BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fuel CellFuel cell atau sel bahan bakar merupakan sebuah alat elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik secara terus menerus (Handbook Fuel Cell, 2000). Fuel cell ini memiliki fungsi yang mirip dengan baterai biasa, akan tetapi berbeda dengan baterai. Perbedaan yang mendasar antara fuel cell dengan baterai adalah terdapat pada supply energinya, baterai bersifat hanya menyimpan energi saja dan energi maksimum yang dihasilkan tergantung pada jumlah reaktan yang tersedia pada baterai tersebut, sementara fuel cell tidak menyimpan energi tetapi dapat diisi reaktannya secara terus menerus, sehingga akan terus menghasilkan energi dari reaksi kimia yang terjadi. Gas hidrogen dan oksigen merupakan bahan bakar yang dikonsumsi oleh fuel cell. Hal ini tidak ubahnya dengan sebuah mesin yang memerlukan bahan bakar untuk mengubah energi kimia menjadi energi mekanik.
2.1.1 Sejarah Fuel Cell
Pada tahun 1839 seorang ilmuwan yang bernama Sir William R. G menemukan Proses pembalikan elektrolisa air dengan menggunakan platina sebagai elektroda dan menghasilkan arus sebesar 12 A dan tegangan 1,8 V (Handbook Fuel Cell, 2004). Terdiri dari elektrolit asam, keping platina serta tabung gas oksigen dan hidrogen. Kemudian pada penelitian selanjutnya Ludwig Mond dan Charles Longer pada tahun 1889 menemukan pertama kali istilah dari fuel cell. Selanjutnya untuk mengoptimalkan mesin yang telah dibuat sebelumnya, maka seorang engineer yang bernama Francis Bacon pada tahun 1932 memulai penelitiannya dengan menggunakan basa (KOH) sebagai elektrolit pada fuel cell. Dulunya fuel cell menggunakan elektroda platina dan asam sulfat sebagai elektrolit di mana platina sangat mahal dan asam sulfat sangat korosif (membuat cepat berkarat). Di sini Bacon mengembangkan katalis platina yang sangat mahal itu dengan sel oksigen dan hidrogen yang memakai elektrolit alkali yang tidak korosif serta elektroda yang tidak mahal. Dan pada tahun 1959 Bacon berhasil
membuat dan memproduksi fuel cell dengan kekuatan 5 kW. Fuel cell tersebut akhirnya disebut sebagai Bacon Cell.
Mulai tahun 1950 pihak NASA di Amerika Serikat telah melakukan pemanfaatan untuk program luar angkasa mereka yaitu untuk pesawat roket Appolo dan Gemini (Suhada, 2001).
2.1.2 Perkembangan Fuel Cell
Fuel cell telah dikembangkan sejak lama, terutama oleh negara-negara maju diantaranya Amerika Serikat (AS), Jepang, Jerman dan Inggris. Produsen kendaraan seperti General Motor (GM) di Amerika Serikat sudah merilis prototype mobil berbahan bakar hidrogen. Mobil ini dapat menempuh jarak hampir 500 km sebelum harus mengisi ulang bahan bakar. Perusahaan asal Kanada telah meluncurkan generator fuel cell model E8 Portable Power. Pembangkit listrik ini mempunyai kapasitas 2,4 kW dengan tegangan 48 Vdc (Machine-History.Com).
Pada Bulan September 2005, prototype fuel cell yang dibuat LG memiliki bobot di bawah 1Kg dan disinyalir mampu menghasilkan daya hingga 25 Watt, atau lebih dari 10 jam waktu pakai. Saat itu, LG memprediksi pasar global untuk fuel cell bisa mencapai 600 milyar USD pada tahun 2006 dan akan terus naik menjadi 1,9 milyar USD pada tahun 2010. Namun, hingga tahun 2006, fuel cell belum juga komersil.
Perkembangan fuel cell di Jepang sudah mulai sejak tahun 2005 lalu dan diperkirakan sudah terpasang sekitar 600 fuel cell skala rumah tangga. Dengan adanya pemakaian fuel cell ini, sudah tidak diperlukan lagi kabel pengalir listrik dari pembangkit listrik ke rumah, sehingga loss daya menjadi nol. Selain digunakan sebagai sumber listrik di rumah, fuel cell sudah mulai digunakan secara luas, salah satunya pada handphone yang dilengkapi dengan berbagai fitur yang tinggi.
