1

FUEL CELL

Dikutip dari ”Prinsip-prinsip Konversi Energi” [Archie W. Culp, Jr.] diterjemahkan oleh Darwin Sitompul

KONVERSI ENERGI KIMIA MENJADI LISTRIK Contoh implementasi energi kimia menjadi listrik secara langsung, adalah batere dan fuel cell (sel bahan bakar). Mengingat pada sistem ini perubahan energi tidak melewati fase energi panas, maka tidak dibatasi oleh siklus mesin kalor dapat-balik (reversible) eksternal, yaitu:

HL

th TT

1 .

Batere dan fuel cell prinsip operasinya sama, perbedaannya terdapat pada bahan bakarnya, dengan batere mempunyai jumlah bahan bakar atau energi tetap sedangkan fuel cell mempunyai bahan bakar yang terus-menerus diisikan. Beberapa batere dapat beroperasi dapat-balik dengan produk reaksi kimia dipisahkan kembali ke reaktan semula dengan mengisikan daya listrik dalam batere pada waktu pengisian (charging). Batere digunakan sebagai sistem penyimpan energi dan dapat dibagi menjadi dua kategori, yaitu batere primer dan sekunder. Batere primer (seperti sel konvensional ”C” dan ”D”) tidak dapat diisi kembali, sedangkan batere sekunder (seperti batere mobil dengan asam dan timah) dapat diisi kembali berkali-kali. Batere dan fuel cell komposisinya sama, keduanya terdiri dari dua elektrode yang dipisahkan oleh larutan elektrolit atau matriks. Dalam fuel cell, reaktan bahan bakar, pada umumnya hidrogen (H2) atau karbon monoksida (CO) diberikan ke salah satu elektrode berpori dan oksigen (O2) atau udara dimasukkan ke dalam elektrode berpori yang lain. Elektrode suatu fuel cell harus memenuhi tiga hal, yaitu: (1) Berpori, agar bahan bakar dan elektrolit dapat menembusnya untuk

memperoleh kontak yang cukup. Ukuran pori elektrode sangat penting. Ukuran terlalu besar akan mengakibatkan gas bahan bakar ”menggelembung” dan hilang keluar, sedangkan ukuran

2

terlalu kecil akan terjadi kontak yang tidak cukup antara reaktan dan elektrolit mengakibatkan kapasitas sel berkurang.

(2) Mengandung katalisator kimia untuk memecah ikatan bahan bakar menjadi atom, agar menjadi lebih reaktif. Katalisator paling populer yang digunakan saat ini adalah platina dan nikel yang disinter.

(3) Dapat melewatkan elektron ke terminal. Diagram skematis fuel cell, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Diagram skematis fuel cell Larutan elektrolit harus mempunyai permiabilitas tinggi terhadap ion H+ atau OH- yang dihasilkan sebagai produk salah satu elektrode. Ion

3

yang sama ditransfer ke elektrode lain dan dikombinasikan dengan reaktans lain. Elektron berpindah melalui sirkuit luar ke elektrode yang lain dengan produk oksidasi dibentuk. Sel ”membakar” oksigen dan hidrogen dan mempunyai elektrolit asam, ion antaranya adalah H+ dan reaksi umumnya:

Reaksi anode: 2H2 4 e- + 4H+ ..........................................(“a”),

Reaksi katode: 4e- + 4H+ + O2 2H2O .................................(”b”). Diagram skematis fuel cell dengan elektrolit asam, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Diagram skematis fuel cell dengan elektrolit asam

Beberapa fuel cell menggunakan elektrolit padat yang pada kenyataannya adalah suatu membran pertukaran ion. Salah satu membran terdiri dari resin sulphenated polystyrene berbentuk bubuk halus berada dalam bentuk polimer lembam. Membran ini fleksibel, mempunyai kekuatan mekanik yang baik, lembam secara kimiawi, dan tahan terhadap gas pereaksi (reaktan). Sementara membran membiarkan ion-ion lewat, ia mempunyai resistans listrik yang relatif tinggi, meskipun tebalnya hanya kira-kira 3 mm. Jenis konverter ini telah digunakan sebagai sumber daya tambahan pada misi ruang angkasa orbital Gemini pertama dengan 2 awak. Fuel cell jenis ini bersama suatu jenis fuel cell yang lain, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Dalam fuel cell oksigen-hidrogen dan mempunyai elektrolit alkalin (seperti potassium hidroksida), ion antaranya adalah OH- dan reaksi umumnya:

