BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tentang Sel Bahan Bakar
Perkembangan teknologi sel bahan bakar di negara-negara industri maju seperti Amerika dan Eropa dewasa ini semakin terpacu dengan semakin digalakkannya swastanisasi pembangkit listrik tipe desentralisasi. Hal ini sejalan pula dengan kesadaran cinta lingkungan sesuai dengan agenda 21, Earth Summit
di Rio De Janeiro, Brazil, 2001.
Teknologi sel bahan bakar menjanjikan pembangkit listrik yang bebas polusi udara dan limbah beradiasi. Asal mulanya diaplikasikan pada teknologi ruang angkasa (stasiun ruang angkasa). Lambat laun teknologi ini dapat bersaing karena ada tendensi yang sangat kuat yaitu harga dan kerapatan energi yang dihasilkan dapat bersaing dengan pembangkit listrik BBM ataupun nuklir sekalipun. Hal ini sangat sukar dicapai oleh tipe energi alternatif yang lain.
Sebenarnya teknologi sel bahan bakar pertama kali ditemukan oleh Sir William Robert Grove pada tahun 1839, dimana ia mendemostrasikan pemecahan uap menjadi hidrogen dan oksigen dengan pemanasan katalis seperti platinum. Pada masa sekarang, proses ini dinamakan teknologi reformer. Yang agak mengejutkan penemu teknologi sel bahan bakar (Sir William) adalah seorang sarjana hukum,akan tetapi nasib mengubahnya menjadi seorang ahli fisika setelah ia jatuh sakit dan menjadi professor fisika di sebuah institusi di London antara tahun 1840-1847. Kombinasi kedua disiplin ilmu itu pula yang menyebabkan ia terlibat pada penyusunan hukum paten di dunia komersial. Perkembangan teknologi sel bahan bakar baru terasa setelah terjadi semakin pesatnya perkembangan teknologi material. Perusahaan yang sukses dalam pengembangan aplikasi ini seperti misalnya Pratt & Whitney telah berhasil mengaplikasikannya untuk misi penerbangan antariksa Gemini IV dan suksesnya pendaratan Apolo di bulan.
Aplikasi teknologi sel bahan bakar yang paling mutakhir adalah digunakannya 12 KW sel bahan bakar alkaline di pesawat ulang-alik NASA. Pada sel bahan bakar ini, hidrogen dan oksigen digunakan untuk proses konversi listrik. Sejak tahun 1970, Departemen Energi Amerika telah melakukan riset tipe
Phosophric Acid Fuel Cell (PAFC) untuk pembangkit listrik dan sekarang telah memasuki tahap komersialisasi. Sedangkan di Eropa, perkembangan teknologi sel bahan bakar didukung oleh Negara Uni masyarakat Eropa dan berbagai pihak swasta. Demikian pula di Jepang, pengembangan teknologi sel bahan bakar ini didukung oleh berbagai macam organisasi pemerintah maupun swasta.
Sel bahan bakar sebagai salah satu energi alternatif agaknya dapat menjadi pembangkit energi pada dunia otomotif dan mungkin akan bersaing bahkan akan menggeser tiga pilihan energi konvensional yang kini berkompetensi yaitu : mesin pembakaran internal, mesin baterai isi ulang(rechargeable) dan mesin hibrida.
Sel bahan bakar merupakan alat konversi energi elektrokimia yang akan mengubah hidrogen dan oksigen menjadi air, secara bersamaan menghasilkan energi listrik dan panas dalam prosesnya. Sel bahan bakar merupakan suatu bentuk teknologi sederhana seperti baterai yang dapat diisi bahan bakar untuk mendapatkan energinya kembali, dalam hal ini yang menjadi bahan bakar adalah hidrogen.
Keunggulan utama sel bahan bakar dibandingkan pembangkit listrik konvensional adalah (Sumber : Ahmad Hasan, 2007)
1. Mempunyai efisiensi tinggi dari 50% sampai 70%, sedangkan untuk kogenerasi dapat mencapai 80%,
2. Tidak menimbulkan suara bising,
3. Konstruksinya modular sehingga fleksibel dalam menyesuaikan dengan sumber bahan bakar yang ada,
4. Mampu menanggapi dengan cepat terhadap perubahan bahan bakar atau oksigen.
Berdasarkan elektrolitnya, secara umum sel bahan bakar dapat diklasifikasikan menjadi 7 tipe yaitu :
1. Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell
Polymer Electrolyte Membrane (PEM) menyalurkan berat jenis yang tinggi dan menawarkan keuntungan pada berat dan volume yang rendah, dibandingkan dengan sel bahan bakar yang lainnya. Sel bahan bakar PEM menggunakan polimer solid sebagai elektrolit dan elektroda karbon yang mengandung katalis platinum. PEM hanya membutuhkan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk beroperasi dan tidak memerlukan cairan korosif seperti sel bahan bakar lainnya. Sel bahan bakar PEM biasanya digunakan untuk aplikasi transportasi dan beberapa aplikasi perkantoran.
Gambar 2.1 Alur kerja Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell.
