Mengapa fuel cell tidak memerlukan recharged seperti pada sebuah baterai?

You're Reading a Free Preview
Pages 7 to 15 are not shown in this preview.

1. Pengertian Sel PembakaranFuel Cell atau sel pembakaran adalah sebuah perangkat elektrokimia yangmengubah energi kimia ke energi listrik secara kontinyu. Pada sebuah bateraibiasa, energi kimia yang diubah oleh sebuah sel adalah tetap. Jika bahan bakar(fuel) dan oksidan di baterai telah habis, maka baterai tersebut harus diganti ataudiisi ulang (recharge). Perbedaan mendasar sebuah sel bahan bakar dengan bateraibiasa ditentukan dengan supply bahan bakar (oksidan) ke dalam sel. Pada selbahan bakar, energi dipasok terus menerus. Hal ini sama dengan sebuah mesinyang memerlukan bahan bakar untuk mengubah dari energi kimia menjadi energimekanik. Sedangkan pada sel bahan bakar, energi yang dihasilkan langsungmenjadi energi listrik. (Wahyu Hidayat, 2007).Batere dan sel pembakaran (fuel cell) adalah sistem dimana energi kimiayang disimpan dalam sistem diubah menjadi energi listrik secara langsung.Karena pada sistem ini perubahan energi tidak melewati energi panas, dan tidakdibatasi dengan efisiensi siklus mesin kalor serta dapat balik secara eksternal.

2. Prinsip Kerja Sel PembakaranPada prinsipnya, sel pembakaran berlandaskan reaksi kimia sebagaiberikut :Bahan bakar + O2 Oksida + energi listrik2Elemen inti dari sebuah sel pembakaran adalah bahan bakar, oksida,elektrolit, dan dua buah elektroda. Skema sel pembakaran seperti yang terlihatpada gambar berikut.Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell :Anoda : 2H2 ¾¾® 4H+ + 4e-Katoda : 4e- + 4H+ + O2 ¾¾® 2H2OSebuah sel bahan bakar bekerja dengan prinsip sebagai berikut. Dua buahelektrode karbon yang tercelup dalam larutan elektrolit (dalam hal ini asam) dandipisahkan dengan sebuah pemisah gas. Bahan bakar, dalam hal ini hidrogen,digelembungkan melewati permukaan satu elektrode melewati elektrode lainnya.Ketika kedua elektrode dihubungkan dengan beban luar, beberapa hal akan terjaditerjadi yaitu :a. Hidrogen menempel pada permukaan katalitik elektrode, membentuk ionionhidrogen dan elektron-elektron.b. Ion-ion hidrogen (H+) bermigrasi melewati elektrolit dan pemisah gas kepermukaan katalitik elektrode oksigen.c. Secara simultan, elektron-elektron bergerak melewati lintasan luar (externalcircuit) pada permukaan katalitik yang sama.d. Oksigen, ion-ion hidrogen, dan elektron bersatu pada permukaan elektrodemembentuk air(H2O).Bagian terpenting pada fuel cell adalah 2 lapis elektroda dan elektrolit.Elektrolit disini adalah zat yang akan membiarkan ion lewat, namun tidak halnyadengan elektron.Pada anoda, H2 dialirkan, kemudian platina (Pt) yang terkandung padapada anoda akan bekerja sebagai katalis, yang kemudian akan “mengambil”elektron dari atom hidrogen. Kemudian, ion H+ yang terbentuk akan melewatielektrolit, sedangkan elektron tetap tertinggal di anoda. Pada katoda, oksigendialirkan. Kemudian, ion H+ yang melewati elektrolit akan berikatan denganoksigen menghasilkan air dengan bantuan platina yang terkandung pada katodasebagai katalis. Reaksi ini akan berlangsung jika ada elektron. Pada anoda,elektron tertinggal, sedangkan pada katoda membutuhkan elektron. Sehingga, jikaanoda dan katoda dihubungkan maka elektron akan mengalir. Hal ini lah yangmenjadi prinsip dasar dari fuel cell.Bahan pembakar yang lebih reaktif adalah yang dapat digunakan ataudapat dioksidasi pada suhu yang lebih rendah. Hidrogen atau bahan pembakaryang menghasilkan hidrogen secara langsung dapat dioksidasi pada suhu rendah.Bahan pembakar elektrolit dapat menggunakan minyak alam. Keuntungannyaadalah harganya murah, tetapi minyak alam hanya dapat dioksidasi pada suhuyang tinggi.Pemilihan macam bahan pembakaran tergantung pada keseimbanganantara kemudahan reaksi dan biaya keseluruhan pada proses produksi