4

Reaksi anode: 2H2 + 4OH- 4H2O + 4 e- .................................(”c”),

Reaksi katode: 2H2O + O2 + 4e- 4OH- ..................................(”d”). Diagram skematis fuel cell mempunyai elektrolit alkalin dengan reaksi dimaksud seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Diagram skematis fuel cell dengan elektrolit alkalin

Kinerja fuel cell Energi total yang dilepaskan dalam setiap reaksi kimia adalah sama dengan perubahan entalpi pembentukan ( H ), nilainya sama dengan entalpi pembentukan pereaksi dikurangi jumlah entalpi pembentukan produk:

produkpereaksi HHH .......................…………….(1).

Perubahan entalpi pembentukan ( H ) setara dengan nilai pembakaran atas (HHV, higher heating value) bahan bakar. Nilai H seperti ditunjukkan pada Tabel 1, untuk oksidasi bermacam-macam bahan bakar pada 250C (298K) dan 1 atm. Umumnya, semua elemen alami mempunyai nilai H sama dengan nol.

5

Tabel 1 Entalpi pembentukan 0H dan energi bebas Gibbs 0G dari senyawa dan ion (pada 298K dan 1 atmosfer)

Senyawa atau ion

Entalpi pembentukan 0H (joule/kg.mol)

Energi bebas Gibbs 0G (joule/kg.mol)

CO -110 x 106 -137,5 x 106 CO2 -394 x 106 -395 x 106 CH4 -74,9 x 106 -50,8 x 106 Air -286 x 106 -237 x 106 Uap air -241 x 106 -228 x 106 LiH +128 x 106 +105 x 106 NaCO2 -1122 x 106 -1042 x 106 CO3-- -675 x 106 -529 x 106 H+ 0 0 Li+ -277 x 106 -293 x 106 OH- -230 x 106 -157 x 106

Dalam reaksi pembakaran berikut: C + O2 CO2 ........................................................................(“e”). Perubahan entalpi pembentukan ( H ) pada reaksi tersebut:

)10x394(00 622 COOC HHHH

2

6COkg.mol

joule10x394H atau Ckg

joule10x953,8 6H

Ckgjoule10x81,32 6H atau

Clb.mBtu107,14H

Ingat: bilangan atom dan massa Secara teoritis, semua energi dalam entalpi pembentukan dapat diubah menjadi energi listrik, jika tidak ada bagian yang dibentuk menjadi energi lain. Kenyataannya, pada reaksi dapat-balik sejumlah energi kimia diubah menjadi energi panas dan sisanya diubah menjadi energi listrik. Jumlah minimum energi panas yang timbul dalam setiap reaksi

6

dapat-balik adalah dST . Mengingat fuel cell adalah proses isotermal, maka STdSTdST . Hal itu berarti, jumlah energi listrik yang ditimbulkan eW dalam fuel cell, adalah:

STHWe ....................................................………………….(2). Listrik dibangkitkan per kg.mol bahan bakar adalah sama dengan

STH untuk suatu reaksi dapat-balik, tetapi akan lebih kecil dari nilai tersebut, jika terdapat reaksi tidak dapat-balik dalam sel. Energi bebas Gibbs ( G ) ialah suatu fungsi termodinamika yang didefinisikan sebagai entalpi dikurangi perkalian suhu (T ) dan entropi (S ), atau dalam persamaan berikut:

STHG . ..............................................................................(3). Penurunan persamaan (3) untuk proses isotermal ( 0dT ), adalah:

dSTdHdG . atau STHG . ....................................(4). Persamaaan (2) berubah menjadi:

GWe ...........................................................................(5), dengan perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi yang diberikan G , adalah:

produkpereaksi GGG ……………….........................(6). Energi bebas Gibbs adalah fungsi tekanan dan suhu di mana reaksi terjadi. Hubungan sifat termodinamika secara umum, adalah:

dPVdHdST .. atau dPVdSTdH .. ...............................(7).

Substitusi persamaan (6) ke persamaan (4), diperoleh:

dPVdG . ................................................................................(8).

Untuk setiap mol unsur gas, P

TRV u , dengan:

Ru = konstanta gas universal (sebagai konstanta fisika), nilainya: = 8,314 kJ per kg.mol.derajat kelvin = 0,08314 bar.meter3 per kg.mol.derajat kelvin = 1545 ft.lbf per lbm.mol.degree rankeine = 1.9857 Btu per lbm.mol.degree rankeine maka untuk proses isotermal, persamaan (8) berubah menjadi:

7

P

P

uG

GdP

PTRdG

00 atau

P

Pu

G

GP

dPTRdG00

atau

00 ln

PPTRGG u .................................................................(9).