(Sumber
2. Direct methanol fuel cell
Direct methanol fuel cell (DMFC) digerakkan menggunakan methanol murni, yang dicampur dengan uap dan dialirkan secara langsung ke anoda pada
sel bahan bakar tersebut. Sel bahan bakar tipe DMFC ini tidak mempunyai permasalahan di tempat penyimpanan seperti sel bahan bakarlain pada umumnya. Hal ini dikarenakan methanol mempunyai berat jenis yang lebih tinggi daripada hidrogen namun lebih kecil daripada minyak diesel atau bensin. Saat ini penelitian dan pengembangan mengenai sel bahan bakar DMFC ini 3 – 4 tahun lebih lambat daripada sel bahan bakarjenis lainnya.
Gambar 2.2 Alur kerja Directmethanol fuel cell (DMFC)
(Sumber :
3. Alkaline fuel cell
Alkaline fuel cell adalah salah satu dari teknologi sel bahan bakar yang dikembangkan dan merupakan yang pertama digunakan secara luas untuk program penghasil energi listrik dan air pada pesawat luar angkasa oleh NASA. Sel bahan bakarini menggunakan potasium hidroksida dalam air sebagai elektrolit dan dapat menggunakan beberapa jenis dari metal sebagai katalis pada anoda dan katoda. Kekurangan dari sel bahan bakar tipe ini adalah dapat dengan mudah dicemari oleh karbondioksida. Pada prosesnya, karbondioksida dalam jumlah kecil pada udara yang sedikit dapat mempengaruhi kerja dari sel bahan bakar ini. Selain mempengaruhi kerja juga mempengaruhi umur daripada sel bahan bakar.
Gambar 2.3 Alur kerja Alkaline fuel cell
(Sumber
4. Phosporic acid fuel cell
Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC) menggunakan cairan asam fosfor sebagai elektrolit dan elektroda besi karbon yang mengandung katalis platinum.
Gambar 2.4 Alur kerja Phosporic Acid Fuel Cell
PAFC ini lebih dikenal sebagai generasi pertama dari sel bahan bakar modern. PAFC lebih toleran terhadap ketidakmurnian daripada bahan bakar yang telah diubah menjadi hidrogen daripada sel bahan bakar PEM. PAFC terlihat lebih besar dan berat, dan juga lebih mahal. Seperti halnya sel bahan bakar PEM, PAFC membutuhkan katalis platinum yang lebih mahal, yang mana menaikkan biaya daripada sel bahan bakar.
5. Molten carbonate fuel cell
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) saat ini sedang dikembangkan untuk gas natural dan batubara untuk kegunaan elektrik, industri, dan aplikasi militer. MCFC adalah sel bahan bakar yang bekerja pada temperatur tinggi yang menggunakan elektrolit yang terdiri dari molten carbonate salt mixture, lithium aluminium oksida (LiAlO2).
Gambar 2.5 Alur kerja Molten Carbonate Fuel Cell
(Sumber :
Tidak seperti sel bahan bakar jenis alkaline, phosporic acid dan sel bahan bakar PEM, sel bahan bakar MCFC tidak membutuhkan alat pengubah eksternal untuk mengubah bahan bakar menjadi hidrogen. Kekurangan utama daripada sel bahan bakar MCFC ini adalah daya tahan. Temperatur yang tinggi yang bekerja pada sel
bahan bakar ini dan elektrolit korosif yang digunakan mempercepat korosi daripada komponen, yang mengurangi umur daripada sel bahan bakar.
6. Solid oxide fuel cell
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) menggunakan bahan keramik yang keras dan tidak mudah berkarat sebagai elektrolit. Karena elektrolit dari sel bahan bakar SOFC ini bersifat padat, sel bahan bakar ini tidak harus dibuat di dalam plat seperti sel bahan bakarjenis lainnya. Sel bahan bakar SOFC ini diharapkan dapat memiliki efisiensi 50 – 60 % untuk mengubah bahan bakar menjadi listrik.
Gambar 2.6 Alur kerja Solid Oxide Fuel Cell
(Sumber
7. Regenerative fuel cell
Regenerative Fuel Cell menghasilkan listrik dari hidrogen, oksigen, membangkitkan panas dan air sebagai bahan bakar, seperti sel bahan bakar lainnya. Regenerative fuel cell juga dapat menggunakan elektrolisa dari solar power atau sumber lainnya untuk membagi kelebihan air menjadi bahan bakar
hidrogen dan oksigen. Sel bahan bakarjenis ini sedang dikembangkan oleh NASA dan perusahaan lainnya.
Gambar 2.7 Alur kerja Regenerative Fuel Cell
(Sumber :
Sel bahan bakar yang digunakan dalam penelitian ini adalah Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell.
Karena efisiensi sel bahan bakar yang cukup tinggi maka penggunaan gas yang dapat lebih hemat, sehingga umur penggunaan gas diperkirakan dapat diperpanjang hingga tahun 2060. Selain itu, Indonesia memiliki bahan baku yang cukup besar jumlahnya serta cukup lengkap untuk digunakan dalam membangun dan mengembangkan teknologi sel bahan bakar. Seperti yang diketahui bahwa harga sel bahan bakar terus menurun sesuai dengan peningkatan perkembangan teknologi. Dalam 15 tahun belakangan ini nilai investasi telah menurun. Diproyeksikan dalam waktu 10 tahun yang akan datang hanya menjadi US $ 500/KW. Umur sel bahan bakar diproyeksikan hingga 10 tahun, dapat bekerja selama 24 jam terus menerus dengan pemadaman untuk perawatan hanya 1 atau 2 kali per tahun.