Memasuki pertengahan tahun 2007, Samsung telah menyempurnakan teknologi Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) miliknya yang sempat dipamerkan ke publik pada akhir Desember 2006. Ukurannya diperkecil hingga berdimensi
150mm x 50mm x 50mm. Total kapasitas energinya sekitar 1200 W dengan output energi 20 W.
2.1.3 Prinsip Kerja Fuel Cell
Fuel cell adalah alat yang mampu menghasilkan listrik arus searah. Alat ini terdiri dari dua buah elektroda, yaitu anoda dan katoda yang dipisahkan oleh suatu elektrolit. Elektrolit ini hanya dapat menghantar ion saja, sedangkan elektron tidak dapat melewati elektrolit, jadi elektrolit ini bukan penghantar listrik dan juga menghindarkan terjadinya reaksi kimia. Hidrogen dialirkan ke dalam fuel
cell yaitu ke bagian anoda, sedang oksigen atau udara dialirkan ke bagian katoda, dengan adanya membran atau elektrolit, maka gas hidrogen tidak akan bercampur dengan oksigen. Pada anoda terdapat lapisan platina yang berfungsi sebagai katalisator yang mampu memecah atom hidrogen menjadi elektron dan proton. Proton mengalir melalui elektrolit, sedang elektron tetap tinggal di anoda, sehingga elektron akan menumpuk pada anoda, sedang pada katoda terjadi penumpukan ion bermuatan positif. Kemudian, ion H+ yg melewati elektrolit akan berikatan dengan oksigen menghasilkan air dengan bantuan platina yg terkandung pada katoda sebagai katalis. Reaksi ini akan berlangsung jika ada elektron. Pada anoda terdapat elektron, sedangkan pada katoda membutuhkan elektron. Jika anoda dan katoda dihubungkan maka elektron akan mengalir, sehingga terdapat arus listrik. Fuel cell menghasilkan energi listrik tanpa adanya pembakaran dari bahan bakarnya, sehingga tidak ada polusi.
Gambar 2.1 Skema Fuel Cell (Handbook Fuel Cell, 2004)
Reaksi kimia yang terjadi pada fuel cell Anoda : 2H2 4H+ + 4e
-Katoda : 4e- + 4H+ + O2 2H2O Keuntungan Fuel Cell
Mempunyai efisiensi termis dan efisiensi listrik yang tinggi
Tidak berpengaruh terhadap efisiensi baik digunakan pada beban penuh
atau setengah
Gas buang yang beracun hanya sedikit, bahkan dapat mencapai zero
emission
Kemungkinan terjadinya gangguan kerusakan jarang dan jaraknya cukup
lama
Karena tidak ada bagian yang berputar, maka perawatan lebih ringan Tidak bising
Pengisian ulang bahan bakar lebih cepat Energi yang dihasilkan tidak cepat habis.
2.2 Jenis - jenis Fuel Cell
Terdapat beberapa jenis fuel cell yang telah dikembangkan sampai sekarang. Fuel cell ini dibedakan menurut elektrolit yang digunakan yaitu :
a. Alkaline Fuel Cell (AFC)
Efisiensi tinggi 50-70% Temperatur operasi 65-90C
Umpan hidrogen dan udara tidak boleh mengandung CO
Korosi dan mahal, sehingga tidak dipakai untuk komersial. Banyak
digunakan oleh NASA untuk misi ulang-alik luar angkasa.
Jika terjadi kebocoran dalam tangki elektrolit akan terbentuk
endapan K2CO3
Menggunakan elektrolit larutan kalium hidroksida atau larutan
alkali
Gambar 2.2 Skema AFC (www.machine-history.com)
b. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMC) Temperatur operasi rendah (60-100C)
Efisiensi 40-50% Mahal
Umpan hidrogen tidak boleh mengandung CO
Elektrolit yang digunakan Asam sulfonat dalam membran padatan. Membran ini secara selektif mengontrol transport proton dari anoda ke katoda dalam fuel cell
Fuel cell ini tidak dipakai fluida yang bersifat korosif seperti jenis lainnya.