Mengingat 0G adalah nilai energi bebas Gibbs untuk tekanan 1

atmosfer, dengan 0,10 P , jika P adalah tekanan unsur dalam satuan [atm.], persamaan (9) menjadi:

PTRGG u ln0 ..................................................................(10). Perhatikan: Reaksi kimia untuk suatu fuel cell berikut:

aA + bB cC + dD ................................................................(“f”).

Diketahui: Pereaksi (A dan B) dan produk (C dan D), semua berbentuk gas pada suhu T dan tekanan bagian PA, PB, PC, dan PD. Perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi tersebut menjadi:

dD

cC

bB

aA

uPPPPTRGG ln0 ...............................................(11).

Dalam beberapa kasus, produk hasil reaksi mungkin berbentuk cairan. Untuk kasus pada persamaan (11) dapat digunakan dengan memberikan komponen tekanan parsial x , xP , diganti x , dengan x disebut aktivitas komponen x dan mempunyai nilai sama dengan tekanan parsial dari komponen x hanay jika komponen memenuhi hukum gas ideal. Mengingat G dan H dinyatakan dalam satuan energi (yaitu: joule) per kilogram.mol, maka mengandung arti eW adalah energi listrik yang berhubungan dengan lewatnya 1 kg.mol elektron melalui sirkuit listrik. Satu kg.mol elektron sama dengan angka dalam bilangan Avogadro (6,023 x 1026) dan muatan satu elektron adalah 1,602 x 10-19 C; Sehingga dikatakan, bahwa muatan untuk 1 kg.mol elektron adalah 9,649 x 107 coulomb (C) per kg.mol elektron, didefinisikan sebagai 1

8

(satu) Faraday ( yF ) atau nilai konstanta Faraday. Untuk n mol

elektron dilepaskan dalam reaksi dan tegangan dalam sel adalah gE ,

maka nilai eW sama dengan gy EFn , sehingga persamaan (5)

menjadi:

GEFn gy .......................................................…………………(12).

Nilai maksimum tegangan dalam sel, adalah:

dD

cC

bB

aA

yu

gg FnTREE

ln0 .................................................(13).

Persamaan (13) dikenal sebagai persamaan Nerst. Catatan, bahwa kenaikan suhu (T ) fuel cell akan menurunkan nilai tegangan output (ke luaran) dan pada akhirnya akan menurunkan nilai output energi listrik. Sebagaimana telah dikemukakan di awal, bahwa suatu fuel cell tidak dibatasi oleh efisiensi suatu mesin kalor dapat-balik eksternal, tetapi pada dasarnya terdapat nilai batas (limit) dari nilai efisiensi. Efisiensi konversi maksimum:

HST

HG

HW makse

maks

.1.,

. ……………………….…..…………(14).

Efisiensi konversi aktual, sebenarnya lebih rendah dari nilai yang diberikan pada persamaan (14) dan dapat dihitung menurut:

HvFn

HW Lyakte

akt

.,

. ………………........................……….………(15),

dengan Lv adalah nilai tegangan output dari fuel cell. Nilai efisiensi 60-70% dapat diberikan oleh hampir semua fuel cell tanpa menaikkan suhu setinggi yang diperlukan oleh suatu siklus kalor. Sebagaimana telah dikemukakan, peningkatan suhu operasi akan menurunkan output aktual dan efisiensi konversi. Kinerja fuel cell adalah fungsi dari karakteristik operasi sel. Sebagaimana batere, tegangan output fuel cell akan turun, jika output

9

listrik fuel cell naik. Terdapat 3 (tiga) macam kerugian tegangan utama sehubungan dengan pengoperasian sel, yaitu: (a) Kerugian tegangan akibat polarisasi kimia atau polarisasi

penggerakan Cv , adalah tegangan yang dibutuhkan untuk melepas ion dari elektrode di mana ion tersebut terbentuk.

(b) Kerugian tegangan akibat resistans dalam, adalah sama dengan hasil kali iRi , di mana i adalah aliran arus dan iR adalah resistans dalam sel.

(c) Kerugian tegangan (akibat beban yang sangat besar) berupa polarisasi-konsentrasi yang disebabkan efek elektrostatika dan gradien konsentrasi yang disebabkan kekosongan ion di suatu tempat di sekitar elektrode pada daya output yang tinggi.