2.2 Komponen - komponen Sel Bahan Bakar
Adapun komponen – komponen dari sel bahan bakar dapat terlihat seperti pada gambar 2.8 berikut ini.
Gambar 2.8 Komponen - komponen Sel Bahan Bakar (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Tabel 2.1 Komponen dasar dari PEM Sel Bahan Bakar (Sumber : Colleen Spiegel,2008)
Komponen Kegunaan Bahan yang biasa
digunakan
Polymer Electrolyte Membrane
Memungkinan proton daripada hidrogen untuk mengalir dari anoda menuju katoda
Persulfonic Acid Membrane (Nafion
112, 115, 117)
Catalyst layers Memisahkan bahan bakar menjadi proton dan elektron. Proton kemudian disatukan dengan oksidan untuk membentuk air pada katoda sel bahan bakar. Elektron lalu mengalir
menghasilkan daya
Platinum / carbon catalyst
Gas diffusion layers
Memungkinkan bahan bakar / oksidan untuk mengalir melalui lapisan
Polymer Electrolyte Membrane
Carbon cloth atau toray paper
Flow field plates Mengalirkan bahan bakar dan oksidan ke gas diffusion layer
Graphite, Stainless Steel
Gaskets Mencegah terjadinya kebocoran bahan bakar, dan membantu mendistribusikan tekanan secara merata
Silicon , teflon
End plates Menahan lapisan stack tetap pada tempatnya.
Stainless steel, Graphite, Polyethylene, PVC
2.3 Sistem Sel Bahan Bakar.
Proses penting yang terjadi pada sub-sistem sel bahan bakar adalah proses elektrokimia dimana reduksi-oksidasi gas hidrogen akan menentukan efisiensi listrik yang dihasilkan.
Tentunya hal ini dikaitkan dengan beberapa komponen pokok sehingga aliran gas, reduksi-oksidasi gas, aliran proton dan elektron dapat berjalan sehingga efisiensi sistem pembangkit listrik dapat dicapai. Untuk mendapatkan gambaran secara jelas dari sistem sel bahan bakar ini, dapat dilihat pada gambar dibawah.
Gambar 2.9 Diagram blok sistem sel bahan bakar (Sumber : Ahmad Hasan, 2007)
• Membran Elektrolit
Komponen ini mempunyai pori yang sangat kecil sehingga tidak mengijinkan atom hidrogen untuk melewati membran. Membran elektrolit ini bersifat proton exchange (H+), dimana dalam strukturnya akan terjadi suatu mekanisme pertukaran ion sehingga konduktivitas proton yang diharapkan pada kondisi humidified membrane 2x 10-2 S/cm, ketahanan 0,05 Ω cm2 untuk membran dengan ketebalan (50 mikrometer). Selain itu ketahanan dan kestabilan terhadap zat kimia dan termal (300 °C) sangatlah menentukan performa arus yang dihasilkan.
• Katalis
Pada komponen ini akan terjadi proses reduksi-oksidasi gas dimana proton dan elektron akan dihasilkan. Dengan ketebalan yang cukup kecil (5-50 mikrometer) diharapkan mempunyai kontak yang cukup baik dengan membran, sehingga akan terjadi mekanisme transfer proton yang cukup baik. Berkaitan dengan reduksi-oksidasi dan air yang dihasilkan sebagai hasil reaksi (katoda) maka hal lain yang dipersyaratkan adalah komponen ini mengandung bahan yang bersifat konduktif terhadap elektron dan bersifat hidrofobik terhadap air. Oleh karena itu proses penggabungan antara ketiga bahan tersebut diperlukan teknologi dan ilmu yang tidak mudah.
• Gas Difusi
Komponen dengan ketebalan (100-300 mikrometer) adalah komponen yang berhubungan langsung dengan lapisan katalis, dibuat dari bahan yang berpori, bersifat konduktif terhadap elektron dan bersifat hidrofobik, sehingga mampu mendistribusikan gas dan air sekaligus sebagai transfer elektron
• Current Collector
Komponen ini terdapat pada bagian luar satu unit sel yang merupakan
plate current collector yang mengandung machine gas flow field. Karakteristik penting dari current collector ini adalah bersifat konduktif terhadap elektron, mampu mendistribusikan gas dan impermeable terhadap gas.
2.4 Hidrogen
Hidrogen sedang dikembangkan sebagai media penyimpanan energi. Hidrogen bukanlah sumber energi utama, namun metode penyimpanan energi yang portable, karena hidrogen harus dibuat oleh sumber energi lain. Namun, sebagai media penyimpanan energi, mungkin akan signifikan jika dilihat perannya sebagai energi alternatif.
Hidrogen dapat digunakan pada mesin pembakaran internal konvensional atau pada sel bahan bakar yang mengubah energi kimia secara langsung menjadi
energi listrik tanpa pembakaran. Proses produksi hidrogen membutuhkan proses pengubahan gas alam oleh uap, atau dengan cara yang mungkin lebih ekologis, elektrolisis air menjadi hidrogen dan oksigen. Cara yang lama menghasilkan karbondioksida dalam prosesnya sebagai hasil sampingan.
