(Fuel cell handbook 7, hal 1.2)

Transkripsi

1 15 hidrogen mengalir melewati katoda, dan memisahkannya menjadi hidrogen positif dan elektron bermuatan negatif. Proton melewati elektrolit (Platinum) menuju anoda tempat oksigen berada. Sementara itu, elektron bebas bergerak disekeliling sel menuju power tempat diberikannya beban dan kemudian bercampur kembali dengan oksigen dan hidrogen pada anoda untuk membentuk air. Pada proses sederhana tersebut, reaksi yang terjadi pada sel adalah sebagai berikut: Pada anoda : H2 2 H e- Pada katoda : 1 2 O2 + 2H+ + 2 e- H2O secara keseluruhan : H2 + 1 O2 H2O 2 Gambar 2.1 Reaksi Sederhana pada fuel cell (Fuel cell handbook 7, hal 1.2) Fuel cell sangat menarik dalam aplikasi modern karena efisiensi tinggi dan penggunaan yang bebas emisi, berlawanan dengan bahan bakar umum seperti minyak tanah, bensin dan gas alam yang menghasilkan karbon dioksida. Satu-satunya sisa produk dari pembangkit yang beroperasi menggunakan hidrogen murni sebagai bahan bakar ini adalah uap air. Namun ada kekawatiran dalam proses memperoleh hidrogen

2 16 dikarenakan menggunakan banyak energi. Memproduksi hidrogen membutuhkan sebuah carrier hidrogen (biasanya bahan bakar fosil, meskipun air dapat dijadikan alternatif), dan juga listrik yang diproduksi dari mesin berbahan bakar konvensional. Meskipun sumber energi alternatif seperti energi angin dan surya dapat juga digunakan, namun energi tersebut juga termasuk pada kategori yang sangat mahal. Dalam keseharian, fuel cell diklasifikasikan dari tipe elektrolitnya, yaitu sebagai berikut: Proton Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC atau PEFC), Phosphoric Acid Fuel cell (PAFC), dan Direct Methanol Fuel cell (DMFC). Setiap jenis fuel cell memiliki kegunaan yang berbeda-beda sesuai temperatur operasinya maupun skala output atau tempat penggunaan. Contohnya, PAFC dan PEMFC beroperasi pada suhu relatif rendah dan biasanya digunakan sebagai penyuplai energi untuk mesin-mesin kogenerasi atau sumber tenaga pada automobile. Dikutip dari buku fundamental Fuel cell edisi kedua bahwa fuel cell jenis Molten Carbonate Fuel cell (MCFC) dan Solid Oxide Fuel cell (SOFC) beroperasi pada suhu tinggi yaitu lebih ari 600 C dan 800 C sampai 1000 C dan biasa digunakan pada pembangkin berukuran sedang (O hayre Ryan, dkk. 2009, Fuel Cell Fundamental Second Edition, halaman 272). DMFC dipergunakan sebagai sumber energi pada telpon seluler dan laptop, karena itulah jenis yang ini sangat cocok untuk dipasarkan. 2.2 Elektrolisis Elektrolisis merupakan salah satu metode yang menggunakan arus searah (DC) untuk memulai reaksi kimia yang spontan pada pemisahan molekul-molekul kimia. Hal ini juga dilakukan pada pemproduksian hidrogen sebagai bahan bakar fuel cell dengan memisahkan dua jenis molekul pada air yaitu hidrogen dan oksigen. Arus listrik searah (DC) yang dialirkan akan menyebabkan terjadinya perubahan muatan diantara kedua kutub elektroda. Dibagian katoda, air akan terjadi pemisahaan yang disebabkan karena atom hidrogen kehilangan elektron sedangkan atom oksigen akan menerima tambahan elektron. Dengan demikian atom oksigen berubah menjadi ion O2 + e - dan atom hidrogen menjadi H +. Katoda yang dialiri listrik menjadi