Gambar 2.3 Skema PEMFC (www.machine-history.com)
c. Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Pada umpan hidrogen boleh terdapat pengotor Efisiensi 40-45%
Temperatur operasi 175-220C
Mudah korosi dan sulfur yang beracun
Elektolit yang digunakan phosporic acid PAFC bersifat toleran tehadap kontaminan
Gambar 2.4 Skema proses PAFC (www.e-sources.com)
d. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Efisiensi tinggi 50-60%
Temperatur operasi 600-650C
Tidak akan terjadi kontaminasi yang disebabkan oleh CO (Carbon monoksida)
Elektrolitnya tidak stabil
Mudah korosi dan sulfur yang beracun
Elektrolit yang digunakan molten lithium carbonate
Gambar 2.5 Skema MCFC (www.machine-history.com)
e. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Efisiensi tinggi 50-60%
Temperatur operasi 800-1000C, sehingga reaksi kimia yang tidak
diinginkan dapat terjadi di dalam fuel cell
Kemungkinannya untuk menggunakan jenis bahan bakar yang beragam
Mudah terbentuk kerak dan sulfur yang beracun
Elektrolit yang digunakan ceramic,solid oxide dan zirkonia
Gambar 2.6 Skema proses SOFC (www.machine-history.com)
Dari kelima jenis fuel cell yang telah disebutkan sebelumnya, fuel cell jenis Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) atau biasa disebut juga dengan Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell merupakan salah satu jenis fuel cell yang banyak digunakan. PEMFC menggunakan membran pertukaran solid state untuk memisahkan elektrodanya. PEMFC merupakan sumber energi yang sangat baik bila diaplikasikan pada alat transportasi karena perangkatnya mudah didistribusikan dan mudah dibawa. Skema proses PEMFC dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Secara umum komponen penyusun PEMFC dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikut ini:
Gambar 2.7 Struktur Rangkaian PEM Fuel Cell (Handbook Fuel Cell, 2004)
Tabel 2.1 Komponen Penyusun Fuel Cell
Komponen Bahan Penyusun
Membrane Electrolyte Assembly (MEA)
Polimer solid terimpregnasi dengan lapisan katalis pada anoda dan katoda.
Kertas atau kain karbon berpori untuk Gas Diffusion Layer (GDL)
Pelat Bipolar Grafit, stainless steel, atau komposit polimer termoplastik
Pelat Penutup Material dengan kekuatan mekanis yang baik (biasanya baja atau alumunium)
Penyimpan Arus Logam dengan kontak elektrik dan konduktivitas yang baik (biasanya tembaga)
Beberapa keunggulan dari PEMFC:
Tingkat efisiensi energi yang tinggi, densitas energi yang tinggi
PEMFC mempunyai elektrolit padat yang memberikan ketahanan yang sangat baik terhadap gas
Temperatur operasi PEMFC yang rendah memungkinkan waktu start up yang cepat
PEMFC tidak memiliki konstituen sel yang bersifat korosif
PEMFC cocok digunakan terutama untuk situasi dimana hidrogen murni dapat digunakan sebagai bahan bakar
PEMFC mampu beroperasi pada kondisi tekanan hingga 3000 Psi dan memiliki diferensial tekanan hingga 500 Psi
Stack PEMFC mudah untuk disusun sehingga mudah untuk digunakan dalam berbagai aplikasi
Kapasitas daya listrik yang dihasilkan oleh PEMFC cukup bervariasi mulai dari 0.1 watt 100 kW
PEMFC dapat beroperasi pada densitas arus yang sangat tinggi dibandingkan dengan jenis fuel cell yang lainnya (UI student, 2012).
Sementara itu, berdasarkan Handbook Fuel Cell (2004) disebutkan bahwa PEMFC memiliki keterbatasan sebagai berikut :
Temperatur operasi yang rendah dan rentang temperatur kerja yang sempit merupakan kendala tersendiri dalam membuat manajemen panas PEMFC Pengolahan air (water management) merupakan salah satu tantangan tersendiri dalam mendesain PEMFC
PEMFC sangat sensitif terhadap kontaminasi oleh gas CO, sulfur dan amonia
Kualitas panas yang dihasilkan PEMFC rendah dan tidak dapat digunakan secara efektif di semua tempat
Masih membutuhkan Hidrogen reformer.