Kehilangan energi terjadi pada siklus penyimpanan hidrogen dari produksinya untuk pemakaian langsung pada kendaraan, pengembunan atau kompresi, dan konversi kembali menjadi listrik, serta siklus penyimpanan hidrogen untuk pemakaian sel bahan bakar stasioner seperti kombinasi mikro panas dan energi dengan biohidrogen, pengembunan atau kompresi, dan konversi menjadi listrik.
Dengan energi alternatif yang tidak bisa selalu tersedia seperti energi angin dan matahari, output dari kedua energi itu mungkin dapat menjadi energi listrik untuk melakukan elektrolisis. Apapun kemungkinannya, apakah kemampuan konversi energi matahari dan angin menjadi listrik cukup rendah atau energi yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi hidrogen cukup besar, hidrogen hanya akan menjadi media penyimpanan energi dan digunakan hanya jika dibutuhkan.
Ahli nuklir menyatakan bahwa menggunakan energi nuklir untuk menghasilkan hidrogen akan menyelesaikan masalah efisiensi di dalam memproduksi hidrogen. Mereka menggaris bawahi kemungkinan menggunakan pembangkit listrik tenaga nuklir pada kapasitas penuh terus menerus dengan tetap menyalurkan energi listrik ke jaringan transmisi listrik setempat pada beban puncak. Hal ini berarti efisiensi lebih besar juga bagi PLTN tersebut. Reaktor generasi keempat dari PLTN memiliki potensi untuk memisahkan hidrogen dari air dengan cara termokimia menggunakan panas nuklir di siklus iodin-sulfur.
Penyimpanan hidrogen di bawah tanah adalah kegiatan penyimpanan hidrogen dalam gua, kubah garam, atau ladang gas alam dan minyak yang telah habis. Sejumlah besar gas hidrogen telah disimpan oleh Imperial Chemical Industries di gua bawah tanah sejak beberapa tahun yang lalu tanpa kesulitan berarti. Penyimpanan sejumlah besar hidrogen di bawah tanah dapat difungsikan
sebagai penyimpanan energi massal yang penting untuk aspek keekonomian hidrogen pada masa depan.
Gas hidrogen adalah gas yang mudah terbakar. Gas hidrogen bersifat eksplosif jika membentuk campuran dengan udara dengan perbandingan volume 4%-75% dan dengan klorin dengan perbandingan volume 5%-95%. Disebabkan gas hidrogen sangat ringan maka api yang disebabkan pembakaran gas hidrogen cenderung bergerak ke atas dengan cepat sehingga mengakibatan kerusakan yang sangat sedikit jika dibandingkan dengan api yang berasal dari pembakaran hidrokarbon. Reaksi spontanitas ini biasanya di picu oleh adanya kilatan api, panas, atau cahaya matahari.
Entalpi pembakaran gas hidrogen adalah -256 kJ/mol dengan reaksi: 2 H2(g) + O(g) => 2H2O(l) + 572 kJ
Hidrogen sangat reaktif dan bereaksi dengan setiap unsur yang bersifat oksidator dan bersifat lebih elektronegatif dibandingkan hidrogen seperti golongan halida. Hidrogen dapat bereaksi secara spontan dengan klorin dan florin pada temperatur kamar membentuk hidrogen halida. Hidrogen juga dapat membentuk senyawa dengan unsur yang kurang bersifat elektronegatif misalnya logam dengan membentuk hidrida. Kelarutan hidrogen dalam pelarut organik sangat kecil jika dibandingkan dengan kelarutannya dalam air. Hidrogen dapat terserap dalam metal seperti baja. Penyerapan hidrogen oleh baja ini menyebabkan baja bersifat mudah patah sehingga menyebabkan kerusakan dalam pembuatan peralatan. Dengan sifat ini maka ilmuwan dapat menyimpan gas hidrogen dalam logam platinum.
Pada suhu normal hidrogen terdapat dalam bentuk diatomiknya akan tetapi pada suhu yang sangat tinggi hidrogen terdisosiasi menjadi atom-atomnya. Atom hidrogen sangat reaktif dan dapat bereaksi dengan oksida logam seperti perak, tembaga, timbal, bismuth, dan raksa untuk menghasilkan logam bebasnya.
Hidrogen tersedia dalam air dan senyawa organik dalam bentuk senyawa hidrokarbon. Pemotongan ikatan-ikatan kimia di dalam air akan menghasilkan hidrogen yang dapat dipergunakan sebagai bahan bakar. Hidrogen dapat
dihasilkan melalui beberapa proses seperti: elektrolisa, fotoelektrokimia, stream reforming, fotobiologi, dan lain lain.
Hidrogen dapat pula dihasilkan dengan menggandeng sumber-sumber energi alternatif, seperti : energi air, energi surya, energi angin, dan energi panas bumi. Hidrogen yang dihasilkan dapat disimpan dalam bentuk gas atau cair, sedangkan transportasi dan distribusinya dapat dilakukan dengan berbagai cara. Karena hidrogen hanya ditemukan di alam dalam bentuk senyawa, maka hidrogen harus diproduksi melalui penggunaan energi sebelum hidrogen tersebut tersedia sebagai sumber energi. Dalam hal ini dapat dibedakan antara produksi dengan pembawa energi primer dan produksi dengan pembawa energi sekunder. Produksi energi primer saat ini berarti produksi hidrogen dari bahan bakar fosil melalui pembentukan gas alam dan batubara. Proses lebih lanjut dari produksi ini masih dalam penelitian dan pengembangan.
