Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) adalah salah satu dari beberapa jenis sel bahan bakar yang menggunakan membran penukar proton (proton exchange membrane (PEM)) sebagai penghubung antara reaksi katoda dan anoda. Sel bahan bakar metanol langsung (DMFC) telah dianggap sebagai bahan bakar ideal sistem sel karena menghasilkan tenaga listrik dengan konversi langsung metanol bahan bakar pada anoda sel bahan bakar.

DMFC merupakan fuel cell jenis proton exchange membrane (PEM) yang merubah secara langsung metanol menjadi energi listrik melalui suatu proses kimia. Prinsip kerja DMFC adalah metanol dan air bereaksi pada anoda menghasilkan karbon dioksida, proton, dan elektron. Selanjutnya proton bermigrasi melalui elektrolit polimer (misalnya nafion) menuju katoda kemudian bereaksi dengan oksigen dari udara menghasilkan air. Pada umumnya DMFC beroperasi pada temperatur sekitar 80 o_{C dengan efisiensi antara 40–50%.}

Ini lebih menarik dibanding hidrogen konvensional sel bahan bakar, terutama untuk aplikasi transportasi, yang mengandalkan sistem pembaharu yang besar dan tidak responsif untuk mengubah metanol, atau lainnya bahan bakar hidrokarbon, sampai hidrogen.

Sesuai namanya, membran ini menggunakan metanol sebagai sumber energi. Tidak seperti sel bahan bakar hidrogen cair, asam posfat, maupun larutan alkaline. Sel bahan bakar ini langsung memanfaatkan metanol untuk menghasilkan energi, sehingga metanol tidak perlu dirubah dahulu menjadi bentuk lain sebelum dapat menghasilkan energi. Inilah yang dimaksud dengan kata-kata “direct”.

Keterbatasan utama adalah kinerja anoda yang membutuhkan sangat efisien katalis oksidasi metanol. Bahan katalis semacam itu telah dicari, dan itu muncul bahwa hanya bahan berbasis platinum yang menunjukkan aktivitas yang masuk akal dan stabilitas yang dibutuhkan. Aplikasi baru elektrolit membran pertukaran proton telah memperpanjang suhu operasional DMFC di luarnya yang dapat dicapai dengan elektrolit cair tradisional, dan sehingga menyebabkan mayor peningkatan kinerja selama lima tahun terakhir.

Skema DMFC

Seperti terlihat pada gambar, disisi anoda metanol dan air diinjeksikan ke dalam batch reaksi dengan kecepatan konstan. Tumbukan dengan katalis membantu terjadi reaksi konversi metanol secara katalitik menjadi proton, CO2 dan elektron. Gas CO2 di keluarkan 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. Jelas terlihat di sini, limbah yang dihasilkan dari bahan bakar ini adalah air dan gas CO2 dalam jumlah yang kecil.

Kelebihan lain dalam proses sel bahan bakar metanol ini adalah efisiensi energinya yang cukup tinggi (melebihi 60%) serta panas yang dihasilkan akibat proses reaksi sangat kecil sekali. Dua faktor ini sangat penting dalam pemakaian peralatan elektronik untuk jangka waktu yang lama. Panas yang kecil menjamin keamanan dan kenyamanan pengguna selama pemakaian.

Nafion (asam poliperfluoro sulfonat ionomer)

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.

Baru-baru ini Yushan Yan dkk. dari University of Californias Riverside berhasil memodifikasi membran nafion mengggunakan metoda infiltrasi. Pori-pori membran yang semula berdiameter 40 nm diperkecil menjadi 10 nm dengan cara mengisikan nanopartikel zeolit beta sintetis ke dalam pori tersebut. Pengujian selanjutnya menunjukan peningkatan permeabilitas metanol dan konduktivitas yang signifikan (hingga 40%). Semakin permeabel membrannya berarti makin sulit metanol lewat sementara proton makin mudah menyeberang H+ yang dihasilkan makin banyak sehingga daya tahan baterai lebih lama. Begitu banyak kelebihan yang ditawarkan oleh DMFC.

Adanya penggunaan metanol sebagai sumber energi alternatif ikut membantu proses penghematan bahan bakar fosil. Metanol dapat diproduksi secara massal menggunakan metode Fisher Tropsch. Metode ini 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. Yang paling menarik tentu saja proses isi ulang baterai yang sangat singkat (hanya dalam hitungan menit saja). 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. Dalam waktu singkat baterai dapat langsung digunakan kembali dan tidak perlu menunggu berjam-jam, hemat listrik dan aman.

Saat ini DMFC sudah mulai diaplikasikan dalam berbagai bidang. Toshiba dan Samsung misalnya, telah merintis penggunaan baterai DMFC untuk produk-produk terbaru mereka. Bahkan Toshiba sudah berhasil membuat laptop berbaterai DMFC dan akan dipasarkan mulai akhir tahun 2007. Konon baterai yang memakai 1 ml metanol 99,5% tersebut dapat bertahan selama 10 jam. Negara-negara maju seperti Kanada, Amerika serikat dan Jepang diperkirakan akan segera menerapkan penggunaan baterai DMFC untuk instalasi sumber energi tertentu. Negara–negara ini mengeluarkan dana yang cukup besar untuk melakukan penelitian dan pengembangan teknologi DMFC termasuk produksi metanol itu sendiri. Diperkirakan dalam beberapa tahun yang akan datang DMFC sudah lazim digunakan pada semua jenis peralatan elektronik semisal pisau cukur, laptop, handphone, walkman, mesin pemotong rumput, kendaraan bermotor, kereta api bahkan sumber tenaga cadangan untuk rumah sakit, bandara, perumahan dan stasiun kereta api.

Pengaplikasian dari DMFC juga sedang diarahkan ke arah otomotif. Mobil fuel cell atau Fuel Cell Vehicles (FCV’s), merupakan kendaraan bermotor dengan mesin penggerak fuel cell. Sasaran utama pengembangan ini adalah pada penggunaan mesin berteknologi DMFC. Kendaraan bermotor dengan mesin penggerak ini disebut Direct Methanol Fuel Cell Vehicles (DMFCV’s).

Senyawa Titik Beku Titik Didih Beracun/tidak Larut dalam air/tidak Poli isobutilena -54 o_{C - Tidak beracun} Tidak larut dalam air._{Larut dalam pelarut}

non-polar Silicon rubber

(poli dimetil

siloksan) 5

o_{C >200} o_{C Beracun} Tidak larut dalam air

dingin

Etilen glikol -12,9 o_{C 197,3} o_{C Beracun Larut dalam air}

Xylene -47,7 o_{C 138,5} o_{C Beracun}

(Tetrahydrofuran) -108,4 oC 66 oC Beracun Larut dalam air

Piridin −41,6 o_{C 115,6} o_{C Beracun Larut dalam air}

Butyl cellosolve -77 o_{C 171}o_{C Beracun} Sebagian larut dalam air

dingin

Diaseton alkohol -47 o_{C 166} o_{C Beracun Larut dalam air dingin}

Aseton -95,35 o_{C 56,53} o_{C Beracun} Larut dalam berbagai

perbandingan

acetate -61,7 oC 156 oC Beracun Larut dalam air dingin

Toluene -93 o_{C 110,6} o_{C Beracun} Sebagian larut dalam air

dingin

Etil asetat -83,6 o_{C 77,1} o_{C Tidak beracun Larut dalam air}

Etilen diklorida -35,3 o_{C 83,5} o_{C Beracun} Sangat sedikit larut