Karakteristik tegangan-arus fuel cell, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.

tegangan tanpa beban

daerah operasi sel

tegangan

arus output (A)

turun tegangan akibat polarisasi kimia, vC

turun tegangan akibat resistans dalam, i.Ri

turun tegangan sepanjang resistans luar,

vL

turun tegangan akibat konsentrasi-

polarisasi

Gambar 4 Karakteristik arus-tegangan fuel cell

10

Jenis-jenis fuel cell Semua jenis fuel cell yang beroperasi merupakan fuel cell bersuhu rendah menggunakan hidrogen dan oksigen sebagai pereaksi. Kebanyakan sel tersebut beroperasi pada suhu di bawah 500K, sedangkan penurunan suhu dapat memperbaiki efisiensi konversi, jumlah oksidasi, atau daya output sel dapat dinaikkan dengan menaikkan tekanan sistem dan/atau menaikkan suhu. Fuel cell redoks, adalah suatu fuel cell hidrogen-oksigen yang berbeda dengan fuel cell normal, di mana reaksi kimia tidak terjadi di elektrode. Diagram skematis fuel cell redoks, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

<tidak ditampilkan>

Gambar 5 Diagram skematis fuel cell jenis redoks Sel redoks mempunyai dua larutan elektrolit yang dipisahkan oleh membran peubah ion dan gas pereksi bergelembung lewat masing-masing elektrolit. Sel tersebut lebih kecil efisiensinya dibanding sel konvensional, tetapi mempunyai resistans lebih rendah dan kehilangan polarisasi lebih kecil, di samping mempunyai rapat arus lebih tinggi. Keungggulan utama sel redoks, adalah kemampuannya untuk beroperasi dengan pereaksi relatif tidak begitu murni. Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengembangkan fuel cell bersuhu tinggi yang dapat beroperasi dengan bahan bakar yang tidak murni dan tidak mahal seperti hidrokarbon. Untuk dapat menggunakan hidrokarbon sebagai bahan bakar, bahan ini pertama-tama harus dipecah dulu menjadi hidrogen dan karbon monoksida. Penggunaan dua gas bahan bakar (karbon monoksida dan oksigen) dalam fuel cell menyulitkan pemilihan elektrolit untuk sistem dimaksud. Selanjutnya, sistem beroperasi pada suhu di atas 1200K, pemakaian cairan, dan elektrolit lain yang mempunyai titik didih rendah terhalang. CONTOH SOAL Hitung tegangan output dan efisiensi konversi teoritis suatu fuel cell oksigen-hidrogen yang beroperasi pada suhu 6000C. Diasumsikan, bahwa hidrogen diberikan pada 1,1 atmosfer dan oksigen diberikan dari

11

udara pada tekanan 1,2 atmosfer, dan produk uap bertekanan 1 atmosfer. Penyelesaian: Mengacu ke Tabel 1., diperoleh:

0G (untuk uap) = 228 x 106 [J/kg.mol] H2O 0H (untuk uap) = 241 x 106 [J/kg.mol] H2O 0H (untuk air) = 286 x 106 [J/kg.mol] H2O

Mengacu ke persamaan (12) diperoleh persamaan: 00 GEFn gy . Untuk reaksi dimaksud: H2 + O2 2H2O

emolCx

OHmolemol

OHmolkgsWx

FnGE

yg 7

2

2

60

0

10649,92

..10228

voltEg 181,10

Tekanan parsial O2 dalam pereaksi = 1,2 (0,21) = 0,252 atm. (Ingat: dalam udara terdapat 21% O2 dan 79% N2) Tekanan parsial H2 dalam pereaksi = 1,1 atm. Tekanan parsial H2O dalam produk = 1,0 atm. Digunakan persamaan (13):

1

2/110

2

22lnOH

OH

yu

ggP

PPFnTREE

1

2/11

7 0,1)252,0(1,1ln

)10649,9(2)873(8314181,1

x

Eg

voltEg 159,1022,0181,1

Efisiensi konversi maksimum menggunakan persamaan (14):

12

HST

HG

HW makse

maks

.1.,

.

Sebelumnya dihitung terlebih dahulu:

1

2/110

2

22lnOH

OHu

P

PPTRGG

1

2/116

0,1)252,0(1,1ln)873(831410228 xG

OHmolkgjoulexG

2

6107,223

Kemudian diperoleh:

%22,787822,010286107,223

6

6.

xx

HG

maks .