Teknologi produksi hidrogen yang saat ini unggul adalah gasifikasi dari biomassa, serta produksi langsung hidrogen dari algae dengan radiasi surya. Salah satu produksi hidrogen yang saat ini dikenal adalah dari listrik melalui elektrolisa. Produksi hidrogen langsung dengan elektrolisa air, terutama dihubungkan dengan pembangkit listrik tenaga air, sedangkan produksi hidrogen secara tidak langsung melalui listrik pembawa energi. Dekomposisi air dengan elektrolisa terdiri dari dua reaksi yang terjadi pada dua elektroda. Kedua elektroda ini dipisahkan oleh elektrolit yang konduktif ion. Hidrogen diproduksi pada elektroda negatif (katoda) dan oksigen pada elektorda positif (anoda). Pertukaran muatan terjadi melalui aliran ion. Untuk menjaga gas yang diproduksi terpisah, dua area reaksi dipisahkan oleh separator konduktif ion, sedangkan energi untuk pemisahan air didapatkan dari listrik.
2.5 Struktur dari Proton Exchange
Bagian dasar dalam membran proton exchange di sel bahan bakar adalah awalnya disusun oleh William T.Grubb pada tahun 1959. Itu adalah usaha awal yang diupayakan untuk meningkatkan polimer asam perflurosulfonic yang menjadi sistem sekarang ini.
Pada sistem sel bahan bakar terdapat membran elektrolit yang merupakan komponen dari sistem ini. Fungsi dari membran pada sel bahan bakar adalah sebagai elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran sel bahan bakar menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan oleh reaksi anoda menuju katoda, sehingga reaksi pada katoda yang menghasilkan energi listrik dapat terjadi. Elektrolit sel bahan bakar PEM harus memenuhi persyaratan berikut agar dapat bekerja secara teratur:
• Konduktivitas ionik tinggi,
• Menyediakan persediaan yang cukup untuk reaktan,
• Stabil secara kimia dan mekanikal,
• Konduktivitas elektrik yang rendah,
• Dapat dimanufaktur ataupun tersedia,
• Harga yang rendah.
Materialnya adalah sebuah penyekat elektrik dan sebagai hasilnya adalah konduksi ion terbawa dengan gugusan ionik dengan struktur polimer. Transportasi ion dalam beberapa jaringan adalah sangat dipengaruhi oleh loncatan dan air bebas yang diasosiasikan dengan jaringan tersebut.
Salah satu membran sel bahan bakar yang digunakan secara komersial adalah Nafion terdiri dari polytetrafluoroethylene (PTFE), mempunyai rumus kimia (C2F4)n pada rantai utama dengan cabang gugus asam sulfonat (SO3H) yang
berfungsi sebagai pertukaran proton dan belakangan ini telah dilakukan penelitian untuk mendapat membran alternatif selain Nafion, yaitu Membran Kitosan.
Nafion tergolong dalam ionomer. Ionomer berarti polimer yang memiliki sifat-sifat ionik. Ionomer dari senyawa ini terdiri atas kerangka fluorokarbon yang
bersifat hidrofobik dan gugus terminal berupa sulfonat yang bersifat hidrofobik. Gugus sulfonat merupakan super asam, menjamin kelangsungan transfer proton dari anoda ke katoda sementara elektron tidak diizinkan lewat.
Gambar 2.10 Ilustrasi Gambar Nafion (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Gambar 2.11 Struktur Kimia Nafion (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Karakterisasi membran elektrolit (nafion 117) dan elektroda sel bahan bakar sebagai komponen utama sel bahan bakar merupakan faktor penting sebelum dilakukannya pembuatan membran dan elektroda sel bahan bakar. Hasil analisa termal menunjukkan bahwa membran nafion 117 dan elektroda masing-masing mempunyai ketahanan termal 327 oC dan di atas 550 oC .
Gambar 2.12 menunjukkan kumpulan dari membran elektrolit Nafion, gambar tersebut diperoleh dari 1 Hz dengan pembakitan sinyal 30 mV, 0.4 V arus DC katoda (terdapat reaksi reduksi oksigen, ini menurunkan transfer hambatan Faraday dan meningkatkan sinyal). Gambar 2.12 juga membandingkan respons yang mengganggu dari sebuah Nafion membran kering (0% kelembaban relatif, udara temperatur ruangan) melawan area yang sama dengan membran yang sama ketika berair (30% kelembaban relatif, udara suhu ruangan). Level kebasahan dari elektrolit Nafion dapat menyebabkan pengaruh pada pencegahan konsentrasi dan konduktivitas proton
Secara umum sudah diketahui bahwa Nafion adalah bukan sebuah material homogen, tetapi terdiri dari hidrofobik dan tahapan hidrofobik (daerah yang terpisah). Ciri – ciri yang nyata yang dapat dilihat dari hambatan pada Nafion digambarkan di bawah yang dapat dicocokkan pada daerah hidrofobik dalam membran. Dan ukuran yang nyata dari daerah ini (menunjukkan 1 μm gambar ) adalah golongan dari beberapa ratus nanometer.
