap elektroda dilapisi dengan platinum-based catalyst [10]. Gas hidrogen (sebagai bahan bakar) yang memiliki tekanan tertentu memasuki fuel cell di kutub anoda. Gas hidrogen ini akan bereaksi dengan katalis dengan dorongan dari tekanan. Ketika molekul H2 kontak dengan platinum pada katalis, molekul akan terpisah menjadi dua ion H+ (proton) dan dua elektron (e-). Elektron akan mengalir melalui anoda, elektron-elektron ini akan membuat jalur di luar sirkuit fuel cell dan menghasilkan arus listrik [9]. Di sisi lain, Oksigen (sebagai oksidan) diambil dari udara dengan menggunakan kompresor yang tersedia dialirkan ke katoda [10]. 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) dan menghasilkan panas [9]. Panas ini dapat dimanfaatkan kembali untuk keperluan lain [10].

Gambar 1: Aliran hidrogen dan oksigen di dalam sel bahan bakar PEM [10].Reaksi Eksotermik yang terjadi [10] : H2 + O2 H2O ........................................... (1) Pada anoda : H2 2H + 2e- ............................................. (2) Pada katoda : 2H + O2 + 2e- H2O .............................. (3) Pada satu unit fuel cell terjadi reaksi kimia di anoda dan katoda. Hasil samping reaksi kimia ini adalah aliran elektron yang menghasilkan arus listrik serta energi panas. Satu unit fuel cell ini menghasilkan energi kurang lebih 0,7 volt. Karena itu untuk memenuhi energi satu baterai handphone dibutuhkan berlapis-lapis unit fuel cell dikumpulkan menjadi satu unit besar yang disebut sebagai fuel cell stack [9].

Daftar Pustaka[1] E. L. Dewi, T. Ismujanto, G. T. Chandrasa, et al. Pengembangan dan Aplikasi Fuel Cell. Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2008 Bidang Teknik Mesin.[2] A. Hasan. Aplikasi Sistem Fuel Cell Sebagai Energi Ramah Lingkungan di Sektor Transportasi dan Pembangkit. J. Tek. Ling. Vol. 8 No. 3 Hal. 277-286 Jakarta, September 2007 ISSN 1441-318X.[3] H. Suhada. Fuel Cell Sebagai Penghasil Energi Abad 21. Jurnal Teknik Mesin Vol. 3, No. 2, Oktober 2001: 92 100.[4] M. C. Prihatiningsih, Yohan, N. A. Kundari, et al. Studi Pendahuluan Preparasi Membran untuk Sel Bahan Bakar Membran Elektrolit Polimer. Seminar Nasional IV Sdm Teknologi Nuklir Yogyakarta, 25-26 Agustus 2008, ISSN 1978-0176.[5] http://www.chfca.ca/education-centre/how-fuel-cells-work/, Diakses pada tanggal 21 April 2015.[6] http://www.vedcmalang.com/pppptkboemlg/index.php/menuutama/listrik-electro/1048-daryono, Diakses pada tanggal 21 April 2015.[7] F. Yusivar, A. Subiantoro, Suria, et al. Perancangan Pengendali Model Predictive Control Tanpa Constraint pada Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia.[8] http://www.nist.gov/mml/msed/functional_polymer/fuelcell.cfm, Diakses pada tanggal 21 April 2015.[9] http://sirionputro.blogspot.com/, Diakses pada tanggal 21 April 2015.[10] G. T. Chandrasa. Penelitian Pengaruh Pengontrol Panas Terhadap Daya Keluaran Stack Fuel Cell Pem dengan Beban Dinamis. J.Ilm.Tek.Energi Vol. 1 No. 9 Agustus 2009: 22-39.5