listrik.Elektrolit cair yan lazim digunakan adalah larutan alkalin (KOH).Sedangkan bahan elektrolit lumer antara lain : Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 danCaCO3.Bahan-bahan elektrolit padat antara lain : ZrO2 dengan tambahan CaO atauY2O3. Elektroda harus dipilih dengan kriteria : mempunyai konduktivitas yangtinggi. Hal ini diharapkan agar pergerakan ion setinggi mungkin, seimbangdengan aliran elektron pada reaksi secara keseluruhan.Jika sifat katalis dari elektroda tidak efisien, maka perlu menggunakanbahan lain utnuk katalisator yang bertujuan mengaktifkan permukaan elektroda.Pemilihan bahan lain tersebut tergantung dari bahan pembakar pada anoda danoksida pada katoda. (Muhaimin, 1993).Satu unit sel bahan bakar yang terdiri atas 2 lembar Elektroda, Pt danelektrolit disebut sel tunggal. Tegangan yang diperoleh dari 1 buah sel tunggal iniberkisar 1 volt, sama dengan sel kering. Untuk mampu menghasilkan teganganyang lebih tinggi (yang dinginkan), maka sel tersebut bisa disusun secara seri /paralel. Kumpulan dari banyak sel tunggal ini disebut stack. Untuk membuatstack, selain dibutuhkan single sel tunggal, juga diperlukan sel seperator.Agar bisa digunakan pada telepon seluler, diperlukan beberapa single cell.Sedangkan untuk penggunaan rumah tangga diperlukan 20 lebih dan untuk mobildiperlukan 200 lebih single cell. Sehingga elektroda Pt, elektrolit, dan selseparator yang dibutuhkan ikut meningkat.3. Jenis-Jenis Sel PembakaranBerdasarkan atas perbedaan elektrolit yang digunakan, fuel cell dapatdibagi menjadi 4 tipe. Keempat tipe tersebut, suhu dan skala energi yangdihasilkan pun berbeda.Empat tipe tersebut bisa dipisah menjadi 2, yaitu yang bekerja pada suhutinggi (dua tipe) dan pada suhu rendah (2 tipe), antara lain :a. Tipe pada suhu tinggi adalah MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) danSOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Kedua tipe ini berkerja pada suhu 500-1000°C. Pada suhu tinggi, reaksi bisa berlangsung cepat, sehingga tidakdiperlukan katalis (Pt). Namun, pada suhu tinggi diperlukan bahan yangmempunyai durabilitas bagus dan tahan terhadap korosi. MCFC bekerjapada suhu 650°C, dan elektrolit yang digunakan adalah garam karbonat(Li2CO3, K2CO3) dalam bentuk larutan. Sedangkan SOFC bekerja padasuhu 1000°C, dengan keramik padat (misal, ZrO2) sebagai elektrolitnya.MCFC dan SOFC sendiri hingga saat ini masih tahap lab, dan belumdikomersilkan. Diharapkan di masa depan bisa diterapkan dalan skalabesar. Dan apabila teknologi dimana suhu kerja bisa diturunkanberkembang, kemungkin kedua fuel cell tipe ini bisa diterapkan dalamskala rumah tangga.b. Sedangkan untuk tipe suhu rendah adalah PAFC (Phosphoric acid FuelCell) dan PEFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Pada kedua tipeini, berkerja pada suhu dibawah 200°C. Keunggulan pada tipe ini adalahwaktu untuk mengaktifkannya cukup cepat dan bisa diterapkan dalamskala kecil. Namun, karena memerlukan Pt, yang harganya cukup mahal,sebagai elektroda, maka biayanya pun menjadi mahal. PAFC bekerja padasuhu 200°C, dan asam fosfat (H3PO4) sebagai elektrolitnya. Ditemukanpada tahun 1967, dan sejak tahun 1980-an, khususnya di Jepang danAmerika, mulai dipergunakan pada hotel, rumah sakit, dan tempat lainnya.Diantara 4 tipe fuel cell, tipe inilah yang paling cepat untukdikomersialkan. PEFC bekerja pada suhu dibawah 100°C, membranpolimer sebagai elektrolitnya. Karena menggunakan lapisan tipis membran6polimer, ukuran secara kesulurahan sangatlah kecil. Dewasa ini,penggunaan fuel cell tipe ini sudah cukup luas digunakan, mulai dari mobilhingga telepon seluler.Jenis fuel cell ditentukan oleh material yang digunakan sebagai elektrolityang mampu menghantar proton. Pada saat ini ada beberapa jenis fuel cell, yaitu:a. Alkaline Fuel Cell (AFC)b. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)c. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)d. Proton Exchange Membrane, juga disebut dengan Proton ElectrolytMembrane (PEM)e. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)f. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)g. Biofuel Cellh. Microbial Fuel Cell4. Kelebihan dan Kelemahan Sel PembakaranKelebihan Sel Pembakaran1 Tidak Mengeluarkan Emisi Berbahaya (Zero Emission)Sebuah sistem fuel cell hanya akan mengeluarkan uap air apabila memakaihidrogen murni. Tetapi, ketika memakai hidrogen hasil dari reforminghidrokarbon / fosil (misalnya batu bara dan gas alam), maka harus dilakukan ujiemisi untuk menentukan apakah sistem tersebut masih dapat dikategorikan zeroemission. Menurut standar yang dikeluarkan United Technologies Corporation(UTC) pada tahun 2002, maka sebuah sistem fuel cell dapat dikategorikan zeroemission ketika mengeluarkan emisi pencemar udara yang sangat rendah, dengankriteria NOx ≤ 1 ppm, SO2 ≤ 1 ppm, CO2 ≤ 2 ppm.2 Efisiensi yang Tinggi (High Efficiency)Oleh sebab fuel cell tidak menggunakan proses pembakaran dalamkonversi energi, maka efisiensinya tidak dibatasi oleh batas maksimum temperaturoperasional (tidak dibatasi oleh efisiensi siklus Carnot). Hasilnya, efisiensikonversi energi pada fuel cell melalui reaksi elektrokimia lebih tinggidibandingkan efisiensi konversi energi pada mesin kalor (konvensional) yangmelalui reaksi pembakaran.3 Cepat Mengikuti Perubahan Pembebanan (Rapid Load Following)Fuel cell memperlihatkan karakteristik yang baik dalam mengikutiperubahan beban. Sistem Fuel cell yang menggunakan hidrogen murni dandigunakan pada sebagian besar peralatan mekanik (misalnya motor listrik)memiliki kemampuan untuk merespon perubahan pembebanan dengan cepat.4 Temperatur Operasional RendahSistem fuel cell sangat baik diaplikasikan pada industri otomotif yangberoperasi pada temperatur rendah. Keuntungannya adalah fuel cell hanyamemerlukan sedikit waktu pemanasan (warmup time), resiko operasional padatemperatur tinggi dikurangi, dan efisiensi termodinamik dari reaksi elektrokimialebih baik5 Reduksi Transformasi EnergiKetika fuel cell digunakan untuk menghasilkan energi listrik, maka fuelcell hanya membutuhkan sedikit transformasi energi, yaitu dari energi kimiamenjadi energi listrik. Bandingkan dengan mesin kalor yang harus mengubahenergi kimia menjadi energi panas kemudian menjadi energi mekanik yang akanmemutar generator untuk menghasilkan energi listrik. Fuel cell yang diaplikasikanuntuk menggerakkan motor listrik memiliki jumlah transformasi energi yang samadengan mesin kalor, tetapi transformasi energi pada fuel cell memiliki efisiensiyang lebih tinggi.2 Kelemahan Sel Pembakaran1 Hidrogen yang Sulit DiproduksiHidrogen sulit untuk diproduksi dan disimpan. Saat ini proses produksihidrogen masih sangat mahal dan membutuhkan input energi yang besar, artinyaefisiensi produksi hidrogen masih rendah. Untuk mengatasi kesulitan ini, banyak20negara menggunakan teknologi reforming hidrokarbon / fosil untuk memperolehhidrogen. Tetapi, cara ini hanya digunakan dalam masa transisi untuk menujuproduksi hidrogen dari air yang efisien.2 Sensitif pada Kontaminasi Zat AsingSel bahan bakar membutuhkan hidrogen murni, bebas dari kontaminasi zatasing. Zat asing yang meliputi sulfur dan campuran senyawa karbon dapatmenonaktifkan katalisator dalam sel pembakaran dan secara efektif akanmenghancurkannya. Pada mesin kalor, pembakaran dalam (internal combustionengine), masuknya zat asing tersebut tidak menghalangi konversi energi melaluiproses pembakaran.3 Harga Katalisator Platinum yang MahalSel pembakaran yang diaplikasikan pada industri otomotif memerlukankatalisator yang berupa Platinum untuk membantu reaksi pembangkitan listrik.Platinum adalah logam yang jarang ditemui dan sangat mahal. Berdasarkan surveigeologis ahli