Gambar 2.12 Modulus Hambatan & nilai Kelembaban dari Nafion (Sumber : http://hmtkupnyogya.files.wordpress.com/2012/02/bab-ii.pdf)
Di pasaran, harga Nafion masih sangat mahal, sehingga menjadi kendala untuk mengembangkannya di Indonesia. Membran ini bersifat selektif semipermeabel terhadap proton dan memiliki sifat elektrik yang baik sebagai konduktor. Sifat konduktivitas tersebut ditunjukkan dengan tetapan dielektriknya yang kecil. Namun, sebagai membran sel bahan bakar juga harus berperan sebagai media transport proton.
Salah satu material yang diduga dapat menggantikan Nafion adalah kitosan. Kitosan merupakan polielektrolit alam dengan beberapa sifat penting yang diperlukan untuk material membran. Sifat-sifat tersebut antara lain inert, hidrofobik, dan tidak larut dalam air serta pelarut organik.
2.6 Lapisan Difusi Gas
Lapisan gas difusi berada diantara lapisan katalis dan plat bipolar. Pada sel bahan bakar PEM, katalis, gas difusi dan lapisan membran ( Membran Electroda Assembly (MEA) ) yang berada diantara aliran tempat plat. Lapisan gas difusi atau
Gas diffusion layer (GDL) adalah lapisan terluar pada MEA. MEA memberikan kontak listrik antara elektroda dan plat bipolar dan mendistribusikan reaktan ke lapisan katalis.
Gambar 2.13 Aliran yang masuk dan keluar dari lapisan gas difusi (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
MEA juga memungkinkan produk-produk reaksi berupa air untuk keluar ke permukaan elektroda dan memungkinkan lewatnya air diantara elektroda dan saluran aliran.
Lapisan difusi gas menyediakan beberapa fungsi untuk sel bahan bakar PEM yaitu untuk menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai produk akhir dan memberikan dukungan untuk MEA. Tabel 2.2 Persamaan yang digunakan pada pemodelan lapisan gas difusi (Sumber: Colleen Spiegel, 2008)
Karakterisik model Deskripsi / persamaan
jumlah dimensi 1, 2, atau 3
Mode operasi Dinamis atau keadaan steady
fase Gas, cairan atau kombinasi dari gas dan
cairan
Transportasi massa Persamaan Stefan-Maxwell
Transport ion Hukum Ohm
Kesetimbangan energi Isothermal atau kesetimbangan energi
Gas difusi terbuat dari bahan rapuh, bahan konduktif elektrik. Media difusi kebanyakan terdiri dari lapisan difusi gas tunggal atau struktur komposit dari lapisan difusi gas dan lapisan pori mikro. Kebanyakan model dalam literatur hanya mencakup lapisan difusi gas tersebut.
Tabel 2.3 Sifat kertas karbon yang digunakan komersial sebagai substrat untuk elektroda sel bahan bakar PEM (Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
Kertas karbon Ketebalan (mm) Sifat menyerap (%)
Massa jenis(g/cm3)
Kureha E-715 0.35 60 to 80 0.35 to 0.40 Spectracarb
2050A-1041
0.25 60 to 90 0.40
GDL dapat ditambah dengan fluoropolimer dan karbon hitam untuk meningkatkan pengelolaan air dan sifat listrik. Jenis material ini memberikan keefektifan reaktan dari difusi gas ke perakitan membran/elektroda. Struktur ini memungkinkan gas untuk menyebar karena berdifusi untuk memaksimalkan permukaan bidang kontak dari membran lapisan katalis. Ketebalan dari berbagai bahan gas difusi bervariasi antara 0,0017 dan 0,04 cm, kerapatannya bervariasi antar 0,21 dan 0,73 g/cm2, dan porositas bervariasi antara 70% dan 80%. GDL yang paling umum digunakan adalah bahan kain karbon dan kertas karbon. Sifat dari beberapa karbon yang tersedia secara komersial ditunjukkan pada tabel 2.3. GDL membantu untuk mengelola air dalam sel bahan bakar PEM karena ini memungkinkan jumlah air yang tepat untuk menyentuh perakitan membrane/elektroda untuk menjaga kelembaban membran. Selain itu, ini membantu mengeluarkan air dari keluar katoda untuk mencegah terjadinya luapan air. Lapisan ini biasanya tahan air untuk memastikan pori-pori di kain atau kertas karbon tidak tersumbat oleh air.
Banyak perawatan yang ada untuk lapisan difusi gas. Sebagian besar perawatan digunakan untuk membuat media difusi hidrofobik untuk menghindari luapan air dalam sel bahan bakar. Media difusi anoda atau katoda, atau keduanya dapat menggunakan PTFE. Bahan difusi dicelupkan ke dalam 5% sampai 30% solusi PTFE, diikuti dengan pengeringan dan sintering. Antarmuka dengan lapisan katalis dapat dilengkapi dengan lapisan coating atau pori-pori mikro untuk memastikan kontak listrik yang baik dan transportasi air yang masuk dan keluar dari lapisan difusi. Lapisan ini terdiri dari partikel-partikel karbon atau grafit dicampur dengan pengikat PTFE. Pori-pori yang dihasilkan adalah antara 0,1 dan 0,5 mm dan jauh lebih kecil dari ukuran kertas serat karbon.