Namun demikian, belakangan ini terdapat hal yang menggembirakan, yakni mulai dikembangkannya Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) dengan katalis tertentu yang dapat memproduksi hidrogen dari metanol (CH3OH) dan juga etanol (C2H5OH) secara langsung di dalam fuel cell, pada suhu yang rendah dan tanpa adanya hidrogen reformer. Subcategory dari PEMFC ini kemudian dikenal sebagai Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) dan Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC).
2.2.1 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Menurut www.chem-is-try.org, Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) merupakan salah satu dari beberapa jenis sel bahan bakar yang menggunakan membran penukar proton (Proton Exchange Membrane (PEM)) sebagai penghubung antara reaksi di katoda dan anoda. Sesuai namanya, sumber energi ini menggunakan metanol sebagai bahan bakar. Berbeda dengan sumber energi lain seperti hidrogen cair, asam pospat maupun larutan alkalin, DMFC dapat menghasilkan listrik secara langsung sehingga tidak perlu diubah terlebih dahulu menjadi energi yang lain (misalnya energi panas). Inilah yang disebut dengan "direct" (Bahasa Inggris) yang berarti "langsung".
Dari segi efisiensi energi dan daya tahan, jelas sel ini memenuhi syarat dipakai sebagai baterai alat-alat elektronik portable karena emisi panasnya yang
kecil. DMFC juga memiliki fleksibilitas karena densitas energi dari baterai juga dapat diatur sedemikian rupa sehingga daya keluarannya sesuai dengan kebutuhan alat elektronik bersangkutan.
Penggunaan metanol sebagai sumber energi alternatif turut membantu proses penghematan bahan bakar fosil yang semakin menipis. Metoda Fisher Tropsch dapat digunakan untuk memproduksi metanol secara massal. Metoda Fischer Tropsch adalah metoda untuk mereaksikan campuran dari karbon monoksida dan hidrogen menjadi hidrokarbon cair. Secara teoritis metanol juga memungkinkan untuk disintesis secara langsung dari karbon dioksida dan air melalui proses elektrokimia.
Hal yang menarik yaitu proses isi ulang baterai berlangsung sangat singkat. Berbeda dengan baterai yang umum sekarang, baterai DMFC tidak memerlukan arus listrik untuk pengisian ulang tetapi cukup mengisikan metanol ke dalam baterai menggunakan sebuah filler khusus. Sekejap saja baterai dapat langsung digunakan kembali jadi tidak perlu menunggu pengisian berjam-jam, hemat listrik dan yang terpenting aman. Konon baterai yang memakai 1 mL metanol 99,5% tersebut dapat bertahan selama 10 jam (www.chem-is-try.org). 2.2.1.1Perkembangan DMFC
Pada tahun 1990, Doktor spesialis superacid Surya Prakash, dan pemenang Nobel Dr George A. Olah, keduanya dari University of Southern California (USC) Loker Hidrokarbon Research Institute, menemukan sebuah sel bahan bakar yang secara langsung dapat mengubah metanol menjadi listrik. USC, dalam upaya kolaborasi dengan Jet Propulsion Laboratory (JPL) melanjutkan untuk menciptakan oksidasi langsung hidrokarbon cair kemudian diciptakan sebagai DMFC, teknologi bahan bakar menggunakan metanol secara langsung. Shelley D. Minteer, PhD, asisten profesor kimia dari Universitas Saint Louis, Amerika Serikat berhasil meracik sel bahan bakar yang bisa membuat baterai handphone tahan untuk sebulan penuh (www.chem-is-try.org). Menurut Ladelta (2007), beberapa perusahaan elektronik sudah mulai mengaplikasikannya dalam produk-produk yang dikeluarkan. Sebagai contoh, Toshiba berhasil membuat laptop berbaterai DMFC dan telah dipasarkan mulai akhir tahun 2007.
DMFC dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi untuk alat-alat elektronik portable. Beberapa contoh diantaranya, pisau cukur, laptop, handphone, dan walkman. Selain itu, dapat juga digunakan pada mesin pemotong rumput bahkan sumber tenaga cadangan untuk rumah sakit, bandara, perumahan, dan stasiun kereta api. Keunggulan DMFC yaitu bahan buangannya hanya berupa air sebagai hasil reaksi hidrogen dan oksigen (www.chem-is-try.org).
