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.
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
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 : 2H (g) + 4(OH) (aq)2 - →4H O(l) + 4e2
-Pada Katoda : -
-2 2
O (g) + 2H O(l) + 4e →4(OH) (aq)
Keseluruhan : 2H (g) + O (g)2 2 →2H O(l)2
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)
Gambar 2.2 Skema Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : H (g)2 →2H (aq) + 2e+ -Pada Katoda : 1 +
-2O (g) + 2H (aq) + 2e2 →H O(l)2
Keseluruhan : 1 2
2 2 2
H (g) + O (g)→H O(l)
2.2.3. Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Gambar 2.3 Skema Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : H (g) + CO2 32-→H O(g) + CO (g) + 2e2 2
-Pada Katoda : 1 -
2-2O (g) + CO (g) + 2e2 2 →CO3
Keseluruhan : 1 2
2 2 2 2 2
H (g) + O (g) + CO (g)→H O(g) + CO (g)
2.2.4. Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : H (g) + O2 2- →H O(g) + 2e2 -Pada Katoda : 1 -
2-2O (g) + 2e2 →O
Keseluruhan : 1 2
2 2 2
H (g) + O (g)→H O(g)
2.2.5. Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Gambar 2.5 Skema Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : CH OH(l) + H O(l)3 2 →CO (g) + 6H + 2e2 + -Pada Katoda : + 3
-2 2 2
6H + O (g) + 6e →3H O(l) Keseluruhan : 3
2
3 2 2 2
CH 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.
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
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
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
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.
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 : H (g)2 →2H (aq) + 2e+ - (2.1) Pada katoda : 1 +
-2O (g) + 2H (aq) + 2e2 →H O(l)2 (2.2)
Keseluruhan : 1 2
2 2 2
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.