Asal dan pemodelan untuk katoda GDL dari sel bahan bakar yang dibuat oleh Beuscher. Model asal dari aliran multi fasa pada media berpori dari literatur
hydrogeological. Perbedaan antara lapisan GDL dan permodelan dari tanah yang tidak tersaturasi adalah GDL merupakan hidrofobik, distribusi ukuran pori berbeda, dan GDL adalah campuran dari karbon yang tidak homogen. Dengan mengabaikan perbedaan ini, model hydrogeological cukup berguna untuk permodelan sel bahan bakar GDL. Bagaimanapun, kadangkala sulit untuk menggunakan model ini karena terdapat banyak sifat seperti temperatur, fasa, tekanan, dan kecepatan di dalam dan sekeliling GDL adalah parameter yang tidak diketahui ketika sel bahan bakar beroperasi.
Bentuk sederhana ditunjukkan pada gambar 2.14. Garis titik – titik pada bagian atas daripada gambar 2.14 menunjukkan porsi dari saluran dimana gas mengalir melewatinya. Bagian bawah diagram adalah sisi katalis dimana panas dan air ditambahkan ke dalam sistem, dan gas diserap. Pada bagian atas sisi saluran, gas ditambahkan, dan panas dan air dipindahkan. Sejak setengah dari bagian atas adalah material katoda solid, dan sebagian lagi adalah saluran terbuka, kondisi batas telah bercampur. Porsi dimana tidak terdapat fluks di dalam katoda adalah kondisi batas Neumann, dan porsi dimana tidak terdapat cairan di dalam saluran adalah kondisi batas Dirichlet.
(Sumber : Colleen Spiegel, 2008)
GDL pada gambar 2.14 ; d adalah panjang, dan h adalah tinggi. Aspek rasio adalah parameter perturbation, dan dapat dituliskan sebagai ε = h/d<<l.
Permukaan bawah berbatasan dengan lapisan katalis katoda, dan permukaan atas terbuka untuk saluran pada sebelah kiri dan kanan. Daerah tengah berbatasan dengan katoda grafit. Saluran dapat berada pada tekanan berbeda, dan seluruh kuantitas diasumsikan pada kondisi normal. Tekanan, P, temperatur, T, konsentrasi oksigen, u, konsentrasi uap air, v, dan fraksi volume cairan, θ, akan dihitung. Semua variabel akan dihitung dalam fungsi θ.
Pada proses tersebut menunjukkan sebagaimana transport dari aliran dalam media berpori yang tidak tersaturasi, dengan persamaan yang digunakan adalah persamaan Richard, yang memberikan kecepatan uap basah (Vθ) dari cairan dan uap pada media berpori. Potensial total harusnya juga mempunyai komponen gravitasi, tetapi telah dihilangkan dikarenakan terdapat sedikit cairan. Potensial uap basah harus meliputi semua sifat yang relevan dari GDL, seperti potensial liku dan pembasahan.
Dalam hal untuk membentuk temperatur, syarat dibawah ini harus dimasukkan ke dalam :
1. Hukum Fourier untuk konduksi patnas 2. Konveksi
3. Panas yang dihasilkan oleh kondensasi 4. Kehilangan panas akibat evaporasi
Dalam kasus tidak adanya cairan, segala syarat karena θ diabaikan. Juga, syarat kondensasi dan evaporasi dikeluarkan dari persamaan. Apabila fasa gas berkonveksi, kecepatan ditentukan menggunakan hukum Darcy:
Dimana Kg adalah permeabilitas GDL terhadap gas dan μ adalah viskositas gas. Permeabilitas Kg bergantung terhadap θ karena cairan akan menghilangkan ruang pori – pori untuk gas.
Untuk kasus tanpa cairan, tanpa konveksi dan fluks konstan, transport sekarang hanya akan tersisa Fickian, dan tekanan konstan. Ketika menguji kondisi batas dengan tekanan konstan, batas dari positif dan negatif x adalah simetris x=0. Pada batas dari -1≤ x ≤1 digunakan, Pada sambungan katoda lapisan katalis, fluks konstan diasumsikan. Kumpulan transformasi adalah :
f1 = z + iy (2.2)
f2 = exp(π. f1) (2.3)
f
3=
ff2−12+1𝑣 (2.4) f4 =12+1πsin−1(f3) (2.5)
Persamaannya kemudian menjadi :
Ti= Rf4 (2.6)
Dimana Ti adalah temperatur dalam
2.7 Aplikasi Sistem Sel Bahan Bakar
Sebagai pembangkit listrik (Stationary Power Generation) sifat sistem ini yang bersih dari pencemaran udara dan tidak bising, akan sangat cocok digunakan di rumah sakit, perumahan yang padat, apartemen, dan instalasi penting baik sipil maupun militer. Penggunaan sumber energi sel bahan bakar pada kapal selam mempunyai beberapa keuntungan, yaitu pada saat menyelam, mesin diesel dimatikan dan mesin listrik dengan seldihidupkan.
