1970-an, International Fuel Cells mengembangkan sebuah sel bahan bakar alkaline yang lebih bertenaga untuk pesawat luar angkasa NASA Orbiter.
Orbiter menggunakan tiga buah power plant sel bahan bakar untuk memberikan energi listrik yang dibutuhkan selama penerbangan. Power plant ini menggunakan
bahan bakar hidrogen dan oksigen yang didapatkan dari tangki cryogenic dan memenuhi kebutuhan terhadap energi listrik dan juga air minum. Selama lebih
dari 30 tahun, US Department of Technology telah melakukan banyak penelitian dan pengembangan dan pada tahun 1987 mereka mulai menerapkannya pada
kendaraan.
Gambar 2.1 Sejarah perkembangan sel bahan bakar Sumber : Colleen Spiegel, 2008
2.2 Prinsip Dasar Sel bahan bakar
Sel bahan bakar bekerja berdasarkan prinsip pembakaran listrik - kimiawi
, cell
ini akan memproduksi energi listrik arus searah arus DC. Sel bahan bakar terdiri dari elektrolit yang memisahkan katoda dari anoda, elektrolit hanya
dapat menghantarkan ion saja, sedangkan elektron tidak dapat melewati elektrolit, jadi elektrolit ini bukanlah penghantar listrik dan juga menghindarkan terjadinya
Universitas Sumatera Utara
reaksi kimia. Pada anoda akan dialirkan secara berkesinambungan bahan bakar dan pada katoda dialirkan oksigen, pengaliran oksigen ini dilakukan secara
terpisah. Karena pengaruh katalisator pada elektroda, maka molekul – molekul
dari gas yang dialirkan akan berubah menjadi ion. Reaksi pada anoda menghasilkan elektron yang bebas, sedang pada katoda elektron yang bebas akan
diikat. Elektron
– elektron bebas yang terjadi harus dialirkan keluar melalui penghantar menuju ke anoda, agar proses listrik
– kimiawi dapat berlangsung. Panas yang timbul dari hasil reaksi kimia harus terus menerus dibuang, agar
energi listrik dapat terbentuk secara kontinyu. Reaksi
– reaksi yang terdapat di dalam sel bahan bakar : Anoda
: H
2 g
2H
+ aq
+ 2e
-
Katoda :
⁄ O
2 g
+ 2H
+ aq
+ 2e
-
H
2
O
l
Keseluruhan : H
2 g
+ ⁄ O
2 g
H
2
O
l
+ electric energy + waste heat
2.3 Jenis – Jenis Sel bahan bakar
Sel bahan bakar diklasifikasikan berdasarkan atas jenis dari elektrolit yang digunakan. Klasifikasi ini menentukan jenis reaksi kimia yang terjadi di dalam sel,
jenis katalis yang diperlukan, batas temperatur dimana sel tersebut bekerja, bahan bakar yang dibutuhkan, dan faktor
– faktor lainnya. Adapun sel bahan bakar hingga saat ini terbagi menjadi 7 klasifikasi utama antara lain :
1. Polymer Electrolyte Membrane PEM
2. Direct methanol
3. Alkaline
4. Phosporic acid
5. Molten carbonate
6. Solid oxide
7. Regenerative
Pada tabel 2.1 dapat dilihat jenis daripada elektrolit untuk masing –
masing sel bahan bakar dan operasi temperatur, karakteristik dan penggunaannya. Sel bahan bakar
mempunyai efisiensi yang cukup tinggi, dari 40 sampai 70
Universitas Sumatera Utara
tergantung dari jenis sel bahan bakar, yang paling tinggi adalah alkaline AFC, solid oxyde
SOFC, direct methanol fuel cell DMFC, dan regenerative fuel cell. Proton Exchange Membrane
PEM lebih dikenal sebagai Polymer Electrolyte Membrane
menyalurkan berat jenis yang inggi dan menawarkan keuntungan pada berat dan volume yang rendah, dibandingkan dengan sel bahan
bakar yang lainnya. Sel bahan bakar PEM menggunakan polimer solid sebagai elektrolit dan elektroda karbon yang mengandung katalis platinum. PEM
membutuhkan hanya hydrogen, oksigen dari udara, dan air untuk beroperasi dan tidak memerlukan cairan korosif seperti sel bahan bakar. Sel bahan bakar PEM
biasanya digunakan untuk aplikasi transportasi dan beberapa aplikasi perkantoran. Biasanya digunakan untuk angkutan umum, seperti mobil dan bus.
Gambar 2.2 Alur kerja Sel bahan bakar PEM Sumber
:http:www1.eere.energy.govhydrogenandfuelcellsfuelcellsfc_types.html Direct methanol fuel cell
DMFC digerakkan menggunakan methanol murni, yang dicampur dengan uap dan dialirkan secara langsung ke anoda
daripada sel bahan bakar. DMFC ini tidak mempunyai permasalahan tempat penyimpanan seperti sel bahan bakar lain pada umumnya. Hal ini dikarenakan
Universitas Sumatera Utara
methanol mempunyai berat jenis yang lebih tinggi daripada hidrogen namun lebih kecil daripada minyak diesel atau bensin. Saat ini penelitian dan pengembangan
mengenai DMFC ini 3 – 4 tahun lebih lambat daripada sel bahan bakar jenis
lainnya. Alur kerja daripada DMFC ini dapat dilihat pada gambar 2.3.