Pengaplikasian dari DMFC juga sedang diarahkan ke arah otomotif. Mobil fuel cell atau Fuel Cell Vehicles (FCVs), merupakan kendaraan bermotor dengan mesin penggerak fuel cell. Sasaran utama pengembangan ini adalah pada penggunaan mesin berteknologi DMFC. Kendaraan bermotor dengan mesin penggerak Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) ini disebut Direct Methanol Fuel Cell Vehicles (DMFCVs).
2.2.1.2Prinsip Kerja DMFC
Pada dasarnya prinsip kerja dari DMFC adalah mengubah energi yang muncul dari reaksi kimia antara gas hidrogen dan oksigen menjadi energi listrik (www.chem-is-try.org).
Mekanisme reaksi yang terjadi dalam DMFC dapat dilihat pada Gambar 2.8. Pada saat metanol dengan konsentrasi rendah diinjeksikan pada bagian anoda yang berupa carbon cloth berlapiskan katalis platina (Pt), akan terjadi tumbukan antara metanol dengan katalis yang membantu terjadinya reaksi konversi metanol secara katalitik menjadi proton, CO2 dan elektron.
Gambar 2.8 Mekanisme Reaksi DMFC (www.chem-is-try.org)
Gas CO2 dikeluarkan dari sistem sementara proton bergerak menyeberangi membran menuju katoda yang kemudian bereaksi dengan oksigen menghasilkan air. Tumpukan elektron di anoda menghasilkan beda potensial yang memaksa elektron dari reaksi konversi tersebut mengalir dalam sebuah sirkuit arus, dipakai sebagai arus searah oleh peralatan elektronik, kemudian sampai di katoda sehingga menyempurnakan reaksi pembentukan molekul air. Dari reaksi yang terjadi dapat dilihat bahwa limbah yang dihasilkan dari sel bahan bakar ini adalah air dan gas CO2 dalam jumlah yang kecil sehingga sel bahan bakar ini ramah lingkungan (Ladelta,2007).
Reaksi yang terjadi pada DMFC adalah :
Anoda : CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e E0a = -0,046 V Katoda : 3/2 O2 + 6H+ + 6e 3 H2O E0c = 1,23 V Overall : CH3OH + H2O + 3/2 O2 CO2 + 3 H2O E0sel = 1,184 V Secara teoritis, dari reaksi tersebut dapat dihasilkan tegangan sebesar 1,184 V oleh setiap 1 sel DMFC. Menurut Suhada (2001), terjadi reaksi yang tidak dikehendaki pada sisi anoda yaitu sebagai berikut :
CO2 + H2 CO + H2O CH3OH CO + 2 H2
Namun pada reaksi tersebut terjadi pula reaksi yang diinginkan, yaitu mengubah CO menjadi CO2.
CO + H2O CO2 + H2
Secara singkat DMFC dapat menghasilkan energi dengan langkah-langkah berikut:
1. Penyediaan Sumber energi
Untuk dapat menghasilkan energi pada sel bahan bakar DMFC, diperlukan campuran metanol dan air. Larutan metanol ini dimasukkan ke dalam sisi anoda.
2. Pemisahan menjadi proton dan elektron
Metanol dioksidasi pada sisi anoda dengan bantuan katalis yang umumnya mengandung platinum untuk membentuk karbon dioksida. Air terkonsumsi pada reaksi dengan metanol di anoda yang menghasilkan karbon dioksida, proton (H+) dan elektron (e-).
3. Pembangkitan energi
Ion positif hidrogen selanjutnya bergerak melewati membran penukar proton dan elektron (e-) akan bergerak dari anoda ke katoda melalui sirkuit luar (current collector) untuk membentuk arus listrik. Arus ini dapat digunakan untuk menyalakan lampu, telepon genggam, dan lain-lain. Arus ini selanjutnya kembali ke katoda sel bahan bakar.
4. Reaksi dengan oksigen menghasilkan air
Proton (H+) dan elektron (e-) bereaksi dengan oksigen dari udara pada katoda sehingga menghasilkan molekul air. Reaksi terjadi seperti yang telah disebutkan sebelumnya.