USA, total cadangan logam platinum di dunia hanya sekitar 100 jutakg (Bruce Tonn and Das Sujit, 2001). Dan pada saat ini, diperkirakan teknologisel bahan bakar berkapasitas 50 kW memerlukan 100 gram platinum sebagaikatalisator (DEO, 2000). Misalkan penerapan teknologi sel bahan bakar berjalanbaik (meliputi penghematan pemakaian platinum pada sel bahan bakar,pertumbuhan pasar sel bahan bakar 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 diperlukanpenelitian untuk menemukan jenis katalisator alternatif yang memilikikemampuan mirip katalisator dari platinum.4 PembekuanSelama beroperasi, sistem sel bahan bakar menghasilkan panas yang dapatberguna untuk mencegah pembekuan pada temperatur normal lingkungan. Tetapi,jika temperatur lingkungan terlampau sangat dingin (-10 s.d. -20°C), maka air21murni yang dihasilkan akan membeku di dalam sel bahan baker dan kondisi iniakan dapat merusak membran sel bahan bakar (David Keenan, 10/01/2004).Untuk itu harus didesain sebuah sistem yang dapat menjaga sel bahan bakar tetapberada dalam kondisi temperatur operasi normal.5 Memerlukan Teknologi Tinggi dan BaruPerlu dikembangkan beberapa material alternatif dan metode konstruksiyang baru sehingga dapat mereduksi biaya pembuatan sistem fuel cell. Diharapkandimasa depan dapat dihasilkan sebuah sistem fuel cell yang lebih kompetitifdibandingkan mesin bakar / otomotif konvensional dan sistem pembangkit listrikkonvensional. Teknologi baru tersebut akan mampu menghasilkan reduksi biaya,reduksi berat dan ukuran, sejalan dengan meningkatnya kehandalan dan umuroperasi (lifetime) sistem fuel cell.Penggunaan sistem fuel cell dalam industri otomotif minimal harusmemiliki umur operasi 4.000 jam (ekivalen 100.000 mil pada kecepatan 25 milper jam) dan dalam industri pembangkit listrik minimal harus memiliki umuroperasi 40.000 jam (Matthew M. Mench, 24/05/2001).6 Ketiadaan InfrastrukturInfrastruktur produksi hidrogen yang efektif belum tersedia. Tersedianyateknologi manufaktur dan produksi massal yang handal merupakan kunci pentingusaha komersialisasi sistem fuel cell. (Thomas, 2008).5 Pemanfaatan Sel Pembakaran Saat Ini dan Masa DatangSecara umum, pemanfaatan sel bahan bakar antara lain :a. Sebagai pembangkit tenaga listrik.b. Dikembangkan sebagai batere pada handphone, laptop, MP3 player,kamera digital dan perangkat portabel lainnya.c. Pemakaian fuel cell pada rumah tangga untuk pembangkit tenaga listrik.d. Digunakan sebagai sumber energi listrik pada mobil.e. Digunakan pada alat transportasi massal, seperti pada bis dan kereta api.22Penerapan fuel cell untuk skala rumah tangga sudah mulai diterapkan sejaktahun 2005 yang lalu. Di Jepang sendiri sudah terpasang sekitar 600 fuel cell skalarumah tangga. Dengan adanya pemakaian fuel cell pada rumah tangga, makasudah tidak diperlukannya lagi kabel pengalir listrik (dari pembangkit listrik kerumah), sehingga loss dayanya menjadi nol. Selain itu, bila panas yang dihasilkanbisa dimanfaatkan lagi, salah satunya untuk memanaskan air. Dengan koordinasiseperti ini, maka tingkat efisiensi pemanfaatan energi fuel cell bisa mencapai 80%.Jenis fuel cell yang banyak digunakan pada perangkat elektronik mobileadalah DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). DMFC merupakan salah satu jenisPMFC, dengan methanol sebagai bahan bakarnya. Keunggulan dari DMFC ini,terletak pada methanol. Berbeda dengan hidrogen, yang sangat sulit untuk dibawakemana-mana, methanol dapat disimpan dalam botol plastik sehingga dapatdibawa ketika bepergian. Namun, ada sisi negatif dari methanol, yaitu merupakanzat yang berbahaya. Sehingga penggunaan methanol diperlukan kehati-hatiantinggi. Mengingat methanol cukup berbahaya bagi manusia, maka saat ini sedangdicari alternatif lainnya seperti ethanol atau NaBH4 (yang dikembangkan olehMillennium Cell Corp). (Thomas, 2008).

Page 2