3 17 bermuatan negatif dan akan menarik ion hidrogen, lalu ion-ion tersebut akan menerima elektron dan berubah menjadi atom netral. Di katoda atom-atom ini bergabung dan membentuk senyawa H2 yang berbentuk gas. Sedangkan ion oksigen yang bermuatan negatif tertarik menuju anoda yang bemuatan positif, ion ini akan melepaskan elektronnya pada anoda dan menjadi atom netral, kemudian berkumpul di anoda dan bergabung menjadi O2 yang berbentuk gelembung mengambang dan bergerak ke atas, sehingga reaksi yang terjadi dapat digambarkan sebagai berikut Gambar 2.2 Proses Elektrolisis (yanboon, 3 juni 2012, Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC) Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell (PEMFC) adalah salah satu jenis teknologi yang sedang dikembangkan dengan efisiensi tinggi, tanpa polusi dan bising. Alat ini secara langsung mengkonversikan bahan bakar kimia seperti methanol (DMFC) atau hidrogen menjadi energi listrik. Dibandingkan dengan kinerja motor, fuel cell sudah bekerja dengan efisiensi 1,5 kali lebih tinggi dan menghasilkan panas dengan polusi yang sangat rendah. PEMFC menggunakan elektrolit yang secara langsung mengalirkan ion-ion hidrogen (H + ) dari anoda menuju katoda (ED Research Institude, PEM Fuel Cell Trainer ED-974x, Third Edition, 2011). Selain itu pada fuel sel ini tidak dipakai fluida yang bersifat korosif seperti jenis sel bahan bakar lainnya. Menurut keterangan data

4 18 yang ada, PEMFC jika dibandingkan dengan tipe fuel cell yang, jenis ini menghasilkan output listrik dan dapat bekerja pada suhu dibawah 80 C karena material elektrolitnya hanya bekerja pada suhu yang rendah (EG &G Technical service, inc, 2004, hal. 28),. Selain itu, fuel cell tipe ini memiliki struktur yang sederhana, pengoperasian yang mudah, memiliki sifat yang karakteristik, dan memiliki kekuatan yang baik. Kerapatan daya listrik PEMFC juga lebih baik daripada tipe tipe yang lain yaitu mw/cm 2. Tipe ini juga memiliki keungulan dalam start-up yang mudah dan on-off juga mudah. Untuk alasan inilah, sangat cocok untuk dipergunakan dalam kendaraan-kendaraan bermotor dan sumber energi yang efisien. Berikut adalah reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda PEMFC: Anode : H2 2H + + 2e - Katoda: 1 2 O2 + 2H+ + 2e - H2O Gambar 2.3 Proses pada sel PEMFC. ( Keuntungan PEMFC a. Memilki kerapatan daya yang lebih besar dari pada fuel cell lain.

5 19 b. Kemampuan menyalakan dan mematikan (off) yang mudah. c. Suhu operasi yang rendah hingga memungkinkan tuk dipakai secara portable. Kerugian PEMFC a. Menggunakan katalis platina yang mahal. b. Membran polimer dan komponen tambahannya yang sangat mahal. c. Manajemen aliran air yang sering dibutuhkan. 2.4 Komponen PEMFC Seperti yang dijelaskan sebelumnya bahwapemfc memiliki struktur yang sangat sederhana, hal itu ditunjukkan pada Gambar 2.4. Gambar 2.4 Skematic PEMFC (G. McLean, PEM fuel cell electrodes S. Litster1, hal 26) Membran (Flouroplastic) Pada sistem fuel cell terdapat membran sebagai elektrolit yang merupakan komponen penting dari sistem ini. Fungsi dari membran pada fuel cell adalah sebagai