2.2.1.3Komponen Penyusun DMFC
Komponen penyusun satu sel DMFC terdiri dari beberapa komponen yaitu sebagai berikut :
1. End plate
End plate merupakan bagian terluar dari sel DMFC atau bisa disebut sebagai cangkang (casing) dari sel DMFC tersebut. Bahan endplate biasanya terbuat dari logam maupun polimer seperti flexy glass/acrylic. Fungsinya sebagai support dan memberi bentuk pada DMFC.
2. Current Collector
Current collector merupakan komponen yang sangat penting pada DMFC, karena tidak hanya berfungsi sebagai pengumpul arus/penyalur hasil reaksi yang berupa elektron pada bagian anoda dan mengalirkan elektron tersebut ke bagian katoda, tetapi juga sebagai penyokong dari MEA yang tipis. Current collector atau pengumpul arus terbuat dari material konduktif (dapat menghantarkan
listrik), memiliki konduktivitas panas yang tinggi, kekuatan mekanik yang tinggi, dan terbuat dari bahan yang stabil terhadap bahan kimia. Sampai saat ini terdapat tiga jenis bahan yang dapat digunakan sebagai current collector diantaranya silikon, logam dan polimer. Jenis logam yang biasanya digunakan adalah stainless steel.
3. Membrane Electrode Assembly (MEA)
Komponen kunci dari sel bahan bakar adalah Membrane Electrode Assembly (MEA), yang terdiri dari membran penukar proton (proton exchange membrane), elektroda yang dilapisi katalis dan lapisan difusi gas (gas diffusion layer) (www.gashub.com.sg). Bagian dari MEA tersebut adalah :
a. GDL (Gas Diffusion Layer)
Pada MEA, elektroda karbon berfungsi sebagai GDL (Gas Diffusion Layer) yang dapat membantu penyeragaman distribusi reaktan. GDL adalah lembaran konduktif dan material berpori yang dikenal sebagai carbon paper atau carbon cloth (www.gashub.com.sg) Carbon paper memiliki permukaan pori yang tidak seragam dan lebih besar. Sedangkan carbon cloth memiliki permukaan yang lebih homogen dengan pori-pori yang lebih kecil.
Untuk memastikan efisiensi sel bahan bakar unggul, tingkat hidrofobisitas dari semua carbon paper atau carbon cloth harus sesuai, memiliki kekuatan mekanik tinggi, dan ukuran pori-pori merata. b. Katalis
Katalis merupakan zat kimia yang dapat meningkatkan kecepatan reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasinya. Katalis terlibat dalam reaksi tetapi akan terbentuk kembali pada akhir reaksi. Pada DMFC, katalis yang digunakan pada sisi katoda berbeda dengan sisi anoda.
Pada sisi katoda hanya digunakan katalis Platina (Pt) sedangkan pada sisi anoda digunakan katalis Platina dan Rutenium (Pt-Ru). Hal ini disebabkan karena pada reaksi yang terjadi di sisi anoda terbentuk
CO yang dapat meracuni katalis Pt dan untuk menetralisasi pembentukan CO tersebut perlu ditambahkan katalis Ru. Katalis Pt saja belum mampu untuk mengoksidasi dan membalikkan arah reaksi (Wahyu dkk, 2004).
Menurut Gojkovic (2003) terjadi reaksi sebagai berikut : Pt + CH3OHsolution Pt-CH3OHads Pt-COHads + 3H+ + 3e- Pt-COads + H+ + e-
Ru + H2O Ru-OHads + H+ + e-
Pt-COHads + Ru-OHads Pt + Ru + CO2 + 2H+ + 2e- Pt-COads + Ru-OHads Pt + Ru + CO2 + H+ + e- c. Membran Nafion®
Membran penukar proton dalam DMFC memegang fungsi utama dalam efisiensi energi sel. Membran yang umum digunakan adalah Nafion® dibuat oleh Dupont, pemegang merk dagang nilon dan teflon yang berpusat di Amerika. Nafion® merupakan nama pasar untuk elektrolit Dupont yang memiliki banyak jenis, yaitu N-112, NE-1135, N-115, N-117, dan N-1110. Nafion® 117 merupakan tipe spesifik membran yang sering digunakan untuk sistem DMFC (Spiegel,2007). Struktur Nafion® dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Nafion (Asam Poliperfluoro Sulfonat Ionomer) (www.chem-is-try.org) Nafion tergolong dalam ionomer. Ionomer berarti polimer yang memiliki sifat-sifat ionik. Monomer dari senyawa ini terdiri atas kerangka fluorokarbon yang bersifat hidrofobik dan gugus terminal berupa sulfonat yang bersifat hidrofilik. Gugus sulfonat merupakan super asam, menjamin kelangsungan transfer proton dari anoda ke
katoda sementara kation dan anion lainnya tidak diizinkan lewat (Ladelta, 2007).
