FUEL CELL DAN APLIKASINYA
ENERGI BARU DAN TEBARUKAN
CHICO HERMANU
Everybody Needs Energy
World
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 GDP per capita (PPP, $1995)
Primary Energy per capita (GJ)
US
Australia
Russia
Brazil China
India
S. Korea
Mexico
Ireland Greece
France
UK Japan
Malaysia
Energy demand and GDP per capita (1980-2002)
Source: UN and DOE EIA
PPP = Purchasing Power Parity - A rate of exchange that accounts for price differences across countries allowing international comparisons of real output and incomes.
Pertumbuhan Ekonomi
Energy Source Distribution
DIBUTUKAN SUMBER ENERGI ALTERNATIF
RENEWABLE ENERGI
SEBAGAI ENERGI YANG RAMAH LINGKUNGAN (PROTOKOL KYOTO TENTANG CARBON TAX)
FUEL CELL ENERGI MASA DEPAN
KEBIJAKAN ENERGI DUNIA
SOLUSI
Efficiencies of Energy Systems
System Energy In Energy Out Efficiency % Incandescent lamp Electrical Light 5
Fluorescent lamp Electrical Light 20
Solar cell Light Electrical 25
Automobile engine Chemical Mechanical 25
Nuclear Power Nuclear Electrical 30
Steam turbine Heat Mechanical 47
Fuel cell Chemical Electrical 60
Dry Cell battery Chemical Electrical 90
Electric generator Mechanical Electrical 99
Efficiencies of Energy Systems
HISTORY HIDROGEN
HISTORY FUEL CELL
Parts of a Fuel Cell
Anoda
Elektroda negatif dari fuel cell.
Mengumpulkan elektron yang dibebaskan dari molekul hidrogen, sehingga dapat digunakan dalam sirkuit listrik atau eksternal.
Mendispersi gas hidrogen di atas permukaan katalis.
Katoda
Elektroda positif dari fuel cell.
Mendistribusikan oksigen ke permukaan katalis.
Mengalirkan kembali elektron dari sirkuit eksternal untuk katalis.
Mengabungkan kembali ion hidrogen dan oksigen untuk membentuk air.
Elektrolit
Membran pertukaran proton.
Dari material khusus, hanya bermuatan ion positif.
Membran block elektron.
Katalisator
Bahan khusus yang memfasilitasi reaksi oksigen dan hidrogen.
Biasanya dari bubuk platinum sangat tipis dilapisi kertas karbon atau kain.
FUEL CELL OPERATION
• Fuel cell dihasilkan dari proses kebalikan elektrolisis.
• Gas hidrogen bertekanan (H2) dimasukan ke sel anoda.
• Gas dipaksa melalui katalis dengan tekanan tinggi.
Ketika molekul H2 betemu dengan platinum katalis , terbagi menjadi dua ion H + dan dua elektron (e-).
• Elektron yang melalui anoda berjalan
melalui sirkuit eksternal (seperti menyalakan motor) dan kembali ke sisi katoda dari fuel cell.
• Di sisi katoda, gas oksigen (O2) dipaksa melalui katalis. Kemudian membentuk dua atom oksigen, masing-masing dengan
muatan negatif yang kuat. Muatan negatif menarik ion H + melalui membran,
Campuran atom oksigen dan dua elektron dari sirkuit eksternal kemudian membentuk molekul air (H2O). Dan menghasilkan energi.
FUEL CELL OPERATION
Proses oksidasi di anoda katalis digunakan untuk memisahkan proton dari elektron hidrogen.
Proses reduksi di katoda katalis kedua digunakan untuk
mengabungkan kembali proton, elektron, dan oksigen untuk membentuk air.
Tegangan yang dihasilkan hanya sebesar 1 V saja.Hal ini berarti
membutuhkan bayak cell yang dirangkai secara seri untuk menghasikan tegangan yang lebih besar.
FUEL CELL TYPES
• PEMFC (proton exchange membrane)
• DMFC (direct methanol)
• SOFC (solid oxide)
• AFC (alkaline)
• PAFC (phosphoric acid)
• MCFC (Molten Carbonate)
FUEL CELL TYPES
Alkaline fuel cell (AFC)
Ini adalah salah satu desain fuel cell tertua. Ini telah digunakan dalam program NASA AS sejak 1960-an. AFC sangat rentan terhadap kontaminasi, sehingga
membutuhkan hidrogen murni dan oksigen. Hal ini sangat mahal, sehingga jenis fuel cell ini tidak mungkin dikomersialkan. ?
Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)
Fuel cell dengan fosfat-asam memiliki potensi untuk digunakan dalam sistem
pembangkit listrik stasioner skala kecil. PAFC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan fuel cell jenis PEM, sehingga memiliki waktu yang lebih lama untuk
menaikan suhu. Hal ini membuatnya tidak cocok untuk digunakan untuk mobil. ?
Solid oxide fuel cell (SOFC)
Fuel cell yang paling cocok untuk pembangkit listrik stasioner skala besar yang dapat menyediakan listrik untuk pabrik atau kota. Jenis sel bahan bakar yang beroperasi pada suhu yang sangat tinggi (sekitar 1.832 derajat F,atau 1.000 derajat C).Suhu yang tinggi membuat kehandalan menjadi masalah yang harus diperhatikan.
Molten carbonate fuel cell (MCFC)
Fuel cell yang paling cocok untuk pembangkit listrik stasioner skala besar. MCFC beroperasi pada 1.112 derajat F (atau 600 derajat C), sehingga mereka juga
menghasilkan uap yang dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga lebih. MCFC memiliki suhu operasi lebih rendah dari SOFC, yang berarti membuat desain yang sedikit lebih murah.
PAFC (phosphoric acid)
• Teknologi Fuel Cell dalam pengembangan yang paling maju dan sudah menuju ke arah komersialisasi.
• Sudah dalam pengembangan selama lebih dari 20 tahun.
• Telah menerima total investasi di seluruh dunia dalam
pengembangan dan demonstrasi teknologi lebih dari 500 juta US dollar.
• PAFC menggunakan liquid phosphoric acid sebagai elektrolit.
• Asam fosfat yang terkandung dalam Teflon terikat silikon karbida matriks.
• PAFC memiliki power density 160-175 watts/ft2 per
daerah sel aktif.
Operation PAFC (phosphoric acid)
• Pada Anoda:
Hidrogen dibagi menjadi dua ion hidrogen (H +), yang melewati
elektrolit kemudian menuju katoda, dan dua elektron yang melewati sirkuit eksternal (beban listrik) ke katoda.
• Pada Katoda:
Hidrogen, elektron dan oksigen bergabung untuk membentuk air.
Molten carbonate fuel cell (MCFC)
• Campuran garam karbonat cair digunakan sebagai elektrolitnya.
• Komposisi elektrolit bervariasi, tetapi
biasanya terdiri dari lithium karbonat dan kalium karbonat. Suhu operasi sekitar 650 C (1200 F).
• Pada Anoda:
Melibatkan reaksi antara ion karbonat (CO3) dari elektrolit dan hidrogen. Reaksi
menghasilkan air dan karbon dioksida (CO2) sambil melepaskan elektron ke anoda.
• Pada Katoda:
Menggabungkan oksigen dan CO2 dari aliran
oksidan dengan elektron dari katoda untuk
menghasilkan ion karbonat yang masuk
elektrolit.
SOFC (solid oxide)
• Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) menggunakan keramik- elektrolit padat yang dapat mengurangi korosi dan
menghilangkan masalah manajemen elektrolit yang terkait dengan cairan elektrolit.
• Untuk mencapai konduktivitas ionik yang memadai dalam keramik tersebut, sistem harus beroperasi sekitar 1000 C (1830 F).
• Pada suhu itu, pembenahan internal bahan bakar karbon harus mungkin, dan limbah panas dari alat tersebut akan dengan mudah dimanfaatkan oleh listrik termal
konvensional sebagai pembangkit listrik sehigga dapat
menghasilkan efisiensi bahan bakar yang sangat baik.
SOFC (solid oxide)
Bentuk Stack keramik Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) menggunakan keramik- elektrolit padat.
PEMFC (proton exchange membrane)
• PEMFC menggunakan, membran polimer asam berbasis air sebagai elektrolit, dengan berbasis elektroda platinum. Sel PEMFC beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan dapat menyesuaikan output listrik untuk memenuhi kebutuhan listrik dinamis. Karena suhu yang relatif rendah dan penggunaan elektroda berbasis logam mulia, sel-sel ini harus beroperasi pada hidrogen murni.
• PEMFC beroperasi pada suhu 80 C, hal ini membuat PEMFC paling banyak digunakan untuk aplikasi bahan bakar portable seperti charger hp,untuk bahan bakar kedaraan yang mengunakan fuel cell.
