Teknologi Fuel Cell

Teknologi Fuel Cell

1 Pendahuluan

2 Pengertian

Fuel cell atau sel bahan bakar merupakan peralatan elektrokimia yang dapat mengkonversi secara

langsung bahan bakar menjadi energy listrik dan panas melalui proses kimia tanpa proses pembakaran.

Prinsip kerja fuel cell mirip dengan prinsip kerja baterai. Tetapi tidak seperti baterai yang merupakan

peralatan penyimpan energi yang pada suatu saat akan habis energinya, fuel cell dapat terus

menghasilkan energy selama terus diberikan reaktan yang biasanya berupa hydrogen dan oksigen.

3 Sejarah teknologi fuel cell (Cook, 2001)

Prinsip fuel cell pertama kali ditemukan oleh Sir William Grove pada tahun 1839, penemuan ini

dilakukan secara tidak sengaja pada saat percobaan elektrolisis. Pada saat Sir William Grove melepas

baterai dan menghubungkan kedua elektroda, dia mengamati terdapat arus yang mengalir dengan arah

berlawanan dan gas oksigen dan hydrogen pada tabung terkonsumsi. Sir William Grove menamakan

fenomena ini dengan nama “Gas Baterry”.

Gambar 1 Proses elektrolisis (gambar kiri) dan proses pada fuel cell (kanan)

Aplikasi fuel cell pertama kali didemonstrasikan secara komersil pertama kali ketika NASA menggunakan

fuel cell dengan bahan bakar nitrogen dan oksigen untuk menyediakan listrik dan air pada misi

penerbangan ruang angkasa Apollo pada tahun 1960. Unit fuel cell yang digunakan mampu

menghasilkan energy listrik sebesar 1.5 kilowatt secara kontinu.

4 Prinsip Kerja Fuel Cell

Pada fuel cell hydrogen di dalam sel dialirkan pada sisi anoda dan oksigen dialirkan pada sisi katoda.

Dengan adanya katalis pada anoda akan memudahkan pemisahan gas hydrogen menjadi electron dan

proton (ion hydrogen). Ion hydrogen ini menyeberangi membrane dan bertemu oksigen pada sisi

katoda, dan dengan bantuan katalis terjadi reaksi kimia antara ion Hidrogen dengan oksigen membentuk

air. Elektron yang mengandung muatan tidak dapat melewati membran dan mengalir menuju katoda

dari anoda melalui rangkaian eksternal. Aliran electron inilah yang menyebabkan aliran listrik.

Gambar 2 Prinsip kerja fuel cell

Pada anoda, hydrogen dioksidasi melepaskan dua proton (ion hydrogen) dan dua electron ;

2H 2→4H+¿+4e−¿¿ ¿

Dan reaksi kimia pada katoda terjadi reduksi oksigen

O2+4H+¿+4e−¿→2H 2O ¿ ¿

Sehingga reaksi keseluruhan adalah

2H 2+O2→2H 2O

5 Jenis fuel cell

Secara umum fuel cell terdiri dari elektroda yang terdiri dari anoda (sisi negative) dan katoda (sisi

positif), dan elektrolit yang memungkinkan muatan untuk bergerak dari satu sisi ke sisi lain pada fuel

cell. Berdasarkan elektrolit yang digunakan terdapat beberapa jenis fuel cell antara lain :

5.1 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM)

Elektrolit : membrane solid polymer

Catalyst / elektroda : platinum

Temperatur operasi : 50 – 100oC

Efisiensi : 40 – 60 %

Fuel cell jenis PEM beroperasi pada temperature yang relative rendah, dan mempunyai variasi output

yang cepat untuk mengimbangi perubahan kebutuhan beban. PEM sangat cocok digunakan pada

aplikasi yang membutuhkan startup yang cepat seperti pada kendaraan atau forklift selain itu PEM juga

digunakan sebagai backup power, distributed generator, dan lain lain. PEM fuel cell menggunakan

bahan bakar gas hydrogen, methanol. Penggunaan elektrolit yang solid dapat mengurangi terjadinya

korosi dan mempermudah pemeliharaan elektrolit.

5.2 High temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell (HT-PEM)

Fuel cell jenis ini mempunyai karakteristik yang sama dengan fuel cell jenis PEM akan tetapi beroperasi

pada temperature yang tinggi (120oC – 200oC). HT-PEM dapat digunakan pada kendaraan, dan aplikasi

pada bangunan perumahan maupun komersial skala kecil.