Begitu banyak kelebihan yang ditawarkan oleh DMFC. Dari segi efisinesi energi dan daya tahan jelas sel ini memenuhi syarat dipakai sebagai baterai alat-alat elektronik portable. Densitas energi dari baterai juga dapat diatur sedemikian rupa sehingga daya keluarannya sesuai dengan kebutuhan alat elektronik bersangkutan. Ukuran baterai untuk sel ini bisa dibuat sangat kecil sehingga tidak jauh berbeda dengan baterai konvensional yang telah ada sebelumnya seperti baterai ion litium.
2.2.1.4Kinerja DMFC
Kinerja ideal DMFC dapat ditentukan oleh termodinamika dari reaksi elektrokimia yang terjadi. Reaksi yang terjadi pada DMFC secara keseluruhan sebagai berikut :
CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O E0sel = 1,184 V
Merujuk pada reaksi di atas dapat dihasilkan tegangan sebesar 1,184 V per mol metanol, dibutuhkan 3/2 mol oksigen dan dihasilkan produk 1 mol CO2 dan juga 2 mol H2O (Zulfikar, 2010).
Energi dapat diperoleh dari fuel cell ketika timbul arus listrik. Akan tetapi, potensial sel aktual dapat menurun dari potensial kesetimbangan dikarenakan adanya beberapa faktor seperti polarisasi dan overpotential atau overvoltage yang ditunjukkan pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Fuel Cell (Handbook Fuel Cell)
Kondisi ideal dari fuel cell menghasilkan kinerja berupa voltase yang stabil. Akan tetapi, terjadi deviasi pada kurva yang menandakan adanya penurunan voltase. Berdasarkan Handbook Fuel Cell, hal ini berkaitan dengan tiga faktor berikut :
a. Polarisasi aktivasi yang berkaitan langsung dengan laju reaksi elektrokimia pada permukaan elektroda
b. Polarisasi ohmik yang terjadi karena hambatan aliran ion di dalam elektrolit dan hambatan untuk mengalirkan elektron melewati material elektroda
c. Polarisasi konsentrasi yang berkaitan dengan gradien konsentrasi. Penyebab hal tersebut diantaranya yakni lambatnya transport reaktan atau produk menuju/dari sisi tempat terjadinya reaksi elektrokimia, lambatnya difusi fasa gas pada pori-pori elektroda, kelarutan reaktan/produk di dalam elektrolit atau difusi reaktan/produk melewati elektron menuju/dari sisi tempat terjadinya reaksi elektrokimia.
Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam merancang desain maupun pengembangan kinerja fuel cell. Hal tersebut diantaranya yakni detail dari desain komponen sel berupa dimensi fisik dan pertimbangan fisika seperti transfer massa, elektrokimia, dan sebagainya. Kinerja fuel cell dipengaruhi oleh kondisi operasi seperti temperatur, tekanan, dan rapat arus. Dipengaruhi pula oleh adanya pengotor atau impurities yang dapat mempengaruhi potensial ideal cell. Kriteria fuel cell berkaitan dengan desain serta kondisi operasinya dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Jika terjadi perubahan kondisi operasi pada fuel cell tersebut, maka dapat memberikan keuntungan, akan tetapi dapat juga menimbulkan kerugian bagi kinerja fuel cell itu sendiri ataupun pada komponen-komponennya. Misalnya, pada rapat arus yang tinggi, akan menurunkan ukuran sel tetapi juga dihasilkan efisiensi sistem rendah yang dikarenakan rendahnya voltase sel. Begitu pula pada kondisi rapat arus yang rendah akan meningkatkan voltase sel sehingga efisiensi sel meningkat dan menurunkan biaya operasi.