PEMFC (proton exchange membrane)
DMFC (direct methanol)
• DMFC adalah Inovasi baru fuel cell diciptakan dan dikembangkan pada 1990- an oleh para peneliti di beberapa lembaga di Amerika Serikat, termasuk NASA dan Jet Propulsion Laboratory. DMFC mengunakan membran polimer sebagai elektrolit.
• Metanol memiliki beberapa keuntungan sebagai bahan bakar. Metanol
harganya murah tapi memiliki kepadatan energi yang relatif tinggi dan dapat dengan mudah diangkut dan disimpan.
• DMFC beroperasi pada kisaran suhu dari 60 º C sampai 130 º C dan
cenderung digunakan dalam aplikasi dengan kebutuhan daya yang sederhana, seperti perangkat elektronik mobile atau charger.
Alkaline fuel cells (AFCs)
AFC menggunakan elektrolit alkali seperti kalium hidroksida dalam air dan umumnya berbahan bakar hidrogen murni.
AFCS pertama dioperasikan pada suhu antara 100 º C dan 250 º C tetapi suhu operasi khusunya sekitar 70 º C. Sebagai hasil dari suhu operasional yang
rendah, tidak perlu untuk mmengunakan sebuah katalis platinum di sistem dan sebagai gantinya, berbagai logam non-precious dapat digunakan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda. Nikel adalah katalis yang paling umum digunakan dalam unit AFC.
COMPARE FUEL CELL TYPES
COMPARE FUEL CELL TYPES
APLIKASI FUEL CELL
Transportation
Stationary Power Stations
Telecommunications
Fuel and Infrastructure
Micro Power
APLIKASI FUEL CELL
There are many different uses of fuel cells being utilized right now. Some of these uses are…
•Power sources for vehicles such as cars, trucks, buses and even boats and submarines
•Power sources for spacecraft, remote weather stations and military technology
•Batteries for electronics such as laptops and smart phones
•Sources for uninterruptable power supplies.
• Kereta api, pesawat, kapal, skuter, forklift dan bahkan sepeda yang memanfaatkan teknologi PEMFC, DMFC.
TRANSPORTATION FUEL CELL
FUEL CELL VEHICLES-2004 FORD
Ford Focus FCV sistem sel bahan bakar efisien, tenang, dan menghasilkan emisi nol. Ford telah mengumumkan rencana untuk memiliki program demonstrasi kendaraan 5-10 di
Vancouver, Kanada pada tahun 2004.
FUEL CELL VEHICLES-2003 Honda
Honda melucurkan prototipe FCX kendaraan fuel cell, kota Los Angeles. Honda berencana untuk menyewakan sekitar 30 mobil-sel bahan bakar di California dan Jepang selama beberapa tahun ke depan.
• Fuel Cell dapat digunakan membangun pembangkit listrik stasioner. Ini termasuk gabungan panas dan tenaga (CHP), uninterruptible power sistem (UPS).Jenis fuel cell yang digunakan MCFC,PEMFC,PAFC,SOFC.
Stationary Power Stations Fuel Cell
Woking Park Fuel Cell CHP schematic
• Infrastruktur berkaitan dengan peralatan dan sistem yang dibutuhkan untuk memproduksi, mendistribusikan,
menyimpan, memonitor dan mengeluarkan bahan bakar, khususnya hidrogen, untuk sel bahan bakar.
Fuel and Infrastructure Fuel Cell
Portable Fuel Cell
Benefit Fuel Cells
High energy conversion efficiency
Modular design
Very low chemical and acoustical pollution
Fuel flexibility
Cogeneration capability
Rapid load response
Battery Replacement/Alternative
Military Applications
Problems with Fuel Cells
Sel bahan bakar menggunakan oksigen dan hidrogen untuk menghasilkan
listrik.Padahal untuk menghasilkan hidrogen dengan bahan pulutan.Tetapi baru – baru ini hidrogen dapat berasal dari hidrokarbon atau alkohol.
Problems with Fuel Cells
Oksigen yang dibutuhkan untuk sel bahan bakar berasal dari udara.
Hidrogen tidak begitu tersedia, namun.Hidrogen memiliki beberapa
keterbatasan yang membuatnya tidak praktis untuk digunakan di sebagian besar aplikasi.Misalnya, Anda tidak memiliki pipa hidrogen datang ke rumah Anda, dan Anda tidak dapat menarik ke pompa hidrogen di SPBU setempat.
Hidrogen sulit untuk disimpan dan dibutuhkan alat penyimpanan yang bagus karena mudah meledak.