6 20 elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran fuel cell menjadi media perpindahan ion hidrogen dari anoda menuju katoda, sehingga terjadi reaksi yang menghasilkan energi listrik Elektroda Elektroda adalah lapisan tipis katalis penting yang ditekan diantara membran dan lapisan pori (saluran oksigen). Elektroda merupakan sebuah layar yang dimana menjadi tempat terjadinya reaksi elektrokimia. Paling tepatnya, reaksi kimia tersebut terjadi dipermukaan lapisan katalis. Ada tiga hal yang terlibat dalam proses ini, yaitu gas (hidrogen), elektron dan proton, reaksi ini memakai tempat pada jumlah luasan katalis tertentu dimana semua hal diatas dapat masuk. Luasan reaksi bisa juga semakin besar oleh kekasaran permukaan maupun ukuran partikel serap katalis. Bagian terpenting pada elektroda PEMFC adalah : Anoda adalah kutub negative pada fuel cell. Anode merupakan elektroda yang akan mengalirkan elektron yang lepas dari molekul hidrogen menuju pembebanan. Pada meterialnya terdapat saluran saluran gas hidrogen dapat menyebar ke seluruh permukaan katalis. Katoda adalah bagian kutub elektroda positif pada fuel cell yang juga memiliki saluran yang akan menyebarkan oksigen ke seluruh permukaan katalis. Katoda juga berperan dalam mengalirkan elektron dari beban dan menjadi tempat terbentuknya air hasil dari penggabungan elektron dan ion-ion oksigen Lapisan Difusi Gas Lapisan difusi gas pada PEMFC memastikan semua reaktan dengan efektif didifusi pada lapisan katalis. Lapisan ini juga merupakan konduktor elektrikal yang

7 21 menjadi transport elektron menuju dan dari lapisan katalis. Secara khusus, lapisan difusi gas dirancang dari lembaran karbon rapuh, atau kain karbon, dengan ketipisan µm (PEM fuel cell electrodes S. Litster1, G. McLean, hal 28). Lapisan difusi gas juga berfungsi untuk membantu dalam manajemen air dengan membiarkan jumlah air sesuai kebutuhan, pengadaan pada membrane untuk kekurangan air Plat Bipolar Pelat bipolar atau pelat bidang alir (flow field plate) digunakan sebagai penghubung antara dua elektroda berbeda kutup. Pelat bipolar dibuat dari material yang mampu mengalirkan listrik dan tidak dapat ditembus gas, fungsinya sebagai penyimpan arus dan sebagai struktur penguat rangkain fuel cell. Pelat ini biasanya terbuat dari grafit, logam (aluminium, stainless steel, titanium, nikel) atau dapat dibuat juga dari komposit. Saluran alir dicetak pada permukaan pelat sebagai tempat aliran gas-gas yang bereaksi. yaitu: Berikut ada beberapa fungsi plat bipolar selain yang disebutkan diatas tadi, a. Menjadi penghubung susunan komponen-komponen elektrikal. b. Menjadi pembagi gas pada setiap cell dan bersifat tidak tembus gas. c. Sebagai bentuk pendukung pada penguat struktur, karena harus cukup kuat dan pastinya sedikit berat. d. Sebagai pemindah panas dari cell ke cooling cells, dimana harus terbuat dari bahan konduktif terhadap panas. Selain itu bipolar ini harus bersifat anti korosi (Frano Barbir, 2008 PEM Fuel Cell Theory and Practice. Halaman 34). 2.5 Tegangan, Muatan, Daya dan Efisiensi Kerja Fuel Cell Reaksi kimia yang terjadi dalam suatu cara tertentu sehingga menyebabkan elektron mengalir pada suatu rangkaian listrik merupakan peristiwa yang terjadi pada

8 22 fuel cell. Secara teori reaksi ini terjadi secara isothermal dan reversible. Pada keadaan biasa dan proses aliran yang tenang serta temperatur yang sama dengan ruangan yaitu 25 C (298 K). Efisiensi fuel cell secara keseluruhan dapat dihitung dengan mengitung rasio energi yang dikonsumsi dan energi yang dihasilkan. η Total = Energi listrik yang dihasilkan fuel cell Energi listrik yang dibutuhkan elektrilizer x 100% (2.1) Tegangan yang dapat diukur pada sel ini merupakan hasil perkalian antara arus dan hambatan rangkaian. V = I. R (2.2) Muatan listrik yang terdapat dalam suatu rangkaian listrik dapat dinyatakan sebagai perkalian antara arus dan waktu pemakaiannya, yaitu: Q = I. t (2.3) Sedangkan daya merupakan hasil kali arus yang dihasilkan dengan tegangan yang ada, yaitu: P = V. I (2.4) Dimana : V = tegangan (Volt) I = arus listrik (Ampere) R = hambatan (ohm) P = daya (watt)