Dengan tidak adanya suaara mesin menyebabkan kapal selam ini susah terdeteksi oleh sonar kapal selam lawan. Di samping itu sisa proses berupa air bersih dapat dimanfaatkan oleh awak kapal. Seperti diketahui bahwa dari data yang ada sekitar 15 juta rumah tangga di Indonesia belum teraliri listrik dari PLN
sampai dengan tahun 2000, dan sampai dengan 5-10 tahun mendatang diperkirakan PLN tidak akan memiliki kemampuan untuk investasi skala besar dalam memperluas jaringannya. Sel bahan bakar sebagai pembangkit listrik akan merupakan salah satu teknologi yang berpotensi untuk diaplikasikan dalam pemenuhan kebutuhan listrik penduduk. Dengan keunggulan sel bahan bakar yang sangat fleksibel dalam penggunaan bahan bakar, bentuknya yang modular dan mudah dioperasikan serta tidak memerlukan jaringan, maka sel bahan bakar sangat cocok untuk diaplikasikan pada daerah terpencil.
Sel bahan bakar juga cocok diaplikasikan untuk keperluan penyediaan listrik pada sistem TV repeater seperti ditunjukkan pada gambar 2.15, signal lampu kereta, dan keperluan lainnya yang membutuhkan catu daya listrik yang relatif kecil.
Gambar 2.15 Prinsip Kerja Mobil Listrik Fuel Cell Tipe PEM (Sumber : Ahmad Hasan, 2007)
2.7.1 Penerapan Sel Bahan Bakar Sebagai Pembangkit Listrik Skala Kecil
Di Indonesia bahan bakar fosil (primary energy) merupakan bahan bakar utama pembangkit listrik. Pada tahun 2003 kebutuhan energi untuk pembangkit listrik Indonesia diproyeksikan akan mencapai 192.080 GWH, 86% nya dipenuhi oleh bahan bakar fosil. Untuk keperluan tersebut batubara akan dibakar sebanyak 61,394 juta ton, sedangkan konsumsi minyak dan gas bumi sehingga dikhawatirkan Indonesia akan mengimpor minyak pada saat ini. Melihat proyeksi kebutuhan energi yang besar ini dan guna meningkatkan peran swasta menengah, pemerintah telah mengeluarkan pola mekanisme kerjasama dalam bidang pembangkit listrik antara PLN dan swasta. Diharapkan swasta menegah dapat berpartisipasi pada proyek ketenagalistrikan berskala kecil, dalam hal : konsultasi, rekayasa peralatan pembangkit listrik, pembangunan dan pemasangan serta pemerliharaan peralatan, menunjang penyediaan tenaga listrik dan tenaga ahlinya. Peningkatan permintaan energi listrik di seluruh dunia menyebabkan pemacuan penelitian untuk meningkatkan efisiensi berbagai teknologi pembangkit listrik yang menggunakan bahan bakar fosil, antara lain:
• Conventional Steam Turbine (gas/coal)
• Combined Cycle (steam and gas)
• Pressurized, Fluidized – Bed Combustion
• Steam – Injected Gas Turbin
• Intercooled Steam – Injected Gas Turbin
• Fuel Cell
Dari beberapa jenis sel bahan bakar yang ada, masing-masing mempunyai spesifikasi dalam aplikasinya, karena hal ini berkaitan dengan kondisi operasi sel bahan bakar tersebut. Sel bahan bakar dengan kondisi operasi pada suhu seperti PEMFC cocok digunakan pembangkit listrik skala kecil (portable power) sedangkan sel bahan bakar dengan suhu operasi menengah dan suhu tinggi seperti : PAFC, MCFC, dan SOFC sangat cocok untuk aplikasi pembangkit listrik skala besar (power plant) karena mampu untuk diaplikasikan pada co-generation dan
combined cycle.
Pengembangan PEMFC sebagai stationary power generation banyak diaplikasikan pada pemenuhan listrik untuk perumahan dengan kapasitas 1-7 KW.
Untuk keperluan listrik perumahan, PEMFC dapat menggunakan bahan bakar gas alam atau LPG setelah melalui proses reformasi menjadi gas hidrogen.
2.7.2 Penerapan Sel Bahan Bakar di Sektor Transportasi
Suatu alat transportasi sangat berhubungan dengan berat total kendaraan dan bahan bakar yang digunakan merupakan suatu zat dari sistem yang mempengaruhi berat total kendaraan dan kinerjanya. Jika digunakan bahan bakar yang mempunyai nilai kalor tinggi, maka kinerja akhir kendaraan dapat dikatakan baik. Seperti diketahui, hidrogen sebagai energi alternatif merupakan senyawa bahan bakar yang pada saatnya nanti menjadi suatu sumber energi yang sangat potensial, bersih dan efisien. Bila hidrogen digunakan sebagai bahan bakar fuel cell, maka mobil listrik akan menjadi ringan dibandingkan bahan bakar lain. Hal ini disebabkan energi per satuan beratnya lebih tinggi.
Pengembangan mobil listrik dengan baterai konvensional dirasakan tidak realibel karena jarak tempuhnya pendek dan waktu pengisian baterai yang lama jika dibandingkan mobil konvensional. Namun dengan adanya teknologi sel bahan bakar dan reformernya, kendala jarak tempuh dan pengisian baterai dapat diatasi. Pada beberapa jenis prototipe mobil listrik selain tangki penyimpanan gas hidrogen juga digunakan reformer dimana campuran metana dan air diubah menjadi gas hidrogen. Sebagai salah satu contoh penerapan sel bahan bakar pada listrik.