Gambar 2.11 Fleksibilitas Kondisi Operasi Bergantung pada Parameter Sel (Handbook Fuel Cell)
2.2.1.5Efisiensi DMFC
Walaupun memiliki densitas energi yang relatif tinggi, efisiensi DMFC rendah karena tingginya penyerapan metanol pada material membran yang digunakan, biasanya dikenal dengan methanol crossover. Hasilnya, efisiensi DMFC hanya mendekati 40%. Namun, salah satu material membran baru (polymer electrolyte thin film) telah digunakan untuk mengurangi masalah tersebut. Masalah lain pada DMFC yaitu pengelolaan karbon dioksida yang terbentuk di anoda.
Daya yang dihasilkan oleh fuel cell dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
P = V . I Keterangan : P = Daya (Watt)
V = Voltase (Tegangan) I = Arus (A)
Efisiensi DMFC dapat diperoleh dengan membandingkan efisiensi ideal (Energi Gibbs : entalphy reaksi) dikali voltase sebenarnya, dibagi voltase ideal reaksi. Efisiensi ideal dapat dilakukan perhitungan melalui rumus berikut :
i =
H G
H = Entalphy Reaksi (kJ/mol)
(2.1) (2.2)
i = Efisiensi Ideal
Selanjutnya efisiensi DMFC sebenarnya dapat dicari melalui rumus berikut :
ideal actual i i ideal actual V V Arus/ x Tegangan Arus Tegangan ) / ( digunakan yang Daya H digunakan yang Energi x G i
%
100
V
V
ideal actual i x2.2.2 Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC)
Direct Ethanol Fuel Cell merupakan bagian dari PEMFC, yang mana bahan bakar pada PEMFC ini adalah etanol (http://en.fcc.gov.ir/Direct-ethanolfuelcell.aspx qin). Seperti halnya pada DMFC (dengan bahan bakar metanol), etanol dimasukkan secara langsung pada fuel cell yang kemudian akan bereaksi pada anoda dengan katalis menghasilkan H+ dan elektron.
Gambar 2.12 Skema Proses DEFC (http://by.genie.uottawa.ca/~baranova/Nano.htm)
Penggunaan etanol pada DEFC ini merupakan pilihan alternatif pada direct fuel cell karena etanol bersifat non-toxic dari pada metanol, selain itu etanol merupakan larutan yang kaya akan hidrogen dengan densitas energi (8.0 kWh/kg) jika dibandingkan dengan metanol (6.1 kWh/kg). Etanol ini dapat dihasilkan dari biomassa diantaranya proses fermentasi dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui seperti dari gula tebu, tepung gandum atau jagung. Meskipun
(2.3) (2.4)
kemampuan dari etanol lebih rendah jika dibandingkan dengan metanol, akan tetapi dengan melakukan perubahan komposisi katalis (pada DMFC) platinum (Pt) di anoda dengan menambahkan timah sebagai katalis, dengan komposisi timah optimum yang digunakan sekitar 10 20%, sehingga katalis yang digunakan pada katoda adalah Pt Sn/C dan pada anoda Pt Sn Ru/C (http://en.fcc.gov.ir/Direct-ethanolfuelcell.aspx qin).
Platinum sebagai katalis utama sangatlah mahal, sehingga pada perkembangan selanjutnya, ditemukanlah katalis pengganti untuk DEFC dengan menggunakan campuran dari Fe, Co, Ni pada anoda, dan Ni, Fe atau Co saja pada katoda, serta dapat beroperasi pada suhu 25 0C (en.fcc.gov.ir, 2009). Reaksi yang terjadi pada DEFC adalah :
Anoda : CH3CH2OH + 3 H2O 2 O2 + 12 H + + 12 e- E0a = -0,249 V Katoda : 3 O2 + 12H+ + 12e 6 H2O E 0 c = 1,230 V Overall : CH3CH2OH + 3H2O + 3 O2 2 CO2 + 6 H2O E 0 a = 0,981 V (Sumber: http://www.scielo.br, 2012)