Tabel 2.1 Jenis Sel bahan bakar dan karakteristik Jenis
Elektrolit Temperatur
Operasi
o
C Karakteristik
Penggunaan
Polymer Exchange
Membrane PEM
Polymer elektrlyt
H
+
60 – 100
Kerapatan energi tinggi,
memiliki kepekaan
terhadap CO 100ppm
Kendaraan sedan, bis,
minivan, stasiun pembangkit
panas
Direct Methanol
Fuel Cell DMFC
Elektrolit polymer
H
+
60 – 120 Efisiensi
sistem tinggi, peka terhadap
hasil oksidasi di anoda
kendaraan
Alkaline AFC
Kalilauge KOH
60 – 120
Efisiensi energi tinggi,
memiliki kepekaan
terhadap CO2 Pesawat
ruang angkasa, kendaraan
Phosporic Acid
Fuel Cell
PAFC Phospor
Acid H
+
160 – 200 Efisiensi
energi terbatas, peka
terhadap CO 1,5 Vol
Stasiun pembangkit panas,
kendaraan
Universitas Sumatera Utara
Molten Carbonate
MCFC Molten
Carbonate CO
3 2-
500 – 650 Problem
korosi Stasiun
pembangkit energi panas, pembangkit
energi listrik Solid Oxyde
SOFC Lapisan
keramik O
2-
800 – 1000 Efisiensi
sistem tinggi, temperatur
operasi perlu diturunkan
Pembangkit energi panas, penggabung
stasiun pembangkit dengan turbin gas
Sumber : Colleen Spiegel, 2008
Gambar 2.3 Alur kerja DMFC Sumber:http:www.nfcrc.uci.edu2FUEL_CELL_INFORMATIONFCexplaine
dFC_Types.aspx Alkaline fuel cells
adalah salah satu dari teknologi sel bahan bakar yang dikembangkan, dan merupakan yang pertama digunakan secara luas untuk
program penghasil energi listik dan air pada pesawat luar angkasa oleh NASA. Sel bahan bakar ini menggunakan potasium hidroksida dalam air sebaga elektrolit dan
dapat menggunakan beberapa jenis dari metal sebagai katalis pada anoda dan katoda. Kekurangan dari sel bahan bakar tipe ini adalah dapat dengan mudah
dicemari oleh karbondioksida. Pada prosesnya, karbondioksida dalam jumlah
Universitas Sumatera Utara
kecil pada udara yang sedikit dapat mempengaruhi kerja dari sel bahan bakar ini. Selain mempengaruhi kerja juga mempengaruhi umur daripada sel bahan bakar.
Gambar 2.4 Alur kerja Alkaline Sel bahan bakar Sumber:
http:www1.eere.energy.govhydrogenandfuelcellsfuelcellsfc_types.html Phosporic Acid Fuel Cell
PAFC menggunakan cairan asam fosfor sebagai elektrolit dan elektroda besi karbon yang mengandung katalis platinum.
PAFC ini lebih dikenal sebagai generasi pertama dari sel bahan bakar modern. PAFC lebih toleran terhadap ketidakmurnian daripada bahan bakar yang telah
diubah menjadi hydrogen daripada Sel bahan bakar PEM. PAFC terlihat lebih besar dan berat, dan juga lebih mahal. Seperti halnya Sel bahan bakar PEM,
PAFC membutuhkan katalis platinum yang lebih mahal, yang mana menaikkan biaya daripada sel bahan bakar.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Alur Kerja PAFC Fuel Cell Sumber:
http:www1.eere.energy.govhydrogenandfuelcellsfuelcellsfc_types.html Molten Carbonate Fuel Cell
MCFC saat ini sedang dikembangkan untuk gas natural dan batubara untuk kegunaan elektrik, industri, dan aplikasi militer.
MCFC adalah sel bahan bakar yang bekerja pada temperatur tinggi yang menggunakan elektrolit yang terdiri dari molten carbonate salt mixture, lithium
aluminium oksida LiAlO
2
. Tidak seperti sel bahan bakar jenis alkaline, phosporic acid dan PEM fuel cell,
MCFC tidak membutuhkan alat pengubah eksternal untuk mengubah bahan bakar menjadi hidrogen. Kekurangan utama
daripada MCFC ini adalah daya tahan. Temperatur yang tinggi yang bekerja pada sel bahan bakar ini dan elektrolit korosif yang digunakan mempercepat korosi
daripada kompenen, yang mengurangi umur daripada sel bahan bakar.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Alur kerja MCFC Sumber:
http:www1.eere.energy.govhydrogenandfuelcellsfuelcellsfc_types.html Solid Oxide Fuel Cell
SOFC menggunakan bahan keramik yang keras dan tidak mudah berkarat sebagai elektrolit. Karena elektrolit dari SOFC ini
bersifat padat, sel bahan bakar tidak harus dibuat di dalam plat seperti sel bahan bakar jenis lainnya. SOFC ini diharapkan dapat memiliki efisiensi 50
– 60 untuk mengubah bahan bakar menjadi listrik.
Regenerative Fuel Cell menghasilkan listrik dari hidrogen, oksigen,
membangkitkan panas dan air sebagai bahan bakar, seperti sel bahan bakar lainnya. Regenerative fuel cell juga dapat menggunakan elektrolisa dari solar
power atau sumber lainnya untuk membagi kelebihan air menjadi bahan bakar
hidrogen dan oksigen. Sel bahan bakar jenis ini sedang dikembangkan oleh NASA dan perusahaan lainnya.
2.4 Komponen - komponen sel bahan bakar
