6
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.
Sel Bahan Bakar memiliki prospek yang baik di masa depan. Keunggulan utama yang dimiliki Sel Bahan Bakar adalah segi efisiensi yang tinggi dan rendahnya polutan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan konversi energi terjadi secara langsung dari energi kimia menjadi energi listrik, sedangkan pada pembangkit biasa, energi kimia diubah menjadi energi kalor, energi mekanik, dan akhirnya menghasilkan energi listrik. Selain itu, energi listrik pada Sel Bahan Bakar dihasilkan dari reaksi elektrokimia sehingga polutan yang dihasilkan relatif amat rendah (bahkan pada jenis Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton tidak ada polusi sama sekali) [1].
7 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
• Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) / Sel Bahan Bakar Asam Fosfat • Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) / Sel Bahan Bakar Karbon • Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) / Sel Bahan Bakar Oksida Padat • Direct Methanol Fuel Cell Sel (DMFC) / Sel Bahan Bakar Metanol
• Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) / Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton
8 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 : -
-2 2
2H (g) + 4(OH) (aq)→4H O(l) + 4e
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) Sel Bahan Bakar Asam Fosfat menggunakan asam fosfat sebagai elektrolitnya. Sel Bahan Bakar Asam Fosfat ini merupakan jenis yang paling awal dikomersialkan. Kelebihannya adalah dapat mentoleransi ketidakmurnian hidrogen, Sel Bahan Bakar Asam Fosfat dapat mentoleransi adanya Karbon Monoksida (CO) sebesar 1,5% sehingga jenis bahan bakar yang dapat digunakan beragam. Kekurangannya adalah daya yang dihasilkannya lebih rendah dibandingkan jenis yang lain. Skema kerja PAFC ditunjukkan pada Gambar 2.2.
9 Gambar 2.2 Skema Sel Bahan Bakar Asam Fosfat / Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : + -2 H (g)→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) Sel Bahan Bakar Karbonat menggunakan senyawa sodium/magnesium karbonat bersuhu tinggi sebagai elektrolit. Sel Bahan Bakar ini menggunakan hidrogen, karbon monoksida, gas alam, propana, dan hasil gasifikasi batubara sebagai bahan bakar. Dapat bekerja pada suhu yang tinggi (antara 620-660oC) sehingga memungkinkan efisiensi yang tinggi jika kalornya dimanfaatkan serta fleksibilitas dalam menggunakan bahan bakar dan katalis. Namun suhu yang tinggi juga menyebabkan risiko karat dan kerusakan komponen yang tinggi serta tidak cocok untuk penggunaan di perumahan. Skema kerjanya ditunjukkan pada Gambar 2.3:
10 Gambar 2.3 Skema Sel Bahan Bakar Karbonat / Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : 2- -2 3 2 2 H (g) + CO →H O(g) + CO (g) + 2e 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)
Sel Bahan Bakar Oksida Padat menggunakan senyawa keramik seperti Zirkonium Oksida atau Kalsium Oksida sebagai elektrolit. Suhu operasinya bisa mencapai 1000oC. Sel Bahan Bakar ini sangat cocok untuk pembangkitan daya-daya besar. Suhu operasi yang tinggi menyebabkan efisiensi konversi daya yang tinggi dengan memakai sistem hybrid dimana kalornya dimanfaatkan untuk jenis pembangkit yang lain seperti turbin uap atau turbin gas. Kemampuan ini memungkinkan Sel Bahan Bakar Oksida Padat menghasilkan daya sampai 100MW. Skema kerjanya ditunjukkan pada Gambar 2.4:
11 Gambar 2.4 Skema Sel Bahan Bakar Oksida Padat / Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : 2- -2 2 H (g) + O →H O(g) + 2e 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)
Sel Bahan Bakar Metanol menggunakan material elektrolit membran polimer, yang digunakan juga oleh PEMFC. Sel Bahan Bakar ini menggunakan methanol (CH3OH) cair sebagai bahan bakar. Methanol dipertimbangkan sebagai bahan bakar yang lebih mudah disimpan dan berpindah tempat sehingga aplikasinya adalah pada peralatan listrik yang portable. Skema kerja Sel Bahan Bakar Metanol ditunjukkan pada Gambar 2.5:
12 Gambar 2.5 Skema Sel Bahan Bakar Metanol / Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
Reaksi yang terjadi adalah :
Pada Anoda : + -3 2 2 CH OH(l) + H O(l)→CO (g) + 6H + 2e 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.
Membran polimer yang digunakan oleh PEMFC adalah bersifat isolator terhadap elektron namun bersifat konduktor yang sangat baik terhadap ion hidrogen [4].Konstruksi materialnya mengandung fluorocarbon. Membran polimer ini diproduksi oleh DuPont dengan merek Nafion, dan tipe yang banyak digunakan adalah 1135, 115, dan 117.
13 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
Bahan bakar H2 Methanol (CH3OH)+ H2O H2 H2 H2 H2 Oksidan O2, udara O2,udara O2, udara O2, udara O2, Udara CO2, O2,udara Elektrolit Membran (Nafion) Membran (Nafion) Potasium hidroksida Phosporic Acid (liquid) Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) Lithium/ sodium/ Potasium karbonat Elektroda Polytetra- flouroethy-lene (PTFE) Polytetra- flouroethy-lene (PTFE) Ni dan NiO Polytetra- flouroethy-lene (PTFE) Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) Polytetra- flouroethy-lene (PTFE) Ion yg
ditransfer H+ H+ OH- H+ O2- CO32-
Suhu
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
udara campuran paling banyak digunakan, sedangkan Sel Bahan Bakar Karbonat menggunakan tambahan CO2 sebagai oksidan. PEMFC dan Metanol merupakan Sel Bahan Bakar yang memiliki suhu operasi yang paling rendah dibanding yang lain, sedangkan Sel Bahan Bakar Oksida Padat merupakan memiliki suhu operasi paling tinggi.
14 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
Setiap jenis Sel Bahan Bakar mempunyai karakteristik yang unik jika dibandingkan satu dengan yang lain. Termasuk jenis PEM, Sel Bahan Bakar jenis ini mempunyai beberapa keunggulan dan kelemahan dibandingkan jenis yang lain. Tabel 2.3 menunjukkan karakteristik keunggulan dan kelemahan PEMFC[11].
15 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.
2.5. Prinsip Kerja PEMFC[1][3]
Sebuah PEMFC sederhana terdiri dari beberapa komponen yakni elektroda (anoda dan katoda), elektrolit, katalis, serta tempat mengalir bahan bakar masuk dan keluar juga oksidan yang masuk dan keluar. Anoda adalah bagian elektroda yang bermuatan negatif sedangkan katoda adalah elektroda yang bermuatan positif. Pada elektroda
16 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 : + -2 H (g)→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 H (g) + O (g)→H O(l) (2.3)
17 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.
Penghitungan dan pemodelan energi listrik dan tegangan yang dihasilkan oleh PEMFC membutuhkan pendekatan dari konsep elektrokimia dan termodinamika. Penjelasan mengenai konsep energi listrik yang dihasilkan, tegangan keluaran dan fenomena-fenomena fisik yang mempengaruhinya dari PEMFC akan dibahas di Bab 3 (Perumusan Model Matematis Sel Bahan Bakar Membran Pertukaran Proton).