5.3 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Elektrolit : membrane solid polymer

Catalyst / elektroda : pada umumnya platinum

Temperatur operasi : 50 – 120oC

Efisiensi : sampai 40 %

Fuel Cell jenis ini mempunyai konfigurasi yang mirip dengan fuel cell jenis PEM. Pada DMFC

menggunakan membrane polimer sebagai elektrolit. Pada DMFC, gas hydrogen akan langsung ditarik

dari cairan methanol pada elektroda anoda sehingga tidak memerlukan fuel reformer. Temperature

operasi yang rendah, dan tidak diperlukannya fuel reformer membuat fuel cell jenis ini dapat

diaplikasikan pada peralatan elektronis seperti laptop, charger batterai dampai aplikasi tingkat

menengah seperti sumber listrik pada perahu, atau perkemahan.

5.4 Alkaline Fuel Cell (AFC)

Elektrolit : Potassium hidroksida telarut dalam air

Catalyst / elektroda : dapat menggunakan berbagai macam elektroda

Temperatur operasi : 90 – 100 oC

Efisiensi : 60 - 70 %

NASA telah menggunakan Alkaline fuel cell dengan bahan bakar sejak misi luar angkasa pada tahu 1960

sebagai sumber listrik dan sumber air bersih. Fuel cell AFC banyak digunakan pada aplikasi militer dan

aplkasi luar angkasa. Katoda bereaksi dengan cepat pada alkali sehingga fuel cell jenis ini mempunyai

performa yang tinggi.

5.5 Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

Elektrolit : Larutan asama fosfat

Catalyst / elektroda : elektroda karbon dengan penguat platinum.



PAFC dapat dioperasikan dengan bahan bakar hasil pengolahan hidrokarbon atau biogas. Reaksi yang

terjadi pada elektroda anoda dan katoda sama dengan pada PEM. Dengan temperature operasi yang

tinggi membuat fuel cell jenis ini lebih mempunyai toleransi terhadap ketidakmurnian bahan bakar.

PAFC banyak digunakan pada generator combine cycle dimana panas yang dihasilkan oleh fuel cell ini

dimanfaatkan kembali untuk memanaskan air dll. Kelemahan fuel cell jenis ini adalah startup yang cukup

lama.

5.6 Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Elektrolit : pada umumnya terdiri dari alkali karbonat (Na & K) dalam larutan ceramics

Catalyst / elektroda : temperature yang tinggi memungkinkan penggunaan elektroda non platinum



Temperature operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan bahan bakar gas hidrokarbon dapat

dikonversikan menjadi hydrogen pada fuel cell itu sendiri (internal reforming). Fuel cell jenis MCFC tidak

rentan terhadap CO2, bahkan tipe fuel cell ini dapat menggunakan karbon dioksida sebagai bahan bakar.

MCFC sangat cocok digunakan pada sumber pembangkit dengan daya besar dan aplikasi combine cycle.

Akan tetappi temperature yang tinggi membuat fuel cell ini rentan terhadap korosi, selain itu kelemahan

lain adalah waktu start up yang cukup panjang.

5.7 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Elektrolit : Ceramic solid, umumnya yttria-stabilized zirconia (YSZ)

Catalyst / elektroda : temperature yang tinggi memungkinkan penggunaan elektroda non platinum



Temperature operasi yang tinggi memungkinkan penggunaan bahan bakar gas hidrokarbon dapat

dikonversikan menjadi hydrogen pada fuel cell itu sendiri (internal reforming), walaupun bentuk

hidrokarbon yang lain dapat digunakan akan tetapi memerlukan eksternal reformer. SOFC sangat cocok

digunakan pada sumber pembangkit dengan daya besar dan aplikasi combine cycle. Penggunaan

elektrolit yang solid memudahkan dalam pemeliharaan, akan tetappi temperature yang tinggi membuat

fuel cell ini rentan terhadap korosi, selain itu kelemahan lain adalah waktu start up yang cukup panjang.

Cook, B. (2001). An Introduction to Fuel Cells and Hydrogen Technology. Vancouver, Canada.

Teknologi Fuel Cell

Documents

Transcript of Teknologi Fuel Cell